提升农田土壤中的有机碳（SOC）含量是缓解大气中二氧化碳浓度上升的关键策略之一。已有研究指出，全球稻田在0-100厘米土层内的SOC储量大约为18Pg C，占全球农田SOC总量的大约14.2%。因此，深入理解稻田中有机碳的储存机制对于应对全球气候变化至关重要。然而，关于长期水稻种植后不同SOC库变化的综合分析，在大范围地理区域内仍较为稀缺。
近日，天津大学地球系统科学学院宋照亮教授课题组，通过大规模的空间采样，并结合稳定同位素比率质谱技术，对中国稻田土壤有机碳成分及其稳定同位素组成进行了详细研究。相关成果以《Significant accrual of soil organic carbon through long-term rice cultivation in paddy fields in China》为题，发表于环境科学与生态学领域权威期刊《Global Change Biology》（SCI一区TOP，IF=11.6）上，论文第一作者为喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室（贵州大学）杨孝民特聘教授（天津大学地科院2021届博士毕业生），通讯作者为天津大学地科院宋照亮教授。
本研究基于1980年代以来持续耕种的104个中国稻田样本点的数据，使用改进的Rovira & Vallejo硫酸水解方法及稳定碳同位素分析技术，探讨了表层土壤（0-20 cm）中活性有机碳（LOC I）、半活性有机碳（LOC II）、惰性有机碳（ROC）以及总SOC的变化情况。研究结果显示，从1980年代到2010年代，中国稻田的总SOC含量和密度分别增加了48%和39%。在不同的SOC组分中，ROC的增长速度超过了LOC（I和II）。通过结构方程模型，我们发现总SOC含量和密度的增加主要由ROC驱动，而ROC受到温度、降水、磷元素以及黏土含量等气候和土壤物理化学因素的直接影响或间接影响。此外，我们的研究表明，在所有水稻种植区域，δ¹³C LOC总是高于δ¹³C ROC，并且δ¹³C SOC与δ¹³C秸秆之间存在明显的正相关关系。值得注意的是，δ¹³C LOC和δ¹³C SOC与土壤总硅（Si）呈显著负相关，这表明土壤Si可能参与了碳在不同SOC库间的分配，并对各SOC组分的周转或稳定性产生调控作用。这项研究强调，全球稻田的碳封存能力主要得益于ROC库的显著增长。
图1 自1980年代以来我国稻田土壤活性有机碳组分Ⅰ（LOC Ⅰ）、活性有机碳组分Ⅱ（LOC Ⅱ）、惰性有机碳（ROC）以及总有机碳（SOC）的（a）含量和（b）密度增长率
图2 气候和土壤理化因子对我国稻田土壤有机碳含量的直接效应和间接效应
图3 气候和土壤理化因子对我国稻田土壤有机碳稳定同位素的直接效应和间接效应
该研究工作得到国家自然科学基金杰出青年基金项目、国家自然科学基金青年基金项目、国家自然科学基金重点基金项目、贵州大学自然科学专项基金项目以及喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室（贵州大学）开放基金项目等资助。
