旱区农田土壤自养微生物固定CO2过程途径研究

It is commonly believed that sequestering extraneous organic carbon is the mainly pathway of cropland soil carbon sequestration. Recent studies have suggested that cropland soils in dry regions may be capable of fixing CO2. However, the mechanism of the CO2 fixation remains veiled. To address it, the study will be conducted in Yellow River Pumping Irrigation District in Yanchi Ningxia. Metagenomic approach will be employed to detect the main autotrophic microorganisms fixing CO2. 13CO2 isotope feeding in situ will be adopted to study the pathways of autotrophic CO2 fixation and quantify the efficiency of CO2 assimilation by autotrophic microorganisms. The projected results would provide a new perspective and theoretical basis on revealing the mechanisms of agricultural soil carbon sequestration in dry regions, and be of importance on deeply understanding the function of farmland ecosystems and scientifically managing croplands in dry regions.

普遍认为，农田土壤主要通过固定有机态外源碳来增加土壤碳储量。近年来的研究表明，对于旱区农田土壤，CO2也可能为其固碳的碳来源，但固碳机制尚不清楚。为了深入探究该固碳过程，本项目从土壤自养微生物代谢角度入手，以宁夏盐池扬黄灌区为研究区，利用宏基因组测序技术，明晰土壤中固定CO2的自养微生物主要种群；结合野外原位实验和稳定同位素示踪技术手段，明确土壤自养微生物同化CO2途径及固碳效率。项目预期结果可为揭示旱区农田土壤固碳机理提供新的视角和理论基础，对于深入认知旱区农田的生态功能和科学管理旱区农田，具有重要的理论与现实意义。

普遍认为，农田土壤主要通过固定有机态外源碳来增加土壤碳储量。近年来的研究表明，对于旱区农田土壤，CO2也可能为其固碳的碳来源，但固碳机制尚不清楚。为了深入探究该固碳过程，本项目从土壤自养微生物代谢角度入手，以宁夏扬黄灌区与内蒙古河套灌区为研究区，利用宏基因组测序技术，明晰旱区农田土壤中自养微生物类群物种信息（包括种水平下主要的光能自养微生物，如Chloroflexi bacterium CSP1‐4、Sphingomonas sp. URHD0057等，和主要的化能自养微生物，如Solirubrobacter sp. URHD0082、Conexibacter woesei等。二者分别占全部自养微生物的11%和89%）；结合野外原位实验和稳定同位素示踪技术手段，明确土壤光能自养和化能自养微生物同化CO2的途径（均会利用还原性戊糖磷酸循环、还原型三羧酸循环、二羧酸/4-羟基丁酸循环、3-羟基丙酸循环/4-羟基丁酸循环、3-羟基丙酸双循环和还原乙酰辅酶A途径6种固碳通路进行碳同化）及固碳速率（光能自养和化能自养微生物固碳速率分别约为分别约为1.249和4.712 mg C m-2·d-1；前者单位丰度固碳效率约是后者的2.1倍）。项目结果为旱区农田土壤固碳提供了新的视角，同时为基于土壤自养微生物途径提升旱区农田土壤碳汇提供了理论基础，对于深入认知旱区农田的生态功能和科学管理旱区农田，具有重要的理论与现实意义。