典型红壤酸度调控的关键过程与微生物响应机制

High soil acidity is the main factor that limits the development of agriculture in red soil regions. Ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) are key functional microbiology groups in red soil acidification. Soil amendments (e.g., lime, caustic, straw, biochar) can produce many beneficial effects to red soils, however, it is unclear whether AOB and AOA have differentiation through adaptive evolution. This proposed research is set to explore the transformation mechanisms of carbon and nitrogen in red soils and its responses to soil acidification based on amelioration experiment platform built in 2008 and 2010, respectively. This research will address the following three contents: 1) comparing the diversity, composition and activity of ammonium oxidizing prokaryotes by DNA-stable isotope probing technology, and disclosing differentiation of AOB and AOA through adaptive evolution; 2) analyzing the changes of microbial community structure and ammonia-oxidizing prokaryotes by using 454 pyrosequencing technology; 3) unraveling the mechanisms of AOB diversity and its driving factors. Last, we will disclose the key controlling factors regulating the changes of microbial community and explain the conditions and driving mechanisms on accelerating soil acidification. The results of this research will provide guidelines for scientifically assessing amelioration effects on red soil acidification and restoring re-acidification risks.

酸度是限制红壤地区农业可持续发展的主要障碍因子，氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）是红壤酸化的关键功能菌群。石灰、碱渣、秸秆、生物质炭等改良剂均能有效调控红壤酸度，但调控后酸化功能菌群AOB、AOA通过适应性进化而具有生态位及功能的分异特征尚不明确。本项目拟以建于2008年和2010年的红壤改良试验平台为依托，探究红壤C、N转化规律及其对土壤酸度变化的反馈；通过稳定性同位素示踪氨氧化过程的微生物作用者，比较AOB、AOA的丰度、组成和活性，耦合分析其功能与组成，揭示AOB、AOA通过适应性进化而具有的生态位分异特征；采用454高通量测序技术，探究微生物整体群落结构及氨氧化功能微生物的变化，通过与土壤理化性质耦合，推测氨氧化微生物多样性变化规律及其驱动因子，揭示酸度调控下微生物群落结构变化的主控因子，阐明改良红壤酸化的发生条件与驱动机制，为合理评价红壤酸度改良效果及复酸化风险提供科学依据。

较高的土壤酸度和较低的土壤肥力水平等因素限制了红壤地区农业的可持续发展。虽然近年开发出的多种改良方法可以有效降低红壤的酸度，但对改善红壤肥力的作用不大。加之红壤地区复种指数高，N肥用量很高，对土壤酸化产生明显影响。基于此，本研究探讨红壤酸化的根源，并对改良后红壤复酸化的风险进行评价。主要取得以下结论：.（1）N肥对茶园红壤和农田红壤硝化作用及酸度的影响，结果表明：施用(NH4)2SO4显著降低两种红壤中AOB数量，从而抑制红壤硝化作用；茶园红壤和农田红壤硝化速率分别降低57%-88%、27%-75%，由此导致了在培养结束时施用(NH4)2SO4处理土壤pH高于对照处理。施用CO(NH2)2则显著增加两种红壤中AOB数量，从而促进红壤的硝化作用；茶园红壤和农田红壤硝化速率分别增加73%-220%、42-189%，同时加速红壤酸化过程。.（2）盆栽条件下N肥对红壤酸度的影响，结果表明：耕地土壤在无外源N肥施用且无作物生长时，土壤短期内不会发生明显酸化；耕地土壤施用化肥但无作物种植时，土壤发生酸化；施用有机肥，有助于缓解土壤酸度，减缓酸化过程。同时，耕地土壤施用化肥后，种植玉米显著降低土壤pH，种植小麦显著降低(NH4)2SO4处理土壤pH，但显著增加NH4HCO3、尿素处理土壤pH；施用有机肥处理，种植玉米及小麦均显著增加土壤pH。.（3）改良剂对红壤硝化作用和复酸化的影响，结果表明：石灰、碱渣等无机改良剂与生物质炭、有机肥等有机改良剂对红壤酸度均有一定的改良效果。在有N肥输入的情况下，施用无机改良剂的土壤硝化作用强度显著高于对照处理，并造成土壤pH下降快于对照处理，导致培养结束时施用改良剂处理土壤pH低于对照处理，即改良剂对土壤酸度的改良作用被硝化作用的致酸作用抵消，土壤发生复酸化。然而，对于施用生物质炭及有机肥处理土壤，在有N肥施用的条件下，土壤硝化作用强度并未发生显著变化，亦未对土壤pH产生显著影响，即培养结束时施用生物质炭及有机肥处理土壤pH仍高于对照处理，改良剂的改良效果仍有较好的维持作用。