亞熱帶水稻土碳循環的生物地球化學特點與長期固碳效應

吳金水，李勇，童成立，肖和艾，劉守龍，葛體達，周萍，沈健林，祝貞科，黃習知

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙，410125）

稻田是我國具有悠久歷史的典型農田生態系統，水稻土面積占全國耕地總面積約25%，水稻產量占全國糧食總產約50%，是具有重大經濟意義的土壤資源，對我國糧食安全具有舉足輕重的作用[1]。同時，稻田作為一種獨特的人工濕地生態系統，淹水后土壤有機質、微生物和植物相互作用形成典型的氧化還原梯度，是研究土壤—植物—微生物相互作用下陸地生態系統關鍵生物地球化學循環過程的理想對象[1-2]。另一方面，土壤碳循環與溫室氣體排放存在密切關系，溫室氣體排放已列入國家溫室氣體排放清單，因而農田土壤碳循環與固碳減排具有重要的生態學研究價值，成為國際研究熱點。

水稻土生產力與生態環境功能的形成與演化，集中體現了人為活動與生物地球化學過程的相互作用、生物地球化學循環與水分和生物的耦合關系、生產力與生態環境功能的相互協調、以及農業生產與全球氣候變化的相互制約。稻田持續高生產力是外在環境與物理、化學和生物內因共同作用的結果[3-4]，稻田還有較其它耕作土壤不具備的生態環境功能，如排放甲烷，光合固碳，消納大氣和其它環境（如水體）污染物質，凈化環境等。土壤有機質循環和積累既是物理、化學和生物過程和肥力的物質基礎，又與土壤固碳功能、溫室氣體產生和排放密切相關[5-6]。

稻田生態系統碳循環是我國陸地生態系統碳循環的重要組成部分，研究稻田生態系統碳循環的主要過程通量與碳收支動態變化規律是全面掌握我國陸地生態系統碳收支動態不可缺少的資料。本團隊收集我國南方13個長期定位監測點資料、以及基于景觀單位的有機碳含量動態變化，分析結果顯示近30年來我國亞熱帶稻田生態系統中土壤有機碳含量普遍呈升高趨勢，說明亞熱帶稻田生態系統具有重要固碳作用[7]。但由于目前我國對水稻土長期固碳的生物地球化學機理的研究不夠深入，對其有機碳升高的確切原因尚未明確。因此，突破水稻土肥力提升和溫室氣體減排的科技瓶頸，是一項重大且迫切的科研任務，也是水稻土研究的前沿和難點。

因此，本文以探討水稻土固碳（肥力提升）與科學減排原理為目標，瞄準土壤有機碳礦化的“控制閥”假說與“激發效應”、水稻土固碳與溫室氣體排放的生物地球化學過程機理等前沿性科學問題，遵照以典型案例（典型景觀單元和長期定位試驗監測）揭示區域水稻土有機碳演變與固碳潛力的基本規律，借助模擬試驗闡明水稻土長期固碳的生物地球化學機理的整體研究思路，運用同位素示蹤和生物分子技術，系統研究了亞熱帶水稻土碳的生物地球化學循環特點與固碳效應。歷經10多年，現將目前取得重要科學進展進行整理，以期為亞熱帶水稻土有機碳積累、生產力提升和農田可持續發展提供重要科技支撐。

1 亞熱帶水稻土持續固碳速率與潛力

我國亞熱帶區約分布全國60%的水稻土[8]，該區域水稻土有機碳的動態平衡對我國區域碳平衡意義重大。有研究研究指出，我國南方地區的固碳能力大于北方，且水稻土的固碳效應和固碳潛力均大于旱地[7,9-10]。Piao等[11]在評估我國陸地碳平衡時指出，南方地區碳匯占到全國總碳匯的65%以上，其中水稻土固碳的貢獻不容忽視。本研究團隊通過對亞熱帶典型景觀單元不同利用方式表層（0～20 cm）土壤有機碳數據分析，發現水稻土有機碳密度介于37.8～60.4 t/hm2之間，顯著高于旱地、果園甚至林地生態系統[7,12]，且在過去30年間，水稻土有機碳處于持續增加狀態，增幅達60%，年平均固碳速率為0.28 t/hm2，具有明顯的固碳效應，而旱地、林地和果園土壤基本保持不變[7]，上述結果均充分反映出亞熱帶不同類型區水稻土均具有較強的碳固持效應。目前關于我國水稻土固碳趨勢的研究大多是基于不同時期分散樣點的觀測數據與第二次土壤普查數據的統計對比，可能無法真實反映稻田土壤的固碳趨勢。而我們選擇4種景觀單元代表了亞熱帶區的現實稻作管理體系，且不同時期所有土壤樣點均通過“點對點”取樣獲得，因此這一結果真實地反映出我國亞熱帶水稻土具有長期穩定的固碳效應與潛力。

不同農業管理措施（如施肥、秸稈還田）主要通過增加碳輸入來促進土壤有機碳的積累，這也被認為是我國亞熱帶水稻土有機碳積累明顯較快的原因之一[7,13-14]。通過對湖南省8個稻田長期肥料定位監測點有機碳變化的數據分析，發現1986—2003年期間，不施肥條件下土壤有機碳依然有13%的增長率，而單施化肥或有機無機肥配施則進一步促進了土壤有機碳的積累[15]。進一步采用整合分析的方法研究亞熱帶雙季稻區28個長期肥料定位試驗土壤有機碳的變化，表明與對照相比，單施化肥處理土壤固碳速率可達0.30 t/(hm2·a)，化肥配合糞肥或配合秸稈還田土壤固碳速率可進一步增加123%和61%[16]，這一結果與Rui和Zhang[17]針對長江三角洲水旱輪作區秸稈還田下稻田土壤固碳速率的估算結果相近?；貧w分析表明，亞熱帶區水稻土固碳速率隨試驗年限延長逐漸降低直到新的平衡值出現，單施化肥、化肥配合秸稈還田和化肥配合豬糞施用下水稻土的理論固碳年限分別為43年、65年和55年，可分別固定10.52、20.88和29.39 t/hm2有機碳[16]。該理論固碳年限大于Rui和Zhang[17]所報道的長江三角洲水旱輪作區（20～40年），凸顯出亞熱帶雙季稻區較強的固碳潛力。

2 亞熱帶水稻土有機碳礦化的“阻滯效應”及其相關機理

土壤有機碳積累主要取決于碳的輸入和輸出平衡，土壤有機碳礦化過程直接影響到土壤有機碳的“源匯”功能。Iqbal等[18]指出，我國亞熱帶地區土壤有機碳礦化的Q10值以水稻土（1.9）中明顯低于柑橘園（2.2）、林地（2.3）和旱地（3.2），說明未來升溫條件下亞熱帶水稻土有機碳的穩定性相對較高。長期不同施肥措施下水稻土有機碳的礦化速率亦存在明顯差異，以單施化肥條件下的最高，而有機無機肥配施下的相對較低[19]。采用14C標記技術對亞熱帶第四紀紅土母質發育的水稻土進行培養試驗表明，水稻土新鮮有機碳的累積礦化率顯著低于旱地；底物對旱地土壤產生顯著的“激發效應”，而對水稻土則不顯著[20]，從而提出水稻土有機碳礦化可能存在“阻滯效應”，且有機碳礦化的這一“阻滯效應”在不同母質類型水稻土中可能普遍存在[21]。另外，應用14C同位素標記技術研究了亞熱帶地區典型稻田和旱地中水稻同化“新碳”在土壤碳庫中的分配，發現水稻同化“新碳”的輸入抑制了水稻土原有有機碳的礦化，表現出明顯的負激發效應[22]，這對維持亞熱帶水稻土的碳匯功能具有十分重要的意義；上述現象反映出亞熱帶水稻土的“控制閥”作用強于旱地土壤。鑒于土壤結構組成的復雜性和土壤發生學的特殊性，水稻土有機質礦化過程可能存在著特殊的生物地球化學過程，從而較旱地土更有利于有機碳積累。

以往的研究認為，雖然土壤微生物生物量僅占土壤有機質的1%～5%，但微生物生物量的大小反映了微生物的活性以及有機質和養分周轉的速率，微生物可通過對輸入有機物質的分解轉化來控制有機碳的積累或損失[23-24]。鑒于此，水溶性有機碳和微生物生物量碳被認為是土壤中作物同化“新碳”的主要歸宿，且作物同化“新碳”的輸入強烈影響土壤原有有機碳的礦化[25-26]。但本研究團隊對亞熱帶水稻土有機碳礦化“阻滯效應”的研究結論與上述觀點正好相反，揭示亞熱帶水稻土有機碳礦化并不受土壤微生物生物量的控制，可能與水稻土中有機碳分解產物受水穩性團聚體的物理保護、與氧化鐵鋁的化學鍵合以及向有機碳穩定組分的分配作用較強有關[21,27]。

相似的，關于耕地和林地土壤的一些研究也顯示，土壤微生物生物量碳與有機碳礦化并不存在本質的關系。如Rasmussen等[28-29]發現土壤礦物質對有機碳礦化起著調控作用，土壤有機碳礦化對溫度的響應主要受到有機質降解速率、可礦化碳庫大小以及底物碳源利用變化的影響，揭示土壤的碳源利用和微生物激發效應受到土壤有機無機復合體結構組成的影響。Strickland等[30]通過原位觀測13C標記葡萄糖礦化的季節動態，發現能有效指示葡萄糖礦化的并非微生物生物量的大小、活性和群落組成，而是與土地利用變化直接關聯的某些土壤特性。Kemmitt等[31]和Ball等[32]也認為，土壤有機碳礦化并不受土壤微生物生物量及其活性與區系組成的影響，而土壤結構、團聚體以及與之相關的物理化學性狀可能在土壤有機碳的礦化過程中發揮重要作用，并影響土壤有機碳的積累。

3 水稻光合碳輸入、轉化及其微生物利用機制

水稻光合碳是“大氣—植物—土壤”系統碳循環的重要組成部分，也是土壤有機碳的重要來源。光合碳對“大氣—植物—土壤”系統中碳的分配與轉化深刻影響著全球碳循環過程[22,33-34]。應用14CO2標記技術對水稻拔節期和灌漿期進行連續標記，量化了水稻生長期間光合碳對土壤有機碳各組分的貢獻。在水稻拔節期和灌漿期內，有4%～6%的光合碳通過水稻的根際沉積作用進入土壤有機碳庫，這部分“新碳”對土壤可溶性有機碳貢獻為2%～4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻為9%～18%[22]。同時研究了光合碳的在土壤中傳輸和轉化及其對氮肥施用的響應，發現高量施肥使水稻光合碳在土壤中的傳輸和積累比率非線性驟升的規律[33,35]。Cornelius等[35]利用13CO2連續標記技術結合土壤有機質的粒徑組分分離技術，發現施氮結合干濕交替，提高了對水稻光合碳的固定效率。同時通過對生長在高、低有機質水稻土上的水稻進行13C-CO2脈沖標記，揭示了水稻光合碳在不同有機質水稻土壤轉化和周轉的差異機制，提出水稻光合碳傳輸存在一定的“馬太效應”，這種效應的強弱與土壤有機質、土壤養分、土壤質地及其微生物功能等有關（圖1）[36]。進一步利用13CO2脈沖標記結合磷脂脂肪酸的穩定同位素探針技術（13C-PLFA-SIP），發現水稻光合碳向土壤微生物快速轉移的現象，根際碳的微生物同化量隨著水稻生育期的變化而顯著增加，同化微生物主要為真菌及革蘭氏陰性菌，真菌是重要的水稻根際碳同化者[37-38]。

圖1 水稻光合碳土壤傳輸“馬太效應”機制（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與機理

利用陸地生態系統的大氣CO2同化功能（生物固碳）增強碳固定，是目前應對氣候變化最經濟、有效的途徑。同化CO2的生物主要是植物和自養微生物。在生物同化大氣CO2的研究中，主要集中于陸地植被的光合碳同化過程。自養微生物在農田土壤中廣泛存在，能通過多種固碳途徑同化大氣中的CO2

[39-44]，然而，目前土壤自養微生物的CO2同化功能尚未納入到農田土壤循環過程中?；诖?，本團隊自2012年起，整合14C同位素標記技術和微生物分子生態學技術（克隆文庫、T–RFLP和定量PCR等），開展了稻田土壤自養微生物的碳同化功能（同化大氣CO2）及其微生物學機理研究（圖2）。

利用14C連續標記技術，發現了稻田土壤具有微生物光合同化大氣CO2并將其轉化為土壤有機碳的能力。14C–CO2連續標記培養80天后，光照處理的14C–SOC 量為 8.4～64.6 mg/kg[41-42]，并且稻田土壤大于旱地土壤；據估算，土壤微生物的CO2日同化速率在0.01～0.1 gC/m2之間，農田土壤微生物的年碳同化速率為100～450 kg/hm2，其對碳循環的年貢獻率為0.9%～4.1%[39]。如果推算到全球陸地生態系統，理想狀態下，全球陸地生態系統土壤微生物的年碳同化量在0.3～3.7 Pg[39]。不同耕作方式（免耕與翻耕）顯著影響稻田土壤自養微生物的CO2同化能力，表現為翻耕土壤具有較高的微生物CO2同化能力，為免耕土壤的1.8～3.1倍[41-42]。不同土地利用方式亦顯著影響土壤自養微生物的CO2同化能力，表現為稻田土壤具有較高的微生物同化能力，為水旱輪作和旱地土壤的3倍和100倍，這可能與稻田土壤的碳同化功能基因與碳同化關鍵酶RubisCO酶活性均顯著高于水旱輪作和旱地土壤有關[45]，該研究揭示了一個以往被忽視的土壤有機碳的重要輸入途徑。

圖2 土壤微生物固碳功能（同化大氣CO2）及其生物學機制技術框架Fig. 2 Schematic diagram of soil microbial carbon sequestration (atmospheric CO2 assimilation)and its biological mechanism technology

在此基礎上，對稻田土壤自養微生物光合同化碳的層次分布與傳輸進行了進一步的深入探討，發現土壤不同層次間的14C–SOC量隨著土壤深度的增加而顯著減少[46]。土壤微生物的光合固碳作用只發生在表層土壤（0～1 cm），但表層同化碳可以向下傳輸，這可能為底層的化能自養微生物提供碳源和電子供體，從而誘導化能自養微生物參與碳同化過程，從而揭示了土壤微生物光能、化能自養固碳的雙重協同機制。該研究深化了對土壤微生物光合同化碳的生物地球化學過程機理的認識。

綜合運用克隆文庫、T–RFLP和定量PCR等分子生物學方法，從土壤微生物數量及其碳同化功能種群結構和多樣性兩個方面來揭示土壤微生物的碳同化機理（圖2）。結果表明，農田土壤固碳功能種群包括固碳細菌和藻類，其中固碳細菌的主要優勢種群為兼性自養菌，而藻類以黃藻和硅藻居主導地位[39-40]。同時發現持續淹水條件下，施磷提高了水稻根際和非根際土壤中碳同化功能微生物豐度；而在干濕交替條件下，施磷后水稻根際土壤中碳同化功能微生物豐度增加，而非根際土壤中碳同化功能微生物豐度降低。碳同化功能微生物豐度對施磷的響應主要受到水分管理方式的影響，根際效應的影響并不顯著[44]。因此，持續淹水條件下施磷管理能促進土壤碳同化功能微生物的生長，可能更有利于土壤碳固定。固碳細菌及其固碳功能基因（細菌cbbL）豐度主要表現為免耕土壤大于翻耕土壤，但固碳功能的表觀活性（specific CO2fixation activity/土壤細菌cbbL單位拷貝數的固碳量）則表現為翻耕土壤顯著高于免耕土壤，這表明DNA水平上的細菌cbbL豐度可能并不總是反映其功能活性[42]。土壤固碳功能的表觀活性可能是表征土壤微生物固碳能力的敏感性指標。不同土地利用方式顯著影響固碳微生物（細菌和藻類）功能基因cbbL的豐度，不同土地利用方式改變了碳同化功能微生物群落組成。發生變化的微生物類群主要是漢氏硝化細菌、嗜酸柏拉紅菌、慢生根瘤菌、伯克氏菌、硫化桿菌等。其中，長期種植水稻顯著促進了紅長命菌生長，而水旱輪作則有益于甲基叔丁基醚降解菌（Methylibiumpetroleiphilum）的生長。這些差異的機制可能是土壤微生物對長期不同耕作方式在其固碳能力差異上的一種響應和反饋策略[45]。而且固定二氧化碳自養菌多樣性隨著土壤類型而顯著變化，主成分分析表明，土壤C/N比和EC值是影響土壤微生物固碳速率和cbbL基因豐度與多樣性的主要環境因子[47]。

基于難于從土壤提取RubisCO酶的問題，建立了“超聲破碎分離提取”土壤固碳關鍵酶RubisCO活性的提取方法，創建了基于土壤RubisCO活性測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數量、固碳關鍵酶RubisCO酶活性高于旱地土壤，遮光后土壤酶活性顯著下降[39]。土壤RubisCO酶活性與細菌cbbL基因拷貝數呈顯著的正相關關系，并同時與土壤微生物CO2的同化作用強弱呈極顯著的正相關關系（P＜0.05）[39,42,48]。這些研究改變了土壤微生物在陸地生態系統碳循環中僅擔負有機質分解、礦化功能的長期認識，豐富了土壤微生物的基本功能和在陸地生態系統碳循環過程中的作用。氧化（amoA）和反硝化（narG、nirK、nirS、nosZ）過程關鍵功能基因豐度對P可利用水平的響應。結果表明，磷肥施用能夠提高缺磷水稻土的反硝化潛力，增加稻田氮損失，增大水稻生長過程中的氮磷共限制風險和溫室氣體（N2O）排放[54]。

圖3 土壤有機質礦化過程對養分元素計量學的響應特征（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 水稻土有機碳周轉的元素計量學驅動機制

生態化學計量學（Ecological Stoichiometry）包括了生態學和化學計量學的基本原理，是在生態學背景下，研究生物系統能量流通與多元素（通常是C、N、P、O、S）平衡的科學，是一種分析多重化學元素的質量平衡對生態交互影響的理論。生態化學計量學是生態學、生物學與土壤學研究領域的新方向，也是研究土壤—植物—微生物系統C、N、P循環的新思路[49]。因此，研究稻田土壤有機質周轉過程的生態化學計量學特征，將有助于深入理解植物—微生物—土壤相互作用的養分調控機理，揭示土壤C、N、P等元素之間的相互作用與平衡制約關系，為闡明稻田生態系統生態化學計量學彈性特征提供理論依據[50-51]。

應用生態化學計量學的原理和方法，從區域景觀單元上，量化了土壤微生物量（C，N，P）與C，N，P元素的生態化學計量關系，提出亞熱帶景觀尺度土壤微生物量C/P 受土壤C/P 控制的觀點。基于定位試驗的進一步研究表明，土壤微生物量碳氮比可以作為一個重要的指標來預測稻田及其他利用方式土壤生產力的強弱，進而指導對土壤生產力的人為調控[52]。

通過盆栽試驗，研究了水稻—土壤系統中有機質礦化轉化過程對養分元素的計量學響應特征。水稻生長過程中根際分泌物輸入的量與速率影響CO2釋放的根際激發效應的方向，表明土壤肥力和根系分泌物的輸入影響著土壤原有有機質的分解與轉化（圖3）[53]。同時，在稻田干濕交替和持續淹水兩種水分管理方式下，定量研究了水稻生長過程中氨

為深入探討土壤養分元素與土壤有機質轉化過程的之間的計量學關系，研究了不同養分元素（N和P）添加條件下的稻田土壤秸稈碳的礦化及其激發效應的計量學特征及其微生物機制[55-56]。研究發現N、P養分元素的添加顯著提高了秸稈的礦化率；秸稈碳礦化產生CO2的速率與土壤中DOC/NH4+-N、DOC/Olsen P和MBC/MBN的比值呈指數正相關關系。土壤中可利用態氮、微生物量碳氮磷計量比以及土壤酶活性計量比通過直接或間接作用影響激發效應的大小與方向。稻田土壤碳的微生物轉化過程既是微生物對土壤中碳氮磷等元素的利用過程，也是基于自身計量學內穩性對土壤生境的反饋調控過程[56]。進一步分析土壤外源碳礦化及其激發效應的微生物計量學調控特征，表明微生物隨碳分解而表現出生長策略的改變響應；土壤元素計量學平衡關系影響土壤微生物群落之間的網絡關系，在養分脅迫條件下，由于微生物對養分的競爭需求使得微生物之間的競爭與協同關系網絡更加復雜（圖4）。

稻田土壤有機碳周轉與累積過程除了受養分元素計量特征和生物因子的影響，非生物因子在此過程中也起到重要作用；水稻土有機碳的分解和微生物利用過程受外源碳來源和有機碳性質的影響，盡管水稻土中持續性輸入的根際沉積碳和微生物同化碳的總輸入量較少，但其對土壤有機碳積累的貢獻率遠大于秸稈等其他碳源[57-58]；而且，淹水水稻土的環境溫度和土壤通氣性通過改變微生物群落結構并限制其活性，降低有機碳的分解礦化速率，使得稻田比旱地更利于有機碳積累[59-60]。該研究對充分理解亞熱帶稻田土壤有機碳微生物轉化過程，構建稻田土壤有機質積累和稻作系統提質增效等關鍵技術體系具有重要意義。

圖4 土壤有機碳礦化過程中微生物對氮磷添加的響應及其計量學調控過程 （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 水稻土有機碳轉化的微觀過程

土壤有機質周轉和固定過程，除了與其有機質的結構，還受有機質所處的生物地球化學微環境特征控制[61]。土壤顆粒堆積而形成的空間孔隙結構會導致土壤中優先流的形成，深刻影響營養物質、微生物和水分的分布，造成極其復雜的土壤微觀環境的異質性[62]。土壤微生物個體尺度在微米級別，微生物群落的作用范圍在微米—毫米尺度的微環境中。然而，傳統的土壤有機質研究方法往往將土壤樣品進行均一化處理，并根據研究目的和操作方式，采用物理分離和化學提取形式，對土壤有機質轉化過程進行研究。這些研究為定性和定量地認識土壤有機碳儲量及其影響因素提供了統一的分析方法和可比較的結果。

然而，基于操作（operational protocol）的整體土壤（bulk soil）研究方法，一定程度上忽略或者割裂原位環境中物理、化學和生物等耦合過程[63-64]。特別是，土壤微環境中微生物在基因、個體或者生物膜和群落水平上如何動態地適應和改造土壤微棲息地的微生態學認識還非常有限。基于非特異性的宏觀測量指標必然會導致有機碳循環“盲人摸象式”的分歧。Kuzyakov和Blagodatskaya[65]認為土壤有機碳的礦化存在活性熱點區域和非熱點區域。因此，揭示有機質在土壤—礦物—微生物相互作用中的微觀空間分布和動態轉化特征是認識和完善土壤有機質穩定機制的重要途徑。

原位檢測技術的發展極大地豐富了我們對土壤有機碳微觀分布特征的認識[63,66]，通過超微切片技術剖析了土壤團聚體結構，證實微生物在土壤微環境中的分布呈現顯著群落聚集性特征。Vogel等[67]利用采用納米次級離子質譜儀（NanoSIMS）發現新輸入的有機質分布在一些粗糙的礦物表面，僅占礦物總面積的19%，表明土壤微環境中存在高異質性的固碳熱區。然而，由于土壤微觀異質性，微區域表面表征技術也只能對得到的樣品進行快照式（snapshot）的研究，難以揭示微生物介導的土壤有機碳動態轉化特征。借助于微流控技術平臺[68]，我們首次發展了適合于追蹤微觀尺度下土壤物理、化學和生物學過程的土壤芯片技術（圖5）[69]：采用圖案化的微陣列技術，將土壤和微生物組裝成高通量的土壤微陣列，并通過加載土壤提取液來培養該陣列，從而實現土壤微界面的動態模擬和監測。土壤芯片具有良好的起始均一性，為連續動態的監測土壤—微生物作用過程提供了可能。同時，該界面也省去復雜的樣品處理過程，可以直接與大量的原位表面檢測技術相結合，實現土壤微界面物理、化學和生物學過程的直接表征。通過偶聯X-射線光電子能譜（XPS）首次展示了典型黑土和紅壤界面上土壤—微生物相互作用的有機、無機元素動力學特征。通過比較兩種土壤微界面形成過程，證實了土壤顆粒微界面是土壤有機無機元素循環的熱點，控制著土壤有機質的轉化和積累過程。盡管在芯片上恢復的微生物過程有別于原位土壤微環境，但是土壤芯片技術克服了土壤微觀異質性帶來的動態檢測障礙，能夠可控的構建土壤微環境條件，為動態追蹤微界面過程提供了有力的模型方法。此外，土壤芯片技術還能和土壤生態系統的其他組分，如根等聯合，這將為認識地下生態系統過程提供全新的微觀視角。

圖5 基于土壤芯片技術的土壤微環境過程研究的技術框架Fig. 5 Technical framework of soil microenvironment process research based on soil chip technology

7 亞熱帶水稻土固碳減排機制與稻草優化管理模式

農業溫室氣體排放源中，稻田是貢獻較大者之一，全球稻田年排放CH4達到20～100 Tg，占到全球CH4人為排放的5%～28%[70]。但稻田同時也具有很大的固碳潛力，《京都議定書》已將包括土壤在內的陸地生態系統增匯作為減排機制之一。研究表明我國稻田年固碳量可達0.13～2.20 tC/hm2[71]，這主要是通過秸稈還田和施用一些有機物料實現的。基于田間試驗，系統定量了秸稈源生物質炭施用（一次性施用量24 t/hm2和48 t/hm2）對CH4、N2O、土壤異氧呼吸（Rh）和溫室氣體凈排放的影響。連續4年定位監測研究結果表明，生物質炭施用持續降低了稻田CH4排放，年降幅可達20%～51%[72-73]。相比與秸稈直接還田大幅增加稻田CH4排放[74]，通過將秸稈轉化為秸稈源生物質炭再還田，可大幅減少稻田的CH4排放[75]?；谵r田水氮管理模型（WNMM）模擬結果表明，生物質炭施用產生的土壤Eh上升是導致稻田CH4排放降低的主要原因，模擬結果表明生物質炭施用增加土壤 Eh 達30～40 mV，模擬的CH4排放量與觀測值具有較好的相關性（決定系數＞0.73）[76]。

圖6 稻田施用生物質炭固碳減排機制Fig. 6 The mechanism of carbon sequestration and emission reduction with biochar application in paddy fields

通過對田間條件下稻田產甲烷菌和甲烷氧化菌豐度與群落結構進行測定表明，生物質炭施用導致的稻田土壤產甲烷菌豐度及產甲烷菌豐度/甲烷氧化菌豐度比值的下降是導致CH4排放的主要原因，這從微生物機制方面揭示了生物質炭導致稻田CH4排放降低的主要原因（圖6）。同時，利用丘陵區稻田、旱地毗鄰的特色，將稻草轉移到旱地和園地土壤（即稻草“易地還土”），既可徹底消除其直接還田誘發大量CH4排放的弊端，又可解決旱地改良有機資源不足的問題。定位試驗結果表明稻草“易地還土”8年使新墾旱地的耕層土壤有機碳含量增加10%～15%，其固碳量比施用化肥高2.2 t/hm2，增產幅度達10%，提出了基于丘陵區稻草“易地還土”的固碳減排新措施[77]。

生物質炭施用4年內平均增加稻田土壤N2O排放達10%～11%[73]。增加的N2O排放主要發生在生物質炭施用的當年，這與生物質炭施用后增加了土壤無機氮有關[75]。生物質施用的后3年，稻田N2O排放與對照處理無顯著差異。生物質炭施用平均增加稻田Rh達2%～12%，Rh排放量隨生物質炭施用量的增加而增加。生物質炭施用導致的Rh增幅主要表現在生物質炭施用后的前2年，施用的后2年增幅較小，這與生物質炭自身所含有的易分解有機碳在施用前期分解有關[72]。生物質炭施用顯著增加了土壤總有機碳含量，增幅可達33%～61%[73]。綜合考慮土壤有機碳變化、CH4和N2O排放，4年內生物質炭施用分別降低溫室氣體凈排放（NGHGE）和單位產量溫室氣體凈排放達156%～264%和159%～278%[73]。稻田施用生物質炭可以大幅降低稻田CH4排放，提高稻田土壤總有機碳含量，可以作為稻田固碳減排的措施。

8 研究發展趨勢與科學問題展望

水稻土碳循環的生物地球化學特點與長期固碳效應（包括全球氣候變化）已經成為當前研究的熱點問題。而關于土壤有機質積累的物理—化學—生物穩定機制更是受到土壤學界廣泛的關注。國際地圈與生物圈計劃（IGBP）、陸地生態系統與全球變化（GCTE）等國際大型研究計劃均將生物地球化學最為重要的研究方向。我國不僅對水稻土的農業生產功能有巨大的需求，而且生態環境保護和履行緩解全球氣候變化的國際義務也相當艱巨。我國已經是世界第二大CO2排放國，并隨著經濟快速持續的發展對能源消費的需求還會不斷地增加。因此，水稻土的有機質積累及其穩定機制、生產力持續與生態環境協調研究，既符合當前國際前沿發展方向，又與國家糧食安全和生態環境建設的重大需求密切相關。

盡管目前在領域的研究中大量采用了同位素示蹤與微生物分子生物學相結合的技術，但仍有諸多重要指標和層次研究的方法學尚不具備。其一，對有機碳在土壤中轉化的中間產物的種類及其比例的測定。其二，參與土壤有機碳轉化的關鍵微生物功能種群的機理研究方法，熏蒸—浸提法和同位素示蹤方法都將土壤微生物作為一個整體（即用微生物生物量來反映），不能直接反映功能種群層次的過程機理，而當前的生物分子（DNA、RNA和蛋白組學）指標尚未建立起與土壤生物化學參數的定量關系。其三，基于自然土體的研究方法，目前的測定方法只適用于經過前處理使樣品顆粒和水分狀況基本均勻，其結構遭到一定程度的破壞，有可能使其生物化學狀況與自然土體的偏差。其四，土壤的生物化學過程被認為主要發生在土壤微結構之中，包括顆粒表面、團聚體內部、植物根系等界面，這些層面的研究方法有待于建立。因此，通過以上分析，目前對水稻土碳循環的生物地球化學特點及其生態環境效應的認識仍然相當有限，特別是下列關鍵科學問題：

8.1 水稻土有機碳積累、持續生產力和微生物過程的內在機制研究

系統研究稻田生態系統生產力演變、系統關鍵生源要素（碳、氮等）循環過程、土壤微生物種群結構特點與功能、關鍵生態服務功能及其相互作用機制的系統研究，闡明稻田生態系統生產力可持續性的內在機理與關鍵驅動機制。

8.2 水稻土關鍵功能微生物（群）參與機制研究。

土壤碳循環過程研究的難點是微生物轉化過程的研究，而土壤碳轉化過程研究的難點是對微生物參與過程的認識?！胺菍Ｐ赃^程”是土壤碳轉化的主要過程，土壤中大多數微生物都可以參與，但微生物如何參與，哪些微生物優先參與仍不清楚；在復雜的微生物環境中，各種微生物之間是競爭機制還是條件控制機制是有待揭示的科學問題。對微生物參與機制和過程的認識將促進土壤碳氮循環過程調控的研究。

8.3 土壤碳循環過程的微生物作用微觀機制研究。

土壤微結構、團聚體和微界面過程可能在土壤碳氮循環的微生物過程中發揮著極其關鍵的作用。應用微流控芯片技術、超高分辨率顯微鏡成像技術與同位素示蹤技術相結合的納米二次離子質譜技術（NanoSIMS），從毫米、納米、單細胞等微觀尺度上多角度原位解析稻田“新”、“老”有機碳氮組分的區分，剖析土壤微生物與土壤有機碳、有機—無機氮之間的相互作用特點，探討碳氮周轉—微結構—微生物聯動關系與微觀過程。