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)，并擔負著我國大宗農(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碳形成途徑與保護機制，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、陳香碧研究員團隊，運用區(qū)域調研、生物標識物分析結合同位素示蹤模擬試驗，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碳積累差異、形成途徑及其內(nèi)在機理。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量比特征
基于大樣本分析，發(fā)現(xiàn)我國東部四個氣候帶相鄰稻田、旱地和林地表層土壤C、N、P的含量和計量比呈現(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，導致C:N、C:P降低；南方比北方對農(nóng)業(yè)利用的響應更強烈。區(qū)域尺度上土壤元素限制規(guī)律：四個區(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 四個氣候區(qū)土壤碳氮磷賦存規(guī)律
進展二：闡明了稻田和旱地土壤有機碳的來源和穩(wěn)定性規(guī)律，揭示了稻田比旱地土壤具有強有機碳積累能力的微生物學機理
分析四個氣候帶240對相鄰稻田和旱地土壤有機碳含量，發(fā)現(xiàn)稻田土壤有機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)稻田土壤強大的固碳能力。進一步量化了兩類土壤中植物殘體和微生物殘留物來源碳對總有機碳積累的貢獻，發(fā)現(xiàn)長期稻作下土壤積累的有機碳以植物殘體（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%）大于植物殘體（19%~42%），且稻田土壤中植物殘體來源碳的數(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體大量積累?；诖?，構建了稻田和旱地土壤有機碳形成途徑的理論模型（圖2）。
圖2 稻田和旱地土壤有機碳形成途徑
機理論證：采用短期18O-H2O示蹤培養(yǎng)試驗，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，表明稻田土壤有機碳轉化和積累過程微生物參與程度較低?；诙唐?sup>13C標記培養(yǎng)試驗，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標記微生物活體碳含量是相鄰旱地的38%~71%，進而引起稻田13C標記微生物殘體碳含量是旱地的26%~55%，尤其是真菌殘留物的含量遠低于旱地土壤。因此，稻田較旱地土壤擁有更高的有機碳含量是由于其更弱的微生物碳攝取強度和代謝效率（圖3）。
圖3 稻田和旱地土壤微生物對碳源合成代謝概念圖
進展三：從團聚體和礦物保護、微生物代謝角度，闡釋了南方和北方農(nóng)田土壤有機碳保護的差異機理
南方和北方氣候條件、土壤屬性、耕作頻率差異極大，可能影響土壤有機碳積累的團聚體和礦物保護以及微生物代謝過程。采用密度和粒徑分級結合同位素示蹤試驗，發(fā)現(xiàn)：團聚體保護態(tài)有機碳對稻田和旱地全土有機碳積累的貢獻從北到南減少；游離礦物結合態(tài)有機碳的貢獻率呈遞增趨勢；微生物殘體碳對游離礦物結合態(tài)有機碳的貢獻率從北到南增加。因此，我國東部北方農(nóng)田土壤有機碳積累受團聚體保護主導，南方受礦物保護主導，且北方微生物合成代謝對有機碳積累的參與程度弱于南方（圖4）。
圖4 南方和北方農(nóng)田土壤有機碳保護機制