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土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的基础，有机碳化学结构可以表征SOC的形成过程和稳定。秸秆在微生物作用下的分解残余物质以及分解产物是水田和旱地有机碳的主要来源;另外，不同施肥方式可以通过改变土壤理化性质影响微生物群落组成。猜测秸秆分解过程中残留物质的有机碳化学结构和不同施肥模式导致的土壤有机碳化学结构变化均与微生物群落组成变化有关，并受制于土壤理化性质变化。为验证上述猜测，本研究以中国科学院封丘农业生态试验站和江西省红壤研究所的系列长期定位施肥试验为平台，基于高速多重倾斜幅度交叉极化/魔角自旋(multiCP/MAS)和偶极相移（dipolar dephasing，DD）等高级固态13C核磁共振(13C-NMR)技术，以及磷脂脂肪酸(PLFA)、16S rRNA和ITS基因测序技术等方法，展开了以下三方面研究内容:(1)秸秆分解残留物质碳化学结构与微生物群落组成之间关系，(2)不同施肥模式下水田和旱地有机碳化学结构与微生物群落之间关系，(3)主导水田和旱地有机碳化学结构和微生物群落组成变化的主要决定因子。主要研究结果如下:
(1)小麦和玉米秸秆在砂质、砂壤质和粉黏质三种质地潮土中经过4、6、10、20月田间原位分解后发现，两种秸秆分解过程中碳化学结构的总体变化均表现为O-alkyl C和anomeric C比例的降低，alkylC、OCH3/NCH、aromatic C、aromatic C-O以及COO/N-C=C等组分的增加，其中各碳组分在4至6月间没有显著变化。通过分析碳化学结构变化与微生物群落组成之间的关系发现，前4个月分解过程中两者之间的关系在小麦和玉米秸秆之间不同，主要表现为O-akylC和anomeric C比例的降低以及alkyl C和OCH3/NCH比例的增加在小麦中与真菌(18∶1ω9c)的富集有关，而在玉米中则与真菌(18∶1ω9c)的降低有关;在6至10个月分解期间，小麦和玉米秸秆化学结构变化和微生物群落组成之间关系类似，均表现为O-alkylC和anomeric C比例的降低以及alkyl C、aromatic C和COO/N-C=C比例的增加主要与丛枝真菌AMF(16∶1ω5c)的富集有关。
(2)小麦和玉米秸秆在砂质、砂壤质和粉黏质三种质地潮土中经过4年田间原位降解后，残余秸秆的碳化学结构、细菌和真菌群落结构组成在不同质地土壤中均分为三组:砂质土壤中小麦和玉米秸秆聚为一组、砂壤质和粉黏质潮土中小麦秸秆聚成一组、砂壤质和粉黏质潮土中玉米秸秆聚成一组。三组之间碳化学结构的差异与细菌和真菌群落组成之间的差异是耦合的。结果表明砂质潮土中，土壤性质主导了降解微生物，从而导致不同秸秆在相同降解微生物的驱动下碳化学结构在该土壤中趋为一致;而在砂壤质和粉黏质潮土中，降解微生物主要受制于秸秆性质本身，从而导致不同的秸秆在该两种土壤中分解后的碳化学结构按照秸秆类型分开。
(3)以位于河南封丘的27年长期施肥定位试验为研究对象，施肥处理包括:有机肥(OM)、化肥氮磷钾(NPK)、化肥氮磷(NP)、化肥磷钾(PK)、化肥氮钾(NK)和不施肥对照（Control）。结果表示，土壤细菌群落结构和SOC化学结构组成均按照下列处理分为四组:OM处理、NPK处理、NP和PK处理以及NK和Control处理。与NPK处理相比，OM处理提高了aromatic C-O和OCH3、同时降低了alkyl C和OCH的比例，它们均与OM处理中Acidobacteria subgroups6和5、Cytophagaceae、Chitinophagaceae和Bacillus sp.的物种富集显著相关;NP和PK处理增加了OCH、同时降低了aromatic C-C的比例，它们均与该两处理中未分类的Chloracidobacteria、Syntrophobacteraceae和Anaerolineae相关物种富集以及Bacillales物种的减少显著相关;NK和Control处理增加了aromatic C-C的比例，其与Bacillales物种富集显著相关。土壤总磷、有效磷和SOC含量是影响长期不同施肥处理土壤细菌群落组成的主要因子。表明潮土长期不同施肥处理可以通过改变土壤理化性质驱动细菌群落组成变化，进而导致SOC结构变化。
(4)为比较旱地和水田有机碳化学结构和微生物群落之间关系的差别，以位于江西进贤相邻的水田和旱地两个长期定位施肥试验为平台（每个试验均包含4个处理:不施肥（Control）、常规用量化肥NPK(NPK)、两倍常规用量的化肥NPK(2NPK)和常规用量化肥NPK与有机肥混施(NPKOM))，研究了施肥模式对土壤理化性质和细菌群落组成的影响，评价了这些性质变化与有机碳化学结构变化之间关系。总体来看，水田和旱地的有机碳组成显著不同，主要表现为水田比旱地含有较高的CH/CH2和NCH比例、较低的aromatic C-C、aromatic C-H和aromatic C-O比例。施肥模式对水田和旱地的有机碳组成影响不同，并与不同微生物/理化性质有关。与Control相比，水田NPK处理增加了CCH3和aromatic C-C、同时降低了aromatic C-H比例，其直接与游离氧化铁含量增加而无定型氧化铁含量降低显著相关，而与微生物群落组成变化没有相关性;2NPK处理降低了OCH比例，其主要与Chloroflexi、Nitrospirales和Acidobacteriaceae subgroup1相关物种的富集显著相关;NPKOM处理降低了CH/CH2比例，与Anaerolineaceae和Bacteroidetes相关物种的富集显著相关。与水田情况不同，旱地NPK处理提高了OCH、同时降低了CH/CH2比例，与该处理中Thermogemmatisporales和Acidobacteriaceae subgroup1物种的富集显著有关;2NPK处理增加了OCH、同时降低了aromatic C-C比例，与Thermogemmatisporales的富集以及Acidobacteria subgroup2和Solirubrobacterales的降低显著相关;NPKOM处理提高了CH/CH2、同时降低了aromatic C-C和aromatic C-H的比例，与Nitrospira sp.、Roseiflexus sp.、Bacillus sp.和未分类Betaproteobacteria的富集以及Acidobacteria subgroup2和Solirubrobacterales的降低显著相关。
(5)为进一步明确水田和旱地中决定SOC化学结构和微生物群落组成在不同施肥模式之间差异的主要理化因子，以位于江西进贤相邻的水田和旱地长期不同施肥试验为平台展开研究，处理包括:不施肥（Control）、化肥NPK(NPK)、化肥NP(NP)、化肥NK(NK)以及水田中化肥PK(PK)和旱地中化肥P(P)。结果表示，水田SOC化学结构在施用氮肥处理和不施用氮肥之间明显不同，主要与无定型Fe2O3含量不同有关;而旱地SOC化学结构在施用磷肥处理和不施用磷肥处理之间明显不同，主要与速效磷含量不同有关。另一方面，水田细菌群落组成差异主要表现为Control、NK和NPK处理与PK和NP处理两组之间显著不同，并主要受制于硝态氮含量;而旱地则表现为NP和P处理、NK和NPK处理以及Control处理三组之间差异显著，并主要受制于速效磷含量和pH。上述结果表示，在不平衡施肥模式下，细菌群落组成与SOC结构差异不存在显著相关性，水田SOC化学结构可能是由于不同Fe2O3含量导致其所吸附碳的来源有差异而导致的，而旱地SOC化学结构差异可能与磷肥引起的作物残茬和根系分泌物等残留量的差异有关。
(1)小麦和玉米秸秆在砂质、砂壤质和粉黏质三种质地潮土中经过4、6、10、20月田间原位分解后发现，两种秸秆分解过程中碳化学结构的总体变化均表现为O-alkyl C和anomeric C比例的降低，alkylC、OCH3/NCH、aromatic C、aromatic C-O以及COO/N-C=C等组分的增加，其中各碳组分在4至6月间没有显著变化。通过分析碳化学结构变化与微生物群落组成之间的关系发现，前4个月分解过程中两者之间的关系在小麦和玉米秸秆之间不同，主要表现为O-akylC和anomeric C比例的降低以及alkyl C和OCH3/NCH比例的增加在小麦中与真菌(18∶1ω9c)的富集有关，而在玉米中则与真菌(18∶1ω9c)的降低有关;在6至10个月分解期间，小麦和玉米秸秆化学结构变化和微生物群落组成之间关系类似，均表现为O-alkylC和anomeric C比例的降低以及alkyl C、aromatic C和COO/N-C=C比例的增加主要与丛枝真菌AMF(16∶1ω5c)的富集有关。
(2)小麦和玉米秸秆在砂质、砂壤质和粉黏质三种质地潮土中经过4年田间原位降解后，残余秸秆的碳化学结构、细菌和真菌群落结构组成在不同质地土壤中均分为三组:砂质土壤中小麦和玉米秸秆聚为一组、砂壤质和粉黏质潮土中小麦秸秆聚成一组、砂壤质和粉黏质潮土中玉米秸秆聚成一组。三组之间碳化学结构的差异与细菌和真菌群落组成之间的差异是耦合的。结果表明砂质潮土中，土壤性质主导了降解微生物，从而导致不同秸秆在相同降解微生物的驱动下碳化学结构在该土壤中趋为一致;而在砂壤质和粉黏质潮土中，降解微生物主要受制于秸秆性质本身，从而导致不同的秸秆在该两种土壤中分解后的碳化学结构按照秸秆类型分开。
(3)以位于河南封丘的27年长期施肥定位试验为研究对象，施肥处理包括:有机肥(OM)、化肥氮磷钾(NPK)、化肥氮磷(NP)、化肥磷钾(PK)、化肥氮钾(NK)和不施肥对照（Control）。结果表示，土壤细菌群落结构和SOC化学结构组成均按照下列处理分为四组:OM处理、NPK处理、NP和PK处理以及NK和Control处理。与NPK处理相比，OM处理提高了aromatic C-O和OCH3、同时降低了alkyl C和OCH的比例，它们均与OM处理中Acidobacteria subgroups6和5、Cytophagaceae、Chitinophagaceae和Bacillus sp.的物种富集显著相关;NP和PK处理增加了OCH、同时降低了aromatic C-C的比例，它们均与该两处理中未分类的Chloracidobacteria、Syntrophobacteraceae和Anaerolineae相关物种富集以及Bacillales物种的减少显著相关;NK和Control处理增加了aromatic C-C的比例，其与Bacillales物种富集显著相关。土壤总磷、有效磷和SOC含量是影响长期不同施肥处理土壤细菌群落组成的主要因子。表明潮土长期不同施肥处理可以通过改变土壤理化性质驱动细菌群落组成变化，进而导致SOC结构变化。
(4)为比较旱地和水田有机碳化学结构和微生物群落之间关系的差别，以位于江西进贤相邻的水田和旱地两个长期定位施肥试验为平台（每个试验均包含4个处理:不施肥（Control）、常规用量化肥NPK(NPK)、两倍常规用量的化肥NPK(2NPK)和常规用量化肥NPK与有机肥混施(NPKOM))，研究了施肥模式对土壤理化性质和细菌群落组成的影响，评价了这些性质变化与有机碳化学结构变化之间关系。总体来看，水田和旱地的有机碳组成显著不同，主要表现为水田比旱地含有较高的CH/CH2和NCH比例、较低的aromatic C-C、aromatic C-H和aromatic C-O比例。施肥模式对水田和旱地的有机碳组成影响不同，并与不同微生物/理化性质有关。与Control相比，水田NPK处理增加了CCH3和aromatic C-C、同时降低了aromatic C-H比例，其直接与游离氧化铁含量增加而无定型氧化铁含量降低显著相关，而与微生物群落组成变化没有相关性;2NPK处理降低了OCH比例，其主要与Chloroflexi、Nitrospirales和Acidobacteriaceae subgroup1相关物种的富集显著相关;NPKOM处理降低了CH/CH2比例，与Anaerolineaceae和Bacteroidetes相关物种的富集显著相关。与水田情况不同，旱地NPK处理提高了OCH、同时降低了CH/CH2比例，与该处理中Thermogemmatisporales和Acidobacteriaceae subgroup1物种的富集显著有关;2NPK处理增加了OCH、同时降低了aromatic C-C比例，与Thermogemmatisporales的富集以及Acidobacteria subgroup2和Solirubrobacterales的降低显著相关;NPKOM处理提高了CH/CH2、同时降低了aromatic C-C和aromatic C-H的比例，与Nitrospira sp.、Roseiflexus sp.、Bacillus sp.和未分类Betaproteobacteria的富集以及Acidobacteria subgroup2和Solirubrobacterales的降低显著相关。
(5)为进一步明确水田和旱地中决定SOC化学结构和微生物群落组成在不同施肥模式之间差异的主要理化因子，以位于江西进贤相邻的水田和旱地长期不同施肥试验为平台展开研究，处理包括:不施肥（Control）、化肥NPK(NPK)、化肥NP(NP)、化肥NK(NK)以及水田中化肥PK(PK)和旱地中化肥P(P)。结果表示，水田SOC化学结构在施用氮肥处理和不施用氮肥之间明显不同，主要与无定型Fe2O3含量不同有关;而旱地SOC化学结构在施用磷肥处理和不施用磷肥处理之间明显不同，主要与速效磷含量不同有关。另一方面，水田细菌群落组成差异主要表现为Control、NK和NPK处理与PK和NP处理两组之间显著不同，并主要受制于硝态氮含量;而旱地则表现为NP和P处理、NK和NPK处理以及Control处理三组之间差异显著，并主要受制于速效磷含量和pH。上述结果表示，在不平衡施肥模式下，细菌群落组成与SOC结构差异不存在显著相关性，水田SOC化学结构可能是由于不同Fe2O3含量导致其所吸附碳的来源有差异而导致的，而旱地SOC化学结构差异可能与磷肥引起的作物残茬和根系分泌物等残留量的差异有关。