玉-稻复种替代双季稻后根-土过程变化对土壤有机碳与碳排放的影响

Changes in soil-crop management in rice-based cropping system in paddy may have extensive impacts on global food security, resources use efficiency, and soil organic carbon accumulation and statility. In recent years, there are growing interests in shifting current double rice cropping systems to maize-rice in middle reaches of Yangtze river, attributing to high market demands of corn for animal feeds. Less known, however, is the impacts of this change on soil carbon dynamics (i.e. stocks, pools, transformation, and fluxes). This proposal focuses on integrated field and laboratory experiements to evaluate the influences of cropping system change on (1) physiochemcial stability and distribution of soil carbons within aggregates (soil carbon fractionation experiment);(2) contributions of plants at different growth stages and root residuals to various soil carbon pools, and CO2 and CH4 emissios (pulse-labeling experiments with 13C-CO2);(3) biogeochemcial stability and mineralizaiton of soil organic matter (decomposition experiment);(4) greenhouse gas emissions (close-chamber measurement of carbon and nitrogen efflux experiment)during late rice growth period. The completion of this proposal will provide information to understand how soil carbon stability, transfomraiton, and fluxs respond to cropping system changes, and consequently to optimze soil-crop management system for the improvement of agricultural production and other environmental benefits (i.e. increase carbon sequestration, mitigate greenhouse gas emissions, reduce carnon and nutrient loss and exports).

稻田种植制度改革不仅事关粮食安全和资源高效利用，而且影响土壤有机碳的积累。近年来长江中游玉米不断发展，在双季稻区出现了玉米-晚稻水旱轮作，而关于玉-稻轮作取代双季稻后对稻田碳循环影响机制的研究还有待深入。为此，本项目拟以玉-稻复种和双季稻为研究对象，开展大田和根箱试验，结合室内土壤矿化试验和标记根茬田间埋袋试验，利用13C-脉冲标记技术、静态箱-气相色谱法、土壤有机碳物理化学联合分组技术等，分析两种植系统不同时间尺度上土壤有机碳库组成及其稳定性的差异；探明作物不同生育期内根际沉积碳及根茬碳对不同稳定态土壤有机碳组分的贡献及其时空变化特征；明确玉-稻和双季稻系统晚稻季土壤CO2和CH4排放特征，及来自根茬碳的贡献。结合土壤理化因子的监测，分析玉-稻与双季稻根-土过程的变化及其与土壤有机碳转化的关联机制，为深入认识根-土互作对稻田碳循环的调控机制，合理调整稻田种植制度提供科学依据。

稻田是我国农业温室气体重要的排放源之一，也被认为是固碳潜力较高的种植系统，寻求合理的种植模式、管理措施等，减少碳排放、稳定土壤有机碳是当前稻田生产的重要目标之一。近年来，玉-稻系统在长江中游发展较快，而玉米替代早稻后对稻田碳循环的影响尚不清楚，因此本研究利用13C标记技术，采用大田定位、微区标记、标记秸秆埋袋等手段，研究了玉稻（MR）及双季稻（RR）前季作物源碳在作物-土壤系统中的分配，及其对土壤有机碳组分贡献的差异及其动态。结果表明（1）MR模式周年固碳量显著高出RR模式26.2%，其差异主要是玉米固碳量高于早稻导致的。（2）周年内玉米与早稻根源碳对土壤有机碳库的贡献差异明显。玉米根源碳对土壤可溶性有机碳组分（DOC）、微生物量碳(MBC)贡献率要高于早稻，而对颗粒有机碳组分贡献率则明显低于早稻，继而对总土壤有机碳库的贡献显著低于早稻1.03%。（3）标记秸秆埋袋试验表明玉米与早稻秸秆还田在晚稻当季即表现出对土壤有机碳库贡献的差异。玉米秸秆碳对土壤MBC、细颗粒态有机碳（fPOC)的贡献率要显著高于早稻秸秆碳，而两者对矿物结合态有机碳（mPOC)及土壤总有机碳的贡献则差异不显著。（4）两种种植模式CH4、和CO2排放差异显著。MR模式比RR模式的周年CH4累计排放量减少65%，但CO2累计排放量增加49%。 土壤碳收支估算表明，与RR模式的周年净碳收支相比，MR模式表现为较弱的碳汇。从上诉周年变化可看出玉米替代早稻进行玉-稻水旱轮作，土壤有机碳呈现矿化加强的趋势，但其多年的变化及效应还有待分析（已完成4年定位，可进一步探明），在玉-稻模式下如何通过秸秆还田弥补抑制土壤有机碳矿化，促进土壤碳库稳定，还有待进一步探讨。