土壤與巖石的差別，在于土壤中棲息著難以計數(shù)的微生物，使得土壤成為一個活的生命體，支撐了植物生長，維系了人類發(fā)展。然而，土壤形成過程最長可達上億年，在漫長的地球歷史演化過程，棲息于土壤中的微生物如何適應不斷變化的環(huán)境，并形成了穩(wěn)定的群落區(qū)系，迄今仍未有明確的結(jié)論。其中的主要難點是，土壤發(fā)生的歷史條件不可復制，形成過程不可逆轉(zhuǎn)，發(fā)育過程很難模擬。水稻土屬于人為土壤，形成歷史數(shù)千年，其栽培歷史可考，耕作制度可查，特征穩(wěn)定明顯，是研究土壤微生物的形成及其環(huán)境驅(qū)動機制的模式生態(tài)系統(tǒng)。
水稻土的本質(zhì)特征是氧化還原序列發(fā)生過程。換言之，稻田淹水后，土壤與空氣隔絕，閉蓄在土壤中的氧氣被迅速耗竭，形成了微氧/無氧微域，在這些環(huán)境中，作為氧氣替代物的其它氧化劑（如NO3-、Mn4+、Fe3+、SO42- 和CO2）依據(jù)其氧化能力被漸次還原，形成了特有的水稻土氧化還原序列發(fā)生過程。在這一過程中，土壤中活性的氮肥轉(zhuǎn)化功能菌（氨氧化古菌、細菌和硝化細菌）如何適應變化的環(huán)境，其環(huán)境驅(qū)動力是什么，迄今未見報道。同時，據(jù)世界糧農(nóng)組織報道，2012年我國氮肥用量達全球總量的37%，闡明我國土壤氮肥轉(zhuǎn)化功能微生物的環(huán)境驅(qū)動機制具有重要意義。
最近，中國科學院南京土壤研究所賈仲君課題組與徐華課題組合作，深入研究了典型稻田土壤氧化還原梯度下的微生物群落演變特征，發(fā)現(xiàn)氧化還原容量綜合指數(shù)，而不是單一的氧化劑含量，決定了土壤氮肥轉(zhuǎn)化微生物的功能。（1）大范圍排查摸家底。課題組首先針對全國范圍內(nèi)的典型稻作區(qū)域，開展了大量的前期樣品調(diào)研，綜合分析了各種生物-物理-化學參數(shù)，篩選獲得紫頁巖（四川資陽）、河流沖積物（江蘇揚州）、湖相沉積物（浙江嘉興）、玄武巖（廣東雷州）四種不同母質(zhì)發(fā)育的稻作土壤，其屬性特征基本代表我國典型稻作土壤形態(tài)的發(fā)生過程；（2）微尺度表征氧容量。引進了海洋和湖沼學溶解氧測定的先進手段，在微米尺度下準確刻畫了土壤氧化還原梯度；利用熱力學基本原理，根據(jù)不同氧化劑接受電子的能力，提出了氧化還原容量綜合指數(shù)方程，規(guī)避了單一氧化劑分析可能引起的不確定性；（3）同位素示蹤微生物。利用穩(wěn)定性同位素13C底物，喂養(yǎng)復雜土壤中的功能微生物，這些微生物細胞在不斷的繁殖后代過程中，發(fā)揮作用將銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，結(jié)合新一代高通量功能基因測序13C-DNA技術(shù)，發(fā)現(xiàn)古菌的重要性依次為：四川>江蘇>浙江>廣東；（4）多因素分析新機制。利用激光粒度儀分析了土壤黏粒，粉粒和砂粒含量，進一步整合分析了土壤物理特征、化學屬性，及其與13C-標記的活性微生物之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)土壤氧化還原容量綜合指數(shù)是表征活性氨氧化細菌和古菌的最佳因子，極可能是土壤氨氧化微生物地理分異規(guī)律的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動力。
這一研究結(jié)果從土壤微生物學的角度，為基于氧化還原作用的水稻土分類體系提供了新的實驗證據(jù)。值得注意的是，該研究中的土壤有機質(zhì)與氧化還原容量具有極佳的相關(guān)性，暗示了土壤有機質(zhì)極可能作為電子供體改善土壤微環(huán)境，為研究氨氧化古菌的新陳代謝模式提供了新的思路。
該研究得到了國家基金委重大項目資助（41090281），研究結(jié)果已被微生物生態(tài)學刊物The ISME Journal 在線發(fā)表。
典型母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤物理化學特征-生物屬性整合分析流程圖
微米尺度下不同母質(zhì)發(fā)育稻田土壤剖面的氧氣含量及其與13C-活性氨氧化古菌和細菌的整合分析
