稻田生态系统不仅支撑了全球一半以上人口的粮食供应，还为我们人类提供了多样的生态服务。在继承本研究组《中国稻田生态系统》等成果的基础上，本书重点阐述了稻田生态系统中的重要组分——周丛生物及其养分的调控，主要内容包括稻田周丛生物的研究方法、稻田周丛生物群落时空分布特征、稻田周丛生物对氮磷转化的调控功能、调控周丛生物促进养分高效利用与农业面源污染减排等。本书有助于读者面认识稻田周丛生物及其对养分的调控功能与效应，可为稻田养分管理和农业面源污染防控提供思路及对策。
本书内容涉及土壤学、农学、环境科学、水生生物学、微生物生态学、生物地球化学等领域，可供相关研究人员使用，也适用于农学、生态学、环境科学等领域的技术推广人员，农业、生态环境部门的决策及管理人员阅读与参考。

吴永红，男，中国科学院南京土壤研究所研究员、博士生导师，中共中央组织部“万人计划”科技创新领军人才，科技部“创新人才推进计划”中青年科技领军人才。长期从事相界面过程与效应研究，研究目的在于减少养分损失，控制农业污染，回收稀缺资源，保护农业环境，促进绿色发展。先后主持国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、973青年科学家项目、梅琳达·比尔盖茨基金会“探索大挑战”计划、国家自然科学基金国际合作项目、中国科学院“0到1”原始创新项目等。获得国际生物过程学会青年科学家奖、中国青年科技奖、中国土壤学会科学技术奖一等奖（第一完成人）等荣誉称号或奖励。获授权发明专利14件，其中5件发明专利和1件实用新型专利已成功转让（或许可）。基于在微生物聚集体（周丛生物、自然生物膜）适应环境胁迫和回收磷资源等方面丰富的研究经历，曾两次（2018年、2020年）受学术期刊Trends in Biotechnology邀请，撰写综述性文章；鉴于在面源污染控制工程方面具有丰富的研究经历，曾3次（2012年、2014年、2017年）受学术期刊Bioresource Technology邀请，撰写系列综述性文章；应Elsevier出版社邀请，撰写英文专著1部（2016年）。

序
前言
第一章 稻田生态系统与周丛生物
第一节 稻田生态系统的概念与特点、分布分区
一、稻田生态系统的概念
二、稻田生态系统的特点
三、稻作的地理分布
四、稻作的区域划分
第二节 周丛生物
一、周丛生物的定义
二、周丛生物的组成
三、周丛生物的结构
第三节 周丛生物生长的影响因素
一、非生物因素
二、生物因素
第四节 稻田周丛生物的功能概述
一、指示功能
二、修复功能
三、调控作用
四、反应器功能
第五节 稻田周丛生物的生态环境风险
一、周丛生物过量生长
二、砷的释放
三、甲基汞积累
第六节 稻田周丛生物研究展望
一、未知的功能与应用
二、作用机制
三、利用与生态风险的平衡
参考文献
第二章 稻田周丛生物的研究方法
第一节 定位与模拟试验研究
第二节 周丛生物的采集、处理与储存
一、周丛生物的采集
二、周丛生物样品的处理与储存
第三节 周丛生物总氮的测定方法
一、方法选择的依据
二、分析原理
三、仪器及设备
四、试剂
五、操作步骤
第四节 周丛生物总磷的测定方法
一、方法选择的依据
二、方法的原理
三、主要仪器
四、试剂
五、操作步骤
六、结果计算
第五节 周丛生物生物量的测定方法
一、概述
二、直接测量周丛生物生物量
三、间接测量周丛生物生物量
第六节 周丛生物存在条件下稻田CH、N2O和CO2排放通量的测定方法
一、概述
二、测定原理
三、样品采集
四、样品测定
五、通量计算
第七节 周丛生物微生物群落组成、结构测定方法
一、微生物平板培养法
二、Biolog?微平板分析法
三、磷脂脂肪酸法
四、分子生物学技术法
第八节 稻田周丛生物非生物相测定方法
一、阳离子交换量
二、总抗氧化能力
……
第三章 稻田周丛生物群落时空分布特征
第四章 稻田周丛生物对氮转化的调控功能
第五章 稻田周丛生物对磷的调控作用
第六章 周丛生物群落结构优化构建及其对磷的捕获
第七章 丘陵区稻田周丛生物碳氮磷组成与微生物群落特征
第八章 稻田周丛生物对胁迫环境的适应性
第九章 稻田周丛生物对金属生物地球化学循环过程的影响
第十章 稻田周丛生物群落优化及其功能强化
第十一章 盐碱地稻田周丛生物特征及其对氮磷的调控作用
第十二章 周丛生物对稻田温室气体排放的影响及调控措施

我国是拥有超过14亿人
口的发展中国家，约65%人
口以稻米为主食。虽然近年
我国粮食持续增产，但养分
利用率低下，化肥依赖度过
高。据农业农村部2019年
监测，我国水稻氮肥的当季
利用率仅为30%～35%，
磷肥为10%～20%，而地
处长江中下游的太湖地区化
肥利用率更低。化肥的过量
施用不仅造成巨大的经济损
失，还引起土壤质量下降、
大气污染、水体富营养化、
生物多样性丧失等一系列环
境问题。稻田养分利用率不
高已成为我国未来水稻大面
积高产高效生产的限制因子
。
党的十九大报告指出：“
坚持人与自然和谐共生。建
设生态文明是中华民族永续
发展的千年大计。”这一要
求也为转变农业发展方式，
促进产业转型升级，全面推
进农业供给侧结构性改革指
明了行动方向。习近平总书
记多次强调“推进农业绿色
发展是农业发展观的一场深
刻革命”。2017年，中共中
央办公厅、国务院办公厅印
发的《关于创新体制机制推
进农业绿色发展的意见》首
次全面提出了农业绿色发展
的总体目标，为农业绿色发
展奠定了制度基础。2020
年中央农村工作会议再次强
调要以绿色发展引领乡村生
态振兴。
农业绿色发展的内涵就
是更加注重资源节约，更加
注重环境友好，更加注重生
态保育，更加注重产量质量
。为此，国内外很多学者开
展了大量的通过田间管理措
施来调控养分吸收利用的研
究，取得了许多成果。然而
，这些田间管理措施主要关
注占养分份额较小的生物可
利用态氮磷利用率的提高以
及活化氮损失的减少。而在
稻田中闭蓄态磷（Fe、Al、
Ca结合态磷）和有机态氮
磷总量远超过生物可利用态
氮磷总量。因此，需要探索
新的途径，在提高生物可利
用态氮磷利用率的同时，活
化和转化闭蓄态磷与有机态
氮磷，同步减少氮损失。新
近研究发现稻田中广泛存在
的周丛生物（又称自然生物
膜）对氮磷生物有效性具有
重要的调控作用。周丛生物
是生长在淹水基质表面且在
自然环境条件下形成的微生
物聚集体及其交织的非生物
物质（如铁锰氧化物）的集
合体。相对于单一微生物群
落，周丛生物具有多种特殊
的“集体功能”，如具有多种
酶促协同作用，对养分具有
“缓存”和“缓释”功能，具有
生态稳定性、可控性、安全
性和普遍性的特点。但由于
对其调控氮磷生物有效性机
制的认识不足，目前鲜有将
其应用于稻田养分管理。
自2014年起，中国科学
院南京土壤研究所吴永红博
士牵头对我国稻田周丛生物
养分转化功能与调控机制进
行了较为系统、全面的调查
研究，建立了稻田周丛生物
的研究方法，明确了稻田周
丛生物生物相和非生物相组
成以及时空分布特征，阐明
了稻田周丛生物调控氮磷迁
移转化的功能及其机制，探
索了强化周丛生物功能的措
施，研究了基于周丛生物提
高稻田养分利用率和减少农
业面源污染的对策。这些有
别于传统稻田养分管理的研
究结果可为进一步大幅度提
高稻田养分生产力和稻田高
产高效提供新方向，为进一
步大幅度提高肥料生产力提
供新思路，为稻田养分循环
研究开辟新领域。
稻田土壤中氮磷的存储
、释放、活化和转化既受微
生物群落及活性的驱动，又
受非生物物质如金属氧化物
、有机质、矿物质的影响。
稻田生态系统中微生物及其
交织的非生物物质一般以周
丛生物形式存在，表现出许
多特殊的“集体功能”，如具
有多种酶促协同作用，扮演
养分“缓存器”和“缓释器”角
色等。研究周丛生物在氮磷
转化与调控中的作用，对于
深化稻田氮磷在土-水界面
间的关键循环过程的认识具
有重要价值。
周丛生物调控养分循环
过程，在我国传统水稻种植
过程中能找到其“影子”，类
似于传统水稻种植过程中的
“耘耥”（用装有钉齿的耥耙
在禾苗之间来回推拉）。在
除草剂被大量使用之前，“
耘耥”过程是一边将与周丛
生物共生的杂草清除，一边
将被周丛生物富集的氮磷释
放出来，为分蘖期的水稻提
供尽量多的有效态养分，调
控水稻生长。该书关于稻田
周丛生物调控养分的研究，
也间接说明我国劳动人民很
可能很早就了解到周丛生物
具有调控养分的功能。
聊表数言，权且为序。
值此书脱稿之际，期待同行
特别是年轻的科研人员积极
开拓一些诸如稻田周丛生物
这样的非主流研究方向。只
有不断探索，才能认识自然
，解释自然，改造自然。
张佳宝
中国工程院院士
2021年8月