CO2浓度与温度升高对谷子各生育期土壤微生物生物量的影响

焦健宇，郑粉莉,2，王 婧，王雪松，魏晗梅

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

自工业革命以来，由于化石燃料的大量使用以及土地的不合理利用，全球气候发生显著变化，并对全球生态系统产生广泛影响，其中农业生态系统最易受到影响[1-2]。Mooney等[3]认为气候变化对全球农业生态系统的影响总体呈消极的趋势，而土壤为农作物的生长提供养分和水分，具有重要的研究价值。土壤微生物生物量(Microbial biomass,MB)虽然只占土壤相应元素的1%～6%，但在生态系统中发挥着重要作用，参与土壤养分(碳、氮、磷等)和土壤有机质的形成、转化、分解，且土壤微生物生物量对外界环境变化响应十分灵敏，故可作为生态功能变化的重要指标[4]。

目前，气候变化对土壤微生物生物量影响方面的研究成果较多，且涵盖各种环境条件和生态系统[5-6]。多数研究表明，CO2浓度升高增加了土壤微生物生物量[6-8]，但部分研究发现在养分贫瘠的生态系统中，CO2浓度升高对土壤微生物生物量并无显著影响[9-10]。同时，Sun等[11]研究发现由于土壤微生物具有自我适应性能力，长期高CO2浓度可能使土壤微生物生物量无显著变化。有研究表明不同生态系统类型差异(林地、草地、农田)也会导致土壤微生物生物量对CO2浓度升高的响应不一致[12]。此外，Bhattacharyya等[8]和Fang等[13]研究发现，在水稻和小麦的不同生育期，CO2浓度升高对土壤微生物生物量的影响不尽相同。由于受环境条件(海拔高度、温度、土壤水分有效性)[14]、增温幅度(<2℃、>2℃)[5]、增温时长(<3 a、>3 a)[15]、增温时段(夜间增温、昼间增温、全天增温)[16]等因素的影响，土壤微生物生物量变化对增温的响应也存在较大争议。与单因素气候因子相比，多种气候因子交互作用对土壤微生物生物量的相关研究较少，且研究结果也不尽相同，如国内在青藏高原和沿海平原的研究结果截然相反[17-19]。目前，相关研究鲜有涉及旱地农业生态系统以及作物不同生育期土壤微生物生物量对多种气候因子交互作用的响应。因此，本研究以干旱半干旱地区典型作物谷子(Setariaitalica)为研究对象，基于人工气候室情景模拟和盆栽试验，分析土壤微生物生物量对CO2浓度升高、增温和谷子生育期及其交互作用的响应特征，以期为缓解气候变化对旱地农作物的不利影响提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—9月在陕西杨陵西北农林科技大学人工气候室进行，选用C4作物谷子，品种为晋谷21。供试土壤为陕西关中地区农田表层(0～20 cm)土，其基本性质见表1。将供试土壤风干后过5 mm筛装入盆钵，盆钵的内径和深度分别为21 cm和27 cm，每盆装土均为7 kg，装填土壤深度为20 cm。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of the tested soil

1.2 试验设计

试验设置CO2浓度(400 μmol·mol-1和700 μmol·mol-1)、温度(当前环境温度和增温4℃)、土壤水分(充分供水和轻度干旱)3种环境，其中CO2浓度和温度的设置分别代表当前环境条件和本世纪末的环境条件。当前环境CO2浓度(400 μmol·mol-1)的设计是根据Mauna Loa气象台(https://www.CO2.earth)对于1981—2010年全球年均CO2浓度的监测数据，本世纪末的CO2浓度(700 μmol·mol-1)设计来自于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental panel on climate change,IPCC)第五次报告的预测[1]。当前环境温度的设计依据为国家气象科学数据中心(武功站)1981—2010年6—9月的多年日平均气温(日均温22℃)，增温4℃的依据为IPPC对于本世纪末增温幅度的预测(日均温26℃)[1]。依据前人研究设计充分供水和轻度干旱两种水分梯度，分别为70.0%田间持水量(18.0%质量含水量)和50.0%田间持水量(13.0%质量含水量)[20]。

根据CO2浓度和温度设置，试验共设计3种气候条件(表2)，包括对照(400 μmol·mol-1CO2浓度，22℃的环境温度，CK)、CO2浓度升高而温度保持不变(700 μmol·mol-1CO2浓度，22℃环境温度，EC)、CO2浓度升高和增温4℃(700 μmol·mol-1CO2浓度，26 ℃环境温度，EC+T)，且在每个气候条件下均设计充分供水和轻度干旱两种水分处理。此外，在谷子开花期、开花后10 d、灌浆期、成熟期4个生育期采集各试验处理的根系和土壤样品，分析土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)、微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)和微生物生物量磷(Microbial biomass phosphorus,MBP)，定量研究CO2浓度和温度升高对谷子各生育期土壤微生物生物量的影响。据此，本试验共有6种试验处理，每个处理设置4个重复，共计盆栽数为96盆。

1.3 试验步骤

谷子从播种(2019年4月19日)至拔节期(2019年6月5日)均在室外生长，并在三叶期后每盆定苗3株，且此期间通过称重法维持各盆栽土壤含水量为60% 田间持水量(15.6%质量含水量)。拔节期后将所有盆栽随机放入3个气候室，并依据试验处理(表2)分别将3个气候室的气候条件设置为对照(400 μmol·mol-1CO2浓度，22℃环境温度，CK)、CO2浓度升高(700 μmol·mol-1CO2浓度，22℃环境温度，EC)、CO2浓度升高和温度上升4℃(700 μmol·mol-1CO2浓度，26 ℃环境温度，EC+T)，并将每个气候室的盆栽谷子随机分成两组，分别控制土壤含水量为50.0% FC(13.0%质量含水量)和70.0% FC(18.0%质量含水量)。根据谷子农田环境条件，设置光周期为12 h/12 h，光照时间为8∶00—20∶00，最大光强为600 μmol·m-2·s-1，空气相对湿度设置为60%。此外，在整个谷子生长过程中，基于大气温度日变化对3个气候室的温度进行动态设置(表3)，每日最高温在12∶00—14∶00，最低温在0∶00和24∶00。在整个谷子生长过程中，所有盆栽随机排列，每7 d调换一次位置，减少由于气候室内各部位光照、温度和空气湿度的差异造成的影响，直至2019年9月19日后所有谷子全部收获。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

表3 人工气候室温度设置Table 3 Temperature setting of artificial climate chambers

1.4 样品采集和测定方法

分别在谷子开花期、开花后10 d、灌浆期和成熟期采集各试验处理的根系和土壤样品，但由于不同气候情景和不同供水条件的差异，导致谷子生长发育之间存在差异，所以对谷子同一生育期不同处理间根系和土壤样品的采集时间不相同。具体为：(1)分别在播种后92、81、79 d采集开花期CK、EC、EC+T 3种气候情景中的根系和土壤样品；(2)分别在播种后102、92、91 d采集开花后10 d 3个气候情景中的根系和土壤样品；(3)分别在播种后112、103 d和101 d采集灌浆期3个气候情景中的根系和土壤样品；(4)分别在播种后153、145、144 d采集成熟期3个气候情景中的根系和土壤样品。每次采样时对于各试验处理随机选择4盆进行破坏性采样。采样结束后，将根系样品在105℃进行杀青，然后在60℃烘至恒重，并称其质量。所有土样过2 mm筛后保存于4℃冰箱，土壤MBC和MBN含量的测量采用氯仿熏蒸法-K2SO4溶液浸提-multi N/C3100分析仪测定，MBP的测定采用氯仿熏蒸法-NaHCO3溶液浸提-UV-2600型紫外分光光度计比色测定[21]。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010 进行分析及相关图表制作，采用SPSS 20.0进行数据统计分析。采用重复测量(Repeated analysis)和最小显著性差异法(LSD)分别进行方差分析和显著性检验(α=0.05)。利用CANOCO5.0软件对土壤MBC、MBN、MBP与各影响因子的关系进行主成分(PCA)分析。图中数据为平均值±标准误，表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高和增温对不同水分条件下谷子各生育期土壤微生物生物量的影响

2.1.1 土壤微生物生物量碳(MBC) 图1表明，与CK处理(400 μmol·mol-1CO2浓度，22℃的环境温度)相比，在充分供水(土壤含水量为70% FC)条件下，CO2浓度升高(700 μmol·mol-1CO2浓度，22℃环境温度，EC)对成熟期土壤MBC含量的影响不显著(P>0.05)，但其使开花期、开花后10 d、灌浆期谷子土壤MBC含量分别增加了28.94%、102.52%、27.01%(P<0.05)。与仅CO2浓度升高(EC)的处理相比，充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4℃交互作用(700 μmol·mol-1CO2浓度，26℃环境温度，EC+T)对开花期土壤MBC含量无显著影响(P>0.05)，但其使开花后10 d、灌浆期、成熟期土壤MBC含量分别降低了28.22%、22.32%、19.77%(P<0.05)。与CK相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4℃的交互作用(EC+T)使开花期和开花后10 d的土壤MBC含量分别增加了44.37%和45.38%(P<0.05)。轻度干旱条件下(土壤含水量为50% FC)，3种气候情景(CK、EC、EC+T)之间的土壤MBC含量在谷子各生育期总体上无显著差异(P>0.05)。此外，与充分供水条件相比，在3个气候情景下，轻度干旱使开花期、开花后10 d、灌浆期谷子土壤MBC含量降低了14.70%～38.53%(P<0.05)，但其对成熟期土壤MBC的影响不显著(P>0.05)。

2.1.2 土壤微生物生物量氮(MBN) 由图2可以看出，与CK相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高(EC)处理使谷子开花期和开花后10 d的土壤MBN含量分别增加了27.02%和54.60%(P<0.05)，但其对灌浆期和成熟期土壤MBN含量的影响不显著(P>0.05)。与CO2浓度升高(EC)处理相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4 ℃的交互作用(EC+T)使开花期、开花后10 d、灌浆期、成熟期的土壤MBN含量分别降低了8.56%、17.73%、13.36%、20.24%(P<0.05)。与CK相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4℃的交互作用使开花期和开花后10 d的土壤MBN含量分别增加了16.15%和27.18%(P<0.05)。轻度干旱的条件下，3种气候情景(CK、EC、EC+T)之间的土壤MBN含量在谷子各生育期总体上无显著差异(P>0.05)。此外，与充分供水相比，在3种气候情景下，轻度干旱使开花期、开花后10 d、灌浆期土壤MBN含量降低了37.06%～78.10%(P<0.05)。

注：CK—400 μmol·mol-1 CO2和环境温度，EC—700 μmol·mol-1 CO2和环境温度，EC+T—700 μmol·mol-1CO2和增温4℃；不同小写字母代表在同一生育期内不同处理间存在显著差异(P<0.05)。下同。Note:CK—400 μmol·mol-1 CO2 and ambient temperature，EC—700 μmol·mol-1 CO2 and ambient temperature，EC+T—700 μmol·mol-1CO2 and temperature rising 4℃;Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same growth stage at P<0.05 level.The same below.图1 CO2浓度升高和增温对谷子各生育期土壤微生物生物量碳(MBC)的影响Fig.1 Effects of elevated CO2 concentration and temperature rising on soil microbial biomass carbon (MBC)at different millet growth stages

图2 CO2浓度升高和增温对谷子各生育期土壤微生物生物量氮(MBN)的影响Fig.2 Effects of elevated CO2 concentration and temperature rising on soil microbial biomass nitrogen (MBN)at different millet growth stages

2.1.3 土壤微生物生物量磷(MBP) 由图3可知，与对照(CK)处理相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高(EC)处理使谷子开花期和开花后10 d的土壤MBP含量分别增加了74.05%和161.42%(P<0.05)，但其对灌浆期和成熟期土壤MBP含量的影响不显著(P>0.05)。与仅CO2浓度升高(EC)处理相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4℃的交互作用(EC+T)使开花期、开花后10 d、灌浆期、成熟期的土壤MBP含量分别降低了39.70%、29.54%、34.61%、30.35%(P<0.05)。与CK相比，在充分供水的条件下，CO2浓度升高和增温4 ℃的交互作用(EC+T)对开花期的土壤MBP无显著影响(P>0.05)，但其使开花后10 d的土壤MBP含量增加了84.20%(P<0.05)。在轻度干旱条件下，3种气候情景(CK、EC、EC+T)间土壤MBP含量在谷子各生育期无显著变化规律。与充分供水条件相比，在3种气候情景下，轻度干旱对各生育期土壤MBP含量总体上无显著影响(P>0.05)。

图3 CO2浓度升高和增温对谷子各生育期土壤微生物生物量磷(MBP)的影响Fig.3 Effects of elevated CO2 concentration and temperature rising on soil microbial biomass phosphorus (MBP)at different millet growth stages

2.2 CO2浓度升高、增温、生育期及其交互作用对土壤微生物生物量的影响

由表4可知，在充分供水条件下，CO2浓度由400 μmol·mol-1升高到700 μmol·mol-1对土壤MBC、MBN、MBP含量有显著影响(P<0.05)；同时在700 μmol·mol-1CO2浓度下，增温4 ℃对土壤MBC、MBN、MBP含量也有显著影响(P<0.05)；CO2浓度升高和增温的交互作用对土壤MBC含量亦有显著影响，但对土壤MBN和MBP含量无显著影响(P>0.05)，CO2浓度升高与生育期交互作用对土壤MBC、MBN、MBP有显著影响(P<0.05)；增温与生育期交互作用对土壤MBC、MBN、MBP均未造成显著影响(P>0.05)，而CO2浓度升高、增温、生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP有显著影响(P<0.05)。在轻度干旱条件下，CO2浓度升高和增温二者均未对土壤MBC、MBN、MBP含量产生显著影响(P>0.05)；CO2浓度升高和增温的交互作用对土壤MBC含量有显著影响(P<0.05)，但其对土壤MBN和MBP含量无显著影响(P>0.05)；CO2浓度升高与生育期交互作用对土壤MBP含量造成显著影响(P<0.05)，但对土壤MBC和MBN含量无显著影响(P>0.05)；增温和生育期交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量均有显著影响(P<0.05)；CO2浓度升高、增温、生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量均有显著影响(P<0.05)。

表4 CO2浓度升高、增温、生育期及其交互作用对土壤微生物生物量的影响Table 4 Effects of elevated CO2 concentration,temperature rising,growth stage and their interaction on soil microbial biomass

2.3 CO2浓度升高和增温对不同水分条件下谷子各生育期地下生物量的影响

由表5可知，与对照(CK)相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高(EC)处理使谷子开花期和开花后10 d的地下生物量增加了85.71%和27.38%(P<0.05)，但其对灌浆期和成熟期的地下生物量的影响不显著(P>0.05)。与CO2浓度升高(EC)处理相比，在充分供水条件下，CO2浓度升高和增温4℃的交互作用(EC+T)使开花期和开花后10 d的地下生物量降低了15.12%和12.44%(P<0.05)，但其对灌浆期和成熟期的地下生物量影响不显著(P>0.05)。与CK相比，在充分供水的条件下，CO2浓度升高和增温4 ℃的交互作用(EC+T)对各生育期地下生物量影响不显著(P>0.05)。在充分供水条件下，3种气候情景(CK、EC、EC+T)下的地下生物量均随谷子生长发育逐渐累积。在轻度干旱条件下，3种气候情景间的地下生物量总体上无显著差异(P>0.05)，且其随谷子生长发育无显著变化(P>0.05)。

表5 CO2浓度升高和增温对谷子各生育期地下生物量的影响Table 5 Effects of elevated CO2 concentration and temperature rising on belowground biomass at different millet growth stages

3 讨 论

3.1 充分供水条件下土壤微生物生物量对CO2浓度升高和增温的响应

在充分供水条件下，CO2浓度升高显著增加谷子生育期前期土壤MBC、MBN、MBP含量，这与李奕霏等[22]和Bhattacharyya等[8]对稻田土壤以及Jin等[23]对小麦土壤的研究结果相似。本研究中CO2浓度升高导致谷子开花期和开花后10 d的地下生物量增加，且有研究表明地下生物量增加使作物向地下分配更多光合产物，增强土壤有机质，为土壤微生物的分解提供了更多底物[6,23]，进而增加土壤微生物生物量。此外，CO2浓度升高会抑制植物的蒸腾，改善土壤水分状况，提高土壤微生物对有机质的利用[24]；且良好的土壤水分状况会提高磷在土壤中的扩散率，增加土壤微生物对磷的吸收利用[25]。

相关研究表明，增温显著降低土壤MBC、MBN、MBP含量[26-28]。而本研究中，在土壤充分供水条件下，增温也显著降低谷子各生育期土壤微生物生物量，有研究认为这主要是因为增温加快土壤水分蒸发从而抑制土壤微生物[5]，但本研究的土壤含水量因受人为控制始终处于较为恒定状态，故上述解释并不适用。对本研究而言，高CO2浓度下作物和土壤间的养分周转速率加快，作物和土壤微生物对养分的竞争加剧[6]；而已有研究表明增温会直接对土壤微生物产生生理胁迫，导致土壤微生物对活性养分的利用效率降低[18]，故在高CO2浓度下，增温导致土壤微生物生物量降低。

3.2 轻度干旱条件下土壤微生物生物量对CO2浓度升高和增温的响应

与CO2浓度升高和增温相比，本研究中轻度干旱在轴1(横坐标轴)和轴2(纵坐标轴)的贡献率更高(图4)，这表明轻度干旱对土壤微生物生物量的影响显著高于CO2浓度升高和增温，这是由于土壤水分和土壤微生物的联系十分紧密，如部分获取C源的微生物需依靠水分进行活动和底物扩散[29]。此外，干旱导致部分土壤微生物改变自身资源分配，并产生“休眠现象”来降低自身的代谢和繁殖活动[30]。因此，相较于气候因子(CO2和温度)通过作物途径间接影响土壤微生物生物量，干旱对微生物的直接胁迫更易对土壤微生物生物量产生影响。

与充分供水相比，轻度干旱显著降低了谷子地下生物量(表5)，导致作物向下输送的养分减少，造成土壤微生物可利用基质减少[31-32]，故本研究中轻度干旱下土壤微生物生物量对CO2浓度升高和增温的响应总体上无显著变化，这与Thakur等[18]和Li等[33]的研究结果相似。此外，Andresen等[34]认为干旱胁迫环境能激发生态系统的缓冲机制，从而减弱了土壤微生物对气候变化的响应。但目前也存在与本研究相反的结论[17]，这可能与植物的物种有关，Xue等[10]发现CO2浓度升高可以缓解干旱对白羊草土壤MBC和MBN的抑制作用，但对紫花苜蓿无显著影响。

注：W—土壤含水量，T—温度，GS—生育期。Note:W—soil water content,T—temperature,GS—growth stage.图4 土壤微生物生物量与环境因子间的主成分分析Fig.4 Principal component analysis between soil microbial biomass and environmental factors

3.3 CO2浓度升高、增温、生育期交互作用对土壤微生物生物量的影响

在土壤充分供水条件下，CO2浓度升高和生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量有显著影响，具体表现为CO2浓度升高对土壤MBC、MBN、MBP的促进作用随谷子生育期呈逐渐降低的趋势，这可能是因为CO2浓度升高对作物的促进作用会随作物生育期逐渐减弱[35]。Seneweera等[36]和沙霖楠等[37]研究表明，CO2浓度升高能够抑制作物叶片光呼吸从而提高净光合速率，导致根系活力的提升，但此现象会随着生育期推移而逐渐减弱，这与本试验的研究结果一致。在土壤充分供水条件下，增温和生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量无显著影响，这表明本实验中增温对土壤MBC、MBN、MBP含量的影响未随谷子生长发育而改变。

在充分供水条件下，增温和CO2浓度升高的交互作用显著增加了谷子开花期和开花后10 d土壤微生物生物量，这表明CO2浓度升高可以显著缓解生育早期增温对土壤微生物生物量的抑制作用。这与Liu等[17]和Bhattacharyya等[8]对小麦和水稻的研究成果相似，且他们认为产生这种现象的原因可能是增温和CO2浓度升高的结合作用导致根系沉积物、根系分泌物、土壤活性养分的增加。

4 结 论

本研究采用盆栽试验，利用人工气候室控制CO2浓度和环境温度，设置了对照(400 μmol·mol-1CO2浓度、22℃环境温度)、CO2浓度升高(700 μmol·mol-1CO2浓度、22℃环境温度)、CO2浓度升高和增温(700 μmol·mol-1CO2浓度、26℃环境温度)3种气候条件，且每种气候条件均有2种土壤水分处理(充分供水和轻度干旱)，分析了CO2浓度升高、增温及其交互作用对谷子不同生育期土壤微生物生物量的影响。主要结论如下：

1)在充分供水条件下，CO2浓度升高使土壤MBC、MBN和MBP含量分别增加了27.01%～102.52%、27.02%～54.60%、74.05%～161.42%(P<0.05)，但其影响程度随着谷子生长而逐渐减弱；高CO2浓度下，增温使各生育期土壤MBC、MBN、MBP含量分别降低了19.77%～28.22%、8.56%～20.24%、29.54%～39.70%(P<0.05)。

2)在充分供水的条件下，CO2浓度升高和生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量有显著影响；但增温和生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量无显著影响；CO2浓度升高、增温、生育期的交互作用对土壤MBC、MBN、MBP含量有显著影响，其表现为CO2浓度升高和增温的交互作用显著增加了谷子开花期和开花后10 d的土壤MBC和MBN含量，二者在开花期的增幅分别为44.37%和16.15%(P<0.05)，在开花后10 d的增幅分别为45.38%和27.18%(P<0.05)。

3)在轻度干旱条件下，谷子各生育期的土壤MBC和MBN含量在3种气候情景之间无显著差异，而各生育期土壤MBP含量无明显变化规律。

4)在3种气候条件下，与充分供水相比，轻度干旱使开花期、开花后10 d、灌浆期土壤MBC和MBN含量分别降低了14.70%～38.53%和37.06%～78.10%(P<0.05)，但对土壤MBP含量影响不显著。

5)在充分供水条件下，CO2浓度升高使开花期和开花后10 d谷子地下生物量增加了85.71%和27.38%(P<0.05)，但对灌浆期和成熟期的地下生物量影响不显著；与EC相比，EC+T处理使开花期和开花后10 d的地下生物量降低了15.12%和12.44%(P<0.05)，但对灌浆期和成熟期的地下生物量影响不显著。在轻度干旱条件下，3种气候情景间的地下生物量总体上无显著差异。