生物炭对新疆棉田土壤微生物的影响及其缓解连作障碍机制研究

The phenomenon of cotton continuous cropping is very serious in the cotton area of Xinjiang province. Continuous cropping has resulted in a decline in cotton production, quality and soil microbial diversity. Meanwhile the diseases and insect pests of cotton such as verticillium wilt, fusarium wilt occur commonly and seriously affect the farmers’ income. Continuous cropping has been one of the key issues need to be solved on cotton production. Biochar as a new type of environment friendly soil improvement material is widely used in agricultural production, especially for the improvement of the soil quality. Therefore, the application of biochar to the continuous cropping soil of Xinjiang province was studied. The aim was to reveal the effect of application biochar on soil physical and chemical properties, soil enzyme, soil microbial quantity, population structure and carbon metabolism activity, which can reveal the relationship between the indexes and the biochar treatments, explore the effect of biochar on soil microbial ecology and the microbiological mechanism of the biochar alleviated cotton continuous cropping obstacle. The relationship between biochar treatments and cotton growth were discussed through the investigation of the soil fertility, cotton yield and fiber quality, verticillium wilt, fusarium wilt and cotton bollworm, which could provide the theoretical basis for alleviating cotton continuous cropping obstacle.

新疆棉区棉花连作现象十分严重，连作导致棉花产量下降，品质变差，土壤微生物多样性下降，棉花黄萎病和枯萎病等病虫害多发，严重影响了棉农的经济收入，是棉花生产上亟待解决的关键问题之一。生物炭作为新型的环境友好型土壤改良剂被应用于农业生产，特别对于土壤的改良具有突出的效果。本项目研究生物炭处理对新疆连作棉田土壤理化性质、土壤酶、土壤微生物数量、微生物种群结构及碳代谢活性的影响，揭示各项指标时空演替特征及与生物炭处理之间的相互关系，探讨生物炭对棉田土壤微生态的影响及缓解棉花连作障碍的微生物学机制。并通过土壤肥力、棉花产量指标、纤维品质指标，以及黄萎病、枯萎病、棉铃虫等病虫害的测定和调查，探讨生物炭处理与棉株生长发育的相互关系，为新疆棉田土壤的改良及可持续利用提供理论依据。

新疆棉区棉花连作现象十分严重，连作导致棉花产量下降，品质变差，土壤微生物多样性下降，棉花黄萎病和枯萎病等病虫害多发，严重影响了棉农的经济收入，是棉花生产上亟待解决的科学问题之一。本项目研究不同连作年限（a＜5；5-10a；10-15a；a＞20；）和不同生物炭浓度（0 t•hm-2，C0； 20 t•m-2，C1； 40 t•hm-2，C2）下长期连作棉田土壤理化性质、土壤酶、土壤微生物数量、微生物种群结构及碳代谢活性和棉花光合特性的变化，揭示各项指标时空演替特征及与生物炭处理之间的关系，探讨生物炭对棉田土壤微生态的影响及缓解棉花连作障碍的微生物学机制。发现随连作年限增加细菌多样性呈下降趋势。在各处理中共发现5个优势属，分别为Sphingomonas, Gemmatimonas, Nitrospira, Pseudomonas and Gp6，其中Sphingomonas 和 Pseudomonas 的相对丰度生物炭处理显著高于对照（p＜0.05），并且连作2年和6年棉田显著高于连作18年和25年。细菌群落和代谢途径的综合生物信息学分析表明，在连作20年和最高的生物炭施用比率（C2）时具有最佳细菌丰度，碳水化合物和氨基酸代谢物相关细菌群落较高，有利于整体土壤肥力提升。宏基因组分析表明，在连作棉田土壤上施用生物炭改变了土壤真菌群落，发现真菌门最多的是子囊菌和担子菌。在连续种植20年后，真菌OTU的数量开始增加，并且pH值为7.3±0.1时其真菌的OTU总量最高。生物炭处理初期对照的AWCD、物种丰富度指数、均匀度指数、优势度指数、碳源利用丰富度指数均高于添加生物炭处理，但随着棉花的生长，后期添加C1和C2处理土壤微生物AWCD和多样性指标高于对照，生物炭处理土壤微生物对单一碳源利用和代谢活都要高于对照，并且随着连作年限增加，其碳源利用能力降低。光合特性研究发现，与C0处理相比，C1和C2处理显著提高了棉花叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、光合能力(Pm)、表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)、RUBP最大再生速率(RUBPmax)、叶绿素含量和籽棉产量(P＜0.05)。生物炭处理对棉花纤维品质有促进作用，但效果不显著，但有效缓解了棉田黄萎病的发病率，20吨/公顷生物炭处理与CK相比，可以使黄萎病发病率降低27.2%-30.6%。