绿肥对稻田系统碳素周转的影响及其微生物生态机制的研究

Rice-green manure (GM) rotations are an important system for increasing soil fertility in Chinese traditional agriculture. These planting patterns can also modify the soil physical and chemical properties, increase rice yields, conserve the soil and water. Nowadays, the effect of GMs on greenhouse gas was paid attention, however, the comprehensive influence of GMs planting, plough down and rice cultivation on carbon transformation have not been systematically analysed and quantified. Soil microbes not only participate in carbon transformation，but are also a main indicator on soil quality evaluation. Due to the development of molecular technique, there are some limitations of traditional methods used in soil microbial ecology research, which are difficult to reveal the relationship of carbon transformation and microbial community. Therefore, this research plans to rely on stable isotope labelling technique, to quantify the effects of main GM speices on carbon sequestration and emission during stage of GMs planting, plough down and rice cultivation in paddy soil. In the meanwhile, PLFA-SIP, DNA-SIP are used to analyze the direct impact of GMs on soil microbes, then, explore the effect mechanism of green manure on soil microbes. Through these experiments, we hope to comprehend environmental influence of GMs fully, evaluate the effect of GMs on plant-soil-microbes system deeply, finally, provide some theoretical information for expanding GMs planting.

轮作绿肥作为我国传统的土壤培肥方式，有改善土壤理化性质、增加作物产量及保护水土环境等作用。当前，稻田绿肥对温室气体的影响已引起关注，但对从绿肥种植、压青到水稻种植这一系列农事活动中所导致的碳素周转过程却缺乏整体的分析量化。同时，土壤微生物不仅介导着碳素的转化，也是评价土壤质量的重要指标，由于分子生物学技术的发展，传统的土壤微生物生态研究方法存在一定的局限性，难以深入揭示碳素周转与微生物群落之间的联系机制，因此，本研究拟借助稳定同位素标记技术，定量主要稻田绿肥在其种植、压青和水稻生长过程中的碳汇和碳源效应；利用PLFA-SIP、DNA-SIP等方法，分析稻田绿肥对土壤微生物的直接影响，探索土壤微生物群落对绿肥的响应机制。以期充分了解绿肥的环境效应，深入评价绿肥在植物-土壤-微生物这一系统中的影响，对推广绿肥种植提供一定的科学依据。

绿肥种植在我国有着悠久的历史，通过绿肥还田，可以为后茬作物提供氮素并截留、活化一部分养分，提升产量。较早的研究主要是针对绿肥的促产及土壤的改良作用，而较少关注绿肥在碳循环的作用及对土壤微生物群落的影响。本项目主要利用稳定同位素标记方法，研究了四种豆科绿肥、两种禾本科绿肥在种植、翻压及水稻种植期间碳的固持、释放及对微生物群落结构的影响。研究结果显示，蚕豆在种植期间积累的生物量显著高于其它作物，且种植期间释放的二氧化碳显著小于其它处理，同时，土壤微生物对蚕豆根系分泌物的利用显著小于其它作物，且被标记的主要是革兰氏阳性细菌，而真菌是利用其它绿肥根系分泌物的主要微生物；在同等豆科秸秆浓度还田的条件下，添加紫云英的土壤二氧化碳产生速率最低，但蚕豆和紫云英的起爆效应对比苕子和豌豆具有迟滞效应，如果种植绿肥又移去作物之后，土壤的微生物群落结构会逐渐恢复至种植前的状态，但绿肥还田则会导致微生物群落结构的持续改变，其中以紫云英的影响最小，而豌豆的影响最大。在施加了绿肥的土壤中种植水稻，均能促进水稻的生物量与产量，同时以蚕豆秸秆对碳氮的缓释效果最好。以本项目为契机，优化完善了DNA-SIP技术，为相关研究者研究环境中功能微生物提供了更为可靠的技术。同时，通过测定绿肥对碳转化及土壤微生物群落结构的影响，为选择高碳累积、低碳排放、生态友好型绿肥提供了一定的基础数据支持及科学研究参考。