氮磷添加對互花米草-土壤系統(tǒng)碳分配的影響

時 宇，黃 黃，冉珊珊，劉金娥①，蘇海蓉，余培培

（1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；2.江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程實驗室，江蘇 南京 210023）

碳是土壤有機質(zhì)的重要組成部分，也是植物體的主要組成元素。植物光合作用是陸地和大氣間碳循環(huán)的驅(qū)動力，也是土壤有機碳的重要來源［1］。植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，并將光合作用固定的碳輸送到植物各個部位，以根際沉積物形式輸入土壤，包括根系分泌物、死亡根系和作物殘體等［2］。光合碳是“大氣-植物-土壤”系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，與大氣環(huán)境及土壤質(zhì)量變化關(guān)系密切［3］。N和P作為植物的基本營養(yǎng)元素，制約植物生長發(fā)育和遺傳等重要生命過程，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的主要限制因子［4］。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，N、P添加改變土壤養(yǎng)分狀況，從而對鹽沼土壤碳循環(huán)過程產(chǎn)生影響，改變土壤有機碳組分［5］，改變玉米、水稻和小麥等作物的光合碳分配［6-8］。自互花米草（Spartina alterniflora）引入我國以來，在沿海地區(qū)潮間帶廣泛分布，對沿海濕地碳循環(huán)產(chǎn)生多重生態(tài)效應(yīng)［9-11］。近年來，沿海地區(qū)徑流、海水中N和P營養(yǎng)鹽濃度在增加，其對互花米草光合碳分配的影響尚不明確。筆者采用13C脈沖標(biāo)記法研究N、P添加對互花米草光合碳在互花米草-土壤系統(tǒng)分配比例的影響，有助于定量化評估互花米草-土壤系統(tǒng)碳循環(huán)過程。

1 材料與方法

1.1 互花米草的培養(yǎng)

于2015年4月采集江蘇鹽城濕地表層0～20 cm土壤以及互花米草幼苗植株，將互花米草幼苗植株移栽至PVC管（直徑為10 cm，高為35 cm）中，2015年4—9月進行室內(nèi)培養(yǎng)。土壤w（有機碳）為7.00 g·kg-1，w（全氮）為 1.70 g·kg-1，w（全磷）為 0.31 g·kg-1，每盆裝風(fēng)干土約5 kg，種植互花米草1株，每個處理組設(shè)置3個重復(fù)，標(biāo)記4次，共種植120盆。

共設(shè)置3種處理，分別為N處理組（單獨添加N）、P處理組（單獨添加P）和NP處理組（N和P復(fù)合添加），其中，N、P和NP處理組各設(shè)低、中和高3個添加水平（表1），上述9個處理分別標(biāo)記為N1、N2、N3、P1、P2、P3、NP1、NP2和NP3，同時設(shè)置對照（不添加組，CK），每月按照設(shè)定濃度和總量對互花米草進行N、P澆灌處理，直至標(biāo)記結(jié)束。

表1 營養(yǎng)添加處理Table 1 Nutrients addition treatments

1.2 互花米草13C脈沖標(biāo)記

標(biāo)記實驗在特制的有機玻璃箱（長×寬×高為1.5 m×0.9 m×1.2 m）內(nèi)進行。每隔30 d向玻璃箱中通入NaH13CO3與HCl溶液反應(yīng)產(chǎn)生的13CO2氣體，NaH13CO3每次用量為10 g，共標(biāo)記4次。標(biāo)記在晴朗天氣上午8：00—12：00進行。在標(biāo)記過程中，箱內(nèi)溫度控制在28.5～37.6℃之間，加入適量冰塊防止箱內(nèi)溫度過高。在箱內(nèi)頂部安裝2個小型風(fēng)扇保證氣體混合均勻。標(biāo)記步驟：（1）標(biāo)記前將栽植互花米草的PVC盆放入標(biāo)記箱的底座上，在底座里加入適量冰塊，并放置4個250 mL燒杯，其中2個各盛放5 g NaH13CO3，另外2個各盛放5 g NaH12CO3；（2）將有機玻璃箱放在底座槽內(nèi)，向底座槽內(nèi)注滿自來水使整個系統(tǒng)處于密封狀態(tài)，然后開啟風(fēng)扇?；セ撞菰诿芊庀到y(tǒng)中進行光合作用15 min，消耗箱內(nèi)空氣中殘留的CO2達到饑餓狀態(tài)，以提高對添加13CO2的吸收能力；（3）15 min后用黑布遮住有機玻璃箱，用醫(yī)用塑料滴管迅速向裝有NaH13CO3的燒杯中注入250 mL濃度為2 mol?L-1的HCl溶液，待反應(yīng)5 min后，將黑布移開，讓互花米草在有機玻璃箱內(nèi)進行光合作用；（4）待標(biāo)記45 min后，重復(fù)步驟（3）繼續(xù)向裝有NaH13CO3的另一個燒杯中注入HCl溶液以產(chǎn)生13CO2氣體，最后2次，向裝有NaH12CO3的燒杯中注入HCl溶液以產(chǎn)生12CO2，從而達到較好的標(biāo)記效果。在2015年6—9月對互花米草每月進行1次脈沖標(biāo)記實驗，共進行4次。

1.3 樣品采集與分析

在每次標(biāo)記后第10天，從每個處理組和對照組中均隨機選擇3盆互花米草，進行破壞性取樣，收獲互花米草的葉、莖、根、根際土壤以及PVC管中土體。互花米草用蒸餾水洗凈后，放入烘箱內(nèi)60℃條件下烘干至恒重，磨碎備用。從根際土壤和土體中挑出貝殼、植物根系后自然風(fēng)干，研磨，過0.147 mm孔徑篩備用。

互花米草根、莖、葉、根際土壤以及土體的全碳含量、δ13C值用同位素質(zhì)譜儀（Sercon intergra CN）測定。

1.4 指標(biāo)計算方法

（1）土壤或植物的穩(wěn)定同位素13C自然豐度用δ13C值（‰）表示，δ13C表示碳穩(wěn)定同位素相對其標(biāo)準(zhǔn)物的比值，計算公式［12］為

式（1）中，R樣為樣品13C和12C的穩(wěn)定同位素豐度比值；RPDB為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)13C和12C的穩(wěn)定同位素豐度比值，是一個常數(shù)，為0.011 237 2。

而標(biāo)記、未標(biāo)記的土壤或植物一般用同位素相對豐度（F，%，以下簡稱豐度）表示，δ13C和F可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式［13-14］為

（2）互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C固定量（Ri，mg）計算公式［14］為

式（2）中，Qi為各組分碳量，g；F標(biāo)為標(biāo)記互花米草組分13C豐度，%；F未標(biāo)為未標(biāo)記互花米草組分13C豐度，%。

各組分13C分配比例（Pi，%）計算公式［15］為

式（3）中，Rtot為互花米草根、莖、葉、根際土壤以及土體13C固定量的總和，mg。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)，采用IBM SPSS Statistics 22軟件進行統(tǒng)計分析。采用OriginPro 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 N和P添加對互花米草-土壤系統(tǒng)中各組分13C豐度的影響

4次標(biāo)記后不同處理組互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C豐度見圖1。

圖1 4次標(biāo)記后不同處理組互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C豐度（F）Fig.1 The value of F in Spartina alterniflora-soil system after13C-labelling

由圖1可知，不同N、P添加處理及添加水平顯著影響系統(tǒng)各組分13C豐度。第4次標(biāo)記后就N添加處理而言，高N（N3）水平下互花米草-土壤系統(tǒng)地上部分（葉、莖）13C豐度最小，中等N（N2）水平下地上部分13C豐度最高；就P添加處理而言，在中等P（P2）水平下地上部分13C豐度最?。痪蚇P添加處理而言，在高NP（NP3）水平下地上部分13C豐度最小，且地上部分13C豐度隨NP水平增加而降低。

由圖1可知，第4次標(biāo)記后各處理組（CK除外）互花米草葉13C豐度在93.67%～94.51%之間，莖13C豐度在93.91%～94.47%之間，根13C豐度在93.01%～94.14%之間，根際土壤13C豐度在92.05%～92.34%之間，土體13C豐度在92.00%～92.14%之間。第4次脈沖標(biāo)記后除處理NP1外其他處理13C豐度總體都呈現(xiàn)莖、葉、根、根際土壤、土體遞減的規(guī)律。

隨著植物生長期的變化，互花米草植株13C豐度變化明顯。前2次標(biāo)記時，植物處于快速生長期，中、高水平營養(yǎng)鹽添加處理能提高植株13C豐度；后2次標(biāo)記時，植物處于穩(wěn)定生長期，營養(yǎng)鹽添加對13C的吸收沒有明顯的促進作用。各處理組植物13C豐度與CK組接近，或者略低于CK組。

2.2 N和P添加對互花米草-土壤系統(tǒng)光合13C分配的影響

2.2.1 N和P添加對互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C固定量的影響

由圖2可知，N、P添加方式及添加水平顯著影響互花米草-土壤系統(tǒng)13C固定量。第4次標(biāo)記后各NP處理13C固定量由大到小依次為NP2（245.81 mg·株-1）、NP1（241.98 mg·株-1）和 NP3（163.80 mg·株-1），均低于CK組（276.82 mg·株-1）。第4次標(biāo)記后各組分13C固定總量呈現(xiàn)CK組、NP添加組、N或P單獨添加組依次遞減趨勢。安婷婷等［15］在研究N、P添加對玉米光合碳轉(zhuǎn)移影響的實驗中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。

由圖2可知，就N添加組而言，第4次標(biāo)記后低N處理（N1）13C固定量（216.22 mg·株-1）最大，其后依次為 N2（203.68 mg·株-1）和 N3（171.85 mg·株-1），此與山楠等［16］的研究結(jié)果一致。就P添加組而言，低P處理組（P1）13C固定量（230.03 mg·株-1）最大 ，其后依次為 P3（186.75 mg·株-1）和 P2（180.29 mg·株-1）。就NP添加組而言，中等NP添加組（NP2）高于低水平和高水平NP添加組?？傮w而言，NP添加組13C固定量平均值大于N和P單獨添加組，說明復(fù)合營養(yǎng)添加更有利于互花米草光合碳固定量的提高。

圖2 4次標(biāo)記后不同處理組互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C固定量Fig.2 Net photosynthesized13C in each part of Spartina alterniflora-soil system after13C-labelling

植物生長階段也影響營養(yǎng)鹽添加的作用效果。由圖2可知，第1次標(biāo)記時互花米草處于生長初期，除了低N添加組外，其余各處理組13C固定量均高于CK組，表明在互花米草生長早期，N、P營養(yǎng)鹽添加均促進植物對13C的固定。第2～4次標(biāo)記后，互花米草處于成熟期，各處理組13C固定量均低于CK組，表明成熟期營養(yǎng)鹽添加對光合碳固定沒有促進作用。

各組分13C固定量主要集中在地上部分（葉、莖），其次是根、根際土壤和土體。第1次脈沖標(biāo)記后，互花米草葉13C豐度在91.86%～92.86%之間，莖13C豐度在91.84%～93.92%之間，根13C豐度在91.80%～92.87%之間，根際土壤13C豐度在91.78%～91.81%之間，土體13C豐度在91.72%～91.75%之間。第4次脈沖標(biāo)記后各處理13C豐度除處理NP1呈現(xiàn)葉＞莖＞根＞根際土壤＞土體的規(guī)律外，其余處理13C豐度均呈現(xiàn)莖＞葉＞根＞根際土壤＞土體的規(guī)律（圖1），葉13C豐度在93.67%～94.51%之間，莖13C豐度在93.91%～94.47%之間，根13C豐度在93.01%～94.14%之間，根際土壤13C豐度在92.05%～92.34%之間，土體13C豐度在92.00%～92.14%之間。由圖2可知，經(jīng)過4次標(biāo)記，互花米草-土壤系統(tǒng)根、莖、葉、根際土壤和土體13C固定總量均增加，13C固定總量主要集中在地上部分，土體13C固定量增加說明碳在土壤中富集。

2.2.2 N和P添加對互花米草-土壤系統(tǒng)13C分配比例的影響

由圖3可知，在植物快速生長期，即第1次標(biāo)記后，N添加水平對互花米草13C分配比例影響顯著，N2處理組地上部分（葉、莖）13C分配比例最大，為96.38%。而低N和高N則促進光合碳向土壤和根部轉(zhuǎn)移，低N處理地下部分（根、根際土壤和土體）13C分配比例為28.15%，而高N處理地下部分分配比例為45.65%。就P添加組而言，互花米草地上部分13C分配比例以中P水平組為最低，為73.68%，低P和高P水平有利于光合碳向地上部分轉(zhuǎn)移。就NP添加組而言，與CK組相比，低NP添加（NP1）降低了地上部分13C分配比例，中NP添加（NP2）則增加地上部分13C分配比例，最高可達94.40%。同時，隨著NP添加水平上升，互花米草-土壤系統(tǒng)土體13C分配比例下降，N或P單獨添加對土體13C分配比例無顯著影響。

圖3 4次標(biāo)記后不同處理組互花米草-土壤系統(tǒng)各組分13C分配比例Fig.3 The13C allocation proportion of Spartina alterniflora-soil system after13C-labelling

由圖3可知，在植物成熟期，即第4次標(biāo)記后，營養(yǎng)鹽添加對各組分13C分配比例無顯著影響，對照組和各處理組13C分配比例接近。其中，葉13C分配比例在36.63%～44.38%之間，莖13C分配比例在38.09%～45.82%之間，根13C分配比例在12.24%～24.16%之間，根際土壤13C分配比例在0.34%～0.61%之間，土體13C分配比例在0.22%～0.43%之間。

3 討論

有研究表明玉米根系光合碳分配比例隨著植物生育期的變化而呈先上升后下降趨勢，這是因為在植物幼苗期葉面積小，光合碳分配到地下部分的比例較小，拔節(jié)期植物根生長迅速，增加了地下部分分配比例；成熟期植物主要進行生殖生長，分配到根系的比例較?。?7］。筆者研究中，經(jīng)過4次脈沖標(biāo)記，植物固定的光合碳中有13.19%～25.27%累積在土壤，分配到根系的碳比例隨著時間的推移并未呈現(xiàn)這一規(guī)律，可能是因為地下部分光合碳的分配受植物生長和養(yǎng)分有效性之間平衡的影響。如WAREMBOURG等［18］認(rèn)為在不施肥情況下土壤養(yǎng)分缺乏，植物為維持生長必須分配更多的碳到地下部分來支持根系的結(jié)構(gòu)和功能運行，較高比例的根際沉積碳可以使根系養(yǎng)分的有效性增大。但也有研究者認(rèn)為植物對土壤養(yǎng)分的吸收需要消耗更多的碳源，分配到根系的碳大部分通過土壤呼吸損失。

在不同生長時期，植物光合產(chǎn)物的分配也不相同。齊鑫等［7］研究2種施N水平下冬小麥不同生育期光合碳在植株-土壤系統(tǒng)中的分配，收獲時，N150處理分配到根和土壤中的光合碳比例均高于N0處理，說明施N會影響植物光合碳的分配［19］。筆者研究中3種施N水平（N1、N2和N3）下，除第3次標(biāo)記外，N3處理光合碳分配到地下部分（根、根際土壤和土體）比例均高于N1和N2處理，分配到地上部分（莖、葉）比例均低于N1和N2處理，這是因為N添加水平的增加，促進了植物地上部分生物量的增加，相當(dāng)于起到稀釋作用，最終致使N3處理地上部分13C豐度小于N1和N2處理。由于植物具有自身調(diào)節(jié)機制，在營養(yǎng)元素缺乏情況下，大量光合產(chǎn)物向地下部分運移，根部通過增加根系分泌有機酸類物質(zhì)來獲取作物所需要的養(yǎng)分，根13C豐度較大。

在3種施P水平（P1、P2和P3）下，除第2次標(biāo)記外其他標(biāo)記情況下P2處理光合碳分配到地下部分（根、根際土壤和土體）比例均高于P1和P3處理，說明P肥不足和過量施P肥均會影響植物光合碳的分配。筆者試驗中光合作用固定的13C大部分保留在植株地上部分，但是地下部分13C分配比例在逐漸增加，說明光合作用產(chǎn)物在向地下部分轉(zhuǎn)移。KUZYAKOV 等［20］和 WERTH 等［21］通過研究不同種類植物地下碳轉(zhuǎn)移的差異時也發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。SPIVAK等［22］將13C標(biāo)記的二氧化碳應(yīng)用于地上的葉子并追蹤其在地下根和細(xì)菌脂質(zhì)中的分布情況。在24 h內(nèi)，由互花米草固定的13CO2中有41%～64%留在葉片中，2.7%～6.4%轉(zhuǎn)移到根部，30%～55%通過呼吸而損失。筆者研究中，在第4次脈沖標(biāo)記后各處理地上部分（莖和葉）13C分配比例在74.72%～86.81%之間，地下部分（根、根際土壤和土體）13C分配比例在13.19%～25.27%之間，地上部分13C固定量高的原因可能是由于標(biāo)記周期長，標(biāo)記次數(shù)多。譚立敏等［23］研究發(fā)現(xiàn)，5種施N水平下標(biāo)記水稻，水稻固定13C含量在地上部、地下部比例分別為67.6%～71.2%和22.2%～39.5%，筆者研究與之相比，地下部分固定13C比例稍低；這可能是因為植物種類不同，光合碳的分配存在差異，除此之外，互花米草是在室內(nèi)PVC管中培養(yǎng)的，供試土壤體積較小，限制了植物根系的生長以及根系對土壤養(yǎng)分的吸收［24-25］。BUTLER 等［26］發(fā)現(xiàn)黑麥草在標(biāo)記 8 d后其莖葉、根和土體的13C分配比例分別為70%、20%和10%，其中，地上部分13C固定量占主要部分。LAWLOR［27］發(fā)現(xiàn)不同N水平下地上部、地下部固定13C含量在水稻-土壤系統(tǒng)中分別為70%和30%，筆者研究結(jié)果與之基本一致。

4 結(jié)論

（1）NP復(fù)合添加處理13C固定量大于單獨N添加或P添加處理；（2）隨著標(biāo)記時間的推移，土壤中有機碳富集，互花米草地上部分13C分配比例逐漸減小，地下部分13C分配比例逐漸增大；（3）施N能促進光合碳向土壤轉(zhuǎn)移，中等水平P添加最利于光合碳向地下轉(zhuǎn)移。富營養(yǎng)化水平和營養(yǎng)鹽類型會影響互花米草鹽沼土壤碳循環(huán)過程。