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4:土壤磷素转化的关键微生物过程

课题4:土壤磷素转化的关键微生物过程

核心科学技术问题:

  1. 我国主要类型农田土壤磷素赋存形态如何?不同赋存形态间的周转具有什么样的地理分异规律?
  2. 如何挖掘我国典型农田土壤中活化磷素的微生物? 
  3. 控制土壤磷素活化与固定的微生物群落如何演替?微生物介导的磷的活化与固定如何与碳氮耦合?
  4. 如何通过微生物调控来提高土壤磷肥高效利用率?

 

解决问题的思路与方法:

选取我国典型农田生态系统(旱地、水田、水旱轮作),通过野外调查、田间原位试验和室内培养试验,针对我国土壤磷素有效性低的问题,应用X射线衍射、核磁共振、同位素示踪、高通量测序、代谢组学分析等新兴测试技术,研究我国典型农田生态系统中土壤不同磷库,包括无机易溶磷、铁铝闭蓄态磷、钙磷、有机磷、微生物磷等的赋存形态及时空分布格局;研究影响农田生态系统土壤磷活化动力学及其微生物特征,微生物磷周转特点及与C/N的生态计量关系与耦合机制;明确土壤磷素固定的分子机制及其关键微生物过程及其与碳氮转化的耦合机制;揭示主要农艺技术措施,包括水分、养分、利用方式、环境介质条件等调控措施活化磷的微生物机制。

 

主要研究内容:

1. 土壤磷素赋存形态及周转特征

研究我国典型农田土壤中不同磷库的化学形态及周转特征,分析土壤磷库与土地利用方式、管理措施气候因子等因素之间的联系。

2. 土壤有机磷矿化的微生物机制

研究典型土壤有机磷(微生物生物量和植酸磷)矿化与微生物功能群和功能基因的关联性,功能微生物群落的区域分布规律及驱动机制。

3. 土壤无机磷的活化与固定的微生物过程

研究土壤解磷微生物区系组成与分异特征,探明无机磷活化的分子机理,解析土壤中铁/铝磷和钙磷固定的微生物过程与分子机制。

4. 提土壤碳氮与磷素转化的耦合机制

综合上述研究,结合CERN长期实验和模拟研究,研究磷素转化与碳氮的耦合过程,选取影响磷素活化的代表性农艺措施,探索土壤磷素活化的有效途径,明确提高磷素利用效率的微生物耦合机制。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置2个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:土壤磷素活化与固定及其碳氮耦合的微生物机制,负责人为中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究员;

子课题2:土壤磷肥高效利用的微生物调控策略,负责人为中国科学院城市环境研究所朱永官研究员。 

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 课题调研、具体方案设计、完善试验条件、完成课题野外采样和小区设计,对所采集的样品进行理化测试。
2015 分析土壤不同磷库的存在形态及含量,明确磷肥施用对水体和作物生产的影响效应,明确不同磷库的生物有效性及其环境生态效应。
2016 分析铁/铝闭蓄态磷和Ca-P等无机磷的形成,及在土壤中的溶解动力学特征,明确微生物活化土壤无机磷的反应过程及微生物特征。
2017 研究土壤有机磷转化的微生物过程、速率和功能组成,筛选和鉴定具有磷素转化功能微生物并分析其活性。
2018 研究土壤磷素与有机C、N耦合的微生物机制,优化调控土壤磷素转化的农艺措施,明确其微生物调控机理。
五年成果
具体体现
针对我国土壤磷素循环与磷肥利用,提供咨询报告1-2份;构建我国五大气候带农田磷库及其转化动态数据库;揭示典型农田土壤磷活化与固定的分子机制及相关微生物群落空间格局;提出调控典型农田土壤磷素转化与磷肥利用率的微生物策略;培养杰青/优青1名,博士后5人,博士生15人,硕士生10人;发表高水平国际学术论文20篇以上(影响因子>5),其中具有国际影响力的顶尖学术论文2-4篇。