水稻土不同稳定性新鲜有机质组分转化对氮素的响应与微生物机制

The transformation of fresh organic matter in soil is controlled by nitrogen supplement. However, the discrepancies of the refractory and labile components of fresh organic matter in responding to nitrogen and their microbial mechanisms remain poorly understood. Therefore, incubation experiments combined with 13C isotop tracing, real-time PCR, high-throughput sequencing and enzyme analyzing methods will be conducted to study the dynamic degradation of the exogenous fresh organic matter in responding to nitrogen availability (form and concentration) in the typical subtropical paddy soils. Especially, the discrepancies between the transformation of refractory (lignin) and labile (cellulose) components of fresh organic matter in response to nitrogen will be quantified. The relationships between the transformation processes of the fresh organic matter and its refractory and labile components in response to nitrogen and the dynamics of functional microbial gene abundances, microbial communities, enzyme activities will be charified. The structural equation modeling among the transformation of fresh organic matter, enzyme activity and microorganism after nitrogen supplyment will be constructed. This project will reveal the mechanisms of nitrogen impacts on the transformation of fresh organic matter in terms of the refractory and labile components in respondse to nitrogen, and will enrich the understanding carbon-nitrogen coupling process, and also offer the theoretical basis to promote the healthy and efficient cycle of the subtropical paddy systems.

新鲜有机质的转化受土壤氮素养分状态影响，但其不同稳定性组分对氮素响应的差异及其内在微生物机制尚不清楚。申请项目拟通过室内模拟培养试验结合13C稳定同位素示踪、定量PCR、高通量测序以及酶学分析技术等，系统研究亚热带水稻土中外源新鲜有机质降解与转化对氮素有效性（形态和浓度）响应的动态过程，重点分析新鲜有机质中主要不同稳定性组分（难降解的木质素和易降解的纤维素）对氮素响应的差异，阐明水稻土外源新鲜有机质及其不同稳定性组分转化对氮素的响应过程与有机质转化功能酶活性、功能微生物数量和种群结构动态演变的内在关系，构建氮素添加后新鲜有机质转化-酶活性-微生物演变的结构方程模型。通过上述系统深入研究，从不同稳定性有机组分对氮素响应的差异方面揭示氮素对水稻土外源新鲜有机质转化的调控机理及其微生物学机制，为全面认识水稻土碳氮耦合规律，促进我国稻田生态系统健康高效循环提供理论依据。

通过定位试验，原位监测了田间条件下秸秆还田后秸秆源两种不同稳定性碳组分的降解动态，发现连续13年秸秆还田后旱地土壤中纤维素的含量未发生显著改变，且水旱轮作地中纤维素含量显著降低，表明纤维素不是有机质积累的主要形式；通过一年定位观测证实，秸秆还田后旱地和水旱轮作地中纤维素分别在6和3个月内完全转化为其他非纤维素形态；长期秸秆还田均显著增加了红壤旱地、红壤水旱轮作地及石灰土旱地的木质素含量；微生物功能基因测序阐明了木质素和纤维素的积累与微生物功能群动态变化的耦合机制，并揭示氮素是木质素和纤维素积累的关键控制因子。采用室内模拟培养试验结合13C 同位素示踪技术，定量研究了水稻土中两类碳源（秸秆和根系分泌物）矿化对氮素的响应动态过程，比较了水稻土氧化层与还原层外源新鲜有机质转化对氮素的响应差异与微生物机制，发现氮素会促进水稻土有机碳矿化，但增幅不大（<12%）；进一步分析发现添加氮素主要促进还原层有机碳矿化，微生物标识物（氨基糖）分析表明还原层相较氧化层积累了较多铵态氮，微生物偏好利用铵态氮，进而促进还原层微生物活性。基于室内模拟培养试验结合13C 同位素示踪技术，研究了稻田和旱地土壤中秸秆来源亲水和疏水性有机碳的微生物利用与分解过程，首次发现两种土壤中细菌偏好利用亲水性碳，真菌偏好利用疏水性碳；根据细菌和真菌的不同生长策略：细菌为快速生长r-策略者、真菌为慢速生长型K-策略者，其激发效应分别以表观激发和真实激发为主，正是由于细菌、真菌分别对亲水、疏水性有机碳的偏好利用，导致前期亲水性碳的矿化和激发效应强度大于疏水性碳。为明确氮素对有机碳转化影响的普遍性，补充了非水稻土中有机碳转化对氮素添加的响应过程研究，发现低肥力沙质旱地土中添加氮素使系统C/N范围为6~12时，外源新鲜有机碳和土壤固有碳矿化降低幅度高达16~30%，这与水稻土的结果相反。进一步分析认为其原因可能是：亚热带稻田土壤总体处于氮素充足状态，微生物不缺氮，微生物对氮素添加不敏感，进而对有机碳矿化的影响有限；对于碳源和养分均缺乏，尤其是氮素缺乏的土壤而言，微生物处于饥饿状态，外源秸秆氮素添加后对微生物的合成代谢促进作用大于分解代谢，即更多的碳源用于合成微生物生物量、CO2释放减少。