稻田是地球上最大的人工濕地生態系統。同一個小的地貌單元內,稻田和旱地錯落分布,具有相似的母質和氣候條件。通常,旱地土壤有機碳含量較低,而相鄰稻田土壤卻具有突出的有機碳固持能力。解析稻田和旱地土壤有機碳來源和穩定性、闡明兩類土壤有機碳固持途徑,可為農田土壤有機碳庫管理提供有力科學依據。

中國科學院亞熱帶農業生態研究所蘇以榮研究員團隊在我國東部四個水稻分布氣候區(中溫帶-黑土、暖溫帶-潮土、亞熱帶-紅壤和熱帶-磚紅壤)采用配對采樣原則,隨機采集了240對稻田和旱地表層土壤。分析發現,四個區域稻田土壤有機碳固持效率比相鄰旱地土壤高39%~127%,且以溫暖區(亞熱帶和熱帶)差異大于寒冷區(中溫帶和暖溫帶)。進一步隨機選擇40對土壤,基于生物標識物木質素和氨基糖分析,量化植物殘體和微生物殘留物來源有機碳對土壤有機碳積累的貢獻。

結果表明,長期耕作以來,稻田土壤固持的有機碳中植物殘體來源碳占33%~54%、微生物殘體來源碳占28%~36%,而旱地土壤中積累的有機碳植物殘體貢獻19%~42%,微生物殘留物貢獻40%~59%。絕對值來看,稻田土壤中植物殘體來源碳庫大小是旱地土壤的3.3倍。因此,稻田土壤突出的碳固持能力主要是由于淹水限制了微生物活性、抑制植物殘體微生物分解過程,促進以植物殘體直接積累。從木質素酚和氨基糖的化學組成來看,相較旱地土壤,稻田土壤木質素單體中C/V比高、S類單體的酸醛比低,且真菌和細菌殘留物比值低,說明稻田土壤中積累的有機碳穩定性低、易受環境變化或人為干擾而丟失。

情景分析表明,若我國東部所有稻田轉變為旱地,將造成稻田表層土壤(0~15 cm)中504 Tg有機碳丟失(相當于中國所有農田表層土壤有機碳庫的13%),且98%以上發生在亞熱帶和熱帶,這些丟失的碳90%以上為植物殘體來源碳。研究結果警示了保護亞熱帶和熱帶地區稻田和其它人工濕地生態系統的重要性,強調了合理的水分管理是減少稻田土壤有機碳丟失的關鍵。

研究成果以“Contrasting pathways of carbon sequestration in paddy and upland soils”為題,發表在Global Change Biology(IF 8.555)上。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。