全 文 ：CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸
对土壤呼吸的贡献*
寇太记1,2 **摇 徐晓峰1 摇 朱建国2 摇 谢祖彬2 摇 郭大勇1 摇 苗艳芳1
( 1河南科技大学农学院, 河南洛阳 471003; 2中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 南京
210008)
摘摇 要摇 依托 FACE技术平台, 采用稳定13C同位素技术, 通过将小麦(C3作物)种植于长期
单作玉米(C4作物)的土壤上, 研究了大气 CO2浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放 CO2的
啄13C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放 CO2的 啄13C值随作物生长逐渐降
低, CO2浓度升高 200 滋mol·mol-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为 250 kg·hm-2, HN)与
拔节、孕穗期(施氮量为 150 kg·hm-2, LN)土壤排放 CO2的 啄13C 值, 显著提高了孕穗、抽穗
期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高 CO2浓度下为 24% ~
48% (HN)和 21% ~ 48% ( LN), 在正常 CO2浓度下为 20% ~ 36% (HN)和 19% ~ 32%
(LN) . 不同 CO2浓度下土壤排放 CO2的 啄13C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO2浓度
与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.
关键词摇 稳定同位素摇 生态系统摇 原有有机碳摇 生育阶段摇 FACE
文章编号摇 1001-9332(2011)10-2533-06摇 中图分类号摇 S161;X171摇 文献标识码摇 A
Contribution of wheat rhizosphere respiration to soil respiration under elevated atmospheric
CO2 and nitrogen application. KOU Tai鄄ji1,2, XU Xiao鄄feng1, ZHU Jian鄄guo2, XIE Zu鄄bin2,
GUO Da鄄yong1, MIAO Yan鄄fang1 ( 1College of Agronomy, Henan University of Science and Technol鄄
ogy, Luoyang 471003, Henan, China; 2State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,
Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2011,22(10): 2533-2538.
Abstract: With the support of free鄄air carbon dioxide enrichment (FACE) system and by using iso鄄
tope 13C technique, and through planting wheat (Triticum aestivum L. , C3 crop) on a soil having
been planted with maize (Zea mays L. , C4 crop) for many years, this paper studied the effects of
elevated atmospheric CO2 and nitrogen application on the 啄13 C value of soil emitted CO2 and the
wheat rhizosphere respiration. With the growth of wheat, the 啄13C value of soil emitted CO2 had a
gradual decrease. Elevated atmospheric CO2 concentration (200 滋mol·mol-1) decreased the 啄13C
value of emitted CO2 at booting and heading stages significantly when the nitrogen application rate
was 250 kg·hm-2(HN), and at jointing and booting stages significantly when the nitrogen applica鄄
tion rate was 150 kg·hm-2(LN). Nevertheless, the elevated atmospheric CO2 promoted the pro鄄
portions of wheat rhizosphere respiration to soil respiration at booting and heading stages significant鄄
ly. From jointing stage to maturing stage, the proportions of wheat rhizosphere respiration to soil
respiration were 24% -48% (HN) and 21% -48% (LN) under elevated atmospheric CO2, and
20% -36% (HN) and 19% -32% (LN) under ambient atmospheric CO2 . Under both elevated
and ambient atmospheric CO2 concentrations, the 啄13 C value of emitted CO2 and the rhizosphere
respiration had different responses to the increased nitrogen application rate, and there was a signifi鄄
cant interactive effect of atmospheric CO2 concentration and nitrogen application rate on the wheat
rhizosphere respiration at jointing stage.
Key words: stable isotope; ecosystem; pre鄄existing organic carbon; development stage; FACE.
*国家自然科学基金项目(40231003,41003030)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3鄄SW鄄440)、土壤与农业可持续发展国家重点
实验室开放基金项目(Y052010030)和河南科技大学人才基金项目(09001266)资助.
**通讯作者. E鄄mail: tjkou@ yahoo. com. cn
2011鄄03鄄14 收稿,2011鄄07鄄28 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 10 月摇 第 22 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2011,22(10): 2533-2538
摇 摇 陆地土壤是地球表面最大的碳库,有机碳储量
约为 1400 ~ 1500 Pg C,其中农田土壤贮存的碳占陆
地土壤碳贮量的 8% ~ 10% [1] .因此,开展农田土壤
有机碳库的大气 CO2源 /汇效应研究,对于揭示农田
土壤碳源 /汇特征、减缓温室效应、提高土壤质量和
粮食安全具有重要意义. 土壤呼吸作为土壤碳库的
主要输出途径和大气 CO2的重要源[2],已成为全球
碳循环研究的热点问题之一[3] .根际呼吸是土壤鄄植
物系统中土壤呼吸的重要组成部分,是植物根系呼
吸与根际微生物分解有机物质释放 CO2的总和. 准
确定量根际呼吸对土壤呼吸的贡献,将有助于估算
土壤净碳损失与碳积累,评价植物生长对土壤呼吸
与碳循环的影响,是研究农田碳循环的关键环节.目
前定量区分土壤呼吸来源的方法有同位素示踪法和
非示踪法两大类[4],非示踪法只能粗略估算土壤呼
吸中根际呼吸的数量,很难定量植物当季光合产物
碳与土壤原有有机碳的贡献;而同位素13C 和14C 示
踪法可以清楚地获得碳流向和碳通量,为碳循环的
深入研究提供更为科学的方法.尽管13C 和14C 同位
素均能准确示踪土壤有机碳的来源和周转[4-5],但
啄13C示踪方法因其成本相对较低、无辐射危害、有
机碳标记均匀,而被广泛用于定量研究根际呼吸对
土壤呼吸的贡献[4, 6-8] .
自 19 世纪中叶以来,大气中 CO2等温室气体持
续升高导致的全球气候变化[9],将对整个生态系统
产生深远影响.农田生态系统是重要的陆地生态系
统,大气中 CO2浓度的持续增加必然影响农田作物
的生长和土鄄气界面的碳交换,明确 CO2浓度升高对
根际呼吸的影响是全面评价其对农田土壤碳库影响
的需要.国外开展的关于 CO2浓度升高对土壤鄄植物
生态系统影响的研究主要集中在自然生态系统[10] .
农田生态系统与自然生态系统不同,受人为干扰和
环境变化的影响更为强烈. 本文在开放式大气 CO2
浓度增加环境中,利用稳定同位素13C 示踪技术,即
将 C3作物冬小麦种植于 C4作物玉米土壤上,开展高
CO2浓度下农作物根际呼吸对土壤呼吸的贡献研
究,以期为预测未来气候条件下我国农田土壤碳库
周转及其演变趋势提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
本试验在江苏省江都市马凌良种场中国 FACE
系统平台(32毅35忆5义 N,119毅42忆0义 E)进行.试验田土
壤类型为下位砂姜土[11],试验平台运行系统与研究
区概况详见文献[12-13]. 供试客土采自吉林省公
主岭市长期玉米单作田,为中层黑土,简称为 C4土
壤.土壤理化性质为:有机质 18. 5 g·kg-1,速效磷
42. 8 mg·kg-1,速效钾 128 mg·kg-1,砂粒 (2 ~
0. 05 mm) 247 g·kg-1,粉粒(0. 05 ~ 0. 002 mm)
471 g·kg-1,黏粒 ( < 0. 002 mm) 283 g·kg-1, pH
5郾 3,质地为壤土,供试土壤风干后过 0. 5 cm 筛备
用.供试小麦品种为扬麦 14.
1郾 2摇 试验设计
试验采用裂区设计,CO2浓度为主处理,N 肥水
平为副处理. CO2浓度分为正常大气 CO2浓度(Am鄄
bient)和 FACE (Ambient+200 滋mol·mol-1 CO2 ) 2
个处理,每处理各 3 个圈,氮肥分为高氮 ( HN,
148 mg N·kg-1 干土,即 250 kg · hm-2 ) 和低氮
(LN,88郾 9 mg N·kg-1干土,即 150 kg·hm-2) 2 个
水平,共 4 个处理组合(FACE鄄HN、FACE鄄LN、Ambi鄄
ent鄄HN、Ambient鄄LN),每个处理 3 次重复.
本试验采用静态箱法采集土壤排放的 CO2气
体,装置为上、下敞口的培养框(长伊宽伊高 = 20 cm伊
15 cm伊20 cm),将培养框底部用孔径为 0. 1 mm 的
尼龙布裹严后埋入试验田,其上部与地表平,每圈每
处理各设 4 个培养框,其中 2 个种植作物(Plant)、2
个不种植作物(CK),每次均测定 2 个同类型培养
框,结果取平均值. 每个培养框中均加入 7 kg 已制
备好的 C4土壤,装土后加水至田间持水量的 60% .
培养框设置见图 1. 种植作物的培养框每个播 8 粒
小麦种子,在越冬前定苗为 6 株,种植密度、日常管
理均与大田生产同.冬小麦于 2004 年 11 月 13 日播
种,20 日出苗,2005 年 6 月 1 日收割.
试验用氮肥为尿素,磷、钾肥为复混肥. 磷肥
( P2O5)和钾肥(K2O)施用量各44. 4mg·kg-1干土
图 1摇 气体样品采集装置简图
Fig. 1摇 Sketch of sampling gas collection equipment.
Plant:种植作物 Crop planting; CK:不种植作物 No crop planting. 下
同 The same below.
4352 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
(即 75 kg·hm-2),氮肥分 3 次施用,分别在播种前、
拔节期、孕穗期按 5 颐 1 颐 4 的比例施用,磷、钾肥于
播种前一次性施入.各种肥料均用水溶解后施用.
1郾 3摇 样品采集与测定
分别在小麦拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期 4
个时期(播后第 117、136、143、168 天)采集土壤排
放的 CO2气体,具体操作参见文献[14]. 每次采集
时间均为 8:30—11:30,分别在密封后 0、20 min 采
集,每次所采气体样品分别装于两个 18 mL 的集气
真空瓶中,一份用来测定 啄13 C 值,一份用来测定
CO2气体浓度. 采集气体样品时,同时测定气温和
10 cm土壤温度.气体样品采集后刮去用来密封植株
与生长孔隙的硅胶,然后将采样箱向上提起约 45毅
交错置于水槽口上,以利于气体正常交换.
气体 CO2、植物碳与土壤有机碳的 啄13C 值分别
用同位素质谱仪鄄菲尼根 MAT253 和 MAT251
(MAT鄄253 和 MAT鄄251,Finnigan,Bremen,Germany)
测定,标准偏差<0. 005% .气体 CO2浓度用气相色谱
法测定.土壤基本理化性质用常规法测定.不同处理
小麦根茬的 啄13 C 值见文献 [ 15 ], 平均约为
-28郾 0译、C4 土壤和试验地土壤 啄13 C 值分别为
-18. 9译和-27. 8译.
1郾 4摇 数据计算及分析
土壤排放 CO2的 啄13C值计算公式:
啄13CO2 =
(啄2C2-啄1C1)
(C2-C1)
(1)
式中:啄1和 啄2分别为某测定时段始、末气体样品的
啄13C丰富度;C1和 C2分别为始、末 CO2浓度.
用同位素方法计算植物在某一生长阶段根际呼
吸占土壤呼吸的比例:
f =
(啄S - 啄0)
(啄P - 啄0)
(2)
式中:f表示根际呼吸的比例;啄S 表示土壤呼吸的
啄13C值;啄P 表示植物体的 啄13 C 值;啄0表示不种植作
物土壤呼吸的 啄13C值.
采用 SPSS 11. 5 统计软件处理试验数据,采用
Multivariate、F鄄检验和 LSD 法对不同处理进行统计
分析,当 P<0. 05 时达到显著水平.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 CO2浓度升高对土壤排放 CO2的 啄13C 丰度的
影响
两个 CO2浓度条件下,作物鄄土壤系统中各处理
土壤排放 CO2的 啄13C 值均从拔节期到抽穗期逐渐
降低,在抽穗期达到最低,而成熟期又略高于抽穗
期.种植小麦土壤 4 个时期排放 CO2的 啄13C 值均小
于不种植小麦的裸土. 在 HN 水平下,FACE 处理除
拔节期外,种植小麦土壤排放 CO2的 啄13C 值均小于
正常大气 CO2浓度处理,更接近于小麦植株的 啄13C
值,尤其在孕穗期和抽穗期显著降低(P<0. 05);在
LN水平下,FACE处理 4 个时期的 啄13C值也均小于
正常大气 CO2浓度处理,且在拔节期和孕穗期显著
降低(P<0. 05). 方差分析表明,CO2浓度显著影响
孕穗期和抽穗期土壤排放 CO2的 啄13 C 值丰度,且
CO2浓度与施氮量在拔节期和抽穗期的交互效应显
著(表 1).
在两个施氮水平下,FACE 与正常大气 CO2浓
度处理裸土排放 CO2的 啄13C 值均无明显规律,且差
异不显著(表 1),这可能表明大气 CO2浓度升高对
土壤原有有机碳的分解在短期内无显著影响. 但在
两个 CO2浓度条件下,拔节期、孕穗期裸土排放 CO2
的 啄13C值均高于供试土壤的 啄13C 值,而抽穗期、成
熟期均低于供试土壤的 啄13C值 (表 1、表 2).
表 1摇 小麦不同生长时期土壤排放 CO2的 啄13C值变化
Table 1摇 Change of 啄13C values of emitted CO2 from soil at different wheat growth stages (mean依SE, 译)
处 理
Treatment
拔节期
Jointing stage
Plant CK
孕穗期
Booting stage
Plant CK
抽穗期
Heading stage
Plant CK
成熟期
Maturing stage
Plant CK
FACE鄄HN -19. 1依0. 8ab -15. 2依0. 5a -21. 0依0. 1c -18. 0依1. 3a -24. 0依0. 2b -22. 2依1. 1a -22. 2依0. 7a -21. 0依1. 2a
FACE鄄LN -20. 2依0. 7b -15. 2依0. 7a -20. 9依0. 6bc -17. 4依0. 4a -22. 7依0. 6a -21. 2依0. 9a -22. 4依0. 4a -21. 4依0. 3a
Ambient鄄HN -19. 9依0. 9b -16. 5依0. 5b -19. 9依0. 5ab -18. 0依0. 5a -22. 2依0. 6a -20. 3依0. 3a -21. 8依0. 9a -21. 0依1. 1a
Ambient鄄LN -18. 3依0. 5a -15. 4依0. 7ab -19. 7依0. 2a -17. 9依0. 8a -22. 8依0. 1a -21. 2依0. 9a -22. 5依0. 4a -21. 8依0. 4a
变异来源 Sources of variation
CO2 ns ns * ns * ns ns ns
N ns * ns ns * * ns ns
CO2 伊N * ns ns ns * ns ns ns
Plant:种植作物 Crop planting; CK:不种植作物 No crop planting. 同列不同字母表示差异显著(P<0. 05) Different letters in the same column meant
significant difference at 0. 05 level. ns:不显著 No significant; *显著 Significant. 下同 The same below.
535210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 寇太记等: CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 根际呼吸占土壤呼吸的比例 (啄13C 法)
Table 2摇 The proportion of rhizosphere respiration to soil respiration by 啄13C method (mean依SE, %)
处 理
Treatment
拔节期
Jointing stage
孕穗期
Booting stage
抽穗期
Heading stage
成熟期
Maturing stage
Ambient鄄HN 35依12b 26依6a 36依4a 20依4ab
Ambient鄄LN 28依7a 22依7a 32依5a 19依4a
FACE鄄HN 37依8b 40依3b 48依9b 24依4b
FACE鄄LN 48依7c 42依9b 35依3a 21依2ab
变异来源 Sources of variation
CO2 ns摇 * * ns
N ns摇 ns ns ns
CO2 伊N *摇 ns ns ns
2郾 2摇 根际呼吸对土壤呼吸的贡献率
4 个处理的根际呼吸占土壤呼吸的比例均在成
熟期最小,为 19% ~ 24% ; Ambient鄄HN、 Ambient鄄
LN、FACE鄄HN 的根际呼吸占土壤呼吸的比例在抽
穗期,FACE鄄LN 在拔节期达到最大值,为 23% ~
48% (表 2).在正常大气 CO2浓度下,根际呼吸所占
比例在 4 个生育时期的变化趋势在两个氮肥水平下
表现一致,均表现为从拔节至孕穗期降低,在抽穗期
增加至最大值,然后在成熟期又快速降低;而在
FACE条件下,HN 处理从拔节至抽穗期持续增加,
在成熟期迅速下降,LN处理则从拔节至成熟期持续
降低.
在两个供氮水平下,FACE 处理的根际呼吸占
土壤呼吸的比例在各时期均高于 Ambient 处理. HN
水平下,在孕穗期、抽穗期 FACE 处理分别比 Ambi鄄
ent处理增加 53. 8%和 33. 3% ,LN 水平下,在拔节
期、孕穗期分别增加 71. 4%和 90. 9% (P<0. 05).表
明 CO2浓度、氮肥供应水平、小麦生育阶段均可影响
根际呼吸对土壤呼吸的贡献率.方差分析表明,CO2
浓度除拔节期外(P = 0. 064),在孕穗、抽穗和成熟
期均显著影响根际呼吸对土壤呼吸的贡献率(P<
0郾 05),CO2与施氮量的交互效应在拔节期达到显著
水平.
2郾 3摇 氮肥用量对土壤排放 CO2的 啄13C 值及根际呼
吸对土壤呼吸贡献的影响
Ambient条件下,HN 处理种植小麦土壤排放
CO2的 啄13C 值在各时期与 LN 处理差异均不显著,
但在 FACE条件下在抽穗期显著降低(P<0. 05);未
种植作物土壤排放 CO2的 啄13C 值在 FACE、Ambient
条件下各时期差异均不显著.方差分析表明,施氮量
显著影响抽穗期土壤鄄植物系统和拔节、抽穗期未种
植作物系统土壤排放 CO2的 啄13C 值,且 CO2与施氮
量对土壤鄄植物系统在拔节期、抽穗期的交互效应显
著(表 1).
Ambient条件下,HN 处理较 LN 处理在拔节期
显著增加根际呼吸对土壤呼吸的贡献率(P<0. 05),
在其他时期呈现增加趋势,说明提高氮肥用量将增
加根际呼吸的比例. FACE 条件下,在拔节期与孕穗
期为 HNLN
处理,且除孕穗期外均达到显著差异水平 ( P <
0郾 05),说明在高 CO2浓度条件下不同施氮量对根际
呼吸的影响并非单纯供氮问题,应考虑 CO2浓度与
施氮水平的交互效应.但方差分析表明,N的影响效
应在 4 个生育时期均未达到显著水平,且 CO2与 N
的交互效应对根际呼吸对土壤呼吸贡献的影响仅在
拔节期达到显著水平.
3摇 讨摇 摇 论
将 啄13C值显著不同的 C3和 C4植被种植互替是
利用 啄13C示踪技术研究土壤碳通量与碳流向的常
用方法[4-5] .本研究中,C3作物小麦根茬与 C4土壤原
有机质的 啄13C值差异显著,确保了 啄13C示踪技术结
果可靠、准确.种植作物土壤排放的 CO2主要包括耕
层 C4土壤(0 ~ 20 cm)、下层 C3水稻土壤( >20 cm)
有机质分解和植物根际呼吸排放的 CO2,而未种植
作物系统不包含植物生长带来的 CO2排放. 因土壤
有机质的 啄13 C 值与其主要来源植物十分接
近[16-17],故未种植作物裸土排放的 CO2真实地反映
了土壤有机质的分解规律. 本研究全部裸土排放
CO2的 啄13C值在生长前期高于供试土壤的 啄13C 值,
而生长后期低于供试土壤的 啄13C 值(表 1),更接近
水稻土的 啄13C值,表明生长前期源于 C4作物的有机
质分解较快,随时间进程 C4土壤中原有少量残留的
C3植物有机质[17]与下层水稻土有机质被分解的数
量增加.两个浓度 CO2环境下裸土排放 CO2的 啄13C
值在各时期均无显著差异(表 1),可能与供微生物
分解的底物足够丰富、CO2变化对微生物活性与群
6352 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
落结构的影响因时间较短仍未体现有关. 而种植比
未种植作物体系土壤排放 CO2的 啄13C 值更小和更
接近于 C3作物(表 1),表明植物生长条件下更多的
光合产物通过根际呼吸返回大气,这是导致两体系
排放 CO2的 啄13C值不同的主要原因.氮素是植物主
要营养元素之一,氮肥对种植小麦土壤排放 CO2的
啄13C值的影响(表 1),主要是由于氮供应量影响到
植物生长[18-19]和光合产物碳向地下的分配[20] .
种植作物体系不同生育阶段土壤排放 CO2的
啄13C值(表 1)表明:从拔节至抽穗期随着植物生长
通过根际呼吸损失的光合产物数量增加,在成熟期
通过根际呼吸损失的碳数量下降. 以前的研究也发
现,在拔节至孕穗抽穗期冬小麦的根系呼吸较强而
在成熟期下降[14,18];营养生长阶段随着根系生长较
多同化产物碳输入土壤,但生长后期明显减少,与微
生物活性的变化一致[21] .本研究中,CO2浓度升高显
著降低了孕穗期、抽穗期小麦土壤排放 CO2的 啄13C
值(表 1),表明大气 CO2浓度升高促使更多当季光
合碳由地下系统重新返回大气,这与高 CO2浓度在
孕穗、抽穗期增加根系呼吸[14,18]的趋势一致,也符
合 Paterson等[22]关于 CO2浓度升高将促使更多光合
产物通过根际呼吸损失的猜想. 高 CO2浓度促进植
物光合作用[10]和光合产物输入地下[10,22],使土壤微
生物活性增强[21],根系呼吸在生长中期增加[14,18],
这些共同增加了根际呼吸及其贡献率. N 供应量将
影响光合碳的合成与分配,进而影响微生物与根系
活性.不同供 N水平下,高 CO2浓度影响根际呼吸对
土壤呼吸贡献的时期不同(表 2),表明 CO2浓度升
高环境下作物生长的 N 吸收需求规律发生了改变
且受供 N量制约.生长前期虽然两个 N水平均供 N
充足,但小麦植株体小、生物量低导致根系反映 CO2
浓度增加的效应较弱和根系呼吸变异较小[18],而土
壤原有大量易分解有机质的分解贡献使拔节前期
CO2浓度增加对根际呼吸贡献率的影响不显著. 在
高 CO2浓度下冬小麦地下与地上生物量的最大增幅
在拔节期[18],生长前期充足的 N供应使较多同化碳
被分配于地下将有助于根际呼吸,而后期随着土壤
N耗竭或不足限制了同化碳合成及向地下的分配将
不利于根际呼吸,这可能是 CO2与 N 的交互效应对
根际呼吸贡献率的影响仅在拔节期显著的原因.
本研究中,两个供 N 水平下在 4 个生育期根际
呼吸占土壤呼吸的比例在正常 CO2 浓度下为
19% ~36% ;在高 CO2浓度下为 21% ~48% .这与在
小麦生长旺季通过阻断根法测量的根际呼吸占土壤
呼吸的比例为 24. 5% ~47. 1% [20]的结果基本一致,
而与用 啄13C示踪法测定的冬小麦出苗后 13 ~ 17 d
的相应比例为 89% [6]和大豆、向日葵、高粱、苋菜的
相应比例分别为 61. 2% 、61. 1% 、81. 8% 、67. 4% [8]
的结果不同,表明根际呼吸对土壤呼吸的贡献因植
物类型和生长阶段而异.本研究中,CO2浓度增加和
供氮水平影响冬小麦根际呼吸对土壤呼吸贡献的变
化趋势为:FACE鄄HN处理随小麦生长持续增加至抽
穗期下降(表 2),这与 Rochette 和 Flanagan[7]在正
常大气条件下玉米作物上的研究结果一致;FACE鄄
LN处理保持持续下降,不同于其他 3 处理,可能是
由于高 CO2浓度促进了作物生长,但因 N 肥供应不
足在拔节期优先促进了光合产物向地下的分配和根
系生长[18],后期受 N供应限制,作物生长减缓,根系
活性下降,光合产物向地下分配减少,根际呼吸及其
贡献率呈降低趋势.
以前研究发现,CO2浓度升高和增加施氮水平
可促进土壤有机碳更新[15],且高 CO2浓度环境下土
壤鄄大气界面的 CO2交换增加[13,23-24] . 本研究发现,
大气 CO2浓度升高增加了根际呼吸占土壤呼吸的比
例,使土壤原有有机碳分解比例减少,其结果将有助
于评价未来高 CO2浓度背景下农田生态系统土壤碳
的固定.但全面评价大气中 CO2等温室气体的增加
对农田土壤碳库的影响,以及未来气候条件下土壤
的源汇效应,需要进一步深入研究输入土壤的碳数
量、根际淀积物去向及异养呼吸排放 CO2的地下不
同来源(植物新输入碳和土壤原有有机碳的分解)
对大气 CO2浓度升高的反馈.
4摇 小摇 摇 结
高 CO2浓度显著降低了高氮处理孕穗、抽穗期
和低氮处理拔节、孕穗期小麦土壤排放 CO2的啄13C
值,表明 CO2浓度升高增加了植物当季新输入地下
的碳重新返回大气的数量,加快了土鄄气界面的碳交
换,在拔节、抽穗期氮肥用量影响 CO2的作用效应.
拔节-成熟阶段小麦根际呼吸占土壤呼吸的比
例在高 CO2浓度下高、低氮处理中分别为 24% ~
48%和 21% ~48% ,在对照中分别为 20% ~ 36%和
19% ~32% . CO2浓度升高显著增加了生长中期根
际呼吸的贡献.
土壤鄄作物系统排放 CO2的 啄13C 值和根际呼吸
的贡献对施氮水平的响应因 CO2浓度不同而不同,
表明评价氮肥施用对根际呼吸贡献的影响应综合考
735210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 寇太记等: CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献摇 摇 摇 摇 摇
虑 CO2与 N的交互效应.
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作者简介摇 寇太记, 男, 1975 年生, 博士, 副教授. 主要从
事物质循环与全球变化、逆境植物营养与农田生态研究.
E鄄mail: tjkou@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 张凤丽
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