光合碳和外源氮在“水稻-土壤”系统的分配及其对水分的响应

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为探究光合碳和外源氮在“水稻-土壤”系统中的分配及其对水分的响应,本研究运用13C、15N稳定同位素双标记技术,量化研究光合新碳(13C)与外源添加氮(15N)在“水稻-土壤”系统各部分的分配与耦合机制,使用13C-CO2对室内密闭培养的水稻进行连续标记,在2个施氮水平(不施氮记为N0,施加250 mg N kg-1(NH4)2SO4记为N250)下研究氮素对“水稻-土壤”系统碳氮分配的动态影响;同时设置2种水分管理条件(持续淹水、干湿交替),以探讨该系统对碳氮循环关键影响因子—水分的响应,并进一步探析水氮互作对稻田土壤各粒径组分碳氮分配的影响。以期为深入解析稻田光合碳分配,提高稻田氮肥与水分的综合利用效率提供理论依据和数据支持。主要结果如下:  (1)施氮显著提高了水稻地上部干物质量;施氮处理较不施氮处理水稻地上部干物质重在持续淹水条件下增加0.90 g·pot-1(14d)、0.87 g·pot-1(22d),在干湿交替条件下增加0.40 g·pot-1(14d)、1.51g·pot-1(22d)。干湿交替能促进水稻根系生长,增加水稻根系13C量和分配比例;标记22d后,不施氮条件下,干湿交替与持续淹水处理相比,根系13C量增加1.9 mg·pot-1;干湿交替比持续淹水根系的分配比例升高24%-57%。施氮和干湿交替均能显著增加光合碳在根际土壤中的积累量与回收率;施氮处理根际土13C量(3.4-7.1 mg·pot-1)显著大于不施氮处理(1.4-3.0 mg·pot-1);标记22d后,干湿交替光合碳在根际土中的分配比例是持续淹水的2.2倍。  (2)施氮可增加稻田土壤中大团聚体所占比例,并减缓土壤原有机碳的分解;标记14d后的施氮处理根际土(>250μm)团聚体的质量百分数可高出不施氮处理50%;两采样期,施氮均显著提高了各粒级团聚体SOC含量。干湿交替比持续淹水更有利于土壤团聚体对新鲜根系沉积物的固定;施氮条件下,干湿交替处理根际土>250μm团聚体13C-SOC分配比例比持续淹水处理高80%(14d)、70%(22d)。施加氮肥后,适当的干湿交替有助于稻田土壤细颗粒组分(250-53μm、<53μm)的形成与稳定。  (3)氮素在“水稻-土壤”系统的分配受水分的强烈影响,在氮素充足的条件下,干湿交替较持续淹水更利于水稻对氮素的吸收;标记22d后,干湿交替较持续淹水极显著增加了施氮条件下水稻地上部的TN量,增加幅度为33%;同时,水稻地上部、根系15N分配量分别增加了294%、554%。因此,施加氮肥的同时配合适当的干湿交替管理,是促进水稻生长更为高效的稻田水肥管理方式。  (4)细颗粒组分(250-53μm、<53μm)是土壤原有氮与外源新氮的主要载体;各处理下土壤TN量及15N分配量和比例均主要集中在250-53μm粒级、<53μm粒级团聚体中。干湿交替较持续淹水更有利于根际土大团聚体(>250μm)对15N的富集;干湿交替处理下,标记14d的根际土>250μm粒级团聚体15N-TN量较持续淹水处理增加0.17mg· pot-1。
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