在我国东部寒温带-暖温带-中亚热带上,选择黑龙江海伦、河南封丘和江西鹰潭农业生态试验站,建立水热变化梯度下三种主要农田土壤(黑土、潮土、红壤)的置换试验(如图1所示),针对两种秸秆(玉米、小麦),埋设尼龙网袋腐解试验,结合固体核磁共振光谱(13C-NMR)、微生物生态学分析(包括BIOLOG、PLFA、DGGE、文库方法)以及统计分析方法(PCA、CCA、VPA),在不同时间尺度上(0.5 ～2年)做以下工作：(1)研究不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中秸秆化学结构和组成的变化规律；(2)对比分析秸秆腐解微生物群落结构组成特征(共有种群和特有种群)和演替规律；(3)定量分析降雨、温度、土壤和秸秆性质对腐解秸秆化学组成和微生物种群演变的单独影响和交互作用；揭示秸秆结构和微生物组成的协同变化机制,为提出适合不同区域气候、土壤条件的秸秆还田调控措施提供理论基础.研究结果表明：小麦和玉米秸秆在不同气候和不同土壤中腐解2年的过程中,气候条件、秸秆类型和土壤类型均显著影响了秸秆的腐解过程.而且在腐解2年后,在不同气候条件下腐解的小麦和玉米秸秆(除海伦地区的玉米秸秆外)的残余量以及C/N比趋同.利用核磁共振对黑土中腐解的玉米和小麦秸秆结构的研究结果表明,在腐解0.5年后,秸秆类型和气候条件特别是温度和降雨影响了秸秆残体中官能团的含量；此后,气候和秸秆类型对腐解和结构组成的影响逐渐减弱.在2年的腐解过程中,秸秆质量是秸秆残体化学组成和秸秆腐解速率的主要影响因素(如图3所示).腐解过程中秸秆结构组成的主要变化特征是O/N-烷基和二氧烷基百分含量的降低,烷基碳、含氧芳香族化合物和芳香族化合物以及COO/N-C=O百分含量的增加(如图2所示).除海伦地区玉米秸秆外,各处理下秸秆的结构组成在腐解2年后也趋于相似(如图4所示).针对不同气候条件下三种土壤中小麦玉米秸秆的腐解微生物的变化过程,利用BIOLOG、PLFA和DGGE法分析秸秆腐解微生物的群落功能特征和结构特征(如图5所示).发现与土壤类型和秸秆类型相比,气候,特别是温度和降雨更显著地影响了微生物的群落功能(0.5年、1年和2年气候对微生物群落功能影响的贡献率分别为27.1％,24.3％,17.0％)和微生物群落结构(PLFA中0.5年、1年和2年气候对微生物群落结构影响的贡献率分别为15.0％,22.4％,13.1％； DGGE中0.5年、1年和2年分别为23.0％,19.0％,21.5％).主成分分析表明在腐解0.5年和1年后微生物群落对碳源的利用特征在不同气候区也表现出明显差异,腐解2年后趋同.然而,微生物群落结构并不随腐解时间的增加而表现出趋同的趋势.随腐解时间的增加,气候对微生物群落结构的影响增大,不同气候条件下的微生物群落向不同方向演变.此外,BIOLOG和DGGE的多样性指数分析表明随腐解时间的增加,物种丰富度有所降低而最常见种群的优势度增加,可能出现一些分解秸秆优势种群.对黑土中玉米秸秆在不同气候条件下腐解2年的结果表明,秸秆腐解过程中微生物群落结构发生明显演替,典范对应分析结果表明腐解两年的微生物群落结构与腐解0.5年和1年的有显著差别,测序结果也发现y-变形菌(Gammaproteobacteria)和α-变形菌(Alphaproteobacteria)的克隆数减少,δ-变形菌(Deltaproteobacteria)和酸杆菌(Acidobacteria)的克隆数增加(如图6所示),细菌群落由富营养型向贫营养型演替.随腐解时间的增加,同一腐解时间下三个不同气候条件下共有的OTUs数(核心微生物)减少,由腐解0.5年时的11个减少到腐解2年时的7个.核心微生物在海伦和封丘大约占30％,但在鹰潭大约占39％,表明在温暖的气候条件下核心微生物数量更高.通过线性的相关分析和非线性的典范对应分析结果均得出秸秆的化学组成与微生物群落结构组成有显著相关性(如表1所示),腐解2年后在秸秆残体的结构组成趋同的同时,微生物群落对碳源的利用特征也趋于相似.