CO2濃度升高和有機肥-化肥施用對水稻光合作用、抗氧化酶活性和重金屬含量的影響

徐 芬，郭紅巖，喻小兵，彭立軍，姚晶晶

（1.湖北省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所/農產品營養品質與安全湖北省重點實驗室，武漢 430064；2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室/南京大學環境學院，南京 210023；3.荊門市農業農村局，湖北 荊門 448000）

基于保障糧食安全、資源節約與循環和環境友好的重大需求，中國農業農村部制定了《到2025 年化肥減量化行動方案》。通過合理利用有機養分資源，推進有機肥替代化肥還田，到2025 年有機肥施用面積占比增加5 個百分點以上，提升耕地基礎地力。大量研究表明，與單獨施用化肥或有機肥相比，有機肥部分替代化肥可以保持甚至提高作物產量［1，2］。

在全球變暖的背景下，自工業革命以來，大氣中的CO2濃度由280 μmol/mol上升至約419 μmol/mol［3］，農業是對以全球變暖為主要特征的氣候變化最為敏感的領域之一，大氣CO2濃度升高與農作物生產、糧食安全之間的關系至關重要，其對植物功能主要作用是促進光合作用和降低氣孔導度［3，4］。研究發現水稻生長對CO2濃度升高的響應與氮素供應有關，氮素供應不足和過量均使CO2濃度升高、增產效應無效［5］。大氣CO2濃度升高還會改變植物根系分泌物和根際環境，影響土壤中重金屬的形態分布，從而影響植物對重金屬的吸收與富集［6］。有機肥替代化肥一方面可以提高土壤有機質含量、微生物生物量活性和改善土壤結構和肥力，影響植物生長［7-9］；另一方面也會引入重金屬等環境問題［10］。本研究依托中國稻田FACE 平臺（Free air CO2enrichment），采用有機肥等氮替代化肥的方式，研究了大氣CO2濃度升高和50%等氮有機肥替代化肥對水稻光合作用、抗氧化酶活性以及重金屬吸收的影響，為未來氣候變化條件下農業系統中有機肥的合理利用與風險評估提供重要科學依據。

1 材料與方法

1.1 FACE 平臺概況與有機肥

中國水稻FACE 平臺位于江蘇省揚州市小紀鎮（119°42′E，32°35′N）。該區為典型的亞熱帶季風氣候，年降水量約為1 000 mm，年均氣溫約為16 ℃，年無霜期約為230 d。該區土壤類型為姜礫土，耕作層土壤基本性質：沙粒57.8%，粉沙粒28.5%，黏粒13.7%，pH 7.2，全氮1.45 g/kg，有機質18.4 g/kg［11］。FACE 平臺的設計與運行詳見文獻［12］。試驗設置3 個正常大氣CO2濃度圈（對照圈）和3 個大氣CO2濃度升高圈（FACE 圈）。每個FACE 圈用1個直徑14 m的八角環管道環繞。在水稻整個生長期，CO2氣體由計算機模塊自動控制，經八角環管道釋放在水稻冠層上方30 cm 處，使之濃度始終高于對照圈約200 μmol/mol。對照圈與FACE 圈相隔90 m，其CO2濃度與自然環境一致。

有機肥來自南京市六合區某家有機肥公司，該有機肥是由豬糞與粉粹秸稈制成的堆肥產品，其pH 為7.9，有機肥中銅（Cu）和鋅（Zn）含量分別為220.0 mg/kg 和1 137.5 mg/kg，Cu 和Zn 的DTPA（二乙三胺五乙酸）提取有效態含量分別為33.4 mg/kg 和333.8 mg/kg。

1.2 試驗設計與水稻種植

選取當地耕地土壤進行盆栽試驗，以水稻（武運粳23）為受試植物，將5 kg 土壤放入塑料盆中（直徑20 cm，高35 cm），然后澆水至田間持水量。在對照圈和FACE 圈均設置2 個施肥處理：①化肥組（CF），N 225 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2；化肥分3 次施用，分別在6 月中旬、7 月中旬和8 月下旬按照50%∶25%∶25%施用。②50%等氮有機肥替代化肥組（COF），6 777 kg/hm2有機肥和N 112.5 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2和K2O 112.5 kg/hm2；有機肥作為基肥一次性施入，化肥分別在7 月中旬和8 月下旬按照50%∶50%施用。在施肥處理的設置中，用50%有機肥替代化肥能夠保持甚至增加作物產量［13，14］。本試驗共設置了4 個處理：①正常大氣CO2濃度化肥處理（CF.A）；②大氣CO2濃度升高化肥處理（CF.F）；③正常大氣CO2濃度50%等氮有機肥替代化肥處理（COF.A）；④大氣CO2濃度升高50%等氮有機肥替代化肥組（COF.F），每個處理3 次重復。兩穴水稻幼苗于6 月初移栽至每個盆，并于同年10 月底成熟。水稻生長管理與周邊大田水稻管理一致。

圖1 不同施肥處理下水稻抽穗期葉片光合色素含量（A）、光合速率（B）、蒸騰速率（C）和氣孔導度（D）在正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高條件下的變化

1.3 樣品采集與測定

在水稻抽穗期，采用便攜式光合測定儀（LI-6400，USA）測定葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率，葉室溫度設定為29 ℃，光合有效輻射設定為1 500 μmol/（m2·s）。采集水稻抽穗期新鮮葉片，裝入封口袋并存放在液氮中帶回實驗室，立即分析抗氧化酶活性、丙二醛和葉綠素含量。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量采用南京建成生物工程研究所有限公司的試劑盒測定。葉綠素a 和葉綠素b 的測定采用95%乙醇溶液和80%丙酮溶液（1∶1，V/V）浸提比色法測定［15］。

待水稻成熟后，采集水稻地上部分并用去離子水洗凈，將其分成莖、葉和子粒，70 ℃條件下干燥至恒重，將干燥后的樣品研磨成粉末，用HNO3和HClO4（4∶1，V/V）消化，采用原子吸收光譜儀（Thermo M6，USA）測定水稻中Cu 和Zn 含量。采集土壤樣品，風干后研磨過篩，采用DTPA 提取土壤有效態Cu 和Zn［16］，并用原子吸收光譜儀測定。

1.4 數據統計分析

采用SPSS 22.0 軟件進行數據處理和顯著性分析（LSD，P＜0.05），所有數據均為平均值±標準差，采用Sigma Plot軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 水稻葉片光合參數

各處理抽穗期水稻葉片的光合參數如圖1 所示。與正常大氣CO2濃度相比，單獨大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻葉片的凈光合速率（17.9%），但顯著降低了氣孔導度（41.7%）。50%有機肥替代化肥處理下，對比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高對抽穗期水稻葉片的葉綠素含量、凈光合速率無顯著影響，但顯著降低了水稻葉片氣孔導度（59.3%）和蒸騰速率（42.0%）。

2.2 水稻葉片的抗氧化酶活性

各處理抽穗期水稻葉片的抗氧化酶活性如圖2所示，化肥處理下，單獨大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻葉片的SOD 和POD 活性，顯著增加了MDA 含量。50%有機肥替代處理下，對比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高顯著增加了POD 活性，顯著降低了MDA 含量。

2.3 銅和鋅在土壤和水稻中的含量

水稻地上部分不同組織部位以及土壤中的有效態Cu 和Zn 濃度如圖3 所示。無論是正常大氣CO2濃度還是大氣CO2濃度升高條件下，與施化肥處理相比，50%有機肥等氮替代化肥處理均顯著增加了土壤中有效態Cu、Zn 含量。單獨大氣CO2濃度升高顯著增加了水稻子粒中Zn 含量，這與土壤中單獨大氣CO2濃度升高顯著增加了土壤中有效態Zn 含量一致。而單獨大氣CO2濃度升高對土壤有效態Cu含量無顯著影響。50%有機肥替代化肥處理下，對比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高顯著降低了水稻莖和子粒中Cu 含量，以及子粒中Zn 含量。結果表明，不同施肥條件下，大氣CO2濃度升高對水稻吸收銅和鋅的影響具有差異。

圖3 不同施肥處理下成熟期水稻組織中銅和鋅含量以及土壤中DTPA 有效態Cu 和Zn 含量在正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高條件下的變化

3 討論與小結

CO2作為植物光合作用的原料，其持續增加會影響農作物的生長發育。有研究表明大氣CO2濃度升高通過促進C3植物的CO2凈同化速率、減少氣孔導度和蒸騰作用而提高水分利用效率，從而促進植物生長，獲得更高的產量［17］。但大氣CO2濃度升高對C3植物光合作用的最初刺激并不總是保持不變，因為植物暴露于長時間的高大氣CO2濃度后，往往表現出光合作用的下調，這通常與葉片氮濃度的降低有關。本試驗中，大氣CO2濃度的升高對化肥處理下水稻葉片凈光合速率有正面影響，但對50%有機肥等氮替代化肥處理的凈光合速率影響不顯著。同時，大氣CO2濃度的升高顯著降低了化肥處理中抽穗期水稻葉片的SOD 活性和POD 活性，增加了MDA 含量；而POD 活性和MDA 含量在50%有機肥等氮替代化肥處理中對大氣CO2濃度升高的響應與之相反。本試驗結果表明，CO2濃度升高對不同施肥處理的抽穗期水稻生理生化的影響具有差異性，這種差異可能與水分和營養的可利用性有關［18］。SOD 和POD 對植物活性氧的清除和解毒系統起著重要作用，植物中的自由基通過過氧化反應作用于脂質，最終產物為MDA，MDA 通過交聯反應引起蛋白質、核酸等大分子聚合，具有細胞毒性［19］。因此本研究中單獨大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻的光合作用，而抗氧化酶活性降低以及MDA 含量的增加可能抵消了CO2濃度升高對水稻產量的刺激作用。而在50%有機肥替代化肥處理中，大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻的氣孔導度和蒸騰速率，這有助于提高單位葉面積水分利用效率［20］。高CO2濃度環境下植物氣孔導度的降低可以節約大量的土壤水分，有助于抵消未來氣候變暖帶來的更高的蒸發需求，從而提高植物生產力［18］。

大氣CO2濃度升高會降低土壤pH，影響植物根際微生物活性和根系分泌物，增加重金屬的生物有效性，影響植物對重金屬的吸收［6，21］。本試驗結果表明，單獨大氣CO2濃度升高對水稻子粒中Cu、Zn含量影響具有差異，這可能與CO2濃度升高降低土壤pH、刺激植物分泌有機物有關，而這些有機物與不同重金屬的結合能力不同導致吸收差異［22］。50%有機肥替代處理下，大氣CO2濃度升高顯著降低了水稻莖中Cu 及子粒中Cu 和Zn 的含量。Li 等［23］報道了盡管在CO2濃度升高的污染土壤上種植的水稻中Cd 濃度較高，Cu 濃度較低，但由于生物量的變化，CO2濃度升高仍然顯著增加了對Cu 和Cd 的總吸收，同樣地，本研究還發現作物中Cu 和Zn 濃度較低，可能是由于CO2濃度升高導致作物生物量的變化，而不是降低了作物對Cu、Zn 的吸收［21］。此外，CO2濃度升高條件下水稻體內Cu 和Zn 濃度較低也可能與蒸騰作用有關。但本研究只分析了水稻抽穗期的蒸騰作用，水稻其他生長期也需要關注以便更好地了解水稻對金屬元素的吸收。

綜上所述，大氣CO2濃度升高可改變不同施肥方式對水稻抽穗期葉片生理生化和Cu、Zn 在植物不同組織中的含量。單獨大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻光合作用，而抗氧化酶活性降低以及MDA 含量的增加可能抵消了CO2濃度升高對水稻生長的刺激作用。單獨CO2濃度升高還增加了土壤中有效態Zn 含量，從而導致水稻子粒中Zn 含量增加。而在50%有機肥等氮替代化肥處理中，大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻的蒸騰速率和氣孔導度，有助于提高單位葉片水分的利用效率和作物生產力，導致水稻組織中Cu 和Zn 含量的降低。研究結果表明，50%有機肥等氮替代化肥有助于提高水稻對CO2濃度升高的適應性。

致謝：感謝中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室朱建國老師提供的中國水稻FACE 平臺支持。