开顶式同化室O_(3)浓度升高对水稻土微量元素有效性的影响

由于人类活动导致近地面大气臭氧(O_(3))浓度升高,对中国粮食生产造成严重威胁。目前,大量研究集中在作物地上部分,对O_(3)胁迫下的稻田土壤微量元素有效性的了解甚少。为此,本试验利用开顶气室(Open Top Chambers,OTC)试验平台,设置对照和模拟O_(3)浓度升高(+40 nmol·mol^(-1)O_(3))两种处理,研究大气O_(3)浓度升高对两个水稻品种(汕优63 vs武育粳3)土壤微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn)有效态含量的影响。研究结果表明大气O_(3)浓度升高造成土壤微量元素有效态含量普遍下降,其中土壤微量元素Fe有效态含量随着大气O_(3)浓度升高平均降低35.0%,土壤微量元素Cu有效态含量平均降低9.7%。水稻品种改变了土壤微量元素有效性对大气O_(3)浓度增高的响应。与汕优63相比,武育粳3显著降低土壤Mn、Cu有效态含量,但提高土壤Zn有效态含量。在大气O_(3)浓度升高条件下,汕优63土壤微量元素Fe、Cu、Zn有效态含量分别降低35.2%、12.5%、37.2%;武育粳3土壤只有Fe有效态含量显著降低34.7%。通过两个水稻品种土壤微量元素有效态含量的比较,本研究结果显示汕优63土壤微量元素受大气O_(3)浓度增高的影响幅度更大。另外,大气O_(3)浓度升高显著降低两个水稻品种的土壤可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)以及汕优63土壤微生物生物量氮(MBN)含量。通过相关分析表明,土壤DOC、DON含量与土壤微量元素Fe、Cu之间存在显著的正相关关系。以上结果表明,大气O_(3)浓度升高主要通过土壤可溶性有机物和微生物量影响土壤微量元素有效态含量。选育不同水稻品种在缓解大气O_(3)浓度升高对土壤微量元素有效态含量的不利影响方面具有重要作用。因此,未来选育O_(3)耐受型水稻品种可能是改善土壤微量元素供给的有效途径之一,以此减缓并应对全球气候变化对粮食生产安全的不利影响。

大气CO_(2)和O_(3)浓度升高对水稻根际土壤胞外酶活性的影响

大气二氧化碳(CO_(2))和臭氧(O_(3))浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者,其活性对于大气CO_(2)和O_(3)浓度升高的响应特征及驱动机制研究,以及应对并缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究采用开顶式气室(OTCs)分别模拟大气CO_(2)浓度升高(环境大气+200μmol·mol^(-1),eCO_(2))、大气O_(3)浓度升高(环境大气+0.04μmol·mol^(-1),eO_(3))及其交互处理(环境大气+200μmol·mol^(-1)CO_(2)+0.04μmol·mol^(-1)O_(3),eCO_(2)+eO_(3)),探究水稻根际土壤胞外酶活性对大气CO_(2)和O_(3)浓度升高的响应。结果表明:与对照(环境大气)相比,eCO_(2)处理的土壤β-葡萄糖苷酶(βG)活性显著提高73.0%,而多酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)、酸性磷酸酶(AP)活性分别显著降低48.9%、46.6%和72.9%,纤维素水解酶(CBH)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性则无明显变化;eO_(3)处理的土壤CBH、AP活性分别显著降低34.2%和30.4%;eCO_(2)+eO_(3)处理的土壤PHO、AP活性分别显著降低87.3%和32.3%。主坐标分析、置换多元方差分析和冗余分析显示,大气CO_(2)和O_(3)浓度升高均可显著影响土壤胞外酶活性,且大气CO_(2)浓度升高对土壤胞外酶活性的影响程度高于O_(3)浓度升高;根系氮含量、根系碳氮比、土壤硝态氮和土壤微生物生物量碳是土壤胞外酶活性的主要驱动因子;大气O_(3)浓度升高能够部分中和大气CO_(2)浓度升高对土壤胞外酶活性的影响。综上,大气CO_(2)和O_(3)浓度升高抑制了大部分土壤胞外酶活性,表明未来气候变化潜在威胁着农田土壤生态系统服务功能。