中文摘要：

水稻土的碳循环直接影响到全球变化、土壤肥力和农业的可持续性发展。水稻土存在着频繁的干湿交替过程，干湿交替强烈影响水稻土的物理、化学和生物学特性。本项目将以我国南方典型水稻土为材料，采用田间试验与实验室试验相结合的方法，系统研究干湿交替对微生物碳循环过程的影响。研究将应用一系列生物地球化学和分子微生物生态领域的最新研究技术，包括气相-液相色谱法分析水稻土有机质降解过程的一系列中间产物；元素分析仪-稳定同位素质谱仪检测不同中间产物的碳稳定同位素丰度；微生物磷脂脂肪酸指纹图谱、16S rRNA基因的克隆、测序和末端限制性片段长度多态性分析以及稳定同位素探针技术研究参与碳循环过程中关键微生物的群落结构；微生物环境转录组学技术研究碳循环过程中的主要微生物受氧气和硝酸盐胁迫后的功能基因表达谱。研究成果可为完善土壤微生物生态理论，合理管理农田碳循环过程和促进农业的可持续发展提供理论基础。

结论摘要：

人为或自然引起的干湿交替是水稻土的基本特征，干湿交替对水稻土碳循环过程的影响包括（1）氧气进入土壤对厌氧微生物产生胁迫作用；（2）微生物氧化－还原过程发生演替；（3）由于氧化作用产生的一系列氧化态物质对碳生物地球化学过程产生间接影响。本项目针对这些问题，开展了深入系统的研究，在厌氧微生物抗氧化胁迫等方面取得了重要进展，共发表SCI论文17篇，培养博士生5名，硕士生4名，与国外同行合作交流20余人次。获得如下主要研究成果（一）阐明了产甲烷古菌对水稻土氧化胁迫的应答机制，我们发现氧气胁迫下硫酸盐和Fe(III)浓度明显增加，激活了硫酸盐和铁还原菌，产生与产甲烷菌的底物竞争作用，同时氧气胁迫可能对乙酸型产甲烷菌产生化学毒性作用。分子分析表明，氧化胁迫没有明显影响产甲烷古菌的群落结构，但显著影响了甲烷古菌的功能基因转录，发现新型产甲烷胞菌比甲烷八叠球菌对氧胁迫具有更强抗性。通过多年分离培养努力，我们最后获得了一株RC-I的纯培养物，通过全基因组测序分析和比较基因组学研究，我们发现该甲烷古菌拥有一整套甲烷古菌中罕见的抗氧化胁迫基因，较好解释了水稻土中甲烷古菌适应干湿交替的机理。（二）发现水稻土不同干湿程度对根际和根外土壤的甲烷氧化潜力产生显著不同的影响，当排水处理较轻时，我们发现间歇性排水没有显著影响水稻土中的甲烷氧化菌群落结构，但是增加了根际土甲烷氧化细菌的pmoA基因拷贝数，当排水处理增强时，我们发现排水处理显著激活了根外土的甲烷氧化潜力，但抑制了根际土和表层土的甲烷氧化潜力。通过功能基因的转录分析，我们发现与群落结构相比，根际土中I型氧化菌的转录比例显著增加，排水措施显著促进了根外土的转录水平，尤其促进了I型菌的转录。这些研究表明甲烷氧化菌对水稻土环境变化相对比较敏感。（三）揭示了水稻土反硝化中间产物的形成及其对产甲烷古菌群落结构和功能的影响机理，干湿交替过程的一个重要影响是促进了微生物硝化反硝化过程。我们以亚硝酸盐还原功能基因为目标分子，分析了加入硝酸盐对水稻土中反硝化细菌群落和产甲烷古菌群落的影响。我们发现nirS型的反硝化细菌在水稻土的反硝化过程中发挥主要作用。我们详细研究了硝酸盐胁迫对水稻土产甲烷过程和产甲烷微生物的影响，结果发现硝酸盐加入不仅发生底物竞争作用，而且可能还发生了反硝化中间产物对产甲烷菌的直接毒性作用。