稻田土壤碳氮积累下移机制与潜力研究

The accumulation and stability of soil (especially agricultural soil) carbon (C) and nitrogen (N), and the greenhouse gas mitigation is considered to be one of the main ways to mitigate the climate change. Therefore, the measures and potentials of soil carbon and nitrogen accumulation is the hot topic for a long time. Our previous study showed that there was a downward movement of soil C and N accumulation in paddy soils, but the related mechanisms and potentials remains poorly understood. Therefore, the present study will collect the long-term field experiments of paddy soils, to study the profile distributions and differences of soil C and N, active C and N (dissolved C and N, microbial C and N), and water content under different soil texture and fertilization treatments. The chemical structure and molecular stability of soil organic matter at different profiles will also be observed using the combination of nuclear magnetic resonance (NMR) and pyrolysis-gas chromatography/mass spectra (Pyr-GC/MS). In addition, rice root biomass and vertical reallocation will also be determined. The purpose is to illustrate the driving factors and mechanisms of the downward movement of soil C and N accumulation, and to explore the storage capacity of soil C and N in the downward profile in paddy soils. This study will provide a theoretical basis of C and N accumulation and the mechanisms of source and/or sink of soil C in paddy ecosystems.

土壤（特别是农业土壤）碳氮积累与稳定性、温室气体减排被认为是减缓气候变化的主要途径之一，探索耕地土壤碳氮积累的措施与潜力是人们长期关注的热点问题。我们前期研究表明，稻田土壤碳氮积累存在下移的趋势，而这种下移的机制和潜力还缺乏系统的认识。因此，本项目拟以稻田长期定位试验为研究对象，分析不同剖面层次土壤有机碳/氮、活性碳/氮（可溶性碳/氮和微生物生物量碳/氮）含量和水分含量，阐明不同母质、不同施肥处理稻田土壤碳/氮的剖面分布特征及差异性。运用核磁共振、气相质谱技术分析土壤不同层次的有机质化合物组成结构特征，剖析其稳定性；同时取样测定水稻根系生物量及其空间分布。综合分析稻田土壤碳氮下移的驱动因子，揭示稻田土壤碳氮积累下移的驱动机制；比较分析稻田土壤碳氮积累下移的储存能力、评估其潜力。为探明稻田生态系统碳氮的积累及碳源/汇变化机理提供理论依据。

本项目以稻田长期定位试验为研究对象，分析不同剖面层次土壤有机碳/氮、活性碳/氮含量，阐明不同母质、不同施肥处理稻田土壤碳/氮的剖面分布特征及差异性; 运用核磁共振、气相质谱技术分析土壤不同层次的有机质化合物组成结构特征，剖析其稳定性。综合分析稻田土壤碳氮下移的驱动因子，揭示稻田土壤碳氮积累下移的驱动机制；比较分析稻田土壤碳氮积累下移的储存能力、评估其潜力。结果显示：（1）与对照（CK）相比，施肥处理均增加了土壤中脂肪族化合物、芳香族化合物、碳水化合物以及有机态硅化合物官能团的数量，其中以高量有机肥（HOM）、低量有机肥（LOM）和秸秆还田（STW）处理最为明显。结果揭示了秸秆还田以及有机-无机肥配施能够显著增加土壤中脂肪族、芳香族、碳水化合物和有机硅化合物的含量，贡献于其较高的有机质含量，从而增加土壤的化学稳定性。（2）不同母质发育的土壤在长期施肥措施下，其有机质官能团结构基本一致，但组分含量差异较大。在板页岩发育的土壤中脂肪族、芳香族、碳水化合物和有机态硅化合物含量皆显著高于河流冲积物发育土壤中的含量。板页岩的土壤在HOM处理下，羟基和烷基的吸收强度是0.75和0.34，比同等施肥处理下河流冲积物的土壤吸收强度（0.49和0.22）增加了53%和55%。揭示出板页岩发育的稻田土壤固碳能力较好，而河流冲积物发育的稻田土则较弱。（3）SOM含量普遍随着土壤深度的增加而减少，且在0-20cm深度处急剧下降，20cm以下下降趋势逐渐变缓，至90-100cm处减至最低；但土壤有机质官能团在不同土层深度结构基本一致。土壤中的烷基碳，表层土壤（0-10cm）在HOM和CK处理下的吸收强度比深层土壤（90-100cm）分别增加了120%和78%。