稻田土壤有机碳固定与稳定化过程与机制：土壤-作物-微生物相互作用研究

以中国南方主要的水稻土发生类型为对象，以地球生物学的思路，采用长期试验和典型稻作系统的解剖研究，深入分析稻田土壤固碳及稳定性过程和机制，特别是其中的土壤-作物-微生物相互作用过程及其特点与机理，表征稻田土壤碳输入-转化-稳定中碳动力学库分配、物理保护、化学结合与稳定及与微生物区系演变与碳利用的关系，辨析和厘定轮作(耕作)、施肥、品种及基因型对这种固碳容量及上述关系的影响与幅度，构建和完善水稻土固碳机理模型，进一步评估我国稻作农业发展趋势下土壤碳固定的潜力与控制因素，为了解我国稻作农业发展中稻田固碳与减排能力的可能演变趋势，为发展和完善我国农田土壤碳循环理论奠定科学积累，并进一步为稻作农业温室气体减排的途径和措施的选择提供科学依据。

项目通过区域不同大田调查和配合文献资料调查、实验室有机碳分解和固碳培养实验、田间土壤呼吸和温室气体释放、稻田长期试验系统和湿地-稻田时间序列分析等研究途径，围绕稻田土壤-作物-有机质-微生物相互作用，以有机质碳积累和稳定的过程、动态、功能为主线，以有机质分子结构研究和微生物分子生态研究为主攻，研究明确了区域稻田土壤有机碳积累水平及其与母质和土地利用（作物种植），进一步明确了稻田土壤的固碳作用，充实和发展了团聚体物理保护、氧化铁结合固定、有机碳分子稳定和微生物生态稳定的稻田固碳机制概念模型，认识和提出了土壤有机碳积累和固定与低碳代谢微生物区系及功能的共演化(co-evolution)（微生物商增高、真菌优势度提高、碳呼吸率降低并酶强度提高）、并提高和改善土壤固碳、N生产力并降低氮排放的生态系统服务功能；生育期分析和监测研究了水稻生长下根际和本体土壤微生物-酶活性、土壤呼吸随水稻生长的动态变化，真菌的变化较细菌大，根际土壤有更高的微生物丰度但多样性较本体土壤低，土壤呼吸随碳动态的变化说明真菌优势度增加从而可能促进部分碳进入土壤被固定；研究揭示稻田中生物质炭添加没有增加土壤呼吸作用，不产生激发效应，这与碳组分的化学惰性增强并通过生物质炭的物理团聚作用降低碳呼吸率有关；田间监测研究发现重金属污染稻田碳呼吸提高现象，初步认识到重金属污染下微生物商减小、真菌/细菌比率降低，从而减弱土壤团聚作用并提高土壤碳呼吸率，引起碳排放增加而降低碳库。我们称之为稻田土壤有机“碳解锁”（unlock carbon）作用；研究揭示稻田土壤发育中有机碳稳定积累和团聚作用增强，并具有进一步增强对外源碳的固定；有机碳-微生物-土壤酶的粒径分布表明，细菌和数量和多样性随团聚体粒径的变化较小，而真菌随团聚体粒径变小而降低，提出了真菌对于粒径及碳源的较高选择性；我们的研究提出了固碳可能是土壤发育的服务功能。本研究的启示：有机质-微生物-生物活性功能性结构可能是土壤的内在本质，而其演进可能是土壤发育过程和服务功能的体现, 而土壤-有机质-微生物关系及其共演进可能成为土壤生物地学研究土壤功能性(soil functionality)的主要领域。本项目也提示，有关土壤有机质作用与效应的研究已经进入分子时代。本项目的研究深化了对土壤有机质作用的认识，并提出了土壤本质的新视角。研究提高了中国土壤有机质研究的国际影响。