氧化还原梯度下水稻根区有机碳矿化的碳-铁耦合机制

来源：土壤学报杂志2026年第4期北京时间：

作者：刘斯洋,李颜,李雨霖,高威,胡腾,陈香碧,周萍,郭晓彬,吴金水

单位：刘斯洋，湖南农业大学环境与生态学院；1615539958@qq.com,李颜，中国科学院亚热带农业生态研究所；liyan027@isa.ac.cn,李雨霖，中国科学院亚热带农业生态研究所；240991802@qq.com,高威，中国科学院亚热带农业生态研究所；gaowei@isa.ac.cn,胡腾，湖南农业大学环境与生态学院；huteng_agro@163.com,陈香碧，中国科学院亚热带农业生态研究所；xbchen@isa.ac.cn,周萍，中国科学院亚热带农业生态研究所；zhouping@isa.ac.cn,郭晓彬，中国科学院亚热带农业生态研究所；guox@isa.ac.cn,吴金水，中国科学院亚热带农业生态研究所；swu@isa.ac.cn,

摘要：稻田土壤碳循环是固碳增汇与地力提升的关键。水稻根区作为碳循环最活跃的区域，其碳周转过程与土壤氧化还原状态及铁相变化密切相关。但目前氧化还原梯度下铁介导的有机碳矿化过程尚不明确，碳-铁耦合机制仍有待系统揭示。采用土柱和人工根系建立简化的根际微生态系统，通过水分调节（60%土壤饱和含水量、80%土壤饱和含水量、100%土壤饱和含水量、3 cm淹水）构建4个氧化还原电位梯度，以13C葡萄糖作为模拟根系分泌物，用以探究不同氧化还原状态下铁相转变对水稻根区总有机碳矿化过程及激发效应的影响。结果表明：（1）土壤氧化还原电位（Eh）降低和外源葡萄糖输入均显著提高了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的排放总量；饱和含水条件下，输入葡萄糖处理的CH4的排放增量显著高于CO2，非饱和含水条件下则反之。（2）有无葡萄糖输入处理中，土壤可溶性有机碳（DOC）含量较培养前整体降低，但饱和含水条件下的DOC芳香度增加。Eh降低和葡萄糖输入促进了亚铁（Fe2+）还原和铁结合态有机碳（Fe-OC）释放，且Fe-OC含量变化与土壤中铁形态及CO2释放速率显著相关。（3）碳循环水解酶和氧化酶活性均受到氧化还原梯度和葡萄糖输入的显著影响。其中，纤维二糖水解酶活性随Eh降低而降低，并与CH4和CO2排放速率之和负相关；饱和含水处理中的酚氧化酶活性高于非饱和含水处理，其活性与温室气体排放速率正相关；葡萄糖输入显著提高了氧化还原相关的酚氧化酶和过氧化氢酶活性。“铁门”和“酶闩”机制协同调控了CH4和CO2的排放过程。该研究结果可为预测亚热带富铁水稻土中根际碳的积累潜力、优化水分管理以实现稻田固碳减排提供必要参数和科学依据。

关键词：水稻土;氧化还原梯度;根系分泌物;有机碳矿化;碳-铁耦合

基金资助：国家自然科学基金项目（42207051）和国家重点研发计划项目（2024YFD1900103，2024YFD1900104）资助