水稻土磷素转化活性及其功能微生物种群对施用生物炭的响应机理

Phosphorus fertilizer is a non-renewable resource and its application increases significantly in the agricultural field. Long-term fertilization has significantly increased phosphorus loss from paddy soil and causes the agricultural phosphorus non-point source pollution. Input of biochar to paddy soil can decrease the amount of phosphorus application. However, the microbial mechanism of soil phosphorus mobilization after biochar application remains unclear. Previous studies have shown biochar increases soil phosphorus availability. How to improve soil phosphorus use efficiency via biochar addition and then reduce the application of phosphorus fertilizer? Biochar has high surface area, pore spaces, provides habitat for microbes and acts as an electron acceptor or shuttle. This study will focus on three topics: 1) Effects of biochar addition on soil phosphorus forms will be determined by the organic/inorganic phosphorus fractionation. 2) Measurement of phosphorus transformation activity reveals the effects of biochar input on the P-related microbial activity. 3) High throughput sequencing and DNA-SIP will be used to investigate the phosphorus use efficiency and the P-related microbial community. This study will provide a practical scientific theory to reduce the phosphorus input of paddy soil and decrease the potential risk of agricultural phosphorus non-point source pollution.

磷肥是不可再生资源，而我国农田施用磷肥逐年增长。长期施用磷肥显著增加稻田磷素流失，引起农业面源磷污染。施用生物炭可有效减少稻田磷肥的投入，但生物炭活化土壤磷素，特别是微生物介导的过程尚鲜有报道。前人的研究表明生物炭可提高磷肥有效性。施用生物炭如何提高稻田土壤磷素利用率而减少磷肥投入仍需要探讨。生物炭具有高比表面积和多孔结构可吸附土壤磷素，宜于微生物附着生长，可作为其电子受体和穿梭体。本项目拟从以下几个方面开展工作：1）通过有机/无机磷分级确定生物炭施用对稻田土壤磷素形态的影响；2）测定磷素转化活性解析生物炭施用对磷循环功能微生物活性的影响；3）结合稳定同位素和高通量测序技术明确生物炭施用对水稻利用磷肥效率及对磷循环功能微生物种群的影响。研究成果为稻田减肥增效的实践提供理论依据，降低面源污染的潜在风险。

磷素作为生命活动中最重要的元素之一，由于其容易在土壤中形成稳定的化合物，因此，如何提高土壤磷素活性是农业生态系统中长期关注的一个重要科学问题。其中一个关键问题是如何发挥土壤溶磷微生物的作用。生物炭施用不仅可以带来外源磷素，而且会对土壤微生物种群产生一定影响，因此，研究生物炭施用后土壤微生物种群变化和水稻对磷素利用是磷素生物地球化学循环的重要内容之一。本项目通过室内盆栽实验，结合稳定同位素标记，高通量测序等现代分子生物学技术和手段，研究水稻土在是否施用生物炭条件下对土壤溶磷微生物的调控。取得了以下主要进展：发现在不同磷素水平下，水稻土溶磷微生物从土壤到内生菌群均存在响应上的显著差异；不同pH水稻土中微生物群落对未酸洗和酸洗生物炭的响应差异显著，在缺磷水稻土中对施用生物炭有更多与溶磷相关的真菌而非细菌表现出正反馈；生物炭施用可促进水稻地上部磷素的累积，但碱性水稻土在施用生物炭之后并不有利于水稻生长。本项目明确了调控水稻土溶磷微生物群落的关键环境因子，揭示了在不同pH水稻土施用生物炭微生物群落的差异化响应特征，为在不同稻田生态系统施用生物炭提供了科学依据。受项目资助共发表SCI论文4篇，中文1篇，培养研究生2名。