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稻田是地球上最大的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。同一個(gè)小的地貌單元內(nèi),稻田和旱地錯(cuò)落分布,具有相似的母質(zhì)和氣候條件。通常,旱地土壤有機(jī)碳含量較低,而相鄰稻田土壤卻具有突出的有機(jī)碳固持能力。解析稻田和旱地土壤有機(jī)碳來源和穩(wěn)定性、闡明兩類土壤有機(jī)碳固持途徑,可為農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫管理提供有力科學(xué)依據(jù)。

中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所蘇以榮研究員團(tuán)隊(duì)在我國東部四個(gè)水稻分布?xì)夂騾^(qū)(中溫帶-黑土、暖溫帶-潮土、亞熱帶-紅壤和熱帶-磚紅壤)采用配對采樣原則,隨機(jī)采集了240對稻田和旱地表層土壤。分析發(fā)現(xiàn),四個(gè)區(qū)域稻田土壤有機(jī)碳固持效率比相鄰旱地土壤高39%~127%,且以溫暖區(qū)(亞熱帶和熱帶)差異大于寒冷區(qū)(中溫帶和暖溫帶)。進(jìn)一步隨機(jī)選擇40對土壤,基于生物標(biāo)識物木質(zhì)素和氨基糖分析,量化植物殘?bào)w和微生物殘留物來源有機(jī)碳對土壤有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)。

結(jié)果表明,長期耕作以來,稻田土壤固持的有機(jī)碳中植物殘?bào)w來源碳占33%~54%、微生物殘?bào)w來源碳占28%~36%,而旱地土壤中積累的有機(jī)碳植物殘?bào)w貢獻(xiàn)19%~42%,微生物殘留物貢獻(xiàn)40%~59%。絕對值來看,稻田土壤中植物殘?bào)w來源碳庫大小是旱地土壤的3.3倍。因此,稻田土壤突出的碳固持能力主要是由于淹水限制了微生物活性、抑制植物殘?bào)w微生物分解過程,促進(jìn)以植物殘?bào)w直接積累。從木質(zhì)素酚和氨基糖的化學(xué)組成來看,相較旱地土壤,稻田土壤木質(zhì)素單體中C/V比高、S類單體的酸醛比低,且真菌和細(xì)菌殘留物比值低,說明稻田土壤中積累的有機(jī)碳穩(wěn)定性低、易受環(huán)境變化或人為干擾而丟失。

情景分析表明,若我國東部所有稻田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?將造成稻田表層土壤(0~15 cm)中504 Tg有機(jī)碳丟失(相當(dāng)于中國所有農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳庫的13%),且98%以上發(fā)生在亞熱帶和熱帶,這些丟失的碳90%以上為植物殘?bào)w來源碳。研究結(jié)果警示了保護(hù)亞熱帶和熱帶地區(qū)稻田和其它人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要性,強(qiáng)調(diào)了合理的水分管理是減少稻田土壤有機(jī)碳丟失的關(guān)鍵。

研究成果以“Contrasting pathways of carbon sequestration in paddy and upland soils”為題,發(fā)表在Global Change Biology(IF 8.555)上。研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。