光合碳和外源氮素在土壤-植物系统的分配和稳定机制及其碳氮偶联效应

In agroecosystems, the turnover and the availability of nitrogen (N) control the key processes involved in C cycling to a great extent, including both photosynthetic C production and the subsequent input to soil, thus influence the C budget and the sequestration dynamics significantly. The distribution patterns of photosynthetic C and fertilizer-derived N as well as the stoichiometric effect under the changed CO2 concentration play important roles to control the C cycling dynamics in agroecosystems. Therefore, a wheat pot experiment with an arable soil is conducted in sealed chambers for plant growth by 13C-labeled CO2 fumigation and 15N-labeled fertilizer. A mineralization incubation of 13C- or 15N-enriched soils is carried out after labeling for three growing seasons. The labeled soil organic matter and the native portion are differentiated quantitatively in both bulk soil and different-size particles to investigate the allocation and distribution of the photosynthetic C and fertilizer-derived N in soil-plant systems. The 13C- or 15N enrichment in stable microbial residue biomarker, i.e., amino sugars, is determined by GC-MS or GC-C-IRMS to probe into the substrate selective utilization by different microbial communities. From this investigation, we aim to clarify: 1) the effect of elevated CO2 on the coupling of C and N cycling, 2) the influence of N turnover and the fertilizer-N transformation on C sequestration and stability mechanisms. Our results are expected to exhibit important significance to the SOC and N management in agroecosystems.

CO2浓度影响作物光合作用的碳生产，而氮素循环和有效性在很大程度上控制着光合碳固定以及土壤碳输入等碳循环的关键过程，从而对土壤碳截获和碳收支产生影响。CO2浓度变化下光合碳和肥料氮素在土壤-植物系统的分配特征及其偶联效应是控制农田生态系统碳氮循环动态的关键。因此，研究以小麦-土壤生态系统为研究对象，分别利用13C-CO2和15N标记肥料供给进行盆栽试验并结合室内模拟实验，通过对标记和土壤原有有机质的同位素区分并结合微生物标识物同位素富集动态和土壤颗粒分级，研究CO2和氮素的计量作用对光合碳和肥料氮素在土壤-植物系统和土壤各粒级中的分配特征以及对微生物同化和矿化过程的影响。目的在于探讨CO2浓度变化对碳氮偶联作用的影响，阐明氮肥利用和氮素周转对农田土壤碳截获过程和稳定性的影响机制和反馈作用原理。研究结果对CO2浓度变化下农田生态系统土壤有机碳的截获与稳定评价以及N肥运筹具有重要的理论意义。

CO2浓度变化下光合碳和肥料氮素在土壤-植物系统的分配特征及其偶联效应是控制农田生态系统碳氮循环动态的关键。因此，研究以小麦-土壤系统为研究对象，分别利用13C-CO2和15N标记肥料供给进行盆栽试验并结合室内模拟矿化实验，通过土壤和植物组分同位素区分并结合微生物标识物同位素富集动态，研究CO2和氮素的计量作用对光合碳和肥料氮素在土壤-植物系统的分配、分布以及微生物同化过程的影响。研究结果表明，在CO2浓度升高条件下，小麦茎叶中光合碳易于在六碳糖如葡萄糖和甘露糖积累（拔节期），而后随着光合过程的适应性，增加的光合碳向碳水化合物分配具有趋同效应，N可利用性和CO2浓度升高的影响具有协同效应。CO2浓度升高显著增加了光合碳在小麦植株中的富集，原因在于减小了植物光合过程中同位素歧视作用。氮肥水平的提高抑制了光合碳向籽实的运输，使光合碳，尤其是碳水化合物向小麦根系的富集相对增加，所以碳氮计量关系的变化改变了作物通过根系向土壤输送“新碳”的数量和质量，引起土壤有机碳更新速率的变化。CO2浓度升高对光合碳在土壤中截获的促进程度为：推荐施肥量N2（58.6%）>施肥量不足N1（52.9%）>高量施肥N3（15.1%），表明氮素可利用性过低或过高都不利于光合碳在土壤中的截获。. 在CO2浓度升高条件下，氮素可利用性提高（N2和N3处理）增加了光合碳在砂粒级中的分布，这种现象主要和增加的小麦根系生物量有关。模拟矿化实验表明，氮素可利用性增加虽然提高了光合碳的矿化速率，但是碳矿化的总量反而减小，且真菌残留物对有机质积累的相对贡献增加，表明碳氮耦合作用有利于CO2浓度升高条件下光合碳的长期稳定。研究结果对CO2浓度变化下农田生态系统土壤有机碳的截获与稳定评价以及N肥运筹具有重要的理论意义。