根际激发效应对农田土壤碳氮平衡的动态影响和机理研究

The global warming has been reinforced as the CO2 concentration in atmosphere increases greatly, therefore，the soil organic matter content and its cycling dynamic in soil carbon pool attracts more and more concerns on its behavior. The priming effect is a common phenomenon existing in most of soils, it regulates not only the nutrient availability in rhizosphere, but also influence on the soil carbon pool and nutrient using efficiency by microbes and plants. The priming effect from root system controls the soil organic matter accumulation and decomposition, maintain the regular turnover of soil nutrients and play an important role in the nutrient utilization and cycling of ecosystem. This project will combine the pot experiment research with the 13C detective method and 15N isotope technology, molecular biological technique etc to probe into the priming effect on the soil carbon\nitrogen balance dynamic, its behavior function and mechanics, to clarify the direction and magnitude of priming effect under different 15N nitrogen supply rates and its related influence to the biomass above ground of plants. Those results aim at explaining the priming effects on the soil carbon\nitrogen dynamic balance, its mechanics and relevant extracellular enzyme function, which will benefit for understanding the ecological importance of priming effect in soil and produce reasonable manners for maintaining the soil fertility and enhancing the soil carbon sequestration.potential.

随着大气CO2 浓度不断升高，全球温室效应加强，根际土壤有机碳库的动态变化受到人们越来越多的关注。根际激发效应是土壤中一个普遍存在的自然现象，它调节了根际养分的可利用性，影响了土壤碳库及植物与微生物对养分的利用。根际激发效应通过胞外酶控制着土壤有机质的累积和分解，维持根际养分的正常周转，对生态系统养分利用及循环可能发挥着极为重要的作用。因此本项目研究结合盆栽试验，应用^13C检测技术及^15N同位素技术、微生物分子生物学技术等手段探讨根际激发效应对农田土壤碳、氮平衡的动态影响及作用机理，在施^15N氮条件下阐明氮素对根际激发效应的方向、强度的作用及与地上部生物量的关联耦合效应。从而明确根际激发效应对土壤碳、氮素转化动态变化及相关胞外酶活机理，将有助于深入理解根际激发效应的对土壤氮碳平衡影响的生态重要性，有助于合理保护及维持土壤肥力及增强土壤固碳作用。

植物根系的存在会促进或抑制土壤有机质的分解，称为根际激发效应（RPE）。其影响植物与微生物对养分的利用，土壤碳的累积和分解，对农田生态系统养分碳氮循环与保持发挥着重要的作用。本项目通过4年的种植（栽培种植C4 作物）与不种植作物盆栽试验，研究了在不同土壤（水稻土、小麦溇土）、不同作物生育期（玉米、高粱）、不同施氮量下（0、75、150、225、300kgN/ha），借助13C 自然丰度法和15N 同位素追踪技术，微生物分子生物学技术等手段，探讨分析（1）根际激发效应对农田土壤碳、氮平衡，涉氮与涉碳土壤微生物及土壤胞外酶活性的影响过程及机理；（2）不同水平氮肥投入对根际激发效应方向、强度和土壤碳氮平衡的影响，及根际激发效应与作物生长的关联耦合效应。 结果表明：（1）RPE既能促进农田土壤碳排放（正激发或碳氮矿化），也可以抑制土壤碳排放（负激发或碳固定）。与未种植作物相比，种植处理显著增强了52.8%-162.6%的土壤总CO2排放量及土壤有机质的分解，来源于土壤有机质的碳排放在17.4 - 47.2 mg C kg soil-1 day-1；根际对土壤有机质分解的影响程度从–11％到76％不等。RPE强度与总氮矿化速率呈现正相关的关系，且在作物的不同生长期其强度和方向是不同的。（2）在0-150 kgN/ha氮素添加量下，根际激发效应强度逐步减少，在150 kgN/ha下为负激发效应。>150-300kgN/ha下根际激发效应逐步增大。RPE对土壤轻、重组有机碳含量均存在影响，且其对轻组有机碳库的作用在于来源于植物部分的土壤有机碳。（3）酶活性和微生物代谢效率共同介导了氮对RPE的调控。土壤碳氮条件的变化、氮素竞争则推动了RPE机制的转换。微生物活化机制、氮素攫取机制以及底物优先利用机制在作物不同生育期单独或者协同发生调节作用。微生物代谢效率及关键种可以作为调控RPE效应机制的主导因子。（4）可能存在着一个适宜的生态施氮量，这个施氮量推测应该在150KgN/ha -200kgN/ha，需要结合土壤、作物需肥量及生育期研究验证。上述研究结果可为农田土壤合理施用氮肥，保持土壤肥力及增强土壤碳固持提供科学理论与依据。