间作体系中根际pH诱导有机磷活化的微生物过程研究

Low use efficiency of phosphorus is key limiting factors in high efficient utilization of resource and increase in food production. Intercropped legume induced rhizosphere acidification could enhance soil mobilization, and also influence microbial activity; such rhizosphere processes could promote phosphorus bioavailability in cereal-legume intercropping system. However, how rhizosphere pH changes mediate microbial processes to promote organic phosphorus mineralization is not fully understand. This is a key question to deeply understand rhizosphere pH-induced microbial processes on rhizosphere organic P mobilization. In this study, the rhizobox and pot experiment will be adopted to investigate the widely cultivated wheat-chickpea intercropping system. Some key methods and techniques for monitoring rhizosphere dynamic processes and microbial properties are applied, including a novel non-invasive optical sensor, soil zymography with fluorescent substrates, high-throughput sequencing and quantitative PCR. The main objectives of this study are to understand how the pH shift to induce the changes in bacterial group distribution, phosphate-solubilization-bacteria functional gene expression and activity of alkaline phosphatase in wheat-chickpea intercropping system, and then to reveal how the phosphate-solubilization-bacteria and alkaline phosphatase to promoting organic phosphorus mineralization under different pH conditions. This study will provide important scientific bases to understand the mechanisms of high phosphorus use efficiency and achieve high-yield and high-efficiency sustainable crop production in intercropping system.

磷的利用效率低是制约磷资源高效利用和粮食增产的关键因素。禾本科-豆科作物间作能够提高磷的生物有效性，因为间作豆科作物根际酸化不仅增强土壤磷的活化，而且影响微生物活性，但是根际pH的变化如何介导间套作根际微生物过程，进而促进根际土壤磷的活化和高效利用鲜有报道。定量揭示根际pH变化诱导微生物过程促进有机磷活化过程是深入理解间作提高磷利用效率的关键问题。本研究通过根盒和盆栽实验，以广泛种植的小麦-鹰嘴豆间作体系为研究对象，综合采用非侵入式光学传感器pH实时连续测定、酶谱法测定碱性磷酸酶活性、高通量测序和qPCR定量分析解磷细菌基因的表达等方法，系统研究小麦-鹰嘴豆间作体系中，根际pH变化对参与磷循环菌群的空间分布，碱性磷酸活性和空间分布，解磷细菌功能基因表达的影响，揭示不同pH下解磷细菌和碱性磷酸酶如何参与根际有机磷的活化。为理解间套作体系中磷高效利用和实现高产高效提供科学依据。

本项目围绕“间作体系中根际pH诱导有机磷活化的微生物过程研究”这一重点，从根际pH时空变异、根际微生物时空变异及pH和功能菌群协同提高间作磷有效性的机制三个方面开展了以下根际营养机理研究：（1）利用原位实时连续定量根际pH的方法，揭示了间作体系中根际pH和速效磷的时空变异规律；（2）探究在根际尺度上pH变化对细菌地理格局的影响，揭示了根际pH对微生物群落结构的影响机制；（3）不同供氮梯度下根际pH和功能菌群协同提高间作磷有效性的机制；（4）通过整合分析定量化豆科/禾本科间作对提高磷有效性的贡献及其影响因素。主要取得了以下重要进展：（1）建立根际pH原位实时连续无损测定技术，检测小麦/鹰嘴豆间作体系根际pH的时空变异规律，及其与根际速效磷在时空变异上的关系，定量化根系诱导的pH变化对磷活化的有效距离；（2）以3mm为单元无损检测根际pH变化和微生物菌群（r-策略细菌和k-策略细菌）的丰度，研究发现r-策略细菌（拟杆菌门, β-变形菌门和硬壁菌门）具有相同的空间变化规律，其丰度和根际pH负相关和根际真菌的丰度成正相关；而k-策略细菌不受根际pH变化和真菌丰度的影响；（3）在豆科/禾本科间作提高磷有效性的机制研究上有了新的进展，证明根际磷有效性的变化依赖于供氮水平，豆科作物固氮诱导的根际酸化提高单作鹰嘴豆根际磷有效性，根际微生物量磷库的增加和参与磷循环的菌群丰度的增加（BPP和硬壁菌门）在未发生根际酸化的根际提高磷有效性；（4）整合田间豆科/禾本科间作数据，定量化间作体系磷吸收效率、利用效率及其吸收的磷向产量的转化效率的影响，其中间作下磷吸收的净增加量为5.41 kg/ha，净增产量为3.18 t/ha，C3C4组合以及与根际活化能力强的豆科作物间作能增加这些优势，随着供磷量的增加土地利用效率降低，而磷吸收的净增加量呈相反的趋势，这为间套作物种的选择和管理提供了理论依据和技术支撑。研究结果已经提交到Plant & Soil， Agricultural Ecosystems & Environment，Soil Biology & Biochemistry 等期刊，培养研究生2名。