我国典型梯田古水稻土微生物学特性研究

Ancient terrace paddy soil offers a best opportunity of investigating the relationship between climate changes and rice cultivation vicissitude. Soil microorganisms play an important role in paddy soil formation and development, but the microbial properties of ancient terrace paddy soils are unclear. In this proposal, the abundance, diversity and community composition of a multiple of soil microorganisms in different depths of profiles of ancient terrace paddies will be evaluated using high-throughput sequencing, GeoChip, and qPCR techniques, etc.; further these microbial properties will be analyzed against physico-chemical indicators of paddy soil formation and development as well as climate changes; and the microcosm will be set to figure out the possible mechanisms by which soil microbial properties interact with those physico-chemical indicators. The knowledge will do great help towards the understanding of the effect of global climate changes on paddy ecosystem and human agricultural activity. Furthermore, our finding will contribute to the knowledge regarding the microbial mechanisms of the development of paddy soil and its elements’ biogeochemical cycling.

古梯田为研究稻作农业兴衰与气候变化的关系提供了很好的平台。微生物参与水稻土发生和演变过程，但是古梯田水稻土微生物学特性尚未见报道。本申请基于我国特有的梯田古水稻土资源，利用高通量基因测序、基因芯片、实时定量PCR技术等现代分子生态技术研究古水稻土剖面不同深度土壤中微生物数量和群落结构以及功能，揭示其微生物学特性；利用多种生物信息学分析方法，耦合微生物学特性与土壤发生发育和气候变化代用指标，明确梯田古水稻土耕作历史中微生物学特性的演替规律；利用室内培养实验，研究氧化铁矿物和微生物代谢的耦合机制，阐明梯田古水稻土微生物学特性演替规律的机制。本项目有助于深化气候变化对我国稻作农业影响和水稻土发生发育过程的微生物学机制的认知，以及强化稻田微生物资源的挖掘和研究。

水稻是一种典型的可持续性农业生态系统。其可持续的根本在于土壤微生物特异的群落结构（例如种间互作性）和构建机制。此外，水稻耕作过程中的微生物信息可以反映当时自然和社会的动荡。基于此认知，本项目研究中首先利用14C示踪和多个土壤理化因子测定，界定了广西龙脊古梯田剖面土壤630年的耕作年限；采用高通量测序技术，研究了630年间龙脊古水稻土中产甲烷古菌和细菌群落的演替规律和细菌群落生态构建过程。发现土壤微生物的数量、多样性、群落结构和构建过程的变化和多个理化代用指标（特别是SOC和Fe含量）密切相关，并随耕作方式与过程呈现相同的变化规律。百年和十年尺度的中世纪小冰川期、太平天国起义和自然灾害等事件对当地稻田耕作的影响均能反映在产甲烷古菌群落多样性的变化上。以秸秆降解为载体，进一步研究了铁对水稻土微生物种间电子传递的影响，发现了添加氧化铁能够促进厌氧环境物种间电子传递过程，进而加速外源有机物的土壤有机质化过程，这是水稻土有机质持续增加的微生物学机制之一。但是这种效应受到土壤本底铁浓度的影响，具有环境可变性。由于水稻土是一类典型的可持续性农田土壤，我们拓展比较了长期淹水、长期旱作和水稻三种典型农田土壤的微生物群落构建过程及其与多样性和群落功能关联的差异，发现水稻土微生物群落具有平衡（等量）的随机-确定性构建过程，利于物种多样性的保持和功能的最大化输出，这可能是稻田生态系统可持续的微生物学机制。