气候条件和土壤类型对秸秆长期腐解过程中秸秆组成与微生物群落协同演变的影响

The North-South Transect of Eastern China is a longitude transect driven by heat and water gradient, which covers temperate, subtropical and tropical regions. Along this transect, three main types of soil (ie, black soil, chao soil and red soil) were selected and transplanted to the three agricultural regions, which were Hailun in Heilongjiang, Fengqiu in Henan and Yingtan in Jiangxi. Maize and wheat straws were put into nylon bags and buried in the soil transplantation experiment plots. Solid 13C-NMR and microbial ecology research methods, including BIOLOG, PLFA, DGGE, clone library, Geochip4.0 and 454/Illumina sequencing, were combined to study straw decomposition at time scale of 0.5-5 years. The aims of this study were: 1) investigate the changes of straw chemical composition during the decomposition in different soils under different climate conditions; 2) analyze the characteristics of microbial community structure (common species and unique species) and succession responsible for straw decomposition; 3) analyze quantitatively the relative impacts and interactions of precipitation, temperature, soil and straw variables on the continuous change of compositions of residual straw and microbial community, thus to reveal the synergistic mechanisms for the collaborative change of straw composition and microbial community during long-term decomposition which could provide a theoretical basis for developing site-specific management practices of straw returning under different climate and soil conditions.

在我国东部南北样带上的3个农区（寒温带?暖温带?中亚热带），选择黑龙江海伦、河南封丘和江西鹰潭农业生态试验站，建立水热变化梯度下三种主要农田土壤（黑土、潮土和红壤）的置换试验，针对两种秸秆（玉米、小麦），埋设尼龙网袋腐解试验，结合固体核磁共振光谱（13C-NMR）方法和微生物生态学研究方法（包括BIOLOG、PLFA、DGGE、文库、Geochip4.0、454/Illumina测序），在不同时间尺度上（0.5～5年），1）研究不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中秸秆化学结构和组成的变化规律；2）对比分析秸秆腐解微生物群落结构组成特征（共有种群和特有种群）和演替规律，3）定量分析降雨、温度、土壤和秸秆性质对腐解秸秆化学组成和微生物群落演变的单独影响和交互作用；揭示秸秆结构和微生物组成的协同变化机制，为提出适合不同区域气候、土壤条件的秸秆还田调控措施提供理论基础。

基于不同气候带上（中亚热带、暖温带、寒温带）不同土壤类型（红壤、潮土和黑土）的置换试验，埋设玉米和小麦秸秆的尼龙网袋腐解试验，结合核磁共振和微生物生态学方法，研究气候、土壤、植被、施肥对秸秆分解微生物和土壤碳转化微生物的影响。研究发现：1）随腐解进程秸秆残体中易分解碳（含氧烷基碳）相对含量下降，其化学组成向难分解组分（烷基、羰基、芳香族碳）转化；特别是在暖温带和中亚热带化学结构转化路径趋于相似，气候（低温等）制约了趋同过程。有机碳官能团的腐解常数主要受气候以及气候和土壤、秸秆交互作用的影响。2）随腐解进程，秸秆腐解微生物丰度下降，群落结构向以革兰氏阳性菌为主的细菌方向演替，细菌群落结构由富营养型向贫营养型演替。年均温和年均相对湿度显著影响腐解玉米秸秆的细菌丰度，而年均降雨量和秸秆N/P比显著影响腐解小麦秸秆的细菌丰度。3）在暖温带、中亚热带秸秆分解过程中碳结构组成与微生物群落结构存在协同演变规律，同时协同演变规律受秸秆N含量的驱动。4）种植玉米增加了寒温带黑土、暖温带潮土、中亚热带红壤中的核心基因数量和关键核心C转化基因网络结构的复杂性，气候和种植管理通过改变微生物分子生态网络结构协同驱动C、N、S转化。5）短期尺度下（6年），升温（南移）和降温（北移）显著改变了土壤微生物群落结构，升温对微生物群落演替速率的增幅最大，不同微生物种类对温度的响应与其丰度显著相关。6）长期尺度下（20年），气候和耕作管理对土壤碳氮转化微生物群落结构的影响超过了土壤类型的影响。7）长期施用有机肥增加了红壤团聚体中微生物丰度和线虫总数，线虫-微生物的生物网络复杂度随团聚体粒径的增加而增加，并提高了土壤呼吸熵和硝化势。本研究定量分析了制约秸秆碳分解微生物和土壤碳转化微生物的影响因素，并揭示了秸秆结构和微生物组成的协同变化机制，为提出适合不同区域气候、土壤条件的秸秆还田调控措施提供理论基础。