1、在過去的百年，全球平均地表溫度已經(jīng)上升了0.74℃，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末升高幅度將達(dá)到1.8-4.0℃。全球氣候變化很可能(>90％)是由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的CO2等溫室氣體排放劇增所引起的。因此，溫室氣體減排已經(jīng)成為科學(xué)界、政界以及公眾的熱門話題。全球土壤有機(jī)碳庫是大氣碳庫和地上生物量碳庫的2-3倍。土壤碳庫的微小變化即可能對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生顯著影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。而且，相對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng)，由于長(zhǎng)期集約化的耕作，農(nóng)

2、田土壤有機(jī)碳含量一般遠(yuǎn)低于自然土壤。另外，土壤有機(jī)碳的水平是農(nóng)田肥力的重要指標(biāo)。因此，通過作物將大氣CO2固定在土壤中，也是提高農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要途徑。中國(guó)是世界上最重要的水稻生產(chǎn)國(guó)之一。盡管稻田是CH4的主要排放源之一，但是，日益增多的證據(jù)表明，稻田土壤有機(jī)碳含量顯著高于旱地，碳匯功能強(qiáng)大，固碳潛力突出。但是，以往的研究多側(cè)重于溫室氣體方面，在土壤碳分析上則集中于總體碳庫的評(píng)價(jià)上，對(duì)微觀碳組分和稻田土壤固碳優(yōu)勢(shì)形成機(jī)理的研究較少。土

3、壤有機(jī)碳庫是由復(fù)雜的有機(jī)物組合而成，不同有機(jī)碳庫具有不同的活性和穩(wěn)定性。研究稻田土壤有機(jī)碳組分的變化有利于明確稻田土壤固碳的穩(wěn)定性及其保護(hù)機(jī)制。土壤有機(jī)碳的固定和保持是一個(gè)生物、物理、化學(xué)的綜合過程，其中土壤團(tuán)聚體保護(hù)是土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的重要機(jī)制之一，而基于土壤團(tuán)聚體分組的土壤有機(jī)碳組分分析，是研究土壤有機(jī)碳物理保護(hù)機(jī)制的重要手段。本文在系統(tǒng)掌握我國(guó)稻田土壤固碳優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，利用13C自然豐度和土壤有機(jī)碳物理分組相結(jié)合技術(shù)，通過對(duì)稻田與旱

4、地典型樣點(diǎn)的剖析與歸納，從有機(jī)碳組分的角度著手，來闡明稻田土壤固碳的組分特征及其團(tuán)聚體的物理保護(hù)機(jī)制，并結(jié)合長(zhǎng)期定位試驗(yàn)和區(qū)域綜合分析(Meta分析)，闡明有機(jī)質(zhì)投入、持續(xù)淹水的時(shí)間、稻作模式和稻作年限對(duì)稻田土壤固碳的影響，進(jìn)而明確保持稻田土壤固碳優(yōu)勢(shì)的技術(shù)途徑。主要結(jié)果如下：
　　 ⑴對(duì)單季稻田轉(zhuǎn)換為旱地(玉米田)19年后土壤有機(jī)碳及其組分的響應(yīng)特征，以及不同有機(jī)碳組分的周轉(zhuǎn)和更新速率的研究表明，長(zhǎng)期種植旱地作物后，農(nóng)田土壤有

5、機(jī)碳和總氮含量顯著下降。相同歷史背景下，稻田土壤總有機(jī)碳和總氮的濃度分別比玉米田高76.7％和47.6％。稻田包裹態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)(oPOM)和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)(MOM)在土壤中的濃度均是玉米田的2倍，但游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)(fPOM)差異不顯著。稻田土壤oPOM和MOM自身碳的濃度均顯著高于玉米地，fPOM則相反。特別是oPOM組分，稻田是玉米地的近6倍。表明稻田團(tuán)聚體保護(hù)碳的能力高于旱地。稻田轉(zhuǎn)換為玉米地19年后，各組分δ13C值顯著升高。f

6、POM、oPOM和MOM中來自玉米的新碳的比例分別達(dá)到了54.6％、24.7％和19.0％，平均駐留時(shí)間(MRT)依次增大，分別達(dá)到24、67和90年。
　　 ⑵典型旱作制農(nóng)田(夏玉米-冬小麥)轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿?水稻-冬小麥)18年后，土壤有機(jī)碳含量顯著增加，升高幅度達(dá)12.9％。種植方式轉(zhuǎn)變顯著影響了土壤團(tuán)聚體的分布。與旱作農(nóng)田相比，長(zhǎng)期水旱輪作后土壤53-250μm級(jí)別微團(tuán)聚體的比重顯著下降，而<53μm粘粉粒的比例則顯著上升

7、。而對(duì)>2000μm和250-2000μm粒徑大團(tuán)聚體在土壤中的比例無顯著影響。旱作制農(nóng)田長(zhǎng)期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿黠@著提高了各級(jí)別土壤團(tuán)聚體碳的濃度，但<53μm粘粉粒除外。與旱作制農(nóng)田相比，長(zhǎng)期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿黠@著增加了粗顆粒有機(jī)質(zhì)(cPOM)和fPOM碳的含量。而cPOM和fPOM組分屬于未被保護(hù)的易分解土壤有機(jī)碳，更新速率較快。因此，雖然旱作制農(nóng)田長(zhǎng)期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿骱笸寥揽傆袡C(jī)碳的含量顯著增加，但并沒有發(fā)現(xiàn)所固定的碳向穩(wěn)定性碳庫中顯著轉(zhuǎn)移

8、。
　　 ⑶對(duì)兩個(gè)開墾年代相似，近20多年分別一直種植雙季稻和雙季玉米的紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地土壤有機(jī)碳及其組分特征的研究表明，水田土壤總有機(jī)碳和總氮的濃度分別是旱地的2.2倍和2.5倍。與試驗(yàn)前相比，水稻種植顯著提高了土壤有機(jī)碳的含量，增幅達(dá)30.8％，而旱地的前后差異不顯著。在所有團(tuán)聚體粒徑水平上，水田有機(jī)碳的濃度均顯著高于旱地。其中53-250μm微團(tuán)聚體相差最大，水田是旱地的近3倍。水田微團(tuán)聚體保護(hù)碳(iPOM m)在土壤中

9、的濃度是旱地的4.2倍，微團(tuán)聚體保護(hù)碳在總有機(jī)碳中的比重也顯著高于旱地，達(dá)到25.5％，是旱地的2倍。水田和旱地iPOM m組分碳的差異能夠解釋其總有機(jī)碳差異的42.8％。紅壤稻田土壤有機(jī)碳向微團(tuán)聚體內(nèi)的聚集有利于增強(qiáng)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性和碳的長(zhǎng)期保存。
　　 ⑷對(duì)長(zhǎng)期進(jìn)行不同施肥措施的雙季稻田土壤有機(jī)碳分析發(fā)現(xiàn)，與試驗(yàn)開始時(shí)相比，長(zhǎng)期雙季水稻種植(27年)顯著提高了稻田土壤有機(jī)碳的濃度。對(duì)照(Control)、氮肥(N)、氮磷鉀

10、配施(NPK)和氮磷鉀與有機(jī)肥配施處理(NPK+FYM)土壤有機(jī)碳濃度分別比試驗(yàn)開始時(shí)增加了28.8％、30.1％、30.8％和61.6％。有機(jī)肥施用促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體(>2000μm和250-2000μm)的形成，但施用化肥(N和NPK)對(duì)土壤團(tuán)聚體分布無顯著影響。與Control相比，化肥施用對(duì)土壤總有機(jī)碳和所有有機(jī)碳組分的濃度均無顯著影響。而施用有機(jī)肥顯著提高了土壤總有機(jī)碳和各碳組分的濃度，但cPOM組分除外。土壤有機(jī)碳大部分分布

11、在微團(tuán)聚體外的粘粉粒(s+c_f)和iPOM m組分之中，其占總有機(jī)碳的比例分別達(dá)到46.4-49.6％和25.1-27.2％。而且，Control和NPK+FYM處理iPOM m和s+c_f組分碳的差異可以分別解釋其總有機(jī)碳差異的53.2％和38.8％。因此，長(zhǎng)期有機(jī)肥施用下紅壤稻田土壤增加的有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于較為穩(wěn)定的組分之中(即iPOM m和s+c_f)，這有利于碳的長(zhǎng)期保存。
　　 ⑸運(yùn)用meta分析方法，本文評(píng)價(jià)了不同稻

12、作模式及其年限對(duì)我國(guó)稻田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的影響。結(jié)果表明，與試驗(yàn)初始值相比，雙季水稻種植(DR)可以使土壤有機(jī)碳含量增加9％，即使在無任何肥料施用(Control)的情況下，但在單季稻(SR)和水旱輪作(RU)系統(tǒng)中無顯著效應(yīng)。在氮磷鉀肥配施(NPK)條件下，此三種稻作系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的含量均顯著提高，而且，增幅順序?yàn)镈R>RU>SR。稻田土壤有機(jī)碳的含量隨稻作年限的增加而增加。長(zhǎng)期水稻種植超過20年以上可以使Control和NPK處理稻田

13、土壤有機(jī)碳分別提高15％和23％。
　　 ⑹上述結(jié)果進(jìn)一步證明了稻田土壤比相應(yīng)的旱地土壤更具固碳優(yōu)勢(shì)，但在不同稻作系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳增加的幅度以及固碳的質(zhì)量有所差異。雖然水稻種植均有利于土壤有機(jī)碳的積累，但與水旱輪作相比，長(zhǎng)期持續(xù)性淹水(單季稻和雙季稻系統(tǒng))能顯著提高土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用。有機(jī)肥施用不僅增加了稻田土壤有機(jī)碳的含量，而且顯著提高了微團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)，有利于有機(jī)碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。大尺度分析表明，與