東北地理所在大氣CO2濃度和溫度升高對(duì)黑土區(qū)水稻氮吸收以及根際氮礦化研究方面取得進(jìn)展
大氣CO2濃度和溫度升高是未來(lái)氣候變化最主要的特征。氮素作為水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)產(chǎn)量形成至關(guān)重要。然而，在大氣CO2濃度和溫度升高條件下，有關(guān)黑土區(qū)水稻對(duì)不同來(lái)源（土壤和肥料）氮素的吸收及其與產(chǎn)量變化關(guān)系的研究較少，CO2和溫度雙升高如何影響水稻根際土壤氮礦化和相關(guān)微生物作用機(jī)制也仍不清楚。
東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組科研人員選用東北地區(qū)主栽水稻品種五優(yōu)稻1號(hào)譜系中不同年代培育的5個(gè)水稻品種為試驗(yàn)材料，利用OTC模擬CO2升高（700 ppm）和升溫（比環(huán)境氣溫高2℃）條件，采用15N標(biāo)記技術(shù)示蹤水稻吸收來(lái)源于肥料的氮素，以解析氣候變化條件下水稻氮源與產(chǎn)量的關(guān)系；采用根箱試驗(yàn)和15N-13C雙標(biāo)技術(shù)，探究了大氣CO2和溫度升高對(duì)水稻根際氮礦化和相關(guān)功能基因豐度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在不施氮條件下，大氣CO2和溫度升高使5個(gè)品種水稻的平均產(chǎn)量和氮吸收分別增加28.4%和25.2%；在施氮條件下，水稻平均產(chǎn)量和氮吸收分別增加23.0%和15.3%（圖1，圖2）。氣候變化條件下，水稻增加的氮吸收主要來(lái)自土壤，并且與水稻增產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖3）；而肥料氮的吸收量未發(fā)生顯著變化。研究還發(fā)現(xiàn)，氮肥施用促進(jìn)水稻對(duì)土壤氮素的吸收，而水稻品種改良并沒(méi)有改變水稻氮素吸收對(duì)氣候變化的響應(yīng)。這表明氣候變化條件下會(huì)加快黑土區(qū)水稻土壤氮庫(kù)的消耗。因此，培育高氮肥料利用率的水稻品種可能是未來(lái)黑土區(qū)水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的有效策略。
圖1 大氣CO2濃度和溫度升高條件下5個(gè)品種水稻的生物量（A）和產(chǎn)量（B）
圖2 大氣CO2濃度和溫度升高條件下，5個(gè)品種水稻的總氮吸收以及來(lái)源土壤和肥料的氮吸收
圖3 大氣CO2濃度和溫度升高條件下，氮吸收增加量與產(chǎn)量增加的相關(guān)性
在氮礦化研究方面，發(fā)現(xiàn)大氣CO2和溫度升高顯著提高了水稻的氮吸收量和氮礦化量，但并沒(méi)有顯著提高氮礦化效率（圖4）；大氣CO2和溫度共同升高使得水稻根際土壤微生物量碳（MBC）和微生物量碳（MBN）均顯著升高，同時(shí)也顯著增加了根際土壤氮礦化基因chiA、pepA、pepN和尿素水解基因ureC的豐度（圖5）。表明大氣CO2和溫度的共同升高促進(jìn)了水稻根際微生物介導(dǎo)的土壤氮礦化過(guò)程，可能會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)分解的風(fēng)險(xiǎn)。
圖4 大氣CO2和溫度升高條件下水稻土壤氮礦化量和氮礦化效率
圖5 大氣CO2和溫度升高條件下chiA、ureC、pepA和pepN基因的豐度
上述研究成果近期發(fā)表在一區(qū)TOP期刊Agricultural and Forest Meteorology和Biology and Fertility of Soils上，東北地理所博士研究生張錦源為論文的第一作者，于鎮(zhèn)華副研究員和金劍研究員為通訊作者。研究得到了黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（ZD2021D001），國(guó)家自然科學(xué)基金（42177435），中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目（XDA28020201）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019233）等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息：
Jinyuan Zhang, Yansheng Li, Zhenhua Yu*, Jonathan Adams, Caixian Tang, Guanghua Wang, Xiaobing Liu, Junjie Liu, Ashley Franks, Judong Liu, Shaoqing Zhang, Jian Jin*. (2022). Elevated atmospheric CO2 and warming enhance the acquisition of soil-derived nitrogen rather than urea fertilizer by rice cultivars. Agricultural and Forest Meteorology. 324, 109117.
Jinyuan Zhang, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Guanghua Wang, Xiaobing Liu, Caixian Tang, Jonathan Adams, Junjie Liu, Judong Liu, Shaoqing Zhang, Junjiang Wu, Jian Jin*. (2022). Co–elevation of CO2 and temperature enhances nitrogen mineralization in the rhizosphere of rice. Biology and Fertility of Soils.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.109117
https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-022-01667-4
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