水稻种植年限与盐碱土壤潜在CO2产生量、Q10、酶活性及微生物多样性变化的关系

《Agriculture》：Rice Cultivation Duration Is Associated with Changes in Potential CO2 Production, Q10, Enzyme Activity, and Microbial Diversity in Saline–Alkali Soils

　　

盐碱土是农业生产的重要储备资源。在中国吉林省西部，大面积盐碱地已被开垦为稻田；然而，其对长期水稻种植和增温的碳循环响应仍不清楚。研究人员采用空间代替时间的时间序列法，利用采自水稻种植2、5、10和12年田块以及未开垦参考田（CK）的两个土层（0–20 cm和20–40 cm）的土壤，在15 °C和25 °C条件下进行了室内培养试验。结果表明，耕种土壤的累积潜在土壤二氧化碳（CO₂）产生量普遍高于CK，在15 °C下于5年时达到峰值，在25 °C下于10年时达到峰值；其后在15 °C下10年和12年处理中下降，在25 °C下12年时略有下降。水稻种植历史较长的土壤在培养的几个阶段通常表现出相对较高的表观温度敏感性（Q10），尤其是在0–20 cm土层。水解酶活性总体上随水稻种植年限序列而增加，而多酚氧化酶活性则呈总体下降趋势，反映了不同种植年限处理间碳转化潜在酶能力的差异。细菌和真菌α多样性在耕种土壤中普遍较高，尤其是从5年阶段开始，且两个土层中不同水稻种植年限组间也存在显著差异，尽管20–40 cm土层真菌模式部分受组内异质离散的影响。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）表明，酶活性与25 °C下累积潜在土壤CO₂产生量和Q10密切相关。这些发现表明，水稻种植年限序列上的潜在土壤有机碳（SOC）矿化表现出明显的温度依赖性模式。该研究为复垦盐碱稻田土壤的碳循环及其温度响应提供了见解，并可为变温条件下的可持续管理提供参考。

盐碱土壤水稻种植年限对碳循环及温度响应的影响——论文解读

全球气候变暖加剧了人们对农业生态系统土壤碳循环和温室气体排放的关注。土壤有机碳（SOC）分解是调控土壤二氧化碳（CO₂）释放的关键过程，其对温度变化的响应决定了土壤碳库对未来增温的潜在反馈。盐碱土在世界范围内广泛分布，是农业生产的重要储备资源，但高盐度、不良土壤结构和低养分有效性通常限制植物生长、微生物活动和SOC积累。在中国吉林省西部，大面积盐碱地已被逐步开垦为水稻田，淹水、根系生长和有机物输入可以降低盐胁迫、改善土壤理化性质并促进SOC积累。然而，这些改善也可能刺激SOC分解并增加CO₂排放，尤其是在增温条件下。因此，明确长期水稻种植是增强碳固存还是增加复垦盐碱土壤碳损失风险，具有重要的科学和实践意义。目前，关于盐碱土复垦过程中土壤性质、SOC积累、酶活性和微生物群落变化已有报道，但长期水稻种植是否促进SOC稳定，或在较温暖培养条件下增加SOC矿化的潜在CO₂产生量，以及其背后的生物和非生物途径仍不明确。本研究基于吉林省西部不同时间逐步开垦的稻田，采用空间代替时间序列框架，评估了水稻种植年限序列上的潜在SOC矿化及Q10，并分析了其与SOC组分、土壤酶活性以及细菌和真菌群落特征的关联。

该论文发表于《Agriculture》。研究区域位于吉林省扶余市科农谷农业基地，属温带季风气候，年均温4–5 °C，年降水量350–500 mm，土壤类型为苏打盐碱土。研究选取水稻种植2、5、10和12年的田块以及未开垦参考田（CK），建立空间代替时间序列。于2023年水稻收获后采集0–20 cm和20–40 cm两个土层样品，每个田块沿S形布设5个采样点，同层混合为一个田间复合样品。

研究人员采用微宇宙培养法，将土壤调节至60%持水量，在15 °C和25 °C下恒温培养35天，定期用气相色谱测定顶空CO₂浓度，计算CO₂产生速率及Q10。土壤理化性质按《土壤农化分析》标准方法测定，用重铬酸钾外加热法测定SOC，通过湿筛法分离颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）。酶活性测定采用比色法和滴定法。微生物群落采用绝对定量扩增子测序技术（Accu16S?/AccuITS?）测定细菌16S rRNA基因V3–V4区和真菌ITS2区，在QIIME 2平台进行生信分析，基于SILVA和UNITE数据库进行物种注释。统计方法包括线性混合效应模型、方差分析、PERMANOVA、PERMDISP和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。

4.1 水稻种植年限对培养期间潜在土壤CO₂产生量和Q10的影响
线性混合效应模型显示，培养温度（F_1,14.268 = 5.441, p = 0.035）和培养时间（F_7,49.736 = 87.252, p < 0.001）对CO₂产生速率有显著影响，且存在显著的温度×时间交互作用。累积CO₂产生量在耕种土壤中普遍高于CK，25 °C条件下高于15 °C。在15 °C下，累积CO₂产生量随种植年限增加，在5年处理达到峰值，随后10年和12年处理逐渐下降；而在25 °C下，10年处理达到峰值，12年时轻微下降。Q10值在培养期间波动明显，0–20 cm土层波动较20–40 cm层更显著，10年和12年土壤在多个采样时间点表现出相对较高的Q10值，表明长期种植土壤的表观温度敏感性更强。

4.2 水稻种植年限对土壤酶活性的影响
水解酶（转化酶INV、β-葡萄糖苷酶GLU、纤维素酶CEL）活性在0–20 cm层高于20–40 cm层，总体随种植年限增加而上升；INV在10年达到最大值后12年略降，GLU持续上升至12年，过氧化氢酶（CAT）在10年后趋于平稳，CEL先升后降。相反，多酚氧化酶（PPO）活性在两个土层中均随种植年限增加而持续下降。这表明水稻种植增强了易分解碳转化相关的酶潜力，而降低了复杂有机化合物氧化分解的酶潜力。

4.3 水稻种植年限对土壤微生物群落组成、α多样性和β多样性的影响
细菌群落以Pseudomonadota、Acidobacteriota、Bacteroidota、Actinomycetota、Chloroflexota和Gemmatimonadota为优势门；真菌群落以Ascomycota、Basidiomycota和Chytridiomycota为优势门，其绝对丰度随种植年限和土层变化。细菌Chao1和Shannon指数在5年及以后处理中显著高于CK和2年处理；真菌Chao1指数在5年和12年处理中较高。PERMANOVA显示，细菌和真菌群落组成在两层土壤中均在不同种植年限组间存在显著差异；但20–40 cm土层真菌群落的PERMDISP检验显著，表明组内离散度异质性也部分贡献于β多样性模式。

4.4 偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析
PLS-PM显示，水稻种植年限与土壤性质（路径系数0.71, p < 0.001）和SOC组分（0.68, p < 0.001）呈正相关；土壤性质和SOC组分均与酶活性和微生物多样性正相关。酶活性与25 °C下累积CO₂产生量（0.84, p < 0.001）和Q10（0.99, p < 0.001）呈强正相关，模型解释了72%和73%的变异。

讨论部分指出，水稻种植通过改善土壤条件、增加碳有效性而提高了潜在CO₂产生量，但CO₂产生量并未随种植年限持续增加，呈现温度依赖的非线性模式。长年限土壤在15 °C下CO₂产生量下降但Q10较高，表明其碳分解对增温仍然敏感。酶活性与25 °C下CO₂产生量和Q10的强关联说明，酶促过程在温暖条件下对碳转化的调控作用更为突出。微生物多样性随种植年限增加，但未与CO₂产生量或Q10形成直接统计关联，提示微生物多样性更多是伴随性响应。研究结论如下：水稻种植年限伴随盐碱土壤潜在CO₂产生量、表观Q10、土壤酶活性和微生物群落特征的一系列变化。将培养温度从15 °C提高到25 °C普遍增加了潜在CO₂产生量，但不同种植年限间的变化模式在两个温度下存在差异：累积CO₂产生量在15 °C下于种植5年后达到峰值，而在25 °C下于10年后达到峰值。Q10也随种植年限序列变化，种植年限较长的土壤普遍表现出较高值，尤其是在0–20 cm土层。水稻种植伴随水解酶活性普遍升高、PPO活性总体下降、微生物α多样性普遍升高以及细菌和真菌群落组成的转变。PLS-PM表明种植年限与土壤性质和SOC组分存在统计关联，进而与酶活性和微生物多样性相关联。酶活性与25 °C累积CO₂产生量和Q10强相关，而与15 °C累积CO₂产生量的关联未获统计支持。这些发现表明，水稻种植年限序列上的潜在SOC矿化表现出清晰的温度依赖模式，且不同种植历史间表观温度敏感性存在差异。