水分管理对水稻光合碳的分配及其根际激发效应的影响

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稻田土壤生态系统既是碳源也是碳汇,在控制温室气体排放(CO2、CH4)、增加陆地碳固定等方面发挥着不可替代的作用。稻田土壤以其特殊的田间水分管理方式区别于旱作土壤等特点备受关注,在不同的水分管理条件下,水稻土的物理、化学性质和微生物群落结构可能发生改变,进而影响着光合碳在“水稻-土壤”系统中的分配与转化。因此,研究不同水分管理条件下,稻田土壤碳周转及其激发效应与微生物群落结构之间的联系机制在发掘土壤固碳潜力、促进水稻增产、减缓温室气体排放及节水措施在农业上的实施与可持续发展都具有重要意义。本文以亚热带典型红壤型水稻土为研究对象,以“植物-土壤-微生物”系统中碳矿化转化过程为切入点,探讨水分管理方式(干湿交替、持续淹水)对水稻光合碳的分配及其根际激发效应影响机制与微生物作用机理。采用稳定同位素和磷脂脂肪酸(PLFAs)技术,结合盆栽试验,对水稻全生育期进行13C连续标记,探讨水分管理方式对水稻光合碳分配规律及其根际激发效应的方向与大小的影响机制,并揭示微生物作用机理。通过研究,主要得到如下结论:(1)水分管理显著影响了光合碳在“水稻-土壤”系统的分配。干湿交替处理较持续淹水处理相比,促进了地上部和根系的生物量分别增加了223.60 kg·hm-2和77.04 kg·hm-2,使4%与26%的光合碳保存固定在地上部与根系中,却显著降低了根冠比。水稻光合13C约有43%的光合碳分布于水稻植株体内。不断向地下部(根系和土壤)传输,有13%~144%的光合13C从根系分泌淀积到土壤中。干湿交替处理较持续淹水处理还提高了根系和土壤中光合碳的分配比例,分别为4%~34%和15%~42%,增加了光合碳向土壤的输入和根际碳的淀积含量。(2)水分管理不仅显著影响了光合碳向根际碳的绝对数量和相对比例的投入,而且影响了土壤微生物群落组成和结构。主要表现在:持续淹水条件下,土壤根际碳投入低,微生物周转速度较慢,同时伴随着较低的13C-MBC含量(0.73~4.44 mg·pot-1)和总的13C-PLFAs的含量(25.18~89.43μg·C·kg-1),革兰氏阴性菌在碳周转中起着重要作用。与之相反,干湿交替条件下,微生物周转较快,真菌和放线菌的13C-PLFAs含量丰富,为9.05~23.72μg·C·kg-1和0.39~5.28μg·C·kg-1,增加了土壤碳的固持。(3)水分管理显著影响了稻田CO2和CH4的排放量。随着水稻培养时间的增加,在两种水分管理条件下,对稻田土壤CO2和CH4排放通量与土壤有机质分解矿化的影响各不相同。两种水分管理方式对CO2和CH4的根际激发效应均有显著性影响。与持续淹水处理相比,干湿交替处理在水稻移栽后50 d内,促进了CO2的排放,CO2排放量为0.57~2.26 mg·C·kg·h-1,在水稻整个生育期内,抑制了CH4排放,CH4排放量在0.34~16.93μg·C·kg·h-1之间。以上结果表明,通过61d的13C连续标记水稻盆栽试验,干湿交替的节水管理维持了与传统持续淹水相似的SOC含量,SOC含量为15.40~16.09 g·kg-1。节水管理下,水稻光合碳向地下部的输入量增加,不仅促进水稻植株的稳定增长,还增加了水稻土根际碳的固持,与持续淹水处理相比,干湿交替的水分管理方式降低了94%~99%CH4的排放。干湿交替的水分管理方式是进一步提高和改善稻田SOM数量和质量的有效措施,为节水措施在农业上的实施提供数据支撑。
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