玉米-大豆轮作是东北黑土区主要的种植模式。然而，由于植物-土壤-微生物之间的相互作用，玉米秸秆还田如何改变大豆氮吸收模式仍不清楚；量化下一季大豆对玉米秸秆氮的利用，对于优化氮肥的施用策略，促进黑土区农业的可持续发展至关重要。为此，中国科学院东北地理所的研究人员于2013年在黑龙江省海伦市设立田间定位试验，基于玉米-大豆轮作体系，在玉米生长季正常施用化肥，研究了大豆生长季（1）不施肥（2）施用化肥和（3）玉米秸秆还田对大豆氮吸收及产量形成的影响。结果表明：在玉米-大豆轮作条件下，秸秆还田处理与施用化肥处理之间的大豆产量没有显著差异（P > 0.05）（图1），秸秆还田处理大豆的收获指数明显提高，这很可能是因为玉米秸秆还田改变了下茬大豆对氮的积累模式。为此，利用稳定同位素15N标记的方法，深入研究了大豆对肥料氮、土壤氮、秸秆氮和共生固氮的利用，探讨了秸秆还田对大豆植株体内不同来源氮素的积累影响以及与大豆产量形成之间的关系。研究结果揭示了秸秆还田可增加大豆生长后期的氮吸收量，但R5-R8期营养器官氮素的再利用量却显著下降（图2），发现秸秆还田对大豆氮素积累影响主要来自对共生固氮的促进作用，表现为根瘤数量、质量和密度显著提高。进一步的机制研究发现，秸秆还田显著提高了大豆根际固氮nifH基因拷贝数且改变固氮微生物群落结构（图3），固氮菌对结瘤位的竞争能力增强。基于此研究结果，我们认为黑土玉米-大豆轮作体系可以通过秸秆还田的方式来达到减少氮肥施用，提高大豆固氮生态效应，进而实现大豆稳产、高产。
图1. 2014、2016和2018年秸秆还田对大豆产量和干物质累积量的影响
图2. 秸秆还田对大豆籽粒氮素来源的影响
图3 秸秆还田、不施肥和施用化肥固氮菌群落结构PCoA分析（A）和聚类分析（B）
该研究有助于优化黑土区大豆生产过程中养分管理策略，丰富大豆氮素吸收模式生态理论，对于如何保护好、利用好黑土地提供了理论支持。相关研究结果发表在农林科学领域国际主流期刊Field Crops Research和Plant and Soil上，主要工作由东北地理所农田分子生态学科组谢志煌博士研究生、李彦生副研究员、于镇华副研究员、金剑研究员和刘晓冰研究员等共同完成。该项工作得到了国家自然科学基金面上项目（41771326）和中科院A类先导专项（XDA28020201）的资助。
论文详细信息如下：
Zhihuang Xie#, Yansheng Li#, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Caixian Tang, Ulrike Mathesius, Xiaobing Liu, Junjie Liu, Judong Liu, Stephen J. Herbert, Junjiang Wu & Jian Jin*. Incorporation of maize crop residue maintains soybean yield through the stimulation of nitrogen fixation rather than residue-derived nitrogen in Mollisols. Field Crops Research, 2021, 272, 108269.
Zhihuang Xie#, Zhenhua Yu#, Yansheng Li, Guanghua Wang, Caixian Tang, Ulrike Mathesius, Xiaobing Liu, Junjie Liu, Judong Liu, Stephen J. Herbert, Junjiang Wu & Jian Jin* Linking rhizospheric diazotrophs to the stimulation of soybean N2 fixation in a Mollisol amended with maize straw. Plant and Soil, 2021, 463, 279–289.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037842902100215X
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-021-04904-1
