稻田系統(tǒng)主要礦質(zhì)元素生物有效性對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)研究.pdf

1、工業(yè)革命以來，由于碳源的增加和碳匯的減少，大氣CO2濃度增加了100 parts permillion(ppm)。預(yù)計本世紀下半葉，大氣CO2濃度將會倍增。大氣CO2濃度的迅速增加將會顯著影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程。雖然大氣CO2濃度升高對生態(tài)系統(tǒng)的影響已有較多研究和報道，但對濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究卻較少。稻田是全球最大的人工濕地，除與諸多自然濕地生態(tài)系統(tǒng)高度的相似性外，其水土環(huán)境還較為穩(wěn)定，利于系統(tǒng)水平上的采樣研究。因此，借助于研

2、究大氣CO2濃度升高對稻田主要礦質(zhì)元素的影響及相關(guān)機制可幫助我們認識未來大氣模式下，自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中礦質(zhì)元素的響應(yīng)，完善礦質(zhì)元素循環(huán)的理論體系。為此，本研究借助稻田FreeAir CO2 Enrichment(FACE)試驗平臺(位于江蘇省江都市，始于2004年，32°35'5"N，119°42'0"E，5 ma.s.l.)，CO2濃度設(shè)370μmol·mol-1和570μmol·mol-1兩個水平，施N量設(shè)250kg hm-2和12

3、5 kg hm-2兩個水平，于2007和2008年水稻生長季研究了稻田主要礦質(zhì)元素生物有效性在植株、田面水、土壤中同步變化及相關(guān)機制，以深刻了解大氣CO2濃度升高對稻田生態(tài)系統(tǒng)礦質(zhì)元素循環(huán)的影響及作用機理。
　　 本研究主要內(nèi)容和結(jié)果如下：⑴大氣CO2濃度升高顯著提高了水稻成熟期地上部總生物量及其組分莖、穗的生物量(P<0.05)。兩種氮肥水平下，CO2濃度升高使地上部總生物量、莖生物量、穗生物量分別比對照平均提高了19.1％、

4、21.9％、24.0％(P<0.05)。⑵大氣CO2濃度升高提高了水稻成熟期P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn在植株體內(nèi)的含量。其中，高氮水平下，CO2濃度升高使P和Ca在葉中的含量分別提高了52.4％和19.9％(P<0.05)；Fe和Zn在莖中提高了59.5％和61.0％(P<0.05)；Ca和Mn在穗中提高了48.3％和47.1％(P<0.05)。⑶大氣CO2濃度升高提高了水稻成熟期其體內(nèi)各主要礦質(zhì)元素的累積量。其中，高氮水平下，C

5、O2濃度升高使P在葉中累積量提高了63.8％(P<0.05)；Mg、Mn、Zn在莖中提高了35.1％、24.9％、97.4％(P<0.05)；N、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn在穗中提高了29.9％、19.9％、86.0％、28.5％、53.0％、84.9％、38.3％(P<0.05)。低氮水平下，CO2濃度升高使Zn在莖中的累積量提高了86.8％(P<0.05)；P、Ca、Mg、Si、Fe、Mh、Zn在穗中提高了31.1％、40.8

6、％、29.4％、39.7％、138.9％、47.8％、35.1％(P<0.05)。⑷大氣CO2濃度升高提高了稻田0-15 cm土層中除N外的主要礦質(zhì)元素生物有效態(tài)含量。兩種氮肥水平下，CO2濃度升高使土壤P、K、Ca、Mg、Si、Fe、Mn、Zn生物有效態(tài)含量兩年平均分別比對照提高了13.6％、9.4％、11.8％、8.3％、14.0％、15.7％、12.8％、196.8％，其中，2007年分別提高了18.5％、15.3％、7.5％、8

7、.9％、19.4％、12.9％、6.8％、190.2％；2008年分別提高了8.7％、3.5％、16.2％、7.6％、8.7％、18.5％、18.7％、203.4％。⑸大氣CO2濃度升高提高了稻田田面水主要礦質(zhì)元素生物有效態(tài)含量。兩種氮肥水平下，CO2濃度升高使田面水中N、P、K、Ca，Mg、Si、Fe生物有效態(tài)含量兩年平均分別比對照提高了14.3％、40.7％、30.3％、33.0％、22.8％、29.7％、26.3％，其中，2007

8、年分別提高了19.4％、43.3％、35.3％、36.5％、25.3％、33.6％、20.8％；2008年分別提高了9.1％、38.2％、25.5％、29.6％、20.3％、25.8％、31.8％。⑹大氣CO2濃度升高改變了水稻土壤相關(guān)性狀。兩種氮肥水平下，CO2濃度升高降低了水稻各生育時期0-15 cm土層pH值，使其比對照平均降低了3.3％，其中，使0-1 cm、1-5 cm、5-15 cm土層pH值分別比對照平均降低了5.1％、3

9、.4％、1.2％。隨土壤深度的增加，CO2濃度升高對土壤pH值的降低效應(yīng)減小且土壤pH值逐漸升高。此外，不同氮肥水平下，CO2濃度升高提高了水稻各生育時期0-15 cm土層陽離子交換量，使其比對照平均提高了15.0％，其中，使0-1 cm、1-5 cm、5-15 cm土層陽離子交換量分別比對照平均提高了19.4％、19.3％、16.5％。同CO2濃度升高對土壤pH值效應(yīng)類似，隨土壤深度的增加，這種提高效應(yīng)減小且土壤陽離子交換量逐漸減小。

10、五年高濃度CO2處理還使不同氮肥水平下稻田0-15 cm、15-30 cm、30-50 cm土層的15N自然豐度比對照平均降低了19.3％(P<0.05)、11.7％(P<0.05)、7.0％。⑺在降低稻田土壤pH值的同時，CO2濃度升高還降低了田面水pH值，使其比對照兩年平均降低了2.3％，其中，2007年平均降低了2.5％；2008年平均降低了2.2％。CO2濃度升高還提高了不同氮肥水平下田面水中的微生物活性。兩種氮肥水平下，CO2

11、濃度升高使田面水中的微生物活性兩年平均比對照提高了12.9％，其中，2007年提高了9.3％；2008年提高了16.4％。同時，CO2濃度升高還提高了兩種氮肥水平下田面水中的微生物數(shù)量，使其在2007年比對照平均增加了25.4％(P<0.05)。⑻除可提高田面水中可溶性氮(Dissolved Nitrogen，DN，即生物有效態(tài)氮)含量外，大氣CO2濃度升高還提高了田面水中可溶性有機碳(Dissolved Organic Carbon，

12、DOC)含量，使其在兩種氮肥水平下兩年平均比對照提高了18.0％，其中，2007年提高了28.8％，2008年提高了7.6％。同時，CO2濃度升高提高了不同氮肥水平下水稻各生育時期0-15 cm土層中DOC含量，使其在2008年比對照平均提高了18.5％。0-15 cm土層中DOC和DN含量均隨水稻生育進程和土層深度的增加而降低。此外，DOC和DN在0-15 cm土層中的含量顯著高于其在田面水中的含量(P<0.05)。⑼大氣CO2濃度升

13、高提高了稻田碳氮庫容量。2008年，兩種氮肥水平下，CO2濃度升高使水稻各生育時期田面水中總有機碳(Total Organic Carbon，TOC)和總氮(Total Nitrogen，TN)含量分別比對照平均提高了7.6％和9.9％。兩種氮肥水平下，在FACE系統(tǒng)運行5年后，CO2濃度升高使TOC和TN在0-15 cm土層中含量分別平均提高了12.5％和15.5%(P<0.05)；在15-30 cm土層中提高了22.7％和26.0%

14、(P<0.05)；在30-50 cm土層中提高了34.5％和35.1％。CO2濃度升高還影響了稻田碳氮比，兩種氮肥水平下，使水稻成熟期地上部、葉、莖、穗中碳氮比分別平均提高了9.5％、13.1％、16.5％、5.6％；使水稻各生育時期田面水中的碳氮比平均降低了6.7％；使0-15 cm、15-30 cm、30-50 cm土壤中的碳氮比平均降低了6.5％、10.1％、4.4％；但卻使水稻各生育時期0-15 cm土層中DOC/DN平均提高了

15、43.7％。
　　 本研究表明：①大氣CO2濃度升高通過顯著促進水稻生長，來促使其對礦質(zhì)元素的吸收，從而提高其成熟期生物量及礦質(zhì)元素含量和累積量，加速了礦質(zhì)元素從土壤中向植物體中的遷移。②大氣CO2濃度升高可提高主要礦質(zhì)元素在稻田土壤中的生物有效態(tài)含量，同時降低土壤pH值，提高土壤陽離子交換量。CO2濃度升高通過提升植物光合作用，作用于根系-土壤生物學(xué)過程，顯著增加由根系、微生物、有機質(zhì)所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，造成土壤酸化，從而降低土

16、壤pH值，促進土壤中礦質(zhì)元素從非生物有效態(tài)向生物有效態(tài)的轉(zhuǎn)化，從而提高土壤中礦質(zhì)元素生物有效態(tài)含量和土壤陽離子交換量。③大氣CO2濃度升高可提高主要礦質(zhì)元素在田面水中的生物有效態(tài)含量。CO2濃度升高導(dǎo)致的土壤和田面水pH值下降將會直接促使土壤中礦質(zhì)元素溶解于田面水中而增加其中的礦質(zhì)元素生物有效態(tài)含量。同時，土壤礦質(zhì)元素生物有效態(tài)含量上升將擴大礦質(zhì)元素在土壤溶液中和田面水中的濃度差，進而加速其向田面水中擴散，進一步增加田面水中礦質(zhì)元素生物

17、有效態(tài)含量。④大氣CO2濃度升高可提高稻田土壤中DOC含量并降低了DN含量。DOC含量的增加主要源于根系分泌物和土壤有機質(zhì)分解產(chǎn)物的增加。DN含量的減少則主要是由于CO2濃度升高加速了植株和土壤微生物的生長，增加了其需氮量，從而將土壤中更多的DN固定到植株和微生物的生物量中。同時，CO2濃度升高還提高了田面水DOC和DN含量，這主要是因為，土壤中DOC的增加加速了其向水土界面和田面水中的擴散，為其中的微生物提供了更多的碳源，從而提升了微