稻田土壤固碳研究的進(jìn)展

稻田土壤固碳研究的進(jìn)展

現(xiàn)在，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（picc）的第四次評(píng)估報(bào)告已正式提交，并已獲得2007年諾貝爾和平湖獎(jiǎng)。世界氣候的快速變化及其不斷增加的溫室氣體關(guān)系被認(rèn)為是不可否認(rèn)的事實(shí)。為了緩解氣候變化，減少溫室氣體排放，增加碳結(jié)合是主要任務(wù)。促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的固定及其穩(wěn)定、減少溫室氣體排放已經(jīng)被國(guó)際社會(huì)廣泛接受為減緩氣候變化的主要途徑之一。關(guān)于中國(guó)土壤特別是農(nóng)田土壤的固碳減排與應(yīng)對(duì)氣候變化的意義我們已有專(zhuān)門(mén)報(bào)告。本文在簡(jiǎn)要回顧近年來(lái)關(guān)于土壤碳循環(huán)研究進(jìn)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,討論我國(guó)水稻土固碳研究的主要進(jìn)展和存在問(wèn)題,提出今后的研究展望,期望為今后的進(jìn)一步研究提供參考。1國(guó)際合作與國(guó)際有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展:土壤有機(jī)碳循環(huán)研究最近3年多以來(lái),陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化領(lǐng)域主要的研究熱點(diǎn)包括:(1)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)與未來(lái)的演變態(tài)勢(shì);(2)固碳與減排的長(zhǎng)期效應(yīng)及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性;(3)陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的反饋機(jī)制與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、穩(wěn)定性的關(guān)系。在研究方法學(xué)及技術(shù)途徑上發(fā)展的主要趨勢(shì)是:(1)地球生物學(xué)作為方法學(xué)思路和途徑越來(lái)越得到廣泛的運(yùn)用;(2)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與氣候變化的相互作用越來(lái)越在全球變化研究中得到重視;(3)作為地球系統(tǒng)綜合觀測(cè)與監(jiān)測(cè)體系的一部分,長(zhǎng)期的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)與各系統(tǒng)間耦合模型的開(kāi)發(fā)越來(lái)越作為全球變化研究的主要技術(shù)依托;(4)地下部生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與動(dòng)態(tài)研究,特別是土壤-植物-微生物的相互作用機(jī)制成為碳循環(huán)與氣候變化關(guān)系機(jī)理研究的主要尺度。土壤碳循環(huán)研究主要是對(duì)土壤中有機(jī)碳行為的研究(因?yàn)闊o(wú)機(jī)碳的更新時(shí)間尺度太長(zhǎng))。近年來(lái)關(guān)于土壤有機(jī)碳性質(zhì)、功能及其變化在全球變化中的意義有許多新的研究認(rèn)識(shí)。土壤碳在全球氣候變化中的作用實(shí)際上是有機(jī)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)(大小、尺度、速率)對(duì)氣候變化的控制作用。因此,它不但關(guān)系著土壤肥力,而且更重要的是關(guān)系著在全球氣候變化和生物多樣性發(fā)育上的服務(wù)功能。Janzen提出對(duì)有機(jī)質(zhì)(碳)循環(huán)的研究,需要更多地注意其對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,正是基于這一點(diǎn),全球?qū)τ谟袡C(jī)農(nóng)業(yè)的呼聲不斷高漲(有機(jī)農(nóng)業(yè)提高了土壤的有機(jī)碳含量,同時(shí)促進(jìn)了土壤的生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能)。當(dāng)前,土壤有機(jī)質(zhì)(碳)循環(huán)研究的兩大代表性方面和重點(diǎn)是:(1)土壤碳庫(kù)及其增長(zhǎng)的潛力、碳匯效應(yīng);(2)土壤碳的穩(wěn)定性與生物利用性及其對(duì)氣候變化的反饋。為了增進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯,減緩全球氣候變化,作為土壤有機(jī)碳循環(huán)研究的新領(lǐng)域——固碳土壤學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。概略地說(shuō),土壤碳循環(huán)與全球變化研究的主要熱點(diǎn)和進(jìn)展是:(1)在土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)與固碳潛力和趨勢(shì)研究上,已經(jīng)初步明確全球農(nóng)業(yè)固碳與溫室氣體減排的自然總潛力(Totalbiophysicalpotential)高達(dá)5500～6000MtCO2-eqa-1,其中90%來(lái)自減少土壤CO2釋放(即固定土壤碳),不足10%可以通過(guò)其他溫室氣體的減排而達(dá)到。在地區(qū)分布上,東南亞是全球最大的農(nóng)業(yè)(土壤)固碳與溫室氣體減排的潛力所在。土壤固碳的有效期可達(dá)25～40a,不同管理下土壤固碳水平和速率有較大差異,免耕下固碳水平遠(yuǎn)高于其他管理下;草地較農(nóng)田固碳的有效期限長(zhǎng),在農(nóng)業(yè)上改變輪作(碳流通)較改變耕作(碳保護(hù))固碳有效期限長(zhǎng);(2)在土壤固碳機(jī)理與生物物理因素控制研究上,認(rèn)識(shí)到土壤有機(jī)碳提高和增多來(lái)源于作物碳的輸入和土壤的固定和穩(wěn)定作用,不同的施肥管理下、大氣CO2濃度升高下有機(jī)碳的提高主要?dú)w結(jié)于前者;而免耕下的提高主要是因?yàn)閳F(tuán)聚體的保護(hù)和穩(wěn)定,其機(jī)制涉及土壤團(tuán)聚體物理保護(hù),有機(jī)碳在土壤中的化學(xué)轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定化、與土壤礦物質(zhì)的結(jié)合穩(wěn)定(除了與黏粒結(jié)合保護(hù)作用外,這種作用還包括土壤中氧化鐵的鍵合保護(hù),并可能涉及新碳化合物被老碳的捕獲);(3)在土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)與生物區(qū)系動(dòng)態(tài)及生物多樣性發(fā)育的關(guān)系研究上,初步明確土壤微生物特別是根際土壤微生物區(qū)系的變化是調(diào)節(jié)積累新碳的進(jìn)一步動(dòng)態(tài)的主因,這反過(guò)來(lái)影響碳循環(huán)對(duì)氣候變化的反饋。不同條件下土壤碳積累的差異不但影響微生物數(shù)量,可能更影響其功能群的變化。例如CO2升高試驗(yàn)下響應(yīng)于碳的積累和C/N的提高,土壤中真菌數(shù)量明顯增多,這反過(guò)來(lái)減緩了新碳的循環(huán)速率。這也構(gòu)成觀察到的固碳下土壤生物多樣性及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改善的原理,有機(jī)農(nóng)業(yè)下有機(jī)碳明顯積累,生物多樣性得到維持和提高,微生物功能群的豐富使這種農(nóng)業(yè)模式具有高度可持續(xù)性。故在生物多樣性公約實(shí)施中,聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織特別重視土壤生物多樣性保持與可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。我國(guó)一些有機(jī)無(wú)機(jī)配合施肥下的稻田和旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中固碳和生產(chǎn)力提高及其穩(wěn)定性與生物多樣性也呈現(xiàn)十分明顯的耦合(見(jiàn)后述)。因此,土壤固碳與土壤可持續(xù)性的密切耦聯(lián)關(guān)系日益成為碳循環(huán)與全球變化—可持續(xù)發(fā)展多學(xué)科研究的活躍領(lǐng)域。但是,關(guān)于土壤有機(jī)碳積累中碳庫(kù),特別是動(dòng)力學(xué)碳庫(kù)分配及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)與反饋效應(yīng)還存在很多不確定性,尤其是在有機(jī)質(zhì)組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)礦化潛力與溫室氣體釋放潛力的關(guān)系的認(rèn)識(shí)上有不一致的結(jié)果。最近,Kemmitt等研究認(rèn)為,土壤本土有機(jī)質(zhì)礦化不受土壤微生物生物量及其活性與區(qū)系組成的影響;同理,Vanhala等研究不同玉米種植歷史的農(nóng)田土壤有機(jī)碳的礦化,表明是老碳更靈敏地響應(yīng)于升溫下的微生物分解;不過(guò),也有報(bào)道提出,活性碳庫(kù)和穩(wěn)定碳庫(kù)對(duì)于升溫的反應(yīng)是相似的.然而,Rinna等應(yīng)用土壤芯的田間長(zhǎng)期培養(yǎng)方法,研究了添加秸稈對(duì)土壤微生物及有機(jī)碳礦化的影響,表明升溫下土壤微生物生長(zhǎng)明顯得到促進(jìn),土壤中DOC/DON明顯升高。他們認(rèn)為,土壤微生物活性是影響全球變化中碳平衡的重要控制因素。然而,對(duì)于固碳中的新碳積累是否會(huì)因微生物分解的起爆效應(yīng)而提高土壤有機(jī)質(zhì)礦化而增加溫室氣體釋放,至今沒(méi)有一致的認(rèn)識(shí),這因采用單獨(dú)土壤培養(yǎng)還是根際系統(tǒng)的培養(yǎng)而異,以及因野外長(zhǎng)期試驗(yàn)還是實(shí)驗(yàn)室短期培養(yǎng)而異。2國(guó)際農(nóng)業(yè)土壤固碳過(guò)程和機(jī)制的前沿發(fā)展方向和趨勢(shì)2.1對(duì)農(nóng)田土壤固碳的影響近5年來(lái),將MetaAnalysis方法用于分析不同尺度、不同條件下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的幅度與控制因素上得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。主要是針對(duì)歐美國(guó)家的一些主導(dǎo)農(nóng)業(yè)因素,利用調(diào)查資料和長(zhǎng)期試驗(yàn)資料進(jìn)行多尺度、多因素統(tǒng)計(jì)分析,辨析不同因素對(duì)土壤固碳的整體影響與區(qū)域差異。West和Post發(fā)表了對(duì)全球100多個(gè)國(guó)家的土壤肥料長(zhǎng)期試驗(yàn)地土壤碳動(dòng)態(tài)的分析報(bào)告,評(píng)價(jià)了全球通過(guò)合理輪作和耕作措施可以促進(jìn)土壤固碳的潛力;Ogle等發(fā)表了對(duì)全球不同氣候帶100多個(gè)土壤與農(nóng)業(yè)管理的長(zhǎng)期試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究點(diǎn)的分析報(bào)告,評(píng)價(jià)了不同的農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤固碳的影響強(qiáng)度及其隨氣候條件的變化。新近,West和Six應(yīng)用這種方法分析美國(guó)農(nóng)田土壤的固碳速率、有效期與飽和容量問(wèn)題。這種方法在認(rèn)識(shí)土壤的固碳容量、評(píng)價(jià)全球土壤和農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的自然潛力、評(píng)估土地利用覆蓋與全球環(huán)境變化下通過(guò)區(qū)域有機(jī)碳庫(kù)演變對(duì)固碳與減排潛力的變化趨勢(shì)上具有重要的價(jià)值。類(lèi)似的仍將是今后一個(gè)時(shí)期土壤固碳研究的重要內(nèi)容。我國(guó)學(xué)者黃耀和孫文娟、吳樂(lè)知和蔡祖聰應(yīng)用這種方法分別分析和評(píng)價(jià)我國(guó)農(nóng)田土壤近20年來(lái)的固碳趨勢(shì),半定量地估計(jì)了我國(guó)土壤碳庫(kù)的增長(zhǎng)。新近,采用類(lèi)似方法,對(duì)文獻(xiàn)上農(nóng)田土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)資料的統(tǒng)計(jì)分析,我們得以定量揭示自土壤普查以來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤表土有機(jī)碳庫(kù)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2.2同位素標(biāo)記與plfa的偶聯(lián)分析同位素地球化學(xué)示蹤技術(shù)與微生物生態(tài)分析技術(shù)被聯(lián)合用于分析土壤-植物系統(tǒng)碳的遷移與轉(zhuǎn)化,特別是根際碳流與微生物利用,也用來(lái)研究對(duì)不同組分和動(dòng)力學(xué)碳庫(kù)的微生物分解。自Butler等發(fā)表了應(yīng)用穩(wěn)定性同位素13C標(biāo)記-磷脂脂肪酸(PLFA)技術(shù)研究根際碳流和碳基質(zhì)利用的微生物生態(tài)差異,從而認(rèn)識(shí)到在不同的植物生長(zhǎng)期,利用根際碳沉積的微生物區(qū)系存在明顯的動(dòng)態(tài)變化以來(lái),13C/15N同位素標(biāo)記與PLFA偶聯(lián)分析廣泛應(yīng)用于研究土壤更新中微生物群落變化。Stemmer等應(yīng)用GC-c-IRMS(氣相色譜儀-同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用)研究報(bào)道了瑞士一個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)地添加玉米秸稈和重金屬脅迫下的微生物分解和13C標(biāo)記的微生物PLFA組成變化,表明對(duì)玉米秸稈輸入和分解,細(xì)菌較真菌敏感,重金屬脅迫下秸稈分解較慢。同樣,Kandeler等應(yīng)用13C-PLFA技術(shù)研究FACE條件下植物-微生物相互作用,通過(guò)真菌13CPLFA的增多而認(rèn)識(shí)到FACE下碳基質(zhì)的改變,使微生物區(qū)系中真菌優(yōu)勢(shì)度提高,從而推斷FACE條件下碳循環(huán)速率可能減緩;Dijkstra等提出了微生物生物量碳同位素測(cè)定方法。不久,Schwartz等通過(guò)對(duì)微生物DNA提取技術(shù)的改進(jìn),提出了測(cè)定微生物DNA同位素C、N的方法,這種方法可能較微生物生物量C、N同位素測(cè)定的分辨率更高且更為可靠。自然和人工標(biāo)記的13C(15N)-PLFA技術(shù)可以用來(lái)研究土壤微生物對(duì)不同植物來(lái)源的碳基質(zhì)的選擇性利用、C-3和C-4植物土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。同位素探針技術(shù)還與有機(jī)碳組分分組技術(shù)(例如Py-GC-MS)、土壤酶分析技術(shù)聯(lián)用,研究土壤團(tuán)聚體中碳基質(zhì)分配與微生物區(qū)系變化及酶物質(zhì)的分布以及與13CO2同位素分析聯(lián)用,研究新碳輸入下(或根際沉積下)土壤有機(jī)碳分解的起爆效應(yīng)。2.3有機(jī)碳系統(tǒng)的新變化和碳源的選擇性利用目前主要是以根際為對(duì)象,研究通過(guò)根系沉積的植物新鮮有機(jī)碳(youngC)的輸入、轉(zhuǎn)化和分解以及伴隨的微生物生態(tài)變化,特別是DOC的輸入和動(dòng)態(tài)。Liang等采用盆栽方法通過(guò)13C穩(wěn)定性同位素測(cè)定研究了玉米新碳在快庫(kù)中的分布,認(rèn)為土壤中水溶性有機(jī)碳(DOC)和微生物碳(SMBC)是植物貢獻(xiàn)的新碳的主要?dú)w宿。有研究表明,輸入土壤的DOC量的相對(duì)多寡與不同作物的根系生長(zhǎng)的長(zhǎng)度密度指數(shù)(Rootlengthdensity,RLD)有關(guān)。關(guān)于植物貢獻(xiàn)的DOC與土壤碳的關(guān)系,Janssen等研究認(rèn)為,DOC可能是代表土壤中快庫(kù)碳固定的指標(biāo),相似地,Franzluebbers等的研究提出,較高的POC/TOC和較高的POC/PON有利于物理保護(hù)的土壤固碳。真菌菌根在利用根系新碳時(shí)分泌的DOC則有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,被保護(hù)的有機(jī)碳含量增加。但最近Max等采用同位素13C探針技術(shù)研究植物根際沉積新碳的去向,表明其主要貢獻(xiàn)于微生物量碳、呼吸碳和轉(zhuǎn)化為土壤本體有機(jī)質(zhì),而DOC并不主要來(lái)源于新碳。Butler等報(bào)道了應(yīng)用13C標(biāo)記技術(shù)研究不同微生物對(duì)光合產(chǎn)物根際沉積的利用,表明在不同生長(zhǎng)階段植物根系沉積的光合產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)有異,因而參與這些新碳的微生物種群(包括細(xì)菌和真菌的相對(duì)比例)發(fā)生變化。Bader等研究認(rèn)為,不同類(lèi)型作物根系碳沉積的量和碳基質(zhì)不同,因而對(duì)根際土壤微生物區(qū)系的變化和碳基質(zhì)的影響因作物而異,但根系沉積均刺激了土壤微生物,從而提高了根際和本體土壤的有機(jī)質(zhì)礦化。Billings和Ziegler在運(yùn)用13C標(biāo)記PLFA技術(shù)探討FACE條件下有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與碳固定效應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)FACE條件下不同基質(zhì)利用型的細(xì)菌群落與相對(duì)活性發(fā)生了變化,分解較難分解有機(jī)碳的細(xì)菌群落活性有增強(qiáng)的趨勢(shì)。有機(jī)碳化學(xué)組分與結(jié)構(gòu)對(duì)微生物利用影響的研究近年來(lái)有日益活躍的趨勢(shì)。Leinweber等對(duì)一個(gè)長(zhǎng)期黑麥草單作農(nóng)田不同施肥處理下有機(jī)碳分解研究認(rèn)為,土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成及穩(wěn)定性控制微生物呼吸分解和酶活性。而Fontaine等指出,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,植物的碳輸入與土壤碳水平是負(fù)相關(guān)的,在農(nóng)田中微生物處于養(yǎng)分限制條件下,土壤的碳分解加速,碳庫(kù)快速消減。他們強(qiáng)調(diào),在土壤碳固定研究中急需了解土壤-作物系統(tǒng)中碳輸入與固碳過(guò)程間的微生物作用機(jī)理。新近,開(kāi)始關(guān)注同種作物不同的品種和基因型差異對(duì)土壤碳循環(huán)的影響。Kondo等用11個(gè)不同基因型水稻進(jìn)行不同水分(好氣、干燥條件;好氣濕潤(rùn)條件和淹水)及不同氮水平(不施氮和施氮90kghm-2)下的田間試驗(yàn),表明不同基因型的同位素分異較產(chǎn)量的分異更強(qiáng),這種同位素分異在不同的水分和氮素水平下均存在。并且,秈稻的同位素差異較粳稻更明顯。高濕和低氮顯著促進(jìn)這種同位素的分異效應(yīng),同種條件下基因型決定的差異較水分的影響更強(qiáng)。這種不同基因型的同位素分異與水分的蒸散效率有關(guān)?？磥?lái),作物及基因型的差異將會(huì)影響有機(jī)碳的同位素差異,并由于土壤微生物對(duì)不同同位素碳源的選擇性利用而可能影響水稻土有機(jī)碳更新。例如,Picard等最近報(bào)道,將玉米的雜交母本與它們的雜交種比較,母本和雜交種根際微生物種群和叢枝菌根的產(chǎn)生量明顯不同,這提出了與不同基因型碳基質(zhì)選擇性利用有關(guān)的微生物生理生態(tài)遺傳問(wèn)題。這些研究足以使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到,不同作物下根系分泌物化學(xué)組分的差異,使根際微生物出現(xiàn)選擇性利用。Liu等通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)土壤微生物影響的研究提出了不同作物基因型可能導(dǎo)致微生物區(qū)系的變化,或者基因蛋白質(zhì)對(duì)微生物的可能改變,同樣可能使土壤有機(jī)質(zhì)的輸入物的性質(zhì)與碳源可利用性發(fā)生改變,因而影響有機(jī)質(zhì)的更新與循環(huán)。Rangel-Castro等運(yùn)用13C脈沖標(biāo)記技術(shù)研究了施石灰對(duì)草地植物光合作用和植物-土壤碳流的影響,說(shuō)明了土壤活性碳組分的同位素豐度以及碳更新速率受到地上部的影響。前述Butler等的研究也表明,植物生長(zhǎng)中由于輸出碳源物質(zhì)的演變誘導(dǎo)了微生物碳源利用的選擇性,因而在不同的植物生長(zhǎng)階段,參與活躍有機(jī)碳更新的微生物種群表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化。穩(wěn)定性同位素標(biāo)記與微量樣品同位素分析技術(shù)以及微生物分子生態(tài)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)微生物在碳更新中的作用的了解正在進(jìn)一步深入。2.4長(zhǎng)期試驗(yàn)和觀測(cè)研究發(fā)源于1884年在英國(guó)洛桑的土壤-農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)曾經(jīng)在土壤肥料、養(yǎng)分利用與高產(chǎn)管理實(shí)踐等方面對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。今天看來(lái),這些長(zhǎng)期試驗(yàn)在土壤碳循環(huán)研究中也發(fā)揮著越來(lái)越明顯的作用。著名的Rotham-C模型就是在洛桑長(zhǎng)期試驗(yàn)的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)資料上研發(fā)的。許多關(guān)于全球和區(qū)域有機(jī)碳動(dòng)態(tài)與土壤固碳容量、潛力和期限的估計(jì)來(lái)自對(duì)這些長(zhǎng)期試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)和跨地域分析(cross-sitestudy),例如West、Izaurralde等的工作。長(zhǎng)期試驗(yàn)代表了土壤-農(nóng)作生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期和穩(wěn)定的趨勢(shì),因此對(duì)于土壤碳循環(huán)的長(zhǎng)期過(guò)程、動(dòng)態(tài)及其生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理研究來(lái)說(shuō),基于長(zhǎng)期試驗(yàn)和觀測(cè)的研究是十分關(guān)鍵的。在分布于全球各大洲的600多個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)(站)上,有許多關(guān)于作物生產(chǎn)力、土壤有機(jī)質(zhì)與肥力、土壤碳庫(kù)的演變的研究。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)的長(zhǎng)期趨勢(shì)、有機(jī)質(zhì)與作物生產(chǎn)力以及生物多樣性的關(guān)系、有機(jī)質(zhì)積累的基本特征都是在長(zhǎng)期試驗(yàn)條件下研究而認(rèn)識(shí)的。為了研究全球氣候變化對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)的影響,諸如FACE、土壤或空氣升溫這樣新的長(zhǎng)期試驗(yàn)也在全球不同區(qū)域布設(shè)和進(jìn)行觀測(cè),并開(kāi)始研究土壤-植物(作物)-微生物相互作用下的碳循環(huán)。最近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者越來(lái)越多地研究長(zhǎng)期試驗(yàn)下土壤-作物系統(tǒng)碳積累、生產(chǎn)力以及生物多樣性變化等特征(見(jiàn)后述)。當(dāng)前,國(guó)際上試圖通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化推動(dòng)野外和長(zhǎng)期效應(yīng)的土壤碳循環(huán)研究。3水稻土表土有機(jī)碳含量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系水稻土是我國(guó)特色的人為土壤類(lèi)型,而稻作農(nóng)業(yè)被國(guó)內(nèi)農(nóng)學(xué)家和土壤學(xué)家共認(rèn)是生產(chǎn)能力高、土壤質(zhì)量相對(duì)較好的我國(guó)特色的農(nóng)業(yè)資源利用方式。第二次全國(guó)土壤普查時(shí)水稻土面積為近3×107hm2。稻田農(nóng)業(yè)仍然是保證我國(guó)糧食安全的主要支撐。在我國(guó)農(nóng)田土壤中,水稻土是有機(jī)碳含量水平較高、當(dāng)前固碳趨勢(shì)明顯而固碳潛力較大的特色耕作土壤。因此,稻田農(nóng)業(yè)固碳與碳循環(huán)研究不僅關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力建設(shè),而且與我國(guó)未來(lái)糧食安全和整個(gè)農(nóng)業(yè)體系的可持續(xù)發(fā)展有關(guān)。關(guān)于稻田固碳研究的主要進(jìn)展和問(wèn)題如下:(1)對(duì)水稻土碳庫(kù)與有機(jī)碳固定潛力已有充分的研究和積累。有許多學(xué)者利用第二次土壤普查資料研究和估計(jì)了我國(guó)水稻土(稻田土壤)的有機(jī)碳密度與儲(chǔ)量。已經(jīng)明確認(rèn)識(shí)到,水稻土具有高的碳密度及顯著的固碳能力。水稻土是我國(guó)耕地十大土類(lèi)中面積最大,而唯一一個(gè)耕層有機(jī)質(zhì)平均值高達(dá)25gkg-1的耕作土壤,平均表土碳密度為46.91±25.73thm-2,而全國(guó)耕作土壤的平均表土碳密度為38.41±31.15thm-2,旱地為35.87±32.77thm-2,水稻土高出旱地耕作土壤約11thm-2。近20年來(lái),水稻土中普遍存在固碳趨勢(shì),且在南方大于北方。李忠佩等對(duì)江西紅壤丘陵水稻土、吳金水課題組對(duì)湖南丘陵和洞庭湖濕地區(qū)和我們對(duì)太湖地區(qū)縣域等的調(diào)查統(tǒng)計(jì)研究以及區(qū)域尺度的不同利用的農(nóng)田的比較統(tǒng)計(jì)均充分表明,不同耕作利用下以稻田土壤有機(jī)質(zhì)水平較高,固碳效應(yīng)顯著且速率較旱地快。試驗(yàn)研究和模型的研究均認(rèn)識(shí)到水稻土快速的有機(jī)碳積累與水稻生產(chǎn)能力的提高而增加了作物碳對(duì)土壤的輸入有關(guān)。當(dāng)然,施肥、土壤類(lèi)型、耕作制度和其他農(nóng)田管理均可以很大程度上影響和調(diào)控水稻土的固碳強(qiáng)度,且可以調(diào)控的幅度還高于旱地[90,91,92,93,94,95],因此,水稻土固碳與減排較旱地農(nóng)田土壤具有更大的潛力。這方面的研究還表現(xiàn)在對(duì)水稻土固碳飽和(固碳容量)水平的初步探索。一些長(zhǎng)期試驗(yàn)資料顯示,南方水稻土表土有機(jī)碳趨近于26～28gkg-1,秸稈還田下特別是免耕下有機(jī)碳飽和水平可能明顯提高[84,85,86,88,95,96,97,98],在云南高產(chǎn)水稻土表土有機(jī)碳高達(dá)35gkg-1。李忠佩等對(duì)江西紅壤地區(qū)的調(diào)查表明當(dāng)前的平衡值約20gkg-1;我們對(duì)南方幾個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)稻田土壤的Cross-site研究表明,其物理飽和量可達(dá)26gkg-1,這恰好與我們通過(guò)對(duì)全國(guó)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)資料的MetaAnalysis分析而提出的稻田土壤有機(jī)碳飽和值27gkg-1相當(dāng)。這些結(jié)果高于尹云峰等對(duì)華北平原旱地的平衡值(<10gkg-1)估計(jì),也明顯高于應(yīng)用DNDC模擬的南方地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳飽和值10～15gkg-1。關(guān)于土壤表土固碳水平與全土固碳水平的關(guān)系、固碳中碳庫(kù)的土壤分配與分布的關(guān)系還很少報(bào)道。我們對(duì)太湖地區(qū)三種典型的發(fā)生類(lèi)型(潴育型、側(cè)滲型、脫潛型)的土壤碳庫(kù)水平與土壤剖面分配的研究表明,水稻土碳庫(kù)主要(60%～70%)分布在表土30cm深度,隨著有機(jī)碳的積累,有機(jī)碳的表土分配提高。而20a的長(zhǎng)期不同肥料處理下黃泥土有機(jī)碳密度差異僅表現(xiàn)在表土,而深層土壤差異不顯著。因此,由表土碳密度推測(cè)估計(jì)全土的碳密度時(shí),會(huì)因土壤類(lèi)型和有機(jī)碳水平的差異而存在更大的不確定性;表土碳庫(kù)增加與全土庫(kù)量增加的關(guān)系對(duì)于合理估計(jì)稻田固碳減排的總潛力是十分關(guān)鍵的,需要對(duì)不同的土壤發(fā)生類(lèi)型的水稻土、不同的農(nóng)作管理實(shí)踐(輪作與耕作、施肥、栽培品種的沿革)的影響作進(jìn)一步的定量解析,以合理估計(jì)稻田土壤全土固碳潛力,特別是深層固碳的潛力。(2)在團(tuán)聚體水平上對(duì)水稻土固碳機(jī)理進(jìn)行了多方面探討。近幾年來(lái),對(duì)南方紅壤性水稻土、太湖地區(qū)水稻土、四川紫色盆地水稻土在不同施肥和耕作輪作下的有機(jī)碳積累與團(tuán)聚體分布有很多的研究。作為一種共同的趨勢(shì),稻田有機(jī)碳積累伴隨著粗團(tuán)聚體的形成和增多,而細(xì)團(tuán)聚體(<250μm)相應(yīng)減少,新積累的碳主要賦存于>250μm團(tuán)聚體[99,102,103,104,105,106,107,108],特別是活性較高的顆粒態(tài)有機(jī)碳(POM)主要存在于較粗的團(tuán)聚體[98,103,108,109,110]1。這就認(rèn)識(shí)到新碳在較粗團(tuán)聚體中的物理保護(hù),因?yàn)檫@些團(tuán)聚體中微生物量和酶活性明顯高于較細(xì)的粉砂級(jí)團(tuán)聚體。對(duì)江漢平原不同利用下土壤的團(tuán)聚體與有機(jī)碳積累的比較也表明,稻田土壤的團(tuán)聚體有機(jī)碳物理保護(hù)能力高于旱地土壤。不同土壤發(fā)生類(lèi)型、不同管理方式間團(tuán)聚體有機(jī)碳的積累量具有明顯差異。對(duì)南方三種代表性水稻土20a以上長(zhǎng)期試驗(yàn)下團(tuán)聚體有機(jī)碳分配進(jìn)行了對(duì)比研究,紅壤性水稻土、紫色水稻土和太湖地區(qū)典型的潴育型水稻土(黃泥土)中,良好施肥和耕作管理下有機(jī)碳的物理保護(hù)能力以紅壤性水稻土為最強(qiáng),紫色水稻土形成和穩(wěn)定粗團(tuán)聚體的能力較弱。進(jìn)一步進(jìn)行團(tuán)聚體中有機(jī)碳結(jié)合形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),粗團(tuán)聚體中積累的有機(jī)碳化學(xué)活潑性較高(LOC/TOC比值較大),而較細(xì)的團(tuán)聚體中則較低。不同土壤對(duì)比,同樣是粗團(tuán)聚體中,紅壤水稻土中鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)占優(yōu)勢(shì),而紫色水稻土中以鈣結(jié)合態(tài)明顯較高,它們分別與LOC/TOC比值成負(fù)的和正的相關(guān)關(guān)系。而良好管理下積累的新碳以氧化鐵結(jié)合態(tài)較多。這些結(jié)果使我們認(rèn)識(shí)到,作物根系輸入新碳首先通過(guò)粗團(tuán)聚體的物理保護(hù)而積累,進(jìn)而經(jīng)受團(tuán)聚體內(nèi)不同的化學(xué)保護(hù)作用使積累有機(jī)碳得到穩(wěn)定,水稻土中活躍的氧化鐵在鍵合和穩(wěn)定新碳中可能有重要的作用。這種作用在不同土壤中的差異會(huì)表現(xiàn)為利用不同團(tuán)聚體有機(jī)碳的微生物區(qū)系的差異及相應(yīng)微生物礦化潛力的差異。特別地,紅壤性水稻土DCB浸提氧化鐵的穩(wěn)定作用可能是我們觀察到的紅壤性水稻土有機(jī)碳積累較快、礦化潛力較低且溫度敏感性較弱的原由2。但是,對(duì)于新碳的不同組分及其在團(tuán)聚體的分配和經(jīng)受的化學(xué)變化的研究很少。對(duì)團(tuán)聚體顆粒態(tài)有機(jī)碳進(jìn)行NMR波譜研究初步表明,團(tuán)聚體顆粒態(tài)基本碳骨架結(jié)構(gòu)相似,以烷氧碳為主,良好施肥和耕作下芳香碳增多,即芳構(gòu)化程度提高。相似地,吳金水課題組在湖南稻田中也觀察到,有機(jī)碳積累中雖然活性有機(jī)碳比例提高,但芳香化合物顯得增多。邵景安等應(yīng)用熱裂解和紅外光譜法研究長(zhǎng)期免耕下積累的有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,同樣觀察到壟作免耕下有機(jī)碳的芳構(gòu)化和縮合度升高,而氧化穩(wěn)定性增強(qiáng)。這些研究相互印證了稻田固碳過(guò)程中有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化趨勢(shì)。(3)對(duì)稻田土壤積累新碳的生物可利用性與礦化穩(wěn)定性積累了初步的認(rèn)識(shí)。積累新碳的生物學(xué)可利用性關(guān)系到稻田土壤的生物活性與固碳減排的實(shí)效。國(guó)內(nèi)黃耀、吳金水課題組較早開(kāi)展了稻田土壤呼吸與CO2釋放的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和野外觀測(cè)研究[91,119,120,121]。近來(lái)開(kāi)始用渦度相關(guān)塔觀測(cè)稻田土壤呼吸與CO2通量,初步揭示了稻田土壤的碳匯效應(yīng)。李玲等采用14C標(biāo)記秸稈研究新碳對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)(Primingeffect),盡管不能忽視其存在,但明顯弱于旱地。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)研究表明,水稻土土壤好氣呼吸與有機(jī)碳礦化速率及升溫敏感性低于森林土壤和旱地。盡管土壤中氮素水平常常是影響土壤呼吸的最活躍因子,稻田的高土壤有機(jī)碳水平(因而全氮水平也可能較高)與呼吸礦化并不呈線(xiàn)性關(guān)系,不同施肥下有機(jī)碳礦化速率反而是積累有機(jī)碳低的土壤中高,有機(jī)無(wú)機(jī)配合施肥不但促進(jìn)了碳積累,而且降低了土壤呼吸與排放通量,這與孟磊等、尹云峰等對(duì)華北平原潮土施有機(jī)肥與不施有機(jī)肥相比有機(jī)碳含量提高而呼吸降低的結(jié)果一致。水稻土積累有機(jī)碳礦化穩(wěn)定性較高,還從其呼吸和CO2釋放與相應(yīng)的濕地土壤的對(duì)比得到旁證。濕地土壤排水或開(kāi)墾后呼吸釋放強(qiáng)烈升高。我們最近發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江中下游湖泊濕地的有機(jī)碳礦化潛力數(shù)倍于其開(kāi)墾后數(shù)十年的稻田3,這可能是濕地土壤在開(kāi)墾10年內(nèi)有機(jī)碳快速損失和濕地土壤排水后土壤呼吸強(qiáng)烈而產(chǎn)生很高的CO2通量的原因4?？磥?lái),這些濕地起源的水稻土也具有了某種碳保護(hù)和穩(wěn)定機(jī)制。這些認(rèn)識(shí)從另一個(gè)側(cè)面佐證了水稻土有機(jī)碳具有較高的穩(wěn)定性,因而能夠表現(xiàn)出較快和較穩(wěn)定的積累。這可能是我國(guó)稻田農(nóng)業(yè)在應(yīng)對(duì)氣候變化的固碳減排上的特殊優(yōu)越性。另外,無(wú)論是好氣還是厭氣培養(yǎng)下,稻田土壤有機(jī)碳礦化的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為一個(gè)極短的、速率遞增的高礦化階段,繼之是一個(gè)較長(zhǎng)的、速率遞降的強(qiáng)礦化階段和一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的低礦化階段;通常,第一個(gè)階段持續(xù)1～3d,其礦化量與DOC、易氧化碳(LOC)有關(guān),而其他階段與活性有機(jī)碳關(guān)系不密切。對(duì)于紅壤性水稻土的好氣礦化而言,不是總有機(jī)碳而是有機(jī)碳的活性分?jǐn)?shù)(LOC/TOC)與總礦化速率有關(guān)。這些結(jié)果使我們聯(lián)想到水稻土有機(jī)碳積累特征不僅可以用碳的庫(kù)比例(如微生物商、呼吸商率和代謝商),而且可能通過(guò)一些碳組分分配及其礦化的動(dòng)力學(xué)庫(kù)間的關(guān)系來(lái)表征。(4)在水稻土固碳與生物區(qū)系、多樣性的發(fā)育和演變以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化等方面的探索日益增多。近年來(lái)越來(lái)越關(guān)注固碳過(guò)程中生物特別是微生物區(qū)系的變化及其生態(tài)系統(tǒng)功能的演變。較多的研究是注意到土壤的微生物活性、微生物商的變化,以及土壤中酶活性的變化。不同施肥、耕作的長(zhǎng)期試驗(yàn)均表明,良好的管理實(shí)踐,特別是有機(jī)無(wú)機(jī)配合施肥下微生物量、土壤酶活性均表現(xiàn)為明顯的提高,這是土壤肥力和質(zhì)量提高的基礎(chǔ)。劉守龍等比較了中亞熱帶不同地域和幾個(gè)不同的長(zhǎng)期試驗(yàn)的有機(jī)碳與微生物量碳的關(guān)系,相應(yīng)于有機(jī)碳的積累水平,稻田土壤的微生物量商(SMBC/TOC)顯著高于旱地和其他利用方式。因此提出稻田土壤具有較高微生物量維持能力。對(duì)太湖地區(qū)一個(gè)長(zhǎng)期不同肥料處理下的典型水稻土——黃泥土進(jìn)行了土壤和微團(tuán)聚體的微生物區(qū)系分布研究,不同的長(zhǎng)期施肥實(shí)踐在改變土壤碳積累過(guò)程中,微生物/土壤動(dòng)物和雜草等生物區(qū)系發(fā)生了明顯分異,固碳和有機(jī)碳積累提高了真菌/細(xì)菌比5,提高了細(xì)菌的多樣性和動(dòng)物/雜草的多樣性。同時(shí),發(fā)現(xiàn)稻田生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性和固碳速率與微生物多樣性存在良好的耦合關(guān)系。這些結(jié)果與尹力初等對(duì)黃淮海平原潮土的雜草多樣性在不同的有機(jī)無(wú)機(jī)施肥處理間的差異和生產(chǎn)力特征的差異類(lèi)似。最近,張逸飛等注意到不同施肥長(zhǎng)期試驗(yàn)下微生物功能群和酶活性功能在不同施肥處理間的差異,提出功能群和酶活性的差異可能是不同施肥生產(chǎn)力和土壤肥力質(zhì)量的表征指標(biāo);太湖地區(qū)一個(gè)長(zhǎng)期不同施肥試驗(yàn)下稻田甲烷氧化活性與產(chǎn)甲烷菌多樣性成反比;另外,對(duì)一個(gè)紅壤性水稻土長(zhǎng)期不同施肥下土壤的好氣和厭氣培養(yǎng)下的礦化研究發(fā)現(xiàn),厭氣培養(yǎng)下土壤有機(jī)碳礦化率顯著低于好氣條件,且兩種條件下土壤有機(jī)碳礦化率對(duì)溫度敏感性的影響因素不同,好氣條件下Q10與游離氧化鐵顯著相關(guān),而在淹水條件下則與微生物商呈顯著相關(guān),這提示稻田