植物光合产物(通过根系沉积的方式)进入土体，能够改变土壤有机碳的组成及性质(含量和组成)，土壤有机碳的储量巨大，其在地下分布的微小变化都会影响全球C循环^[1,2]. 大量研究表明，稻田生态系统具有较强的固碳潜力，对于缓解大气CO₂的上升有重要作用^[3,4]. 因此研究稻田生态系统内水稻-土壤整个系统的碳分配和转运过程，量化水稻根际输入光合碳对土壤有机碳及其组分的影响，对于进一步了解稻田生态系统碳循环与环境生态具有重要的意义.

氮(N)肥是作物从土壤中吸收量最多的元素，对作物的生命活动和产量形成具有重要的意义. 研究表明不合理施用不仅会严重影响水稻产量，而且过量施氮会导致氨挥发、 反硝化、 淋失等一系列氮素损失^[5]，从而引起环境污染. 碳氮是土壤养分中的重要指标，一般情况下，有机碳和全氮之间存在显著的耦合关系^[6]. 目前对于施氮处理对植物光合碳在植株-土壤中的分配、 转化及去向影响的研究结果不尽相同. 潘根兴等^[7]对太湖地区一个长期肥料试验稻田的研究表明，不同施肥对稻田土壤有机碳的含量、 形态分布及温室气体的产生和释放有着重要的影响. 杨兰芳等^[8]指出施氮对土壤有机质更新有显著的影响. 齐鑫等^[9]通过室内冬小麦盆栽试验，发现不同施氮处理下低氮水平能增进植物光合碳向地下部的输入，增加土壤碳的累积. 而曾骏等^[10]的研究则指出长期施用氮肥对灌漠土的SOC、 DOC和MBC无明显差异. 国内外多以玉米、 小麦等旱地作物作为研究材料，研究不同施肥处理对作物-土壤系统肥利用率、 碳的迁移和转化过程，但在水稻上的相关研究较少.

我国稻田面积为340多万hm²，以其淹水或者干湿交替的特殊田间水分管理方式而显著区别于旱地土壤，是目前农田生态系统中受人为干扰最大，最活跃的碳库之一^[2]. 而不同的氮肥处理下，水稻光合碳在土壤碳库中分配及转化特征尚不清楚，有待进一步研究. 稳定同位素¹³ C标记示踪是研究植物根系碳沉积在土壤碳库中的分配与转化较灵敏的方法，已被广泛用于根际生态过程中土壤有机碳输入、 输出的研究^{[11, 12, 13, 14]}. 因此，本研究应用¹³ C标记示踪技术，密闭系统模拟研究不同施氮处理下水稻光合碳在土壤碳库中的分配及转化特征，以期为我国稻田土壤科学施肥和深入了解陆地生态系统碳循环过程提供理论依据和数据支持.

1 材料与方法 1.1 材料

供试土壤为典型红壤，采自中国科学院长沙农业环境观测研究站，采样时间为2013年4月. 土壤的pH(H₂ O)为5.56，有机碳含量18.1 g ·kg^-1，全氮含量1. 8 g ·kg^-1. 供试植物为水稻(籼性常规水稻中早39).

土壤样品除去可见植物残体，混匀分装于盆钵(直径17.2 cm，高16.7 cm)中，每盆装入量相当于烘干重2.00 kg土壤，均匀喷施NaH₂PO₄和KCl混合溶液，施入量分别为20 mg ·kg^-1和80 mg ·kg^-1. 根据当地早稻季的推荐施肥量(以纯氮计)为10 kg ·(667 m²)^-1，因此，试验设置6个处理CK、 N0、 N10、 N20、 N40和N60. CK不种植水稻和不施N，作为空盆对照，其它处理种植水稻，且处理N水平依次为0、 10、 20、 40和60 mg ·kg^-1. N水平用(NH₄)₂SO₄调节，每个处理3个重复.

培养装置和方法参考肖和艾等^[15]建立的研究方法. 2013年4月28日将培育30 d的水稻秧苗移栽至盆中，并将其置于阳光充足、 通风良好的空地. 生长期间用去离子水浇灌，以保持盆中土壤表层以上3 cm的水层为准，并及时除草. 5月14日将生长至6叶期的水稻幼苗放入¹³ C-CO₂标记培养的封闭箱体内，箱体壁上安装1个高度为50~80 cm高的玻璃弯管式压力计，压力计一端穿过箱壁与箱内连通，另一端置于箱外与大气连通，压力计弯管内装液体石蜡，用于观察箱内压力变化来检查箱体的气密性. 标记期间，箱子置于光照充足无遮挡的户外. 箱内¹³ C-CO₂由1 mol ·L^-1 的80 mL ¹³ C-NaHCO₃(丰度为99%的¹³ C-NaHCO₃) 缓慢匀速滴入85 mL 1 mol ·L^-1 HCl(保证反应完全)反应产生，此过程在每天的09:00~13:00内完成，培养箱内CO₂浓度控制在(350~370)×10^-6[二氧化碳检测系统(Shsen-QZD，青岛)]，温度控制在24~32℃(智能型精密数显温度控制器，SNT-96S，杭州). 标记期间，每隔2 d在傍晚(此时光合作用最弱)开箱浇水，并及时除草. 5月31日标记完毕，共计标记18 d，对水稻整个分蘖期进行标记.

与此同时，将不标记的上述不同氮素处理的水稻作为对照，并放置于离标记培养箱10 m以上的区域，以用来测定植株、 土壤¹³ C的自然丰度.

土壤有机碳和植物的¹³ C丰度：试验结束后，立即剪除秧苗，并尽快将根和土分离，去除附在根上的土. 根和秧苗洗净沥干后，置于烘箱中，先在105℃下杀青30 min，杀青后的植物与土壤样品放置于透气性好且耐一定高温的取样袋中，在60~70℃的干燥箱内干燥24~48 h，烘干后的样品磨碎并过0.149 mm筛，备用.

土壤活性碳库(DOC、 MBC)的¹³ C丰度：土壤DOC含量的测定如下，称取20.00 g新鲜土样，加入60 mL 0.05 mol ·L^-1 K₂SO₄溶液，振荡(300 r ·min^-1)提取30 min，提取液中有机碳含量采用碳自动分析仪(Phoenix 8000)测定. 土壤MBC含量采用熏蒸提取-碳自动分析法测定^[16,17]. 称取新鲜土样20.00 g，在真空干燥器内用氯仿熏蒸(24 h)，然后除去氯仿并立即加入60 mL 0.05 mol ·L^-1 K₂SO₄溶液振荡(300 r ·min^-1)30 min后浸提(不熏蒸对照同DOC测定). 取15.00 mL提取液与15.00 mL 2%六偏磷酸钠混匀后用碳自动分析仪(Phoenix 8000)测定提取的有机碳. 以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳的差值乘以转换系数K_C(2.22)计算土壤MBC含量. 提取液中的¹³ C含量则取5 mL 提取液于10 mL 离心管中，置于离心浓缩仪(Christ 2-25 CD plus)浓缩，待完全干燥后，密封备用.

上述各类样品的¹³ C丰度以及植物和土壤的总碳含量分别在MAT253型同位素比率质谱仪(美国热电公司)中测定.

植株(根系和地上部)和土壤中¹³ C含量的测定由标记样和非标记样中¹³ C的丰度来确定^[11]：

所有测定结果均为3 次重复的平均值，所得数据采用Excel 2003和SPSS 16.0软件进行处理与统计分析. 不同处理差异显著性用One-way ANOVA(单因素方差分析)检验，多重比较采用Duncan法.

2 结果与分析 2.1 水稻地上部和根系生物量

不同施氮水平下，水稻地上部和根系干物质量随施N量的增加而增加(图 1). 不施氮处理的水稻根系干重1.05 g ·plot^-1，地上部干重1.58 g ·plot^-1. 与不施氮相比，在10、 20、 40和60 mg ·kg^-1 的施氮处理下，水稻植株呈现不同程度的增长，氮肥对植株生长的促进作用明显，且施氮量越高，促进作用越显著. 33 d的生长期内，在不施氮处理下，地上部增长幅度0.52~2.77 g ·plot^-1，根系增长幅度为0.05~0.94 g ·plot^-1，在60 mg ·kg^-1的高氮处理下，水稻根系和地上部干重分别达到2.44 g ·plot^-1和4.35 g ·plot^-1，与不施氮相比，植株生长率增加了2~3倍.

图 1

Fig. 1

图 1 不同氮肥对水稻地上部和根部干重的影响 Fig. 1 Effect of different N application rate on rice shoot and root biomass during the tillering stage 图中误差线为SE值，下同

水稻植株通过光合作用合成的有机碳通过茎中的韧皮部传递至根系，通过根系沉积作用进入土壤(根际碳沉积). 在水稻-土壤系统中，植株的¹³ C含量所占比例最大. 18d ¹³ C-CO₂连续标记后，水稻根系中¹³ C含量范围为8.3~49.4 g ·plot^-1，水稻地上部¹³ C含量为44.0~157.6 g ·plot^-1，变化趋势均随着施氮量的增加而增加(表 1). ¹³ C-根系和¹³ C-地上部在水稻-土壤系统中所占比例分别为11.8%~21.4% 和68.0%~71.4%.

水稻生长过程中通过根际沉积作用将一部分光合产物分配到土壤中，影响土壤有机碳及其组分的变化. 土壤中¹³ C含量在整个水稻-土壤系统中约占10%~20%，其中20 mg ·kg^-1施氮处理的比例最高，为18.1%，相反最大施氮量(N60)处理的比例最小，为10.2%. 18 d ¹³ C-CO₂连续标记后，不同施氮处理下种植水稻的土壤中有机碳(¹³ C-SOC)含量及植株中¹³ C含量见表 1. 种植水稻处理的¹³ C-SOC含量范围为11.1~23.7 g ·plot^-1，且随着施氮量的增加而增加：不施氮处理的值最小，为11.1 g ·plot^-1； 施氮处理下为最大，为23.7 g ·plot^-1. 与CK处理的土壤¹³ C-SOC 含量3.07 g ·plot^-1比较，水稻光合碳的输入有利于土壤有机碳的累积. 从整个水稻-土壤系统来看，¹³ C含量范围63.4~230.7 g ·plot^-1，且随着施氮量增加而增加.

表 1(Table 1)

表 1 13 C-CO2连续标记18 d后不同施氮量下13 C在水稻-土壤系统中的分配 /g ·plot-1Table 1 13 C distribution in the rice-soil system under different N application amounts after continuous 13 C-CO2 18-day-labeling/g ·plot-1 项目 13C-SOC 13C-Root 13C-Shoot 各部分同化碳的分配比例/% 13C-SOC 13C-Root 13C-Shoot CK 3.07±0.16e — — — — — N0 11.1±0.5d 8.3±0.8e 44.0±4.1e 17.63±1.53a 13.29±1.76c 69.07±3.05a N10 13.4±0.9c 12.8±2.3d 65.5±8.4d 14.75±1.04b 14.06±0.56c 71.19±3.52a N20 23.8±0.8b 15.5±1.8c 91.9±9.8c 18.29±1.17a 11.87±1.44d 69.84±2.37a N40 25.3±1.6b 26.0±0.5b 107.4±5.8b 15.95±0.65b 16.42±0.46b 67.64±0.85a N60 23.7±0.3a 49.4±7.1a 157.6±5.5a 10.34±0.46c 21.24±2.11a 68.42±1.64a

表 1 13 C-CO2连续标记18 d后不同施氮量下13 C在水稻-土壤系统中的分配 /g ·plot-1 Table 1 13 C distribution in the rice-soil system under different N application amounts after continuous 13 C-CO2 18-day-labeling/g ·plot-1

2.3 不同施氮处理下水稻光合碳向土壤活性碳库的输入

不同施氮处理下，水稻光合碳向土壤活性碳库的输入差异显著(图 2). CK处理土壤¹³ C-DOC和¹³ C-MBC含量最低，为3.5 μg ·kg^-1和88.9 μg ·kg^-1，种植水稻增加了土壤活性碳库的含量. 随着施氮量的增加，¹³ C-DOC和¹³ C-MBC均增加，相对于CK，¹³ C-DOC的增加幅度为1.32~9.69 μg ·kg^-1，¹³ C-MBC的增加幅度为437.2~1 389.9 μg ·kg^-1.

图 2

Fig. 2

图 2 13 C-CO2连续标记18 d后不同施氮量下水稻光合碳向土壤活性碳库的输入 Fig. 2 Input of rice photosynthesized carbon to soil activated carbon pool under different N application amounts after 13 C-CO2 18-day-labeling

不同施氮处理下，水稻生物量与土壤有机碳含量和土壤活性碳库的含量存在显著的线性相关关系(表 2)，其对土壤活性碳库的影响要比对土壤有机 碳的影响较大，水稻生物量和¹³ C-SOC之间的关系为

表 2(Table 2)

表 2 水稻生物量与土壤13 C-SOC、 13 C-DOC、 13 C-MBC含量的相关关系 Table 2 Relationship among rice biomass and the contents of 13 C-SOC,13 C-DOC and 13 C-MBC 生物量 13C-SOC 13C-DOC 13C-MBC 生物量 1 13C-SOC 0.852** 1 13C-DOC 0.950** 0.805** 1 13C-MBC 0.989** 0.795** 0.954** 1

表 2 水稻生物量与土壤13 C-SOC、 13 C-DOC、 13 C-MBC含量的相关关系 Table 2 Relationship among rice biomass and the contents of 13 C-SOC,13 C-DOC and 13 C-MBC

0.852，其斜率为3.54，而和¹³ C-DOC、 ¹³ C-MBC的关系分别为0.950和0.985，其斜率分别为4.01，432.5. 且其对土壤活性碳库的影响要比对土壤有机碳的影响大. 同时土壤有机碳含量与土壤活性碳库的¹³ C-DOC、 ¹³ C-MBC也存在着显著的线性相关关系.

在整个水稻培养期内，植株生物量随着施氮量的增加而增加(图 1)，这表明氮肥促进了植株生长，增加了植株的生长速率. 水稻生长加快，其叶片扩大，根系扩张，使得植株的光合作用加强、 从土壤中吸收的养分增多，氮肥的利用效率增高，这与韦正宝^[18]的研究结果一致，水稻的分蘖中后期，水稻的株高和苗数均随着施氮量的增加而增加.

在本试验中，不施氮处理下，种植水稻后¹³ C-SOC比不种植水稻的¹³ C-SOC增加了8.03 g ·plot^-1，说明植物光合碳地下输入能显著增加土壤有机碳的累积. 在通常自然植被条件下，土壤有机碳主要来源于土壤地上部生长的植物残体和根际分泌物. 有研究发现一般情况下在植物生长期间，其光合产物的10%~40%通过根际分泌作用进入土体^[19,20]，但是只有一部分通过根际沉积作用转化为土壤有机碳. Hütsch等^[21]在总结前人研究的基础上，指出不同植物在生长期间向地下分配的光合碳量不同，最高的可达20%，其中又有近64%~86%的被土壤呼吸了，而仅有2%~5%被转化为稳定的土壤有机碳. 本研究发现在对水稻生长旺盛阶段进行标记18 d后，施氮量显著影响了¹³ C在水稻-土壤系统中的输入和分配特征，与CK相比，¹³ C在土壤-根系-地上部中的量随着施氮量的增加而增加，这表明氮肥不仅促进植株的生长，还促进了光合同化碳的向地下部转运. 这和李银坤等^[22]的研究相符，他们指出施氮能增加夏玉米农田的净光合碳输入，且此值随施氮量增大而增大. Lawlor等^[23]研究表明在氮素充足的情况下，植物基因蛋白较丰富，每单位氮素能够吸收同化更多的碳，从而增加植株生物量及碳在植株体内的积累. 另外，水稻地上部的¹³ C含量均显著大于地下部和土壤，而且，土壤、 根系和地上部中的¹³ C含量分别在水稻-土壤系统中占的比例基本一致，均为15%、 15%和70%，这和Lu等^[11]的水稻生长初期标记的多数的同化¹³ C保留在地上部分，小部分的同化¹³ C出现在地下的结果一致，这可能是由于水稻幼苗具有较快的生长速率，从而具有较强的C汇能力.

土壤DOC和土壤MBC是土壤活性碳库中新碳的主要归宿，与土壤呼吸释放CO₂、 CH₄有着密切的关系^[14,24]. Kuzyakov等^[25]应用¹⁴C脉冲标记技术研究了黑麦草光合产物的分配和转化，得到输入土壤的光合碳约有50%为活性有机组分. 本试验中不施氮处理下，种植水稻的土壤DOC含量比不种植的高出1.4倍，这和Lu等^[26]研究一致，他们指出水稻种植影响土壤DOC含量，在种植水稻的土壤中，DOC含量高于没有种植水稻土壤3倍. 这可能是因为土壤种植后，可溶性根分泌物增加，从而使DOC增加. 而在施氮处理下，¹³ C-DOC相对于不施氮处理的增加幅度为1.32~9.69 μg ·kg^-1(图 2)，这说明土壤中的DOC含量不仅与种植水稻与否有关，还受氮肥施用量的影响. 有研究指出^[27,28]施肥能增加耕作层土壤活性有机碳库的含量. 分析可能有两原因导致：一是由于氮肥促进作物的生长和光合作用，根系活跃，根系输入到土壤的有机碳增多，土壤的DOC被根部释放的有机碳丰富； 二是耕作层的土壤呼吸增强，使得可溶性有机碳在土壤溶液中有更多的溶出. 对于MBC，种植水稻和施氮对其的影响程度要比DOC的更加明显. 研究中，不施氮处理下种植水稻土壤的¹³ C-MBC含量相对于CK增加了5倍； 施加氮肥后，N10和N0相比增加不甚明显，而N60相对于N0则增加了952.7μg ·kg^-1. 种植水稻后，水稻的根系分泌物包括高分子多聚糖(黏胶物质)、 各种蛋白酶、 低分子有机酸及糖、 酚类、 维生素等^[29,30]为根际微生物的生长提供了所需的碳源和能源，促进了微生物的活性，从而影响土壤微生物生物量碳的含量. 而施氮则是相当于为土壤中自养微生物(如硝化细菌)提供更多的N源，促使其合成腐殖质和转化营养物质的活动加快，被利用的光合同化¹³ C增多. 另外，研究中施低量氮肥(10 mg ·kg^-1、 20 mg ·kg^-1)后，土壤MBC的增加不显著，而在施氮量达到40 mg ·kg^-1后，MBC显著增加，为不施氮处理下的2倍. 罗兰芳等^[31]研究表明，控释氮肥下水稻生育中期的土壤微生物量碳呈下降趋势，这可能与土壤性质、 标记时期等因素有关. 此外，不同施氮水平下，水稻生物量与土壤有机碳、 活性碳有显著的相关关系，且水稻生物量对土壤活性碳库的影响最大，这与聂三安等^[32]的研究结果一致，水稻光合碳的分配和转化对土壤活性碳组分的DOC、 MBC含量变化影响较大，而对土壤有机碳影响较小.

因此，通过上述的¹³ C同位素连续标记技术，基本明确了水稻分蘖期光合碳在地上与地下不同碳库分配的量化特征； 量化了水稻光合碳对土壤活性碳库(DOC，MBC)的贡献； 该研究为全面理解水稻光合碳在“作物-土壤-微生物”系统碳分配和转化过程提供了理论基础.

4 结论

施氮能促进水稻植株生长并促进根际碳沉积，且高N水平(60 mg ·kg^-1 )下根际沉积碳量高于低N(10 mg ·kg^-1)和中量N(20 mg ·kg^-1)水平，从而进一步影响了光合同化碳在土壤碳库各组分中的转化和分配. 然而，本试验仅选取了水稻分蘖期一个生育期，故对于水稻全生育期内光合碳在水稻-土壤系统的中的输入和分配及其对施氮量的响应有待进一步的研究.