植物光合碳是“大气-植物-土壤”系统碳循环的起点, 且与土壤质量变化关系密切, 光合碳由地上部向地下部转运, 用作根系呼吸和根系发育, 转移至根系中的光合碳以根系分泌物或植物残体形式将同化的碳水化合物输入土壤^[1], 以根系沉积物形式向土壤根际环境中输入碳转化为微生物量碳中的一部分, 或以有机质形式贮存于土壤碳库中^[2~4].光合碳在植物体内的转化非常迅速, 标记后4 h即可检测到根系中¹³C存在^{[5, 6]}.光合碳向根系及土壤中的传输与分配与茎叶相比存在一定滞后性, 所以根系中光合碳含量在标记后的24~48 h达到峰值^[7].有研究表明, 牧草将30%~50%的光合产物转移到地下^[6], 谷类作物(小麦和大麦)约有20%~30%的光合碳分配到地下部^[8], 水稻光合碳约有2%~10%以根际沉积碳的形式输入土壤^{[9, 10]}.光合碳在植物-土壤系统中的传输与分配是陆地碳循环的重要组成过程, 对维持稻田土壤的碳汇功能起到了十分重要的作用^[11].

光合碳在植物-土壤系统中的传输与分配受土壤肥力条件的影响, 土壤肥力又是影响作物生长以及土壤微生物活性的重要因子, 进而影响光合碳的周转过程^{[12, 13]}.氮素作为作物生长的必需营养元素, 显著影响作物的生长和根际碳沉积过程^{[11, 14]}. Ge等^[15]认为较高的施氮水平提高了水稻地上部对碳的积累能力和水稻新鲜根际碳的沉积.氮肥施用能够显著促进地上部的生长^{[16, 17]}, 因而, 增加了光合同化碳分配到植物茎的比例, 降低了分配到根的比例^[18]. Kuzyakov等^[18]研究了施氮对光合碳在麦类作物中分配的影响, 结果表明氮肥降低了光合碳向根系的转移, 高氮肥施用量减少了麦类作物光合碳向地下碳库的转运.因此, 研究氮肥施用条件下光合碳的传输过程, 可明确氮肥对水稻生长的影响和光合碳对土壤碳汇功能的贡献.

¹³C脉冲标记技术是一种研究土壤有机碳输入、输出的方法.与连续标记相比, 脉冲标记具有费用低、设备和环境条件要求简单的优点^[19], 而且一次输入一定量的标记物, 可用来研究植物在特定生长时期光合碳的分配情况^[1], 因此, 只要在植物生育期内进行一次脉冲标记, 便能合理估算植物输入到地下各组分的碳量, 动态监测光合碳在土壤中的去向, 定量认识根际沉积碳^[20]、植物输入到根部的碳^[21]和根际呼吸强度.本试验在水稻拔节期进行一次性¹³C-CO₂同位素脉冲标记, 研究在不同氮肥水平下, 光合碳在“水稻-土壤”系统中的传输、转化与分配动态, 以期为研究水稻光合碳对土壤有机碳固持、稻田碳循环及土壤可持续利用提供理论基础和数据支撑.

供试土壤为多年种植水稻的典型红壤, 采集于中国科学院长沙农业环境观测研究站(113°19′52″E、28°33′04″N), 该地属亚热带典型湿润气候, 年均温度17.5℃, 降水量1 300 mm, 日照1 663 h.采集耕作层(0~20 cm)土壤, 湿润条件(含水率为14.8%)下过4 mm筛去除植物残体, 测定其基本理化性质.采用Mettler-toledo320 pH计测定土壤pH(水土比为1:2.5);碳氮元素分析仪(VARIO MAX C/N, 德国)测定土壤全氮(TN)和有机碳(SOC)的含量; 氢氧化钠溶融法-紫外分光光度计(UV-2450, 日本)测定土壤全磷(TP), 激光粒度仪(Mastersizer 2000, 英国)测定土壤机械组成.供试土壤基本理化性质见表 1.供试植物为水稻(籼性常规水稻中早39).

表 1 (Table 1)

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil used in this study pH 阳离子交换量(CEC) /cmol·kg-1 C/N 含量/g·kg-1 质量分数/% 有机碳 全氮 全磷 黏粒 粉粒 砂粒 5.6 7.8 16.2 13.5 0.8 1.6 68.4 24.1 7.5

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

向土壤样品喷施NaH₂PO₄(20 mg·kg^-1)和KCl(80 mg·kg^-1)溶液作为基肥, 以每千克土壤中施入的NaH₂PO₄、KCl中的P、K的质量(mg)计, 水稻标记试验设置2个处理, 每个处理3个重复：①施氮, ②不施氮; 其中, 施氮处理施加(NH₄)₂SO₄作为氮源(100 mg·kg^-1).将土壤样品混匀分装于PVC盆(直径17.2 cm, 高16.7 cm)和根际袋(直径4 cm, 高16 cm)中, 根际袋由筛孔大小为30 μm的德国进口尼龙网制成, 每盆装入相当于1.60 kg干土的土壤, 作为非根际土; 根际袋中装入相当于0.32 kg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, 水稻植株种在根际袋土中.培养装置和方法参考文献[9, 21].

水稻幼苗在田间培养20 d后, 选取长势相当的稻苗, 洗净根系后移栽至盆中的根际袋中, 每盆3株, 每株水稻干重平均值为0.16 g.移栽后的水稻置于阳光充足、通风良好的空地进行培养, 用去离子水浇灌并保持高于土壤表面2~3 cm的水层, 并及时除草.选择2015年9月16日对拔节期水稻进行脉冲标记, 标记时间为光照充足的09:00~15:00.将水稻盆栽移入标记箱进行脉冲标记, 标记时间为6 h.标记结束后放在距离标记箱10 m外, 置于阳光充足、通风良好的空地进行培养.本试验设置6次采样, 采样时间分别为脉冲标记结束后的第0、1、3、6、12、26 d; 其中, 6 h标记后立即进行破坏性采样记为0 d. ¹³C-CO₂通过¹³C-NaHCO₃(99% 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加入速度使标记培养箱内CO₂浓度维持在270~350 μmol·L^-1之间.标记培养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, 杭州时域电子科技有限公司), 使标记过程中培养箱内外温度控制在±1℃.另外每个处理设置3盆不进行脉冲标记的作为对照, 放置于离标记培养箱10 m以上的区域, 用来测定植株、土壤的¹³C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、茎叶、籽粒分开后, 先用自来水冲洗, 再用0.5 mol·L^-1 CaCl₂(pH 6.2)浸泡3~5 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, 60℃下烘干至恒重.采集根际和非根际土, 分别保存、风干.

水稻植株与土壤(根际土、非根际土)样品的¹³C丰度和ω(TC)在同位素比率质谱仪(MAT253型, 美国热电公司)中测定.

植株(籽粒、茎叶、根)和土壤(根际土、非根际土)中¹³C的含量由标记和非标记样品中¹³C的丰度来确定^[19]：

(1)

式中, C_s为样品中¹³C含量, mg·pot^-1; ¹³C_l和¹³C_nl分别表示标记和非标记样品中¹³C的丰度, ‰; ω(TC)表示植株(籽粒、茎叶、根)和土壤(根际土、非根际土)中总碳含量, mg·pot^-1.

水稻光合碳含量(¹³C_t)是指6 h标记结束后, 各部分同化¹³C量的总和：

(2)

式中, ¹³C_g、¹³C_sh、¹³C_r、¹³C_RS、¹³C_BS分别为水稻籽粒、茎叶、根、根际土和非根际土中¹³C的含量, mg·pot^-1.

水稻光合碳在水稻-土壤系统各部分的分配比例(P_i, %)分别为¹³C_g、¹³C_sh、¹³C_r、¹³C_RS、¹³C_BS¹³与¹³C_t的比值.

(3)

式中, ¹³C_f为水稻-土壤系统各部分(籽粒、茎叶、根、根际土或非根际土)¹³C含量, mg·pot^-1; ¹³C_t为水稻光合碳含量, mg·pot^-1.

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0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.

随着水稻的生长, 水稻地上部(包括籽粒和茎叶)生物量逐渐增加, 脉冲标记后26 d与0 d相比, 不施氮和施氮条件下水稻地上部生物量分别增加15.9%~66.7%、23.5%~96.2%;施氮处理水稻地上部生物量较不施氮处理增加41.7%~70.7%.施氮显著提高了水稻根系生物量, 较不施氮处理相比根系生物量增加了16.2%~104.3%.水稻根冠比随着水稻的生长呈下降趋势, 施氮降低了水稻根冠比(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 施氮对水稻生物量及根冠比的影响 Fig. 1 Effect of nitrogen application on rice root, shoot biomass, and the root/shoot ratio

水稻地上部¹³C丰度在6 h脉冲标记后达到最大值(不施氮处理, 1 224.1‰; 施氮处理, 1 033.8‰), 标记后0~3 d内随着水稻的生长快速下降, 而后逐渐降低, 26 d时分别降至347.6‰、346.0‰.水稻根系中¹³C丰度随着水稻生长先增加(2 d时最高)再逐渐减少, 脉冲标记后26 d, 施氮较不施氮相比, 水稻根系中的¹³C丰度增加了39.3%.施氮条件下水稻根际土和非根际土中¹³C丰度逐渐减少, 而不施氮条件下¹³C丰度均表现为先减少再增加; 施氮对土壤非根际土中¹³C丰度影响不显著, 却使根际土¹³C丰度较不施氮处理增加了9.5%~32.6%(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 施氮对水稻-土壤系统中13C丰度的影响 Fig. 2 Effect of nitrogen application on the abundance of 13C in rice-soil systems

水稻地上部光合¹³C含量随着水稻的生长逐渐降低.施氮显著增加了水稻地上部和根系¹³C含量, 与不施氮处理相比, 施氮使水稻地上部和根系光合¹³C含量分别增加24.5%~134.7%和9.1%~106%.氮肥处理影响水稻非根际土壤中¹³C含量的变化特征, 脉冲标记后26 d较0 d相比, 不施氮处理非根际土¹³C含量增加了13.4%, 而施氮处理¹³C含量减少了40.7%;施氮对根际土¹³C含量影响不显著, 脉冲标记后26 d时, 施氮与不施氮相比使根际土中光合¹³C含量增加23.1%(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 施氮对水稻-土壤系统中13C含量的影响 Fig. 3 Effect of nitrogen application on the content of photosynthetic13C in rice-plant systems

脉冲标记一次性输入的光合¹³C主要分配在水稻植株体内(图 4).施氮显著影响光合碳在水稻地上部的分配率(P < 0.01)，见表 2, 标记后26 d, 水稻地上部¹³C分配比例较不施氮处理增加了13.4%.施氮条件下, ¹³C在水稻根系中的分配表现为先增加后减少的趋势.随着水稻的生长, 光合¹³C逐渐向地下部传输, 所以水稻根际和非根际土壤中¹³C分配比例基本呈现逐渐增加的趋势, 与脉冲标记后0 d相比, 26 d后不施氮处理的根际土和非根际土中¹³C分配率分别增加66.7%和112.2%;同时, 施氮降低了¹³C在根际和非根际土壤中的分配(P < 0.01)，见表 2, 标记后26 d, 与不施氮处理相比, 根际土和非根际土分别减少了21.9%和52.2%.

图 4

Fig. 4

图 4 施氮对水稻-土壤系统中13C分配率的影响 Fig. 4 Effect of nitrogen application on the distribution ratio of photosynthetic13C in rice-plant systems

表 2 (Table 2)

表 2 施氮对土壤-水稻系统13C分配率的影响(P值) Table 2 Effect of nitrogen application on the distribution ratio of photosynthesized 13C in the soil-rice systems (P value) 项目 df 籽粒分配率 茎叶分配率 根系分配率 根际土分配率 非根际土分配率 T 5 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 N 1 < 0.01 < 0.01 0.473 < 0.01 < 0.01 T×N 5 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01 1)df：自由度, T：种植时间, N：施氮, T×N：时间与施氮交互作用

表 2 施氮对土壤-水稻系统13C分配率的影响(P值) Table 2 Effect of nitrogen application on the distribution ratio of photosynthesized 13C in the soil-rice systems (P value)

施氮是调控作物生长、群体发育, 提高同化能力和水分利用的重要措施, 对作物的根冠关系有重要影响^[22].本研究发现, 在整个水稻培养期内, 施氮显著增加了植株生物量, 脉冲标记后60 d, 施氮使水稻地上部生物量明显高于不施氮处理, 降低了水稻根冠比(图 1), 王婷婷等^[23]的研究结果也表明, 氮肥可促使水稻生长加快, 降低根冠比.而本研究中施氮并没有显著地降低水稻根冠比, 可能是本试验开始时施氮量为100 mg·kg^-1, 由于N挥发等原因, 使土壤N含量低于前人试验研究施氮量(250 mg·kg^-1), 使N素对根系生长的促进作用不显著^[24]; 而且研究是在控制条件下的盆栽试验, 作物根系受栽培条件所限, 导致地下部生物量又相对较少^[25].另一方面, 本试验维持稳定的CO₂含量, 氮肥提高了水稻对CO₂的固定, 促使水稻地上部生物量增加幅度显著高于不施氮处理, 但氮肥并没有显著促进地下部生长, 因此, 导致水稻根冠比降低, 这表明氮素是限制水稻生长的关键养分因素.

水稻植株主要依靠叶片的光合作用将¹³C固定在植物体内, 并在植物-土壤系统中进行再分配^{[5, 6]}.植株和土壤各部分¹³C丰度的变化特征, 清晰地反映了光合碳的转移路径, 水稻地上部¹³C丰度在6 h脉冲标记后达到最大值(不施氮处理, 1 224.1‰; 施氮处理, 1 033.8‰), 标记后0~3 d内随着水稻的生长快速下降, 而后逐渐降低至26 d(不施氮处理, 347.6‰; 施氮处理, 346.0‰); 水稻根系中¹³C丰度随着水稻生长先增加再逐渐减少, 并逐渐向根际土壤中输入, 使根际土壤中的¹³C丰度高于非根际土壤.这表明标记后的光合碳逐渐转移分配到地下部用于根系生长, 不断以根际沉积物的形式输入根际土壤^[26]. δ¹³C值的下降可能是由于水稻植株和土壤呼吸损失¹³C, 同时水稻植株的不断生长, 生物量继续增加, 未标记部分同化¹³C, 故而稀释了水稻光合固定的¹³C. 26 d的试验过程中, 一次脉冲标记输入的光合¹³C在水稻地上部含量随着水稻的生长降低了30%~50%, 根系中¹³C含量增加了约1倍(图 3), 根际和非根际土壤中¹³C分配比例逐渐增加(图 4), 这表明植物光合同化碳最终以根际沉积物的形式输入土壤, 包括根系分泌物(小分子物质例如单糖、氨基酸或有机酸等)、根毛脱落物、死亡根系等有机物质, 在土壤微生物的作用下进行代谢周转, 进而与土壤矿物作用形成稳定的土壤有机质, 促进土壤有机质的累积^{[9, 20, 27, 28]}.

氮素是植物叶绿素、蛋白质、光合酶等的组成部分^[29], 是调控土壤碳源供给和微生物活性的关键因子^[30].施氮可以改善根际微环境, 加快土壤养分循环, 保证作物生长的营养所需, 进而促进作物光合作用^[31].本研究发现施氮促进水稻光合作用, 增加水稻植株中δ¹³C值和¹³C的分配, 表明施氮促进了植株对光合碳的同化作用.与本研究类似, 谭立敏等^[14]的研究发现, 施氮量显著影响了¹³C在水稻-土壤系统中的输入和分配特征, 氮肥促进光合碳向地下部转运, 李银坤等^[32]也指出施氮能增加夏玉米农田的净光合碳输入, 并随施氮量增加而增大.

光合碳在水稻根际和非根际土壤中的分配与固持特征与土壤养分含量水平密切相关, 根系分泌物为根际微生物提供所需的能源, 根际沉积碳是微生物代谢的有效碳源, 而氮素的添加, 有效地缓解了土壤微生物氮素限制, 极大促进了微生物代谢活跃^[33], 因此, 本研究中脉冲标记后0~6 d, 施氮增加了土壤中¹³C含量.但标记后6~26 d, 施氮处理的根际和非根际土壤中¹³C的含量和分配比例都低于不施氮处理, 这表明施氮降低了光合碳在土壤中的固持.魏亮等^[34]的研究指出施氮影响土壤微生物胞外酶活性, 增加微生物对土壤碳的分解, 进而影响了土壤对光合碳的固定.但齐鑫等^[17]通过室内冬小麦盆栽试验发现低氮处理(150 mg·kg^-1)能增进植物光合碳向地下部的输入, 增加土壤碳的累积, 这可能与作物的品种有关.因此, 氮肥对于光合碳的稳定和土壤有机碳累积起着非常重要的作用.

(1) 水稻光合碳主要分配在水稻地上部, 随着水稻生长光合碳逐渐向水稻地下部和土壤中传输.

(2) 施氮促进了水稻地上部生物量的累积, 减弱根系的生长, 使光合碳在水稻地上部的累积与分配增加, 根际土和非根际土中的积累与分配降低.说明施氮能促进水稻光合作用, 增加土壤中新碳的分解, 降低光合碳在土壤中的累积.