长期施肥影响红壤中13C秸秆及组分降解与截留的微生物机理研究

Straw returning and fertilization are essential in modern sustainable agriculture. Although influences of straw returning on fertilizer use efficiency and soil properties are frequently reported, the reverse influence of fertilization, especially long-term fertilization, on straw decomposition is rarely investigated, and its microbial mechanism is unclear. In this project, we will use isotope technique to quantify the influences of long-term fertilizations on decomposition rate and microbial carbon use efficiency and their relationship with soil, enzyme and microbial stoichiometry, abundance and structure of whole microbial community in red soil of south China. In addition, high isotope abundant (>90%) 13C labeled maize straw and its major components (cellulose and lignin) coupled with 13C stable isotope probing (13C-SIP) and 13C nuclear magnetic resonance (13C-NMR) will be used to differentiate microbial communities dependent on straw from those dependent on soil organic matter and to differentiate 13C NMR signal of straw residue and microbial products from that of soil organic carbon. These methods enable us to trace carbon flow from straw to microbial assimilation and then to microbial products and identify the key microbial decomposition processes sensitive to long-term different fertilizations. The project will finally illuminate the microbial mechanism of how different long-term fertilizations impact straw decomposition from the carbon flow perspective at both straw and component levels. Completion of this project will provide deep insight into the scientific basis carbon cycling in red soil region of south China.

秸秆还田与施肥将在可持续现代农业中长期存在，施肥对秸秆碳周转和截留的影响对提高土壤有机质含量具有重要意义。本项目拟以祁阳长期不同施肥红壤为试验土壤，采用13C稳定同位素技术，结合土壤化学和酶学测定，从资源供应和化学计量学的角度研究长期施肥对微生物降解速率及截留比率的整体调控；并以高丰度13C秸秆及主要成分（13C纤维素和13C木质素）为材料，采用13C稳定同位素探针（13C-SIP）和13C核磁共振（13C-NMR）等技术，追踪秸秆及组分从微生物胞外酶解聚，到特异微生物碳同化，再到形成秸秆残体，最后到生成微生物产物的链式足迹，研究秸秆降解与截留的特异途径调控，从秸秆整体和组分两个层面，揭示长期施肥影响秸秆降解及截留的微生物机理。本项目的实施将为深入理解我国南方丘陵农田红壤碳循环机理和提高农业管理措施固碳减排能力提供新的理论依据。

我们以祁阳长期施肥红壤为试验土壤，以高丰度13C秸秆及主要成分（纤维素和木质素 ）为材料，采用13C稳定同位素技术（13C-SIP）、土壤化学和酶学测定和13C核磁共振（13C-NMR）等技术，研究了施肥对秸秆碳周转和截留的影响机理。结果表明：.一、.秸秆、纤维素和木质素的降解速率取决于土壤的资源投入，与土壤全碳和全氮成正比；同时资源投入高的土壤微生物胞外酶，如纤维素二糖酶、葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性也高，细菌和真菌的数量也高；秸秆及其主要化学成分纤维素和木质素的降解速率与纤维素二糖酶活性、葡萄糖酶活性、多酚氧化酶活性、细菌数量、真菌数量均呈显著正相关关系；秸秆及其主要化学成分纤维素和木质素的降解速率与养分化学计量比相关性较弱。.二、.尽管伯克氏菌、根瘤菌、鞘氨醇单胞菌、链霉菌、黄单胞菌是同化秸秆碳的优势菌群，但他们在不同施肥处理土壤中的相对丰度相差很大，如化肥处理土壤的活性链霉菌丰度高于不施肥和有机替代处理，而不管是化肥还是有机替代，活性黄单胞菌的相对丰度均高于不施肥处理。我们研究发现降解纤维素和木质素的微生物存在很大的重叠，该结果更新了传统观念：降解纤维素的土壤微生物主要为细菌，降解木质的微生物主要为真菌，且降解纤维素和木质素的微生物是不同的。.三、.我们结合高丰度13C秸秆和13C-NMR技术，能够灵敏检测到添加秸秆、纤维素和木质素后土壤有机碳结构的变化，如化肥和有机肥均促进了形成更多的脂类有机碳，而有机替代有助于形成更多的芳香类有机碳。.四、.研究还发现相比于无肥处理，长期施用化肥没有改变秸秆的激发效应，但长期有机替代显著降低了激发效应，减少土壤原有有机碳的损失，主要源于有机替代显著降低了受添加秸秆激发的细菌和真菌群落结构，并降低了受添加秸秆激发的真菌数量。.五、.目前已毕业硕士研究生1名，另一名明年毕业。已发表论文7篇，专利1项，其中SCI论文3篇，包括2篇《Soil Biology and Biochemistry》论文（影响因子>5.0），还有部分正在撰写中。