稻田土壤約占中國(guó)總土壤固碳潛力的40％，因此其在緩解全球變暖，評(píng)估全球土壤固碳等方面起著重要作用。土壤固碳過程一般是通過碳庫(kù)變化，團(tuán)聚體形成，腐殖質(zhì)形成等過程來評(píng)估，但很少有人表征團(tuán)聚體之間和內(nèi)部的碳通量。研究有機(jī)碳在土壤中積累過程并估算碳平均滯留時(shí)間的最有效方法是使用碳同位素示蹤，但此技術(shù)需要使用13C或14C標(biāo)記的植物材料或管理長(zhǎng)期的C3/C4植被變化田間實(shí)驗(yàn)，往往比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。幸運(yùn)的是，先前對(duì)旱地土壤的研究表明13C自然豐度可以成功揭示團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）密度組分之間的碳穩(wěn)定途徑，證明了沒有C3/C4植被變化的天然13C豐度方法是用于研究有機(jī)質(zhì)來源的有效方法。但由于水稻土特殊的管理模式，如周期性干濕交替，氧化還原交替等，導(dǎo)致微生物介導(dǎo)的碳穩(wěn)定的途徑和方向顯著區(qū)分于旱地土。
為追蹤稻田中的碳穩(wěn)定途徑，中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究團(tuán)隊(duì)利用13C自然豐度法，通過選擇長(zhǎng)期施肥的田間試驗(yàn)（未施肥的對(duì)照CK和NPK，NPK+S和NPK +M），分析土壤中的總碳，微生物生物量和溶解性有機(jī)碳含量，并根據(jù)團(tuán)聚體大小將其分為三類（> 250 μm，53–250 μm和< 53 μm），進(jìn)一步將每一級(jí)團(tuán)聚體按照密度分級(jí)，分為fLF: 游離輕組分（ρ < 1.6 g cm-3）; oLF: 閉蓄態(tài)輕組分（ρ < 1.6 g cm-3）; DF: 重組分（ρ 在1.6和2.0 g cm-3之間）和MF: 礦物質(zhì)組分（ρ > 2.0 g cm-3），最終根據(jù)碳含量和δ13C確定有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定途徑。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，所有肥料施用均使大團(tuán)聚體（> 250 μm）至少增加了111％，最高的碳含量在大團(tuán)聚體的MF>2.0 組分中（圖1）。與對(duì)照相比，施肥后SOC的同位素組成（δ13C）比對(duì)照中消耗的13C多，這表明施肥后SOM的分解減少以及在氧氣限制條件下微生物對(duì)植物殘?bào)w的分解被抑制（圖2）。團(tuán)聚體大小分類顯示了從大團(tuán)聚體到微團(tuán)聚體的典型δ13C富集趨勢(shì)，反映了水稻土和旱地土壤之間的相似性?；讦?sup>13C自然豐度的團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)餾分中的碳流動(dòng)揭示了以下一般順序：oLF > fLF > DF > MF，這種趨勢(shì)與在旱地土壤中觀察到的趨勢(shì)幾乎相反，體現(xiàn)了稻田土壤交替變化的氧化還原條件及缺氧條件下特殊的碳穩(wěn)定途徑（圖3）。稻田土壤團(tuán)聚體大小類別之間的碳流動(dòng)路徑遵循從宏觀到微觀團(tuán)聚體的趨勢(shì)。與輕組分相比，重組分的13C消耗更多，這表明低分子量有機(jī)物在粘土表面上快速穩(wěn)定，并且浸入鐵（氫）氧化物沉淀。
稻田的淹水條件下，發(fā)生了一系列的過程：植物殘?bào)w中溶解的有機(jī)碳（DOC）通量增加，其中一部分直接與粘土礦物相互作用，同時(shí)高濃度的DOC促進(jìn)了粘土礦物中結(jié)構(gòu)性Fe3+和Fe2+的釋放，該羥基氧化物進(jìn)一步與DOC發(fā)生共沉淀，降低了微生物可接觸性，減少有機(jī)碳分解。與旱地土壤相比，稻田土壤中植物殘?bào)w參與厭氧代謝（如發(fā)酵）后未被完全分解。缺氧條件下，糖酵解過程中有機(jī)肥料分解及根系分泌物釋放的羧酸和氨基酸的脫羧作用要慢得多， 因此有機(jī)酸在溶液中的保留時(shí)間更長(zhǎng)，這有助于與粘土礦物和（氫）氧化鐵的相互作用。因此，水稻土的施肥增加了碳的積累，類似于旱地土，但是其穩(wěn)定機(jī)制不同。
該項(xiàng)研究近期以題為Organic matter stabilization in aggregates and density fractions in paddy soil depending on long-term fertilization: Tracing of pathways by 13C natural abundance發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目的資助。
圖1 不同施肥土壤團(tuán)聚體和各有機(jī)質(zhì)組分的有機(jī)碳含量
圖2 不同施肥土壤團(tuán)聚體δ13C 和各有機(jī)質(zhì)組分的Δ13C
圖3 有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體和密度組分中的流動(dòng)示意圖