长江三角洲水稻田根际与非根际土壤有机碳储存的生物-非生物机制分异研究

针对水稻田土壤有机碳(SOC)储存机制在根际(RS)与非根际(BS)土壤中的分异问题，中国科学院团队通过多尺度分析揭示：土壤理化性质对BS-SOC影响最大(总效应0.76)，而RS-SOC主要受化学性质驱动(效应0.94)；首次证实根际面(RP)甲烷菌群通过"产-耗甲烷"微区调控RS碳汇，金属元素在BS/RS中分别呈现正/负效应。该研究为稻田精准固碳提供了理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其有机碳(SOC)动态直接影响碳中和进程。水稻田因其独特的淹水环境，SOC储量比旱地高30%以上，成为农业固碳的热点区域。然而长期以来，研究者多将稻田视为均质系统，忽视了根际(RS)、非根际(BS)和根际面(RP)这三个关键微域的显著差异。特别是在甲烷菌群主导的"厌氧-好氧"交替环境中，SOC的形成机制与空间分异规律始终是未解之谜。

中国科学院团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究，首次系统揭示了长江三角洲水稻田SOC储存的微域分异规律。通过采集覆盖温带-亚热带气候带的121个稻田样本，结合随机森林模型和分段结构方程模型(PSEM)，量化了气候、土壤理化性质、金属元素、微生物群落和农业管理五大类因子对BS/RS-SOC的差异化调控路径。

关键技术包括：1) 跨气候带多点采样建立BS/RS/RP三维样本库；2) 高通量测序解析细菌/古菌群落结构；3) 功能预测分析甲烷菌群(如产甲烷菌Methanosarcina、甲烷氧化菌Methylocystis)的生态功能；4) 结构方程模型量化多因子交互效应。

【差异分析】数据显示：RS的SOC(17.84±7.32 g/kg)显著高于BS(11.18±4.53 g/kg)，且RS中铵态氮(NH₄⁺-N)、有效铜(ACu)等指标升高30%-60%。甲烷菌群在RP的富集度达BS的2.3倍，形成独特的"甲烷代谢微区"。

【驱动机制】PSEM模型揭示：1) BS-SOC主要受土壤物理性质间接调控(间接效应0.39)，金属元素(如Mn、Cd)通过促进矿物-有机质复合体形成提升碳汇(路径系数0.30)；2) RS-SOC则直接依赖化学性质(效应0.94)，RP甲烷菌群通过"微生物碳泵"机制将活性碳转化为顽固性SOC(直接效应0.33)；3) 金属元素在RS呈现抑制效应(-0.18)，可能与根际氧化层形成的金属氧化物有关。

【创新发现】研究首次证实：1) RP甲烷菌群通过代谢互作调控RS碳循环，甲烷氧化菌生成的生物标志物贡献了12%-15%的顽固性SOC；2) 气候因子通过调控土壤水分间接影响BS-SOC，而对RS-SOC的影响被根系活动缓冲；3) 农业管理(如施肥)对RS-SOC的提升效果是BS的1.8倍。

该研究建立了稻田SOC储存的"微域分异理论"，揭示根际效应通过三重机制(理化梯度、微生物网络、金属循环)塑造碳空间格局。成果为制定"根际精准固碳"技术提供了靶点，例如通过调控RP甲烷菌群组成可提升碳汇效率23%以上。在双碳战略背景下，这项研究为农业生态系统碳管理提供了重要的科学范式。