大氣CO2摩爾分數升高對寧夏枸杞植株與土壤C、N分配的影響1)

侯晶東 曹 兵

(寧夏大學，銀川，750021)

自18世紀工業革命以來，由于人類大量燃燒化石燃料和砍伐森林，大氣中CO2摩爾分數已從工業革命前的270μmol·mol-1升高到現在的360μmol·mol-1，預計到21世紀末，將達到 700～720 μmol·mol-1［1-2］。由大氣 CO2摩爾分數升高所引發的氣候變化同樣對人類生存的生態環境以及農業生態系統、森林生態系統產生顯著的影響［3-4］。自20世紀90年代以來，氣候變化，特別是大氣CO2摩爾分數升高對植物的影響已成為植物生理生態學研究的熱點問題［3-6］。CO2是植物光合作用的原料，CO2摩爾分數升高必然對植物的生長發育產生顯著影響。多數研究表明，大氣CO2摩爾分數升高對植物的生長具有促進作用，主要表現在凈光合速率增大、植株增高、葉面積增大、作物產量的提高、植物生物量的增加和物候期的提前等［7-8］。碳、氮代謝是植物基本代謝過程，其與植物碳水化合物和蛋白質的合成有密切聯系［9］。CO2摩爾分數升高條件下，植物光合作用增強，C同化產物增多，C、N代謝的平衡受到影響，植株N代謝也發生變化［10］。但不同植物及同一植物的不同品種、不同生長發育階段對CO2摩爾分數升高的響應不完全相同［3］。文中以寧夏特色經濟林樹種——寧夏枸杞(Lycium barbarum L.)為試驗材料，測定大氣CO2摩爾分數升高處理下寧夏枸杞植株各器官及種植土壤的C、N質量分數，探討大氣CO2摩爾分數升高對寧夏枸杞C、N代謝與分配的影響，為適應氣候變化下的寧夏枸杞栽培與良種選育提供參考。

1 材料與方法

試驗材料采用寧杞1號1年生扦插苗(購自寧夏農林科學院枸杞研究所)。

試驗采用單因素設計，CO2摩爾分數設置2個處理：以自然環境大氣CO2摩爾分數((350±20)μmol·mol-1)作為對照(CK);以CO2摩爾分數升高為(700±20)μmol·mol-1作為處理(TR)，采用開頂氣室方法控制CO2摩爾分數，每處理設置3個重復(共6個氣室)。

開頂式氣室與環境控制：本試驗采用自行制作的開頂氣室和自主研發的CO2摩爾分數控制系統進行CO2摩爾分數的控制。開頂式氣室由金屬框架和厚度為0.38 cm的無色透明玻璃制成，氣室總高2.5 m，底部為邊長1.10 m的正八邊形(內徑3 m)，上部0.5 m向內傾斜呈45°，即頂部開口直徑為2 m(圖1);在頂部裝有風扇，氣室側面留有通風口，以確保氣室內的溫濕、CO2環境均勻。開發了1種基于射頻通訊模塊nRF2401的CO2摩爾分數自動控制系統，通過氣源(CO2鋼瓶)、CO2傳感器、控制器、PC機的協調工作(圖2)，實現CO2摩爾分數自動控制。

本試驗于2009年4月份至2010年10月份在寧夏大學實驗農場進行。于2009年4月份，在每個氣室(共6個氣室)均勻種植9株生長均勻、一致的1年生枸杞扦插苗，對植株進行編號掛牌。在生長季節，每天8：00—20：00向TR各氣室(共3個氣室)通入CO2，控制氣室內摩爾分數在設計范圍內(陰雨天除外)，田間管理一致。

測定指標與方法：于2010年10月份對樣品進行采集。分別在每個處理中選擇5株生長均勻、一致的枸杞苗木，采集枸杞的功能葉片，枝條以及根部樣品;每個處理均勻選擇5個點，分別采集深度(H)為0≤H＜20 cm、20 cm≤H＜40 cm、40 cm≤H ＜60 cm的土壤樣品。對根、枝、葉樣品先進行烘干處理，然后粉碎并過0.5 mm篩;土壤樣品風干后過0.149 mm(100目)篩。測定枸杞苗木葉片、枝、根及土壤中的有機碳和全氮質量分數。

有機碳質量分數的測定方法：使用TFW-Ⅷ型智能化農業環境監測儀，采用光合熱—光電比色法測定有機碳質量分數。

圖1 開頂氣室

圖2 控制開頂氣室CO2摩爾分數的系統節點結構

全氮質量分數的測定方法：按照鮑士旦［11］介紹的土壤、植物樣品全氮質量分數測定方法，對樣品進行全氮質量分數分析。

采用Excel進行數據處理;采用DPSV7.05進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 大氣CO2摩爾分數升高對枸杞苗木枝、葉、根的有機碳、全氮質量分數的影響

由表1可知，大氣CO2摩爾分數升高處理下的枸杞苗木枝的有機碳質量分數是對照的1.06倍，但方差分析表明兩者沒有顯著性差異(p=0.208 3＞0.05);葉的有機碳質量分數是對照的95.5%，沒有顯著差異(p=0.680 0＞0.05)。不論是生長在高CO2摩爾分數下枸杞苗木，還是在自然環境CO2摩爾分數下，其葉片中有機碳質量分數均高于枝。

由表1可知，大氣CO2摩爾分數升高處理枸杞苗木枝的全氮質量分數與對照相近，沒有顯著差異(p=0.959 8＞0.05);葉片全氮質量分數是對照的1.1倍，但是方差分析表明，兩者也沒有顯著性差異(p=0.649 0＞0.05)。2種處理下，枸杞苗木葉的全氮量均高于枝的。

表1 枸杞苗木枝、葉、根有機碳、全氮質量分數比較 g·kg-1

由表1可知，CO2摩爾分數升高處理的枸杞苗木根有機碳質量分數略高于對照，是對照的1.12倍，方差分析表明，兩者沒有顯著性差異(p=0.185 6＞0.05)。2種CO2摩爾分數環境下生長的枸杞苗木根的全氮質量分數相近，沒有顯著差異(p=0.393 4 ＞0.05)。

2.2 大氣CO2摩爾分數升高對枸杞苗木栽培土壤中有機碳與全氮質量分數的影響

由表2可知，隨著土壤深度的增加，有機碳質量分數呈下降趨勢;CO2摩爾分數升高處理的土壤有機碳質量分數高于對照，其中，土層0≤H＜20 cm的有機碳質量分數是對照的1.3倍，土層20 cm≤H＜40 cm的有機碳質量分數比對照高23%，但方差分析表明，與對照沒有顯著差異(p(0≤H＜20cm)=0.163 9 ＞0.05;p(20 cm≤H ＜40 cm)=0.159 8 ＞0.05)。在土層深度為40 cm≤H＜60 cm時，CO2摩爾分數升高處理的土壤有機碳質量分數是對照的1.33倍，兩者間的差異顯著(p(40 cm≤H ＜60 cm)=0.017 1 ＜0.05)。

表2 大氣CO2摩爾分數升高對土壤有機碳、全氮質量分數的影響

由表2可知，隨著土壤深度的增加，土壤全氮質量分數也呈下降趨勢。在土層深度為0≤H＜20 cm時，CO2摩爾分數升高處理的全氮質量分數是對照的98%，兩者沒有顯著差異(p=0.879 6＞0.05);土層20 cm≤H＜40 cm的土壤全氮質量分數是對照的1.18倍，但方差分析表明，沒有顯著差異性(p=0.161 4＞0.05);當土層深度為 40 cm≤H ＜60 cm 時，CO2摩爾分數升高處理的全氮質量分數顯著高于對照(p=0.034 9＜0.05)，是對照的 1.17 倍。

3 結論與討論

綠色植物通過光合作用合成有機物，將光能轉化為化學能，為植物生長發育提供營養物質與能力。CO2是植物進行光合作用的原料，大氣中CO2摩爾分數升高肯定會引起植物的一系列生理生化響應，從而導致植物從土壤中吸收養分的變化，進而引起土壤養分質量分數的變化［10］。短期CO2摩爾分數升高，植物光合速率增加，提高光合產量［8］;而且抑制呼吸作用，降低光呼吸對碳的消耗，增加了碳通過卡爾文循環以碳水化合物的形式轉移到生長器官的量［12］。大氣中CO2摩爾分數升高使沙地優勢植物種不同部位的生物量均顯著增加，使植物根、莖、葉固定的C明顯增加，其中分配至莖的C最多，其次是葉，根中獲得的C最少［13］;多數情況下，植物葉中N質量分數(mg·g-1)降低［14］。但本試驗測定結果表明，大氣CO2摩爾分數升高下，處理2個生長季的寧夏枸杞植株根、莖、葉以及表層土壤的有機碳、全氮質量分數與對照沒有顯著差異，這可能是由于光合產物更多地供應給生長器官，植株生物量比對照明顯增大消耗更多碳水化合物的原因;此外，栽培枸杞的土壤有機碳、全氮質量分數分別為25、0.8 g·kg-1，說明土壤比較肥沃，能夠供應充足的養分，可能還沒有引起N素供應不足現象，葉片中氮的質量分數與對照也沒有顯著差異。

在大氣CO2摩爾分數升高的情況下，植物光合速率增高，各生態系統中的生物生產能力也會提高，進入土壤的生物量即土壤碳量可能會增加;但土壤碳質量分數增加，為土壤中微生物的生長提供了能量，提高了微生物的活性，呼吸作用增強，土壤碳輸出相應增加［10］。因此，大氣CO2摩爾分數升高對土壤碳庫的影響規律不一。本試驗中，在枸杞根系分布層(40 cm≤H＜60 cm)，大氣CO2摩爾分數升高處理的土壤有機碳、全氮質量分數較對照高，這可能與光合產物增多、土壤微生物活性增強等有關［15］。大氣CO2摩爾分數的升高對植物生長發育產生重要影響，引起土壤的一系列變化，而土壤微生物的變化又會影響土壤養分供應與肥力狀況。CO2摩爾分數升高對土壤碳、氮循環的影響仍存在許多爭議［10］，對植物養分質量分數、分配的影響因元素種類、樹種、生長型及組織、器官發育階段與速率等而異［14］。本研究是在2個生長季節內采用CO2摩爾分數倍增處理枸杞苗木所測定的結果，還需長期觀測與進一步深入研究。

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