2021, Vol. 58
2. 中国农业大学资源与环境学院, 农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室, 北京 100193;
3. 北京大学生态研究中心, 城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京 100871
2. Beijing Key Laboratory of Farmland Soil Pollution Prevention and Remediation, College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
3. Institute of Ecology, College of Urban and Environmental Sciences, and Key Laboratory for Earth Surface Processes of the Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China
在石灰性土壤上，以往研究认为土壤无机碳（soil inorganic carbon，SIC）比较稳定，土壤CO2释放仅来自土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）分解，较少考虑无机碳酸盐溶解对土壤CO2释放的贡献，尤其随着氮肥的高投入施用，导致酸化作用，加剧SIC的溶解[1-3]。孟延等[1]通过土壤培养试验发现，在整个培养期内的SIC释放比例高达1/2以上，并且施用氮肥加剧土壤无机碳的释放。在华北平原农田石灰性土壤上，SIC含量较高（5~10 C g·kg–1），几乎与SOC含量接近，对于土壤碳释放有重大影响[4-5]，而此前对该地区SIC分解研究较少，有必要分析该区域SIC溶解对土壤CO2释放的贡献。
考虑到土壤SOC库太大，短期内SOC矿化量相对土壤原有SOC含量而言太小，不能通过直接测定SOC含量的变化来研究SOC的短期周转，而是利用测定土壤CO2排放量来量化SOC的矿化程度[6]。然而，大部分土壤覆盖植被，其根源呼吸（根系呼吸和根系沉积物的分解）对土壤CO2排放也有一定的贡献，因此种植植物的土壤CO2排放包括根源呼吸和土壤微生物呼吸[7]。在富含碳酸盐的石灰性土壤上，土壤本身碳的释放不仅包括SOC矿化，还包括无机碳酸盐溶解和分解，导致有植物土壤的CO2释放源达到三个，即根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解。在石灰性土壤上，区分与量化根际土壤CO2组分已成为全球变化生态学研究的难点，目前还缺乏系统研究[8-9]。这是由于根据同位素线性混合模型，n个同位素，仅适用于区分与量化n+1个源的贡献比例[10]。对于源头数量超过n+1个的研究情形，IsoSource模型可以计算潜在的贡献比例[11]。如Plestenjak等[12]基于大气CO2、SOC与SIC源之间的δ13C值差异，利用IsoSource模型三源区分石灰性土壤CO2的排放，定量SOC、SIC和大气CO2来源的贡献比例。
本研究以华北地区农田石灰性土壤CO2释放为研究对象，采用玉米盆栽试验，利用根系碳、土壤有机碳与无机碳之间的δ13C差异，基于13C同位素质量守恒原理，采用IsoSource模型分析13C自然丰度、三源区分土壤CO2的组分特征，进而量化根源呼吸、SOC分解和SIC溶解和分解对土壤CO2释放的贡献率，明确玉米根际效应对石灰性土壤无机碳与有机碳释放的影响，以期为华北平原农田土壤温室气体减排与土壤肥力提升提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 夏玉米种植试验于中国农业大学西校区温室进行。所选PVC盆大小为直径20 cm×高度35 cm。供试土壤取自中国农业大学曲周试验站农田表层土壤（0~20 cm），SOC和SIC的δ13C值分别为−22.2‰和−3.4‰。供试土壤为始成土，具有粉质壤土结构（砂粒62%，粉粒28%，黏粒10%），相关土壤参数为：SOC和SIC含量分别为7.6 g·kg–1和7.8 g·kg–1，全氮为0.66 g·kg–1，土壤pH为7.7（水土比为2.5︰1），速效钾为118 mg·kg–1，速效磷为15.9 mg·kg–1。土壤风干后，磨碎、挑根、再过5 mm筛。每盆装风干土9.5 kg，盆内土层深度约27 cm。两粒玉米种子（Zea mays L.，纪元1号）直接播于盆内，风干土按N 0.55、P 0.19、K 0.31 g·kg–1土壤比例预拌肥料（相当于耕层的田间肥料施用量），作为底肥一次性施入。玉米种子播种前放在清水中浸泡12 h，然后再浅埋入土壤中。幼苗生长至三叶期时，每盆留1株。用称重法控制土壤水分，根据玉米不同生育期对水分的需求特点，分别在苗期（播种后0~24 d）、拔节期（24~53 d）、抽穗期（54~66 d）和灌浆期（67~99 d）四个阶段，调整土壤含水量为田间持水量（0.31 g·g–1）的60%、70%~75%、75%~80%和70%~75%。在夏玉米生长期间，根据病虫害情况，喷洒必要的农药。
1.2 土壤CO2释放的取样和测定从玉米播种后第24天开始，用中性硅酮胶对隔板和PVC盆的接合处密封，此外，在茎与隔板的间隙涂上真空绝缘硅树脂（图 1）。每3 d更换1次3.5 mol·L–1 的NaOH溶液，定期采用空气泵在土壤与隔板间注入一定量无CO2的空气（图 2），为玉米地下部提供氧气。同时收集3个未种植物土壤的CO2释放。以酚酞作指示剂，用稀盐酸滴定土壤CO2的NaOH溶液中未反应的NaOH，根据稀盐酸和NaOH的体积、浓度，计算土壤CO2释放量。将过量BaCl2溶液加入到土壤CO2的NaOH溶液中，形成BaCO3沉淀，将BaCO3沉淀60 ℃下烘干至恒重，用DELTAplus XP型质谱仪分析种植和未种植玉米土壤CO2的δ13C值。
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图 1 种植与未种植植物土壤的CO2吸收装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of CO2 absorption device in planted and unplanted soils |
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图 2 注入无CO2空气装置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the CO2-free air injection device |
分别在玉米出苗后第56、84和99天时，破坏性取样，从玉米基部剪断植株，将盆中土壤反复过2 mm筛，挑出根系，进行烘干和研磨，过0.15 mm筛，用作根系δ13C值的测定。取约20 g土壤置于白色板上，挑去残留细根，然后，在土壤中加入3 mol·L–1的HCl溶液50 mL，用于去除土壤中的碳酸盐。充分搅拌均匀并静止2 d后，放入离心机中以3 000 r·min–1的转速离心3 min，将上清液倒掉，重复此过程，用pH试纸检测上清液的pH，洗至中性为止，并将酸化前的上清液倒回烧杯中，在60℃条件下烘干、研磨、过0.15 mm筛，用DELTAplus XP型质谱仪测定SOC-δ13C值。SIC-δ13C值测定：在70℃，通过在真空系统中将土壤样品与100%的H3PO4反应3 h，生成CO2-δ13C值用DELTAplus XP型质谱仪分析。碳同位素采用PDB（Peedee Belemnite）标准。
1.4 数据分析（1）无植物条件下两源区分CO2组分。石灰性土壤CO2排放主要来源于SOC分解和SIC溶解，本研究SOC-δ13C值偏负（–22.2‰），SIC-δ13C值偏正（–3.4‰），基于同位素平衡原理，利用线性方程两源区分CO2组分：
| $1 = {f_{{\rm{SIC}}}} + {f_{{\rm{SOC}}}}$ | (1) |
| ${\delta _{\rm{t}}} = {\delta _{{\rm{SIC}}}}{f_{{\rm{SIC}}}} + {\delta _{{\rm{SOC}}}}{f_{{\rm{SOC}}}}$ | (2) |
式中，fSOC和fSIC分别代表SOC和SIC释放碳量占土壤CO2组分的比值（未知量）；δt、δSOC和δSIC分别代表土壤CO2、SOC和SIC的δ13C值（已知量）。
（2）区分玉米土壤CO2排放的三个来源。在石灰性土壤上，玉米土壤的CO2释放来源于SOC分解、SIC溶解和根源呼吸。根据根系碳、SOC与SIC之间的δ13C差异（分别为–14.1‰、–3.4‰和–22.2‰），对上面的方程组进一步扩展至三种来源的土壤CO2排放[12]：
| $1 = {f_{{\rm{SIC}}}} + {f_{{\rm{SOC}}}} + {f_{\operatorname{Root} }}$ | (3) |
| ${\delta _{\rm{t}}} = {\delta _{{\rm{SIC}}}}{f_{{\rm{SIC}}}} + {\delta _{{\rm{SOC}}}}{f_{{\rm{SOC}}}} + {\delta _{{\rm{Root}}}}{f_{{\rm{Root}}}}$ | (4) |
式中，fSOC、fSIC和fRoot分别代表来源SOC、SIC和根源呼吸的CO2量占土壤CO2组分的比值（未知量）；δt、δSOC、δSIC和δRoot分别代表土壤CO2、SOC、SIC和根系的δ13C值（已知量）。这个由两个方程和三个未知数组成的不确定方程系统，通过IsoSource软件计算求解，三源区分土壤CO2组分[11]。
（3）根际效应。利用式（1）和式（2）区分和量化玉米根际SOC释放CO2-C量，同时减去未种植植物的SOC释放的CO2-C量，即可得出净增加的CO2-C量[13-14]：
| $P{E_{{\rm{SOC}}}}(\% ) = \frac{{\left( {C_{{\rm{SOC}}}^{{\rm{Planted}}} - C_{{\rm{SOC}}}^{{\rm{Unplanted}}}} \right)}}{{C_{{\rm{SOC}}}^{{\rm{Unplanted}}}}} \times 100$ | (5) |
式中，PESOC（%）代表SOC的根际效应，CSOCPlanted代表玉米根际土壤中SOC释放的CO2-C量，CSOCUnplanted为未种植植物对照土壤中SOC释放的CO2-C量。
根源呼吸增加土壤CO2的分压、以及根系分泌质子和有机酸，可能加剧碳酸盐的溶解：
| $P{E_{{\rm{SIC}}}}(\% ) = \frac{{\left( {C_{{\rm{SIC}}}^{{\rm{Planted}}} - C_{{\rm{SIC}}}^{{\rm{Unplanted}}}} \right)}}{{C_{{\rm{SIC}}}^{{\rm{Unplanted}}}}} \times 100$ | (6) |
式中，PESIC（%）代表对SIC溶解的根际效应，CSICPlanted为代表玉米根际土壤中SIC释放的CO2-C量，CSICUnplanted为未种种植植物对照土壤中SIC释放的CO2-C量。
采用Excel 2013软件作图。方差分析采用SPSS 17.0软件计算。同一组分不同生育期的生物量、根系占植株干重的比值、土壤CO2的累计排放量和根际效应之间的显著性差异分析比较采用最小显著差异法（least significant difference，LSD；P < 0.05水平）。
2 结果 2.1 不同生育期夏玉米的生物量随着玉米的生长，从拔节期至抽穗期，地上部与整个植株的生物量干重呈显著增加趋势，然后保持稳定（图 3a），根系干重在拔节期达到最大，然后保持不变。夏玉米的根系干重占植株总重的比值随生育期的增长而显著降低，由拔节期的0.27降低至灌浆期的0.16，降低幅度达41%（图 3b）。
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注：不同小写字母表示同一组分不同生育期间的差异显著（P < 0.05），下同。 Note: Different lowercase letters indicate significant difference between growth stages at P < 0.05 level, the same below. 图 3 玉米各生育期的生物量和根系占植株总重的比值（平均值±标准差，n=3） Fig. 3 Biomass and root/total plant in weight(mean±SD, n=3)relative to growing stage of maize |
从玉米播种后第24天开始，直至生育期末（播种后第99天），每隔3 d测定一次土壤CO2排放。对于未种植植物的土壤而言，土壤CO2的排放速率自始至终保持在0.08~0.11 C g·pot–1·d–1，变化范围较小；而对于种植玉米的土壤而言，土壤CO2的排放速率由播种后第24天的0.30 C g·pot–1·d–1，增加至第44天的0.44 C g·pot–1·d–1，第44~56天在0.40~0.44 C g·pot–1·d–1内波动，从第60~99天，土壤CO2排放速率持续下降，下降幅度为46%（图 4）。
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图 4 土壤CO2排放速率的动态变化（平均值±标准差，n=3） Fig. 4 Dynamics of soil CO2 emission rate(mean±SD, n=3) |
从玉米播种后第24~99天期间，种植和未种植玉米土壤CO2-δ13C值的变化范围分别在–15.3~–13.7和–17.7~–16.5之间（图 5a）。玉米土壤CO2排放分别来源于根源呼吸、SOC分解和SIC溶解释放。IsoSource软件计算表明，土壤CO2组分来源以根源呼吸贡献为主，平均贡献率为43.5%~50.3%，其次来源于SOC分解（26.7%~38.1%），最小源于SIC溶解（18.4%~25.1%；图 5b）。
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图 5 土壤CO2的δ13C值和不同碳源的平均贡献率 Fig. 5 δ13C of soil CO2 and average contributions to soil CO2 emission relative to C source |
土壤CO2各组分的累计释放量在玉米拔节期最大，灌浆期最小（表 1）。在玉米各生育期，根源呼吸的累计量对土壤CO2排放的贡献率最大（46.7%~48.4%），其次为来源于SOC的分解（29.9%~33.7%），最小源于SIC的释放贡献（19.6%~21.8%）。自拔节期至生育期末，根源呼吸、SOC分解与SIC溶解的累计碳释放量对土壤CO2的贡献率分别为48.0%，31.2%和20.8%（表 1）。
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表 1 不同来源土壤CO2的累计排放量和贡献比例（平均值±标准差，n=3） Table 1 Cumulative emission of CO2 and contribution rate(mean±SD, n=3)to soil CO2 relative to source |
在种植玉米的情况下，从土壤CO2中减去根源呼吸，即得到土壤原有碳（SIC+SOC）释放的CO2-C量，将其与未种植植物土壤CO2-C量作差减，便可计算得到玉米的根际效应。自拔节至生育期末，根际效应对土壤碳的释放呈正效应，导致土壤多释放6.3 C g·pot–1（图 6）。
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图 6 玉米各生育期的根际呼吸与土壤碳释放的CO2量（平均值±标准差，n=3） Fig. 6 Cumulative amounts(mean±SD, n=3)of root and soil-derived CO2 relative to growth stage of maize |
自拔节至收获，玉米根际正激发效应增加土壤本身碳释放程度近90%，相当于土壤碳释放当量为0.66 C g·pot–1，根际效应对土壤总碳释放的促进程度在拔节期最大（140.2%），灌浆期最小（61.0%；图 7a和图 7b）。玉米根际效应对石灰性土壤碳释放的影响，可以进一步区分为SOC和SIC释放的影响，从拔节期至生育期末，对SOC与SIC的激发碳量分别为3.1 C g·pot–1和3.2 C g·pot–1（图 7c和图 7e），对应的SOC和SIC的正激发效应程度为65%和156%（图 7d和图 7f）。
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注：STC代表土壤总碳，下同。 Note: STC represents total soil carbon, the same below. 图 7 玉米根际效应对STC、SOC和SIC释放绝对值和相对值的影响（平均值±标准差，n=3） Fig. 7 Absolute and relative values of maize rhizosphere effects(mean±SD, n=3)on release of STC, SOC and SIC |
在富含碳酸盐的石灰性土壤上，以往研究认为SIC比较稳定，土壤CO2释放仅来自SOC分解，较少考虑碳酸盐溶解对土壤CO2释放的贡献[1-2]。然而，关于SIC溶解对土壤CO2释放贡献的影响，近10年来国内外已有一些相关研究，室内培养或者田间原位条件下的研究结果发现，约有13%~85%的CO2来自碳酸盐的溶解[15-18]，平均贡献比例为43%，与本研究结果接近：自玉米拔节至生育期末，土壤源CO2释放有40%来自SIC（表 2）。因此，SIC在稳定全球碳库和调节CO2浓度方面，与SOC同样具有重要作用。若忽视碳酸盐溶解对土壤CO2释放的贡献，则导致不能准确量化SOC的矿化。
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表 2 碳酸盐土壤中SIC释放对土壤CO2贡献的比较 Table 2 Comparison of CO2 release from SIC to soil CO2 emission in carbonate soils |
根据同位素质量守恒模型，用两个方程去解三个碳源的贡献率（未知数）非常困难。本研究借助IsoSource软件，可以计算土壤CO2中源自三个碳源的相对贡献率的可能范围及其平均值[11-12]。然而，IsoSource软件未考虑稳定同位素值及分馏因子等的变异和不确定性，模型的容差参数（tolerance）的调整会带来贡献范围较大变化[11]。本研究采用是不同碳源对土壤CO2的平均贡献率.从拆分来看，SIC释放占据土壤本身碳（SIC+SOC）释放的比例为40%，无机碳释放贡献较预想的要大，但与关于SIC释放对土壤CO2贡献的13篇文章整合结果近似：无机碳释放贡献的95%置信区间为27%~57%（表 2）。基于利用n个同位素种类，可精确计算n+1个源的贡献原理，今后研究可以考虑利用14C连续标记植物与13C自然丰度结合来精确三源区分根际土壤CO2组分的贡献（根源呼吸、SIC与SOC释放）：首先量化土壤CO2-14CO2，为根源呼吸释放；其次定量土壤CO2-13CO2，源于SOC和SIC的释放，根据13C同位素质量守恒，可以计算SOC和SIC的贡献率。此外，氮肥对石灰性土壤无机碳释放的影响很大，较以前认为的更为重要，例如Zamanian等[3]发现施肥提高了土壤碳酸盐溶解与释放CO2，每施1 kg N导致0.21 kg C的SIC释放。然而，在华北地区大量氮肥施用引起的土壤酸化是否会导致土壤无机碳的释放？目前尚少见报道。所以，今后有必要深入研究该区域氮肥对土壤无机碳释放的影响。
3.2 根源呼吸对土壤CO2释放的贡献在石灰性土壤上，本研究首次利用13C自然丰度法，通过IsoSource软件区分三源根际土壤CO2组分，发现在整个玉米旺盛生长期（拔节期~生育期末），源于根源呼吸比例约为50%（表 1）。这与何敏毅[27]在盆栽玉米上利用13C脉冲标记法定量结果近似，根源呼吸占土壤CO2的比例为52%。Kuzyakov和Cheng[28]也发现利用14C脉冲标记法与13C自然丰度法量化根源呼吸碳量，得到的结果是一致的。在玉米盆栽条件下，杨兰芳和蔡祖聪[29]以及李建敏等[30]通过非同位素法（分根箱法和根去除法）发现，从拔节期至生育期末，玉米根源呼吸占土壤CO2的比值在65%以上，远高于本研究的结果。这可能是由于SOC释放量相对要少导致的：以上两个试验用土量较少，是本研究的1/2~2/3，以及未考虑根际效应的影响。因此，不同试验条件和区分方法导致测定的根源呼吸/土壤CO2的比值差异较大，不利于各研究结果之间的比较和整合分析。例如，在田间条件下，蔡艳等[31]利用根去除法测得的玉米全生育根源呼吸对土壤CO2的平均贡献率为46%，与本研究接近，而Kumar等[32]在田间条件下，利用13C自然丰度法区分玉米土壤CO2组分，发现源于根源呼吸的比例为25%，是本研究结果的1/2。
3.3 根际效应对土壤碳释放的影响玉米的正根际效应促进了土壤原有碳的释放，在玉米整个旺盛生长期，增加程度约为90%。这略高于何敏毅[27]在盆栽玉米上利用13C脉冲标记法的结果（80%），可能由于何敏毅[27]未考虑根际效应对SIC溶解的促进作用。在本研究中，玉米的产生正根际效应促进SOC的分解，是由于玉米根际沉积物可以为根际微生物提供大量活性碳源，增加微生物数量和活性，促进微生物胞外酶的分泌和活性[14]。在玉米不同生育时期，根际效应程度是不同的，可能是由于各生育期的根际沉积物的组成和分泌量不同，导致对根际微生物的影响产生差异[27, 33]。
本研究还发现，根际效应不仅影响SOC的分解，也加剧SIC的溶解，这是由于石灰性土壤中存在着CO2-HCO3-CaCO3平衡（碳酸途径），主要受土壤中CO2分压、pH和水分控制[3, 5, 9, 34]：
| $ \text{CaC}{{\text{O}}_{3}}+{{\text{H}}_{2}}\text{O}+\text{C}{{\text{O}}_{2}}\fallingdotseq 2\text{HCO}_{3}^{-}+\text{C}{{\text{a}}^{2+}} $ | (7) |
根源呼吸增加土壤中CO2分压。在本研究，玉米土壤CO2释放来源于根源呼吸比例约为50%，导致式（7）平衡向右进行，促进碳酸盐的溶解[3, 5, 9]。此外，根系也可能分泌质子和有机酸[35]，加剧碳酸盐的溶解。说明在根际环境中，石灰性土壤无机碳释放对调节CO2浓度方面是不可忽视的，在本研究，根际效应对SIC溶解和分解的影响高达156%。
4 结论在整个玉米旺盛生长期（自拔节期至生育期末），土壤CO2释放来源于根系、土壤有机碳与无机碳的比值分别为5︰3︰2。因此，在富含碳酸盐的石灰性土壤上，若忽视SIC溶解对土壤CO2释放的贡献，则导致对SOC矿化量的高估。玉米自拔节至收获，由于正根际效应，使得土壤原有碳的释放增加了近90%，相当于土壤碳释放当量为0.66 C g·kg–1。由于根际效应导致SOC与SIC的净增加释放量相当，进一步说明根际效应对石灰性土壤无机碳释放的影响不可忽视。
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