土壤有机质是土壤的最关键组成部分,它促使土壤团聚体和良好结构的形成,提供微生物能源而养育土壤的生物区系,是土壤生物过程的驱动者,从而驱动和调节土壤中养分、水、能量循环,发挥土壤的生态系统功能服务。因此,土壤发育中土壤有机质-团聚体-微生物区系-土壤生态系统功能活性间的关系是土壤学的本质问题。已有研究表明,水稻土在水耕熟化过程中有机碳有明显的积累趋势和固碳潜力。水稻土是我国长期栽培水稻下水耕熟化过程而形成发育的一类特色农业土壤,是独特的人为土壤（Anthrosols）。我国种植水稻已有7000-10,000年的历史,水稻土可以起源于多种土壤类型,经过长期水稻生产的人为管理和耕作,水耕熟化过程的长期演化而定向发育为具有特有的剖面形态特征和理化性质,并形成稳定的作物生产力。已有研究表明,水稻种植下水稻土有机碳积累明显,并具有较高的化学和生物学稳定性。水稻土发育中有机质积累和稳定是如何随着植稻年限而演进,其微生物、生物活性功能如何与有机质积累相变化,这是还没有清楚的问题。浙江慈溪沿海地区,2000多年以前通过修筑海塘以垦殖滩涂而种植水稻,形成了一系列具有植稻历史记载的不同发育程度的水稻土,可以用来追踪长期植稻下有机碳的积累和稳定及其生态系统服务功能的变化。本研究选取了未开垦的滩涂（P0）以及植稻50年（P50）、100年（P100）、300年（P300）和700年（P700）的稻田,分析不同植稻年限土壤理化性质的变化,利用化学分组以及团聚体分组的方法分析有机碳积累和稳定,并利用酶分析技术等分析土壤微生物功能活性的变化,同时利用添加外源有机碳培养的方法探索稻田土壤的固碳能力,以此来探讨水稻土熟化过程中有机碳积累和稳定条件下土壤的生态系统服务功能的演变,揭示有机碳积累过程中涉及到的固定和稳定化,以及不同有机碳组分对有机碳积累的相对贡献,以及不同植稻年限土壤的微生物功能活性的演变,为完善土壤有机质的生态系统功能研究提供理论依据。主要研究结果如下:一、长期种植水稻下土壤有机碳积累稻田土壤中有机碳随着植稻时间的延长显著增加。有机碳含量由P0的6.32 g kg^-1增加至植稻50年时的15.97 g kg^-1以及植稻300年时的17.97 g kg^-1,随着植稻时间的延长,增加的程度逐渐减小。围垦的稻田土壤可溶性碳（Dissolved organic carbon,DOC）、易氧化态碳（Labile organic carbon,LOC）、颗粒态有机碳（Particulate organiccarbon,POC）、铁结合态碳（Fe bound organic carbon,Fe-OC）、胡敏酸碳（Humic acidcarbon,HA-OC）和胡敏素碳（Humin carbon,HM-OC）含量显著提高,钙结合态碳（Cabound organic carbon,Ca-OC）含量则随着植稻时间的增加而逐渐降低。活性有机碳中,DOC/SOC在P50和P100中最高,随着植稻时间增加而降低,LOC/SOC在P0中最高,植稻50年后降低且保持相对稳定,POC/SOC则随着植稻时间逐渐提高。相反的,随植稻时间增加,稳定有机碳组分中,Fe-OC/SOC和HA-OC/SOC不断提高,而Ca-OC/SOC逐渐降低,HM-OC/SOC则无显著变化。以上结果表明,随着植稻时间的增加土壤有机碳积累,其中稳定组分的积累逐渐增加,而不稳定的活性组分在植稻50年时就已达到稳定的状态。总体上,与未开垦的滩涂相比,长期植稻后LOC/SOC与Ca-OC/SOC分别降低了28.73%-41.98%和 67.02%-83.95%,POC/SOC 提高了 21.61%-50.42%,HA-OC/SOC 提高了 49.49%-127.67%;DOC/SOC 在 P50 和 P100 分别提高了 13.77%和 11.01%,而在P300 和 P700 分别降低了 3.33%和 19.94%,Fe-OC/SOC 在 P50 降低了 29.21%,而在P100和P300中提高了 11.43%和51.15%。以上结果表明,长期植稻过程中,有机碳的增加主要是由于作物源碳的输入引起的颗粒态有机碳的增加、有机碳与铁氧化物的结合、腐殖化作用形成的的稳定性组分的积累引起的。通过核磁共振图谱分析得出胡敏酸碳主要是由烷基碳和烷氧碳组成,分别占所有碳原子的30.29%-37.10%和17.62%-21.63%,其次是芳香碳占14.85%-16.50%,羧基碳最低。滩涂围垦为稻田50年后,烷基碳和羧基碳相对含量降低,烷氧碳和芳香碳增加;水稻长期种植过程中,烷基碳相对含量逐渐增加至37.10%,而烷氧碳含量降低至18.81%,从而胡敏酸中烷氧碳/烷基碳比值提高,疏水性增加,表明长期植稻土壤中有机质的腐殖化程度以及结构稳定相提高。以上结果表明,不同植稻年限的土壤中各有机碳组分对有机碳积累的相对贡献不同,长期植稻过程中有机碳的积累机制发生变化,围垦初期有机碳积累主要是因为作物源碳的输入,植稻50年后团聚体的物理保护和铁氧化物的化学结合和化学稳定以及腐殖化作用增强引起的稳定性组分的积累和有机质结构稳定化对有机碳积累的贡献逐渐提高。二、长期植稻下土壤中微生物生物量碳及酶活性的变化微生物生物量碳（Microbial biomass carbon,MBC）由 P0 的 63.61 mg kg^-1 增加至P100的532.44mg kg^-1,提高幅度为722.42%,此后微生物生物量碳保持相对稳定。微生物熵由P0的1.02%增加至P100的3.12%,提高幅度为205.88%,其变化趋势与MBC类似;长期植稻过程中除了酸性磷酸酶以外,蔗糖酶、脲酶、β-葡糖糖苷酶、β-纤维二糖酶和过氧化物酶活性均提高,在P700的稻田中分别比P0提高了 214.81%,116.33%,641.89%,749.60%,77.21%;随着植稻年限的增加土壤中归一化酶活性逐渐增加,由P0的0.11个单位增加至P700的0.30个单位,有机碳酶强度和微生物生物量酶强度在P0中最高,分别为0.0176和1.73,对于稻田来说,酶强度随着植稻年限的增加而逐渐提高;土壤的基础呼吸量在P0中最低,随着植稻年限增加逐渐提高,在植稻100年后没有显著变化;单位有机碳的呼吸量在长期的植稻过程中差异不显著;微生物代谢熵在P0中最高为15.29mg CO2-Cg-1MBC,长期植稻的稻田土壤微生物代谢熵较低,且维持相对稳定。以上结果表明,随着植稻年限增加,微生物生物量和酶活性提高,稻田土壤中微生物对有机碳的利用率提高,有机碳的积累促进了微生物功能活性提高。三、团聚体颗粒组中有机碳和酶活性的分布随着植稻年限的增加团聚体颗粒组的分布、团聚体内有机碳组成和酶的活性发生变化。团聚体颗粒组主要是分布于200-20μm和20-2μm微团聚体,分别占39.91-46.53%和36.97%-41.00%,2000-200μm大团聚体颗粒组含量由P0的2.78%增加至P700的7.63%,团聚体的平均重量直径由P0的86.46μm增加至P700的132.24μm,说明随着植稻年限延长团聚体的稳定性逐渐提高;有机碳和全氮含量在2000-200μm团聚体颗粒组中以及<2μm团聚体颗粒组中较高,并且稻田中有机碳和全氮含量高于未开垦的滩涂;C/N随着团聚体粒径的减小而降低,在2000-200μm团聚体颗粒组中随着植稻年限增加而提高;大团聚体颗粒组中有机碳稳定性较低,而粘粒组中有机碳稳定性较高;与未开垦滩涂相比,稻田团聚体颗粒组中有机碳的结构组成发生变化,主要是芳香族碳和脂肪族碳的增加;微生物生物量碳随着粒径减少而逐渐降低;随着植稻年限的增加,各粒径团聚体颗粒组中微生物生物量碳加显著增加,尤其是在2000-200μm团聚体颗粒组中;蔗糖酶、β-葡糖糖苷酶和β-纤维二糖酶主要分布在2000-200μm大团聚体颗粒组中,脲酶活性在2000-200μm团聚体中最低,酸性磷酸酶在2000-200μm和<2μm团聚体中较高,过氧化物酶在各粒径中的分布一致;各粒径团聚体颗粒酶活性在稻田土壤中比在未开垦滩涂中高。有机碳组分与酶活性之间的相关性在2000-200μm团聚体中最高,随着粒径的减小,其相关性逐渐降低。以上结果表明,长期种植水稻促进了土壤团聚体颗粒组的形成,并提高了团聚体的稳定性,植稻提高了团聚体颗粒组中有机碳的含量而且引起团聚体颗粒组中有机碳结构稳定性提高,体现在微生物功能活性方面则是提高了稻田土壤2000-200μm团聚体中微生物生物量和酶活性。四、长期植稻下土壤的固碳能力变化添加外源有机碳培养180天后,进入土壤中的外源有机碳由P0的1.38 g kg^-1增加至P100的2.78 gkg^-1,植稻100年后无显著变化,表明长期植稻的土壤固定更多的有机碳;添加外源有机碳培养过程中,团聚体颗粒的分布发生变化,2000-200μm团聚体颗粒含量增加,<20μm的团聚体颗粒组减少;随着植稻年限的延长,2000-200μm团聚体颗粒组中外源有机碳含量降低,<2μm团聚体颗粒组中逐渐增加,表明长期植稻促进了外源有机碳由大粒径团聚体向小粒径团聚体的稳定结合;然而,随着植稻年限的延长,2000-200μm团聚体颗粒组中外源有机碳分布则逐渐提高,表明长期植稻促进了团聚体颗粒对外源有机碳的物理保护作用。本研究描述了滩涂围垦的稻田土壤在长期植稻过程中有机碳积累和稳定性的动态变化。土壤有机碳在围垦的最初阶段大幅度增加,长期植稻后有机碳保持动态稳定。长期植稻的土壤中有机碳的积累最主要的原因是氧化铁的结合以及团聚体对有机碳的物理保护作用。此外,长期植稻的土壤中有机碳中腐殖化作用引起的胡敏酸中分子抗性提高,化学稳定性增强也是有机碳积累重要因素。同时,随着植稻年限的延长,微生物生物量和酶活性逐渐提高。以上研究结果表明,长期种植水稻提高了土壤有机碳的功能和生态系统服务,主要表现在有机碳积累下驱动的团聚体稳定性,有机碳的稳定性以及土壤的固碳能力和微生物生物化学活性的提高。综上所述,本研究系统地研究了长期植稻下有机碳积累过程中有机碳-团聚体-微生物活性的关系,为长期植稻的人为土发育过程中有机质的动态变化提供了新的认识。