亞熱帶所研究團(tuán)隊(duì)在跨氣候帶尺度農(nóng)田土壤有機(jī)碳形成途徑與保護(hù)機(jī)制研究取得系列進(jìn)展

稻田和旱地作為我國兩類最主要農(nóng)業(yè)土地利用類型，同步分布于中國東部糧食主產(chǎn)區(qū)，并擔(dān)負(fù)著我國大宗農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的重任。稻田長期淹水耕作下土壤水分條件顯著區(qū)別于旱地土壤，系統(tǒng)研究跨氣候帶尺度稻田和旱地土壤有機(jī)碳形成途徑與保護(hù)機(jī)制，對我國東部糧食主產(chǎn)區(qū)耕地地力和土壤固碳減排管理均具有重要意義。亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)所蘇以榮研究員、陳香碧研究員團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用區(qū)域調(diào)研、生物標(biāo)識物分析結(jié)合同位素示蹤模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)解析了我國東部跨氣候帶尺度稻田和旱地土壤有機(jī)碳積累差異、形成途徑及其內(nèi)在機(jī)理。近5年來，發(fā)表SCI論文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。

進(jìn)展一：明確了長期農(nóng)業(yè)利用塑造的土壤碳氮磷含量和計(jì)量比特征

基于大樣本分析，發(fā)現(xiàn)我國東部四個(gè)氣候帶相鄰稻田、旱地和林地表層土壤C、N、P的含量和計(jì)量比呈現(xiàn)大致一致的特征：與相鄰林地相比，長期旱地利用降低C含量、增加P含量，造成C:N、C:P和N:P降低；稻田較林地C、N、P含量均增加，但N、P增加幅度高于C，導(dǎo)致C:N、C:P降低；南方比北方對農(nóng)業(yè)利用的響應(yīng)更強(qiáng)烈。區(qū)域尺度上土壤元素限制規(guī)律：四個(gè)區(qū)域旱地均呈現(xiàn)出的C、N限制和P富集，亞熱帶林地表現(xiàn)為P限制，暖溫帶地區(qū)C、N限制（圖1）。

圖1 四個(gè)氣候區(qū)土壤碳氮磷賦存規(guī)律

進(jìn)展二：闡明了稻田和旱地土壤有機(jī)碳的來源和穩(wěn)定性規(guī)律，揭示了稻田比旱地土壤具有強(qiáng)有機(jī)碳積累能力的微生物學(xué)機(jī)理

分析四個(gè)氣候帶240對相鄰稻田和旱地土壤有機(jī)碳含量，發(fā)現(xiàn)稻田土壤有機(jī)碳積累效率比相鄰旱地土壤高39%~127%，且以亞熱帶地區(qū)差異最大，突出了該區(qū)稻田土壤強(qiáng)大的固碳能力。進(jìn)一步量化了兩類土壤中植物殘?bào)w和微生物殘留物來源碳對總有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)長期稻作下土壤積累的有機(jī)碳以植物殘?bào)w（33%~54%）大于微生物殘留物（28%~36%），而旱作下以微生物殘留物（40%~59%）大于植物殘?bào)w（19%~42%），且稻田土壤中植物殘?bào)w來源碳的數(shù)量是旱地土壤的3.3倍，即稻田土壤突出的碳固持能力歸因于植物殘?bào)w大量積累?；诖耍瑯?gòu)建了稻田和旱地土壤有機(jī)碳形成途徑的理論模型（圖2）。

圖2 稻田和旱地土壤有機(jī)碳形成途徑

機(jī)理論證：采用短期¹⁸O-H₂O示蹤培養(yǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測土壤“老碳”的微生物代謝過程，發(fā)現(xiàn)：與旱地土壤相比，稻田土壤微生物的生長速率更高、呼吸速率更低，使得其土壤微生物碳利用效率更高。盡管如此，稻田較旱地土壤微生物對碳源的攝取效率低，表明稻田土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和積累過程微生物參與程度較低。基于短期¹³C標(biāo)記培養(yǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測微生物對“新碳”的合成代謝過程，發(fā)現(xiàn)：稻田土壤¹³C標(biāo)記微生物活體碳含量是相鄰旱地的38%~71%，進(jìn)而引起稻田13C標(biāo)記微生物殘?bào)w碳含量是旱地的26%~55%，尤其是真菌殘留物的含量遠(yuǎn)低于旱地土壤。因此，稻田較旱地土壤擁有更高的有機(jī)碳含量是由于其更弱的微生物碳攝取強(qiáng)度和代謝效率（圖3）。

圖3 稻田和旱地土壤微生物對碳源合成代謝概念圖

進(jìn)展三：從團(tuán)聚體和礦物保護(hù)、微生物代謝角度，闡釋了南方和北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳保護(hù)的差異機(jī)理

南方和北方氣候條件、土壤屬性、耕作頻率差異極大，可能影響土壤有機(jī)碳積累的團(tuán)聚體和礦物保護(hù)以及微生物代謝過程。采用密度和粒徑分級結(jié)合同位素示蹤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：團(tuán)聚體保護(hù)態(tài)有機(jī)碳對稻田和旱地全土有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)從北到南減少；游離礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率呈遞增趨勢；微生物殘?bào)w碳對游離礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率從北到南增加。因此，我國東部北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳積累受團(tuán)聚體保護(hù)主導(dǎo)，南方受礦物保護(hù)主導(dǎo)，且北方微生物合成代謝對有機(jī)碳積累的參與程度弱于南方（圖4）。

圖4 南方和北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳保護(hù)機(jī)制

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