中文摘要：

以典型稻田土壤碳氮铁氮耦合过程为核心研究内容；采用野外原位采样、盆栽试验等试验体系，综合应用PCR为基础的分子指纹图谱和实时荧光定量技术，稳定同位素示踪土壤微生物DNA/RNA为基础的13C-DNA/RNA分离分析先进技术；以及基于土壤微生物13C-DNA/RNA为基础的环境基因组学和转录组学开展以下几个方面的研究内容（1）长期不同管理措施下碳-氮-铁的耦合机制及关键功能群多样性；（2）稻田土壤典型氧化还原交替作用下碳-氮生物地球化学循环的微生物耦合机制；（3）稻田土壤典型氧化还原交替作用下土壤碳-铁、氮-铁生物地球化学循环的微生物驱动机制；（4）植物-土壤-微生物相互作用下碳-铁-氮生物地球化学循环微生物耦合驱动机制；（5）稻田土壤CH4和N2O等温室气体产生的微生物过程机理及与碳、氮、铁耦合机制。通过上述研究揭示氧化还原梯度下水稻土，特别是水稻根际碳氮铁耦合的主要微生物生态学机制。

结论摘要：

本项目采用分子指纹图谱、荧光定量PCR、荧光原位杂交、稳定同位素示踪和标记的 13C-DNA/RNA 分离分析等先进技术，研究了典型稻田土壤碳氮铁氮耦合过程功能微生物多样性及驱动过程和机制。主要结果有 1. 长期化肥施用显著改变了稻田土壤微生物功能基因多样性，提高了碳、氮、磷、硫等元素循环相关基因的多样性和丰度，特别是在氮钾和氮磷钾复合施肥处理。功能基因结构和丰度、相关的土壤酶活以及水稻产量显著相关，表明由化肥施用引起的微生物群落结构变化可加速土壤中营养元素的循环，从而影响水稻产量。 2. 首次发现长期施氮肥能够促进稻田土壤中Fe(III)还原的氮铁耦合过程，并导致依赖于乙酸盐同化的Fe(III)还原细菌群落发生迁移。水铁矿和针铁矿的添加均刺激了两种土壤中Geobacter的增长，且长期施N肥导致其增长幅度更大。除Geobacter外，其它属于Proteobacteria门和Firmicutes门的一些尚未被发现具有异化Fe(III)还原能力的细菌也可能参与了两种土壤中水铁矿或针铁矿的还原。本研究暗示了长期施N肥在稻田土壤Fe的生物地球化学循环中的重要性，强调了元素生物地球化学循环之间复杂的相互作用。 3. 揭示了稻田土壤中存在铁氨氧化过程，并发现直接产生N2是铁氨氧化过程的最主要途径。种植水稻可促进土壤微生物可还原Fe(III)的形成，从而加快铁氨氧化速率而导致更多的气态N损失。估算发现，稻田土壤表层约7.8–61 kg N ha–1 year–1的N损失与铁氨氧化过程有关，约占我国稻田土壤N肥田间施用量的3.9–31%。本研究揭示了种植水稻可增加通过铁氨氧化过程造成的N损失量，为研究陆地生态系统这一新型的N损失途径提供了重要信息。 4. 描绘了水稻根际厌氧氨氧化过程。首次采用原位荧光直接证明根际/非根际存在厌氧氨氧化菌；原位荧光杂交和克隆文库技术都表明，稻田厌氧氨氧化菌主要为Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia两个属。首次针对水稻根际进行厌氧氨氧化研究，根际厌氧氨氧化菌的丰度和活性显著高于非根际，是厌氧氨氧化的“热区”，并进而提出水稻土硝化-厌氧氨氧化-反硝化耦合过程理论模型。