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:典型农田土壤微生物分布格局与演替规律

课题1:典型农田土壤微生物分布格局与演替规律

 核心科学技术问题:

  1. 大尺度下我国典型农田土壤微生物分布格局及其驱动机制;
  2. 中小尺度上主要粮食作物(稻麦)土壤微生物的分异规律;
  3. 长期不同农业管理模式下土壤微生物群落的演替规律。

 

解决问题的思路与方法:

沿我国水热梯度带,从典型农田土壤中采集样品,采用高通量测序等方法研究土壤微生物及其碳氮磷转化功能群的组成、多样性和地理空间分布;选择典型稻麦种植区域(县),利用多尺度采样,研究典型稻麦土壤微生物及其功能群在区域尺度上的分异规律;选择水热梯度带下农田生态系统野外台站的定位试验研究不同农业管理措施下(施肥、种植、轮作、灌溉等)土壤微生物组成、多样性、季节变化及群落演替。结合土壤理化特性、气候环境变量,并利用生物信息分析、微生物预测模型等技术来阐明我国典型农田土壤微生物的分布格局与演替规律。

 

技术路线:

沿我国从东到西的降水梯度、从南到北的温度梯度,从主要农田土壤中采集2000个左右样品,在每个样点内从土壤表层(0-10 cm)进行多点取样后混合。研究土壤细菌、真菌、古菌、功能微生物(氨氧化细菌和古菌、产甲烷菌、有机碳降解菌、菌根真菌)群落组成、多样性和空间地理分布。同时,分析土壤微生物空间地理分布与环境因子、不同农作措施(轮作、水肥管理等)的关系。从东北、江苏、广东、四川分别选择典型水稻种植区域(县);从山东、河南、苏北分别选择典型小麦种植区域(县)。设置面积大小不等的样方(最大2500平方公里,最小100平方米)进行多尺度采样,每个样地(区域)大约150个样品,研究典型稻麦土壤微生物及其功能群在区域尺度上的分布规律。选择南北热量梯度带的海伦站、封丘站、蒙城站、常熟站、鹰潭站、桃园站的农田生态系统不同年限施肥定位试验、轮作试验、灌溉试验、种植制度下研究不同农业管理措施下土壤微生物组成、多样性与群落演替。

 

主要研究内容:

1. 大尺度下农田土壤微生物的空间分布及驱动机制

沿我国从东到西的降水梯度和从南到北的温度梯度,大尺度下采集农田土壤样品,研究土壤主要微生物类群及碳氮磷转化功能微生物的组成、多样性与分布格局。结合土壤理化性状、气候环境要素、农作措施,综合分析自然变异与人为干扰对农田土壤微生物群落组成与分布格局的影响,以阐明我国典型农田土壤微生物的空间分布格局及其驱动机制。建立大尺度下我国农田土壤基因资源库,绘制农田土壤微生物分布图。

2. 中小尺度下典型稻麦种植土壤微生物群落的分异规律

从我国东北、苏南、广东、四川分布选择典型的水稻种植区域(县),从山东、河南、苏北分别选择典型小麦种植区域(县),取样范围为50km×50km, 从100m到50公里进行多尺度取样,研究典型稻麦土壤微生物及其功能群在区域尺度上的组成与分异。同时测定土壤理化因子、环境变量、管理措施对微生物组成的影响,以阐明区域尺度上我国典型稻麦种植区土壤微生物的分异规律。建立我国稻麦土壤微生物基因资源库,绘制区域尺度稻麦土壤微生物分布图。

3. 长期不同管理模式下农田土壤微生物的演替规律

选择我国南北热量梯度带的东北黑土地区、黄淮海平原和南方红壤地区等农田生态系统的长期施肥、不同轮作、不同种植制度试验,研究不同农业管理及种植历史下土壤主要类群微生物与功能微生物的演替规律,结合土壤质量属性及气候因子,阐明不同农业管理措施下土壤微生物演替与土壤肥力及可持续利用的内在关联。

 

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:我国典型稻麦土壤微生物的空间分布格局,负责人为中国科学院南京土壤研究所褚海燕研究员;

子课题2:我国典型稻麦土壤微生物功能基因的分布,负责人为清华大学杨云峰教授;

子课题3:长期不同管理模式下农田土壤微生物群落的演替规律,负责人为中国科学院东北地理与农业生态研究所王光华研究员;

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 野外调查,土壤样品的选点与采集,土壤环境背景数据库的建立,微生物群落的初步分析。
2015 完成土壤总的细菌、古菌、真菌的群落分析,初步阐明大尺度及中小尺度下的微生物空间分布格局,不同农业管理措施下微生物群落随的演替规律。
2016 阐明土壤碳氮磷转化功能群、功能基因组成、分异规律,功能微生物分布、群落演替与碳氮磷元素循环特征的关联。
2017 阐明土壤微生物空间分布、群落演替的关键因子;初步建立农田土壤微生物基因资源库;对土壤微生物群落进行模型模拟,初步绘制农田土壤微生物分布图。
2018 完善农田土壤微生物的基因资源库;形成不同尺度下我国农田土壤微生物分布图;揭示我国典型农田土壤微生物的分布格局与演替规律。
五年成果
具体体现
在SCI期刊上发表论文50篇,含PNAS刊物 1篇,Nature系列刊物>3篇,主流TOP期刊>20篇;培养杰青/优青1-2人,培养研究生30人左右,形成一支在农田生态系统土壤微生物生态学研究领域的优秀团队。