重金属污染对水稻土有机碳稳定性的影响机制研究

Paddy soil has the highest soil organic carbon (SOC) density in all cultivated soils. Its SOC stability is highly related to SOC stocks of agricultural ecosystems and greenhouse gas emissions to the atmosphere. Stability of SOC mainly includes the physical protection within soil mincro-aggregates , iron/ aluminum oxyhydrates-bounding and microbiological stability. In south China paddy soil is facing more and more serious problems of soil heavy metal pollutions. The typical paddy soils contaminated with heavy metals (Pb/Cd) will be sellected as the research objects in this study. The various stablity of soil organic carbon including the physical protection within aggregates, chemical and microbial stability under heavy metal contamination will be researched and discussed. With the methods and technology of aggregates grouping, organic carbon pool analyzing, 13C isotope tracing , microbial community structure analyzing (PCR-DGGE, PLFA), the mechanisms of the effects of heavy metal pollution on the SOC stability will be explored. This study will provide a reference for understanding of the change of microbial ecological processes with the habitat changing and carbon pool assessment and management in polluted agricultural soils .

水稻土作为我国有机碳密度最高的农田土壤，其有机碳的稳定性则关系到农田生态系统的碳库储存及大气温室气体浓度。水稻土有机碳的稳定性主要来源于土壤团聚体的物理保护、氧化铁铝的化学键合及微生物稳定性，在我国农田土壤重金属污染日趋严重的背景下，本申请项目提出以长期重金属（Pb/Cd）污染的南方代表性地区的典型水稻土为研究对象，以重金属污染对土壤有机碳的团聚体物理保护、化学稳定性及微生物稳定性的影响机制为主要研究内容，利用团聚体分组、有机碳库分析、稳定性13C同位素示踪、微生物群落结构分析（PCR-DGGE-高通量测序，PLFA）等技术，通过探讨重金属污染下水稻土有机碳不同稳定性的变化，理定重金属污染影响水稻土有机碳稳定性的途径和机制，从而为进一步认识生境改变下的土壤微生物生态过程和污染环境下农田土壤的碳评估和管理提供参考。

水稻土有机碳的稳定性主要来源于土壤团聚体的物理保护、氧化铁铝的化学键合及微生物稳定性，在我国农田土壤重金属污染日趋严重的背景下，本以长期重金属（Pb/Cd）污染的南方代表性地区的典型水稻土为研究对象，利用团聚体分组、有机碳库分析、稳定性13C同位素示踪、微生物群落结构分析（高通量测序）等技术，分析了重金属污染对土壤有机碳的团聚体物理保护、化学稳定性及微生物稳定性的影响，主要结果如下：随着污染程度的增加,重金属污染增加了小粒级团聚体的含量，降低了大团聚体的含量；重度污染降低了微生物碳的含量，而中度及轻度污染可以增加微生物碳的含量，刺激微生物的生长。新鲜有机碳的添加均能促进长期不同程度重金属污染水稻土有机碳矿化，显著提高了土壤有机碳的累积矿化量。在长期重金属污染的水稻土中，低污染能够显著促进对水稻土总有机碳的矿化，尤其是新碳。重金属复合污染对细菌和真菌群落结构具有显著的影响，在长期重金属胁迫的水稻土中，不同重金属污染元素对细菌和真菌群落结构的影响呈现协同作用，受重金属影响最大的细菌门类为厚壁菌门和放线菌门。通过对微生物群落结构组成与环境因子的冗余分析（RDA）和非度量多维尺度分析（NMDS）发现，对细菌而言，各种形态重金属含量之间的关系是正相关，环境中的铅镉铜锌对细菌群落组成的影响是协同作用，其中影响程度最大的是全量铅，其次是有效态镉和全量铜，锌的影响最小；对真菌而言，重金属污染对真菌群落结构的影响显著，影响程度最大的环境因子是全量Pb和全量Cu，其次是有效态Cu和Pb，且高中低程度重金属污染样品的群落结构组成出现显著差异。重金属污染水稻土中，土壤微生物群落的重金属敏感菌的相对丰度降低，耐性菌增加，从而提高了微生物对环境中重金属污染胁迫的适应能力，进而维持生态系统的平衡和稳定。