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地膜覆盖与施肥条件下光合碳在玉米—土壤系统中动态分配与运转

孙海岩  
【摘要】:光合碳是“大气-植物-土壤”系统碳固定的起点,也是土壤有机碳的重要来源。地膜覆盖(简称“覆膜”)与施肥在提高作物产量同时,也显著影响了光合碳在土壤中的固定与转运。由于过去试验和测定技术的限制,无法区分新光合碳与原土壤中有机碳,因此新光合碳在植物-土壤系统中的固定与转运机制一直不十分清楚。本文基于沈阳农业大学棕壤长期定位试验站,在裸地(不施肥,CK;氮肥,N4;有机肥,M4)和对应的覆膜(不施肥,FCK;施氮肥,FN4;有机肥,FM4)处理上,利用~(13)CO_2示踪技术对苗期玉米植株进行田间原位脉冲标记,分别在标记后的第1 h,1 d,3 d,7 d,30 d采集玉米茎叶、根系、根际土壤和非根际土壤,定量分析光合碳在植物、土壤和微生物中的动态分配,明确覆膜与施肥对其影响,探讨光合碳在土壤中固定机制,为土壤有机碳周转提供理论依据。主要研究结果如下:(1)覆膜条件下施用有机肥和氮肥促进了光合碳在土壤中的固定,提高了~(13)C的同化率。标记后第1 h,FN4和FM4处理光合净固定~(13)C量达最高,~(13)C同化率达到75.5%;其次为M4、FCK和CK处理,平均约为54.4%;N4处理光合碳净固定~(13)C量相对较低,为31.2%。标记后第30 d各处理~(13)C同化率平均为36.5%。(2)裸地施用有机肥和氮肥提高了光合碳在地下部(根、根际土壤和非根际土壤)分配比例,并随时间总体呈增加的趋势。N4和M4处理在标记后第30 d光合碳分配到根、根际土壤和非根际土壤的比例平均分别为17.81%,20.12%和16.24%,同时光合碳分配到地下部的比例平均分别比其余4个处理高19.84%和24.22%。(3)土壤可溶性有机碳(DOC)和微生物量碳(MBC)随时间变化总体呈下降趋势。标记后第1 h和第1 d,覆膜条件土壤DOC含量显著高于裸地条件;第3 d~30 d覆膜条件非根际土壤DOC含量平均比裸地条件降低约17%。在相同覆膜或裸地条件下,施有机肥处理根际土壤MBC含量高于不施肥处理和施氮肥处理。(4)地膜覆盖和施用有机肥促进光合碳转化为土壤DOC。研究结果表明FN4、FM4、FCK和M4处理根际土壤~(13)C-DOC含量在标记后第1 d达到第一个峰值,分别为21.84、4.28、2.80和2.90μg kg~(-1);在标记后第30 d达到第二个峰值,分别为13.44、5.91、4.74和6.42μg kg~(-1)。CK处理根际土壤~(13)C-DOC含量随时间变化不明显。(5)覆膜与施肥的交互作用显著影响土壤微生物碳含量。根际土壤~(13)C-MBC含量在标记后第1 h或第1 d达到最高值,然后随时间而降低,第30 d比最高值降低50%~93%。覆膜条件下施氮肥处理(FN4)显著提高(P0.05)了根际土壤的~(13)C-MBC含量;在裸地条件下,施有机肥处理(M4)根际土壤的~(13)C-MBC含量比不施肥(CK)增加30%~99%,比N4处理增加45%~150%。综上所述,光合碳向地下部转移非常迅速,而且分配与运转过程受覆膜与施肥方式的影响。关于长期地膜覆盖与施有机肥或氮肥后微生物对光合碳的分配与利用机制以及同化光合碳的微生物种群和功能需要进一步研究。


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