在不同水热条件下解锁碳分解动力学：来自亚热带稻麦系统长期养分供应策略的见解

《Sustainable Futures》：Unlocking carbon decay kinetics under varying hydrothermal regimes: insights from long-term nutrient supply strategies in the subtropical rice-wheat system

　　碳矿化动力学与水稻-小麦轮作系统中IPNS和有机农业实践的关系研究。通过对比不同养分管理策略（有机、IPNS+苜蓿、IPNS+ cowpea、土壤测试等）在20℃和35℃、饱和与淹水条件下的碳释放速率，发现有机农业（OF）显著提升碳矿化速率，尤其在深层土壤中表现更优。IPNS+ cowpea和IPNS+苜蓿次之，常规NPK施肥效果最差。研究证实整合有机与IPNS可增强土壤碳稳定性，促进微生物活性，对实现气候适应型可持续农业至关重要。

　　
该研究聚焦于长期施用整合植物营养系统（IPNS）对水稻-小麦轮作体系中土壤有机碳（SOC）矿化动力学的影响。通过19年的田间试验和为期90天的实验室培养实验，系统评估了有机耕作（OF）、IPNS结合 cowpea（C）或 berseem（B）、土壤测试作物响应（STCR）以及常规化学肥料（NPK）四种处理模式在不同温湿度条件下的碳释放特征，为可持续农业实践提供理论依据。

**研究背景与核心问题**
当前全球农业面临两大挑战：一是需在2050年前将粮食产量翻倍以满足人口增长（UN-SDGs），二是需应对气候变化带来的碳循环失衡。土壤作为大气碳的主要储存库，其有机碳的矿化速率直接影响碳封存效率。传统化学肥料依赖型耕作虽能短期提升产量，但长期使用导致土壤结构退化、微生物活性降低，进而加剧SOC矿化流失。研究特别关注IPNS系统——通过有机废弃物（如牛粪肥）与少量化学肥料结合，替代传统化肥，是否能在改善土壤健康的同时调控碳释放动态。

**实验设计与关键发现**
研究团队在印度比哈尔邦的中央农业大学实验基地，设置7种养分管理方案，包括：
1. **有机耕作（OF）**：完全依赖有机肥源
2. **IPNS+C/B**：75%常规化肥+25%有机肥，结合交替种植 cowpea 或 berseem
3. **STCR**：基于土壤测试调整化肥用量
4. **NPK**：标准化学肥料
5. **对照组**：无肥处理

实验室培养模拟水稻（20°C，田间持水量）和小麦（35°C，2.5cm淹水）的生长季环境，在0-15cm和15-30cm两个土层深度采集样本，通过定期测量CO?释放量评估碳矿化进程。

**核心发现解析**
1. **矿化速率时空差异**
- **表层土壤（0-15cm）**：OF在90天后的矿化速率达267.26 mg CO?-C/100g土壤，显著高于其他处理（图3a）。IPNS+C/B次之，其速率比NPK处理高30%-50%。
- **深层土壤（15-30cm）**：矿化速率普遍较低，但OF仍保持领先优势，90天时达240.38 mg CO?-C/100g土壤，较对照组提升超过200%。
- **温湿度影响**：35°C淹水条件加速矿化，OF在此条件下的Kc值（1.59天?1）是NPK的1.6倍，且矿化量比对照组高46.8%（表2）。而20°C田间持水量下，矿化速率更受土壤深度影响，IPNS+B在15-30cm土层的Kc值达1.37天?1，较NPK提升18.5%。

2. **养分管理策略的碳效应**
- **OF的独特优势**：长期有机耕作显著提升微生物活性，使SOC矿化速率持续领先。例如，在35°C淹水条件下，OF的矿化总量（304.93 mg）是NPK的1.4倍，且Kc值（1.59天?1）比IPNS+B高17%。
- **IPNS的协同效应**：引入豆科作物（C/B）后，矿化速率提升幅度达82%（IPNS+C在0-15cm土层）至75%（IPNS+B在15-30cm土层）。这种增效源于豆科固氮作用提升土壤氮素，促进有机碳分解。
- **STCR的局限性**：土壤测试调整虽能精准匹配作物需求，但矿化速率仍低于IPNS组合，尤其在深层土壤（15-30cm）中，90天后的矿化量比OF低23%。

3. **碳动态的微观机制**
- **有机碳稳定性**：OF处理下，有机物料（如秸秆、 FYM）分解产生的可溶性碳（如多糖、酚类）占比更高，这些易分解组分在培养初期（7-15天）贡献主要矿化量。
- **温度敏感性**：35°C下矿化速率比20°C高30%-50%，但高温加速矿化的同时可能增加碳排放。OF在高温下的Kc值（1.59天?1）显示其微生物群落具有更好的温度适应性。
- **水分调控作用**：2.5cm淹水使矿化速率提升2-3倍，尤其对IPNS+B处理。淹水促进好氧微生物活动，加速有机碳分解，但同时也可能加速CO?排放。

**农业实践启示**
1. **有机与化学配比**：IPNS系统（75%化肥+25%有机肥）在成本可控范围内，可使矿化速率接近OF水平，尤其适合资源有限的地区。
2. **豆科作物轮作**：定期替换豆科作物（如每三年种植一次苜蓿或牛角豆）可显著提升深层土壤矿化效率，缓解小麦-水稻系统氮素滞留问题。
3. **温湿度协同管理**：在高温多雨季节，建议减少有机肥直接投入，改用IPNS策略避免过度矿化；在干旱期则优先推广OF以维持土壤碳库。

**政策与未来方向**
研究提出"三阶推进"政策框架：
- **短期（1-3年）**：在水稻-小麦区试点IPNS+C/B系统，配套建设有机肥加工中心
- **中期（5-10年）**：将有机肥占比从25%提升至50%，同时建立土壤碳监测网络
- **长期（10年以上）**：通过立法将土壤有机碳含量纳入农业补贴考核指标

未来研究需重点关注：①不同气候带（如季风区vs干旱区）的IPNS适配性 ②长期（>20年）碳动态稳定性 ③微生物群落结构对矿化的调控机制。此外，建议开发基于土壤碳矿化速率的智能配肥系统，动态调整化肥与有机肥比例。

**结论**
该研究证实，有机耕作和IPNS系统通过优化微生物群落结构与碳库组成，能够显著提升SOC矿化效率，其效果在高温高湿条件下尤为突出。这一发现为《巴黎协定》提出的"4‰土地固碳目标"提供了可行路径——通过推广IPNS和OF，可在水稻-小麦系统中实现年均0.3-0.5%的土壤碳增量，同时保持产量稳定。建议将本研究成果纳入全球农业气候模型（如FAOSTAT），以支持更精准的碳核算政策。