集約化稻田土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及碳庫保護(hù)綜述

摘要：以化肥過量投入的集約化稻作生產(chǎn)方式，嚴(yán)重影響了土壤碳庫資源及其穩(wěn)定性，系統(tǒng)評(píng)價(jià)集約化稻田土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性有利于促進(jìn)農(nóng)田碳庫保護(hù)和綠色低碳稻作轉(zhuǎn)型發(fā)展。根據(jù)集約化稻作及土壤碳庫環(huán)境特征，通過查閱國內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)梳理稻田土壤有機(jī)碳組分及碳庫輸入、輸出及平衡穩(wěn)定機(jī)制。集約化稻作生產(chǎn)影響糧食安全和氣候變化，從集約化稻田土壤碳排放及土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性角度，系統(tǒng)梳理了稻作生產(chǎn)中土壤無機(jī)碳、土壤團(tuán)聚體、土壤pH值、土壤養(yǎng)分、土壤微生物等環(huán)境因素及土壤無機(jī)碳組分和熱敏感性對(duì)土壤有機(jī)碳物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性的影響，并分析了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，探討了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和碳庫穩(wěn)定性在土壤物理性狀、土壤生物、土壤化學(xué)組分3個(gè)方面的研究不足，展望了集約化稻作低碳優(yōu)化路徑及土壤碳庫保護(hù)措施。不同稻作生產(chǎn)模式下土壤有機(jī)碳固持能力、穩(wěn)定性及穩(wěn)定機(jī)制明顯存在差異，保護(hù)性稻作有利于平衡土壤結(jié)構(gòu)與碳排放。

關(guān)鍵詞：集約化稻作；土壤；碳組分；有機(jī)碳穩(wěn)定性；低碳模式；碳庫保護(hù)

中圖分類號(hào)：S511.06+1；S153.6+2" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）14-0001-06

收稿日期：2023-07-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41661074）；廣西“新世紀(jì)十百千人才工程”專項(xiàng)資金（編號(hào)：2018221）；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號(hào)：桂農(nóng)科2021YT040）。

作者簡介：徐美花（1994—），女，廣西賀州人，碩士，主要從事稻作生態(tài)與應(yīng)用推廣研究，E-mail：2432820953@qq.com；共同第一作者：韋翔華（1964—），男，廣西南寧人，博士，副教授，主要從事土壤微生物及環(huán)境生態(tài)研究，E-mail：623473653@qq.com。

通信作者：胡鈞銘，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)有機(jī)資源利用與生境調(diào)控及逆境生態(tài)研究。E-mail：jmhu06@126.com。

農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)是指可以通過大幅度減少單位產(chǎn)品的勞動(dòng)消耗，同時(shí)也能夠節(jié)省大量的勞動(dòng)力、財(cái)力和技術(shù)，從而獲得更高的單位面積產(chǎn)量的一種生產(chǎn)方式［1］。水稻是世界三大主糧作物之一，實(shí)行集約稻作生產(chǎn)有著重要而特殊的意義［2］。隨著我中國人口的不斷增長和化肥工業(yè)的快速發(fā)展，以化肥過量投入的集約化稻作生產(chǎn)在促進(jìn)水稻增產(chǎn)和維護(hù)國家糧食安全方面作出了巨大的貢獻(xiàn)［3］，但也給稻田土壤環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，隨著國家減肥增效和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施，集約化稻作生產(chǎn)亟待通過優(yōu)化轉(zhuǎn)型發(fā)展綠色低碳稻作生產(chǎn)。

農(nóng)田化肥的過分投入對(duì)集約化農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響［4］。土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)穩(wěn)定后的產(chǎn)物，與土壤養(yǎng)分利用、溫室氣體排放及土壤碳庫組分有關(guān)［5］。土壤有機(jī)碳對(duì)土壤肥力有重大影響，它可以促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)在生物之間傳輸、提高土壤養(yǎng)分有效性［6］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上化肥不當(dāng)使用會(huì)導(dǎo)致作物養(yǎng)分失衡、降低生物活性，影響土壤有機(jī)碳含量［7］。稻作是地球上重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)［8］。土壤有機(jī)碳含量是稻田土壤肥力的重要指標(biāo)［9］，集約化稻作生產(chǎn)影響土壤碳排放和土壤質(zhì)量改善。以化肥過分投入的集約化稻作生產(chǎn)過分地消耗了土壤碳資源，影響了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和碳庫平衡［10］。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是衡量土壤有機(jī)碳在外界擾動(dòng)下抗干擾和恢復(fù)原有水平的能力。以化肥過量投入的集約化稻作生產(chǎn)影響稻田碳庫穩(wěn)定性，有關(guān)集約化稻作的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及碳庫保護(hù)概述性研究較少，因此系統(tǒng)評(píng)估集約化稻作對(duì)稻田土壤有機(jī)碳和碳庫平衡的影響，對(duì)優(yōu)化集約化稻作生產(chǎn)和碳庫保護(hù)和綠色低碳稻作轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要價(jià)值。

不同稻作生產(chǎn)方式下土壤有機(jī)碳固持能力、穩(wěn)定性及穩(wěn)定機(jī)制存在明顯差異，本研究針對(duì)集約化稻作土壤環(huán)境及有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，通過查閱國內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)，從集約化稻田土壤碳排放及土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性角度，系統(tǒng)梳理了稻作生產(chǎn)中土壤無機(jī)碳、土壤團(tuán)聚體、土壤pH值、土壤養(yǎng)分、土壤微生物等環(huán)境因子及土壤無機(jī)碳組分和熱敏感性對(duì)土壤有機(jī)碳物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性的影響，并分析了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，探討了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和碳庫穩(wěn)定性在土壤物理性狀、土壤生物、土壤化學(xué)組分等3個(gè)方面研究的不足，展望了集約化稻作低碳優(yōu)化路徑及潛在的土壤碳庫保護(hù)途徑，以期為可持續(xù)低碳稻作及碳庫保護(hù)提供理論參考。

1 集約化稻作與糧食安全

1.1 糧食安全面臨的挑戰(zhàn)

糧食安全關(guān)乎著國家的經(jīng)濟(jì)進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展［11］。目前國內(nèi)外商業(yè)模式、國內(nèi)外糧食供給和自然環(huán)境都發(fā)生了巨大的改變，繼續(xù)保持國家糧食產(chǎn)量豐富的供給趨勢，確保國家糧食的安全，將需要面對(duì)許多困難和越來越多的挑戰(zhàn)，當(dāng)前我國糧食生產(chǎn)種植需要大量資金，單位面積繼續(xù)增加產(chǎn)量的內(nèi)部能力存在局限性，糧食種植戰(zhàn)略與農(nóng)業(yè)資源發(fā)展存在沖突。面對(duì)糧食安全的各種挑戰(zhàn)，需采取相應(yīng)的措施，改善我國稻田土壤有機(jī)碳的碳密度分布對(duì)提高糧食豐產(chǎn)具有重要作用。

1.2 集約化稻作對(duì)糧食安全的影響

化肥是糧食產(chǎn)出的一種重要的生產(chǎn)投入要素，以化肥過量投入作為集約化稻作生產(chǎn)方式，為我國糧食產(chǎn)量持續(xù)增加做出了重要貢獻(xiàn)［12］?；实氖┯眯袨槭亲非蠹Z食產(chǎn)量的體現(xiàn)，施用化肥可以提高糧食產(chǎn)量和提高糧食的品質(zhì)，保障了糧食安全，在一定程度上提高了土壤的肥力。集約化稻作提高了糧食產(chǎn)量，使得糧食的產(chǎn)量比過去40年翻一番，根據(jù)我國統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)可知，2019年化肥施用量比1978年施用量增長6倍左右，占世界總用量的1/3。但過量的化肥施用，導(dǎo)致資源浪費(fèi)的同時(shí)，還引發(fā)了惡劣的環(huán)境污染問題，出現(xiàn)稻田面源污染、土壤重金屬污染，進(jìn)而破壞農(nóng)田生物多樣性和增加溫室氣體排放等，從而降低糧食產(chǎn)量和損害稻米品質(zhì)。

1.3 集約化稻作對(duì)氣候變化的影響

施肥通過影響稻田有機(jī)碳的含量來調(diào)控土壤呼吸，進(jìn)而改善土壤呼吸速率和土壤累計(jì)呼吸量［13］。但隨著化肥施用量的增多，土壤呼吸累計(jì)量開始減少［14］，不合理的施肥方式，導(dǎo)致空氣污染，溫室氣體排放在下層大氣中臭氧含量增加，可導(dǎo)致巨大的危害。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用集約化農(nóng)業(yè)方式能有效減少二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的排放量，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。因此，采用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法，提高糧食的收獲率和降低污染源等［15］，將是一個(gè)具有重大意義的研究課題。我國碳排放總量在世界碳排放量的占比較大，探索和討論我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田溫室氣體排放特性和減排渠道，估算我國水稻主要種植范圍農(nóng)田溫室氣體排放量與減排潛在能力，有利于為我國未來作物生產(chǎn)戰(zhàn)略和環(huán)境政策的制定提供理論基礎(chǔ)。

2 集約化稻作對(duì)土壤碳庫的影響

隨著集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤碳排放和土壤質(zhì)量受到了嚴(yán)重的影響［16］。為了有效提高土壤固定碳的能力，采取施用有機(jī)肥的舉措刻不容緩。在施用有機(jī)肥的情況下，運(yùn)用輪作種植模式，能夠有效地促進(jìn)大團(tuán)聚體有機(jī)碳的形成，使得土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的總含量在土壤有機(jī)碳含量中占比增大［17］。隨著化肥施用的逐年增多，我國水稻生產(chǎn)的碳足跡正在持續(xù)減少，同時(shí)水稻產(chǎn)量的增長比土壤碳排放的增長更為顯著。然而，就水稻生產(chǎn)過程中的碳排放結(jié)構(gòu)而言，物質(zhì)投入的碳排放量卻在逐步上升，這表明，化肥施用量的增加正對(duì)水稻的碳排放產(chǎn)生越來越大的影響。

有機(jī)肥與化肥配施的有機(jī)碳的積累功效要比單施化肥方式好，通過采用有機(jī)肥與無機(jī)肥配施的方法，有利于提高土壤有機(jī)碳含量［18］。將有機(jī)肥與化肥結(jié)合施用，有利于加強(qiáng)土壤固碳減排的能力，增加土壤總有機(jī)碳含量。常年施用有機(jī)肥可以為土壤固定更多的碳，不僅提高了有機(jī)質(zhì)含量，而且隨著施用有機(jī)肥總量的增多，有機(jī)質(zhì)含量增加的范圍出現(xiàn)了顯著性；常年施用化肥，特別是無機(jī)氮肥的施用，加強(qiáng)了土壤有機(jī)碳分解的能力，造成土壤有機(jī)碳含量的減少。減少化肥的施用，采用有機(jī)無機(jī)的配施方法，有利于提高土壤有機(jī)碳含量。

3 集約化稻田土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性

3.1 土壤有機(jī)碳物理穩(wěn)定性

團(tuán)聚體中有機(jī)碳的封存使土壤有機(jī)碳積累發(fā)生改變［19］。通過形成的土壤團(tuán)聚體，不僅能夠有效地調(diào)節(jié)和平衡土壤的肥力，而且還能夠有效促進(jìn)有機(jī)碳的活性和分布，從而使得土壤疏松熟化層得到有效的支撐。此外，土壤中的團(tuán)聚體有機(jī)碳的比例接近90%，因此，土壤團(tuán)聚體的存在也為有機(jī)碳的穩(wěn)定性提供了有效的保障［20］。土壤中有機(jī)碳的變化對(duì)土壤團(tuán)聚體的產(chǎn)生起到了關(guān)鍵性的作用［21］，根據(jù)研究結(jié)果顯示，團(tuán)聚體主要由各種大小不同的土壤顆粒構(gòu)成［22］。其中有機(jī)碳的含量變動(dòng)及穩(wěn)定性受到多種因素影響［23］。因此，為了準(zhǔn)確地衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性，通常采用土壤團(tuán)聚體分類技術(shù)，這種方法既反映了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，也反映了團(tuán)聚體物理穩(wěn)定性，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

團(tuán)聚體粒徑的增加可以有效地提高土壤有機(jī)碳的含量。對(duì)于土壤中有機(jī)碳的累積，采用合適的方法施用有機(jī)肥可以增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用［24］。長時(shí)間施用化肥不利于推動(dòng)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的產(chǎn)生，減緩其的水穩(wěn)定性。施用化肥，會(huì)導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量逐漸減少，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳總量減少，并進(jìn)一步削弱團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)能力及提升化學(xué)組分在土壤有機(jī)碳中的重要性，進(jìn)而影響到稻田土壤有機(jī)碳含量的變化與穩(wěn)定性。因?yàn)橛袡C(jī)碳數(shù)量受到多種因素的影響及土壤本身的特殊性，有機(jī)碳和土壤在團(tuán)聚體形成過程中的相互影響，所以未來在對(duì)有機(jī)碳的物理防護(hù)機(jī)制需要進(jìn)行多方面的考慮并進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)行稻田土壤有機(jī)碳物理穩(wěn)定性全面、系統(tǒng)的科學(xué)研究，對(duì)增加稻田團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和稻田土壤有機(jī)碳的保護(hù)具有重要價(jià)值。

3.2 土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性

土壤有機(jī)碳的化學(xué)穩(wěn)定性就是通過有機(jī)碳與無機(jī)碳的交互作用，從而使土壤有機(jī)碳的化學(xué)穩(wěn)定性發(fā)生變化，減少土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)有效性，提高土壤碳的穩(wěn)定性［25］。土壤碳庫由2種類型構(gòu)成，分別是土壤有機(jī)碳（SOC）和無機(jī)碳（SIC），土壤無機(jī)碳的形成有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性，碳酸鈣在土壤無機(jī)碳中占據(jù)重要地位［26］。鈣離子在土壤中的黏土礦物和腐殖物質(zhì)之間擔(dān)任重要的角色，在我國北部地區(qū)的中性土壤與石灰性土壤主要以一種特殊的共價(jià)鍵的方式形成了有機(jī)碳與無機(jī)碳復(fù)合體，有機(jī)碳與無機(jī)碳復(fù)合體是土壤團(tuán)聚體產(chǎn)生的前提條件。研究發(fā)現(xiàn)，鈣鍵有利于土壤團(tuán)聚體保持穩(wěn)定性［27］。鈣鍵的形成有利于提高土壤有機(jī)碳的含量［28］，促進(jìn)穩(wěn)定性有機(jī)碳含量增加［29］。穩(wěn)定性有機(jī)碳化學(xué)組分對(duì)土壤抵抗外界因素變化和固存碳的潛在能力具有決定性的作用，而土壤以穩(wěn)定形式固存有機(jī)碳的潛力受到土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性機(jī)制的影響［30］。Hassink首次提出了土壤黏粒含量的多少直接影響土壤的固碳作用［31］。土壤的黏土礦物中有著較多的表面電荷，土壤黏土礦物具有良好的吸附功能，其對(duì)土壤有機(jī)碳有很強(qiáng)的吸附能力，致使土壤黏粒是影響土壤有機(jī)碳含量的重要因素［32］。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，采用正確的施肥措施可以改善土壤養(yǎng)分，降低土壤呼吸溫度敏感性（Q10），并增強(qiáng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力。使用化肥與有機(jī)肥能夠提高紅壤水稻土Q10［33］。有研究指出，在旱作耕作環(huán)境下，施肥會(huì)導(dǎo)致土壤Q10下降，這很大程度上取決于碳氮比例［34］，進(jìn)而分解有機(jī)碳的活化能［35］。另外，受到施肥方式的影響，土壤pH值會(huì)改變，從而致使Q10改變，造成這種情況的原因是pH值對(duì)微生物的形成具有重要的影響，此外，pH值的變動(dòng)也會(huì)間接地影響Q10［36-37］，常年使用化肥，致使土壤中pH值出現(xiàn)顯著性下降，這會(huì)使土壤中微生物和可溶性有機(jī)碳受到影響，從而使土壤呼吸、Q10以及土壤有機(jī)碳含量發(fā)生改變［38］。當(dāng)處于較高pH值時(shí)，會(huì)使土壤微生物受到影響，這會(huì)削弱微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)的能力，會(huì)降低土壤有機(jī)碳含量［39］。隨著有機(jī)碳的分解，它們會(huì)釋放出大量的養(yǎng)分元素，提高了土壤有機(jī)碳含量［40］。稻田土壤有機(jī)碳的化學(xué)成分影響了土壤有機(jī)碳的分解速率［41］。陳小云等結(jié)合硫酸和鹽酸水解法，發(fā)現(xiàn)單施鉀肥會(huì)顯著增加水稻土有機(jī)碳的含量［42］，有機(jī)碳具有的活性是影響有機(jī)碳含量的最重要的因素。此外，通過適當(dāng)施用氮肥，可以有效地提高土壤中不易分解的有機(jī)碳數(shù)量，并且可以增強(qiáng)土壤中有機(jī)碳的化學(xué)穩(wěn)定性，從而有效地調(diào)控草甸黑土的有機(jī)碳含量及其穩(wěn)定性［43］。加強(qiáng)稻田土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性研究，可以更好地理解土壤碳固定機(jī)制。

3.3 土壤有機(jī)碳生物穩(wěn)定性

土壤生物群落的活力和多樣性對(duì)維護(hù)陸地生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。微生物群落結(jié)構(gòu)可顯著影響土壤碳庫穩(wěn)定性［44］，保持土壤有機(jī)碳的生物穩(wěn)定性則是人類發(fā)展綠色低碳農(nóng)業(yè)的重要組成部分，因此，加強(qiáng)土壤有機(jī)碳的生物穩(wěn)定性，不僅可以改善土壤質(zhì)量，還可以減輕全球氣候變化帶來的影響。通過施肥，生態(tài)系統(tǒng)中的生物群體構(gòu)成會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳生物的穩(wěn)定性受到影響。當(dāng)施肥過量，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，并加劇土壤酸化程度，導(dǎo)致土壤致病菌的大量繁殖，造成生物群落的結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。而適當(dāng)施用氮肥，可使土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，提升土壤碳循環(huán)的能力，減弱微生物的代謝活動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)碳的積累。

通過分解、周轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)等多種方式，植物可以將其所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為可以在土壤中持續(xù)存在的有機(jī)碳［45］，而這些有機(jī)碳的形成受到多種因素的共同作用，其中包括根際細(xì)菌和真菌以及其他相關(guān)的小型土壤生態(tài)系統(tǒng)。通過改變土壤有機(jī)碳含量，微生物可以有效調(diào)節(jié)其環(huán)境，從而改善其環(huán)境質(zhì)量。然而，如果采取了不正確的農(nóng)業(yè)管理方式，就會(huì)出現(xiàn)“惡性循環(huán)”的現(xiàn)象［46］。微生物的功能非常強(qiáng)大，其不僅有利于分解有機(jī)碳，還能通過讓其代謝產(chǎn)物來重新構(gòu)建土壤中的有機(jī)碳［47］，從而改善土壤的生態(tài)平衡。雖然一些有機(jī)碳具有抗性，但隨著時(shí)間的推移，微生物已經(jīng)擁有分解各種有機(jī)碳的能力［48］，它們可以通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)元素的攝取量來滿足自身的需求，特別是當(dāng)?shù)土椎臄z取量不足時(shí)，礦化酶的分泌量也會(huì)增加，這就會(huì)影響到土壤有機(jī)碳的分解速率［5］。經(jīng)過長期施用化肥，稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)抗微生物分解的能力受到了顯著的削弱，這就要求降低生物呼吸量，同時(shí)也需要依靠有機(jī)碳的分解來維持土壤的穩(wěn)定性［49］。化肥減施不僅可以增加稻田土壤活性有機(jī)碳含量，而且可以增加稻田土壤微生物量碳。加強(qiáng)稻田土壤有機(jī)碳生物穩(wěn)定性研究，可以更好地為研究微生物固碳機(jī)制提供精確的方法。

4 集約化稻田土壤碳庫保護(hù)研究不足之處

4.1 碳庫溫度敏感性研究有待加強(qiáng)

受條件限制，通過室內(nèi)礦化培養(yǎng)試驗(yàn)?zāi)M田間土壤呼吸與自然環(huán)境存在一定差異，室內(nèi)是控制變量，但是室外試驗(yàn)環(huán)境因素是多變的。通過開展室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，在不同溫度梯度下培養(yǎng)并計(jì)算土壤呼吸溫度敏感性（Q10），系統(tǒng)剖析土壤有機(jī)碳對(duì)溫度變化的響應(yīng)。但是采用的技術(shù)手段存在較大差異，造成了Q10運(yùn)算結(jié)果的不確定性。在溫變環(huán)境下，Q10的數(shù)值通常介于1.5～2.0之間，而恒定環(huán)境下，土壤呼吸過程Q10的值可以高達(dá)1.6～2.7，較前者高出了6.7%～35.0%［50］；此外，滕澤宇等在室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中，Q10差異的產(chǎn)生，是由于土壤溫變環(huán)境下底物消耗分配失衡及土壤微生物對(duì)特定培養(yǎng)溫度耐受能力［51］。

通常情況下，不易分解有機(jī)碳對(duì)溫度的響應(yīng)比易分解有機(jī)碳更敏感，然而有研究發(fā)現(xiàn)，易分解有機(jī)碳的溫度敏感性并不總是低于不易分解有機(jī)碳的溫度敏感性［52］，這種情況的出現(xiàn)由于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的不平衡導(dǎo)致，團(tuán)聚體與礦物質(zhì)吸附會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的分解速度產(chǎn)生影響，而這些過程也受溫度的影響，然而因?yàn)檫@2種因素都受到溫度的影響，所以它們對(duì)于溫度敏感性的影響很難準(zhǔn)確地衡量。此外，微生物的生理特征、群落結(jié)構(gòu)和布局也會(huì)對(duì)土壤溫度敏感性產(chǎn)生影響，然而，因?yàn)槲⑸飩€(gè)體無法衡量單一微生物對(duì)土壤呼吸敏感性的調(diào)節(jié)機(jī)制，并且由于微生物多樣性和科研方法的限制，微生物群體對(duì)溫度敏感性影響的研究還非常缺乏［52］。

4.2 碳庫生物組分研究有待深入

在陸地生態(tài)系統(tǒng)里，土壤是儲(chǔ)量最大并且流動(dòng)速度最慢的碳貯藏地，由2種類型組成，分別是土壤有機(jī)碳庫與土壤無機(jī)碳庫。土壤碳循環(huán)在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位，生物組分是土壤碳循環(huán)中重要的組成部分。通過對(duì)生物組分的分類，將土壤有機(jī)碳分為微生物生物量碳和可礦化碳［53］。在土壤活性有機(jī)碳庫中，土壤微生物量碳是最重要的碳，而且土壤微生物也是參與土壤有機(jī)碳代謝的關(guān)鍵因素，微生物固定的有機(jī)碳也是碳循環(huán)的重要一環(huán)。土壤微生物量碳就是土壤中體積較小活的和死的微生物體內(nèi)碳的總和，土壤微生物分解土壤無機(jī)固態(tài)礦物和有機(jī)質(zhì)，影響土壤發(fā)展、碳循環(huán)和肥力及土壤結(jié)構(gòu)。一般情況下，通過使用三氯甲烷熏蒸直接提取法或者三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法來測定土壤微生物量碳［54］。土壤微生物量碳與土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的變化呈正相關(guān)關(guān)系。但是，這種方法對(duì)環(huán)境變化的敏感度高，且所需培養(yǎng)時(shí)間較長。土壤可礦化碳是土壤有機(jī)碳生物組分重要的組成部分。土壤有機(jī)碳的礦化是指土壤中的可礦化碳作為生物組分的關(guān)鍵部分，經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)變后，其會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的無機(jī)碳形態(tài)。在這個(gè)過程中，會(huì)釋放出二氧化碳（CO2）。一般運(yùn)用土壤培養(yǎng)方法進(jìn)行測定。土壤有機(jī)碳礦化已被普遍用來評(píng)價(jià)土壤中微生物活性［55］。然而，該培養(yǎng)對(duì)密閉環(huán)境要求高，并受溫度和濕度影響極大，稍有松懈就會(huì)帶來較大偏差，甚至失敗［56］。如今，土壤微生物對(duì)世界變遷的響應(yīng)研究受到較多學(xué)者關(guān)注，然而對(duì)世界范疇的土壤微生物研究相對(duì)較少；在土壤內(nèi)部，土壤、微生物與植被根系有著緊密的關(guān)系，導(dǎo)致生化過程縱橫交錯(cuò)，但是當(dāng)前大多數(shù)研究都只考慮了單一因素對(duì)土壤微生物質(zhì)量和多樣性的影響，跟農(nóng)田土壤的真實(shí)環(huán)境存在很大差距［57］。

4.3 地上和地下稻田碳協(xié)同研究有待加強(qiáng)

地上和地下稻田碳平衡，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究表明，植物地上與地下輸入不僅對(duì)土壤碳庫含量、成分和穩(wěn)定性都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響［58-60］，而且這些輸入的變化會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量發(fā)生相應(yīng)的變化［61］。在貢獻(xiàn)方面，植物地下輸入比地上輸入對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)更大。地上凋落物輸入是土壤中地下碳輸入保留率的1/5。稻田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)性生產(chǎn)力與其生態(tài)功能的發(fā)揮有著密切的聯(lián)系，為了實(shí)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，須構(gòu)建集約化稻田水稻碳資源高效型群體，強(qiáng)化地上與地下凋落物分解對(duì)土壤碳變化影響的共同效應(yīng)體系的研究［62］。

5 集約化稻田土壤有機(jī)碳庫保護(hù)研究趨勢

5.1 加強(qiáng)稻田碳庫溫度敏感性研究

在碳中和、碳達(dá)峰的雙重背景下，氣候變化已經(jīng)對(duì)我國稻田生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞，并且正在不斷地影響著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。近年來，華南地區(qū)遭遇的高溫、干旱等極端氣候事件導(dǎo)致水稻種植方式和布局顯著改變，因此，構(gòu)建一個(gè)適應(yīng)氣候變化的稻田糧食安全保障體系以及加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)體系是迫切需要解決的問題。擴(kuò)大室外土壤有機(jī)碳分解Q10的試驗(yàn)范圍，開展室外試驗(yàn)時(shí)可以采用原位增溫或者土柱置換的方法研究Q10。在溫變環(huán)境下，土壤碳庫對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)并非唯一的，需要進(jìn)行多方面交互影響的試驗(yàn)，以探究多方面產(chǎn)生的疊加效果或抵消影響，深入探討各種因素對(duì)有機(jī)碳分解溫度敏感性的相對(duì)影響［52］。

5.2 開展稻田土壤碳庫生物組分研究

隨著全球氣候變化，為深入了解對(duì)土壤微生物生物量及其多樣性高級(jí)生態(tài)系統(tǒng)，需要全面考慮土壤現(xiàn)狀、地表植被和土壤管理?xiàng)l件等多個(gè)方面，并且深入探討它們之間的相互影響。此外，因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳生物組分的復(fù)雜性，研究方式也存在一定的差異性，所以須完善土壤有機(jī)碳生物學(xué)組分與化學(xué)組分、物理組分之間的關(guān)系與研究方式。盡管對(duì)微生物量的測定方法已被廣泛使用，但根據(jù)目前的科學(xué)手段，仍然無法直接測定土壤微生物量。所以，通過采用可以迅速便捷地直接測定稻田土壤微生物量的新措施，應(yīng)加快土壤微生物量測定的速度和強(qiáng)化精度，給生態(tài)體系建立模型提供依據(jù)，是未來開展土壤微生物量研究范疇中應(yīng)該重視的問題。

5.3 建立稻田土壤碳平衡協(xié)同研究

對(duì)于集約化稻田土壤中有機(jī)碳飽和度問題，其在水田中所占比例通常超過旱地。應(yīng)深入探討采用關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳潛力的實(shí)際有效的技術(shù)方法，加強(qiáng)地上和地下稻田碳捕獲、碳固定研究，完善和發(fā)展稻田地上和地下協(xié)同的新技術(shù)。外源碳和養(yǎng)分輸入會(huì)影響土壤有機(jī)碳的形成和礦化，植物地上部分與地下部分之間相互影響，地下根系會(huì)影響地上植物有效吸取營養(yǎng)，同時(shí)，地上植物會(huì)給地下根系提供光合產(chǎn)物，因此通過研究確定靶標(biāo)、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的地下微生物調(diào)控舉措，研究加強(qiáng)地上植物吸收養(yǎng)分能力的措施，達(dá)到地上—地下生物的協(xié)同調(diào)控和營養(yǎng)成分有效使用，從而建立稻田土壤碳平衡協(xié)同發(fā)展。

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