水旱轮作系统下土壤有机碳稳定性特征及驱动机制

The paddy-upland rotation system is one of the important tillage modes, and contributes about 30% of the cereal production, thus its performance directly affects the national food security. The dynamic characteristics and driving mechanisms of soil organic carbon are closely related to its performance. Priming effect, which is induced by the variation of soil moisture or the input of fresh organic substance and causes rapid changes of soil organic carbon, is considered as the core mechanism to affect the stability of soil organic carbon. However, the priming effect is rarely concerned under the paddy-upland rotation system. Thus, the stability and driving mechanisms of soil organic carbon in the paddy-upland rotation system has not been understood clearly. To clarify the research questions, the present study will take the advantages of isotope techniques and the methodologies of microbial ecology. Both long-term observation in fields and experimental incubation in laboratory will be adopted. The relationships among priming effect in soil, especially in rhizosphere, the structure and function of soil microbial flora, the distribution of soil organic carbon in each size of soil aggregates, and emissions of greenhouse gases in paddy-upland rotation system will be analyzed thoroughly. That will clarify the driving mechanisms of priming effect of soil organic carbon, and unveil the turnover processes and stabilization mechanisms of soil organic carbon under paddy-upland rotation system. This study will provide a scientific basis and guidance for improving productivity and the potential of carbon sequestration and emission reduction of paddy-upland rotation system.

水旱轮作是我国农田的重要耕作方式之一，贡献30%谷物产量，其生产性能直接影响着国家粮食安全。土壤有机碳的动态变化直接关系到该系统的生产性能。激发效应被认为是影响土壤有机碳稳定性的核心机制。然而，在水旱轮作系统中，由水分变化或新鲜有机物输入诱导产生且会迅速造成土壤有机碳的动态变化的激发效应很少受到关注。因此，水旱轮作系统中土壤有机碳的稳定性及驱动机制尚未得到清晰的认识。鉴于此，本研究拟采用同位素示踪和微生物生态学等先进的技术与方法，利用长期定位观测与实验室培养相结合的实验手段，系统分析水旱轮作系统水分管理的不同阶段土壤尤其是根际土壤中有机碳的激发效应、土壤微生物区系结构和功能、土壤有机碳在土壤团聚体各粒级中的分布变化以及温室气体排放及相互关系，明确水旱轮作系统下土壤有机碳的激发效应驱动机制，揭示水旱轮作系统土壤有机碳周转的机理过程及有机质的稳定机制，为水旱轮作农田系统提供科学依据和指导。

水旱轮作最突出的特点就是土壤的干湿变化，由此带来诸如氧化还原状态等一系列土壤性质的变化，进而影响土壤中微生物过程以及与其相关的一系列碳氮等生物地球化学循环过程，造成土壤有机质矿化、土壤微生物区系结构与功能、胞外酶活性以及温室气体排放等一系列生态环境效应。本课题以水旱轮作中水分变化作为切入点，以实验室内培养实验为主要手段，结合稳定同位素标记方法，探讨了水分变化、土壤铁氧化物含量、秸秆等有机物料还田、以及施肥制度、土地利用方式等各种因素对水稻土土壤有机质矿化、微生物与胞外酶活性、碳氮生物地球化学循环、以及温室气体排放进行了较为详细的实验研究。主要结果如下：（1）水旱轮作条件下，秸秆、光合作用产物等新鲜有机物料的输入，会引起土壤有机质的激发效应，增强土壤有机质的矿化，引起温室气体提成放量的增加；（2）土壤的铁氧化物含量或者外源性亚铁离子的添加，均在一定程度上抑制氧化亚氮和甲烷的排放强度，其主要机制在于铁氧化物与有机质的结合减少了可被微生物利用的底物；（3）秸秆与氮素的配施还田可以减少氧化亚氮的排放强度，增加氮素的固定，其主要机制是氮素的加入降低了输入底的碳氮比，提高了碳氮的生物利用效率；（4）土地利用方式的变化会影响土壤有机质的稳定性，尤其是由水田转换为旱地的最初阶段，会引起温室气体排放通量的急骤增加。其主要的控制机制是土壤有机质向溶解性有机质的变化；（5）淹水条件下土壤中甲烷存在较强的厌氧氧化机制，主要受土壤硝酸根、三价铁离子、硫酸根离子等电子受体的强烈影响，并对有机肥和化学肥料的施入有不同的响应；（6）施肥对于水旱轮作土壤中各种碳氮相关水解酶的活性有较大的影响，生态化学计量学特征是其变化的主要机制。以上相关研究结果基本上涵盖了水旱轮作土壤有机质稳定机制的主要方面。该项研究对于水旱轮作体系中土壤有机质的管理、温室气体排放的调控提供了机制上的科学依据，以及水肥管理的实践依据。