冬季休耕管理策略对中国西南部典型稻田地区土壤有机质稳定性的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Influence of winter-fallow management strategies on the stability of soil organic matter in a typical rice paddy region of southwestern China

土壤有机质稳定性受冬季休闲管理方式（持续淹水FF、间歇淹水FM、完全排水FD）调控，FM通过增强微生物多样性及矿物保护有机质（MAOM）形成，显著降低温度敏感性Q10值，提升SOM稳定性。

　　

梅慧天|思华朱|宾刘|季涛吕|善毅田|荣黄|小红左|梅春段|永光尹|涛江|定勇王|新平陈

中国重庆市西南大学资源与环境学院长江流域农业绿色发展跨学科研究中心，邮编400716

摘要

由农田管理驱动的土壤有机质（SOM）动态对于农业生态系统中的碳封存至关重要。在不同管理方式下稻田土壤中SOM的稳定性已得到广泛研究，然而冬季休耕实践如何调节SOM的机制，同时考虑到微生物过程、碳组成和矿物质保护，仍不甚明了。本研究通过评估SOM组成、碳来源、微生物群落动态以及SOM矿化作用（特别关注温度敏感性Q₁₀），考察了全淹没（FF）、淹水至湿润（FM）和完全排水（FD）管理方式在休耕期间对稻田土壤SOM稳定性的影响。全淹没条件下土壤有机碳（SOC）含量显著高于其他两种管理方式。然而，全淹没主要促进了可降解碳组分（包括颗粒有机质POM）的积累，而缺乏强烈的矿物质保护导致Q₁₀值升高，表明这些土壤中的SOM更容易受到温度升高的影响。相比之下，淹水至湿润管理方式增加了微生物多样性，并促进了与矿物质相关的有机质（MAOM）的形成，从而稳定了SOM并促进了更稳定碳库的积累。具有较高MAOM含量的淹水至湿润和完全排水条件下的土壤，其Q₁₀值显著低于全淹没条件，这突显了MAOM在高温下缓冲碳损失中的作用。总体而言，淹水至湿润管理方式是一种更可持续和有弹性的策略，有助于维持稻田土壤中SOM的稳定性。这些结果强调了在土地管理策略中需要考虑多种相互作用的过程，以改善SOM稳定性并促进在气候变化条件下的长期碳储存。

引言

农业生态系统中的土壤有机质（SOM）在全球碳循环中起着关键作用，对于维持土壤肥力、调节水分和提高作物产量至关重要（Lal, 2004; Lehmann and Kleber, 2015; Zhao et al., 2018）。SOM的持久性和稳定性是支持可持续农业发展和避免不可逆气候危机的关键（Beillouin et al., 2022; Bian et al., 2024）。SOM的稳定性受多种因素调节，包括SOM的结构特性（Baveye and Wander, 2019）、有机-无机复合系统（Fang et al., 2021）、土壤团聚作用（Dorji et al., 2020）以及微生物群落的组成和活性（Heuvelink and Webster, 2001; Yang et al., 2018）。人为干预（Beillouin et al., 2022），特别是各种农业活动和土地管理实践，会影响这些过程，使得土壤有机碳（SOC）的储存高度依赖于特定的管理和气候环境（Angst et al., 2023; Chen et al., 2021）。尽管有这些认识，但农业管理如何调节SOM稳定性的机制仍然复杂。因此，深入理解农业管理实践如何影响SOM稳定性及其背后的机制对于发展可持续农业和促进农田土壤的长期碳封存至关重要（Novoa et al., 2019; Qian et al., 2023）。

水稻（Oryza sativa L.）种植是中国农业的基石，在中国西南部等地区尤为重要，这些地区仍然广泛实行单季种植（Chen et al., 2021, 2025, Hou et al., 2025）。由于劳动力迁移和传统习俗的影响，许多当地农民更倾向于冬季休耕而非冬季种植（Jiang et al., 2018, Wang et al., 2024, Zhou et al., 2020），尽管一些研究表明冬季种植可能更有效（Wang et al., 2025, Xu et al., 2020）。在这种情况下，休耕季节的管理措施至关重要且普遍存在，因为它们会影响土壤的物理化学性质和肥力，从而影响后续的作物生产，并同时调节微生物群落和SOM动态，这些因素在气候变化适应和农业调节中起着重要作用（Chen et al., 2023, Wang et al., 2024, Zhou et al., 2023）。尽管人们对冬季休耕管理持续感兴趣，但其对SOM稳定性的影响及其背后的机制仍不够清楚。填补这一知识空白对于提高我们对水稻田碳封存潜力的理解至关重要，从而提高温室气体模型预测的准确性，并评估来自SOM生物地球化学过程的营养物质和污染物所带来的生态风险。

由于地形异质性和人类管理，中国南部的稻田在冬季休耕期间经历三种典型的淹水模式：（i）全淹没（FF，即整个冬季休耕期间持续被水淹没），（ii）淹水至湿润（FM，即最初被水淹没但随后大部分地表水被排出），（iii）完全排水（FD，即收获后排水，土壤保持自然休耕状态，不进行人为干预）。在单季稻种植地区，主要采用的传统休耕方式FF一直存在争议，因为它对土壤碳动态的影响截然不同（Chen et al., 2025）。例如，一些研究表明持续淹水会促进温室气体排放（如甲烷）（Zhang et al., 2021, Qian et al., 2023），但也会在厌氧条件下抑制酶活性，从而减缓微生物分解并增强SOM积累（Tan et al., 2025, Xiao et al., 2025）。此外，研究表明适当的水分管理（如间歇性淹水）可以增强稻田土壤中SOM的稳定性（Hou et al., 2025, Lin et al., 2025）。在传统的FM管理方式下，土壤保持接近饱和的水分状态并定期暴露于空气中。这种波动的氧化还原环境调节了微生物活性和SOM矿化作用，并通过铁离子的稳定作用促进了与矿物质相关的有机质（MAOM）的形成，这被称为“铁门”机制（Wang et al., 2017, Wang et al., 2024）。尽管间歇性淹水可能会导致短期碳损失，但矿物质保护过程预计会带来SOM稳定性的净增益（Hou et al., 2025）。此外，FD被提出作为一种保护性策略，用于调节稻田土壤中的SOM动态（Mondal and Chakraborty, 2022, Zhou et al., 2025）。在中国西南部，排水后的平均冬季温度高于8°C，这通常会促进杂草生长，为土壤提供新鲜生物质（Kan et al., 2022），并暂时在植物组织中固定氮，从而减少淋溶并提高肥力（Xia et al., 2025）。类似于免耕，FD通过增加土壤团聚作用和植物输入来减少人为干扰，可能增强SOM的持久性（Addesso et al., 2025, Filimonenko et al., 2024）。然而，休耕期间的增加通气可能会刺激微生物活性并加速SOM矿化（Bai et al., 2023, He et al., 2024），而在水稻生长季节再次淹水可能会通过Birch效应等机制进一步加剧SOM的周转（Birch, 1958, Lin et al., 2025, Rousk and Brangarí, 2022, Wang et al., 2024）。因此，FD条件下的SOM积累反映了增强有机质输入与通过分解增加的损失之间的平衡。尽管之前有关于冬季休耕管理下不同水分条件下SOM演变的研究，但这三种管理方式对SOM稳定性的影响仍不确定。由于土壤、作物和当地气候的差异，这些影响难以比较。此外，应综合考虑碳输入、微生物群落动态和矿物质相互作用等多种机制，而不是单一因素，以解释不同冬季休耕管理方式对SOM稳定性的变化。

此外，可以通过SOM对温度动态（例如升温）的反应来定量评估其稳定性，特别是在气候变化（IPCC, 2023）和季节性温度变化（Sun et al., 2019）的背景下。观测到升温会通过加速SOM降解来减少SOC储存（Ofiti et al., 2023, Su et al., 2023）。SOM分解的温度敏感性（Q₁₀作为代理指标）是响应升温时SOC稳定性的重要指标，因为较高的Q₁₀值意味着更高的温度敏感性（Davidson and Janssens, 2006）。土壤的固有特性（Zhao et al., 2025）、矿物质-有机质关联（Qin et al., 2024, Zhang et al., 2025）和微生物生态（Su et al., 2023, Sáez-Sandino et al., 2023）共同调节了Q₁₀。例如，碳质量-温度（CQT）假说表明，顽固性SOM（低质量有机化合物）的Q₁₀高于可降解SOM（高质量底物），因为其活化能（Ea）较高（Davidson and Janssens, 2006, Filimonenko and Kuzyakov, 2025）。此外，弱的矿物质-有机质关联对应较高的Q₁₀（Qin et al., 2021），因为它提供了保护，限制了底物的可利用性或抑制了微生物活性（Rowley et al., 2018）。同时，微生物生活史策略的变化可能会通过改变微生物对不同有机质基质的偏好和利用效率来影响SOM降解的Q₁₀（Yang et al., 2022, Zeng et al., 2022）。先前的研究表明，K-策略微生物（即寡营养型微生物，生长缓慢且能有效利用顽固性有机质）的SOM降解Q₁₀较高（Li et al., 2021, Zeng et al., 2022），而r-类型微生物（即富营养型微生物，生长迅速且专门利用可降解有机质）的Q₁₀较低。然而，冬季休耕期间不同水分条件（从持续淹水到间歇性淹水和完全排水）对土壤固有性质（例如通过植物输入的变化）、微生物群落组成和矿物质-有机质关联（例如通过氧化还原变化）的影响仍不清楚。此外，这些由水分驱动的变化在Q₁₀中的体现程度尚不清楚，特别是考虑到像MAOM形成这样的关键稳定机制的同时影响。这一知识空白强调了需要进行综合评估，将水分管理引起的土壤变化（这些变化显著改变氧化还原环境并进而影响MAOM的形成）与Q₁₀动态联系起来，以更好地预测不同稻田管理方式下的SOM稳定性。

因此，本研究重点关注这些冬季休耕管理方式如何调节稻田中SOM的稳定性，并通过升温响应培养实验进一步验证了这一点。本研究假设三种冬季休耕管理方式（即FF、FM、FD）由于水分条件的不同可能导致SOM稳定性的差异，这些差异会反映在SOM降解的温度敏感性上。本研究有两个目标：（1）探讨冬季休耕实践如何影响SOM的稳定性和持久性；（2）探索SOM对温度升高的响应。这些发现将有助于深入理解不同农业条件下稻田土壤中SOM稳定的机制，从而支持适应性碳封存管理的发展，特别是在中国西南部等地区。因此，它为制定气候适应性和可持续的农业策略提供了依据。

研究地点和土壤采样

土壤采样于2024年3月21日在中国重庆市梁平区安胜镇进行（北纬30°41′46″，东经107°44′25″；海拔453米）。该地区属于亚热带季风气候，年平均降水量为1136.5毫米，年平均温度为17.7摄氏度。该地点的土壤被归类为黄色稻田土壤，属于世界土壤资源参考基础（IUSS Working Group WRB, 2022）中的Anthrosols类型。

冬季休耕管理对SOM和碳库分配的影响

冬季休耕管理显著影响了不同管理方式下SOC含量及其相关组分（包括DOM、POM和MAOM）的分布（图2、图3）。基于淹水的管理方式（FF和FM）下的土壤pH值显著高于FD，且在长期或间歇性厌氧条件下pH值趋于中性（图2a，p?

不同的管理方式导致不同的SOM含量和组成模式

这些结果表明冬季休耕管理方式对SOM积累模式和持久性有显著影响（图2）。总体而言，FF和FM条件下的SOC含量高于FD（图2c），表明长期或间歇性淹水创造了减缓SOM矿化并增强碳保存的条件。对于FD，有氧环境促进了SOM矿化（图6a），从而限制了SOM的积累（He et al., 2024）。

结论与未来展望

本研究提供了有关冬季休耕管理实践如何调节稻田中SOM动态和稳定性的有用见解。考虑到SOM的结构组成、微生物群落和矿物质-有机质关联，FF和FM都比FD增强了SOC的积累。然而，FF表现出较弱的矿物质保护能力，更容易产生可降解有机质组分，并且微生物多样性较低，可能导致未来更大的碳损失。相比之下，FM

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们还要感谢西南大学提供的中央高校基本研究基金（SWU-XDJH202320）对气候变化及其环境影响（CCEI）项目的慷慨支持。我们也感谢梁平水稻科技园的宝贵支持。荣黄博士和梅春段博士感谢西南大学的NOMLab提供了客座科学家职位，以支持他们的合作工作。