長期施肥水稻土團聚體和密度組分中的有機質穩定機制獲得新進展
稻田土壤約占中國總土壤固碳潛力的40％，因此其在緩解全球變暖，評估全球土壤固碳等方面起著重要作用。土壤固碳過程一般是通過碳庫變化，團聚體形成，腐殖質形成等過程來評估，但很少有人表征團聚體之間和內部的碳通量。研究有機碳在土壤中積累過程并估算碳平均滯留時間的最有效方法是使用碳同位素示蹤，但此技術需要使用13C或14C標記的植物材料或管理長期的C3/C4植被變化田間實驗，往往比較費時費力。幸運的是，先前對旱地土壤的研究表明13C自然豐度可以成功揭示團聚體與土壤有機質（SOM）密度組分之間的碳穩定途徑，證明了沒有C3/C4植被變化的天然13C豐度方法是用于研究有機質來源的有效方法。但由于水稻土特殊的管理模式，如周期性干濕交替，氧化還原交替等，導致微生物介導的碳穩定的途徑和方向顯著區分于旱地土。
為追蹤稻田中的碳穩定途徑，中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究團隊利用13C自然豐度法，通過選擇長期施肥的田間試驗（未施肥的對照CK和NPK，NPK+S和NPK +M），分析土壤中的總碳，微生物生物量和溶解性有機碳含量，并根據團聚體大小將其分為三類（> 250 μm，53–250 μm和< 53 μm），進一步將每一級團聚體按照密度分級，分為fLF: 游離輕組分（ρ < 1.6 g cm-3）; oLF: 閉蓄態輕組分（ρ < 1.6 g cm-3）; DF: 重組分（ρ 在1.6和2.0 g cm-3之間）和MF: 礦物質組分（ρ > 2.0 g cm-3），最終根據碳含量和δ13C確定有機質的穩定途徑。結果表明：與對照相比，所有肥料施用均使大團聚體（> 250 μm）至少增加了111％，最高的碳含量在大團聚體的MF>2.0 組分中（圖1）。與對照相比，施肥后SOC的同位素組成（δ13C）比對照中消耗的13C多，這表明施肥后SOM的分解減少以及在氧氣限制條件下微生物對植物殘體的分解被抑制（圖2）。團聚體大小分類顯示了從大團聚體到微團聚體的典型δ13C富集趨勢，反映了水稻土和旱地土壤之間的相似性。基于δ13C自然豐度的團聚體和有機質餾分中的碳流動揭示了以下一般順序：oLF > fLF > DF > MF，這種趨勢與在旱地土壤中觀察到的趨勢幾乎相反，體現了稻田土壤交替變化的氧化還原條件及缺氧條件下特殊的碳穩定途徑（圖3）。稻田土壤團聚體大小類別之間的碳流動路徑遵循從宏觀到微觀團聚體的趨勢。與輕組分相比，重組分的13C消耗更多，這表明低分子量有機物在粘土表面上快速穩定，并且浸入鐵（氫）氧化物沉淀。
稻田的淹水條件下，發生了一系列的過程：植物殘體中溶解的有機碳（DOC）通量增加，其中一部分直接與粘土礦物相互作用，同時高濃度的DOC促進了粘土礦物中結構性Fe3+和Fe2+的釋放，該羥基氧化物進一步與DOC發生共沉淀，降低了微生物可接觸性，減少有機碳分解。與旱地土壤相比，稻田土壤中植物殘體參與厭氧代謝（如發酵）后未被完全分解。缺氧條件下，糖酵解過程中有機肥料分解及根系分泌物釋放的羧酸和氨基酸的脫羧作用要慢得多， 因此有機酸在溶液中的保留時間更長，這有助于與粘土礦物和（氫）氧化鐵的相互作用。因此，水稻土的施肥增加了碳的積累，類似于旱地土，但是其穩定機制不同。
該項研究成果近期以題為Organic matter stabilization in aggregates and density fractions in paddy soil depending on long-term fertilization: Tracing of pathways by 13C natural abundance發表在Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、湖南省自然科學基金創新群體項目的資助。
圖1 不同施肥土壤團聚體和各有機質組分的有機碳含量
圖2 不同施肥土壤團聚體δ13C 和各有機質組分的Δ13C
圖3 有機碳在土壤團聚體和密度組分中的流動示意圖
