徐 芬，郭紅巖，喻小兵，彭立軍，姚晶晶

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所/農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)與安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2.污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；3.荊門市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北 荊門 448000）

基于保障糧食安全、資源節(jié)約與循環(huán)和環(huán)境友好的重大需求，中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2025 年化肥減量化行動(dòng)方案》。通過合理利用有機(jī)養(yǎng)分資源，推進(jìn)有機(jī)肥替代化肥還田，到2025 年有機(jī)肥施用面積占比增加5 個(gè)百分點(diǎn)以上，提升耕地基礎(chǔ)地力。大量研究表明，與單獨(dú)施用化肥或有機(jī)肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥可以保持甚至提高作物產(chǎn)量［1，2］。

在全球變暖的背景下，自工業(yè)革命以來，大氣中的CO2濃度由280 μmol/mol上升至約419 μmol/mol［3］，農(nóng)業(yè)是對(duì)以全球變暖為主要特征的氣候變化最為敏感的領(lǐng)域之一，大氣CO2濃度升高與農(nóng)作物生產(chǎn)、糧食安全之間的關(guān)系至關(guān)重要，其對(duì)植物功能主要作用是促進(jìn)光合作用和降低氣孔導(dǎo)度［3，4］。研究發(fā)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)與氮素供應(yīng)有關(guān)，氮素供應(yīng)不足和過量均使CO2濃度升高、增產(chǎn)效應(yīng)無效［5］。大氣CO2濃度升高還會(huì)改變植物根系分泌物和根際環(huán)境，影響土壤中重金屬的形態(tài)分布，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收與富集［6］。有機(jī)肥替代化肥一方面可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物生物量活性和改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力，影響植物生長(zhǎng)［7-9］；另一方面也會(huì)引入重金屬等環(huán)境問題［10］。本研究依托中國(guó)稻田FACE 平臺(tái)（Free air CO2enrichment），采用有機(jī)肥等氮替代化肥的方式，研究了大氣CO2濃度升高和50%等氮有機(jī)肥替代化肥對(duì)水稻光合作用、抗氧化酶活性以及重金屬吸收的影響，為未來氣候變化條件下農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中有機(jī)肥的合理利用與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 FACE 平臺(tái)概況與有機(jī)肥

中國(guó)水稻FACE 平臺(tái)位于江蘇省揚(yáng)州市小紀(jì)鎮(zhèn)（119°42′E，32°35′N）。該區(qū)為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量約為1 000 mm，年均氣溫約為16 ℃，年無霜期約為230 d。該區(qū)土壤類型為姜礫土，耕作層土壤基本性質(zhì)：沙粒57.8%，粉沙粒28.5%，黏粒13.7%，pH 7.2，全氮1.45 g/kg，有機(jī)質(zhì)18.4 g/kg［11］。FACE 平臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行詳見文獻(xiàn)［12］。試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)正常大氣CO2濃度圈（對(duì)照圈）和3 個(gè)大氣CO2濃度升高圈（FACE 圈）。每個(gè)FACE 圈用1個(gè)直徑14 m的八角環(huán)管道環(huán)繞。在水稻整個(gè)生長(zhǎng)期，CO2氣體由計(jì)算機(jī)模塊自動(dòng)控制，經(jīng)八角環(huán)管道釋放在水稻冠層上方30 cm 處，使之濃度始終高于對(duì)照圈約200 μmol/mol。對(duì)照圈與FACE 圈相隔90 m，其CO2濃度與自然環(huán)境一致。

有機(jī)肥來自南京市六合區(qū)某家有機(jī)肥公司，該有機(jī)肥是由豬糞與粉粹秸稈制成的堆肥產(chǎn)品，其pH 為7.9，有機(jī)肥中銅（Cu）和鋅（Zn）含量分別為220.0 mg/kg 和1 137.5 mg/kg，Cu 和Zn 的DTPA（二乙三胺五乙酸）提取有效態(tài)含量分別為33.4 mg/kg 和333.8 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與水稻種植

選取當(dāng)?shù)馗赝寥肋M(jìn)行盆栽試驗(yàn)，以水稻（武運(yùn)粳23）為受試植物，將5 kg 土壤放入塑料盆中（直徑20 cm，高35 cm），然后澆水至田間持水量。在對(duì)照圈和FACE 圈均設(shè)置2 個(gè)施肥處理：①化肥組（CF），N 225 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2；化肥分3 次施用，分別在6 月中旬、7 月中旬和8 月下旬按照50%∶25%∶25%施用。②50%等氮有機(jī)肥替代化肥組（COF），6 777 kg/hm2有機(jī)肥和N 112.5 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2和K2O 112.5 kg/hm2；有機(jī)肥作為基肥一次性施入，化肥分別在7 月中旬和8 月下旬按照50%∶50%施用。在施肥處理的設(shè)置中，用50%有機(jī)肥替代化肥能夠保持甚至增加作物產(chǎn)量［13，14］。本試驗(yàn)共設(shè)置了4 個(gè)處理：①正常大氣CO2濃度化肥處理（CF.A）；②大氣CO2濃度升高化肥處理（CF.F）；③正常大氣CO2濃度50%等氮有機(jī)肥替代化肥處理（COF.A）；④大氣CO2濃度升高50%等氮有機(jī)肥替代化肥組（COF.F），每個(gè)處理3 次重復(fù)。兩穴水稻幼苗于6 月初移栽至每個(gè)盆，并于同年10 月底成熟。水稻生長(zhǎng)管理與周邊大田水稻管理一致。

圖1 不同施肥處理下水稻抽穗期葉片光合色素含量（A）、光合速率（B）、蒸騰速率（C）和氣孔導(dǎo)度（D）在正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高條件下的變化

1.3 樣品采集與測(cè)定

在水稻抽穗期，采用便攜式光合測(cè)定儀（LI-6400，USA）測(cè)定葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率，葉室溫度設(shè)定為29 ℃，光合有效輻射設(shè)定為1 500 μmol/（m2·s）。采集水稻抽穗期新鮮葉片，裝入封口袋并存放在液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室，立即分析抗氧化酶活性、丙二醛和葉綠素含量。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量采用南京建成生物工程研究所有限公司的試劑盒測(cè)定。葉綠素a 和葉綠素b 的測(cè)定采用95%乙醇溶液和80%丙酮溶液（1∶1，V/V）浸提比色法測(cè)定［15］。

待水稻成熟后，采集水稻地上部分并用去離子水洗凈，將其分成莖、葉和子粒，70 ℃條件下干燥至恒重，將干燥后的樣品研磨成粉末，用HNO3和HClO4（4∶1，V/V）消化，采用原子吸收光譜儀（Thermo M6，USA）測(cè)定水稻中Cu 和Zn 含量。采集土壤樣品，風(fēng)干后研磨過篩，采用DTPA 提取土壤有效態(tài)Cu 和Zn［16］，并用原子吸收光譜儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯著性分析（LSD，P＜0.05），所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用Sigma Plot軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻葉片光合參數(shù)

各處理抽穗期水稻葉片的光合參數(shù)如圖1 所示。與正常大氣CO2濃度相比，單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻葉片的凈光合速率（17.9%），但顯著降低了氣孔導(dǎo)度（41.7%）。50%有機(jī)肥替代化肥處理下，對(duì)比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高對(duì)抽穗期水稻葉片的葉綠素含量、凈光合速率無顯著影響，但顯著降低了水稻葉片氣孔導(dǎo)度（59.3%）和蒸騰速率（42.0%）。

2.2 水稻葉片的抗氧化酶活性

各處理抽穗期水稻葉片的抗氧化酶活性如圖2所示，化肥處理下，單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻葉片的SOD 和POD 活性，顯著增加了MDA 含量。50%有機(jī)肥替代處理下，對(duì)比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高顯著增加了POD 活性，顯著降低了MDA 含量。

2.3 銅和鋅在土壤和水稻中的含量

水稻地上部分不同組織部位以及土壤中的有效態(tài)Cu 和Zn 濃度如圖3 所示。無論是正常大氣CO2濃度還是大氣CO2濃度升高條件下，與施化肥處理相比，50%有機(jī)肥等氮替代化肥處理均顯著增加了土壤中有效態(tài)Cu、Zn 含量。單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著增加了水稻子粒中Zn 含量，這與土壤中單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著增加了土壤中有效態(tài)Zn 含量一致。而單獨(dú)大氣CO2濃度升高對(duì)土壤有效態(tài)Cu含量無顯著影響。50%有機(jī)肥替代化肥處理下，對(duì)比正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高，大氣CO2濃度升高顯著降低了水稻莖和子粒中Cu 含量，以及子粒中Zn 含量。結(jié)果表明，不同施肥條件下，大氣CO2濃度升高對(duì)水稻吸收銅和鋅的影響具有差異。

圖3 不同施肥處理下成熟期水稻組織中銅和鋅含量以及土壤中DTPA 有效態(tài)Cu 和Zn 含量在正常大氣CO2濃度和CO2濃度升高條件下的變化

3 討論與小結(jié)

CO2作為植物光合作用的原料，其持續(xù)增加會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。有研究表明大氣CO2濃度升高通過促進(jìn)C3植物的CO2凈同化速率、減少氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用而提高水分利用效率，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)，獲得更高的產(chǎn)量［17］。但大氣CO2濃度升高對(duì)C3植物光合作用的最初刺激并不總是保持不變，因?yàn)橹参锉┞队陂L(zhǎng)時(shí)間的高大氣CO2濃度后，往往表現(xiàn)出光合作用的下調(diào)，這通常與葉片氮濃度的降低有關(guān)。本試驗(yàn)中，大氣CO2濃度的升高對(duì)化肥處理下水稻葉片凈光合速率有正面影響，但對(duì)50%有機(jī)肥等氮替代化肥處理的凈光合速率影響不顯著。同時(shí)，大氣CO2濃度的升高顯著降低了化肥處理中抽穗期水稻葉片的SOD 活性和POD 活性，增加了MDA 含量；而POD 活性和MDA 含量在50%有機(jī)肥等氮替代化肥處理中對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)與之相反。本試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2濃度升高對(duì)不同施肥處理的抽穗期水稻生理生化的影響具有差異性，這種差異可能與水分和營(yíng)養(yǎng)的可利用性有關(guān)［18］。SOD 和POD 對(duì)植物活性氧的清除和解毒系統(tǒng)起著重要作用，植物中的自由基通過過氧化反應(yīng)作用于脂質(zhì)，最終產(chǎn)物為MDA，MDA 通過交聯(lián)反應(yīng)引起蛋白質(zhì)、核酸等大分子聚合，具有細(xì)胞毒性［19］。因此本研究中單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻的光合作用，而抗氧化酶活性降低以及MDA 含量的增加可能抵消了CO2濃度升高對(duì)水稻產(chǎn)量的刺激作用。而在50%有機(jī)肥替代化肥處理中，大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，這有助于提高單位葉面積水分利用效率［20］。高CO2濃度環(huán)境下植物氣孔導(dǎo)度的降低可以節(jié)約大量的土壤水分，有助于抵消未來氣候變暖帶來的更高的蒸發(fā)需求，從而提高植物生產(chǎn)力［18］。

大氣CO2濃度升高會(huì)降低土壤pH，影響植物根際微生物活性和根系分泌物，增加重金屬的生物有效性，影響植物對(duì)重金屬的吸收［6，21］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)大氣CO2濃度升高對(duì)水稻子粒中Cu、Zn含量影響具有差異，這可能與CO2濃度升高降低土壤pH、刺激植物分泌有機(jī)物有關(guān)，而這些有機(jī)物與不同重金屬的結(jié)合能力不同導(dǎo)致吸收差異［22］。50%有機(jī)肥替代處理下，大氣CO2濃度升高顯著降低了水稻莖中Cu 及子粒中Cu 和Zn 的含量。Li 等［23］報(bào)道了盡管在CO2濃度升高的污染土壤上種植的水稻中Cd 濃度較高，Cu 濃度較低，但由于生物量的變化，CO2濃度升高仍然顯著增加了對(duì)Cu 和Cd 的總吸收，同樣地，本研究還發(fā)現(xiàn)作物中Cu 和Zn 濃度較低，可能是由于CO2濃度升高導(dǎo)致作物生物量的變化，而不是降低了作物對(duì)Cu、Zn 的吸收［21］。此外，CO2濃度升高條件下水稻體內(nèi)Cu 和Zn 濃度較低也可能與蒸騰作用有關(guān)。但本研究只分析了水稻抽穗期的蒸騰作用，水稻其他生長(zhǎng)期也需要關(guān)注以便更好地了解水稻對(duì)金屬元素的吸收。

綜上所述，大氣CO2濃度升高可改變不同施肥方式對(duì)水稻抽穗期葉片生理生化和Cu、Zn 在植物不同組織中的含量。單獨(dú)大氣CO2濃度升高顯著增加了抽穗期水稻光合作用，而抗氧化酶活性降低以及MDA 含量的增加可能抵消了CO2濃度升高對(duì)水稻生長(zhǎng)的刺激作用。單獨(dú)CO2濃度升高還增加了土壤中有效態(tài)Zn 含量，從而導(dǎo)致水稻子粒中Zn 含量增加。而在50%有機(jī)肥等氮替代化肥處理中，大氣CO2濃度升高顯著降低了抽穗期水稻的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，有助于提高單位葉片水分的利用效率和作物生產(chǎn)力，導(dǎo)致水稻組織中Cu 和Zn 含量的降低。研究結(jié)果表明，50%有機(jī)肥等氮替代化肥有助于提高水稻對(duì)CO2濃度升高的適應(yīng)性。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱建國(guó)老師提供的中國(guó)水稻FACE 平臺(tái)支持。