近日，农学院祁剑英副教授团队围绕农田土壤固碳过程连续取得3项研究成果，相关论文发表于Agriculture, Ecosystems and Environment（影响因子7.7）、Plant and Soil（影响因子4.8）和Soil & Tillage Research（影响因子8.4）。研究团队综合采用全国土壤剖面数据分析、空间验证机器学习、长期稻田定位试验、宏基因组测序和meta分析等方法，研究结果表明，农田土壤固碳不是碳输入增加的简单结果，而取决于输入碳能否在特定水分和土壤环境中经过微生物转化并得到稳定保存。稻田与旱地的全国尺度比较显示，两类农田的水分条件和环境背景不同，土壤碳积累格局也存在差异，但准确识别这种差异必须建立在样本可比的基础上。长期免耕试验进一步发现，秸秆碳进入土壤后，微生物对植物残体和微生物残体的利用路径会影响新增碳向稳定有机碳的转化效率。全球根际分析则表明，根系碳输入和微生物活动增强只是固碳过程的起点，活性碳能否转化为土壤有机碳积累，还受到水分环境、土壤质地、初始养分和土壤保护能力的共同调节。三项成果从农田类型、耕作管理和根际过程三个层面，串联起土壤碳“输入—转化—保存”的关键环节，为稻田和旱地差异化固碳管理、秸秆还田与保护性耕作优化以及根际碳调控提供了科学依据。
稻田—旱地土壤碳差异取决于样本可比性
团队在农业土壤科学期刊Soil & Tillage Research发表题为“Observed soil organic and inorganic carbon differences between paddy and upland croplands in China depend on sample comparability”的研究论文。
长期以来，稻田通常被认为比旱地具有更强的土壤有机碳积累能力。这主要是因为周期性淹水形成的缺氧环境能够减缓微生物对有机质的分解，加之水稻根系和秸秆持续向土壤输入碳，有利于有机碳的积累和保存。然而，在全国尺度上，稻田与旱地并不是随机分布的，两者在气候条件、土壤性质、区域分布以及数据来源等方面存在系统差异。因此，完整样本中观察到的稻田有机碳优势，既可能反映水田利用的影响，也可能包含环境背景和样本结构造成的差异。
为判断这种稻田—旱地差异在控制样本背景后是否仍然存在，团队重建了中国农田土壤有机碳和无机碳剖面数据，统一土层与计量单位，并通过共享数据来源和共享空间区块筛选可比样本。结果显示，在全国完整样本中，稻田表层土壤有机碳总体高于旱地，旱地土壤无机碳则相对较高；但在数据来源和空间环境均可比的样本中，两类差异均明显缩小。其中，稻田与旱地的表层有机碳差距较小且存在不确定性，无机碳则因可比稻田样本不足，无法进行可靠的调整比较。
空间验证模型进一步显示，在保持已观测土壤和环境状态不变的条件下，旱地表层土壤有机碳平均比稻田低0.578 g/kg，95%区间为0.151—1.022 g/kg，78.4%的目标剖面表现出旱地低于稻田的预测结果。这说明，稻田有利于表层有机碳积累的传统认识仍得到一定支持，但全国完整样本所呈现的稻田优势有相当一部分与地理环境和样本构成有关；控制这些背景差异后，稻田的有机碳优势明显减弱。研究由此表明，评价稻田的固碳潜力不能只依据全国尺度的表观差异，还需要在环境和数据来源可比的条件下进行判断。
农学院祁剑英副教授为第一作者，中国农业大学贺聪、张海林为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目（2025YFE0209500）资助。
相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198726003880
免耕稻田微生物底物利用路径与土壤有机碳积累
团队在农业生态与环境科学期刊Agriculture, Ecosystems and Environment发表题为“CAZyme-resolved substrate routing explains limited soil organic carbon gains under no-tillage in paddy soils”的研究论文。
免耕和秸秆还田能够增加农田碳输入，但土壤有机碳并不会随秸秆投入持续等比例增加。团队依托持续7年的双季稻田定位试验，对常规耕作、少耕和免耕处理开展宏基因组测序和土壤酶活性分析，重点考察微生物对植物残体和微生物残体的利用途径。
研究发现，与常规耕作相比，免耕降低了多类木质纤维素降解相关基因的潜力，部分关键基因家族下降21%—71%，β-葡萄糖苷酶活性降低约45%；与此同时，一些与真菌葡聚糖和细菌肽聚糖降解有关的基因家族明显增加，个别基因家族增幅达到约11倍。多项证据共同表明，连续免耕条件下，微生物的功能潜力由植物残体分解向可利用的微生物残体周转偏移。这种底物利用路径的变化可能限制新增碳向稳定土壤有机碳的转化，从而解释高秸秆投入条件下土壤有机碳增幅逐渐减缓的现象。研究提示，当免耕土壤有机碳接近新的平衡水平后，单纯增加地表秸秆投入可能难以持续获得同等固碳收益，还需要通过改善秸秆与矿物土壤的接触和稳定化条件，提高新增碳的保存效率。
农学院2023级硕士研究生刘祺和2023级博士研究生姚祥滨为共同第一作者，西北农林科技大学王兴和华南农业大学祁剑英为共同通讯作者。研究得到广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515012709）资助。
相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016788092600397X
农田根际生化活化与土壤有机碳富集的情境依赖性
团队在土壤科学期刊Plant and Soil发表题为“Context-dependent coupling between rhizosphere biochemical activation and SOC enrichment in croplands: a global meta-analysis”的研究论文。
根际是根系碳输入、微生物代谢和土壤碳转化最活跃的区域，但根际生化活动增强能否稳定转化为土壤有机碳积累，一直缺少农田尺度的系统证据。团队汇总全球93项研究的478组根际土与非根际土配对观测，采用多层随机效应模型分析土壤有机碳、溶解性有机碳、微生物量碳、全氮和胞外酶活性的变化。
综合分析显示，与邻近非根际土相比，农田根际土壤有机碳平均增加9.5%，溶解性有机碳增加44.7%，微生物量碳增加23.5%，全氮增加7.9%。根际对活性碳库和微生物过程的影响明显强于对总有机碳的影响。旱地根际土壤有机碳增幅高于稻田，而稻田的溶解性有机碳增幅更大，但多数稻田—旱地正式比较并未达到显著水平。土壤有机碳富集主要出现在0—20厘米土层，20厘米以下的估计仍存在较大不确定性。
研究进一步指出，根际碳循环活跃并不意味着土壤有机碳一定同步积累。稻田根际表现出较强的溶解性有机碳富集，但微生物量碳和土壤有机碳并未出现同等幅度的增加；旱地根际的微生物活动与土壤有机碳富集联系相对更紧密。土壤质地、初始有机碳和全氮水平共同影响根际碳能否被保存。该研究为理解根系碳输入在不同农田环境中的去向提供了全球证据，也为筛选更有效的根际固碳调控途径提供了依据。
农学院2024级硕士研究生程雅俊为第一作者，东北农业大学林百健和祁剑英为共同通讯作者。研究得到广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515012709）和国家自然科学基金（52509050）资助。
相关论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-026-08969-8
文图/农学院
