玉米生長對石灰性土壤無機碳與有機碳釋放的根際效應*

孫昭安，趙 詣，朱 彪，陳 清，曹 慧，何敏毅，孟凡喬?

（1.濰坊學院生物與農業工程學院，山東省高校生物化學與分子生物學重點實驗室，山東濰坊 261061；2.中國農業大學資源與環境學院，農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193；3.北京大學生態研究中心，城市與環境學院，地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871）

在石灰性土壤上，以往研究認為土壤無機碳（soil inorganic carbon，SIC）比較穩定，土壤CO2釋放僅來自土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）分解，較少考慮無機碳酸鹽溶解對土壤 CO2釋放的貢獻，尤其隨著氮肥的高投入施用，導致酸化作用，加劇SIC的溶解[1-3]。孟延等[1]通過土壤培養試驗發現，在整個培養期內的SIC釋放比例高達1/2以上，并且施用氮肥加劇土壤無機碳的釋放。在華北平原農田石灰性土壤上，SIC 含量較高（5～10 C g·kg–1），幾乎與SOC含量接近，對于土壤碳釋放有重大影響[4-5]，而此前對該地區SIC分解研究較少，有必要分析該區域SIC溶解對土壤CO2釋放的貢獻。

考慮到土壤SOC庫太大，短期內SOC礦化量相對土壤原有SOC含量而言太小，不能通過直接測定SOC含量的變化來研究SOC的短期周轉，而是利用測定土壤CO2排放量來量化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）對土壤CO2排放也有一定的貢獻，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，還包括無機碳酸鹽溶解和分解，導致有植物土壤的CO2釋放源達到三個，即根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解。在石灰性土壤上，區分與量化根際土壤CO2組分已成為全球變化生態學研究的難點，目前還缺乏系統研究[8-9]。這是由于根據同位素線性混合模型，n個同位素，僅適用于區分與量化n+1個源的貢獻比例[10]。對于源頭數量超過n+1個的研究情形，IsoSource模型可以計算潛在的貢獻比例[11]。如Plestenjak等[12]基于大氣 CO2、SOC與 SIC源之間的δ13C值差異，利用IsoSource模型三源區分石灰性土壤CO2的排放，定量SOC、SIC和大氣CO2來源的貢獻比例。

本研究以華北地區農田石灰性土壤CO2釋放為研究對象，采用玉米盆栽試驗，利用根系碳、土壤有機碳與無機碳之間的δ13C差異，基于13C同位素質量守恒原理，采用IsoSource模型分析13C自然豐度、三源區分土壤CO2的組分特征，進而量化根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解對土壤CO2釋放的貢獻率，明確玉米根際效應對石灰性土壤無機碳與有機碳釋放的影響，以期為華北平原農田土壤溫室氣體減排與土壤肥力提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 夏玉米種植

試驗于中國農業大學西校區溫室進行。所選PVC盆大小為直徑20 cm×高度35 cm。供試土壤取自中國農業大學曲周試驗站農田表層土壤（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，具有粉質壤土結構（砂粒62%，粉粒28%，黏粒10%），相關土壤參數為：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。土壤風干后，磨碎、挑根、再過5 mm篩。每盆裝風干土9.5 kg，盆內土層深度約27 cm。兩粒玉米種子（Zea maysL.，紀元1號）直接播于盆內，風干土按N 0.55、P 0.19、K 0.31 g·kg–1土壤比例預拌肥料（相當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。幼苗生長至三葉期時，每盆留1株。用稱重法控制土壤水分，根據玉米不同生育期對水分的需求特點，分別在苗期（播種后0～24 d）、拔節期（24～53 d）、抽穗期（54～66 d）和灌漿期（67～99 d）四個階段，調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%。在夏玉米生長期間，根據病蟲害情況，噴灑必要的農藥。

1.2 土壤CO2釋放的取樣和測定

從玉米播種后第24天開始，用中性硅酮膠對隔板和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 CO2的空氣（圖2），為玉米地下部提供氧氣。同時收集3個未種植物土壤的CO2釋放。以酚酞作指示劑，用稀鹽酸滴定土壤CO2的 NaOH溶液中未反應的 NaOH ，根據稀鹽酸和NaOH的體積、濃度，計算土壤CO2釋放量。將過量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定

分別在玉米出苗后第56、84和99天時，破壞性取樣，從玉米基部剪斷植株，將盆中土壤反復過2 mm篩，挑出根系，進行烘干和研磨，過0.15 mm篩，用作根系δ13C值的測定。取約20 g土壤置于白色板上，挑去殘留細根，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。充分攪拌均勻并靜止2 d后，放入離心機中以3 000 r·min–1的轉速離心 3 min，將上清液倒掉，重復此過程，用 pH試紙檢測上清液的 pH，洗至中性為止，并將酸化前的上清液倒回燒杯中，在 60℃條件下烘干、研磨、過 0.15 mm 篩，用 DELTAplusXP型質譜儀測定SOC-δ13C值。SIC-δ13C值測定：在70℃，通過在真空系統中將土壤樣品與100%的H3PO4反應3 h，生成CO2-δ13C值用DELTAplusXP型質譜儀分析。碳同位素采用PDB（Peedee Belemnite）標準。

1.4 數據分析

（1）無植物條件下兩源區分CO2組分。石灰性土壤CO2排放主要來源于SOC分解和SIC溶解，本研究 SOC-δ13C 值偏負（–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）區分玉米土壤CO2排放的三個來源。在石灰性土壤上，玉米土壤的CO2釋放來源于SOC分解、SIC溶解和根源呼吸。根據根系碳、SOC與SIC之間的δ13C差異（分別為–14.1‰、–3.4‰和–22.2‰），對上面的方程組進一步擴展至三種來源的土壤 CO2排放[12]：

式中，fSOC、fSIC和fRoot分別代表來源 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）。這個由兩個方程和三個未知數組成的不確定方程系統，通過IsoSource軟件計算求解，三源區分土壤CO2組分[11]。

（3）根際效應。利用式（1）和式（2）區分和量化玉米根際SOC釋放CO2-C量，同時減去未種植植物的 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，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、以及根系分泌質子和有機酸，可能加劇碳酸鹽的溶解：

式中，PESIC（%）代表對 SIC溶解的根際效應，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的累計排放量和根際效應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 果

2.1 不同生育期夏玉米的生物量

隨著玉米的生長，從拔節期至抽穗期，地上部與整個植株的生物量干重呈顯著增加趨勢，然后保持穩定（圖3a），根系干重在拔節期達到最大，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而顯著降低，由拔節期的0.27降低至灌漿期的0.16，降低幅度達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測定一次土壤CO2排放。對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，變化范圍較小；而對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內波動，從第 60～99 天，土壤 CO2排放速率持續下降，下降幅度為46%（圖4）。

2.3 三源區分土壤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排放分別來源于根源呼吸、SOC分解和SIC溶解釋放。IsoSource軟件計算表明，土壤CO2組分來源以根源呼吸貢獻為主，平均貢獻率為43.5%～50.3%，其次來源于SOC分解（26.7%～38.1%），最小源于SIC溶解（18.4%～25.1%；圖5b）。

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

表1 不同來源土壤CO2的累計排放量和貢獻比例（平均值±標準差，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

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，便可計算得到玉米的根際效應。自拔節至生育期末，根際效應對土壤碳的釋放呈正效應，導致土壤多釋放6.3 C g·pot–1（圖6）。

自拔節至收獲，玉米根際正激發效應增加土壤本身碳釋放程度近90%，相當于土壤碳釋放當量為0.66 C g·pot–1，根際效應對土壤總碳釋放的促進程度在拔節期最大（140.2%），灌漿期最小（61.0%；圖7a和圖7b）。玉米根際效應對石灰性土壤碳釋放的影響，可以進一步區分為SOC和SIC釋放的影響，從拔節期至生育期末，對SOC與SIC的激發碳量分別為3.1 C g·pot–1和 3.2 C g·pot–1（圖7c 和圖7e），對應的 SOC 和SIC的正激發效應程度為65%和156%（圖7d和圖7f）。

3 討 論

3.1 SIC溶解和分解對土壤CO2釋放的貢獻

在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，以往研究認為SIC比較穩定，土壤CO2釋放僅來自SOC分解，較少考慮碳酸鹽溶解對土壤 CO2釋放的貢獻[1-2]。然而，關于SIC溶解對土壤CO2釋放貢獻的影響，近10年來國內外已有一些相關研究，室內培養或者田間原位條件下的研究結果發現，約有 13%～85%的CO2來自碳酸鹽的溶解[15-18]，平均貢獻比例為43%，與本研究結果接近：自玉米拔節至生育期末，土壤源CO2釋放有40%來自SIC（表2）。因此，SIC在穩定全球碳庫和調節CO2濃度方面，與SOC同樣具有重要作用。若忽視碳酸鹽溶解對土壤CO2釋放的貢獻，則導致不能準確量化SOC的礦化。

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

根據同位素質量守恒模型，用兩個方程去解三個碳源的貢獻率（未知數）非常困難。本研究借助IsoSource軟件，可以計算土壤CO2中源自三個碳源的相對貢獻率的可能范圍及其平均值[11-12]。然而，IsoSource軟件未考慮穩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（tolerance）的調整會帶來貢獻范圍較大變化[11]。本研究采用是不同碳源對土壤CO2的平均貢獻率。從拆分來看，SIC釋放占據土壤本身碳（SIC+SOC）釋放的比例為40%，無機碳釋放貢獻較預想的要大，但與關于SIC釋放對土壤CO2貢獻的13篇文章整合結果近似：無機碳釋放貢獻的95%置信區間為27%～57%（表2）。基于利用n個同位素種類，可精確計算n+1個源的貢獻原理，今后研究可以考慮利用14C連續標記植物與13C自然豐度結合來精確三源區分根際土壤CO2組分的貢獻（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13C同位素質量守恒，可以計算SOC和SIC的貢獻率。此外，氮肥對石灰性土壤無機碳釋放的影響很大，較以前認為的更為重要，例如 Zamanian等[3]發現施肥提高了土壤碳酸鹽溶解與釋放 CO2，每施1 kg N導致0.21 kg C的SIC釋放。然而，在華北地區大量氮肥施用引起的土壤酸化是否會導致土壤無機碳的釋放？目前尚少見報道。所以，今后有必要深入研究該區域氮肥對土壤無機碳釋放的影響。

3.2 根源呼吸對土壤CO2釋放的貢獻

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

3.3 根際效應對土壤碳釋放的影響

玉米的正根際效應促進了土壤原有碳的釋放，在玉米整個旺盛生長期，增加程度約為90%。這略高于何敏毅[27]在盆栽玉米上利用13C脈沖標記法的結果（80%），可能由于何敏毅[27]未考慮根際效應對SIC溶解的促進作用。在本研究中，玉米的產生正根際效應促進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，增加微生物數量和活性，促進微生物胞外酶的分泌和活性[14]。在玉米不同生育時期，根際效應程度是不同的，可能是由于各生育期的根際沉積物的組成和分泌量不同，導致對根際微生物的影響產生差異[27，33]。

本研究還發現，根際效應不僅影響 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釋放來源于根源呼吸比例約為50%，導致式（7）平衡向右進行，促進碳酸鹽的溶解[3，5，9]。此外，根系也可能分泌質子和有機酸[35]，加劇碳酸鹽的溶解。說明在根際環境中，石灰性土壤無機碳釋放對調節CO2濃度方面是不可忽視的，在本研究，根際效應對SIC溶解和分解的影響高達156%。

4 結 論

在整個玉米旺盛生長期（自拔節期至生育期末），土壤CO2釋放來源于根系、土壤有機碳與無機碳的比值分別為 5︰3︰2。因此，在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，若忽視SIC溶解對土壤CO2釋放的貢獻，則導致對SOC礦化量的高估。玉米自拔節至收獲，由于正根際效應，使得土壤原有碳的釋放增加了近 90%，相當于土壤碳釋放當量為 0.66 C g·kg–1。由于根際效應導致 SOC與 SIC的凈增加釋放量相當，進一步說明根際效應對石灰性土壤無機碳釋放的影響不可忽視。