玉米生長(zhǎng)對(duì)石灰性土壤無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳釋放的根際效應(yīng)*

孫昭安，趙 詣，朱 彪，陳 清，曹 慧，何敏毅，孟凡喬?

（1.濰坊學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東省高校生物化學(xué)與分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.北京大學(xué)生態(tài)研究中心，城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

在石灰性土壤上，以往研究認(rèn)為土壤無(wú)機(jī)碳（soil inorganic carbon，SIC）比較穩(wěn)定，土壤CO2釋放僅來(lái)自土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）分解，較少考慮無(wú)機(jī)碳酸鹽溶解對(duì)土壤 CO2釋放的貢獻(xiàn)，尤其隨著氮肥的高投入施用，導(dǎo)致酸化作用，加劇SIC的溶解[1-3]。孟延等[1]通過(guò)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)的SIC釋放比例高達(dá)1/2以上，并且施用氮肥加劇土壤無(wú)機(jī)碳的釋放。在華北平原農(nóng)田石灰性土壤上，SIC 含量較高（5～10 C g·kg–1），幾乎與SOC含量接近，對(duì)于土壤碳釋放有重大影響[4-5]，而此前對(duì)該地區(qū)SIC分解研究較少，有必要分析該區(qū)域SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)。

考慮到土壤SOC庫(kù)太大，短期內(nèi)SOC礦化量相對(duì)土壤原有SOC含量而言太小，不能通過(guò)直接測(cè)定SOC含量的變化來(lái)研究SOC的短期周轉(zhuǎn)，而是利用測(cè)定土壤CO2排放量來(lái)量化SOC的礦化程度[6]。然而，大部分土壤覆蓋植被，其根源呼吸（根系呼吸和根系沉積物的分解）對(duì)土壤CO2排放也有一定的貢獻(xiàn)，因此種植植物的土壤CO2排放包括根源呼吸和土壤微生物呼吸[7]。在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，土壤本身碳的釋放不僅包括SOC礦化，還包括無(wú)機(jī)碳酸鹽溶解和分解，導(dǎo)致有植物土壤的CO2釋放源達(dá)到三個(gè)，即根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解。在石灰性土壤上，區(qū)分與量化根際土壤CO2組分已成為全球變化生態(tài)學(xué)研究的難點(diǎn)，目前還缺乏系統(tǒng)研究[8-9]。這是由于根據(jù)同位素線性混合模型，n個(gè)同位素，僅適用于區(qū)分與量化n+1個(gè)源的貢獻(xiàn)比例[10]。對(duì)于源頭數(shù)量超過(guò)n+1個(gè)的研究情形，IsoSource模型可以計(jì)算潛在的貢獻(xiàn)比例[11]。如Plestenjak等[12]基于大氣 CO2、SOC與 SIC源之間的δ13C值差異，利用IsoSource模型三源區(qū)分石灰性土壤CO2的排放，定量SOC、SIC和大氣CO2來(lái)源的貢獻(xiàn)比例。

本研究以華北地區(qū)農(nóng)田石灰性土壤CO2釋放為研究對(duì)象，采用玉米盆栽試驗(yàn)，利用根系碳、土壤有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳之間的δ13C差異，基于13C同位素質(zhì)量守恒原理，采用IsoSource模型分析13C自然豐度、三源區(qū)分土壤CO2的組分特征，進(jìn)而量化根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)率，明確玉米根際效應(yīng)對(duì)石灰性土壤無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳釋放的影響，以期為華北平原農(nóng)田土壤溫室氣體減排與土壤肥力提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 夏玉米種植

試驗(yàn)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)溫室進(jìn)行。所選PVC盆大小為直徑20 cm×高度35 cm。供試土壤取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗(yàn)站農(nóng)田表層土壤（0～20 cm），SOC 和 SIC 的 δ13C 值分別為?22.2‰和?3.4‰。供試土壤為始成土，具有粉質(zhì)壤土結(jié)構(gòu)（砂粒62%，粉粒28%，黏粒10%），相關(guān)土壤參數(shù)為：SOC 和 SIC 含量分別為 7.6 g·kg–1和 7.8 g·kg–1，全氮為 0.66 g·kg–1，土壤 pH 為 7.7（水土比為 2.5︰1），速效鉀為 118 mg·kg–1，速效磷為 15.9 mg·kg–1。土壤風(fēng)干后，磨碎、挑根、再過(guò)5 mm篩。每盆裝風(fēng)干土9.5 kg，盆內(nèi)土層深度約27 cm。兩粒玉米種子（Zea maysL.，紀(jì)元1號(hào)）直接播于盆內(nèi)，風(fēng)干土按N 0.55、P 0.19、K 0.31 g·kg–1土壤比例預(yù)拌肥料（相當(dāng)于耕層的田間肥料施用量），作為底肥一次性施入。玉米種子播種前放在清水中浸泡12 h，然后再淺埋入土壤中。幼苗生長(zhǎng)至三葉期時(shí)，每盆留1株。用稱重法控制土壤水分，根據(jù)玉米不同生育期對(duì)水分的需求特點(diǎn)，分別在苗期（播種后0～24 d）、拔節(jié)期（24～53 d）、抽穗期（54～66 d）和灌漿期（67～99 d）四個(gè)階段，調(diào)整土壤含水量為田間持水量（0.31 g·g–1）的 60%、70%～75%、75%～80%和 70%～75%。在夏玉米生長(zhǎng)期間，根據(jù)病蟲害情況，噴灑必要的農(nóng)藥。

1.2 土壤CO2釋放的取樣和測(cè)定

從玉米播種后第24天開始，用中性硅酮膠對(duì)隔板和PVC盆的接合處密封，此外，在莖與隔板的間隙涂上真空絕緣硅樹脂（圖1）。每 3 d更換 1次3.5 mol·L–1的 NaOH溶液，定期采用空氣泵在土壤與隔板間注入一定量無(wú) CO2的空氣（圖2），為玉米地下部提供氧氣。同時(shí)收集3個(gè)未種植物土壤的CO2釋放。以酚酞作指示劑，用稀鹽酸滴定土壤CO2的 NaOH溶液中未反應(yīng)的 NaOH ，根據(jù)稀鹽酸和NaOH的體積、濃度，計(jì)算土壤CO2釋放量。將過(guò)量BaCl2溶液加入到土壤CO2的NaOH溶液中，形成BaCO3沉淀，將BaCO3沉淀60 ℃下烘干至恒重，用DELTAplusXP型質(zhì)譜儀分析種植和未種植玉米土壤CO2的δ13C值。

1.3 根系與土壤的取樣和測(cè)定

分別在玉米出苗后第56、84和99天時(shí)，破壞性取樣，從玉米基部剪斷植株，將盆中土壤反復(fù)過(guò)2 mm篩，挑出根系，進(jìn)行烘干和研磨，過(guò)0.15 mm篩，用作根系δ13C值的測(cè)定。取約20 g土壤置于白色板上，挑去殘留細(xì)根，然后，在土壤中加入3 mol·L–1的HCl溶液50 mL，用于去除土壤中的碳酸鹽。充分?jǐn)嚢杈鶆虿㈧o止2 d后，放入離心機(jī)中以3 000 r·min–1的轉(zhuǎn)速離心 3 min，將上清液倒掉，重復(fù)此過(guò)程，用 pH試紙檢測(cè)上清液的 pH，洗至中性為止，并將酸化前的上清液倒回?zé)?，?60℃條件下烘干、研磨、過(guò) 0.15 mm 篩，用 DELTAplusXP型質(zhì)譜儀測(cè)定SOC-δ13C值。SIC-δ13C值測(cè)定：在70℃，通過(guò)在真空系統(tǒng)中將土壤樣品與100%的H3PO4反應(yīng)3 h，生成CO2-δ13C值用DELTAplusXP型質(zhì)譜儀分析。碳同位素采用PDB（Peedee Belemnite）標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

（1）無(wú)植物條件下兩源區(qū)分CO2組分。石灰性土壤CO2排放主要來(lái)源于SOC分解和SIC溶解，本研究 SOC-δ13C 值偏負(fù)（–22.2‰），SIC-δ13C 值偏正（–3.4‰），基于同位素平衡原理，利用線性方程兩源區(qū)分CO2組分：

式中，fSOC和fSIC分別代表SOC和SIC釋放碳量占土壤CO2組分的比值（未知量）；δt、δSOC和δSIC分別代表土壤CO2、SOC和SIC的δ13C值（已知量）。

（2）區(qū)分玉米土壤CO2排放的三個(gè)來(lái)源。在石灰性土壤上，玉米土壤的CO2釋放來(lái)源于SOC分解、SIC溶解和根源呼吸。根據(jù)根系碳、SOC與SIC之間的δ13C差異（分別為–14.1‰、–3.4‰和–22.2‰），對(duì)上面的方程組進(jìn)一步擴(kuò)展至三種來(lái)源的土壤 CO2排放[12]：

式中，fSOC、fSIC和fRoot分別代表來(lái)源 SOC、SIC和根源呼吸的 CO2量占土壤 CO2組分的比值（未知量）；δt、δSOC、δSIC和δRoot分別代表土壤 CO2、SOC、SIC和根系的δ13C值（已知量）。這個(gè)由兩個(gè)方程和三個(gè)未知數(shù)組成的不確定方程系統(tǒng)，通過(guò)IsoSource軟件計(jì)算求解，三源區(qū)分土壤CO2組分[11]。

（3）根際效應(yīng)。利用式（1）和式（2）區(qū)分和量化玉米根際SOC釋放CO2-C量，同時(shí)減去未種植植物的 SOC釋放的 CO2-C量，即可得出凈增加的CO2-C 量[13-14]：

式中，PESOC（%）代表SOC的根際效應(yīng)，CPlantedSOC代表玉米根際土壤中 SOC釋放的 CO2-C量，CUnplantedSOC為未種植植物對(duì)照土壤中 SOC釋放的CO2-C量。

根源呼吸增加土壤CO2的分壓、以及根系分泌質(zhì)子和有機(jī)酸，可能加劇碳酸鹽的溶解：

式中，PESIC（%）代表對(duì) SIC溶解的根際效應(yīng)，CPlantedSIC為代表玉米根際土壤中 SIC釋放的CO2-C量，CUnplantedSIC為未種種植植物對(duì)照土壤中 SIC釋放的CO2-C量。

采用 Excel 2013軟件作圖。方差分析采用SPSS 17.0軟件計(jì)算。同一組分不同生育期的生物量、根系占植株干重的比值、土壤 CO2的累計(jì)排放量和根際效應(yīng)之間的顯著性差異分析比較采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD；P<0.05水平）。

2 結(jié) 果

2.1 不同生育期夏玉米的生物量

隨著玉米的生長(zhǎng)，從拔節(jié)期至抽穗期，地上部與整個(gè)植株的生物量干重呈顯著增加趨勢(shì)，然后保持穩(wěn)定（圖3a），根系干重在拔節(jié)期達(dá)到最大，然后保持不變。夏玉米的根系干重占植株總重的比值隨生育期的增長(zhǎng)而顯著降低，由拔節(jié)期的0.27降低至灌漿期的0.16，降低幅度達(dá)41%（圖3b）。

2.2 土壤CO2的排放速率與δ13C值

從玉米播種后第24天開始，直至生育期末（播種后第99天），每隔3 d測(cè)定一次土壤CO2排放。對(duì)于未種植植物的土壤而言，土壤CO2的排放速率自始至終保持在 0.08～0.11 C g·pot–1·d–1，變化范圍較??；而對(duì)于種植玉米的土壤而言，土壤CO2的排放速率由播種后第 24 天的 0.30 C g·pot–1·d–1，增加至第 44天的 0.44 C g·pot–1·d–1，第44～56天在0.40～0.44 C g·pot–1·d–1內(nèi)波動(dòng)，從第 60～99 天，土壤 CO2排放速率持續(xù)下降，下降幅度為46%（圖4）。

2.3 三源區(qū)分土壤CO2組分

從玉米播種后第 24～99 天期間，種植和未種植玉米土壤 CO2-δ13C 值的變化范圍分別在–15.3～–13.7 和–17.7～–16.5之間（圖5a）。玉米土壤 CO2排放分別來(lái)源于根源呼吸、SOC分解和SIC溶解釋放。IsoSource軟件計(jì)算表明，土壤CO2組分來(lái)源以根源呼吸貢獻(xiàn)為主，平均貢獻(xiàn)率為43.5%～50.3%，其次來(lái)源于SOC分解（26.7%～38.1%），最小源于SIC溶解（18.4%～25.1%；圖5b）。

土壤 CO2各組分的累計(jì)釋放量在玉米拔節(jié)期最大，灌漿期最?。ū?）。在玉米各生育期，根源呼吸的累計(jì)量對(duì)土壤CO2排放的貢獻(xiàn)率最大（46.7%～48.4%），其次為來(lái)源于SOC的分解（29.9%～33.7%），最小源于 SIC的釋放貢獻(xiàn)（19.6%～21.8%）。自拔節(jié)期至生育期末，根源呼吸、SOC分解與SIC溶解的累計(jì)碳釋放量對(duì)土壤CO2的貢獻(xiàn)率分別為48.0%，31.2%和20.8%（表1）。

表1 不同來(lái)源土壤CO2的累計(jì)排放量和貢獻(xiàn)比例（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Table 1 Cumulative emission of CO2 and contribution rate（mean±SD，n=3）to soil CO2 relative to source

2.4 玉米的根際效應(yīng)

在種植玉米的情況下，從土壤CO2中減去根源呼吸，即得到土壤原有碳（SIC+SOC）釋放的CO2-C量，將其與未種植植物土壤CO2-C量作差減，便可計(jì)算得到玉米的根際效應(yīng)。自拔節(jié)至生育期末，根際效應(yīng)對(duì)土壤碳的釋放呈正效應(yīng)，導(dǎo)致土壤多釋放6.3 C g·pot–1（圖6）。

自拔節(jié)至收獲，玉米根際正激發(fā)效應(yīng)增加土壤本身碳釋放程度近90%，相當(dāng)于土壤碳釋放當(dāng)量為0.66 C g·pot–1，根際效應(yīng)對(duì)土壤總碳釋放的促進(jìn)程度在拔節(jié)期最大（140.2%），灌漿期最?。?1.0%；圖7a和圖7b）。玉米根際效應(yīng)對(duì)石灰性土壤碳釋放的影響，可以進(jìn)一步區(qū)分為SOC和SIC釋放的影響，從拔節(jié)期至生育期末，對(duì)SOC與SIC的激發(fā)碳量分別為3.1 C g·pot–1和 3.2 C g·pot–1（圖7c 和圖7e），對(duì)應(yīng)的 SOC 和SIC的正激發(fā)效應(yīng)程度為65%和156%（圖7d和圖7f）。

3 討 論

3.1 SIC溶解和分解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)

在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，以往研究認(rèn)為SIC比較穩(wěn)定，土壤CO2釋放僅來(lái)自SOC分解，較少考慮碳酸鹽溶解對(duì)土壤 CO2釋放的貢獻(xiàn)[1-2]。然而，關(guān)于SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放貢獻(xiàn)的影響，近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有一些相關(guān)研究，室內(nèi)培養(yǎng)或者田間原位條件下的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約有 13%～85%的CO2來(lái)自碳酸鹽的溶解[15-18]，平均貢獻(xiàn)比例為43%，與本研究結(jié)果接近：自玉米拔節(jié)至生育期末，土壤源CO2釋放有40%來(lái)自SIC（表2）。因此，SIC在穩(wěn)定全球碳庫(kù)和調(diào)節(jié)CO2濃度方面，與SOC同樣具有重要作用。若忽視碳酸鹽溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)，則導(dǎo)致不能準(zhǔn)確量化SOC的礦化。

表2 碳酸鹽土壤中SIC釋放對(duì)土壤CO2貢獻(xiàn)的比較Table 2 Comparison of CO2 release from SIC to soil CO2 emission in carbonate soils

根據(jù)同位素質(zhì)量守恒模型，用兩個(gè)方程去解三個(gè)碳源的貢獻(xiàn)率（未知數(shù)）非常困難。本研究借助IsoSource軟件，可以計(jì)算土壤CO2中源自三個(gè)碳源的相對(duì)貢獻(xiàn)率的可能范圍及其平均值[11-12]。然而，IsoSource軟件未考慮穩(wěn)定同位素值及分餾因子等的變異和不確定性，模型的容差參數(shù)（tolerance）的調(diào)整會(huì)帶來(lái)貢獻(xiàn)范圍較大變化[11]。本研究采用是不同碳源對(duì)土壤CO2的平均貢獻(xiàn)率。從拆分來(lái)看，SIC釋放占據(jù)土壤本身碳（SIC+SOC）釋放的比例為40%，無(wú)機(jī)碳釋放貢獻(xiàn)較預(yù)想的要大，但與關(guān)于SIC釋放對(duì)土壤CO2貢獻(xiàn)的13篇文章整合結(jié)果近似：無(wú)機(jī)碳釋放貢獻(xiàn)的95%置信區(qū)間為27%～57%（表2）?；诶胣個(gè)同位素種類，可精確計(jì)算n+1個(gè)源的貢獻(xiàn)原理，今后研究可以考慮利用14C連續(xù)標(biāo)記植物與13C自然豐度結(jié)合來(lái)精確三源區(qū)分根際土壤CO2組分的貢獻(xiàn)（根源呼吸、SIC與SOC釋放）：首先量化土壤 CO2-14CO2，為根源呼吸釋放；其次定量土壤CO2-13CO2，源于SOC和SIC的釋放，根據(jù)13C同位素質(zhì)量守恒，可以計(jì)算SOC和SIC的貢獻(xiàn)率。此外，氮肥對(duì)石灰性土壤無(wú)機(jī)碳釋放的影響很大，較以前認(rèn)為的更為重要，例如 Zamanian等[3]發(fā)現(xiàn)施肥提高了土壤碳酸鹽溶解與釋放 CO2，每施1 kg N導(dǎo)致0.21 kg C的SIC釋放。然而，在華北地區(qū)大量氮肥施用引起的土壤酸化是否會(huì)導(dǎo)致土壤無(wú)機(jī)碳的釋放？目前尚少見報(bào)道。所以，今后有必要深入研究該區(qū)域氮肥對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳釋放的影響。

3.2 根源呼吸對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)

在石灰性土壤上，本研究首次利用13C自然豐度法，通過(guò) IsoSource軟件區(qū)分三源根際土壤 CO2組分，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)玉米旺盛生長(zhǎng)期（拔節(jié)期～生育期末），源于根源呼吸比例約為 50%（表1）。這與何敏毅[27]在盆栽玉米上利用13C脈沖標(biāo)記法定量結(jié)果近似，根源呼吸占土壤 CO2的比例為 52%。Kuzyakov和Cheng[28]也發(fā)現(xiàn)利用14C脈沖標(biāo)記法與13C自然豐度法量化根源呼吸碳量，得到的結(jié)果是一致的。在玉米盆栽條件下，楊蘭芳和蔡祖聰[29]以及李建敏等[30]通過(guò)非同位素法（分根箱法和根去除法）發(fā)現(xiàn)，從拔節(jié)期至生育期末，玉米根源呼吸占土壤CO2的比值在 65%以上，遠(yuǎn)高于本研究的結(jié)果。這可能是由于SOC釋放量相對(duì)要少導(dǎo)致的：以上兩個(gè)試驗(yàn)用土量較少，是本研究的 1/2～2/3，以及未考慮根際效應(yīng)的影響。因此，不同試驗(yàn)條件和區(qū)分方法導(dǎo)致測(cè)定的根源呼吸/土壤CO2的比值差異較大，不利于各研究結(jié)果之間的比較和整合分析。例如，在田間條件下，蔡艷等[31]利用根去除法測(cè)得的玉米全生育根源呼吸對(duì)土壤CO2的平均貢獻(xiàn)率為46%，與本研究接近，而Kumar等[32]在田間條件下，利用13C自然豐度法區(qū)分玉米土壤 CO2組分，發(fā)現(xiàn)源于根源呼吸的比例為25%，是本研究結(jié)果的1/2。

3.3 根際效應(yīng)對(duì)土壤碳釋放的影響

玉米的正根際效應(yīng)促進(jìn)了土壤原有碳的釋放，在玉米整個(gè)旺盛生長(zhǎng)期，增加程度約為90%。這略高于何敏毅[27]在盆栽玉米上利用13C脈沖標(biāo)記法的結(jié)果（80%），可能由于何敏毅[27]未考慮根際效應(yīng)對(duì)SIC溶解的促進(jìn)作用。在本研究中，玉米的產(chǎn)生正根際效應(yīng)促進(jìn)SOC的分解，是由于玉米根際沉積物可以為根際微生物提供大量活性碳源，增加微生物數(shù)量和活性，促進(jìn)微生物胞外酶的分泌和活性[14]。在玉米不同生育時(shí)期，根際效應(yīng)程度是不同的，可能是由于各生育期的根際沉積物的組成和分泌量不同，導(dǎo)致對(duì)根際微生物的影響產(chǎn)生差異[27，33]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，根際效應(yīng)不僅影響 SOC的分解，也加劇SIC的溶解，這是由于石灰性土壤中存在著CO2-HCO3-CaCO3平衡（碳酸途徑），主要受土壤中 CO2分壓、pH 和水分控制[3，5，9，34]：

根源呼吸增加土壤中CO2分壓。在本研究，玉米土壤CO2釋放來(lái)源于根源呼吸比例約為50%，導(dǎo)致式（7）平衡向右進(jìn)行，促進(jìn)碳酸鹽的溶解[3，5，9]。此外，根系也可能分泌質(zhì)子和有機(jī)酸[35]，加劇碳酸鹽的溶解。說(shuō)明在根際環(huán)境中，石灰性土壤無(wú)機(jī)碳釋放對(duì)調(diào)節(jié)CO2濃度方面是不可忽視的，在本研究，根際效應(yīng)對(duì)SIC溶解和分解的影響高達(dá)156%。

4 結(jié) 論

在整個(gè)玉米旺盛生長(zhǎng)期（自拔節(jié)期至生育期末），土壤CO2釋放來(lái)源于根系、土壤有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳的比值分別為 5︰3︰2。因此，在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，若忽視SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)，則導(dǎo)致對(duì)SOC礦化量的高估。玉米自拔節(jié)至收獲，由于正根際效應(yīng)，使得土壤原有碳的釋放增加了近 90%，相當(dāng)于土壤碳釋放當(dāng)量為 0.66 C g·kg–1。由于根際效應(yīng)導(dǎo)致 SOC與 SIC的凈增加釋放量相當(dāng)，進(jìn)一步說(shuō)明根際效應(yīng)對(duì)石灰性土壤無(wú)機(jī)碳釋放的影響不可忽視。