中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题1:土壤有机质转换与累积的微生物机制

课题1:土壤有机质转换与累积的微生物机制

核心科学技术问题:

  1. 区域尺度农田土壤有机质周转速率有何差异?是谁控制的?
  2. 土壤微生物群落如何演替并影响土壤有机质转化?
  3. 微生物如何把外源有机物质转化为腐殖质?谁起关键作用?

 

解决问题的思路与方法:

选取我国典型农田土壤(黑土、潮土、红壤、水稻土等),针对土壤有机质难提升的问题,依托CERN野外台站,建立野外田间试验,利用静态箱法等技术,原位连续监测土壤有机质周转速率,解析土壤有机质周转与气候因素、有机质特征和微生物群落等之间的关系,明确不同土壤有机质的存留时间及区域差异机制;利用野外长期定位试验、团聚体分级等传统研究方法,结合同步辐射、核磁共振、同位素标记、高通量测序、DNA-SIP、分子荧光杂交等新兴技术,研究土壤微环境变化对微生物微域分布影响,阐明土壤有机质—团聚体—微生物群落之间的联动关系和微生物群落的演替规律;研究土壤有机质转化的关键微生物过程,阐释有机质转化和含碳气体产生的微生接力/互营机制;研究外源有机物质分解和有机质合成的微生物过程及关键功能菌,外源碳在团聚体层级中的分配规律及其控制因素,明确土壤有机质累积和稳定化的微生物机制。

 

技术路线:

紧扣研究目标,依托CERN野外台站,以高度集约化利用农田土壤为主要研究对象,利用团聚体分级、分子生物学、同位素示踪、同步辐射等技术,研究土壤有机质周转速率区域差异及其主控因素,土壤微生物微域分布特征和演替规律,土壤有机质转化的关键微生物过程,外源有机物质有机质化的微生物机制。突破土壤有机质难提升的瓶颈,创新土壤有机质转化和累积的微生物理论。

 

主要研究内容:

1. 土壤有机质周转速率区域差异及其控制因素

依托CERN野外台站,采用静态箱法或全自动箱法监测系统,原位测定土壤有机质的分解速率,同步监测温度、水分等环境因素;采用团聚体分级、分子生物学技术等,研究土壤和团聚体中有机质组成和微生物群落的特点,解析土壤有机质特点、微生物群落和有机质周转速率之间的关系,甄别区域尺度土壤有机质周转速率的关键控制因素。

2. 土壤有机质-团聚体-微生物联动关系

利用团聚体分级、团聚体微切削、同步辐射、核磁共振和分子生物学等技术,研究土壤有机质、团聚体和微生物群落结构,解析土壤微生物微域分布特点及其与底物之间的空间阻隔效应;研究土壤团聚体形成、微环境变化对微生物群落结构的影响,定量刻画土壤有机质—团聚体—微生物群落之间的互动关系;研究团聚体中有机组分特征、稳定性与微生物群落之间的关系,阐释团聚体中有机质的稳定机制;研究土壤中有机质来源,解析微生物源有机质的主要贡献种群及其对土壤有机质的贡献。

3. 土壤有机质转化的微生物接力过程和互营机制

以旱地土壤为主要研究对象,利用团聚体分级、团聚体微切削、同步辐射、核磁共振和分子生物学等技术,研究土壤有机质、团聚体和微生物群落结构,解析土壤微生物微域分布特点以及与底物之间的空间阻隔效应;研究土壤团聚体形成、微环境变化与微生物群落结构的演替规律,定量刻画土壤有机质—团聚体—微生物群落之间的互动关系;研究土壤有机质组分与微生物种群之间的关系,阐明有机质转化的微生物接力过程和互营机制。研究土壤微生物源有机碳特征,解析微生物源有机碳的主要贡献种群及其对土壤有机质的贡献率。

4. 外源有机物质土壤有机质化的微生物机制

以农田土壤为主要研究对象,利用13C示踪、加速器质谱、DNA-SIP等技术,研究外源有机物质在土壤中转化及驱动转化的关键微生物,解析土壤肥力差异对外源有机物质分解速率和含碳气体的影响,明确外源有机物质在土壤中存留差异的微生物机制;研究微生物群落接力利用外源有机物质的过程,明确微生物产物/底物交替变更的互营机制,解析外源有机物质腐殖质化的微生物过程,阐释土壤有机质形成机制;研究外源有机物质碳在团聚体中分配和稳定化,揭示土壤有机质累积机制;研究微生物促进团聚体形成的过程,明确微生物在团聚体形成中的作用和功能。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置3个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:典型农田土壤有机质周转速率的区域差异机制,负责人为中国科学院南京土壤研究所丁维新研究员;

子课题2:土壤微生物群落演替规律及其驱动因素,负责人为中国科学院南京土壤研究所郁红艳副研究员;

子课题3:外源有机物质土壤有机质化的微生物控制机制,负责人为中国科学院南京土壤研究所徐华研究员。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 课题调研,研究方案设计;完成野外采样及环境因子调查,分析土壤基本理化性质和微生物特征,解析微生物源有机质对土壤有机质的贡献率;建立野外原位试验,监测土壤有机质周转速率。
2015 利用团聚体分级和微切割技术,研究土壤微生物和有机质的微域分布特征、有机质组成等,明确微生物微域分布规律;研究土壤有机质组分与微生物群落之间的关系,明确土壤微生物群落的关键控制因素。
2016 完成土壤微生物微域分布特征研究,绘制土壤微生物微立体分布图;研究土壤有机质转化的微生物接力过程,解析土壤有机质转化的关键功能微生物;研究土壤团聚体、有机质和微生物群落之间的互动关系,解析土壤微生物群落演替过程。
2017 继续研究土壤团聚体、有机质和微生物群落之间互动关系,解析土壤微生物群落演替的关键控制因素;利用同位素示踪和DNA-SIP等技术,研究外源有机物质在土壤中的分解过程及关联功能微生物,解析外源有机物质有机质化的微生物过程;研究微生物促进团聚体形成的机制,明确微生物在团聚体形成中的作用和贡献。
2018 利用同位素示踪和分子生物学等技术,研究外源物质对土壤有机质周转的影响效应,解析外源物质的激发机制;系统分析研究结果,创新土壤有机质累积的微生物调控机制;基于研究结果的综合分析,提出土壤有机质的调控方案;完成课题总结报告。
五年成果
具体体现
明确我国典型土壤有机质周转速率、区域差异及其关键控制因素;解析微生物群落微域分布特征、演替规律及其与有机质转化的关系;创新土壤有机质累积和稳定化的微生物机制;培养优青1名、博士后3名和研究生20-25名;发表学术论文30篇,其中SCI检索论文20篇以上,具有国际影响力的高水平论文1-3篇。