13C脉冲标记法：不同生育期水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配

定量生育期内植物光合碳在植物组织-土壤的分配规律,对于理解全球碳循环有着重要意义。采用~(13)C-CO_2脉冲标记结合室内培养,通过元素分析仪-稳定同位素联用(Flash HT-IRMS)分析植物各部分及土壤δ~(13)C值,比较了不同生育期下水稻光合碳在不同组织间的分配规律,并量化了水稻光合碳向土壤碳库的转移。结果表明:(1)水稻地上部和根系干物质量随水稻生育期的增加而呈现递增趋势,不同的生育期表现为:分蘖期拔节期抽穗期扬花期成熟期。而整个生育期的根冠比为0.2—0.4,分蘖期的根冠比最高,随着水稻生育期的增加而递减,到抽穗期以后根冠比稳定在0.2左右。(2)脉冲标记6h后,水稻地上部和地下部(根系)的δ~(13)C值在-25.52‰—-28.33‰,不同器官的δ~(13)C值存在明显分馏效应,且趋势基本一致,即茎杆(籽粒)叶片(根系);这种由于水稻生育期特性导致的各器官碳同位素分馏的现象,可用于指示不同生育期下水稻光合碳的分配和去向。(3)不同生育期~(13)C-光合碳在植物-土壤系统的分配规律不同,生长前期光合碳向根系及土壤中分配的比例高,具有较强的碳汇能力,而随生育期光合碳在根系及土壤中的分配比例呈下降趋势,但积累量不断增加。(4)不同生育期~(13)C光合碳在水稻-土壤系统中的分配比例差异明显。水稻分蘖期有近30%光合碳用于根系建成并部分通过根系分泌物进入土壤有机碳库(10%),而到成熟期则向籽粒中分配较多,而且光合碳在土壤中的分配比例也随生育期呈下降趋势。研究结果对稻田土壤有机碳循环过程和调控机制的揭示具有重要的理论意义。     

稻田与旱地土壤自养微生物同化碳在土壤中的矿化与转化特征

选择亚热带地区3种典型稻田和旱地土壤,应用碳同位素^14C-CO₂标记示踪技术结合室内模拟培养试验,研究自养微生物同化碳(“新碳”)在土壤碳库中的矿化和转化特征.结果表明: 在100 d的培养期内,“新碳”的矿化经历了先上升、10 d后缓慢下降、最后渐趋稳定的3个阶段.“新碳”的矿化比例为8.0%～26.9%,矿化速率为0.01～0.22 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,其中,稻田土壤为0.01～0.22 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,旱地土壤为0.01～0.08 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,而原有有机碳的矿化比例为1.6%～5.7%,矿化速率为1.3～25.66 μg C·g^-1·d^-1.土壤活性碳库\[可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)\]中,¹⁴C-DOC在培养初期(0～10 d)先上升,升高幅度达0.3 mg·kg^-1,10～30 d又迅速下降,下降幅度达0.42 mg·kg^-1,至30 d后缓慢下降.¹⁴C-MBC的波动与¹⁴C-DOC不同,在培养初期(0～10 d)先迅速下降,10～30 d又迅速上升,至40 d后缓慢下降并趋于稳定.水稻土¹⁴C-DOC/DOC的转化更新速率明显大于旱地,而旱地¹⁴C-MBC/MBC的转化更新速率大于水稻土.
     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

亚热带丘陵茶园间作白三叶草的生态效应

在亚热带丘陵区1a生幼龄茶园通过连续4a的大田对比试验,研究了茶园间作白三叶草的生态效应,结果发现：茶园间作白三叶草降低了土壤容重,提高了土壤孔隙度、有机质、全N、水解N的含量、K的活性、蚯蚓的数量和生物量,消耗了部分有效P;增加了土壤关键层次（0—20cm）和关键时期（4～6月）的水分含量,延缓和缩短了夏季高温干旱与秋季持续干旱时间;获得了土壤降温时增温、保温与升温时降温的双向动态调控效果,增加了同一层次土壤温度的稳定性,延缓了高温和低温的出现时间,缩短了过度高温时间,减少了高温对茶树生长产生的影响;抑制了杂草生长,增加了天敌的种类和种群数量,减少了虫害发生率。从而形成了立地环境．茶树．伴生生物群落系统自我调节的动态平衡,促进了茶树生长,改善了茶叶品质,显著增加了茶叶产量。与清耕茶园相比,茶园间作白三叶草后,春秋茶的酚氨比分别下降了17．10％和30．90％,产量提高了32．65％。     

稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响

为探索稻田中温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响,用10个不同方法对双季稻田进行处理,并使用高效液相色谱分别测定了各处理稻田中所产稻米中的16种氨基酸的含量,其中色谱柱为Agilent Zorbax AAA分析柱,柱前衍生使用邻苯二甲醛(OPA)和9-芴甲基氯甲酸酯(FMOC-CL)为衍生试剂。结果发现:1)10个处理中的稻米16种氨基酸种类齐全,施氮肥+添加生物质炭48 t/hm2+间歇灌溉(NPK+HBC+IF)处理中所得氨基酸总量为6520.7 mg/100g,效果最佳;对照组处理(不施加氮肥+无稻草还田+间歇灌溉)所得氨基酸含量4338.0 mg/100g为最低。以对照组处理所得必需氨基酸百分含量36.8%为最高值;无稻草还田+长期淹水(NPK+CF)处理方法所得必需氨基酸百分含量33.1%为最低值。10个处理中16种氨基酸中含量较高的氨基酸均为天冬氨酸、谷氨酸和精氨酸,含量最低的均为甲硫氨酸;2)施氮肥量相同时,长期淹水与间歇灌溉相比,氨基酸总量增加185.1 mg/100g,非必需氨基酸百分含量增加3%,谷氨酸、组氨酸和丝氨酸含量明显升高,但亮氨酸含量显著降低;3)施用氮肥能提高稻米中的氨基酸含量,且随着氮肥使用量的增加,氨基酸含量也随之增加,组氨酸含量增加显著;4)供氮量相同时,添加猪粪使氨基酸总含量升高了286.0 mg/100g,此结果表明,在供氮量相同的情况下,施用猪粪更有利于稻米氨基酸含量的提高;5)灌溉模式相同时,稻草还田配施氮肥对必需氨基酸和氨基酸总量均有提高,天冬氨酸、谷氨酸和组氨酸的含量增加较多,甲硫氨酸含量略有下降;随着稻草还田量的增加,对非必需氨基酸影响较为明显;当稻草半量还田(还田量为3 t/hm2)时,稻米中氨基酸总量增加最多;稻草全量还田+长期淹水(NPK+HRS+CF)与稻草半量还田+间歇灌溉(NPK+LRS+IF)处理中的氨基酸含量基本接近,但必需氨基酸含量前者略高于后者,说明稻草还田与水肥管理对氨基酸含量影响可能存在交互作用;6)添加生物质炭配施氮肥提高了稻米必需氨基酸与非必需氨基酸含量,且随着生物质炭添加量的增加而增加;与稻草还田、添加猪粪处理相比,生物质炭的添加对氨基酸总含量提升的效果最为显著,对稻田实际生产具有指导意义且具有一定的环境效益。     

稻草覆盖对红壤丘陵茶园的生态调控效应

在红壤丘陵区幼龄茶园通过连续4年稻草覆盖的大田试验,研究了稻草覆盖对茶园的生态综合调控效应。结果表明,稻草覆盖改良了土壤理化性状,提高了茶树生长时期(3~10月)的土壤水分含量,特别是土壤表层(0~20 cm)的水分含量;缓冲了茶园土壤温度变化;抑制了茶园杂草的生长;增加了蜘蛛等天敌的数量,有效地控制了假眼小绿叶蝉和茶蚜虫等害虫数量,但茶尺蠖显著增加;有利于蚯蚓的生长,改善了茶园生态环境。     

原状土与非原状土对土壤自养微生物碳同化能力的影响

自养微生物在土壤中广泛存在,但原状土与非原状土对其CO2同化能力的影响尚不明确。因此,本研究采用14C连续标记示踪技术,选取亚热带区4种典型土壤进行室内模拟培养,探讨了原状土与非原状土对农田土壤自养微生物碳同化能力及其对土壤碳库活性组分的影响。结果表明:连续标记培养110 d后,原状土与非原状土样均表现出可观的CO2同化能力,根据估算,非原状土、原状土的CO2同化速率分别为0.015~0.148、0.007~0.050 g·m-2·d-1,说明土壤受扰动可能加剧自养微生物的活性,增强土壤自养微生物的CO2同化能力。相关分析表明,土壤自养微生物同化碳(14C-SOC)与其微生物截留碳(14CMBC)呈极显著正相关(R2=0.955)。而且,土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和土壤有机碳(SOC)的更新率分别为:0.9%~4.5%、2.2%~9.7%和0.09%~0.43%(原状土);0.26%~1.09%、3.6%~20%和2.9%~5.7%(非原状土)。土壤自养微生物同化碳的输入对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对SOC影响较小。本研究丰富和扩大了土壤微生物的基本功能和在土壤碳循环过程中作用的认识。     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

长期施肥对稻田土壤细菌、古菌多样性和群落结构的影响

稻田土壤是“迷失碳”的重要吸纳场所之一,也是温室气体(CH4和N2O等)的重要排放源.大气温室气体的动态变化与土壤碳氮转化的微生物过程紧密相关.以湖南桃江国家级稻田肥力变化长期定位试验点为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量PCR技术,研究不施肥(CK)、施氮磷钾肥(NPK)和氮磷钾肥+秸秆还田(NPKS)3种长期施肥制度(＞25 a)对稻田土壤细菌和古菌群落结构及数量的影响.细菌和古菌16S rRNA基因文库分析结果表明:稻田土壤细菌主要类群为变形菌、酸杆菌、绿弯菌,而古菌主要为泉古菌和广古菌.长期施肥导致土壤细菌和古菌种群结构产生明显差异,与CK相比,NPK和NPKS处理稻田土壤的变形菌、酸杆菌和泉古菌相对丰度增加.LIBSHUFF软件分析结果也表明,16S rRNA基因文库在CK、NPK及NPKS处理间存在显著差异.3种施肥处理的稻田土壤细菌16S rRNA基因拷贝数为每克干土0.58× 1010～1.06×1010个,古菌为每克干土1.16×106 ～ 1.72×106个.施肥(NPK和NPKS)后,细菌和古菌的多样性和数量增加,且NPKS＞NPK.说明长期施肥显著影响土壤细菌和古菌群落结构、多样性及数量.     

自养微生物同化CO_2的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化

大气中CO2浓度持续升高和全球气候变暖是亟待解决的重大环境问题。自养微生物在环境中广泛分布,能直接参与CO2的同化,因此研究自养微生物同化CO2的分子生态学机制具有重大的科学意义。以往对自养微生物的研究多针对基因组DNA,从DNA水平揭示了不同生态系统中碳同化自养微生物的种群结构和多样性,但这些微生物在生态系统中的具体功能有待进一步的研究。近年来,随着转录组学研究技术和稳定同位素探针技术(SIP)的发展,自养微生物同化CO2的生态机理研究不断深入,这些研究明确揭示了碳同化自养微生物是河流、湖泊和海洋生态系统中CO2固定作用的驱动者,并新发现了一些具有CO2同化功能的微生物群落。基于国内外有关研究进展,从DNA和RNA水平上对自养微生物同化CO2的分子机理以及稳定同位素探针技术(SIP)在碳同化微生物研究中的应用进行了分析和总结,初步展望了RNA-SIP技术在陆地生态系统碳同化微生物分子生态学研究中的前景。同时,探讨了陆地生态系统同化碳的转化和稳定性机理,以期为深入了解生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。