亞熱帶水稻土碳循環(huán)的生物地球化學(xué)特點(diǎn)與長期固碳效應(yīng)

吳金水，李勇，童成立，肖和艾，劉守龍，葛體達(dá)，周萍，沈健林，祝貞科，黃習(xí)知

（中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410125）

稻田是我國具有悠久歷史的典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，水稻土面積占全國耕地總面積約25%，水稻產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)約50%，是具有重大經(jīng)濟(jì)意義的土壤資源，對我國糧食安全具有舉足輕重的作用[1]。同時(shí)，稻田作為一種獨(dú)特的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，淹水后土壤有機(jī)質(zhì)、微生物和植物相互作用形成典型的氧化還原梯度，是研究土壤—植物—微生物相互作用下陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵生物地球化學(xué)循環(huán)過程的理想對象[1-2]。另一方面，土壤碳循環(huán)與溫室氣體排放存在密切關(guān)系，溫室氣體排放已列入國家溫室氣體排放清單，因而農(nóng)田土壤碳循環(huán)與固碳減排具有重要的生態(tài)學(xué)研究價(jià)值，成為國際研究熱點(diǎn)。

水稻土生產(chǎn)力與生態(tài)環(huán)境功能的形成與演化，集中體現(xiàn)了人為活動(dòng)與生物地球化學(xué)過程的相互作用、生物地球化學(xué)循環(huán)與水分和生物的耦合關(guān)系、生產(chǎn)力與生態(tài)環(huán)境功能的相互協(xié)調(diào)、以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與全球氣候變化的相互制約。稻田持續(xù)高生產(chǎn)力是外在環(huán)境與物理、化學(xué)和生物內(nèi)因共同作用的結(jié)果[3-4]，稻田還有較其它耕作土壤不具備的生態(tài)環(huán)境功能，如排放甲烷，光合固碳，消納大氣和其它環(huán)境（如水體）污染物質(zhì)，凈化環(huán)境等。土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)和積累既是物理、化學(xué)和生物過程和肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，又與土壤固碳功能、溫室氣體產(chǎn)生和排放密切相關(guān)[5-6]。

稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，研究稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要過程通量與碳收支動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是全面掌握我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支動(dòng)態(tài)不可缺少的資料。本團(tuán)隊(duì)收集我國南方13個(gè)長期定位監(jiān)測點(diǎn)資料、以及基于景觀單位的有機(jī)碳含量動(dòng)態(tài)變化，分析結(jié)果顯示近30年來我國亞熱帶稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量普遍呈升高趨勢，說明亞熱帶稻田生態(tài)系統(tǒng)具有重要固碳作用[7]。但由于目前我國對水稻土長期固碳的生物地球化學(xué)機(jī)理的研究不夠深入，對其有機(jī)碳升高的確切原因尚未明確。因此，突破水稻土肥力提升和溫室氣體減排的科技瓶頸，是一項(xiàng)重大且迫切的科研任務(wù)，也是水稻土研究的前沿和難點(diǎn)。

因此，本文以探討水稻土固碳（肥力提升）與科學(xué)減排原理為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)土壤有機(jī)碳礦化的“控制閥”假說與“激發(fā)效應(yīng)”、水稻土固碳與溫室氣體排放的生物地球化學(xué)過程機(jī)理等前沿性科學(xué)問題，遵照以典型案例（典型景觀單元和長期定位試驗(yàn)監(jiān)測）揭示區(qū)域水稻土有機(jī)碳演變與固碳潛力的基本規(guī)律，借助模擬試驗(yàn)闡明水稻土長期固碳的生物地球化學(xué)機(jī)理的整體研究思路，運(yùn)用同位素示蹤和生物分子技術(shù)，系統(tǒng)研究了亞熱帶水稻土碳的生物地球化學(xué)循環(huán)特點(diǎn)與固碳效應(yīng)。歷經(jīng)10多年，現(xiàn)將目前取得重要科學(xué)進(jìn)展進(jìn)行整理，以期為亞熱帶水稻土有機(jī)碳積累、生產(chǎn)力提升和農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供重要科技支撐。

1 亞熱帶水稻土持續(xù)固碳速率與潛力

我國亞熱帶區(qū)約分布全國60%的水稻土[8]，該區(qū)域水稻土有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)平衡對我國區(qū)域碳平衡意義重大。有研究研究指出，我國南方地區(qū)的固碳能力大于北方，且水稻土的固碳效應(yīng)和固碳潛力均大于旱地[7,9-10]。Piao等[11]在評(píng)估我國陸地碳平衡時(shí)指出，南方地區(qū)碳匯占到全國總碳匯的65%以上，其中水稻土固碳的貢獻(xiàn)不容忽視。本研究團(tuán)隊(duì)通過對亞熱帶典型景觀單元不同利用方式表層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)水稻土有機(jī)碳密度介于37.8～60.4 t/hm2之間，顯著高于旱地、果園甚至林地生態(tài)系統(tǒng)[7,12]，且在過去30年間，水稻土有機(jī)碳處于持續(xù)增加狀態(tài)，增幅達(dá)60%，年平均固碳速率為0.28 t/hm2，具有明顯的固碳效應(yīng)，而旱地、林地和果園土壤基本保持不變[7]，上述結(jié)果均充分反映出亞熱帶不同類型區(qū)水稻土均具有較強(qiáng)的碳固持效應(yīng)。目前關(guān)于我國水稻土固碳趨勢的研究大多是基于不同時(shí)期分散樣點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)與第二次土壤普查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)對比，可能無法真實(shí)反映稻田土壤的固碳趨勢。而我們選擇4種景觀單元代表了亞熱帶區(qū)的現(xiàn)實(shí)稻作管理體系，且不同時(shí)期所有土壤樣點(diǎn)均通過“點(diǎn)對點(diǎn)”取樣獲得，因此這一結(jié)果真實(shí)地反映出我國亞熱帶水稻土具有長期穩(wěn)定的固碳效應(yīng)與潛力。

不同農(nóng)業(yè)管理措施（如施肥、秸稈還田）主要通過增加碳輸入來促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，這也被認(rèn)為是我國亞熱帶水稻土有機(jī)碳積累明顯較快的原因之一[7,13-14]。通過對湖南省8個(gè)稻田長期肥料定位監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)碳變化的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)1986—2003年期間，不施肥條件下土壤有機(jī)碳依然有13%的增長率，而單施化肥或有機(jī)無機(jī)肥配施則進(jìn)一步促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累[15]。進(jìn)一步采用整合分析的方法研究亞熱帶雙季稻區(qū)28個(gè)長期肥料定位試驗(yàn)土壤有機(jī)碳的變化，表明與對照相比，單施化肥處理土壤固碳速率可達(dá)0.30 t/(hm2·a)，化肥配合糞肥或配合秸稈還田土壤固碳速率可進(jìn)一步增加123%和61%[16]，這一結(jié)果與Rui和Zhang[17]針對長江三角洲水旱輪作區(qū)秸稈還田下稻田土壤固碳速率的估算結(jié)果相近?；貧w分析表明，亞熱帶區(qū)水稻土固碳速率隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L逐漸降低直到新的平衡值出現(xiàn)，單施化肥、化肥配合秸稈還田和化肥配合豬糞施用下水稻土的理論固碳年限分別為43年、65年和55年，可分別固定10.52、20.88和29.39 t/hm2有機(jī)碳[16]。該理論固碳年限大于Rui和Zhang[17]所報(bào)道的長江三角洲水旱輪作區(qū)（20～40年），凸顯出亞熱帶雙季稻區(qū)較強(qiáng)的固碳潛力。

2 亞熱帶水稻土有機(jī)碳礦化的“阻滯效應(yīng)”及其相關(guān)機(jī)理

土壤有機(jī)碳積累主要取決于碳的輸入和輸出平衡，土壤有機(jī)碳礦化過程直接影響到土壤有機(jī)碳的“源匯”功能。Iqbal等[18]指出，我國亞熱帶地區(qū)土壤有機(jī)碳礦化的Q10值以水稻土（1.9）中明顯低于柑橘園（2.2）、林地（2.3）和旱地（3.2），說明未來升溫條件下亞熱帶水稻土有機(jī)碳的穩(wěn)定性相對較高。長期不同施肥措施下水稻土有機(jī)碳的礦化速率亦存在明顯差異，以單施化肥條件下的最高，而有機(jī)無機(jī)肥配施下的相對較低[19]。采用14C標(biāo)記技術(shù)對亞熱帶第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的水稻土進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)表明，水稻土新鮮有機(jī)碳的累積礦化率顯著低于旱地；底物對旱地土壤產(chǎn)生顯著的“激發(fā)效應(yīng)”，而對水稻土則不顯著[20]，從而提出水稻土有機(jī)碳礦化可能存在“阻滯效應(yīng)”，且有機(jī)碳礦化的這一“阻滯效應(yīng)”在不同母質(zhì)類型水稻土中可能普遍存在[21]。另外，應(yīng)用14C同位素標(biāo)記技術(shù)研究了亞熱帶地區(qū)典型稻田和旱地中水稻同化“新碳”在土壤碳庫中的分配，發(fā)現(xiàn)水稻同化“新碳”的輸入抑制了水稻土原有有機(jī)碳的礦化，表現(xiàn)出明顯的負(fù)激發(fā)效應(yīng)[22]，這對維持亞熱帶水稻土的碳匯功能具有十分重要的意義；上述現(xiàn)象反映出亞熱帶水稻土的“控制閥”作用強(qiáng)于旱地土壤。鑒于土壤結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性和土壤發(fā)生學(xué)的特殊性，水稻土有機(jī)質(zhì)礦化過程可能存在著特殊的生物地球化學(xué)過程，從而較旱地土更有利于有機(jī)碳積累。

以往的研究認(rèn)為，雖然土壤微生物生物量僅占土壤有機(jī)質(zhì)的1%～5%，但微生物生物量的大小反映了微生物的活性以及有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的速率，微生物可通過對輸入有機(jī)物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化來控制有機(jī)碳的積累或損失[23-24]。鑒于此，水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳被認(rèn)為是土壤中作物同化“新碳”的主要?dú)w宿，且作物同化“新碳”的輸入強(qiáng)烈影響土壤原有有機(jī)碳的礦化[25-26]。但本研究團(tuán)隊(duì)對亞熱帶水稻土有機(jī)碳礦化“阻滯效應(yīng)”的研究結(jié)論與上述觀點(diǎn)正好相反，揭示亞熱帶水稻土有機(jī)碳礦化并不受土壤微生物生物量的控制，可能與水稻土中有機(jī)碳分解產(chǎn)物受水穩(wěn)性團(tuán)聚體的物理保護(hù)、與氧化鐵鋁的化學(xué)鍵合以及向有機(jī)碳穩(wěn)定組分的分配作用較強(qiáng)有關(guān)[21,27]。

相似的，關(guān)于耕地和林地土壤的一些研究也顯示，土壤微生物生物量碳與有機(jī)碳礦化并不存在本質(zhì)的關(guān)系。如Rasmussen等[28-29]發(fā)現(xiàn)土壤礦物質(zhì)對有機(jī)碳礦化起著調(diào)控作用，土壤有機(jī)碳礦化對溫度的響應(yīng)主要受到有機(jī)質(zhì)降解速率、可礦化碳庫大小以及底物碳源利用變化的影響，揭示土壤的碳源利用和微生物激發(fā)效應(yīng)受到土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu)組成的影響。Strickland等[30]通過原位觀測13C標(biāo)記葡萄糖礦化的季節(jié)動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)能有效指示葡萄糖礦化的并非微生物生物量的大小、活性和群落組成，而是與土地利用變化直接關(guān)聯(lián)的某些土壤特性。Kemmitt等[31]和Ball等[32]也認(rèn)為，土壤有機(jī)碳礦化并不受土壤微生物生物量及其活性與區(qū)系組成的影響，而土壤結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體以及與之相關(guān)的物理化學(xué)性狀可能在土壤有機(jī)碳的礦化過程中發(fā)揮重要作用，并影響土壤有機(jī)碳的積累。

3 水稻光合碳輸入、轉(zhuǎn)化及其微生物利用機(jī)制

水稻光合碳是“大氣—植物—土壤”系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，也是土壤有機(jī)碳的重要來源。光合碳對“大氣—植物—土壤”系統(tǒng)中碳的分配與轉(zhuǎn)化深刻影響著全球碳循環(huán)過程[22,33-34]。應(yīng)用14CO2標(biāo)記技術(shù)對水稻拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行連續(xù)標(biāo)記，量化了水稻生長期間光合碳對土壤有機(jī)碳各組分的貢獻(xiàn)。在水稻拔節(jié)期和灌漿期內(nèi)，有4%～6%的光合碳通過水稻的根際沉積作用進(jìn)入土壤有機(jī)碳庫，這部分“新碳”對土壤可溶性有機(jī)碳貢獻(xiàn)為2%～4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻(xiàn)為9%～18%[22]。同時(shí)研究了光合碳的在土壤中傳輸和轉(zhuǎn)化及其對氮肥施用的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)高量施肥使水稻光合碳在土壤中的傳輸和積累比率非線性驟升的規(guī)律[33,35]。Cornelius等[35]利用13CO2連續(xù)標(biāo)記技術(shù)結(jié)合土壤有機(jī)質(zhì)的粒徑組分分離技術(shù)，發(fā)現(xiàn)施氮結(jié)合干濕交替，提高了對水稻光合碳的固定效率。同時(shí)通過對生長在高、低有機(jī)質(zhì)水稻土上的水稻進(jìn)行13C-CO2脈沖標(biāo)記，揭示了水稻光合碳在不同有機(jī)質(zhì)水稻土壤轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)的差異機(jī)制，提出水稻光合碳傳輸存在一定的“馬太效應(yīng)”，這種效應(yīng)的強(qiáng)弱與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)地及其微生物功能等有關(guān)（圖1）[36]。進(jìn)一步利用13CO2脈沖標(biāo)記結(jié)合磷脂脂肪酸的穩(wěn)定同位素探針技術(shù)（13C-PLFA-SIP），發(fā)現(xiàn)水稻光合碳向土壤微生物快速轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，根際碳的微生物同化量隨著水稻生育期的變化而顯著增加，同化微生物主要為真菌及革蘭氏陰性菌，真菌是重要的水稻根際碳同化者[37-38]。

圖1 水稻光合碳土壤傳輸“馬太效應(yīng)”機(jī)制（引自：Zhu等[39]）Fig. 1 the mechanism of “Matthew effect” of rice photosynthetic carbon soil turnover (Quoted from Zhu et al. [39])

4 水稻土微生物光合固碳功能與機(jī)理

利用陸地生態(tài)系統(tǒng)的大氣CO2同化功能（生物固碳）增強(qiáng)碳固定，是目前應(yīng)對氣候變化最經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。同化CO2的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物。在生物同化大氣CO2的研究中，主要集中于陸地植被的光合碳同化過程。自養(yǎng)微生物在農(nóng)田土壤中廣泛存在，能通過多種固碳途徑同化大氣中的CO2

[39-44]，然而，目前土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化功能尚未納入到農(nóng)田土壤循環(huán)過程中?；诖耍緢F(tuán)隊(duì)自2012年起，整合14C同位素標(biāo)記技術(shù)和微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)（克隆文庫、T–RFLP和定量PCR等），開展了稻田土壤自養(yǎng)微生物的碳同化功能（同化大氣CO2）及其微生物學(xué)機(jī)理研究（圖2）。

利用14C連續(xù)標(biāo)記技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了稻田土壤具有微生物光合同化大氣CO2并將其轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳的能力。14C–CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)80天后，光照處理的14C–SOC 量為 8.4～64.6 mg/kg[41-42]，并且稻田土壤大于旱地土壤；據(jù)估算，土壤微生物的CO2日同化速率在0.01～0.1 gC/m2之間，農(nóng)田土壤微生物的年碳同化速率為100～450 kg/hm2，其對碳循環(huán)的年貢獻(xiàn)率為0.9%～4.1%[39]。如果推算到全球陸地生態(tài)系統(tǒng)，理想狀態(tài)下，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的年碳同化量在0.3～3.7 Pg[39]。不同耕作方式（免耕與翻耕）顯著影響稻田土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化能力，表現(xiàn)為翻耕土壤具有較高的微生物CO2同化能力，為免耕土壤的1.8～3.1倍[41-42]。不同土地利用方式亦顯著影響土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化能力，表現(xiàn)為稻田土壤具有較高的微生物同化能力，為水旱輪作和旱地土壤的3倍和100倍，這可能與稻田土壤的碳同化功能基因與碳同化關(guān)鍵酶RubisCO酶活性均顯著高于水旱輪作和旱地土壤有關(guān)[45]，該研究揭示了一個(gè)以往被忽視的土壤有機(jī)碳的重要輸入途徑。

圖2 土壤微生物固碳功能（同化大氣CO2）及其生物學(xué)機(jī)制技術(shù)框架Fig. 2 Schematic diagram of soil microbial carbon sequestration (atmospheric CO2 assimilation)and its biological mechanism technology

在此基礎(chǔ)上，對稻田土壤自養(yǎng)微生物光合同化碳的層次分布與傳輸進(jìn)行了進(jìn)一步的深入探討，發(fā)現(xiàn)土壤不同層次間的14C–SOC量隨著土壤深度的增加而顯著減少[46]。土壤微生物的光合固碳作用只發(fā)生在表層土壤（0～1 cm），但表層同化碳可以向下傳輸，這可能為底層的化能自養(yǎng)微生物提供碳源和電子供體，從而誘導(dǎo)化能自養(yǎng)微生物參與碳同化過程，從而揭示了土壤微生物光能、化能自養(yǎng)固碳的雙重協(xié)同機(jī)制。該研究深化了對土壤微生物光合同化碳的生物地球化學(xué)過程機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

綜合運(yùn)用克隆文庫、T–RFLP和定量PCR等分子生物學(xué)方法，從土壤微生物數(shù)量及其碳同化功能種群結(jié)構(gòu)和多樣性兩個(gè)方面來揭示土壤微生物的碳同化機(jī)理（圖2）。結(jié)果表明，農(nóng)田土壤固碳功能種群包括固碳細(xì)菌和藻類，其中固碳細(xì)菌的主要優(yōu)勢種群為兼性自養(yǎng)菌，而藻類以黃藻和硅藻居主導(dǎo)地位[39-40]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)持續(xù)淹水條件下，施磷提高了水稻根際和非根際土壤中碳同化功能微生物豐度；而在干濕交替條件下，施磷后水稻根際土壤中碳同化功能微生物豐度增加，而非根際土壤中碳同化功能微生物豐度降低。碳同化功能微生物豐度對施磷的響應(yīng)主要受到水分管理方式的影響，根際效應(yīng)的影響并不顯著[44]。因此，持續(xù)淹水條件下施磷管理能促進(jìn)土壤碳同化功能微生物的生長，可能更有利于土壤碳固定。固碳細(xì)菌及其固碳功能基因（細(xì)菌cbbL）豐度主要表現(xiàn)為免耕土壤大于翻耕土壤，但固碳功能的表觀活性（specific CO2fixation activity/土壤細(xì)菌cbbL單位拷貝數(shù)的固碳量）則表現(xiàn)為翻耕土壤顯著高于免耕土壤，這表明DNA水平上的細(xì)菌cbbL豐度可能并不總是反映其功能活性[42]。土壤固碳功能的表觀活性可能是表征土壤微生物固碳能力的敏感性指標(biāo)。不同土地利用方式顯著影響固碳微生物（細(xì)菌和藻類）功能基因cbbL的豐度，不同土地利用方式改變了碳同化功能微生物群落組成。發(fā)生變化的微生物類群主要是漢氏硝化細(xì)菌、嗜酸柏拉紅菌、慢生根瘤菌、伯克氏菌、硫化桿菌等。其中，長期種植水稻顯著促進(jìn)了紅長命菌生長，而水旱輪作則有益于甲基叔丁基醚降解菌（Methylibiumpetroleiphilum）的生長。這些差異的機(jī)制可能是土壤微生物對長期不同耕作方式在其固碳能力差異上的一種響應(yīng)和反饋策略[45]。而且固定二氧化碳自養(yǎng)菌多樣性隨著土壤類型而顯著變化，主成分分析表明，土壤C/N比和EC值是影響土壤微生物固碳速率和cbbL基因豐度與多樣性的主要環(huán)境因子[47]。

基于難于從土壤提取RubisCO酶的問題，建立了“超聲破碎分離提取”土壤固碳關(guān)鍵酶RubisCO活性的提取方法，創(chuàng)建了基于土壤RubisCO活性測定的土壤微生物碳同化速率的估算方法（碳同化速率=0.16×RubisCO活性-0.001）[42,48]。稻田土壤固碳微生物數(shù)量、固碳關(guān)鍵酶RubisCO酶活性高于旱地土壤，遮光后土壤酶活性顯著下降[39]。土壤RubisCO酶活性與細(xì)菌cbbL基因拷貝數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，并同時(shí)與土壤微生物CO2的同化作用強(qiáng)弱呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）[39,42,48]。這些研究改變了土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中僅擔(dān)負(fù)有機(jī)質(zhì)分解、礦化功能的長期認(rèn)識(shí)，豐富了土壤微生物的基本功能和在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中的作用。氧化（amoA）和反硝化（narG、nirK、nirS、nosZ）過程關(guān)鍵功能基因豐度對P可利用水平的響應(yīng)。結(jié)果表明，磷肥施用能夠提高缺磷水稻土的反硝化潛力，增加稻田氮損失，增大水稻生長過程中的氮磷共限制風(fēng)險(xiǎn)和溫室氣體（N2O）排放[54]。

圖3 土壤有機(jī)質(zhì)礦化過程對養(yǎng)分元素計(jì)量學(xué)的響應(yīng)特征（引自：Zhu等[53] ）Fig. 3 The stoichiometric response of soil organic matter mineralization to nutrient elements(Quoted from Zhu et al. [53])

5 水稻土有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的元素計(jì)量學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)（Ecological Stoichiometry）包括了生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原理，是在生態(tài)學(xué)背景下，研究生物系統(tǒng)能量流通與多元素（通常是C、N、P、O、S）平衡的科學(xué)，是一種分析多重化學(xué)元素的質(zhì)量平衡對生態(tài)交互影響的理論。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是生態(tài)學(xué)、生物學(xué)與土壤學(xué)研究領(lǐng)域的新方向，也是研究土壤—植物—微生物系統(tǒng)C、N、P循環(huán)的新思路[49]。因此，研究稻田土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過程的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，將有助于深入理解植物—微生物—土壤相互作用的養(yǎng)分調(diào)控機(jī)理，揭示土壤C、N、P等元素之間的相互作用與平衡制約關(guān)系，為闡明稻田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)彈性特征提供理論依據(jù)[50-51]。

應(yīng)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的原理和方法，從區(qū)域景觀單元上，量化了土壤微生物量（C，N，P）與C，N，P元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系，提出亞熱帶景觀尺度土壤微生物量C/P 受土壤C/P 控制的觀點(diǎn)?；诙ㄎ辉囼?yàn)的進(jìn)一步研究表明，土壤微生物量碳氮比可以作為一個(gè)重要的指標(biāo)來預(yù)測稻田及其他利用方式土壤生產(chǎn)力的強(qiáng)弱，進(jìn)而指導(dǎo)對土壤生產(chǎn)力的人為調(diào)控[52]。

通過盆栽試驗(yàn)，研究了水稻—土壤系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)礦化轉(zhuǎn)化過程對養(yǎng)分元素的計(jì)量學(xué)響應(yīng)特征。水稻生長過程中根際分泌物輸入的量與速率影響CO2釋放的根際激發(fā)效應(yīng)的方向，表明土壤肥力和根系分泌物的輸入影響著土壤原有有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化（圖3）[53]。同時(shí)，在稻田干濕交替和持續(xù)淹水兩種水分管理方式下，定量研究了水稻生長過程中氨

為深入探討土壤養(yǎng)分元素與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的之間的計(jì)量學(xué)關(guān)系，研究了不同養(yǎng)分元素（N和P）添加條件下的稻田土壤秸稈碳的礦化及其激發(fā)效應(yīng)的計(jì)量學(xué)特征及其微生物機(jī)制[55-56]。研究發(fā)現(xiàn)N、P養(yǎng)分元素的添加顯著提高了秸稈的礦化率；秸稈碳礦化產(chǎn)生CO2的速率與土壤中DOC/NH4+-N、DOC/Olsen P和MBC/MBN的比值呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系。土壤中可利用態(tài)氮、微生物量碳氮磷計(jì)量比以及土壤酶活性計(jì)量比通過直接或間接作用影響激發(fā)效應(yīng)的大小與方向。稻田土壤碳的微生物轉(zhuǎn)化過程既是微生物對土壤中碳氮磷等元素的利用過程，也是基于自身計(jì)量學(xué)內(nèi)穩(wěn)性對土壤生境的反饋調(diào)控過程[56]。進(jìn)一步分析土壤外源碳礦化及其激發(fā)效應(yīng)的微生物計(jì)量學(xué)調(diào)控特征，表明微生物隨碳分解而表現(xiàn)出生長策略的改變響應(yīng)；土壤元素計(jì)量學(xué)平衡關(guān)系影響土壤微生物群落之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，在養(yǎng)分脅迫條件下，由于微生物對養(yǎng)分的競爭需求使得微生物之間的競爭與協(xié)同關(guān)系網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜（圖4）。

稻田土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)與累積過程除了受養(yǎng)分元素計(jì)量特征和生物因子的影響，非生物因子在此過程中也起到重要作用；水稻土有機(jī)碳的分解和微生物利用過程受外源碳來源和有機(jī)碳性質(zhì)的影響，盡管水稻土中持續(xù)性輸入的根際沉積碳和微生物同化碳的總輸入量較少，但其對土壤有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于秸稈等其他碳源[57-58]；而且，淹水水稻土的環(huán)境溫度和土壤通氣性通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)并限制其活性，降低有機(jī)碳的分解礦化速率，使得稻田比旱地更利于有機(jī)碳積累[59-60]。該研究對充分理解亞熱帶稻田土壤有機(jī)碳微生物轉(zhuǎn)化過程，構(gòu)建稻田土壤有機(jī)質(zhì)積累和稻作系統(tǒng)提質(zhì)增效等關(guān)鍵技術(shù)體系具有重要意義。

圖4 土壤有機(jī)碳礦化過程中微生物對氮磷添加的響應(yīng)及其計(jì)量學(xué)調(diào)控過程 （引自：Zhu等[56]）Fig. 4 The response of microorganisms to N and P addition during soil organic carbon mineralization and its stoichiometric regulation processes (Quoted from Zhu et al. [56])

6 水稻土有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的微觀過程

土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和固定過程，除了與其有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還受有機(jī)質(zhì)所處的生物地球化學(xué)微環(huán)境特征控制[61]。土壤顆粒堆積而形成的空間孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致土壤中優(yōu)先流的形成，深刻影響營養(yǎng)物質(zhì)、微生物和水分的分布，造成極其復(fù)雜的土壤微觀環(huán)境的異質(zhì)性[62]。土壤微生物個(gè)體尺度在微米級(jí)別，微生物群落的作用范圍在微米—毫米尺度的微環(huán)境中。然而，傳統(tǒng)的土壤有機(jī)質(zhì)研究方法往往將土壤樣品進(jìn)行均一化處理，并根據(jù)研究目的和操作方式，采用物理分離和化學(xué)提取形式，對土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行研究。這些研究為定性和定量地認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其影響因素提供了統(tǒng)一的分析方法和可比較的結(jié)果。

然而，基于操作（operational protocol）的整體土壤（bulk soil）研究方法，一定程度上忽略或者割裂原位環(huán)境中物理、化學(xué)和生物等耦合過程[63-64]。特別是，土壤微環(huán)境中微生物在基因、個(gè)體或者生物膜和群落水平上如何動(dòng)態(tài)地適應(yīng)和改造土壤微棲息地的微生態(tài)學(xué)認(rèn)識(shí)還非常有限?；诜翘禺愋缘暮暧^測量指標(biāo)必然會(huì)導(dǎo)致有機(jī)碳循環(huán)“盲人摸象式”的分歧。Kuzyakov和Blagodatskaya[65]認(rèn)為土壤有機(jī)碳的礦化存在活性熱點(diǎn)區(qū)域和非熱點(diǎn)區(qū)域。因此，揭示有機(jī)質(zhì)在土壤—礦物—微生物相互作用中的微觀空間分布和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化特征是認(rèn)識(shí)和完善土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定機(jī)制的重要途徑。

原位檢測技術(shù)的發(fā)展極大地豐富了我們對土壤有機(jī)碳微觀分布特征的認(rèn)識(shí)[63,66]，通過超微切片技術(shù)剖析了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，證實(shí)微生物在土壤微環(huán)境中的分布呈現(xiàn)顯著群落聚集性特征。Vogel等[67]利用采用納米次級(jí)離子質(zhì)譜儀（NanoSIMS）發(fā)現(xiàn)新輸入的有機(jī)質(zhì)分布在一些粗糙的礦物表面，僅占礦物總面積的19%，表明土壤微環(huán)境中存在高異質(zhì)性的固碳熱區(qū)。然而，由于土壤微觀異質(zhì)性，微區(qū)域表面表征技術(shù)也只能對得到的樣品進(jìn)行快照式（snapshot）的研究，難以揭示微生物介導(dǎo)的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化特征。借助于微流控技術(shù)平臺(tái)[68]，我們首次發(fā)展了適合于追蹤微觀尺度下土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)過程的土壤芯片技術(shù)（圖5）[69]：采用圖案化的微陣列技術(shù)，將土壤和微生物組裝成高通量的土壤微陣列，并通過加載土壤提取液來培養(yǎng)該陣列，從而實(shí)現(xiàn)土壤微界面的動(dòng)態(tài)模擬和監(jiān)測。土壤芯片具有良好的起始均一性，為連續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測土壤—微生物作用過程提供了可能。同時(shí)，該界面也省去復(fù)雜的樣品處理過程，可以直接與大量的原位表面檢測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)土壤微界面物理、化學(xué)和生物學(xué)過程的直接表征。通過偶聯(lián)X-射線光電子能譜（XPS）首次展示了典型黑土和紅壤界面上土壤—微生物相互作用的有機(jī)、無機(jī)元素動(dòng)力學(xué)特征。通過比較兩種土壤微界面形成過程，證實(shí)了土壤顆粒微界面是土壤有機(jī)無機(jī)元素循環(huán)的熱點(diǎn)，控制著土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累過程。盡管在芯片上恢復(fù)的微生物過程有別于原位土壤微環(huán)境，但是土壤芯片技術(shù)克服了土壤微觀異質(zhì)性帶來的動(dòng)態(tài)檢測障礙，能夠可控的構(gòu)建土壤微環(huán)境條件，為動(dòng)態(tài)追蹤微界面過程提供了有力的模型方法。此外，土壤芯片技術(shù)還能和土壤生態(tài)系統(tǒng)的其他組分，如根等聯(lián)合，這將為認(rèn)識(shí)地下生態(tài)系統(tǒng)過程提供全新的微觀視角。

圖5 基于土壤芯片技術(shù)的土壤微環(huán)境過程研究的技術(shù)框架Fig. 5 Technical framework of soil microenvironment process research based on soil chip technology

7 亞熱帶水稻土固碳減排機(jī)制與稻草優(yōu)化管理模式

農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源中，稻田是貢獻(xiàn)較大者之一，全球稻田年排放CH4達(dá)到20～100 Tg，占到全球CH4人為排放的5%～28%[70]。但稻田同時(shí)也具有很大的固碳潛力，《京都議定書》已將包括土壤在內(nèi)的陸地生態(tài)系統(tǒng)增匯作為減排機(jī)制之一。研究表明我國稻田年固碳量可達(dá)0.13～2.20 tC/hm2[71]，這主要是通過秸稈還田和施用一些有機(jī)物料實(shí)現(xiàn)的?；谔镩g試驗(yàn)，系統(tǒng)定量了秸稈源生物質(zhì)炭施用（一次性施用量24 t/hm2和48 t/hm2）對CH4、N2O、土壤異氧呼吸（Rh）和溫室氣體凈排放的影響。連續(xù)4年定位監(jiān)測研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用持續(xù)降低了稻田CH4排放，年降幅可達(dá)20%～51%[72-73]。相比與秸稈直接還田大幅增加稻田CH4排放[74]，通過將秸稈轉(zhuǎn)化為秸稈源生物質(zhì)炭再還田，可大幅減少稻田的CH4排放[75]?；谵r(nóng)田水氮管理模型（WNMM）模擬結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用產(chǎn)生的土壤Eh上升是導(dǎo)致稻田CH4排放降低的主要原因，模擬結(jié)果表明生物質(zhì)炭施用增加土壤 Eh 達(dá)30～40 mV，模擬的CH4排放量與觀測值具有較好的相關(guān)性（決定系數(shù)＞0.73）[76]。

圖6 稻田施用生物質(zhì)炭固碳減排機(jī)制Fig. 6 The mechanism of carbon sequestration and emission reduction with biochar application in paddy fields

通過對田間條件下稻田產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度與群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定表明，生物質(zhì)炭施用導(dǎo)致的稻田土壤產(chǎn)甲烷菌豐度及產(chǎn)甲烷菌豐度/甲烷氧化菌豐度比值的下降是導(dǎo)致CH4排放的主要原因，這從微生物機(jī)制方面揭示了生物質(zhì)炭導(dǎo)致稻田CH4排放降低的主要原因（圖6）。同時(shí)，利用丘陵區(qū)稻田、旱地毗鄰的特色，將稻草轉(zhuǎn)移到旱地和園地土壤（即稻草“易地還土”），既可徹底消除其直接還田誘發(fā)大量CH4排放的弊端，又可解決旱地改良有機(jī)資源不足的問題。定位試驗(yàn)結(jié)果表明稻草“易地還土”8年使新墾旱地的耕層土壤有機(jī)碳含量增加10%～15%，其固碳量比施用化肥高2.2 t/hm2，增產(chǎn)幅度達(dá)10%，提出了基于丘陵區(qū)稻草“易地還土”的固碳減排新措施[77]。

生物質(zhì)炭施用4年內(nèi)平均增加稻田土壤N2O排放達(dá)10%～11%[73]。增加的N2O排放主要發(fā)生在生物質(zhì)炭施用的當(dāng)年，這與生物質(zhì)炭施用后增加了土壤無機(jī)氮有關(guān)[75]。生物質(zhì)施用的后3年，稻田N2O排放與對照處理無顯著差異。生物質(zhì)炭施用平均增加稻田Rh達(dá)2%～12%，Rh排放量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加。生物質(zhì)炭施用導(dǎo)致的Rh增幅主要表現(xiàn)在生物質(zhì)炭施用后的前2年，施用的后2年增幅較小，這與生物質(zhì)炭自身所含有的易分解有機(jī)碳在施用前期分解有關(guān)[72]。生物質(zhì)炭施用顯著增加了土壤總有機(jī)碳含量，增幅可達(dá)33%～61%[73]。綜合考慮土壤有機(jī)碳變化、CH4和N2O排放，4年內(nèi)生物質(zhì)炭施用分別降低溫室氣體凈排放（NGHGE）和單位產(chǎn)量溫室氣體凈排放達(dá)156%～264%和159%～278%[73]。稻田施用生物質(zhì)炭可以大幅降低稻田CH4排放，提高稻田土壤總有機(jī)碳含量，可以作為稻田固碳減排的措施。

8 研究發(fā)展趨勢與科學(xué)問題展望

水稻土碳循環(huán)的生物地球化學(xué)特點(diǎn)與長期固碳效應(yīng)（包括全球氣候變化）已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。而關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)積累的物理—化學(xué)—生物穩(wěn)定機(jī)制更是受到土壤學(xué)界廣泛的關(guān)注。國際地圈與生物圈計(jì)劃（IGBP）、陸地生態(tài)系統(tǒng)與全球變化（GCTE）等國際大型研究計(jì)劃均將生物地球化學(xué)最為重要的研究方向。我國不僅對水稻土的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能有巨大的需求，而且生態(tài)環(huán)境保護(hù)和履行緩解全球氣候變化的國際義務(wù)也相當(dāng)艱巨。我國已經(jīng)是世界第二大CO2排放國，并隨著經(jīng)濟(jì)快速持續(xù)的發(fā)展對能源消費(fèi)的需求還會(huì)不斷地增加。因此，水稻土的有機(jī)質(zhì)積累及其穩(wěn)定機(jī)制、生產(chǎn)力持續(xù)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)研究，既符合當(dāng)前國際前沿發(fā)展方向，又與國家糧食安全和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重大需求密切相關(guān)。

盡管目前在領(lǐng)域的研究中大量采用了同位素示蹤與微生物分子生物學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，但仍有諸多重要指標(biāo)和層次研究的方法學(xué)尚不具備。其一，對有機(jī)碳在土壤中轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物的種類及其比例的測定。其二，參與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物功能種群的機(jī)理研究方法，熏蒸—浸提法和同位素示蹤方法都將土壤微生物作為一個(gè)整體（即用微生物生物量來反映），不能直接反映功能種群層次的過程機(jī)理，而當(dāng)前的生物分子（DNA、RNA和蛋白組學(xué)）指標(biāo)尚未建立起與土壤生物化學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系。其三，基于自然土體的研究方法，目前的測定方法只適用于經(jīng)過前處理使樣品顆粒和水分狀況基本均勻，其結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，有可能使其生物化學(xué)狀況與自然土體的偏差。其四，土壤的生物化學(xué)過程被認(rèn)為主要發(fā)生在土壤微結(jié)構(gòu)之中，包括顆粒表面、團(tuán)聚體內(nèi)部、植物根系等界面，這些層面的研究方法有待于建立。因此，通過以上分析，目前對水稻土碳循環(huán)的生物地球化學(xué)特點(diǎn)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的認(rèn)識(shí)仍然相當(dāng)有限，特別是下列關(guān)鍵科學(xué)問題：

8.1 水稻土有機(jī)碳積累、持續(xù)生產(chǎn)力和微生物過程的內(nèi)在機(jī)制研究

系統(tǒng)研究稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力演變、系統(tǒng)關(guān)鍵生源要素（碳、氮等）循環(huán)過程、土壤微生物種群結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能、關(guān)鍵生態(tài)服務(wù)功能及其相互作用機(jī)制的系統(tǒng)研究，闡明稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可持續(xù)性的內(nèi)在機(jī)理與關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

8.2 水稻土關(guān)鍵功能微生物（群）參與機(jī)制研究。

土壤碳循環(huán)過程研究的難點(diǎn)是微生物轉(zhuǎn)化過程的研究，而土壤碳轉(zhuǎn)化過程研究的難點(diǎn)是對微生物參與過程的認(rèn)識(shí)?！胺菍Ｐ赃^程”是土壤碳轉(zhuǎn)化的主要過程，土壤中大多數(shù)微生物都可以參與，但微生物如何參與，哪些微生物優(yōu)先參與仍不清楚；在復(fù)雜的微生物環(huán)境中，各種微生物之間是競爭機(jī)制還是條件控制機(jī)制是有待揭示的科學(xué)問題。對微生物參與機(jī)制和過程的認(rèn)識(shí)將促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)過程調(diào)控的研究。

8.3 土壤碳循環(huán)過程的微生物作用微觀機(jī)制研究。

土壤微結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體和微界面過程可能在土壤碳氮循環(huán)的微生物過程中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。應(yīng)用微流控芯片技術(shù)、超高分辨率顯微鏡成像技術(shù)與同位素示蹤技術(shù)相結(jié)合的納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)（NanoSIMS），從毫米、納米、單細(xì)胞等微觀尺度上多角度原位解析稻田“新”、“老”有機(jī)碳氮組分的區(qū)分，剖析土壤微生物與土壤有機(jī)碳、有機(jī)—無機(jī)氮之間的相互作用特點(diǎn)，探討碳氮周轉(zhuǎn)—微結(jié)構(gòu)—微生物聯(lián)動(dòng)關(guān)系與微觀過程。