郭麗麗，房蕊，李彥生，于鎮(zhèn)華，王光華，劉曉冰，劉俊杰，劉居?xùn)|，金劍

(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

氣候變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響日益加劇，直接關(guān)系到未來(lái)作物生產(chǎn)力和糧食安全，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。玉米是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最具有代表性的C4作物，其對(duì)大氣CO2濃度和溫度升高的響應(yīng)與C3作物存在顯著差異[1-2]。然而，關(guān)于大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)C4作物的影響的研究還鮮有報(bào)道。以往的研究顯示，玉米葉片中有特殊的維管束鞘花環(huán)結(jié)構(gòu)能夠濃縮CO2，可使細(xì)胞間的CO2濃度高于大氣中的CO2濃度3～8倍[3-4]，因此大氣CO2濃度升高對(duì)玉米光合作用的影響較小。然而，CO2濃度能夠通過改變?nèi)~片氣孔導(dǎo)度和水分利用效率進(jìn)一步影響C4作物光合速率以及生長(zhǎng)[5-6]。此外，玉米是喜溫作物，在一定范圍內(nèi)溫度升高有利于玉米生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的增加，然而當(dāng)溫度超過作物最佳生長(zhǎng)溫度時(shí)，會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，減少生物量積累[7-8]。由此可見，開展大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響研究對(duì)全面理解氣候變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。

氣候變化對(duì)C4作物生長(zhǎng)的影響與養(yǎng)分吸收密切相關(guān)。磷(P)是作物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵元素[7]。CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響可能會(huì)受到土壤磷素的影響[9-11]。有研究顯示，高CO2濃度能夠降低玉米植株磷含量，但溫度升高卻增加了磷含量[9]。相反，Xie等[12]發(fā)現(xiàn)CO2濃度上升到750 ppm時(shí)能夠增加玉米葉片的磷含量，這說明CO2濃度升高對(duì)玉米磷吸收的影響并沒有一致的結(jié)論。這可能是由于試驗(yàn)土壤中有效磷含量不同所致，因?yàn)橹挥型寥烙行Я椎墓?yīng)能滿足作物需要時(shí)，高CO2濃度對(duì)作物的“肥料效應(yīng)”才能實(shí)現(xiàn)[13]。而且，土壤有效磷含量還受土壤不同磷形態(tài)以及植物-土壤系統(tǒng)中生物化學(xué)反應(yīng)過程的影響[14]。磷素在土壤中以多種形態(tài)存在，其中植物能夠直接利用的速效或活性磷可通過NaHCO3浸提；而NaOH可浸提的磷為中活性磷，通過一定化學(xué)和生物反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為活性磷，供植物利用；穩(wěn)定性磷可以用HCl-P和Residual-P表示，由HCl和強(qiáng)酸消煮提取，這部分磷較難被植物利用[15]。氣候變化可能通過影響作物生長(zhǎng)和土壤生物過程來(lái)改變土壤磷素形態(tài)，進(jìn)而影響作物吸收利用。有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期和短期CO2濃度升高對(duì)作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的影響具有較大差異[16-18]。與正常大氣CO2濃度相比，長(zhǎng)期大氣CO2濃度升高可能對(duì)作物光合作用沒有產(chǎn)生顯著影響，甚至降低了光合作用[19]，這可能是由于作物產(chǎn)生光適應(yīng)，使CO2的“施肥效應(yīng)”隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低或者消失。然而，土壤磷形態(tài)與植物CO2的“施肥效應(yīng)”仍需從氣候-植物-土壤互作角度進(jìn)行深入探討[10]。

另一方面，溫度升高可能通過促進(jìn)微生物的活性，礦化有機(jī)磷并提高土壤磷有效性，進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收和生長(zhǎng)。然而，長(zhǎng)期CO2濃度和溫度升高的交互作用會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)、磷素吸收以及土壤磷素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生復(fù)雜的影響，關(guān)于玉米種植區(qū)的土壤磷循環(huán)對(duì)大氣CO2濃度和溫度同時(shí)升高的響應(yīng)以及相關(guān)機(jī)理尚不清楚。

溫度升高的程度影響作物生長(zhǎng)的反應(yīng)。有研究報(bào)道，長(zhǎng)期溫度升高可能對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生正面、負(fù)面或沒有影響[20-21]。這主要取決于作物是喜涼還是喜溫作物，以及種植在高緯度地區(qū)還是低緯度地區(qū)，因?yàn)橄矝鲎魑飼?huì)隨溫度升高而降低生物量，而喜溫作物則可能增加生物量[22-23]；同樣溫度升高能夠促進(jìn)高緯度地區(qū)作物生長(zhǎng)，而低緯度地區(qū)則抑制作物生長(zhǎng)[24]。東北黑土區(qū)是我國(guó)最大的玉米產(chǎn)區(qū)，且屬于中高緯度地區(qū)，玉米在春季播種時(shí)積溫較低[25]。大氣CO2濃度和溫度升高會(huì)對(duì)東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生深刻影響，而且在氣候變化條件下確保營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[26-27]。然而，人們?yōu)榱颂岣哂衩桩a(chǎn)量而施用了大量磷肥，導(dǎo)致磷素在土壤中積累，不僅不利于玉米生長(zhǎng)，還造成了環(huán)境污染[28-30]。以CO2濃度和溫度升高為主要特征的氣候變化能夠通過影響作物養(yǎng)分吸收和土壤微生物特征來(lái)改變土壤磷素的轉(zhuǎn)化[31]。因此，探討長(zhǎng)期CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生物量和土壤磷組分的影響，對(duì)于深入研究全球氣候變化下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物-土壤-微生物的交互作用對(duì)磷循環(huán)的影響具有重要意義。本研究通過開頂式氣候室(OTC)模擬大氣CO2濃度和溫度升高，以東北春玉米為試驗(yàn)對(duì)象，探討了長(zhǎng)期大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生物量、磷吸收、土壤磷庫(kù)、磷酸酶活性以及相關(guān)磷功能基因的影響，以期為氣候變化條件下玉米磷肥管理提供理論支撐，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018-2021年，玉米盆栽試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(45°73′N，126°61′E)建立的開頂式氣候室(OTC)中進(jìn)行，OTCs橫截面積為八邊形結(jié)構(gòu)，主體高2.9 m，直徑為3 m，頂端增加45°縮口，收縮口長(zhǎng)為1.1 m，氣候室框架由方形鋼管與透光塑料板PVE構(gòu)建，OTC內(nèi)部透光率達(dá)95%以上。試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)環(huán)境處理：對(duì)照(Control)，即大氣CO2濃度(400 ppm)+環(huán)境溫度，高CO2濃度處理(eCO2，2018-2019：550 ppm，2020-2021：700 ppm)，升溫處理(+2 ℃，Warming)，CO2濃度和溫度同時(shí)升高處理(eCO2+warming)。每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)OTC。

1.2 試驗(yàn)土壤和供試品種

試驗(yàn)土壤來(lái)自黑龍江省哈爾濱市(45°75′N，126°64′E)農(nóng)田玉米0～10 cm耕層土壤，為典型黑土(Mollisols，USDA)。采集的土壤經(jīng)過風(fēng)干并過4 mm篩。每個(gè)PVC桶(高25.5 cm，直徑29 cm)裝13 kg混勻過篩土壤，土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。每個(gè)生長(zhǎng)季播種前，玉米施入基礎(chǔ)肥料218 mg·kg-1尿素、219 mg·kg-1磷酸二氫鉀(KH2PO4)和167 mg·kg-1氯化鈣(CaCl2·2H2O)。選取東北地區(qū)具有代表性的玉米品種‘翔玉998’，每個(gè)PVC桶播種6粒，玉米種子發(fā)芽10天后，間苗留下一株玉米幼苗。玉米的土壤含水量保持在田間持水量的80%左右，并通過10 cm深的土壤溫度水分記錄儀器(L99-TWS-1)每30 min監(jiān)測(cè)一次土壤溫度和含水量。

表1 黑土基礎(chǔ)理化性質(zhì)和磷組分Table 1 Basic physicochemical properties and phosphorus fractions of Mollisols

1.3 樣品采集

在玉米收獲期將植株從土壤表面分離，并分為地上部和地下部，其中地上部分分為莖和葉在105 ℃殺青30 min，之后在70 ℃烘干72 h至恒重，然后稱重。2021年成熟期收獲作物并采集土壤，將根系和土壤分離，收集根際土壤。取一部分新鮮的根際土裝到滅菌的離心管中，放置-80 ℃冰箱用于磷酸酶測(cè)定和DNA提取，再取一部分土壤自然風(fēng)干用于磷分級(jí)和其它指標(biāo)測(cè)定。

1.4 樣品測(cè)定

土壤樣品磷組分測(cè)定采用改進(jìn)后的Hedley-P分級(jí)方法進(jìn)行測(cè)定[32]。分別用0.5 M NaHCO3、0.1 M NaOH、1 M HCl 溶液連續(xù)浸提，殘留土樣在350 ℃下使用濃 H2SO4消煮3 h，依次提取出NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-P。土壤浸提液的總磷是由無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷組成，NaHCO3和NaOH的浸提液加入過硫酸銨在121 ℃和103 kPa下高壓消化1 h，測(cè)定浸提液中的總磷[33]，NaHCO3可提取有機(jī)磷(NaHCO3-Po)和NaOH可提取有機(jī)磷(NaOH-Po)等于NaHCO3和NaOH提取液的總磷量分別減去NaHCO3-Pi和NaOH-Pi。所有浸提液均用孔雀綠測(cè)定。

土壤磷酸酶活性參照Razavi等[34]方法測(cè)定。用無(wú)菌水震蕩土壤30 min，移取100 μl土壤懸浮液至96孔微孔板中，加入100 μl混合液，即0.1 M MES 緩沖液(pH 6.1)和4-MUB-P，另外底物磷濃度分別為0、20、40、60、100、200、600和800 μmol，并以4-甲基傘形酮(4-MUB) 為標(biāo)樣校準(zhǔn)。然后在20 ℃黑暗培養(yǎng)0、1和2 h后，用多功能酶標(biāo)儀測(cè)定熒光度。酶活性根據(jù)米氏常數(shù)來(lái)計(jì)算，其單位為每克干物質(zhì)每小時(shí)產(chǎn)生底物的摩爾數(shù)。

1.5 土壤DNA提取和熒光定量PCR

稱取0.5 g新鮮土，使用DNA提取試劑盒(Fast DNA SPIN Kit for Soil)提取土壤DNA。控制堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、磷酸乙醛水解酶和磷轉(zhuǎn)運(yùn)因子微生物功能基因分別表示為phoD和phoC、phnX和pstS，這些基因拷貝數(shù)可以通過熒光定量PCR(qPCR)測(cè)定。phoD、phoC、phnX和pstS基因的引物參考 Bergkemper等[35]和Fraser等[36]，引物序列見表2。qPCR在 20 μL反應(yīng)體系中進(jìn)行，包括1 μL DNA模板、10 μL SYBR Premix Ex TaqTM，1 μL前端和后端引物以及7.0 μL滅菌水；qPCR擴(kuò)增程序，首先在95 ℃初始變性10分鐘，然后是 95 ℃ 15 s和60 ℃ 60 s共40個(gè)循環(huán)。之后，使用回歸方程將循環(huán)閾值(Ct)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)濃度的基因數(shù)量，并將PCR反應(yīng)系統(tǒng)中每微升的拷貝數(shù)轉(zhuǎn)換為每克土壤的拷貝數(shù)[37]。

表2 磷轉(zhuǎn)化相關(guān)功能微生物引物序列Table 2 Nucleotide sequences of developed primers for real-time qPCR

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 25.0 軟件(Chicago,IL)進(jìn)行方差分析，Duncan檢驗(yàn)大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)地上部生物量、土壤NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P、磷酸酶活性、phoD、phoC、phnX和pstS基因拷貝數(shù)影響的差異顯著性(P<0.05)，并以不同字母代表處理間在0.05水平的差異。使用Ri386(3.6.2)進(jìn)行主成分分析(PCA)，表征氣候變化與磷轉(zhuǎn)化相關(guān)的生理生化參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生物量

如圖1所示，2018-2021年模擬氣候變化對(duì)玉米生物量的影響整體呈增加趨勢(shì)，且玉米生物量對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在年季差異。與對(duì)照相比，2018年大氣CO2濃度和溫度單獨(dú)升高以及兩者同時(shí)升高均顯著增加了玉米生物量，增幅分別為29%、27%和40%(P<0.05)。2019年大氣CO2濃度升高、溫度升高使玉米生物量分別顯著下降了9%和16%(P<0.05)，但是兩者同時(shí)升高對(duì)玉米生物量未產(chǎn)生顯著影響。2020和2021年玉米生物量?jī)H在大氣CO2濃度升高和兩者同時(shí)升高條件下顯著增加，溫度升高對(duì)玉米生物量未產(chǎn)生顯著影響。

注：Control:大氣CO2濃度+環(huán)境溫度；eCO2：高CO2濃度處理；Warming:升溫處理；eCO2+warming:CO2濃度和溫度同時(shí)升高處理。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Control:atmosphere CO2+environment temperature;eCO2:elevated CO2 treatment;Warming:elevated temperature treatment;eCO2+warming:elevated CO2 and temperature co-elevation treatment.Different lower case letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 2018-2021年模擬CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生物量的影響Fig.1 Effects of elevated CO2 and temperature simulation on maize biomass during 2018-2021

2.2 玉米磷濃度和磷吸收

與對(duì)照相比，2018年大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米磷濃度未產(chǎn)生顯著影響，但是2019年溫度單獨(dú)升高及其與CO2濃度同時(shí)升高均顯著增加了磷濃度，增幅分別為18%和23%(圖2，P<0.05)。盡管2020年和2021年氣候變化使玉米磷濃度有增加的趨勢(shì)，但是均未達(dá)到顯著水平。

大氣CO2濃度和溫度升高促進(jìn)了玉米植株對(duì)磷的吸收。與對(duì)照相比，2019年大氣CO2濃度和溫度同時(shí)升高使玉米磷吸收增加26%(P<0.05)。2018、2020和2021年，大氣CO2濃度和溫度單獨(dú)升高以及兩者同時(shí)升高均顯著增加了玉米對(duì)磷的吸收，其中2018年增加幅度為23%、32%和44%；2020年為92%、82%和59%；2021年增幅為73%、37%和94%(圖2，P<0.05)。

圖2 2018-2021年模擬大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米磷濃度和磷吸收的影響Fig.2 Effects of elevated CO2 and temperature simulation on plant phosphorus concentration and phosphorus content of maize during 2018-2021

2.3 根際土壤磷組分

連續(xù)4年模擬大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米根際土壤磷組分產(chǎn)生了顯著影響(圖3)。與對(duì)照相比，大氣CO2濃度升高、溫度升高以及兩者同時(shí)升高使NaOH-Pi分別顯著增加29%、52%和24%(P<0.05)。大氣CO2濃度升高對(duì)NaHCO3-Po無(wú)顯著影響，溫度升高雖使NaHCO3-Po顯著下降了55%，但當(dāng)大氣CO2濃度同時(shí)升高時(shí)卻使NaHCO3-Po顯著增加了22%(P<0.05)。大氣CO2濃度、溫度以及兩者同時(shí)升高均顯著降低了NaOH-Po，降幅為27%、74%和20%(P<0.05)。此外，溫度升高以及大氣CO2濃度和溫度同時(shí)升高使HCl-P顯著下降了9%和12%(P<0.05)。

圖3 模擬大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米根際磷組分的影響(2021年)Fig.3 Effects of elevated CO2 and temperature simulation on phosphorus fractions in the rhizosphere of maize(2021)

2.4 根際磷酸酶活性

大氣CO2濃度升高未對(duì)酸性磷酸酶活性產(chǎn)生顯著影響，而溫度及兩者同時(shí)升高使酸性磷酸酶活性分別顯著增加了70%和57%(圖4，P<0.05)。此外，玉米根際磷酸酶與NaHCO3-Po沒有產(chǎn)生顯著相關(guān)性(圖5)，但是根際磷酸酶活性與NaOH-Po呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖4 模擬CO2濃度和溫度升高對(duì)大豆和玉米根際磷酸酶活性的影響(2021年)Fig.4 Effects of elevated CO2 and temperature simulation on phosphatase activity in the rhizosphere of maize (2021)

圖5 玉米根際磷酸酶活性與有機(jī)磷組分(NaHCO3-Po and NaOH-Po)的關(guān)系(2021年)Fig.5 Relationships between the phosphatase activity and organic phosphorus fractions (NaHCO3-Po and NaOH-Po) in the rhizosphere of maize (2021)

2.5 土壤磷轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因豐度

大氣CO2濃度和溫度對(duì)玉米根際磷轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因豐度產(chǎn)生了顯著影響(圖6)。大氣CO2濃度升高增加了根際土壤phoC基因拷貝數(shù)，而且增加幅度在大氣CO2濃度和溫度同時(shí)升高條件下更為明顯。同樣，根際土壤pstS基因拷貝數(shù)對(duì)大氣CO2濃度和溫度的響應(yīng)與土壤phoC基因拷貝數(shù)相似。大氣CO2濃度升高和兩者同時(shí)升高分別使pstS基因拷貝數(shù)增加了61%和103%。但是，土壤phoD和phnX基因拷貝數(shù)只在大氣CO2濃度和溫度同時(shí)升高處理下顯著增加，增幅分別為45%和32%。PCA分析表明，大CO2濃度和溫度同時(shí)升高使根際phoD、phoC、pstS和phnX基因拷貝數(shù)發(fā)生了改變，且與NaOH-Po呈現(xiàn)一定程度的反向變化趨勢(shì)(圖7)。

圖6 模擬大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米根際phoD、phoC、pstS和phnX基因拷貝數(shù)的影響(2021年)Fig.6 Effects of elevated CO2 and temperature simulation on copy number of phoD,phoC,pstS and phnX genes in the rhizosphere of maize (2021)

圖7 玉米根際土中磷轉(zhuǎn)化和功能基因的相關(guān)參數(shù)主成分分析(2021年)Fig.7 The principal component analysis on measured variables,i.e.phosphorus fractions and abundance of phosphorus functional genes (2021)

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高、溫度升高以及兩者同時(shí)升高均增加了2018年玉米生物量，說明大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)玉米生物量產(chǎn)生促進(jìn)作用。這與以往的研究結(jié)果一致。例如，蘇營(yíng)等[38]通過開頂式氣室模擬了高CO2濃度和增溫對(duì)大豆生物量和產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示高CO2濃度和增溫促進(jìn)了大豆生長(zhǎng)，提高了作物干物質(zhì)積累。然而，與對(duì)照相比，2019年大氣CO2濃度或溫度升高均降低了玉米生物量，可能是由于2019年環(huán)境溫度較高，玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段環(huán)境最高溫度超過了玉米的最佳生長(zhǎng)溫度(35 ℃)，對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定程度的抑制作用[27]。另外，2020年和2021年大氣CO2濃度升高增加了玉米生物量，這可能是由于大氣CO2濃度上升到700 ppm，刺激了玉米光合速率，增加了干物質(zhì)積累，但溫度升高在一定程度上減弱了CO2濃度升高對(duì)玉米生物量的刺激，這是因?yàn)楫?dāng)溫度超過作物最佳生長(zhǎng)溫度時(shí)，會(huì)抑制作物光合作用，且溫度升高會(huì)增加植物呼吸速率，可能縮短玉米生育期，不利于玉米生物量的積累[39-40]。

長(zhǎng)期CO2濃度和溫度升高增加了玉米植株磷吸收，這主要由于氣候變化條件下玉米生物量增加，進(jìn)而導(dǎo)致作物磷吸收增加(圖2)，這與以往的研究結(jié)果一致[41-43]。例如，Abebe等[9]報(bào)道大氣CO2濃度和溫度升高增加了玉米地上部磷吸收。本研究中，長(zhǎng)期大氣CO2濃度和溫度升高并未顯著影響玉米植株磷濃度。同樣，以往的研究發(fā)現(xiàn)氣候變化對(duì)水稻[14]和綠豆[43]磷濃度沒有影響。然而，2019年溫度升高以及CO2濃度和溫度同時(shí)升高均增加了玉米植株磷濃度，這可能與溫度導(dǎo)致生物量降低有關(guān)。另外，增溫能夠增加葉片表面溫度，使葉片蒸騰速率上升，從而促進(jìn)來(lái)自地下的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和植物組織中的養(yǎng)分積累[44]。

本研究中，大氣CO2濃度以及CO2濃度和溫度同時(shí)升高對(duì)玉米根際土壤磷組分也產(chǎn)生了顯著影響。大氣CO2濃度以及CO2濃度和溫度同時(shí)升高降低了玉米根際NaHCO3-Pi含量，說明氣候變化促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加了作物對(duì)土壤有效磷的吸收，從而降低土壤活性磷含量[45]。然而，大氣CO2濃度、溫度以及兩者同時(shí)升高均增加了玉米根際NaOH-Pi含量，說明長(zhǎng)期氣候變化增加了玉米土壤中無(wú)機(jī)磷含量。這可能是由于連續(xù)4年大氣CO2濃度和溫度升高促進(jìn)了土壤高穩(wěn)性磷(HCl-P)的活化和有機(jī)磷(NaOH-Po)的降解，釋放的磷離子又被土壤礦物質(zhì)吸附和固定[46]。NaOH-Pi是黑土、黑鈣土及暗棕壤速效磷潛在的活性無(wú)機(jī)磷源，可為植物生長(zhǎng)提供保障[47]。因此，大氣CO2濃度和溫度升高能夠促進(jìn)土壤難溶性磷降解，并增加潛在活性無(wú)機(jī)磷庫(kù)。

增溫顯著降低了根際NaHCO3-Po和NaOH-Po含量，這可能是由于溫度升高刺激了土壤酶活性并促進(jìn)土壤有機(jī)磷水解。以往的研究結(jié)果也證實(shí)大氣CO2濃度和溫度升高能夠刺激土壤有機(jī)質(zhì)快速分解，并增強(qiáng)根際磷酸酶活性，使土壤有機(jī)磷含量降低[46,48]。同時(shí)，根際NaOH-Po含量在大氣CO2濃度以及CO2濃度和溫度同時(shí)升高處理下均呈下降趨勢(shì)，這說明在氣候變化下作物為滿足生長(zhǎng)需求，能夠促進(jìn)土壤有機(jī)磷礦化。此外，大氣CO2濃度和溫度升高可能促進(jìn)根系分泌物和沉積物向土壤中釋放[9,49]，為土壤微生物提供了豐富的能量來(lái)源，尤其對(duì)土壤磷轉(zhuǎn)化的功能微生物，土壤有機(jī)磷的礦化主要受到磷酸酶編碼基因控制[50-51]。本研究中，大氣CO2濃度升高及其與溫度同時(shí)升高均增加了玉米根際土壤phoC、pstS、phoD和phnX基因拷貝數(shù)，說明大氣CO2濃度和溫度升高提高了微生物有機(jī)磷礦化的功能，通過提高相關(guān)酶活性促進(jìn)有機(jī)磷的礦化，同時(shí)也促進(jìn)磷傳輸基因的表達(dá)來(lái)滿足作物生長(zhǎng)所需要的磷素。這些結(jié)果表明，長(zhǎng)期大氣CO2濃度和溫度升高能夠刺激作物和土壤微生物生化過程，促進(jìn)土壤有機(jī)磷的礦化和難溶性磷的降解，并增加土壤潛在活性無(wú)機(jī)磷含量。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期CO2濃度升高增加了東北黑土區(qū)玉米生物量，并且能緩解溫度升高對(duì)玉米生物量產(chǎn)生的不利影響。大氣CO2濃度和溫度升高能夠加速玉米根際土有機(jī)磷的礦化，并增加根際磷轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物功能基因豐度。其中，有機(jī)磷的礦化作用是玉米根際磷轉(zhuǎn)化的主要生物學(xué)過程。在未來(lái)氣候變化條件下，注重施用有機(jī)肥可能是維持磷有效性的重要途徑。