第七届青年地学论坛

半干旱的气候条件和高强度的农事活动使我国北方原本脆弱的生态系统遭到严重破坏，带来诸多生态环境问题。退耕还林、还草成为解决这些问题的有效措施。芒草（Miscanthus spp.）是一种多年生禾本科C₄植物，对低温、干旱、贫瘠、盐碱和重金属等逆境环境均具有较强的耐受性（Sarkar et al., 2017; Zgorelec et al., 2020; Wang et al., 2021），其生态适应范围十分广泛。芒草具有多种用途，可用作饲草，生物能源作物和景观园林植物等，还可有效防止水土流失，增加种植地生物多样性，生态服务功能十分强大。因此，我们设想将芒草应用到边际性退耕地的植被恢复中，但在低成本管护模式下（不施肥、灌溉且每年收获生物质），芒草的生物质产量表现，以及它的长期种植对退耕地土壤理化性质、尤其氮水平和循环的影响及机制尚不清楚。
基于此，我们对12年的芒草种植系统进行了长期研究，结果表明：（1）此种模式下，芒草表现出生物质产量的可持续性，稳定的平均产量约为22.22 t/hm²；（2）长期种植芒草能够显著降低0-100 cm土壤容重，增加土壤SOC含量（32.31%-113.00%），增加土壤微生物碳氮磷含量（1.30-18.24倍）；（3）连续每年的生物质收获并未降低土壤中氮磷水平，但显著降低了土壤总钾水平，需要适时补钾。那么为什么连续每年因生物质的收获导致的氮的输出并未降低土壤中氮的水平？我们发现芒草种植地土壤中存在非共生固氮菌，其CFU数量与芒草地上部氮浓度呈现出显著正相关关系。我们进一步通过高通量测序对表层土壤微生物群落特征进行了分析，发现（4）芒草的长期种植显著改变了土壤细菌群落丰度、组成和结构，而对古菌群落影响较小；（5）发挥固氮功能的微生物群落的相对丰度明显增加；（6）土壤总有机碳、交换性镁离子和速效钾含量在驱动耕地土壤微生物群落类型向芒草种植地土壤微生物群落类型的转变中发挥着重要作用；对土壤中氮循环过程关键基因的qPCR分析结果表明，（6）与传统耕地相比，长期种植芒草显著增加了土壤中固氮基因nifH丰度，降低了细菌氨氧化基因aomB的丰度。基于此，我们推测非共生固氮菌在维持芒草种植地土壤自然氮平衡中发挥着重要作用，然后我们考虑到整个系统氮的输入（氮沉降、非共生固氮菌的生物固氮）和输出（生物质收获），首次在国内外计算出非共生固氮菌为芒草种植系统的供氮量，约为218.74 kg/ha/yr（1 m土层）。
以上研究结果为我们的设想提供了理论依据，丰富和拓展了芒草研究群体在此方面的认识，对于芒草在边际性退耕地的规模化推广应用具有重要意义。
 

芒草；,退耕地；,土壤微生物群落；,氮循环；,生物固氮