摘要
全球变化是二十一世纪人类面临的最大挑战之一。全球变化包括海平面上升、极端天气出现频率增加、大气CO2浓度增加和全球变暖等。其中以大气CO2浓度增加和升温为主要特征的全球变化显著影响植物生长发育和土壤生物化学过程。许多研究认为，气候变化下土壤生物化学过程改变与地上部植物生长密切相关，而非大气CO2浓度和温度的直接影响。但大气CO2浓度增加和升温下，植物如何调控土壤生物地球化学过程尚不清楚。因此，本论文以水稻为例，通过分析水稻根系形态、根系分泌物及根系氧化还原过程的变化，揭示大气CO2浓度增加和升温下植物调控土壤生物地球化学过程的机制。论文依托南京农业大学农业与气候变化野外试验平台进行，平台主要模拟四个气候变化模式：大气CO2浓度增加至590 μmol?mol-1（C+T）、升温2?C（CT+）、大气CO2浓度增加到 590 μmol?mol-1和温度上升 2?C（C+T+）和对照处理（正常大气CO2浓度和温度，CT）。试验于2020年和2021年水稻季进行，供试水稻品种为扬稻6号和常优5号。分别测定水稻分蘖期、灌浆期和成熟期的根系形态和生物量；收集了2020年不同品种水稻分蘖期根系分泌物，并用LC-MS（液质联用）检测其有机分子组成，分析了不同处理下水稻根系分泌物化学组成的差异；在整个水稻生长期，原位测定土壤氧化还原电位，并于水稻分蘖期、灌浆期和成熟期采集根际土壤样品，测定土壤Eh（氧化还原电位）、pH、DOC（可溶性有机碳）、CEC（阳离子交换量）、Fe2+、Fe3+、Mn2+和SO42-含量，主要结果如下： 1.大气CO2浓度增加促进了水稻根系生长，而升温抑制的水稻根系生长，不同水稻品种根系生长对二者响应一致。大气CO2浓度增加下，水稻地上部干重、根干重和根冠比分别提高了17.0%、29.6%和8.9%。水稻根长、根直径、根表面积、根体积和根尖数分别提高了14.4%、5.0%、17.3%、25.1%和10.9%。升温降低了水稻地上部干重、根干重、根长、根表面积和根体积，分别降低了 13.2%、11.8%、8.8%、9.7%和11.9%。大气CO2浓度增加和升温存在交互作用。当大气CO2浓度不增加时，升温使水稻根尖数显著提高了13.4%；当大气CO2浓度增加时，升温显著降低了水稻地上部干重、根干重、根长、根表面积、根体积和根尖数，分别降低了20.5%、21.3%、16.7%、19.1%、20.3%和12.5%。 2.大气CO2浓度增加和升温通过改变根系分泌物化学组成影响土壤pH、CEC，大气CO2浓度增加通过提高了水稻根系分泌物中氨基酸含量降低了土壤中pH，提高了土壤CEC；升温通过提高了根系分泌物中有机酸和糖类物质，降低根系分泌物中氨基酸，使土壤中CEC降低。大气CO2浓度增加显著降低了水稻土pH值和DOC含量，分别降低了4.4%、12.2%。大气CO2浓度增加使水稻土CEC含量显著提高了6.5%。大气CO2浓度增加对pH、CEC和DOC含量在水稻生育期表现出显著差异，与种植水稻品种无关。大气CO2浓度增加下扬稻6号和常优5号水稻根系分泌物中氨基酸和有机酸含量显著提高。升温使土壤中DOC含量显著提高了12.3%，使土壤CEC含量显著降低了5.7%，对土壤pH无显著影响。升温对水稻土中pH、CEC和DOC的影响与种植的水稻品种存在交互作用。升温提高了扬稻6号和常优5号根系分泌物中有机酸和糖类物质的含量，降低了两品种根系分泌物中氨基酸含量。大气CO2浓度和温度同时升高时，土壤中DOC含量显著提高了21.0%，对pH和CEC无显著影响。大气CO2浓度和温度同时升高提高了扬稻6号和常优5号根系分泌物氨基酸含量，降低了糖类物质含量。 3.大气CO2浓度增加显著提高了土壤氧化还原电位，升温对土壤氧化还原电位无显著影响。大气CO2浓度增加使水稻土氧化还原电位显著提高了11.6%。大气CO2浓度增加显著降低了水稻土中Fe2+和Mn2+浓度，分别降低了14.7%和13.7%。大气CO2浓度增加对易变价元素含量的影响在根际土与非根际土中表现一致。升温对水稻土氧化还原电位不存在显著影响。升温显著增加了水稻土中Mn2+和SO42-含量，分别提高了4.9%和19.3%，对水稻土中Fe2+和Fe3+含量无显著影响。在大气CO2浓度增加和温度同时升高显著提高了土壤氧化还原电位，提高了15.4%。大气CO2浓度增加对水稻土中 Fe2+、Fe3+和 Mn2+的影响与升温存在显著的交互作用。当大气 CO2浓度不增加时，升温使得水稻土中Fe2+、Fe3+和Mn2+浓度分别降低了5.9%、9.3%和14.9%。但当大气CO2浓度增加时，升温显著提高了水稻土中Fe2+和Mn2+浓度，分别提高了10.1%、38.2%，对Fe3+浓度无明显影响。 综上所述，本论文发现大气CO2浓度增加促进了水稻根系形态发育，升温抑制了水稻根系形态发育。本文揭示了大气CO2浓度增加和升温下水稻根际过程变化对土壤的影响。大气CO2浓度增加下，水稻根系分泌物中氨基酸含量的增加降低了土壤pH，氧化还原电位的增加使土壤中 Fe2+和 Mn2+含量降低。升温下根系根系分泌物中糖类物质的增加和氨基酸的降低使土壤CEC显著降低，对土壤氧化还原电位无显著影响。
NETL