亚热带典型水稻土有机碳微生物利用效率的元素计量学驱动机制

Microbial organic carbon use efficiency (CUE) is a comprehensive indication of soil organic carbon pool turnover and accumulation, and is affected by the C:N:P element stoichiometric balance between soil and microorganism. However, the stoichiometric mechanism of CUE is of complexity and uncertainty, because the element stoichiometric ratio is variable due to the frequently alternate drying-wetting in paddy soil. Therefore, this project will use "paddy soil CUE - element stoichiometry - microbial mechanism" as the main line. The 13C and 18O isotope labelling technology combined with laboratorial incubation experiment，will be taken to quantify the CUE and its threshold range in typical subtropical paddy soil and its response to element stoichiometry. The microbial marker technology (13C-PLFA) and quantitative stable isotope probing (DNA-qSIP) will be used, to clarify the community and composition of the microbial functional groups which participate in the use of native and exogenous organic carbon in soil and their response to element stoichiometry. Based on the multivariate statistical analysis, the key effect factor regulating the paddy soil CUE will be clarified, and the element stoichiometric coupling mechanism between the key functional microorganism and the process of microbial use of native and exogenous organic carbon in paddy soil will be revealed. The project will provide scientific basis for understanding the carbon cycling in paddy ecosystem and promoting the sustainable development of farmland.

有机碳微生物利用效率（CUE）是土壤有机碳库更新和累积的综合指征，并受土壤与微生物C:N:P元素计量学平衡关系的影响。然而，水稻土由于频繁的干湿交替导致多变的元素计量比，其CUE的元素计量学驱动机制存在诸多复杂性和不确定性。因此，本项目以“水稻土CUE—计量学特征—微生物机制”为主线，采用13C和18O双标记技术，结合室内培养试验，量化亚热带典型水稻土CUE及其阈值范围，探讨元素计量比对水稻土CUE的影响规律；利用微生物标识物技术（13C-PLFA）和定量稳定同位素核酸探针技术（DNA-qSIP），明确参与水稻土原有和外源有机碳利用过程的关键微生物种群结构与数量特征及其对元素计量比的响应特征；运用多元统计分析，明确调控水稻土CUE的关键影响因子，揭示关键功能微生物与土壤原有和外源有机碳利用过程的元素计量学耦合机制。研究结果可为理解稻田生态系统碳循环，促进农田可持续发展提供科学依据。

有机碳微生物利用效率（CUE）是土壤有机碳库更新和累积的综合指征，受土壤与微生物C:N:P元素计量学平衡关系的影响。然而，水稻土由于频繁的干湿交替导致多变的元素计量比，其CUE的元素计量学驱动机制存在诸多复杂性和不确定性。本项目量化了亚热带水稻土有机碳微生物利用效率（CUE）及其对土壤养分计量比的响应特征，发现水稻土CUE整体偏低，在0.05-0.25之间，高养分条件下能有效增加CUE，长期施肥水稻土的CUE主要受微生物生物量周转的控制。通过基于CUE理论范围，设置外源碳和养分添加试验，表明匹配计量学平衡的碳与养分输入，能提高微生物对外源碳的同化利用，增加外源碳在土壤中的固持。进一步探讨养分计量比对水稻土有机碳矿化的微生物作用机制，发现限制性元素P的输入，降低了土壤DOC:Olsen P比值，使r-策略微生物（厚壁菌门和拟杆菌门）为优势种群；反之，微生物处于养分受限条件下K-策略微生物成为优势种群。在秸秆矿化过程中，微生物群落由r-策略微生物为主演替为以K-策略微生物为主，主要表现为厚壁菌门微生物丰度降低，δ-变形菌门、酸杆菌门和放线菌门微生物丰度增加。进一步采用18O-/13C-DNA-SIP技术揭示了在不同元素计量比条件下参与水稻土外源碳和原有有机碳转化的功能微生物，结果表明参与土壤原有有机碳和外源13C代谢的微生物主要是变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）。在培养的前7天，P和NP的添加能增加Alpha-proteobacteria对13C的代谢；NP同时添加增加Euryarchaeota的丰度；56天时，葡萄糖+NP处理时，Euryarchaeota参与13C代谢的重要性减弱，Candidatus_Saccharibacteria重要性增加。.项目实施期间，发表相关研究论文11 篇，包括Soil Biology and Biochemistry、Biology and Fertility of Soils等SCI 一区论文8 篇，第一标注论文4篇。培养博士后1人，博士研究生2人，硕士研究生2人。.全面完成了项目计划预定的目标，并超额完成了论文的发表和学生培养等任务。