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3:稻田生态系统土壤氮素转化的关键微生物过程

课题3:稻田生态系统土壤氮素转化的关键微生物过程

核心科学技术问题:

  1. 我国典型稻田土壤中氮素转化通量与微生物群落之间存在什么样的关系? 
  2. 氮素转化关键功能微生物如何响应氧化还原条件的变化?
  3. 厌氧氨氧化和反硝化型厌氧甲烷氧化等关键过程对稻田土壤氮素转化的贡献有多大?什么样的影响机制? 
  4. 如何通过调控功能微生物来提高稻田土壤氮素高效利用率?

 

解决问题的思路与方法:

选择代表性稻田系统样点,通过野外调查、田间原位试验和室内培养试验,利用15N同位素原位稀释法、DNA-SIP、高通量测序等新兴测试技术,准确量化土壤氮素循环的固氮、矿化、厌氧氨氧化、反硝化型厌氧甲烷氧化等过程周转速率和功能微生物组成。针对不同氧化还原条件,分析稻田系统土壤氮素转化功能微生物的群落组成和多样性。以厌氧铵氧化和反硝化厌氧甲烷氧化过程为重点突破口,明确稻田系统关键微生物过程对氮素转化和氮肥利用的影响机制;揭示提高氮素利用的管理措施及其微生物调控机理。

 

技术路线:

围绕关键科学问题,本项目拟结合项目一的农田样带调查,针对我国主要水稻种植区,以南方红壤为重点区域,通过资料收集和实地调查,详细了解当地稻田施肥量、年平均降雨和径流量,结合测定指标包括环境因子、土壤理化性质、氮的形态和含量(通量)动态、土壤(功能)微生物组成、丰度、多样性和活性;综合硝化-反硝化-厌氧铵氧化,开展稻田生态系统氮转化的关键过程研究,最后需阐明稻田土壤氮素转化特征(可能对N2O的贡献)及其机制(微生物过程),估算单位面积稻田的氮通量和由微生物过程主导的氮通量,同步估算由水体中流失的氮通量,并从模型或管理层面得到应用。

 

主要研究内容:

1. 稻田生态系统土壤氮素转化通量及其功能微生物群落特征

测定土壤pH、有机质、DOC等理化性质,分析土壤中不同氮库(总氮、铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮等)的分布特征;结合15N同位素示踪、DNA-SIP、高通量测序等测试技术,分析土壤固氮、矿化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等过程的作用强度及其功能微生物组成;测定土壤微生物生物量氮的周转特征;在田间试验区,通过监测上述生化过程强度及微生物群落特征,分析氮素淋失、气态损失和作物吸收氮量等,准确量化氮肥的利用效率。分析氮素转化关键微生物与植被、土壤基本理化性质等环境因子之间的联系。

2. 氮素转化关键功能微生物对不同氧化还原梯度的响应机理

通过干湿交替过程、控制土壤水分含量或N2/O2比例、比较根际/非根际等方法调节土壤氧化还原电位,测定氮素转化关键过程的生化作用强度,分析氮素转化关键功能微生物群落对氧化还原梯度的响应,并在分子水平上明确功能基因转录组上的变化情况。同时结合田间水分管理,测试和验证氧化还原电位对稻田系统氮素转化功能微生物影响过程与机理。

3. 稻田关键微生物过程对氮素转化和氮肥利用的影响机制

利用稳定同位素和分子生物学技术技术,采用稻田系统和对照自然湿地,研究厌氧氨氧化和反硝化型厌氧甲烷氧化作用强度、发生条件和其中起关键作用的微生物种群,量化其对碳氮循环的贡献;综合评估反硝化型厌氧甲烷氧化微生物在稻田土壤系统碳氮循环耦合、温室气体排放方面的环境效应。采用宏基因组学的方法揭示稻田系统厌氧氨氧化和反硝化型厌氧甲烷氧化共生的主要微生物种群,进一步对起主要作用的微生物富集培养,探索分析获得纯培养菌株的条件。

4. 提高稻田土壤氮肥利用的管理措施及其微生物调控机理

通过盆栽试验,结合野外田间试验,设计不同施氮种类和类型、水分管理、生物制剂、碳氮耦合调控处理,分析不同管理措施对氮素周转过程通量、氮肥利用效率及氮素转化微生物群落的影响效应,监测氮素的淋失和气态损失,优化提高氮素利用效率的调控措施。

 

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:稻田生态系统土壤氮素转化通量与微生物群落之间的联系机制,负责人为中国科学院城市环境研究所姚槐应研究员;

子课题2:氮素转化关键功能微生物对不同氧化还原梯度的响应机理研究,负责人为中国科学院城市环境研究所苏建强副研究员;

子课题3:稻田生态系统关键微生物过程对氮素转化和氮肥利用的影响机制,负责人为中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究员; 

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 完成课题调研、研究方案设计,在选择具体系统和样品基础上,收集相关资料,并就课题需求购买相关的仪器设备,完善试验条件。完成野外采样及环境因子调查,对所采集的样品进行基本的理化测试和微生物测试。
2015 结合传统方法和15N示踪技术,分析土壤氮素形态、分布特征,测定土壤矿化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等生化作用强度,分析不同稻田系统氮素淋失和气态损失。明确氮素转化关键微生物与基本理化性质、气候等环境因子之间的联系机制。
2016 结合田间调查和土壤微生物分析,研究不同氧化还原条件下土壤氮素转化主要微生物过程通量,检测相关功能微生物群落组成及活性。针对不同稻田土壤生态系统,对特定氮素转化功能微生物进行分离、筛选和活性检测。
2017 应用氮氧双同位素标记、DNA-SIP等技术,量化土壤厌氧氨氧化和反硝化型厌氧甲烷氧化等关键微生物过程作用强度,明确稻田系统中关键微生物过程对氮素转化和氮肥利用的影响机制。
2018 设计不同施氮种类、水分管理、生物制剂等管理措施对氮素周转过程、氮肥利用效率的影响效应,分析氮素转化微生物群落组成,优化提高氮素利用效率的调控措施,准备课题研究报告、总结和成果汇报。
五年成果
具体体现
阐明厌氧氨氧化、反硝化型厌氧甲烷氧化等关键过程在稻田土壤氮素转化中的作用机理;分离鉴定相关厌氧功能微生物纯菌,揭示氧化还原梯度上碳氮耦合的微生物代谢网络;提出稻田土壤氮肥高效利用的微生物调控策略;培养杰青/优青1名,博士后3人,博士生10人,硕士生10人;发表高水平SCI检索论文20篇以上(IF>5),具有国际影响力的高水平论文2-3篇,完成著作1部。