稻田光合碳/外源氮流通的计量特征与耦合机制

The flow, interaction and microbial processes of photosynthetic carbon and exogenous nitrogen in paddy field ecosystem, can directly or indirectly affect the paddy soil productivity and greenhouse gas emission. However, the quantitative process and regulatory mechanism of carbon and nitrogen flow among rice, soil and microorganism remain unclear. Therefore, this project will use the rice-soil ecosystem as the research object. To quantify the distribution and transformation of photosynthetic carbon and exogenous nitrogen in the rice rhizosphere and non-rhizosphere soil, the method of 13C and 15N double labeling and rhizosphere bag are applied in the simulation pot experiments. The structure and diversity of soil microbial communities will be investigated by using PLFA. By applying the principle of stoichiometry and statistics the flow model of photosynthetic carbon and exogenous nitrogen in agroecosystem will be developed. For evaluating the soil carbon, nitrogen cycling processes in rice fields, the interactions among carbon and nitrogen, rhizosphere and microbes will be explored, and to clarify the flow and regulatory mechanism of carbon and nitrogen in rice-soil ecosystem. The due results can provide a theoretical basis for insight into agroecosystem carbon and nitrogen cycle, and also be benefit to the improvement of soil fertility and mitigation of greenhouse gas emission.

稻田生态系统中光合碳、外源氮的流通与相互作用及其微生物过程，可直接或间接影响水稻土的持续生产力与温室气体排放。然而，目前对于水稻、土壤及微生物间碳、氮流通的定量过程与调节机制尚不清楚。因此，本项目以“水稻-土壤”生态系统为研究对象，应用13C、15N双标记技术，采用根际袋法结合温室模拟盆栽试验，量化光合碳、外源氮在水稻根际、非根际土壤中的释放通量和分配、转化规律；采用微生物标识物技术，研究参与碳氮转化的水稻根际、非根际土壤微生物种类及群落结构的变化动态；结合土壤碳氮流通过程中的环境变量因子，初步建立光合碳、外源氮在稻田生态系统中的流通模型。探讨“水稻-土壤”生态系统中碳、氮流通过程与调节机制，阐明水稻根际沉积地下部生态系统过程，揭示稻田土壤碳、氮循环的过程和特征。通过上述研究可为深入了解稻田生态系统碳氮循环过程、实现农田土壤肥力提升和温室气体减排提供理论依据。

稻田生态系统中光合碳、外源氮的流通与相互作用及其微生物过程，可直接或间接影响水稻土的持续生产力与温室气体排放。然而，目前对于水稻、土壤及微生物间碳、氮流通的定量过程与调节机制尚不清楚。通过本项目的研究，发现分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期这4个生育期水稻光合13C在地上部的分配比例依次增加，而在根部和根际土中的分配比例逐渐减小；光合碳对土壤有机质的贡献随水稻的生长逐渐减低，而且对根际土的贡献显著大于非根际土，表明水稻生长速率决定了光合碳对土壤有机碳的贡献率，而水稻根际沉积效应是根际土壤有机质获得较高光合碳贡献率的主要原因。施氮增加了光合碳在土壤-水稻系统中的累积，但降低了光合碳在根系中的分配，干湿交替比持续淹水更利于光合碳向土壤中的传输与累积，水肥耦合管理显著调控了光合碳的传输与分配；施氮也明显影响根际、非根际土壤中CO2和CH4释放通量。施氮和生育期显著影响土壤BG酶活性，而水稻生育期、施氮和根际效应及其交互作用均对NAG酶活性有极显著影响。15N在土壤中分配的比例基本保持在52%-61%，磷肥的添加促进了微生物对15N的利用，增加15N-微生物生物量氮（15N-MBN）的量，使15N在土壤中的分配比例最大提高了16.5%，使外源15N损失量减少了1.2倍。通过13C-PLFA-SIP技术分析，表明革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）是同化根际沉积碳的初始微生物，他们负责将根际碳周转到水稻土壤中的其他的微生物群落中。.项目实施期间，发表相关研究的标注论文11篇，包括Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil等SCI一区论文4篇。联合培养硕士研究生3人。.全面完成了项目计划预定的目标，并超额完成了论文的发表和学生培养等任务。