孫昭安，朱彪，張譯文，李夢雨，孟凡喬

（1.濰坊學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院/山東省高校生物化學(xué)與分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 濰坊 261061；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100193；3.北京大學(xué)生態(tài)研究中心/城市與環(huán)境學(xué)院/地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100871；4.山東省招遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 招遠(yuǎn) 265499）

農(nóng)田土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）的主要來源是作物源碳（>99%），作物光合碳對SOC 的貢獻(xiàn)包括兩個部分：一是作物殘體碳（秸稈和根系）的輸入，二是植物生長過程中以根際沉積物形式對SOC的貢獻(xiàn)[1?3]。作物殘體對SOC 的貢獻(xiàn)已經(jīng)得到了充分的研究，例如HAN 等[4]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，在過去30 a，華北平原農(nóng)藝管理水平的提高導(dǎo)致農(nóng)田0~20 cm 和20~40 cm 土層SOC 儲量分別提高了73%和56%。由于SOC背景值太大，農(nóng)作物當(dāng)季的根際沉積碳部分相對很小，因此不能使用傳統(tǒng)洗根法來定量作物生長對土壤碳輸入的貢獻(xiàn)[1，5]。孫昭安等[6]發(fā)現(xiàn)如果利用傳統(tǒng)洗根法，無法定量冬小麥根際沉積對SOC 的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致冬小麥季向土壤的光合碳凈輸入量被低估58%。這是由于根際沉積物碳含量遠(yuǎn)低于土壤背景碳含量，而傳統(tǒng)洗根法無法區(qū)分土壤中的“植物新碳”和“土壤老碳”，導(dǎo)致目前關(guān)于小麥和玉米生長對農(nóng)田土壤碳輸入的量化仍然比較模糊[7?10]。

農(nóng)田SOC 含量背景值太大，而SOC 短期變化相對較小，很難直接通過差值法來量化SOC 的短期改變，而是間接通過區(qū)分土壤內(nèi)源SOC分解和外源碳輸入來量化[11]。根際土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)源有兩個，分別為根源呼吸（活根呼吸+微生物以根際沉積物為底物的呼吸）和SOC 分解，兩源區(qū)分是量化土壤碳輸出和碳平衡的前提[1?2]。研究SOC 分解輸出的傳統(tǒng)方法包括成分綜合法、根去除法和生物量外推法等，這些區(qū)分方法對土壤干擾大[12]。非同位素方法（例如根去除法）雖然可以區(qū)分根源呼吸和SOC分解對土壤釋放CO2的貢獻(xiàn)，但是忽略了作物根系生長對SOC 分解的根際激發(fā)效應(yīng)，這可能導(dǎo)致對土壤本身碳輸出評估的不準(zhǔn)確[13]。

借助13C/14C 標(biāo)記和13C 自然豐度方法不僅可以精確區(qū)分土壤CO2釋放中源于根系和土壤的部分，還可以量化根際沉積對SOC 形成的貢獻(xiàn)，進(jìn)而定量分析SOC 的輸入、輸出和收支平衡[1?2，14]。目前廣泛應(yīng)用于量化植物地下部碳輸入的主要有4 種碳同位素方法（表 1）：13C/14C 連續(xù)標(biāo)記法[15?16]、13C/14C 單次脈沖標(biāo)記法[7?8]、13C/14C 重 復(fù) 脈 沖 標(biāo) 記 法[17?18]和13C 自 然 豐 度法[19?20]。在以上區(qū)分方法中，最精準(zhǔn)的是植物地上部13C/14C 連續(xù)標(biāo)記法，它可以克服13C 自然豐度方法中同位素分餾效應(yīng)的干擾，也不需要特定的C3/C4植物和土壤條件，光合固定的13C/14C 在植物?土壤系統(tǒng)中的分配等于總光合碳的分配，可以準(zhǔn)確量化植物輸入到地下部各個組分的碳量[15?16]。然而，14C材料有一定輻射危害，受到高度監(jiān)管，僅限于室內(nèi)實(shí)驗[8]。在諸多碳同位素中，13C 不需要安全防護(hù)，且13C 與12C 的性質(zhì)差異，比14C 與12C 要小，因而13C 被視為更可靠的示蹤物[21]。與連續(xù)標(biāo)記法相比，脈沖標(biāo)記比較容易掌握，設(shè)備要求簡單、費(fèi)用低，能夠提供植物各生育時期光合碳的分配信息[1，8，14]。雖然一次脈沖標(biāo)記得到的碳同位素分配信息不能代表植物整個生育期，但只要在植物生育期內(nèi)進(jìn)行一系列標(biāo)記，就可以合理地估計植物輸入地下各組分的碳量[1，8，14]。國內(nèi)外研究者在小麥和玉米碳同位素脈沖標(biāo)記研究方面獲得了很多數(shù)據(jù)，但由于標(biāo)記方法和實(shí)驗條件不同，所獲得的實(shí)驗結(jié)果有很大差異，且可比性差，亟需進(jìn)行整合分析。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用中國知網(wǎng)檢索關(guān)鍵詞“13C/14C”和“小麥/玉米”、“根際呼吸”和“小麥/玉米”，利用 Web of Science數(shù)據(jù)庫檢索關(guān)鍵詞“13C/14C”和“Wheat/Maize”、“Rhizo?sphere respiration”和“Wheat/Maize”，查閱了1980年至2020年間全球小麥和玉米的13C/14C示蹤相關(guān)的文獻(xiàn)，通過以下4 個標(biāo)準(zhǔn)對收集后的文獻(xiàn)進(jìn)行再次篩選：小麥和玉米的13C/14C光合碳分配要基于植物?土壤?CO2整個系統(tǒng)的分配；小麥和玉米生長向土壤碳輸入的量化要覆蓋整個生育期；根源和土壤源呼吸劃分基于同位素法與非同位素法；根際激發(fā)效應(yīng)量化是基于相對量。按照以上標(biāo)準(zhǔn)，分別篩選出38 篇小麥和33 篇玉米13C/14C 示蹤的文獻(xiàn)，其中10 篇小麥和11 篇玉米13C/14C 示蹤的文獻(xiàn)用于核算光合碳在作物?土壤?CO2整個系統(tǒng)的去向（附表1，實(shí)驗樣本數(shù)分別為29個和12個，掃描文章首頁OSID碼瀏覽）；11篇小麥和14篇玉米13C/14C 示蹤的文獻(xiàn)用于定量作物光合碳向土壤的輸入量（附表2，實(shí)驗樣本數(shù)分別為23 個和20個，掃描文章首頁OSID 碼瀏覽）；19篇小麥和14篇玉米根際土壤CO2釋放區(qū)分的文獻(xiàn)用于量化根源和土壤源呼吸的比例（附表3，實(shí)驗樣本數(shù)分別為42 個和34個，掃描文章首頁OSID碼瀏覽）；8篇小麥和5篇玉米根際激發(fā)效應(yīng)文獻(xiàn)（附表4，實(shí)驗樣本數(shù)分別為20個和9個，掃描文章首頁OSID碼瀏覽）。

表1 碳同位素區(qū)分土壤CO2和SOC來源的方法比較Table 1 Comparison of the methods for partitioning soil CO2 emission and SOC sources

1.2 數(shù)據(jù)分類方法

遵循如下思路，對小麥和玉米的13C/14C 示蹤研究數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理：作物光合碳去向分為地上部、根系、土壤和土壤CO2釋放4 個部分（圖1）；作物生長向地下部的凈光合碳輸入分為根系和根際沉積碳（圖2）；分別基于同位素法與非同位素法（圖3）、盆栽與田間實(shí)驗（圖4）來整理根源呼吸和土壤碳分解兩個組分的比例及作物生長對SOC 分解的根際激發(fā)效應(yīng)程度（圖5）。

1.3 光合碳分配、土壤碳輸入和根際激發(fā)效應(yīng)的計算

1.3.1 光合碳分配

作物凈固定的13C/14C 量為植物、土壤和土壤呼吸中13C/14C 之和，各個碳庫的13C/14C 在作物?土壤?CO2整個系統(tǒng)中的分配比例為（以13C標(biāo)記為例）：

式中：13Ai為各個碳庫的13C 量占凈吸收13C 量的百分比值，%。

1.3.2 土壤碳輸入

小麥和玉米光合碳轉(zhuǎn)運(yùn)到地下各組分，一部分光合碳通過根源呼吸返回到大氣中，剩余的光合碳（根系和根際沉積碳）為土壤凈輸入光合碳量：

式中：C土壤凈輸入、C根系和C根際沉積碳分別為分配到地下部、根系和根際沉積碳庫的碳量，kg·hm?2。

1.3.3 根際激發(fā)效應(yīng)

式中：D為根際激發(fā)效應(yīng)程度，%；CSOC?種植物和CSOC?不種植物分別為種植和不種植植物土壤的SOC釋放量。

1.4 統(tǒng)計方法

采用Excel 2013 軟件完成數(shù)據(jù)整理和作圖，包括計算小麥和玉米光合碳在植物?土壤系統(tǒng)中的分配、向地下的凈輸入、根源呼吸占土壤總呼吸的比例以及根際激發(fā)效應(yīng)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥和玉米生長對土壤碳輸入的貢獻(xiàn)

2.1.1 小麥和玉米光合碳在作物?土壤系統(tǒng)中的分配

小麥和玉米光合碳絕大數(shù)保留在地上部（分配比例均值分別為73.1%和68.4%，95%的置信區(qū)間分別為63.1%~83.0%和63.4%~73.3%；圖1），約1/3的光合碳轉(zhuǎn)移到地下部（均值分別為27%和32%），這部分光合碳用于根系建成的比例最高（均值分別為12.5%和16.0%，95% 的 置 信 區(qū) 間 分 別 為 5.8%~19.2% 和11.9%~20.1%），比例最小的為以根際沉積物形式進(jìn)入SOC的部分（均值分別為4.6%和4.6%，95%的置信區(qū)間分別為1.3%~7.9%和1.7%~7.4%），其次為根源呼吸釋放到大氣部分（均值分別為9.8%和11.1%，95% 的置信區(qū)間分別為5.5%~14.0% 和7.4%~14.8%）。

2.1.2 小麥和玉米生長向地下部轉(zhuǎn)移的光合碳量

小麥和玉米生長向地下輸入的凈光合碳量（根系生物量碳和根際沉積碳）均值分別為1 058 kg·hm?2和1 025 kg·hm?2，95%的置信區(qū)間分別為810~1 307 kg·hm?2和311~1 742 kg·hm?2（圖2a 和2b）。小麥和玉米通過根際沉積物輸入到土壤的光合碳量的均值分別為610 kg·hm?2和439 kg·hm?2，占向地下轉(zhuǎn)移光合碳量比值的均值分別為0.45和0.38，95%的置信區(qū)間分別為0.34~0.56和0.28~0.49（圖2c）。

2.2 玉米和小麥生長對土壤CO2釋放的影響

2.2.1 根源呼吸和土壤本身碳分解對土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)

玉米和小麥根源呼吸對土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)主要分為非同位素和同位素法來量化，在非同位素法條件下，小麥根際土壤CO2釋放的根源呼吸和土壤本身碳分解的貢獻(xiàn)均值分別為42.1%和57.9%（95%的置信區(qū)間分別為34.2%~50.1%和49.9%~65.8%；圖3a），在同位素法條件下，小麥根際土壤CO2釋放的兩者的貢獻(xiàn)均值分別為47.9%和52.1%（95%的置信區(qū)間分別為39.1%~56.7%和43.3%~60.9%；圖3b）；在非同位素法條件下，玉米根源呼吸和土壤碳分解對土壤CO2的貢獻(xiàn)均值分別為52.9%和47.1%（95%的置信區(qū)間分別為39.8%~66.1%和34.0%~60.3%；圖3c），在同位素法條件下，兩者對土壤CO2的貢獻(xiàn)均值分別為62.7% 和37.3%（95% 的置信區(qū)間分別為51.3%~74.1%和25.9%~48.7%；圖3d）。

在田間實(shí)驗條件下，小麥根源呼吸和土壤碳分解對土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)均值分別為39.6%和60.4%（95% 的置信區(qū)間分別為32.7%~46.4% 和53.6%~67.3%；圖4a），在盆栽實(shí)驗條件下，兩者對土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)均值分別為52.3%和47.7%（95%的置信區(qū)間分別為42.7%~61.8%和38.2%~57.3%；圖4b）。在田間實(shí)驗條件下，玉米土壤CO2釋放源于根源呼吸和土壤碳分解的平均比例分別為47.4%和52.6%（95%的置信區(qū)間分別為34.1%~60.6%和39.4%~65.9%；圖4c）；在盆栽條件下，玉米根源呼吸和土壤碳分解占土壤CO2釋放比例分別為67.0%和33.0%（95%的置信區(qū)間分別為56.1%~78.1%和21.9%~44.0%；圖4d）。

2.2.2 小麥和玉米生長對SOC分解的根際激發(fā)效應(yīng)

小麥根際激發(fā)效應(yīng)程度的平均值為172%，95%置信區(qū)間為106%~237%，其中僅有一個負(fù)根際激發(fā)效應(yīng)值，為?37%，正根際激發(fā)效應(yīng)范圍為18%~461%；玉米根際激發(fā)效應(yīng)程度的平均值為15%，95%置信區(qū)間為?28%~57%，其中負(fù)根際激發(fā)效應(yīng)范圍為?38%~?7%，正根際激發(fā)效應(yīng)范圍為5.5%~126%（圖5）。

3 討論

3.1 小麥和玉米光合碳在作物?土壤系統(tǒng)中的分配

本文通過整合分析發(fā)現(xiàn)小麥和玉米地下部的光合碳分配比例分別約為27%和32%，其中分配到根系組織建成的比例最高，其次為根源呼吸釋放，以根際沉積碳形式輸入到土壤的組分最小（圖1）。這與PAUSCH 等[2]對農(nóng)作物的13C/14C 標(biāo)記實(shí)驗整合分析結(jié)果中的分配趨勢類似，即約32%的農(nóng)作物凈光合碳（不包括地上部呼吸）分配到地下部，其中分配到根系、土壤和根源呼吸的比例分別為15.2%、4.5%和12.1%。農(nóng)作物一般隨著作物生長而逐漸減少向地下的碳分配[1，8，22]，例如孫昭安等[6]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，小麥向地下部的光合碳分配由分蘗期的48%下降到灌漿期的9%。這是由于農(nóng)作物（包括小麥、玉米、大麥和水稻）在生長前期光合碳偏向于向地下部轉(zhuǎn)運(yùn)，利于根系組織生長和根系對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收及能量代謝，生育后期則偏向于地上部，利于光合碳在籽粒中的累積[1，8，22]，例如 SUN 等[8]通過整合分析發(fā)現(xiàn)小麥和大麥在生長前期有近30%的凈光合碳用于根系建成，但成熟期僅3%用于根系組織建成，其余光合碳通過根源呼吸及根際沉積物途徑損失。然而，大多數(shù)小麥和玉米的13C/14C 示蹤研究在營養(yǎng)期，分別在播種后不到150 d和60 d，尤其對于連續(xù)標(biāo)記，植株處于幼苗期（播種后不到30 d），這可能導(dǎo)致對地下部碳分配的高估。因此，在全生育期標(biāo)記可以提高地下光合碳分配評估的精確度[1，9]。在華北地區(qū)，冬小麥和夏玉米的生長周期達(dá)到230 d和100 d，為了量化冬小麥和夏玉米整個生育期的地下部光合碳分配，本課題組在冬小麥和夏玉米的全生育期內(nèi)進(jìn)行了一系列脈沖標(biāo)記[7?9]。

3.2 小麥和玉米光合碳向地下部的輸入

在農(nóng)田土壤中，外源有機(jī)碳的輸入除了秸稈還田和殘留根系外，還包括冬小麥和夏玉米生長以根際沉積物形式對SOC的貢獻(xiàn)。本研究通過整合分析得出，小麥向地下部凈輸入碳量（根系和根際沉積碳）的平均值為1 058 kg·hm?2（圖 2），此結(jié)論低于 KUZYAKOV等[23]總結(jié)的谷類作物（小麥和大麥）的結(jié)果（1 520 kg·hm?2），這可能是由于本研究整合分析的小麥根生物碳量較?。?48 kg·hm?2），遠(yuǎn)低于 KUZYAKOV 等[23]總結(jié)的根生物碳量（1 200 kg·hm?2），以往的研究表明根系生物量和根際沉積物量呈顯著正相關(guān)，因此根系生物量越高，輸入到地下的根際沉積碳量也越多[15，24?25]?；诒菊n題組借助13CO2脈沖標(biāo)記對冬小麥[7]和夏玉米[9]的量化結(jié)果，在華北平原冬小麥和夏玉米的周年種植體系下，冬小麥和夏玉米生長季通過根際沉積物形式對SOC 的貢獻(xiàn)碳量達(dá)到874 kg·hm?2·a?1（冬小麥610 kg·hm?2·a?1+夏玉米264 kg·hm?2·a?1），這部分根際沉積碳最終成為SOC的一部分。因此，量化冬小麥和夏玉米整個生長季向地下凈輸入碳量可以進(jìn)一步解析農(nóng)業(yè)集約化導(dǎo)致華北平原SOC增加的原因。

目前華北地區(qū)是我國最重要的糧田生產(chǎn)區(qū)域，冬小麥和夏玉米產(chǎn)量約占全國的2/3 和1/3。由于幾千年的傳統(tǒng)耕作和惡劣的自然環(huán)境（如洪水、干旱和鹽堿化），該地區(qū)農(nóng)田SOC水平較低，增加華北農(nóng)田SOC水平一直是一項挑戰(zhàn)[26?27]。HAN 等[28]通過整合分析發(fā)現(xiàn)秸稈還田措施能夠快速提升農(nóng)田0~20 cm 土層SOC 儲量，在過去 30 a，SOC 固定速率為 0.35 t·hm?2·a?1。胡春勝等[29]通過秸稈還田碳輸入減去土壤異養(yǎng)呼吸碳輸出來估算華北農(nóng)田碳平衡，發(fā)現(xiàn)華北農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正在以 0.77 t·hm?2·a?1的速度損失碳，低于本課題組的定量結(jié)果（冬小麥和夏玉米周年生產(chǎn)當(dāng)季固碳速率 3.9 t·hm?2·a?1）[7，9]。這可能是由于在土壤碳輸入方面，這個方法忽略了根系和根際沉積碳的輸入，導(dǎo)致對土壤碳輸入量的低估[29]，如果忽略根際沉積碳，小麥和玉米地下部凈輸入碳量會被低估58%和31%（圖2）；在土壤碳輸出方面，SOC 分解才是土壤碳輸出，而胡春勝等[29]把土壤異養(yǎng)呼吸（SOC 分解+根際沉積碳的分解）作為土壤碳輸出，可能導(dǎo)致土壤碳輸出的高估。借助13C示蹤技術(shù)定量冬小麥和夏玉米對地下部各組分的碳輸入，可為優(yōu)化土壤CO2排放估算模型、制定區(qū)域減排措施提供參考依據(jù)。

3.3 根系生長對土壤碳釋放的貢獻(xiàn)及影響

根系呼吸是CO2排放通量的重要貢獻(xiàn)途徑，為了量化土壤碳的輸出，必須將其與土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)分解的CO2分開考慮[11]。在種植小麥和玉米的土壤上，區(qū)分根源和土壤源CO2的方法主要分為同位素法和非同位素法，同位素法主要有13C 自然豐度、13C/14C 脈沖標(biāo)記法和13C連續(xù)標(biāo)記法，非同位素法有根去除法和間接模擬法（掃描文章首頁OSID碼瀏覽）。理論上，根際激發(fā)效應(yīng)在大部分情況下會促進(jìn)SOC的分解，同位素法可以量化根際激發(fā)效應(yīng)額外釋放的碳量，而傳統(tǒng)方法則忽略了根際激發(fā)效應(yīng)[13]，例如，通過整合關(guān)于小麥和玉米13C/14C示蹤實(shí)驗的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)小麥和玉米生長導(dǎo)致土壤碳額外釋放量占土壤碳總釋放量的比例分別為63%和13%（圖6）。因此，如果用傳統(tǒng)根去除法（非同位素方法）區(qū)分土壤CO2釋放，會導(dǎo)致根際激發(fā)效應(yīng)被忽略，與同位素方法相比，可能會高估根源呼吸對土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)[30]。使用同位素標(biāo)記法區(qū)分土壤CO2釋放通常更為準(zhǔn)確。

根際土壤微生物活性和微生物群落組成均高于非根際土壤，此效應(yīng)主要是由根際沉積碳輸入引起的，這部分活性根際沉積碳導(dǎo)致根際土壤微生物的數(shù)量是非根際土壤微生物的數(shù)量的19~32 倍[31]。本文整合分析結(jié)果顯示，根際沉積碳輸入約占凈光合碳的5%（圖1），小麥和玉米整個生長季以根際沉積形式輸入的碳量分別為610 kg·hm?2和439 kg·hm?2（圖2）。本文通過整合分析發(fā)現(xiàn)，小麥和玉米根際激發(fā)效應(yīng)不僅可以促進(jìn)SOC 的分解，呈現(xiàn)正根際激發(fā)效應(yīng)，也可以抑制SOC的礦化，產(chǎn)生負(fù)根際激發(fā)效應(yīng)，但是，小麥和玉米正根際激發(fā)效應(yīng)比負(fù)根際激發(fā)效應(yīng)的次數(shù)更為頻繁（圖5）。負(fù)的根際激發(fā)效應(yīng)程度不可能低于100%，因為負(fù)的根際激發(fā)效應(yīng)達(dá)到100%，相當(dāng)于SOC 沒有分解，這種情況在自然界是不存在的，一般負(fù)的激發(fā)效應(yīng)程度在?30%~?10%；正的激發(fā)效應(yīng)可以在100%以上，甚至在200%~400%，根際激發(fā)效應(yīng)引發(fā)的對SOC 的分解在全球碳循環(huán)中起著重要作用[31?33]。

4 結(jié)論

（1）通過整合分析小麥和玉米光合13C/14C 向地下部各組分去向的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)小麥和玉米分別轉(zhuǎn)運(yùn)27%和32%的光合13C/14C（地上部+根系+土壤+根源呼吸）到地下部，分配到根系的組分最高（小麥為12.5%，玉米為16%），其次為根源呼吸的組分（9.8%和11.1%），最小為土壤的組分（4.6%和4.6%）。

（2）通過整合分析關(guān)于小麥和玉米向地下部輸入光合碳量的13C/14C 示蹤文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)小麥和玉米生長對土壤的凈輸入碳量分別為1 058 kg·hm?2和1 025 kg·hm?2（根系和根際沉積碳），利用洗根法量化時，會導(dǎo)致根際沉積碳量被忽略，導(dǎo)致小麥和玉米向土壤凈輸入碳量分別被低估45%和38%；小麥和玉米根系生長均可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解，根際激發(fā)效應(yīng)大小分別為172%和15%。