光合碳是“大气-植物-土壤”系统碳循环的重要组成部分, 也是土壤有机碳的重要来源^{[1, 2]}.大量研究表明，土壤类型^[3]、作物品种^[4]、作物生育期^[5]、CO₂浓度^[6]、标记方法^{[7, 8]}、农艺措施如施肥、水分管理^[9]等因素，均会影响光合碳在“作物-土壤”系统中的固定、转化运输和分配.马田等^[10]通过研究不同CO₂浓度下光合碳在“土壤-春小麦”系统的分配动态表明，在常规CO₂浓度条件下，经过一个生长季后土壤有机碳的更新率约为0.42%.杨兰芳等^[11]采用¹³C自然丰度法测定不同生长期玉米植株和土壤的δ¹³C值，算得玉米根际沉积碳对土壤有机碳的贡献为4%~25%. Kuzyakov等^[12]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0.8%~3.2%的光合新碳进入土壤微生物中，而输入土壤的光合碳中约有50%为活性有机成分.但是，来源于根系分泌物及其脱落物的根际沉积碳，由于其代谢周转快，具有复杂性和多变性，因此，这部分碳在水稻土中的周转及其分配特征还需要进一步探究^[2].

稻田是我国典型的农田生态系统，现有稻田面积340多万hm²，稻田生态系统具有较强的固碳功能，大量研究表明，近30年来，我国南方稻田土壤的有机碳含量明显升高^{[13, 14]}，表明稻田生态系统对于缓解大气CO₂的上升有重要作用.前期研究表明，通过碳同位素连续标记技术发现，在水稻拔节灌浆期内，通过根际沉积作用，有4%~6%的光合碳进入土壤有机碳库，这部分新碳对土壤可溶性有机碳的贡献为2%~4%，对土壤微生物生物量碳的贡献为9%~18%^[15].因此，水稻光合碳(通过根际沉积作用) 的输入对维持稻田土壤的碳汇功能具有十分重要的作用.

影响水稻光合碳在土壤-作物系统中分配动态的因素很多，其中，水分和施肥(如施氮) 是两个重要的因素. Tian等^[16]通过¹⁴C脉冲标记法研究发现，旱作和干湿交替种植较持续淹水增加了水稻根际C淀积的绝对含量和相对比例，淹水、旱作和干湿交替管理模式下根际C淀积含量分别占地下部全部转移C含量的16%、41%和30%. Watanabe等^[17]报道在水稻最大分蘖期，淹水水稻在标记14 d后转移到土壤中的含量为4.3%.对于施氮，Ge等^[2]研究发现在较高的施N水平下，水稻地上部对碳的积累能力相对较强，水稻光合碳通过根际沉积作用输入到土壤中的¹⁴C-SOC的含量亦相对较高，施N水平明显影响了水稻新鲜根际碳的沉积，且高氮水平下根际沉积的碳量高于低氮与中量氮水平.那么水分管理和施氮是如何共同影响水稻光合碳的输入和分配，这两个因素是否会进而影响土壤SOC的变化呢？迄今为止，大量研究仅关注于单一管理措施或环境条件下水稻光合碳的输入和分配^{[2, 15, 18, 19]}，缺乏施肥和水分两个因素共同作用对光合碳向地下部转移量和根际碳沉积影响的报道.因此有待加强水分管理和施氮对水稻光合碳输入与分配方面的研究，尤其是水稻光合碳通过根际沉积作用在土壤碳库中的分配更是有待加强.

碳(¹³C-CO₂) 稳定同位素标记技术是研究植物光合碳在土壤碳库中的分配与转化较灵敏的方法，因此，本研究运用¹³C-CO₂同位素连续标记法，采用淹水和干湿交替两种水分管理方法，研究在不同施肥水平下，模拟田间淹水与落干过程中光合碳在“水稻-土壤”系统输入特征，探讨光合碳在地下部的分配动态，以期为深入解析稻田碳循环及水稻土的可持续管理提供理论基础和数据支撑.

供试土壤样品采自中科院长沙农业环境观测研究站(113°19′52″E，28°33′04″N)，该地区属典型亚热带典型湿润气候，海拔92.2~125.3 m，年均气温17. 5℃，降水量1 300 mm，采样时间为2015年4月.所采土壤属于亚热带地区土壤母质一致(第四纪红土)、熟化程度基本相近的典型长期种植水稻耕作层(0~20 cm) 土壤，土壤¹³C自然丰度为-29.11‰.土壤均用直径为5 cm的不锈钢土钻采集.运回实验室后的土壤样品取1 kg室内风干，分别过0.250 mm和0.149 mm筛，用于测定土壤基本理化性质.剩余土样风干后过2.00 mm筛，淹水2~3 cm于25℃预培养14 d，备用.采用Mettler-toledo 320 pH计测定土壤pH (水土比为2.5:1)；采用碳氮元素分析仪(VARIO MAX C/N，德国) 测定(干烧法) 土壤TN (全氮) 和SOC (有机碳)；采用氢氧化钠溶融法-紫外分光光度计(UV-2450，日本) 测定土壤TP (全磷).供试土壤基本理化性质见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil used in this study pH 阳离子交换量 (CEC) /cmol·kg-1 碳氮比 (C/N) 有机碳 (SOC) /g·kg-1 全氮 (TN) /g·kg-1 全磷 (TP) /g·kg-1 黏粒 /% 粉粒 /% 砂粒 /% 5.43±0.61 7.706±1.32 9.8: 1 14.26±0.09 1.45±0.06 0.75±0.18 6.80±0.42 65.5±15.27 27.8±3.96

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil used in this study

向预培养后的土壤施入KCl (160 mg·kg^-1) 作为基肥，并加入硝化抑制剂DCD (25 mg·kg^-1)，土壤混匀分装于PVC盆(直径17.2 cm，高16.7 cm) 中，每盆装入量相当于1.00 kg烘干的土壤，作为非根际土；根际袋中装入相当于0.50 kg烘干土的土壤，作为根际土.将根际袋置于PVC盆中的非根际土中，水稻(籼性常规水稻，中早39) 植株种在根际袋土中.水稻标记试验设置4个处理，每个处理4个重复：①持续淹水施氮，②持续淹水不施氮，③干湿交替施氮，④干湿交替不施氮.其中，施氮处理施加(NH₄)₂SO₄，施氮量为250 mg·kg^-1；持续淹水处理是使盆栽中土壤表层保持2~3 cm水层；干湿交替处理的淹水与落干循环的一个周期为8 d，前4 d使盆栽中土壤淹水2~3 cm，第5 d开始使土壤自然落干，以此交替重复5个周期.水稻连续标记在第3个干湿交替周期开始，即水分管理的第17 d开始标记，连续标记14 d和22 d后采样，采样时间是在干湿循环周期的落干期.

培养装置和方法参考Ge等^{[15, 20]}建立的研究方法.稻苗在田间培养20 d后，选取长势一致的稻苗，小心洗净根系后，移栽至盆钵中的根际袋中，每盆3株.移栽后的稻苗置于阳光充足、通风良好的空地.生长期间用去离子水浇灌，并及时除草.于2015年6月29日将水稻盆栽移入标记箱进行标记. ¹³C-CO₂通过¹³C-NaHCO₃(50% atom ¹³C，100 mL，1 mol·L^-1) 和H₂SO₄(50 mL, 0.5 mol·L^-1) 反应自动产生.通过控制H₂SO₄加入速度使标记箱内CO₂浓度维持在270~350 μmol·mol^-1.标记箱内外安置两个温度传感器(智能型精密数显温度控制器，SNT-96S，杭州)，箱内安置控温空调，使标记过程中标记箱内外温度控制在±1℃.在连续标记开始后的第14 d和22 d进行破坏性采样.

与此同时，作为对照，上述4个处理种植水稻但不进行¹³C-CO₂标记，每个处理4个重复，放置于离标记培养箱10 m以上的区域，以用来测定水稻植株、土壤¹³C的自然丰度.

试验结束后，轻轻从PVC盆土壤中取出完整植株，把收获的水稻植株按根系、地上部分开后，根系先用自来水冲洗，再用0.5 mol·L^-1 CaCl₂(pH 6.2) 浸泡1 min，最后用去离子水冲洗，以去除吸附在植株表面的土壤，然后在105℃杀青30 min，在60℃下烘干至恒重.采集根际袋中的土壤作为根际土，根际袋外的土壤作为非根际土，土壤样品按照根际土和非根际土分别收集、保存、风干.

水稻植株与土壤(根际土、非根际土) 样品的¹³C丰度以及植物和土壤的碳含量分别在同位素比率质谱仪(MAT253型，美国热电公司) 中测定.

植株(根系和地上部) 和土壤(根际土、非根际土) 中¹³C含量的测定由标记样和非标记样中¹³C的丰度来确定^[21]:

(1)

式中，¹³C_s为样品中¹³C的量，mg；(atom ¹³C%)_l和(atom ¹³C%)_nl分别表示标记和非标记样品中¹³C的丰度；w(TC) 表示植株(根系和地上部) 和土壤(根际土、非根际土) 中总碳的量，mg.

各采样期水稻¹³C的净同化量(¹³C_全部) 是标记结束时立即采样，各部分同化¹³C量的总和:

(2)

式中，¹³C_sh、¹³C_r、¹³C_RS、¹³C_BS分别为水稻茎叶、根、根际土和非根际土中的¹³C量，mg.

各采样期水稻同化¹³C在“水稻-土壤”系统各部分中的回收率(P¹³C_i，%) 分别为¹³C_sh、¹³C_r、¹³C_RS、¹³C_BS与¹³C_t的比值.

(3)

式中，¹³C_f为两采样期水稻-土壤系统各部分(茎叶、根、根际土或非根际土) 最终固定的¹³C含量；¹³C_t为水稻对光合碳的净同化量.

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0进行数据处理和统计分析，采用One-way ANOVA进行单因素方差分析检验，采用Duncan法进行多重比较，方差分析采用单变量一般线性模型.

持续淹水条件下，施氮极显著提高了水稻地上部干物质重(P＜0.01)，连续标记14 d和22 d后，水稻地上部干物质重分别增加了0.90 g·pot^-1和0.87 g·pot^-1；而在干湿交替条件下，施氮处理水稻地上部干物质重较不施氮处理分别增加0.40 g·pot^-1(14 d) 和1.51 g·pot^-1(22 d).施氮对水稻根系干物质量无显著影响，但极显著降低了水稻根冠比(P＜0.01). 22 d标记结束后，不施氮条件下，干湿交替较持续淹水处理促使水稻地上部和根系干物质重分别增加3%和10%；而在施氮条件下，干湿交替使水稻地上部和根系干物质重分别增加20%和32%(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 水分管理和施氮对水稻干物质重及根冠比的影响 Fig. 1 Effect of water management and nitrogen fertilizer on rice dry biomass and its root/shoot ratio

施氮有效促进了水稻地上部全碳含量的增加(图 2)；连续标记22 d后，施氮也使水稻地上部全氮含量增加了1倍；却显著(P＜0.01) 降低了全碳、全氮含量在水稻根系与地上部的比值.水分管理措施对不施氮条件下的水稻地上部和根系碳氮含量的影响不显著；但是，在施氮条件下，连续标记22 d后，干湿交替处理使水稻地上部全碳、全氮含量较持续淹水处理分别提高了22%和33%，根系全碳和全氮含量分别提高了36%和44%.

图 2

Fig. 2

图 2 水分管理和施氮对水稻碳氮含量及根冠比的影响 Fig. 2 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the content of rice carbon and nitrogen and its root/shoot ratio

施氮能显著增加水稻地上部¹³C量(P＜0.01，表 2)，与不施氮处理相比增加32%~83%.水分管理对¹³C分配的影响表现为:连续标记22 d后，在施氮条件下，干湿交替使水稻地上部、根系¹³C量均有一定量的增加；不施氮条件下，干湿交替与持续淹水处理相比，地上部¹³C量减少10.3 mg·pot^-1，根系¹³C量增加1.9 mg·pot^-1(P＜0.05，表 2).

表 2 (Table 2)

表 2 水分管理和施氮对土壤-水稻系统13C量分配的影响(P值)1) Table 2 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the distribution of photosynthesized carbon in soil-rice system (Pvalue) 项目 df 地上部13C 根系13C 根际土13C-SOC 非根际土13C-SOC 14 d 22 d 14 d 22 d 14 d 22 d 14 d 22 d W 1 0.02* 0.55 0.04* 0.01* 0.47 0.01* 0.01** 0.30 N 1 ＜0.01** ＜0.01** 0.27 0.04* ＜0.01** ＜0.01** ＜0.01** ＜0.01** W×N 1 0.26 0.07 0.05* 0.06 0.95 0.02* 0.05 0.94 1) df:自由度，W:水分管理，N:施氮，W×N:水分与施氮交互作用；*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关，下同

表 2 水分管理和施氮对土壤-水稻系统13C量分配的影响(P值)1) Table 2 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the distribution of photosynthesized carbon in soil-rice system (Pvalue)

水稻光合碳通过根际沉积作用进入土壤，本研究中，进入土壤的¹³C量为2.3~8.9 mg·pot^-1.由于根际效应，水稻根际土¹³C量显著大于非根际土¹³C量，而且施氮和干湿交替都显著增加了¹³C在土壤中的累积，水肥耦合显著增加了¹³C在土壤中的分配(P＜0.01，图 3和表 2).相同水分管理条件下，根际土¹³C量表现为施氮处理(3.4~7.1 mg·pot^-1) 大于不施氮处理(1.4~3.0 mg·pot^-1)，非根际土¹³C量表现为施氮处理(0.9~2.8 mg·pot^-1) 小于不施氮处理(0.7~1.8 mg·pot^-1).相同施氮条件下，干湿交替增加了水稻光合碳在根际土和非根际土中的累积(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 水分管理与施氮对土壤-水稻系统13C量分配的影响 Fig. 3 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the distribution of photosynthesized carbon in soil-rice system

水稻光合碳主要分配于植株体内，如图 4所示，光合碳在水稻地上部、根系的回收率分别为57.6%~77.9%、13.7%~33.2%；而在根际和非根际土壤中的回收率为8%~18%.相同水分管理条件下，施氮处理显著影响光合碳在水稻地上部和根系中的回收率(P＜0.01，表 3)，施氮使光合碳在水稻地上部的回收率增加6%~32%，在根系的回收率减少18%~59%.水分管理显著影响了光合碳在土壤-水稻系统中的回收率(P＜0.05，表 3)，标记22 d后，光合碳在干湿交替处理的水稻地上部回收率降低了11%~12%，在根系回收率提高了24%~57%，在根际土中的回收率增加1.2倍.

表 3 (Table 3)

表 3 水分管理和施氮对土壤-水稻系统13C回收率的影响(P值) Table 3 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the recovery of photosynthesized carbon in soil-rice system (Pvalue) 项目 df 地上部回收率 根系回收率 根际土回收率 非根际土回收率 14 d 22 d 14 d 22 d 14 d 22 d 14 d 22 d W 1 0.28 ＜0.01** 0.09 0.01* 0.22 0.05 ＜0.01** 0.32 N 1 ＜0.01** ＜0.01** ＜0.01** ＜0.01** 0.01* ＜0.01** ＜0.01** ＜0.01** W×N 1 0.02* 0.87 0.05 0.75 0.52 0.77 0.61 0.15

表 3 水分管理和施氮对土壤-水稻系统13C回收率的影响(P值) Table 3 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the recovery of photosynthesized carbon in soil-rice system (Pvalue)

图 4

Fig. 4

图 4 水分管理与施氮对土壤-水稻系统13C回收率的影响 Fig. 4 Effect of water management and nitrogen fertilizer on the recovery of photosynthesized carbon in soil-rice system

养分和水分对作物的综合效应是通过植物体本身复杂的生理过程而起作用，进而影响植物体的生长状况^{[21, 22]}.在不同的水分管理条件下，施肥对作物生长的效果差别较大.本研究中，连续标记22 d后，施氮使水稻地上部干物质及碳氮量明显高于不施氮处理，但却降低了根冠比(图 1).这表明氮素是水稻生长的关键养分因素；在氮素相对不足条件下，刺激了水稻根系的生长以获取养分供水稻生长^[23].在干湿交替条件下，施氮使水稻地上部和根系的生物量分别增加了1.5 mg·pot^-1和0.2 mg·pot^-1，显著大于持续淹水条件下的量(地上部0.9 mg·pot^-1，根系0.1 mg·pot^-1)，这可能是因为干湿交替过程可以改善土壤的通气性，促进水稻根系向深层土壤生根，保持根系活力，从而促进水稻对氮素的吸收，增加水稻生物量尤其是根系的生长和光合碳的累积^[24].而持续淹水无效分蘖过多, 水稻生长受阻, 对水稻干物质的积累造成不利影响^[25].

光合碳在“植物-土壤”系统中的累积与分配是作物生长状况和潜在碳固定能力的重要指标^[26]，受到作物生长环境的影响，而养分和水分管理作为水稻生长的重要调控因子，显著影响着光合碳在水稻-土壤系统中的分配.有些研究发现氮肥能显著降低光合碳向根系分配，增加地上部C的输入量^[27].本研究发现施氮提高了光合碳在水稻植株和土壤中的绝对含量，但是降低了光合碳在水稻根系中的回收率(图 3和图 4)，这可能是由于氮肥的输入，降低了氮素胁迫，从而减缓了水稻根系的生长和新碳向根系中的分配^[28].

稻田不同的水分管理对水稻的生长产生重要影响^{[29, 30]}.水肥耦合在施氮处理中表现出了显著的调控效应(图 3和图 4、表 2和表 3). 22 d连续标记结束后，光合碳在水稻地上部和根系中的累积量与回收率表现出了显著的差异性.氮肥供给条件下，干湿交替促进了光合碳在水稻根系中的累积，增加了光合碳向水稻根系中的分配.这是因为淹水条件下土壤氮素主要为NH₄⁺-N，而落干时通气好氧的土壤中会有更多的氮素以NO₃^--N的形式存在，而干湿交替条件下，同时提供NH₄⁺-N与NO₃^--N作氮源较单独提供等量的NH₄⁺-N或NO₃^--N作氮源，水稻可以增产40%~70%^{[21, 31]}.因此，干湿交替能够通过促进土壤通气性，刺激根系生长，增加光合碳在地下部的分配.

稻田生态系统中，CO₂通过水稻光合作用流向土壤是稻田土壤固碳的重要环节.植物净光合固定的50%的光合产物会被转移到地下部，用于维持根系生长和构建，根际呼吸或保存在土壤中^{[32, 33]}. Lu等^{[34, 35]}通过对水稻进行标记，发现在整个水稻的生长期内，约有200 kg·hm^-2的光合碳进入土壤，并在水稻成熟期后以胡敏酸类物质存在.然而，光合碳向土壤碳库的传输受施肥和水分因素影响强烈；本研究发现，施氮显著增加了光合碳在土壤的累积，尤其是增加了光合碳向根际土中的分配，这表明在氮素供应条件下，刺激水稻根系生长旺盛，更新速率加快，使更多的光合碳以根际沉积碳、根毛脱落物、死亡根系等形式输入到根际土壤中. Zagal等^[36]研究发现氮肥能够促进根系¹⁴C的淀积. Ge等^[2]也发现施加氮肥可以增强植株的光合能力，并且促使根系分泌物增加.同时，干湿交替也促进了水稻光合碳向土壤中的分配，这可能是因为持续淹水条件下，促进了甲烷和一些有毒物质如亚铁离子、有机酸、硫化氢的产生^[37]，进而影响水稻光合碳的累积和分配，从而影响土壤有机质的固定；同时，厌氧条件下养分的缺乏(如N、P、K) 可能会影响微生物的生长，反过来会影响有机质的固定.而干湿交替增加了土壤通气性，有利于水稻根系以及土壤微生物的生长，促进水稻根际沉积碳的累积与微生物对新碳的固定^[21].

本研究发现水稻根际土¹³C量显著大于非根际土¹³C量，而且施氮和干湿交替都显著增加了¹³C在根际土壤中的累积与回收率(P＜0.01，图 3和表 2)，这表明在水肥耦合条件下水稻光合碳向土壤中的分配表现出了显著的根际效应.根际沉积碳主要来源于植物残体的分解以及植物生育期内根际碳的释放，主要通过根毛脱落、根系分泌物和根尖黏液层及衰老的根表皮细胞等机制实现^{[38, 39]}，因此根际沉积碳在根际土和非根际土中的分配会因与根的距离不同而有差异^{[40, 41]}.本研究采用根际袋法区分根际与非根际土壤，水稻根系部分基本都生长在根际袋中，所以根际沉积对根际土壤有机质的贡献显著大于非根际土壤，而由于土壤可溶性有机碳在根际与非根际土壤间的交换，或是通过土壤微生物的传递等过程，非根际土壤中也会有一定量的光合碳富集；而水稻光合碳在根际土壤中分配大于非根际土，可能是由于根际土中水稻根系多，根际沉积碳量相对较多，同时，根际沉积碳提高了土壤微生物活性，通过微生物的周转进而增加光合碳在根际区的累积，使得水稻光合碳对非根际土壤有机质的贡献远小于根际土^{[40, 42]}.然而，尽管非根际土中光合碳的分配比例较低，但是非根际土的量远大于根际土，对于光合碳的稳定和土壤有机质累积也起着非常重要的作用.

(1) 施氮和干湿交替增加了水稻地上部干物质重及其碳、氮含量，却显著降低了水稻根冠比.

(2) 干湿交替促进水稻根系生长，增加了水稻根系¹³C含量和分配比例.

(3) 施氮和干湿交替都显著增加了光合碳在根际土壤中的累积量与回收率.干湿交替比持续淹水更利于光合碳向土壤中分配，水肥协调管理能够优化光合碳在土壤中的传输、分配与累积.