长期种植籼粳杂交水稻可以提高稻田的谷物产量、地下碳输入量以及土壤有机碳储量

《Field Crops Research》：Long-term cultivation of indica–japonica hybrid rice increases grain yield, belowground carbon inputs, and soil organic carbon pools in paddy fields

　　**摘要**
**背景**
在不影响作物生产力的情况下提高土壤有机碳（SOC）储量是稻田管理中的一个核心挑战。籼稻-粳稻杂交种（IJHR）相较于传统粳稻（JR）具有公认的产量优势，但其对SOC池及相关土壤生物特性的影响仍不明确。我们假设IJHR通过增加地下碳投入和改变微生物碳降解潜力来增加SOC池。

**目标**
本研究旨在确定长期种植IJHR是否能够同时提高稻田的谷物产量、地下碳投入指标和SOC池。

**方法**
进行了一项为期10年的田间试验，以比较IJHR和JR。测量了谷物产量、根系特征、成熟期地下生物量以及季节平均根系分泌物中的碳含量。分析了土壤整体和根际土壤中的SOC组分、胞外酶活性、微生物群落、微生物呼吸作用以及碳降解相关基因。

**结果**
与JR相比，IJHR使谷物产量增加了30.9%，土壤整体和根际土壤中的SOC含量分别增加了15.8%和13.8%。成熟期地下生物量和季节平均根系分泌物中的碳含量在IJHR处理下分别高了41.3%和36.2%。IJHR还增加了颗粒有机碳和矿物相关有机碳，其中根际土壤中的矿物相关有机碳增幅更为明显。IJHR增强了某些碳降解基因的表达，并提高了胞外酶活性，尤其是参与纤维素和半纤维素分解的酶。这种增强的碳降解潜力伴随着较低的代谢商（qCO2），而非较高的微生物呼吸作用。结合较高的微生物生物量碳含量，这些结果表明单位微生物生物量的呼吸碳损失减少。

**结论**
长期种植IJHR与更高的谷物产量、更大的地下碳投入指标、更强的微生物碳降解潜力以及更大的SOC池相关。

**意义**
这些发现表明，在传统稻田管理条件下，选择IJHR而非传统JR可能是一种实用的水稻生产力和土壤碳储量提升的农艺策略。

**引言**
土壤储存了约3500-4800 Pg的有机碳，使其成为最大的陆地有机碳库，远超过植被和大气中的碳总量（Lehmann和Kleber，2015；Tang等人，2018）。土壤有机碳（SOC）在全球碳循环中起着关键作用，通过维持农业生态系统的生产力并缓解气候变化（Sanderman等人，2017；Feng等人，2023）。与旱地土壤相比，稻田通常含有更高的SOC水平，因为长期淹水创造了厌氧条件，抑制了有机物的分解并促进了碳的积累（Chen等人，2021；Wei等人，2021）。占地约1.67亿公顷的稻田养活了全球一半的人口，因此是最重要的农业碳汇之一（Ge等人，2019；Wei等人，2021）。然而，尽管稻田生态系统具有较高的固碳潜力，长期的集约化农业实践仍导致全球农田SOC大量损失，严重威胁土壤肥力和粮食安全（Sanderman等人，2017）。此外，水稻生态系统对碳循环的变化非常敏感，即使SOC池的微小变化也可能显著改变大气中的CO2和CH4通量（Carlson等人，2017）。因此，寻找在保持高作物生产力的同时增强稻田SOC固存的有效途径变得越来越重要（Tang等人，2025）。SOC来源于植物残体、根系产生的碳输入和微生物残体，但其持久性取决于这些输入在土壤中的转化和稳定方式（Cotrufo等人，2015；Lehmann和Kleber，2015）。SOC通常分为颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC），二者具有不同的形成途径和稳定性（Lavallee等人，2020；Angst等人，2023）。POC主要与部分分解的植物残体相关，对微生物分解较为敏感，而MAOC则与微生物转化产物和有机-矿物结合更紧密，因此通常表现出更强的持久性（Lavallee等人，2020；Zhou等人，2024）。在这一过程中，微生物分解可能导致两种相反的结果：有机碳可能被矿化并以CO2形式释放，或者被吸收进微生物生物量中，进而促进微生物死亡物质和稳定SOC的形成（Cotrufo等人，2013；Liang等人，2017；Liang等人，2019）。因此，植物来源的碳在土壤中的命运不仅取决于输入量，还取决于调节碳分解、呼吸作用和生物量形成的微生物代谢过程。作物品种是调节农业生态系统碳循环的重要生物因素，因为基因型依赖的根系生物量和根系沉积差异可以显著影响地下碳输入（Heinemann等人，2023）。近年来，籼稻-粳稻杂交种（IJHR）结合了籼稻（IR）和粳稻（JR）的遗传优势，表现出显著的产量潜力，其谷物产量比传统IR和JR品种高出12.0-32.2%，从而得到了广泛种植（Wei等人，2016；Sun等人，2020；Xu等人，2020；Zhao等人，2026）。与传统品种相比，IJHR通常产生更多的地上和地下生物量（BGB），从而向土壤中输送更多的植物来源的碳（Meng等人，2018；Chu等人，2022；Gan等人，2026）。此外，更发达的根系通常与更多的根系分泌物相关（von Haden等人，2024；Zhang等人，2024），而根系分泌物可以直接调控根际微生物群落的组装和功能表达（Zwetsloot等人，2020）。同时，植物-微生物相互作用通过调节胞外酶分泌进一步影响有机碳的分解和转化（Carrara等人，2018）。这些变化表明IJHR不仅可能增加地下碳输入，还可能重塑根际的微生物过程。与广泛研究的管理措施（如秸秆还田、有机改良剂施用和耕作）相比，作为调节地下碳输入和SOC储量的生物策略，品种选择受到的关注较少。特别是，将品种导致的地下碳输入指标变化与SOC组分（尤其是POC和MAOC）变化联系起来的长期田间证据仍然有限。然而，高产水稻品种带来的更大碳输入可能对SOC积累产生不同的影响。一方面，增加的根系分泌物和残体输入可能刺激微生物活动和胞外酶的产生，从而加速有机物分解并增强预处理效应，可能导致SOC储存减少（Fontaine等人，2007；Kuzyakov，2010）；另一方面，丰富的根系产生的碳也可能促进微生物吸收、微生物残体形成和有机-矿物结合，最终增加SOC，尤其是MAOC（Cotrufo等人，2013；Liang等人，2017；Lavallee等人，2020）。因此，一个关键未解的问题是，IJHR带来的更大地下碳输入是否伴随着更高的SOC池和SOC组分的变化，或是呼吸碳损失的增加。为了解决这个问题，我们进行了一项长期田间试验（2016-2025年），比较了IJHR和传统JR在根系特征、地下碳输入指标、SOC组分、胞外酶活性、根际和土壤整体中的微生物群落结构以及碳降解相关基因方面的差异，因为根际是土壤中碳输入、微生物活动和生物地球化学转化过程的核心区域（Kuzyakov和Blagodatskaya，2015；Wang和Kuzyakov，2024）。我们假设：（1）IJHR将表现出更高的地下碳输入指标和更高的SOC积累；（2）这些指标将与更高的SOC池和POC及MAOC的变化相关，伴随微生物生物量、胞外酶活性和碳降解潜在力的变化。

**实验地点描述**
长期田间试验于2016年在中国浙江省金华市杨塘北村启动（北纬29°01′，东经119°28′；海拔99米），采用单季水稻种植系统。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为19.4℃，年平均降水量为1537毫米。根据美国农业部土壤分类标准，试验地点的土壤被归类为Ultisol。2016年5月水稻移栽前，初始表层土壤（0-15厘米）...

**长期IJHR种植的效果**
长期种植IJHR显著提高了水稻生产力，同时2025生长季节的地下碳输入指标也更高（图1；图2A，B）。在整个10年的田间试验中，IJHR的谷物产量始终高于JR，且试验期间的产量分布显示出IJHR的显著优势（图1A，B）。IJHR还发展出了更大的根系...

**结论**
长期种植IJHR不仅提高了谷物产量和SOC积累，还表现出更大的地下碳输入指标，包括更高的BGB和REC。IJHR还增强了碳降解潜力，更高的MBC和较低的qCO2，表明单位微生物生物量的呼吸碳损失减少。POC的积累与植物来源的碳输入指标更为相关，而MAOC则与...

**作者贡献声明**
Sheng Tang：撰写——审稿与编辑，方法学部分。Jinjia Gan：撰写——初稿，数据管理。Fan Liu：撰写——审稿与编辑。Lingli Mao：撰写——审稿与编辑。Lianghuan Wu：撰写——审稿与编辑，资金筹集。Kefeng Han：方法学部分。Qingxu Ma：撰写——审稿与编辑，资金筹集。

**资助**
本研究得到了智慧施肥项目（20221805）、浙江省三农九方科技合作计划（2026SNJF084，2025SNJF025）和象山县科技计划项目（2024C1009）的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
我们衷心感谢中国金华市吴城区志义家庭农场的Shen Zhiyi先生及其家人对本研究田间试验的支持。同时感谢上饶师范大学的Xin Yang博士和浙江省农业科学院的Tao Sun博士在田间试验的设计和管理方面所做出的贡献。