亚热带水稻土碳循环的生物地球化学特点与长期固碳效应

吴金水，李勇，童成立，肖和艾，刘守龙，葛体达，周萍，沈健林，祝贞科，黄习知

（中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙，410125）

稻田是我国具有悠久历史的典型农田生态系统，水稻土面积占全国耕地总面积约25%，水稻产量占全国粮食总产约50%，是具有重大经济意义的土壤资源，对我国粮食安全具有举足轻重的作用[1]。同时，稻田作为一种独特的人工湿地生态系统，淹水后土壤有机质、微生物和植物相互作用形成典型的氧化还原梯度，是研究土壤—植物—微生物相互作用下陆地生态系统关键生物地球化学循环过程的理想对象[1-2]。另一方面，土壤碳循环与温室气体排放存在密切关系，温室气体排放已列入国家温室气体排放清单，因而农田土壤碳循环与固碳减排具有重要的生态学研究价值，成为国际研究热点。

水稻土生产力与生态环境功能的形成与演化，集中体现了人为活动与生物地球化学过程的相互作用、生物地球化学循环与水分和生物的耦合关系、生产力与生态环境功能的相互协调、以及农业生产与全球气候变化的相互制约。稻田持续高生产力是外在环境与物理、化学和生物内因共同作用的结果[3-4]，稻田还有较其它耕作土壤不具备的生态环境功能，如排放甲烷，光合固碳，消纳大气和其它环境（如水体）污染物质，净化环境等。土壤有机质循环和积累既是物理、化学和生物过程和肥力的物质基础，又与土壤固碳功能、温室气体产生和排放密切相关[5-6]。

稻田生态系统碳循环是我国陆地生态系统碳循环的重要组成部分，研究稻田生态系统碳循环的主要过程通量与碳收支动态变化规律是全面掌握我国陆地生态系统碳收支动态不可缺少的资料。本团队收集我国南方13个长期定位监测点资料、以及基于景观单位的有机碳含量动态变化，分析结果显示近30年来我国亚热带稻田生态系统中土壤有机碳含量普遍呈升高趋势，说明亚热带稻田生态系统具有重要固碳作用[7]。但由于目前我国对水稻土长期固碳的生物地球化学机理的研究不够深入，对其有机碳升高的确切原因尚未明确。因此，突破水稻土肥力提升和温室气体减排的科技瓶颈，是一项重大且迫切的科研任务，也是水稻土研究的前沿和难点。

因此，本文以探讨水稻土固碳（肥力提升）与科学减排原理为目标，瞄准土壤有机碳矿化的“控制阀”假说与“激发效应”、水稻土固碳与温室气体排放的生物地球化学过程机理等前沿性科学问题，遵照以典型案例（典型景观单元和长期定位试验监测）揭示区域水稻土有机碳演变与固碳潜力的基本规律，借助模拟试验阐明水稻土长期固碳的生物地球化学机理的整体研究思路，运用同位素示踪和生物分子技术，系统研究了亚热带水稻土碳的生物地球化学循环特点与固碳效应。历经10多年，现将目前取得重要科学进展进行整理，以期为亚热带水稻土有机碳积累、生产力提升和农田可持续发展提供重要科技支撑。

1 亚热带水稻土持续固碳速率与潜力

我国亚热带区约分布全国60%的水稻土[8]，该区域水稻土有机碳的动态平衡对我国区域碳平衡意义重大。有研究研究指出，我国南方地区的固碳能力大于北方，且水稻土的固碳效应和固碳潜力均大于旱地[7,9-10]。Piao等[11]在评估我国陆地碳平衡时指出，南方地区碳汇占到全国总碳汇的65%以上，其中水稻土固碳的贡献不容忽视。本研究团队通过对亚热带典型景观单元不同利用方式表层（0～20 cm）土壤有机碳数据分析，发现水稻土有机碳密度介于37.8～60.4 t/hm2之间，显著高于旱地、果园甚至林地生态系统[7,12]，且在过去30年间，水稻土有机碳处于持续增加状态，增幅达60%，年平均固碳速率为0.28 t/hm2，具有明显的固碳效应，而旱地、林地和果园土壤基本保持不变[7]，上述结果均充分反映出亚热带不同类型区水稻土均具有较强的碳固持效应。目前关于我国水稻土固碳趋势的研究大多是基于不同时期分散样点的观测数据与第二次土壤普查数据的统计对比，可能无法真实反映稻田土壤的固碳趋势。而我们选择4种景观单元代表了亚热带区的现实稻作管理体系，且不同时期所有土壤样点均通过“点对点”取样获得，因此这一结果真实地反映出我国亚热带水稻土具有长期稳定的固碳效应与潜力。

不同农业管理措施（如施肥、秸秆还田）主要通过增加碳输入来促进土壤有机碳的积累，这也被认为是我国亚热带水稻土有机碳积累明显较快的原因之一[7,13-14]。通过对湖南省8个稻田长期肥料定位监测点有机碳变化的数据分析，发现1986—2003年期间，不施肥条件下土壤有机碳依然有13%的增长率，而单施化肥或有机无机肥配施则进一步促进了土壤有机碳的积累[15]。进一步采用整合分析的方法研究亚热带双季稻区28个长期肥料定位试验土壤有机碳的变化，表明与对照相比，单施化肥处理土壤固碳速率可达0.30 t/(hm2·a)，化肥配合粪肥或配合秸秆还田土壤固碳速率可进一步增加123%和61%[16]，这一结果与Rui和Zhang[17]针对长江三角洲水旱轮作区秸秆还田下稻田土壤固碳速率的估算结果相近。回归分析表明，亚热带区水稻土固碳速率随试验年限延长逐渐降低直到新的平衡值出现，单施化肥、化肥配合秸秆还田和化肥配合猪粪施用下水稻土的理论固碳年限分别为43年、65年和55年，可分别固定10.52、20.88和29.39 t/hm2有机碳[16]。该理论固碳年限大于Rui和Zhang[17]所报道的长江三角洲水旱轮作区（20～40年），凸显出亚热带双季稻区较强的固碳潜力。

2 亚热带水稻土有机碳矿化的“阻滞效应”及其相关机理

土壤有机碳积累主要取决于碳的输入和输出平衡，土壤有机碳矿化过程直接影响到土壤有机碳的“源汇”功能。Iqbal等[18]指出，我国亚热带地区土壤有机碳矿化的Q10值以水稻土（1.9）中明显低于柑橘园（2.2）、林地（2.3）和旱地（3.2），说明未来升温条件下亚热带水稻土有机碳的稳定性相对较高。长期不同施肥措施下水稻土有机碳的矿化速率亦存在明显差异，以单施化肥条件下的最高，而有机无机肥配施下的相对较低[19]。采用14C标记技术对亚热带第四纪红土母质发育的水稻土进行培养试验表明，水稻土新鲜有机碳的累积矿化率显著低于旱地；底物对旱地土壤产生显著的“激发效应”，而对水稻土则不显著[20]，从而提出水稻土有机碳矿化可能存在“阻滞效应”，且有机碳矿化的这一“阻滞效应”在不同母质类型水稻土中可能普遍存在[21]。另外，应用14C同位素标记技术研究了亚热带地区典型稻田和旱地中水稻同化“新碳”在土壤碳库中的分配，发现水稻同化“新碳”的输入抑制了水稻土原有有机碳的矿化，表现出明显的负激发效应[22]，这对维持亚热带水稻土的碳汇功能具有十分重要的意义；上述现象反映出亚热带水稻土的“控制阀”作用强于旱地土壤。鉴于土壤结构组成的复杂性和土壤发生学的特殊性，水稻土有机质矿化过程可能存在着特殊的生物地球化学过程，从而较旱地土更有利于有机碳积累。

以往的研究认为，虽然土壤微生物生物量仅占土壤有机质的1%～5%，但微生物生物量的大小反映了微生物的活性以及有机质和养分周转的速率，微生物可通过对输入有机物质的分解转化来控制有机碳的积累或损失[23-24]。鉴于此，水溶性有机碳和微生物生物量碳被认为是土壤中作物同化“新碳”的主要归宿，且作物同化“新碳”的输入强烈影响土壤原有有机碳的矿化[25-26]。但本研究团队对亚热带水稻土有机碳矿化“阻滞效应”的研究结论与上述观点正好相反，揭示亚热带水稻土有机碳矿化并不受土壤微生物生物量的控制，可能与水稻土中有机碳分解产物受水稳性团聚体的物理保护、与氧化铁铝的化学键合以及向有机碳稳定组分的分配作用较强有关[21,27]。

相似的，关于耕地和林地土壤的一些研究也显示，土壤微生物生物量碳与有机碳矿化并不存在本质的关系。如Rasmussen等[28-29]发现土壤矿物质对有机碳矿化起着调控作用，土壤有机碳矿化对温度的响应主要受到有机质降解速率、可矿化碳库大小以及底物碳源利用变化的影响，揭示土壤的碳源利用和微生物激发效应受到土壤有机无机复合体结构组成的影响。Strickland等[30]通过原位观测13C标记葡萄糖矿化的季节动态，发现能有效指示葡萄糖矿化的并非微生物生物量的大小、活性和群落组成，而是与土地利用变化直接关联的某些土壤特性。Kemmitt等[31]和Ball等[32]也认为，土壤有机碳矿化并不受土壤微生物生物量及其活性与区系组成的影响，而土壤结构、团聚体以及与之相关的物理化学性状可能在土壤有机碳的矿化过程中发挥重要作用，并影响土壤有机碳的积累。

3 水稻光合碳输入、转化及其微生物利用机制

水稻光合碳是“大气—植物—土壤”系统碳循环的重要组成部分，也是土壤有机碳的重要来源。光合碳对“大气—植物—土壤”系统中碳的分配与转化深刻影响着全球碳循环过程[22,33-34]。应用14CO2标记技术对水稻拔节期和灌浆期进行连续标记，量化了水稻生长期间光合碳对土壤有机碳各组分的贡献。在水稻拔节期和灌浆期内，有4%～6%的光合碳通过水稻的根际沉积作用进入土壤有机碳库，这部分“新碳”对土壤可溶性有机碳贡献为2%～4%，对土壤微生物生物量碳的贡献为9%～18%[22]。同时研究了光合碳的在土壤中传输和转化及其对氮肥施用的响应，发现高量施肥使水稻光合碳在土壤中的传输和积累比率非线性骤升的规律[33,35]。Cornelius等[35]利用13CO2连续标记技术结合土壤有机质的粒径组分分离技术，发现施氮结合干湿交替，提高了对水稻光合碳的固定效率。同时通过对生长在高、低有机质水稻土上的水稻进行13C-CO2脉冲标记，揭示了水稻光合碳在不同有机质水稻土壤转化和周转的差异机制，提出水稻光合碳传输存在一定的“马太效应”，这种效应的强弱与土壤有机质、土壤养分、土壤质地及其微生物功能等有关（图1）[36]。进一步利用13CO2脉冲标记结合磷脂脂肪酸的稳定同位素探针技术（13C-PLFA-SIP），发现水稻光合碳向土壤微生物快速转移的现象，根际碳的微生物同化量随着水稻生育期的变化而显著增加，同化微生物主要为真菌及革兰氏阴性菌，真菌是重要的水稻根际碳同化者[37-38]。

图1 水稻光合碳土壤传输“马太效应”机制（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与机理

利用陆地生态系统的大气CO2同化功能（生物固碳）增强碳固定，是目前应对气候变化最经济、有效的途径。同化CO2的生物主要是植物和自养微生物。在生物同化大气CO2的研究中，主要集中于陆地植被的光合碳同化过程。自养微生物在农田土壤中广泛存在，能通过多种固碳途径同化大气中的CO2

[39-44]，然而，目前土壤自养微生物的CO2同化功能尚未纳入到农田土壤循环过程中。基于此，本团队自2012年起，整合14C同位素标记技术和微生物分子生态学技术（克隆文库、T–RFLP和定量PCR等），开展了稻田土壤自养微生物的碳同化功能（同化大气CO2）及其微生物学机理研究（图2）。

利用14C连续标记技术，发现了稻田土壤具有微生物光合同化大气CO2并将其转化为土壤有机碳的能力。14C–CO2连续标记培养80天后，光照处理的14C–SOC 量为 8.4～64.6 mg/kg[41-42]，并且稻田土壤大于旱地土壤；据估算，土壤微生物的CO2日同化速率在0.01～0.1 gC/m2之间，农田土壤微生物的年碳同化速率为100～450 kg/hm2，其对碳循环的年贡献率为0.9%～4.1%[39]。如果推算到全球陆地生态系统，理想状态下，全球陆地生态系统土壤微生物的年碳同化量在0.3～3.7 Pg[39]。不同耕作方式（免耕与翻耕）显著影响稻田土壤自养微生物的CO2同化能力，表现为翻耕土壤具有较高的微生物CO2同化能力，为免耕土壤的1.8～3.1倍[41-42]。不同土地利用方式亦显著影响土壤自养微生物的CO2同化能力，表现为稻田土壤具有较高的微生物同化能力，为水旱轮作和旱地土壤的3倍和100倍，这可能与稻田土壤的碳同化功能基因与碳同化关键酶RubisCO酶活性均显著高于水旱轮作和旱地土壤有关[45]，该研究揭示了一个以往被忽视的土壤有机碳的重要输入途径。

图2 土壤微生物固碳功能（同化大气CO2）及其生物学机制技术框架Fig. 2 Schematic diagram of soil microbial carbon sequestration (atmospheric CO2 assimilation)and its biological mechanism technology

在此基础上，对稻田土壤自养微生物光合同化碳的层次分布与传输进行了进一步的深入探讨，发现土壤不同层次间的14C–SOC量随着土壤深度的增加而显著减少[46]。土壤微生物的光合固碳作用只发生在表层土壤（0～1 cm），但表层同化碳可以向下传输，这可能为底层的化能自养微生物提供碳源和电子供体，从而诱导化能自养微生物参与碳同化过程，从而揭示了土壤微生物光能、化能自养固碳的双重协同机制。该研究深化了对土壤微生物光合同化碳的生物地球化学过程机理的认识。

综合运用克隆文库、T–RFLP和定量PCR等分子生物学方法，从土壤微生物数量及其碳同化功能种群结构和多样性两个方面来揭示土壤微生物的碳同化机理（图2）。结果表明，农田土壤固碳功能种群包括固碳细菌和藻类，其中固碳细菌的主要优势种群为兼性自养菌，而藻类以黄藻和硅藻居主导地位[39-40]。同时发现持续淹水条件下，施磷提高了水稻根际和非根际土壤中碳同化功能微生物丰度；而在干湿交替条件下，施磷后水稻根际土壤中碳同化功能微生物丰度增加，而非根际土壤中碳同化功能微生物丰度降低。碳同化功能微生物丰度对施磷的响应主要受到水分管理方式的影响，根际效应的影响并不显著[44]。因此，持续淹水条件下施磷管理能促进土壤碳同化功能微生物的生长，可能更有利于土壤碳固定。固碳细菌及其固碳功能基因（细菌cbbL）丰度主要表现为免耕土壤大于翻耕土壤，但固碳功能的表观活性（specific CO2fixation activity/土壤细菌cbbL单位拷贝数的固碳量）则表现为翻耕土壤显著高于免耕土壤，这表明DNA水平上的细菌cbbL丰度可能并不总是反映其功能活性[42]。土壤固碳功能的表观活性可能是表征土壤微生物固碳能力的敏感性指标。不同土地利用方式显著影响固碳微生物（细菌和藻类）功能基因cbbL的丰度，不同土地利用方式改变了碳同化功能微生物群落组成。发生变化的微生物类群主要是汉氏硝化细菌、嗜酸柏拉红菌、慢生根瘤菌、伯克氏菌、硫化杆菌等。其中，长期种植水稻显著促进了红长命菌生长，而水旱轮作则有益于甲基叔丁基醚降解菌（Methylibiumpetroleiphilum）的生长。这些差异的机制可能是土壤微生物对长期不同耕作方式在其固碳能力差异上的一种响应和反馈策略[45]。而且固定二氧化碳自养菌多样性随着土壤类型而显著变化，主成分分析表明，土壤C/N比和EC值是影响土壤微生物固碳速率和cbbL基因丰度与多样性的主要环境因子[47]。

基于难于从土壤提取RubisCO酶的问题，建立了“超声破碎分离提取”土壤固碳关键酶RubisCO活性的提取方法，创建了基于土壤RubisCO活性测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数量、固碳关键酶RubisCO酶活性高于旱地土壤，遮光后土壤酶活性显著下降[39]。土壤RubisCO酶活性与细菌cbbL基因拷贝数呈显著的正相关关系，并同时与土壤微生物CO2的同化作用强弱呈极显著的正相关关系（P＜0.05）[39,42,48]。这些研究改变了土壤微生物在陆地生态系统碳循环中仅担负有机质分解、矿化功能的长期认识，丰富了土壤微生物的基本功能和在陆地生态系统碳循环过程中的作用。氧化（amoA）和反硝化（narG、nirK、nirS、nosZ）过程关键功能基因丰度对P可利用水平的响应。结果表明，磷肥施用能够提高缺磷水稻土的反硝化潜力，增加稻田氮损失，增大水稻生长过程中的氮磷共限制风险和温室气体（N2O）排放[54]。

图3 土壤有机质矿化过程对养分元素计量学的响应特征（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 水稻土有机碳周转的元素计量学驱动机制

生态化学计量学（Ecological Stoichiometry）包括了生态学和化学计量学的基本原理，是在生态学背景下，研究生物系统能量流通与多元素（通常是C、N、P、O、S）平衡的科学，是一种分析多重化学元素的质量平衡对生态交互影响的理论。生态化学计量学是生态学、生物学与土壤学研究领域的新方向，也是研究土壤—植物—微生物系统C、N、P循环的新思路[49]。因此，研究稻田土壤有机质周转过程的生态化学计量学特征，将有助于深入理解植物—微生物—土壤相互作用的养分调控机理，揭示土壤C、N、P等元素之间的相互作用与平衡制约关系，为阐明稻田生态系统生态化学计量学弹性特征提供理论依据[50-51]。

应用生态化学计量学的原理和方法，从区域景观单元上，量化了土壤微生物量（C，N，P）与C，N，P元素的生态化学计量关系，提出亚热带景观尺度土壤微生物量C/P 受土壤C/P 控制的观点。基于定位试验的进一步研究表明，土壤微生物量碳氮比可以作为一个重要的指标来预测稻田及其他利用方式土壤生产力的强弱，进而指导对土壤生产力的人为调控[52]。

通过盆栽试验，研究了水稻—土壤系统中有机质矿化转化过程对养分元素的计量学响应特征。水稻生长过程中根际分泌物输入的量与速率影响CO2释放的根际激发效应的方向，表明土壤肥力和根系分泌物的输入影响着土壤原有有机质的分解与转化（图3）[53]。同时，在稻田干湿交替和持续淹水两种水分管理方式下，定量研究了水稻生长过程中氨

为深入探讨土壤养分元素与土壤有机质转化过程的之间的计量学关系，研究了不同养分元素（N和P）添加条件下的稻田土壤秸秆碳的矿化及其激发效应的计量学特征及其微生物机制[55-56]。研究发现N、P养分元素的添加显著提高了秸秆的矿化率；秸秆碳矿化产生CO2的速率与土壤中DOC/NH4+-N、DOC/Olsen P和MBC/MBN的比值呈指数正相关关系。土壤中可利用态氮、微生物量碳氮磷计量比以及土壤酶活性计量比通过直接或间接作用影响激发效应的大小与方向。稻田土壤碳的微生物转化过程既是微生物对土壤中碳氮磷等元素的利用过程，也是基于自身计量学内稳性对土壤生境的反馈调控过程[56]。进一步分析土壤外源碳矿化及其激发效应的微生物计量学调控特征，表明微生物随碳分解而表现出生长策略的改变响应；土壤元素计量学平衡关系影响土壤微生物群落之间的网络关系，在养分胁迫条件下，由于微生物对养分的竞争需求使得微生物之间的竞争与协同关系网络更加复杂（图4）。

稻田土壤有机碳周转与累积过程除了受养分元素计量特征和生物因子的影响，非生物因子在此过程中也起到重要作用；水稻土有机碳的分解和微生物利用过程受外源碳来源和有机碳性质的影响，尽管水稻土中持续性输入的根际沉积碳和微生物同化碳的总输入量较少，但其对土壤有机碳积累的贡献率远大于秸秆等其他碳源[57-58]；而且，淹水水稻土的环境温度和土壤通气性通过改变微生物群落结构并限制其活性，降低有机碳的分解矿化速率，使得稻田比旱地更利于有机碳积累[59-60]。该研究对充分理解亚热带稻田土壤有机碳微生物转化过程，构建稻田土壤有机质积累和稻作系统提质增效等关键技术体系具有重要意义。

图4 土壤有机碳矿化过程中微生物对氮磷添加的响应及其计量学调控过程 （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 水稻土有机碳转化的微观过程

土壤有机质周转和固定过程，除了与其有机质的结构，还受有机质所处的生物地球化学微环境特征控制[61]。土壤颗粒堆积而形成的空间孔隙结构会导致土壤中优先流的形成，深刻影响营养物质、微生物和水分的分布，造成极其复杂的土壤微观环境的异质性[62]。土壤微生物个体尺度在微米级别，微生物群落的作用范围在微米—毫米尺度的微环境中。然而，传统的土壤有机质研究方法往往将土壤样品进行均一化处理，并根据研究目的和操作方式，采用物理分离和化学提取形式，对土壤有机质转化过程进行研究。这些研究为定性和定量地认识土壤有机碳储量及其影响因素提供了统一的分析方法和可比较的结果。

然而，基于操作（operational protocol）的整体土壤（bulk soil）研究方法，一定程度上忽略或者割裂原位环境中物理、化学和生物等耦合过程[63-64]。特别是，土壤微环境中微生物在基因、个体或者生物膜和群落水平上如何动态地适应和改造土壤微栖息地的微生态学认识还非常有限。基于非特异性的宏观测量指标必然会导致有机碳循环“盲人摸象式”的分歧。Kuzyakov和Blagodatskaya[65]认为土壤有机碳的矿化存在活性热点区域和非热点区域。因此，揭示有机质在土壤—矿物—微生物相互作用中的微观空间分布和动态转化特征是认识和完善土壤有机质稳定机制的重要途径。

原位检测技术的发展极大地丰富了我们对土壤有机碳微观分布特征的认识[63,66]，通过超微切片技术剖析了土壤团聚体结构，证实微生物在土壤微环境中的分布呈现显著群落聚集性特征。Vogel等[67]利用采用纳米次级离子质谱仪（NanoSIMS）发现新输入的有机质分布在一些粗糙的矿物表面，仅占矿物总面积的19%，表明土壤微环境中存在高异质性的固碳热区。然而，由于土壤微观异质性，微区域表面表征技术也只能对得到的样品进行快照式（snapshot）的研究，难以揭示微生物介导的土壤有机碳动态转化特征。借助于微流控技术平台[68]，我们首次发展了适合于追踪微观尺度下土壤物理、化学和生物学过程的土壤芯片技术（图5）[69]：采用图案化的微阵列技术，将土壤和微生物组装成高通量的土壤微阵列，并通过加载土壤提取液来培养该阵列，从而实现土壤微界面的动态模拟和监测。土壤芯片具有良好的起始均一性，为连续动态的监测土壤—微生物作用过程提供了可能。同时，该界面也省去复杂的样品处理过程，可以直接与大量的原位表面检测技术相结合，实现土壤微界面物理、化学和生物学过程的直接表征。通过偶联X-射线光电子能谱（XPS）首次展示了典型黑土和红壤界面上土壤—微生物相互作用的有机、无机元素动力学特征。通过比较两种土壤微界面形成过程，证实了土壤颗粒微界面是土壤有机无机元素循环的热点，控制着土壤有机质的转化和积累过程。尽管在芯片上恢复的微生物过程有别于原位土壤微环境，但是土壤芯片技术克服了土壤微观异质性带来的动态检测障碍，能够可控的构建土壤微环境条件，为动态追踪微界面过程提供了有力的模型方法。此外，土壤芯片技术还能和土壤生态系统的其他组分，如根等联合，这将为认识地下生态系统过程提供全新的微观视角。

图5 基于土壤芯片技术的土壤微环境过程研究的技术框架Fig. 5 Technical framework of soil microenvironment process research based on soil chip technology

7 亚热带水稻土固碳减排机制与稻草优化管理模式

农业温室气体排放源中，稻田是贡献较大者之一，全球稻田年排放CH4达到20～100 Tg，占到全球CH4人为排放的5%～28%[70]。但稻田同时也具有很大的固碳潜力，《京都议定书》已将包括土壤在内的陆地生态系统增汇作为减排机制之一。研究表明我国稻田年固碳量可达0.13～2.20 tC/hm2[71]，这主要是通过秸秆还田和施用一些有机物料实现的。基于田间试验，系统定量了秸秆源生物质炭施用（一次性施用量24 t/hm2和48 t/hm2）对CH4、N2O、土壤异氧呼吸（Rh）和温室气体净排放的影响。连续4年定位监测研究结果表明，生物质炭施用持续降低了稻田CH4排放，年降幅可达20%～51%[72-73]。相比与秸秆直接还田大幅增加稻田CH4排放[74]，通过将秸秆转化为秸秆源生物质炭再还田，可大幅减少稻田的CH4排放[75]。基于农田水氮管理模型（WNMM）模拟结果表明，生物质炭施用产生的土壤Eh上升是导致稻田CH4排放降低的主要原因，模拟结果表明生物质炭施用增加土壤 Eh 达30～40 mV，模拟的CH4排放量与观测值具有较好的相关性（决定系数＞0.73）[76]。

图6 稻田施用生物质炭固碳减排机制Fig. 6 The mechanism of carbon sequestration and emission reduction with biochar application in paddy fields

通过对田间条件下稻田产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度与群落结构进行测定表明，生物质炭施用导致的稻田土壤产甲烷菌丰度及产甲烷菌丰度/甲烷氧化菌丰度比值的下降是导致CH4排放的主要原因，这从微生物机制方面揭示了生物质炭导致稻田CH4排放降低的主要原因（图6）。同时，利用丘陵区稻田、旱地毗邻的特色，将稻草转移到旱地和园地土壤（即稻草“易地还土”），既可彻底消除其直接还田诱发大量CH4排放的弊端，又可解决旱地改良有机资源不足的问题。定位试验结果表明稻草“易地还土”8年使新垦旱地的耕层土壤有机碳含量增加10%～15%，其固碳量比施用化肥高2.2 t/hm2，增产幅度达10%，提出了基于丘陵区稻草“易地还土”的固碳减排新措施[77]。

生物质炭施用4年内平均增加稻田土壤N2O排放达10%～11%[73]。增加的N2O排放主要发生在生物质炭施用的当年，这与生物质炭施用后增加了土壤无机氮有关[75]。生物质施用的后3年，稻田N2O排放与对照处理无显著差异。生物质炭施用平均增加稻田Rh达2%～12%，Rh排放量随生物质炭施用量的增加而增加。生物质炭施用导致的Rh增幅主要表现在生物质炭施用后的前2年，施用的后2年增幅较小，这与生物质炭自身所含有的易分解有机碳在施用前期分解有关[72]。生物质炭施用显著增加了土壤总有机碳含量，增幅可达33%～61%[73]。综合考虑土壤有机碳变化、CH4和N2O排放，4年内生物质炭施用分别降低温室气体净排放（NGHGE）和单位产量温室气体净排放达156%～264%和159%～278%[73]。稻田施用生物质炭可以大幅降低稻田CH4排放，提高稻田土壤总有机碳含量，可以作为稻田固碳减排的措施。

8 研究发展趋势与科学问题展望

水稻土碳循环的生物地球化学特点与长期固碳效应（包括全球气候变化）已经成为当前研究的热点问题。而关于土壤有机质积累的物理—化学—生物稳定机制更是受到土壤学界广泛的关注。国际地圈与生物圈计划（IGBP）、陆地生态系统与全球变化（GCTE）等国际大型研究计划均将生物地球化学最为重要的研究方向。我国不仅对水稻土的农业生产功能有巨大的需求，而且生态环境保护和履行缓解全球气候变化的国际义务也相当艰巨。我国已经是世界第二大CO2排放国，并随着经济快速持续的发展对能源消费的需求还会不断地增加。因此，水稻土的有机质积累及其稳定机制、生产力持续与生态环境协调研究，既符合当前国际前沿发展方向，又与国家粮食安全和生态环境建设的重大需求密切相关。

尽管目前在领域的研究中大量采用了同位素示踪与微生物分子生物学相结合的技术，但仍有诸多重要指标和层次研究的方法学尚不具备。其一，对有机碳在土壤中转化的中间产物的种类及其比例的测定。其二，参与土壤有机碳转化的关键微生物功能种群的机理研究方法，熏蒸—浸提法和同位素示踪方法都将土壤微生物作为一个整体（即用微生物生物量来反映），不能直接反映功能种群层次的过程机理，而当前的生物分子（DNA、RNA和蛋白组学）指标尚未建立起与土壤生物化学参数的定量关系。其三，基于自然土体的研究方法，目前的测定方法只适用于经过前处理使样品颗粒和水分状况基本均匀，其结构遭到一定程度的破坏，有可能使其生物化学状况与自然土体的偏差。其四，土壤的生物化学过程被认为主要发生在土壤微结构之中，包括颗粒表面、团聚体内部、植物根系等界面，这些层面的研究方法有待于建立。因此，通过以上分析，目前对水稻土碳循环的生物地球化学特点及其生态环境效应的认识仍然相当有限，特别是下列关键科学问题：

8.1 水稻土有机碳积累、持续生产力和微生物过程的内在机制研究

系统研究稻田生态系统生产力演变、系统关键生源要素（碳、氮等）循环过程、土壤微生物种群结构特点与功能、关键生态服务功能及其相互作用机制的系统研究，阐明稻田生态系统生产力可持续性的内在机理与关键驱动机制。

8.2 水稻土关键功能微生物（群）参与机制研究。

土壤碳循环过程研究的难点是微生物转化过程的研究，而土壤碳转化过程研究的难点是对微生物参与过程的认识。“非专性过程”是土壤碳转化的主要过程，土壤中大多数微生物都可以参与，但微生物如何参与，哪些微生物优先参与仍不清楚；在复杂的微生物环境中，各种微生物之间是竞争机制还是条件控制机制是有待揭示的科学问题。对微生物参与机制和过程的认识将促进土壤碳氮循环过程调控的研究。

8.3 土壤碳循环过程的微生物作用微观机制研究。

土壤微结构、团聚体和微界面过程可能在土壤碳氮循环的微生物过程中发挥着极其关键的作用。应用微流控芯片技术、超高分辨率显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术（NanoSIMS），从毫米、纳米、单细胞等微观尺度上多角度原位解析稻田“新”、“老”有机碳氮组分的区分，剖析土壤微生物与土壤有机碳、有机—无机氮之间的相互作用特点，探讨碳氮周转—微结构—微生物联动关系与微观过程。