水稻光合碳在植株-土壤系统中分配与稳定对施磷的响应

为探究稻田土壤光合碳的输入及分配对施磷的响应特征,本研究选用籼性常规水稻品种（中早39）,在两个施磷（0 mg·kg^-1和80 mg·kg^-1;分别记为P₀和P₈₀）条件下进行盆栽试验,同时采用¹³CO₂连续标记技术量化光合碳在水稻-土壤系统中的分配.结果表明,施磷显著增加光合碳在水稻地上部的分配,降低其在根际土的分配（P<0.05）;施磷使拔节期水稻的光合碳含量增加了70%,根系干重降低了31%.与不施磷相比,施磷显著提高了水稻地上部全碳含量0.31 g·pot^-1（P<0.05）,显著降低了水稻根冠比;施磷使进入非根际土壤微生物量的光合碳（¹³C-MBC）显著增加了0.03 mg·kg^-1,但降低其在根际土壤的分配;光合碳在非根际土壤颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MOC）的分配对施磷的响应不显著,但在根际土壤施磷处理显著降低了其在POC中的含量.因此,施磷增加了光合碳在水稻-土壤系统的分配,但降低了光合碳在土壤中的积累.本研究探讨施磷对水稻光合碳在水稻-土壤系统的分配及其稳定的影响,为缺磷土壤的合理施用磷肥及其对土壤有机碳积累的影响提供理论基础和数据支撑;对理解稻田土壤光合碳的传输与分配特征及其固碳潜力具有重要意义.     

CO2倍增和施氮对水稻不同生长期土壤反硝化细菌丰度的影响

随着全球气候变化的不断加剧,大气CO₂浓度呈明显增加趋势,这将间接影响土壤-植物-微生物系统的氮循环过程.为研究典型水稻土壤反硝化细菌对CO₂浓度升高的响应规律和机制,借助水稻密闭培养箱,运用实时荧光定量聚合酶链式反应（Real-Time qPCR）分子技术,设置不施氮（0 mg/kg）和常规施氮（100 mg/kg）2个处理,研究CO₂倍增对水稻不同生长期土壤关键反硝化功能细菌（narG、nirK和nirS型）丰度的影响.结果表明:①在2种施氮水平,CO₂倍增显著促进了水稻分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期水稻根系生长（增幅为2.96%~28.4%）、地上部生物量增加（增幅为7.1%~107.3%）以及成熟期籽粒干质量的增加（增幅为19.5%和38.0%）,具有显著的增产效应.②反硝化细菌丰度对CO₂倍增的响应与生育期及施氮水平有关,CO₂倍增在2个施氮水平均抑制分蘖期反硝化细菌的繁殖,显著增加孕穗期反硝化细菌数量;在水稻扬花期,CO₂倍增促进了施氮处理narG和nirS型反硝化细菌数量的增加,在成熟期抑制未施氮处理下narG、nirK和nirS型反硝化细菌的生长.另外,narG、nirK、nirS型反硝化细菌丰度整体表现为narG > nirS > nirK,且随水稻的生长,其在成熟期的丰度均呈降低趋势.nirK和nirS基因同属亚硝酸还原酶,但nirS基因丰度高于nirK,且对CO₂倍增和施氮的响应有所差异.研究显示,CO₂倍增可显著增加水稻生长和产量,不同施氮水平对稻田土壤反硝化细菌丰度的影响存在差异.      

不同施氮量下水稻分蘖期光合碳向土壤碳库的输入及其分配的量化研究：13C连续标记法

应用稳定同位素13C-CO2连续标记技术,通过室内密闭培养试验研究不同施氮处理下(依次为N0,N10,N20,N40,N60)水稻分蘖期光合碳向土壤碳库的输入及其分配特征.结果表明,连续标记培养18 d后,水稻地上部和根系的干物质累积量分别为1.58~4.35 g·plot-1和1.05~2.44 g·plot-1,水稻植株生物量受施氮处理显著影响,且随着施氮量增加而增加,即N60>N40>N20>N10>N0.水稻整个分蘖期内分别有44.0~157.6 g·plot-1和8.3~49.4 g·plot-1的光合碳进入水稻地上部和根系.不同施氮水平下,种植水稻的土壤有机碳(13C-SOC)、可溶性有机碳(13C-DOC)和微生物量碳(13C-MBC)的分配量均显著高于CK处理(不种植水稻且不施N).种植水稻的土壤13C-SOC含量范围为11.1~23.7 g·plot-1,占总净同化量的10.2%~18.1%.对于活性碳库,CK处理的土壤13C-DOC和13C-MBC含量分别为3.50μg·kg-1和88.9μg·kg-1,种植水稻处理的土壤13C-DOC、13C-MBC含量范围为4.82~14.51μg·kg-1、526.1~1 478.8μg·kg-1.土壤13C-SOC、13C-DOC和13C-MBC含量受施氮处理显著影响(P<0.05),且与植物生物量呈显著正相关关系.因此,水稻分蘖期光合碳的地下部输入有利于土壤有机碳的累积,施氮能够促进水稻新鲜根际碳的沉积,且高N水平下根际沉积碳量高于低N和中量N水平.     

拔节期水稻光合碳输入的动态变化及其对施氮的响应:13C-CO2脉冲标记

水稻光合碳是稻田土壤有机碳的重要来源之一,其在土壤中输入与分配特征受水稻生长状况和土壤肥力的影响.施肥是影响水稻生长的关键因素,为了探讨施氮对水稻拔节期光合碳的传输动态的影响,应用稳定同位素13C-CO2脉冲标记技术,通过盆栽试验,研究光合碳在水稻-(根际/非根际)土壤系统中输入与分配的动态变化及其对施氮的响应.结果表明,施氮显著增加了水稻地上部和根系生物量,降低了水稻根冠比.随着水稻的生长,水稻植株的13C丰度逐渐下降,根际土和非根际土中13C丰度先减少再增加;施氮显著增加了根际土壤中13C丰度,较不施氮相比增加了9.5%~32.6%.施氮使水稻地上部和根系中光合13C含量显著增加,较不施氮处理分别增加了24.5%~134.7%和9.1%~106%.脉冲标记一次性输入的光合13C主要分配在水稻植株体内,不施氮和施氮条件下的分配率分别为85.5%~93.2%和91.3%~95.7%;施氮显著影响光合碳在水稻地上部、根际土和非根际土中的分配特征(P0.01),标记后26 d,与不施氮处理相比,施氮使光合碳在水稻地上部的分配增加了13.4%,在根际土和非根际土中的分配分别减少了21.9%和52.2%.因此,施氮增加了光合碳在土壤-水稻系统中的分配,但降低了光合碳在土壤中的累积.本研究进一步探讨了施氮条件下水稻拔节期光合碳的分配,为明确氮素对光合碳在水稻拔节期的动态变化以及对土壤有机碳库的影响,和深入了解农田土壤有机质累积提供理论依据和数据支持.     

基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析

适宜的磷素分级方法是研究磷素组分特征与评价其有效性的关键.以磷素的化学与生物活化特点,采用改进的生物有效性的磷素分级方法,应用其研究不同土地利用方式下旱地土与水田土中磷素组分与有效磷（Olsen-P）的关系,并分析环境因子对磷组分的影响.磷素分级方法将磷素分为4个组分：①自由扩散或根际截留的磷（CaCl₂-P）;②有机酸活化和无机弱结合磷（Citrate-P）;③系列酶矿化的有机磷（Enzyme-P）;④潜在活化的无机磷库（HCl-P）.结果表明,旱地土及水田土4种磷素组分含量均表现为：HCl-P > Citrate-P>Enzyme-P > CaCl₂-P,且旱地土各磷组分均显著高于水田土.Olsen-P与各磷素组分均呈显著正相关,表明各磷素组分对有效磷都有贡献.具体表现为：在旱地土中,Olsen-P与CaCl₂-P和Enzyme-P相关性较高（R²=0.359;R²=0.386）;在水田土中,Olsen-P与Citrate-P相关性较高（R²=0.788）,说明旱地土中有效磷主要来自土壤自由扩散的无机磷和易矿化的有机磷部分,而水田土中有效磷主要来自弱酸活化的无机磷.冗余分析结果表明,磷素组分主要受土壤pH和黏粒含量的影响,指示在农业生产活动中,可通过调节土壤pH值,提高土壤有效磷含量.     

稻田土壤固碳功能微生物群落结构和数量特征

研究不同类型稻田土壤自养微生物数量和多样性差异及其影响因子,对全面认识稻田生态系统的固碳潜力及其机制具有重要意义.鉴于此,本文选取4种典型稻田土壤,通过室内培养实验对具备卡尔文循环途径碳同化微生物进行了研究.利用荧光定量PCR(qPCR)、克隆文库以及末端限制性长度多态性分析(T-RFLP)技术,研究了卡尔文循环关键酶(1,5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶Rubis CO)的2种编码基因(cbbL和cbbM)的丰度和多样性.结果表明,与培养前相比,培养45 d后碳同化自养微生物数量有所增加,cbbL基因丰度比cbbM基因高3个数量级.不同稻田土壤中碳同化功能微生物优势种群存在差异,且这些微生物大多不能归类到已知的细菌类群中,部分可归类的与变形菌和放线菌有较高相似度.RDA分析结果显示土壤有机碳(SOC)、阳离子交换量(CEC)、pH、黏粒、粉粒和砂粒含量对碳同化功能微生物群落结构有显著影响.本文的研究结果对于理解微生物在碳循环过程中的作用具有一定的科学意义,也可以为稻田土壤肥力科学化管理和构建低碳农业提供科学依据.     

农田土壤自养微生物碳同化潜力及其功能基因数量、关键酶活性分析

研究农田土壤自养微生物碳同化潜力,对全面认识农田生态系统碳吸收和碳储存有着重要意义.选取6种典型农田土壤,通过14C连续标记示踪技术结合密闭系统模拟培养,量化了土壤自养微生物碳同化潜力及其向土壤活性碳库组分转化,同时结合分子生物学技术及酶学分析方法,探讨了不同土壤自养微生物细菌固碳功能基因(cbbL)丰度及关键酶(RubisCO)活性.结果表明,土壤自养微生物具有可观的CO2同化潜力,在本实验条件下,全球每年表层(0~20 cm)土壤通过自养微生物的同化作用可固定的碳为0.57~7.3 Pg.供试土壤的14C土壤有机碳(14C-SOC)含量范围为10.63~133.81 mg·kg-1,而14C可溶性有机碳(14C-DOC)、14C微生物生物量碳(14C-MBC)含量范围分别为0.96~8.10 mg·kg-1、1.70~49.16 mg·kg-1.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为5.07%~14.3%、2.51%~13.12%和0.09%~0.64%.土壤细菌cbbL丰度范围为2.40×107~1.9×108copies·g-1,且RubisCO酶活性(CO2/soil)范围为34.06~71.86 nmol·(g·min)-1.相关分析表明,土壤14C-SOC与14C-MBC及RubisCO酶活性均呈极显著正相关关系(P<0.01).说明土壤对大气CO2的同化作用主要是由自养微生物参与的同化过程,且较高的RubisCO酶活性意味着较高的自养微生物CO2同化潜力.     

自养微生物同化碳在土壤腐殖质组分及团聚体中的分配

采用¹⁴C-CO₂(碳同位素)连续标记技术结合室内模拟培养试验,采用土壤有机质的物理、化学分组方法,研究了不同种植方式〔P-R(盘塘水稻土)、P-U(盘塘水旱轮作土)和U-C(盘塘坡旱土)〕下¹⁴C-SOC(自养微生物同化碳)在土壤腐殖质组分和团聚体中的分配特征. 结果表明:不同种植方式显著影响自养微生物的固碳能力,P-R的自养微生物固碳能力最强〔w(¹⁴C-SOC)为38.32 mg/kg〕,约为P-U和U-C的2倍;P-R和P-U中w(¹⁴C-DOC)、w(¹⁴C-MBC)显著大于U-C中. ¹⁴C-SOC不同程度地进入了土壤的3种腐殖质组分(胡敏素、胡敏酸、富啡酸)中,其中进入胡敏素中的¹⁴C-SOC占总量的67.7%. ¹⁴C-SOC亦进入了不同粒径的土壤团聚体中,其中主要进入了Ⅲ级(0.020 mm≤粒径<0.200 mm)和Ⅱ级(0.200 mm≤粒径<2.000 mm)粒径的大团聚体中,表现出了碳汇效应;不同种植方式的土壤中,以P-R土壤各粒径土壤团聚体中w(¹⁴C-SOC)最高. 相关分析表明,全土中的w(¹⁴C-SOC)与各粒径土壤团聚体中w(¹⁴C-SOC)和胡敏酸中w(¹⁴C-SOC)均呈显著正相关.     

不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配及输入效率

为了研究不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配与输入效率,通过盆栽试验,采用13C-CO₂脉冲标记法,定量研究水稻不同生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期)内光合碳在水稻-(根际/非根际)土壤系统中的分配及其对根际、非根际土壤有机碳的贡献.结果表明:13C-CO₂脉冲标记6 h后,水稻地上部、根系和根际土中13C的丰度最大值均出现在分蘖期,分别达到1 864.7‰、842.6‰和-8.2‰,显著高于后3个生育期.分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期这4个生育期水稻光合13C在地上部的分配比例依次增加,而在根部和根际土中的分配比例逐渐减小;不同生育期水稻光合13C在水稻-土壤系统中的总回收率为72.0%～81.0%,在籽粒中的回收率由1.8%逐渐增至40.3%,在根部和土壤中的回收率逐渐下降,表明水稻生育前期光合作用更强,能够向地下部快速输入“新碳”.水稻生长至成熟后,茎叶中光合13C的分配比例由61.0%～93.1%降至32.8%～74.1%,而在籽粒、根部和根际土中的分配比例分别增加了1～2倍,表明水稻植株在生长过程中光合碳向籽粒和地下部传输.根际沉积效率随水稻的生长逐渐由分蘖期的11.0%降至灌浆期的4.1%;光合碳对土壤有机质的贡献也逐渐减低,而且对根际土的贡献显著大于非根际土,表明水稻生长速率决定了光合碳对土壤有机碳的贡献率,而水稻根际沉积效应是根际土壤有机质获得较高光合碳贡献率的主要原因.该研究进一步量化了水稻生长期间光合碳的分配及其对土壤有机碳库的贡献,有助于深入开展水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究.      

CO2倍增条件下不同生育期水稻碳氮磷含量及其计量比特征

生态化学计量比的变化特征在一定程度上可反映植物对环境条件变化适应的本质.本研究利用CO_2连续标记系统模拟大气CO_2体积分数升高(800×10-6)条件,探讨水稻各器官C、N、P含量及其计量比变化的特征.结果表明,CO_2倍增促进水稻各器官生长,并增加了根冠比.在植株生长过程中CO_2倍增可一定程度上降低不同生育期内秸秆全氮(TN)含量,同时使得水稻根系、秸秆和籽粒的C/N比值增大,降低N和提高P的利用效率.多重比较和韦恩图分析表明CO_2体积分数仅对水稻秸秆TN有着显著影响,对水稻养分含量及其计量比特征的变异解释率均为-1. 0%,即几乎不受CO_2倍增影响.在大气CO_2体积分数升高条件下,水稻各器官C、N、P含量及其计量比具有良好的计量学内稳性特征,同时在不同生育期内其计量比变化特征与"生长速率理论"相符.在农田管理措施中,可适当施加氮肥来缓解CO_2体积分数升高带来的养分平衡压力.