免耕对稻田土壤固碳和温室气体减排的效应及机制研究

减少温室气体排放已成为迫切解决的重大问题，土壤碳库是温室气体减排最有潜力的去向。免耕作为农田土壤固碳减排的有效措施正被大力推广，广西稻田免耕已占全国60%。但是对免耕尤其稻田免耕的固碳减排效果还存在争议，其机制更缺乏足够的认识。本项目通过比较不同耕作（常耕、稻草常耕、稻草免耕）稻田不同土层、不同粒径团聚体中有机碳形态、含量及变化，CO2、CH4排放通量变化，探明免耕下土壤有机碳的转化趋势，确证免耕对稻田土壤固碳减排的效果。在此基础上，通过研究免耕下相关功能微生物数量、活性及其代谢的变化，深入阐明土壤微生物在固碳减排上的作用及其机制；通过13C示踪量化前茬根系和稻草还田对土壤碳转化、新增碳含量的贡献，查明新增碳在团聚体的归宿，揭示根茬和稻草还田对土壤固碳的效应及机制。从土壤团聚体、微生物和作物的综合作用深入研究和阐明免耕对稻田土壤固碳减排的效应及其机制，为农田固碳减排的研究与实践提供依据。

本项目设置4种耕作方式：常耕CT、免耕NT、稻草还田常耕SCT和稻草还田免耕SNT，在分析比较稻田不同土层、不同粒径团聚体中有机碳形态、含量及储量和CO2、CH4排放通量变化的基础上，同时分析土壤相应功能微生物数量、群落结构变化，及利用13C示踪量化前茬根系和稻草还田对土壤新增碳的贡献。主要研究结果如下：.1）NT和SNT促进土壤有机碳的分层。在0-5 cm土层，NT较CT显著提高土壤有机碳、活性碳和腐殖质含量和有机碳储量，在5-20 cm和20-30 cm土层则表现出相反趋势，0-30 cm土层，NT与CT土壤有机碳储量相当，但NT降低土壤CO2和 CH4的排放。稻草还田处理固碳的同时增加CO2和 CH4的排放。与SCT处理相比，SNT处理既固碳又减排。2）土壤水稳团聚体以>2 mm和<0.054 mm粒径占有比例最高。NT处理显著促进0-5 cm和5-20 cm土层土壤>2 mm大团聚体比例，而降低<0.054 mm粘粒比例。0-5 cm土层NT处理显著提高大团聚体（>0.25 mm）中的腐殖质含量；SNT处理显著提高0-5 cm土层>2 mm团聚体中腐殖质含量，而SCT处理则提高各土层各粒径团聚体中腐殖质含量。3）NT处理降低各土层土壤好气性细菌、厌气性细菌和真菌数量。2种耕作方式下，稻草还田增加土壤上述微生物数量，SNT处理较SCT处理降低土壤上述微生物数量。4）荧光定量PCR结果表明， NT降低产甲烷菌而增加甲烷氧化菌数量是稻田 CH4减排的重要原因。稻草还田促进产甲烷菌数量的增加而促进甲烷排放。SNT较SCT处理降低产甲烷菌数量进而降低CH4排放通量。5）Biolog-ECO和16S rRNA基因高通量测序的结果表明，耕作方式显著影响不同土层土壤微生物群落对不同碳源的利用能力及微生物种群的相对优势度、多样性。6）13C标记试验结果显示，①SCT和SNT处理固持的前茬根系碳均主要分布在0-5 cm土层。一季水稻种植后0-30 cm土层SNT较SCT固持更多的前茬根系碳。②SNT处理稻草新碳主要分布于0-5 cm土层， SCT处理主要分布于5-20 cm。0-5 cm和5-20 cm土层，稻草新增碳在团聚体中的分布比例：SNT处理主要分布在>2 mm＞和<0.054 mm粒径团聚体中；SCT处理则在<0.054 mm和＞0.25-2mm粒径中。