荒漠绿洲农业区“间歇性干旱”可导致根瘤菌结瘤负效应

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荒漠绿洲农业区“间歇性干旱可导致根瘤菌结瘤负效应

(草田轮作岗位 师尚礼、曹文侠)

 

1、荒漠绿洲农业生态系统特征与优质紫花苜蓿商品干草生产

我国南北纬15°50°之间的地带,是荒漠半荒漠分布地带。该区降水少、蒸发强烈、气候干燥、植被稀疏、风力作用强劲、物理风化强烈,是蒸发量超过降水量数倍乃至数十倍的沙漠、戈壁、荒漠分布区域,生态系统独特而脆弱。随着现代农业的发展,荒漠绿洲部分区域已被开发为重要的农业生产区,以灌溉的形式进行农业生产,但脆弱的生态环境使得农业资源的任何管理方式都如履薄冰。受人类农耕活动和地下水资源大量开发利用方式的影响,荒漠绿洲农业资源管理问题,已深刻影响着区域农业生态系统的永续发展及生态安全乃至国家安全。

中国西北荒漠绿洲农业区是最重要最优质的紫花苜蓿商品干草生产区。随着中国草牧业的发展,适应农业供给侧结构性改革的新要求,推动农业种植业结构调整,加快种养结合和农牧循环,未来紫花苜蓿优质草产品需求量会不断加大。众所周知,紫花苜蓿为多年生豆科植物,能与根瘤菌共生结瘤固定大气中的氮素供植物利用,是苜蓿高产、高蛋白和高品质的基础,氮素固定是维系苜蓿生产力的重要生态反应。当前以大量使用化肥和非连续性水份灌溉(或称之为大水漫灌)的生产管理方式,来换取高产量的生产模式存在许多不确定因素,其可持续性令人担忧。

2、荒漠绿洲农业区“间歇性干旱”现象与根瘤菌结瘤负效应

目前,全球范围内每年输入生态系统的总氮量约为2亿吨,其中75%来自生物固氮,而生物固氮量的80%由土壤微生物(Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium)与豆科植物共生固氮完成。紫花苜蓿作为豆科植物中最为重要的栽培牧草,在我国种植面积已超过437.5万公顷,主要集中在西北干旱半干旱区。这些地区降雨量远远小于蒸发量且降水分布不平衡,苜蓿经常处于干湿交替的田间土壤水分环境。

在适宜的条件下,紫花苜蓿根系可被根瘤菌侵染形成共生瘤,这一生物共生现象也是上天赋予人类的特殊礼物,本应珍爱和高效利用。土壤干旱不仅影响植物生长、根系发育及物质分泌,也使根瘤菌处于一个较低的群体水平。Serraj R.1999)研究表明水分含量是影响苜蓿与根瘤菌共生结瘤和固氮的重要因素,豆科植物-根瘤菌共生关系的形成及其根瘤菌固氮酶活性均对干旱十分敏感,从而影响结瘤和固氮效率。刁治民(1999)调查发现干旱、缺水的自然条件下,青海野生及栽培豆科植物根瘤少,野生豆科植物根系在短湿润条件下所形成的幼嫩根瘤,也会因干旱而衰败、脱落。

荒漠绿洲农业区非连续性灌溉的土壤环境存在间隙性干旱现象,即湿润-干旱-湿润-干旱的土壤水分剧烈变化动态,使紫花苜蓿一直处于干湿交替或水分多变的土壤环境。这种干湿交替的间歇性水分剧烈变化状态和强烈物理风化的粘性土壤干旱板结,使得紫花苜蓿在灌水初期根系被大量根瘤菌侵染,结成幼嫩的白色根瘤,但因生长季较高的田间水分蒸发和植物蒸腾,导致土壤水分含量急速降低,使绝大多数幼嫩根瘤不能发育成熟,或不能成长为有效根瘤,半途夭亡,致固氮功能不能显现。

姚新春、师尚礼(2007研究了不同干旱间歇期对紫花苜蓿结瘤数量、有效瘤数量和有效根瘤重量的影响,证明了土壤水分是影响紫花苜蓿根瘤结瘤数量的最重要因素。随着干旱间歇期的延长,土壤80%持水量的总根瘤数由13.2/株下降至8.1/株,土壤50%持水量的总根瘤数由9.5/株下降至6.8/株,且有效根瘤数、有效根瘤重均与干旱间歇期成显著负相关,且干旱间歇期越长有效根瘤数量越少,根瘤重量越小。

根瘤发育生长要消耗大量营养,所消耗营养均由苜蓿植株体提供。荒漠绿洲农业区间歇性干旱使得根瘤不能成熟或半途干枯死亡,造成苜蓿生长能量的无效消耗,降低苜蓿生产力,产生明显的根瘤菌结瘤负效应。处于间歇性干旱胁迫的苜蓿处于实际缺氮的状态,极大地限制了苜蓿生物量的形成和营养的积累,这也是增加了化肥在荒漠绿洲农业区苜蓿生产中的过量使用。要充分发挥紫花苜蓿的固氮作用,达到高产、高蛋白和优质的目的就必须调解和保持生长季的土壤水分供给状态以改善其物理结构和养分效应。

3、荒漠绿洲农业生态系统固氮根瘤菌资源综合管理及开发利用的建议

类似荒漠绿洲农业区的非连续性灌溉农业,通常会因存在间隙性干旱导致的紫花苜蓿等豆科植物根瘤菌结瘤负效应的问题,限制着固氮根瘤菌这一重要农业自然资源作用的发挥。建议强化荒漠绿洲农业生产中的田间水分管理,注重水肥耦合管理中的根瘤菌结瘤效应,改进灌溉方式,减少过量施用氮肥,提高水肥效益。同时,利用现代生物技术,选育新型耐旱型根瘤菌,促进根瘤菌结瘤的成熟生长能力和根瘤寿命,提高豆科植物根瘤菌资源的生物固氮效应。

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