水稻根際沉積碳是稻田土壤有機質(zhì)的重要來源，在土壤有機碳的固持與周轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮重要作用，但由于其代謝周轉(zhuǎn)快，具有復(fù)雜性和多變性，盡管已有一些研究，但還不十分清楚這部分碳的命運。
根際沉積碳的輸入受作物生長時期和施肥（如施氮）的影響較大。然而，不同生育期的碳同位素標(biāo)記的估算有可能使光合碳（通過根際沉積作用）輸入的估算出現(xiàn)較大偏差。而且，短時間脈沖標(biāo)記后的采樣分析也只能體現(xiàn)光合碳在水稻-土壤系統(tǒng)中分配的瞬時性，而不能反映水稻整個生長季光合碳對土壤碳庫的貢獻(xiàn)，進(jìn)而會導(dǎo)致在評估水稻在一個生長季內(nèi)光合碳向地下傳輸量時存在較大的偏差。
基于此，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究團(tuán)隊通過多生育期的碳同位素（13C-CO2）脈沖標(biāo)記技術(shù)（圖1），結(jié)合水稻的相對生長速率，對水稻整個生長季內(nèi)根際沉積碳的輸入進(jìn)行量化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施氮使水稻光合碳在不同時期的輸入提高34-381%。其中進(jìn)入土壤中的光合碳提高0.9-1.9倍。然而，施氮對整個水稻生長季光合碳在土壤中的凈輸入量影響并不顯著，施氮和不施氮處理下，光合碳的凈輸入量分別為169和146 kg C ha-1。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，水稻光合碳的固持表現(xiàn)出了較強的根際效應(yīng)，施氮顯著提高了根際沉積碳在根際土壤中的分配，其凈輸入量約為不施氮處理的1.7倍（圖2）。隨后，研究人員進(jìn)一步通過水稻營養(yǎng)生長的盛期（拔節(jié)期）進(jìn)行13C-CO2脈沖標(biāo)記，通過動態(tài)采樣擬合，以量化水稻光合碳輸入后的去向以及日均分配量。結(jié)果表明，盡管施氮提高了光合碳的初始輸入量，但是其呼吸損失量達(dá)不施氮處理的1.5倍。同時，其根系分泌物的輸入量也顯著高于不施氮處理，而根系分泌物較易被微生物利用?？赡苡捎谖⑸飳π迈r碳源周轉(zhuǎn)速率的增加，盡管施氮提高了根際沉積碳的輸入，然而其最終的截留量（2.1 mg C m-2 d-1）卻稍低于不施氮處理（2.7 mg C m-2 d-1）（圖3）。這些結(jié)果對于揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及優(yōu)化稻田土壤有機碳管理具有重要意義。
上述研究近期以題為Nitrogen fertilization alters the distribution and fates of photosynthesized carbon in rice–soil systems: a 13C-CO2 pulse labeling study和Effect of nitrogen fertilizer on rice photosynthate allocation and Carbon input in paddy soil分別發(fā)表在Plant and Soil和European Journal of Soil Science上。該研究得到了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊項目等資助。
圖 1 水稻多生育期的碳同位素（13C-CO2）脈沖標(biāo)記技術(shù)
圖2 水稻整個生長季內(nèi)光合碳在植株-土壤系統(tǒng)中的分配量
圖3 水稻光合碳在植株-土壤系統(tǒng)中的日均分配量