长期施肥水稻土团聚体和密度组分中的有机质稳定机制获得新进展

稻田土壤约占中国总土壤固碳潜力的40％，因此其在缓解全球变暖，评估全球土壤固碳等方面起着重要作用。土壤固碳过程一般是通过碳库变化，团聚体形成，腐殖质形成等过程来评估，但很少有人表征团聚体之间和内部的碳通量。研究有机碳在土壤中积累过程并估算碳平均滞留时间的最有效方法是使用碳同位素示踪，但此技术需要使用13C或14C标记的植物材料或管理长期的C3/C4植被变化田间实验，往往比较费时费力。幸运的是，先前对旱地土壤的研究表明13C自然丰度可以成功揭示团聚体与土壤有机质（SOM）密度组分之间的碳稳定途径，证明了没有C3/C4植被变化的天然13C丰度方法是用于研究有机质来源的有效方法。但由于水稻土特殊的管理模式，如周期性干湿交替，氧化还原交替等，导致微生物介导的碳稳定的途径和方向显著区分于旱地土。

为追踪稻田中的碳稳定途径，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队利用13C自然丰度法，通过选择长期施肥的田间试验（未施肥的对照CK和NPK，NPK+S和NPK +M），分析土壤中的总碳，微生物生物量和溶解性有机碳含量，并根据团聚体大小将其分为三类（> 250 μm，53–250 μm和< 53 μm），进一步将每一级团聚体按照密度分级，分为fLF: 游离轻组分（ρ < 1.6 g cm-3）; oLF: 闭蓄态轻组分（ρ < 1.6 g cm-3）; DF: 重组分（ρ 在1.6和2.0 g cm-3之间）和MF: 矿物质组分（ρ > 2.0 g cm-3），最终根据碳含量和δ13C确定有机质的稳定途径。结果表明：与对照相比，所有肥料施用均使大团聚体（> 250 μm）至少增加了111％，最高的碳含量在大团聚体的MF>2.0 组分中（图1）。与对照相比，施肥后SOC的同位素组成（δ13C）比对照中消耗的13C多，这表明施肥后SOM的分解减少以及在氧气限制条件下微生物对植物残体的分解被抑制（图2）。团聚体大小分类显示了从大团聚体到微团聚体的典型δ13C富集趋势，反映了水稻土和旱地土壤之间的相似性。基于δ13C自然丰度的团聚体和有机质馏分中的碳流动揭示了以下一般顺序：oLF > fLF > DF > MF，这种趋势与在旱地土壤中观察到的趋势几乎相反，体现了稻田土壤交替变化的氧化还原条件及缺氧条件下特殊的碳稳定途径（图3）。稻田土壤团聚体大小类别之间的碳流动路径遵循从宏观到微观团聚体的趋势。与轻组分相比，重组分的13C消耗更多，这表明低分子量有机物在粘土表面上快速稳定，并且浸入铁（氢）氧化物沉淀。

稻田的淹水条件下，发生了一系列的过程：植物残体中溶解的有机碳（DOC）通量增加，其中一部分直接与粘土矿物相互作用，同时高浓度的DOC促进了粘土矿物中结构性Fe3+和Fe2+的释放，该羟基氧化物进一步与DOC发生共沉淀，降低了微生物可接触性，减少有机碳分解。与旱地土壤相比，稻田土壤中植物残体参与厌氧代谢（如发酵）后未被完全分解。缺氧条件下，糖酵解过程中有机肥料分解及根系分泌物释放的羧酸和氨基酸的脱羧作用要慢得多， 因此有机酸在溶液中的保留时间更长，这有助于与粘土矿物和（氢）氧化铁的相互作用。因此，水稻土的施肥增加了碳的积累，类似于旱地土，但是其稳定机制不同。

该项研究近期以题为Organic matter stabilization in aggregates and density fractions in paddy soil depending on long-term fertilization: Tracing of pathways by 13C natural abundance发表在Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金创新群体项目的资助。

图1 不同施肥土壤团聚体和各有机质组分的有机碳含量

图2 不同施肥土壤团聚体δ13C 和各有机质组分的Δ13C

图3 有机碳在土壤团聚体和密度组分中的流动示意图