长期水稻种植下微生物群落对土壤异化铁还原过程的影响机制

Dissimilatory iron reduction is an important biogeochemical process in paddy soils, yet little is known about the microbial community coupling iron reduction under long-term rice cultivation. Here, we assessed the effects of continuous rice cultivation on iron-reducing microbial community structures, activities, and iron chemical forms for paddy soils along a chronosequence spanning 700 years in a coastal area from East China. The soil chronosequence consisting of four ages with approximately 50, 100, 300, 700 years of paddy cultivation history and an uncultivated tidal marsh representing the original soil was selected. Topsoil samples were analyzed for different iron chemical forms (hydrochloric acid extraction, free, amorphous), which measured by spectrophotometric method. Community structures and abundance of iron-reducers were determined using terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) combining clone library and real-time quantitative (qPCR). Dissimilatory iron reduction potential was concurrently evaluated using a laboratory anaerobic incubation of treated topsoil samples. This research work will reveal dynamic changes in the composition of iron oxide, iron-reducing microbial community structure and abundance under prolonged rice cultivation, and explore the relationships between the microbial diversity and iron oxides. Our study will elucidate the mechanism of iron-reducing community succession with rice cultivation and perfect the understanding about iron cycling in paddy soil.

在稻田土壤中，异化铁还原是一个重要的生物地球化学过程，然而目前对长期水稻种植下微生物与铁的还原过程间的相互作用仍知之甚少。我们以我国东部沿海未垦滩涂和植稻年限约为50，100，300，700年的水稻土所组成的时间序列为研究对象，研究长期植稻对土壤中铁还原微生物群落和活性以及不同形态铁氧化物组分的影响。采用比色法来分析表层土壤中不同形态铁氧化物组分（盐酸浸提态、游离态和无定形态）。采用末端限制性片段长度多态性分析（T-RFLP）与克隆文库相结合、定量PCR（qPCR）和厌氧培养试验来测定土壤中铁还原微生物的群落结构、基因丰度和异化铁还原潜力。本研究将揭示长期水稻种植下土壤中铁氧化物组分、铁还原微生物群落结构和丰度的动态变化特征，探讨该过程中铁还原微生物多样性与铁氧化物之间的相互关系。通过阐明长期水稻种植条件下铁还原微生物群落的演替机制，有助于完善微生物所参与的稻田土壤铁循环的科学认识。

水稻土是我国长期植稻下经过水耕熟化而形成的一类特色农业土壤。水稻土中微生物介导的铁氧化还原过程对土壤结构与土壤肥力形成具有重要作用。目前对长期种植水稻条件下，土壤中各形态铁组分、异化铁还原潜力和异化铁还原微生物的群落的演变过程知之甚少。本项目采用室内培养和分子生物学手段相结合，选取植稻年限为50-1000年的稻田土壤以及一个未垦滩涂作为研究对象，开展长期水稻种植下土壤中不同形态铁氧化物含量、铁还原微生物群落的演变、微生物介导下的碳铁耦合关系和铁氧化物对水稻土温室气体的影响机制的研究。研究发现：.（1）土壤总铁含量随土壤发育呈逐渐下降的趋势，但碳铁计量比呈先增加后稳定的变化趋势。与此同时，相关的铁还原细菌（Anaeromyxobacter、Geobacter和Shewanella）没有显示出一致的变化；无定形态，游离态和络合态氧化铁在土壤发育初期快速变化，但300年之后都趋于相对稳定；碳和铁之间微生物介导的耦合关系随着水稻土微生物群落和氧化铁组分的相对稳定而趋于简单。（2）铁氧化物的添加会显著的降低甲烷的排放，对植稻年限越久的水稻土抑制作用越强。产甲烷菌丰度和活性在不同粒径团聚体中存在明显的分布特征，且丰度和活性会随着植稻年限的变化而变化。（3）长期植稻下，水稻根际沉积碳约占总地下碳输入量的26%，且脉冲标记方法较连续标记方法会低估15%的总地下碳输入。（4）氮肥施加下，不仅会增加根际碳向微生物转移，而且会增加根际向非根际的周转。通过厘清滨海滩涂围垦过程中土壤有机碳和氧化铁随时间的演变规律，对保护围垦区域生态环境、持续利用土地资源和实现固碳减排具有重要的意义。已发表相关论文4篇，培养硕士研究生1名。