洱海流域高碳储量农田土壤微生物群落分子生态学特征研究

Soil nitrogen loss from field is one of the crucial reasons to cause water eutrophication in Erhai lake watershed. Previous study had shown high soil carbon stock can form a good barrier dam, thus controlling the nitrogen loss and nitrogen non-point sources pollution. Soil microbial community structure and function play an important role in soil carbon and nitrogen codependency, but the process and mechanism lacking molecular ecology research. In this study, we base on a long-term experiment in Erhai lake watershed fields, high-carbon-stock fields in Erhai lake basin as the research object, qualitative study on the soil microbial community structure component，abundance and diversity by metagenomics analysis and quantitative analysis on the carbon and nitrogen microbes by quantitative PCR and high-throughput sequencing techniques. Through the difference analysis on the soil microbial community structure, abundance and diversity, combined with system analysis of the soil microbial biomass (carbon and nitrogen) and enzyme activity, to interprete the molecular ecology characteristics of soil microbial community structure and diversity and to illustrate the response and feedback mechanism to carbon input of soil microbial community structure and function in the typical field in Erhai watershed. Hence, the outcome through this research could provide evidence to support the mechanisms of carbon and nitrogen codependency，so as to provide the basis to optimize the farmland soil microbial community structure and function.

农田土壤氮素流失是引起水体富营养化的重要原因。前期研究结果表明在洱海流域，土壤高碳库的存在可以形成良好的阻控氮素流失的碳坝，从而实现控制氮素流失导致的面源污染。土壤微生物群落结构及其功能是影响该碳氮共济效应的重要因素，但其过程及机制缺乏基于分子生态学层面的研究。本研究以洱海流域高碳储量农田为研究对象，在长期定位试验基础上，基于宏基因组学方法，定性分析土壤微生物群落结构组成、丰度和多样性特征；利用荧光定量PCR技术和高通量测序技术，定量分析碳氮功能微生物群落功能多样性特征。通过碳输入下土壤微生物群落结构组成、丰度和生态功能多样性的差异分析，结合土壤微生物量和酶活性动态变化特征，解析高碳储量农田土壤微生物群落结构和功能的分子生态学特征，揭示农田土壤微生物群落结构和功能对碳输入的响应、反馈机制。研究成果不但为碳氮共济效应机制阐明提供证据支持，还为优化农田土壤微生物群落结构和调节群落功能提供依据。

农田土壤碳氮共济效应是作物养分高效利用和面源污染防控的理论基础，微生物则是驱动碳氮共济效应的重要动力，准确解析其群落结构和功能，是实践土壤碳氮素科学管理的理论基础。项目基于碳氮输入长期定位试验，解析了洱海流域高碳储量农田土壤分子生态学特征，揭示了土壤微生物群落结构和功能多样性对碳氮输入的响应特征，结果表明：（1）基于不同有机碳源物料相同施用量情况下土壤微生物量碳氮含量和碳氮水解酶活性变化表明，微生物量碳氮含量与土壤有机质和全氮含量呈极显著正相关，碳输入显著提高β-1,4-葡萄糖苷酶活性，氮输入则显著提高β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性。（2）基于细菌16S rRNA基因和真菌ITS基因的扩增子测序的土壤微生物种群丰度及群落组成变化表明，碳氮输入不会引起跨界微生物多样性的变化，但促进微生物群落差异性增强。（3）基于功能基因cbbL-R和nifH的扩增子测序和基于功能基因cbbL、nifH、amoA、amoB的qPCR定量的土壤微生物种群丰度、群落组成及基因丰度变化表明，碳氮素输入主要主导了土壤氮转化功能微生物种群的生理生态功能，进而对氮转化作用过程产生影响。（4）基于宏基因组测序技术的微生物种群和功能基因的丰度及组成变化表明，碳氮输入导致具有复合营养生活方式的土壤微生物种群丰度提高，表现为细菌未分类类群占总数的比率随碳梯度的增加而降低，古菌与细菌的比值随碳梯度呈下降趋势，真菌与细菌的比率随碳梯度而增加；功能基因相对丰度随碳梯度的变化而变化，与养分转化以及复杂有机化合物降解有关功能基因的相对丰度随碳梯度而增加。（5）在土壤微生物固碳以及与之共济的氮转化作用过程过中，碳输入通过影响土壤微生物群落结构和功能变化而改变氮动力学转化过程，土壤氮则通过影响土壤微生物群落结构和功能变化而有效调节碳源物料分解速率和土壤碳平衡。研究结果有助于准确预测土壤微生物结构变化对土壤碳氮素变化产生的影响及其途径，为区域农田生态系统优化管理及合理保护提供理论支撑。