长期水稻种植下土壤有机碳周转的元素计量学调控机制

Biogeochemical processes such as soil carbon turnover in terrestrial ecosystems closely depend on the stoichiometry characteristics of nutrient elements and the regulation of microorganisms. It is benefit to the improvement of soil fertility and mitigation of greenhouse gas emission by understanding the flow process and regulatory mechanism of soil carbon turnover in ecosystem. However, the effects of stoichiometric ratio of soil nutrients on the turnover of exogenous C and the coupling mechanism with microorganisms in paddy soil remain unclear. By using a series of rice paddy soils cultivated for different lengths up to 1000 years in eastern China as the research object, we attempt to reveal dynamic changes in stoichiometric ratio of different soil nutrient elements under prolonged rice cultivation. In addition, based on the theory of ecological stoichiometry, 13C stable isotope tracing, molecular biology method and microbial biomarker technique will be applied to clarify the effects on rice straw C transformation and fixation under original and exogenous nutrients stoichiometric ratio, which will be better to understanding on ecological stoichiometry controls upon carbon turnover and microbial regulatory mechanism in rice soil under different levels of N, P, Fe amendment. By elucidating the elemental metrological regulation mechanism of soil organic carbon turnover under long-term rice cultivation, it is helpful for us to further understand the C cycle process of farmland ecosystem and provide scientific basis for soil nutrient management in paddy field.

以碳循环为主导的生物地球化学过程受制于化学元素计量特征和功能微生物驱动，深入了解土壤生态系统中碳的流通过程与调节机制，对于提升土壤肥力和减少温室气体排放具有重要意义。然而，目前对于外源碳在稻田土壤中周转的养分元素计量学调控机理以及微生物的响应机制尚不清楚。本项目以我国东部地区不同植稻年限的稻田土壤所组成时间序列为研究对象，以生态化学计量学原理为基础，结合13C同位素示踪、分子生物学方法以及微生物标识物技术等手段，研究土壤原有元素计量特征和外源添加养分元素计量比对外源秸秆碳转化和固定的影响，比较不同植稻年限土壤有机碳周转的元素计量学调控机制，明确稻田土壤有机碳周转的关键影响因素，揭示元素计量比调控下不同植稻年限稻田土壤碳周转的微生物响应机制与耦联机理。通过阐明长期水稻种植下土壤有机碳周转的元素计量学调控机制，有助于深入了解农田生态系统碳循环过程，为稻田土壤养分管理提供科学依据。

水稻土作为一种长期植稻下的人为培育的一种特殊的耕作土壤，具有一系列特殊的化学过程和生物学过程。在长期的水耕熟化过程中，土壤养分元素、微生物以及酶活性等之间的关系是如何演变的还不是很清楚。生态化学计量学利用生态过程中多重化学元素的比例和平衡关系，为研究生态系统过程中的耦合关系提供一种新方法。因此本研究采用生态化学计量学的原理，研究长期水稻种植下土壤以及不同粒径团聚体中土壤养分元素、微生物生物量CNP以及胞外酶等的计量学变化特征，揭示他们在水稻土熟化过程中的相互关系，并通过胞外酶的化学计量学揭示长期植稻下的养分限制性状态。研究发现：长期水稻种植下，土壤C、N、P、Fe元素的计量比沿着土壤时间序列呈现出一定的梯度变化特征，且逐渐呈现NP养分限制的状态；MBC:MBN随着植稻年限增加逐渐降低，MBN:MBP随植稻年限逐渐增加，MBC:MBP在植稻0-100年间显著增加，此后逐渐趋于稳定，其变化与土壤中可供微生物利用的底物有关，反应其利用效率；CNP转化相关胞外酶的活性随植稻时间增加逐渐提高，其计量比特征反映在植稻50年后，土壤中的微生物在养分转化过程中由C限制转为N限制；在不同粒径团聚体中古菌和产甲烷菌主要分布在粗砂粒和粘粒中，且随植稻时间增加其基因丰度逐渐增加，同时其群落组成也逐渐丰富；在粗砂粒中，随着植稻时间的增加，其碳氮转化胞外酶比值逐渐增大，说明土壤微生物利用C的限制性增大；在养分元素的计量比调控下，长期植稻有利于有机碳的积累和减少有机碳的矿化。通过以上研究，我们可以为今后水稻土中的养分转化和合理培肥提供依据。