跨气候带尺度农田土壤有机碳形成途径与保护机制研究系列进展

　　

稻田和旱地作为我国两类最主要农业土地利用类型，同步分布于中国东部粮食主产区，并担负着我国大宗农产品生产的重任。稻田长期淹水耕作下土壤水分条件显著区别于旱地土壤，系统研究跨气候带尺度稻田和旱地土壤有机碳形成途径与保护机制，对我国东部粮食主产区耕地地力和土壤固碳减排管理均具有重要意义。亚热带农业生态所苏以荣研究员、陈香碧研究员团队，运用区域调研、生物标识物分析结合同位素示踪模拟试验，系统解析了我国东部跨气候带尺度稻田和旱地土壤有机碳积累差异、形成途径及其内在机理。近5年来，发表SCI论文9篇，包括Global Change Biology、Biology and Fertility of Soils、Agriculture,Ecosystems and Environment、Soil and Tillage Research、Catena、Journal of Soils and Sediments、European Journal of Soil Science等期刊。

进展一：明确了长期农业利用塑造的土壤碳氮磷含量和计量比特征

基于大样本分析，发现我国东部四个气候带相邻稻田、旱地和林地表层土壤C、N、P的含量和计量比呈现大致一致的特征：与相邻林地相比，长期旱地利用降低C含量、增加P含量，造成C:N、C:P和N:P降低；稻田较林地C、N、P含量均增加，但N、P增加幅度高于C，导致C:N、C:P降低；南方比北方对农业利用的响应更强烈。区域尺度上土壤元素限制规律：四个区域旱地均呈现出的C、N限制和P富集，亚热带林地表现为P限制，暖温带地区C、N限制（图1）。

图1 四个气候区土壤碳氮磷赋存规律

进展二：阐明了稻田和旱地土壤有机碳的来源和稳定性规律，揭示了稻田比旱地土壤具有强有机碳积累能力的微生物学机理

分析四个气候带240对相邻稻田和旱地土壤有机碳含量，发现稻田土壤有机碳积累效率比相邻旱地土壤高39%~127%，且以亚热带地区差异最大，突出了该区稻田土壤强大的固碳能力。进一步量化了两类土壤中植物残体和微生物残留物来源碳对总有机碳积累的贡献，发现长期稻作下土壤积累的有机碳以植物残体（33%~54%）大于微生物残留物（28%~36%），而旱作下以微生物残留物（40%~59%）大于植物残体（19%~42%），且稻田土壤中植物残体来源碳的数量是旱地土壤的3.3倍，即稻田土壤突出的碳固持能力归因于植物残体大量积累。基于此，构建了稻田和旱地土壤有机碳形成途径的理论模型（图2）。

图2 稻田和旱地土壤有机碳形成途径

机理论证：采用短期¹⁸O-H₂O示踪培养试验，监测土壤“老碳”的微生物代谢过程，发现：与旱地土壤相比，稻田土壤微生物的生长速率更高、呼吸速率更低，使得其土壤微生物碳利用效率更高。尽管如此，稻田较旱地土壤微生物对碳源的摄取效率低，表明稻田土壤有机碳转化和积累过程微生物参与程度较低。基于短期¹³C标记培养试验，监测微生物对“新碳”的合成代谢过程，发现：稻田土壤¹³C标记微生物活体碳含量是相邻旱地的38%~71%，进而引起稻田13C标记微生物残体碳含量是旱地的26%~55%，尤其是真菌残留物的含量远低于旱地土壤。因此，稻田较旱地土壤拥有更高的有机碳含量是由于其更弱的微生物碳摄取强度和代谢效率（图3）。

图3 稻田和旱地土壤微生物对碳源合成代谢概念图

进展三：从团聚体和矿物保护、微生物代谢角度，阐释了南方和北方农田土壤有机碳保护的差异机理

南方和北方气候条件、土壤属性、耕作频率差异极大，可能影响土壤有机碳积累的团聚体和矿物保护以及微生物代谢过程。采用密度和粒径分级结合同位素示踪试验，发现：团聚体保护态有机碳对稻田和旱地全土有机碳积累的贡献从北到南减少；游离矿物结合态有机碳的贡献率呈递增趋势；微生物残体碳对游离矿物结合态有机碳的贡献率从北到南增加。因此，我国东部北方农田土壤有机碳积累受团聚体保护主导，南方受矿物保护主导，且北方微生物合成代谢对有机碳积累的参与程度弱于南方（图4）。

图4 南方和北方农田土壤有机碳保护机制

论文链接：1?2?3?4?5?6?7?8?9