亚热带典型水稻土碳循环关键微生物过程的计量学特征

To further advance the contemporary soil science and resolve the fundamental frontier issues of the current soil biochemistry field, along the primary pathway of chemistry-biologg-ecology coupling and by the uses of the state-of-art high-end quantitative techniques of isotopic tracers, high-throughput sequencing and environmental genomics chemistry, biology and ecology, systematic investigations will be conducted to quantify the rates of the key pathways, the amounts and ratios of major substrates, participant substances (e.g., organic chemicals and O2), intermediate and ultimate products and their mathematical relationships with the parameters of the key driving microbial functional-groups and activities, and environmental conditions (solar-radiation intensity, temperature, soil physical properties, pH, redox potential, substrate abundances and nutrient availabilities) in the three key biogeochemical processes in the typically subtropical paddy soils, including the transformation/mineralization, medium and end products of fresh organic matter, the methane production and the microbial photo-assimilation of atmospheric CO2. By applying the basic principles and methodology of stoichiometry in chemistry, biology and ecology, the novel stoichiometry to represent the coupled relationships between the above three stoichiometry sciences will be developed, and the fundamental characteristics of the stoichiometry of key soil microbial processes in the typical paddy soils will be revealed. The attempt to construct the fundamental principles and methodology for developing soil biochemical stoichiometry will also be processed, in a purpose to provide advantage knowlegdes for developing soil stoichiometry.

基于土壤科学发展和解决当前土壤生物化学研究所面临的基础前沿科学问题的需要，运用同位素示踪、高通量测序和环境基因组学等化学、生物学和生态学高端定量测定手段，以化学-生物-环境耦合为主线，系统研究水稻土新鲜有机质转化/矿化、CH4产生和大气CO2微生物光合同化三类关键过程的关键环节（中间过程）的反应速率、主导底物及其参与物质（相关有机分子、O2等）、主要中间产物和最终产物（CO2、CH4、有机碳）的比率及其与驱动微生物数量与活性和环境条件（光强、温度、土壤物理性质、pH、Eh、底物丰度、养分供应状况等）的表征参数的定量关系；运用化学计量学、生物计量学、生态计量学的基本原理和方法，建立三类过程化学-生物-环境耦合的计量关系，阐明亚热带典型水稻土关键微生物过程的计量学基本特征，探讨建立土壤生物化学计量学的基本原理和基本方法，为发展土壤计量学提供科学依据。

本项目以亚热带典型水稻土为对象，系统研究水稻土新鲜有机质转化/矿化、 CH4产生、大气CO2微生物光合同化等三类关键过程的关键过程的数量关系、微生物功能群和环境因子之间的定量关系，解析三类过程的化学-生物-环境耦合的计量关系。主要获得以下重要结果：. （1）典型水稻土新鲜有机质转化/矿化的关键微生物过程计量。量化了水稻光合碳在土壤中输入与分配过程，小分子有机碳、秸秆和木质素等新鲜有机碳矿化与激发效应的数量关系；揭示了养分元素计量比是调控水稻光合碳分配、新鲜有机碳矿化的重要调控因子；明确了元素计量比通过改变微生物群落结构、网络关系、代谢活性和养分获取策略等，进而调控土壤有机碳的矿化与转化过程。. （2）典型水稻土CH4产生的关键微生物过程计量。建立了稻田土壤甲烷厌氧氧化（AOM）活性的原位测定方法，估算了AOM对中国稻田甲烷排放的贡献为20%；证明了有机电子受体（humic acids）是仅次于NO3-作为AOM的重要驱动力。证明了化肥分批施用可提高土壤中养分元素计量比，降低甲烷排放和温室效应。. （3）典型水稻土微生物CO2光合同化功能的计量。土壤对大气CO2的同化作用主要是由自养微生物参与的同化过程，且较高的RubisCO酶活性使自养微生物具有更高的CO2同化潜力。量化了微生物同化碳在稻田土壤中矿化转化的数量关系，揭示了微生物同化碳相对于其他类型碳源，在水稻土具有更长的滞留时间和更强的固碳效应。. 所获得的成果能够深入阐明亚热带典型水稻土关键微生物过程的计量学基本特征，为发展土壤计量学提供科学依据。目前正式发表学术论文46篇，其中SCI一区论文14篇；已授权国家发明专利2件；获湖南省科学技术一等奖1项；培养国家级/省级/市级青年人才2人次；培养博士后2名、博士研究生5名、硕士研究生14名；应邀参加国际/国内学术会议做邀请/口头报告共10人次。所获得的成果已达到本项目的预期目标。