沼液中HCO3-对水稻生长的类CO2施肥效应

万华琴，辜旭，何红梅，汤逸帆，申建华，韩建刚，朱咏莉

沼液中HCO3-对水稻生长的类CO2施肥效应

万华琴1,2，辜旭1，何红梅3，汤逸帆1，申建华4，韩建刚1,2，朱咏莉1,2

1南京林业大学生物与环境学院，南京 210037；2南京林业大学江苏省南方现代林业协同创新中心，南京 210037；3东台市黄海原种场，江苏东台 224200；4中粮家佳康（江苏）有限公司，江苏东台 224200

【目的】沼液富含氮素是其农田利用的基础，但不可忽视的是，沼液中还含有大量的HCO3-。探讨沼液还田过程中HCO3-的转化及其对水稻生长的影响，以期为沼液替代化肥，实施化肥减量及沼液资源化利用提供新的理论依据。【方法】设置沼液原液（BS）、去除HCO3-的沼液（BS−B）、去离子水加HCO3-（W+B）和去离子水（W）4个处理，采用13C标记技术，通过水稻苗期盆栽试验，观测CO2释放特征，同步分析水稻光合作用速率、胞间CO2浓度、干鲜重、株高，以及上覆水和土壤pH、HCO3-、NH4+含量等的变化。【结果】（1）BS处理下CO2释放速率为9.55—38.07 mg·kg-1·h-1，净累计释放量为4 654.06 mg·kg-1；BS−B处理下CO2释放速率为4.55—17.25 mg·kg-1·h-1，净累计释放量为780.68 mg·kg-1；W+B处理下CO2释放速率为3.93—26.33 mg·kg-1·h-1，净累计释放量为1 274.07 mg·kg-1；W处理下CO2释放速率为3.22—11.90 mg·kg-1·h-1，累计释放量为2 265.20 mg·kg-1。BS处理下CO2平均释放速率分别是BS−B和W+B的4.18倍和2.44倍，净累计释放量分别是BS−B和W+B的5.96倍和3.65倍，均显著高于BS−B和W+B处理。同时，BS处理下的CO2净累计释放量大于BS−B与W+B两个处理之和，因此HCO3-与沼液中其他组分在对CO2释放影响方面存在协同效应。（2）培养期内BS处理下13CO2的净累计释放量为32.87 mg·kg-1，占土壤-水稻系统CO2净累计释放量的0.71%；W+B处理下13CO2的净累计释放量为13.18 mg·kg-1。相比较而言，BS处理下的13CO2净累计释放量显著高于W+B（＜0.05），这表明沼液中的其他组分促进了HCO3-向CO2的转化。（3）BS和BS−B处理在前12 h水稻的净光合速率显著高于W+B和W处理；添加培养液后2—7 d，BS处理下的净光合速率值显著高于BS−B，同时，整个培养期间均显著高于W+B处理（＜0.05），沼液中的HCO3-显著改善了水稻叶片的光合作用。相比较而言，BS处理前5 d胞间CO2浓度均显著低于其他3个处理。BS和BS−B处理下水稻株高和水稻鲜重均显著高于W+B和W处理（＜0.05），4个处理间水稻干重无显著差异。（4）BS处理水稻幼苗固定的13CO2量为4.05 g·kg-1，标记物H13CO3-利用率为18.54%；W+B处理的13CO2固定量为3.29 g·kg-1，H13CO3-利用率为14.20%。H13CO3-源的13CO2促进水稻光合作用，有利于水稻生长。（5）BS和W+B处理下CO2及13CO2释放速率均与上覆水和土壤HCO3-含量、pH显著相关；同时，BS和W+B处理下水稻光合速率均与土壤中HCO3-含量显著正相关。【结论】沼液还田，大量HCO3-转化显著促进了CO2的释放，有利于水稻光合作用。土壤中的HCO3-含量和土壤pH是影响CO2释放和水稻光合作用的重要因素。同时，水稻对沼液中的HCO3-具有更高的利用率，沼液中的HCO3-存在明显的类CO2施肥效应。

沼液；HCO3-；13C标记；水稻；CO2施肥效应；光合作用

0 引言

【研究意义】沼液是沼气工程的副产物，一般指分离沼渣后的液体（NY/T2065—2011《沼渣、沼液施用技术规范》）。以往的研究表明，沼液富含氮素和作物生长所需的其他养分，施用于农田可以显著提高作物产量[1-3]。因此，长期以来，沼液一直作为我国农田化肥减量增产增效行动的优质替代选项而被广泛应用。沼液富含NH4+是其长期以来农田利用的基础。然而，不应忽视的是，沼液中还含有高于NH4+含量数倍的HCO3-。HCO3-大量形成于沼气工程厌氧发酵产CH4阶段[4]，其在沼液中的含量高达3—9 g∙L-1。目前，有关沼液中HCO3-的认识主要是其与NH4+共存，维持着沼液pH的稳定，对沼液中HCO3-在施入土壤后的赋存和转化目前还未见报道。尤其是，HCO3-及其转化对作物生长的影响尚未可知。【前人研究进展】WEST等[5]与HANNAM等[6]研究发现，无论土壤还是灌溉水中HCO3-含量的增加均会引起土壤CO2释放增加，HCO3-对土壤CO2的释放具有显著的促进作用。沼液施入田间后将引起土壤中HCO3-浓度的显著变化，HCO3-的转化将释放数量可观的CO2。假定这部分CO2快速大量释放，这可能使得沼液还田过程存在短暂但不容忽视的CO2排放源。如果CO2的释放维持高量且持续较长时间，那么，这是否对作物生长产生助长——即CO2施肥效应呢？周娟等[7]、袁嫚嫚等[8]和牛玺朝等[9]发现大气CO2浓度升高200 μmol∙mol-1时，水稻增产可达12.9%—24.17%；当田间CO2浓度维持在800—1 000 μmol∙mol-1时，施肥效应更加显著[10-11]。对CO2施肥效应最敏感的指标被认为是作物光合速率[12-13]，光合速率的提高可有效促进作物生长发育及增产，如高浓度CO2条件下水稻叶片、茎鞘和稻穗生物量增幅可达16%—29%[14]。【本研究切入点】为了探讨沼液中HCO3-在施入土壤后的转化以及对作物生长的影响，本文以沼液用量较大的稻田为原型，设置沼液原液（BS）、去除HCO3-的沼液（BS−B）、去离子水加HCO3-（W+B）和去离子水（W）4个处理，采用13C标记技术，通过水稻苗期盆栽试验，观测土壤CO2释放特征，同步测定水稻光合作用速率、干鲜重、株高，以及上覆水和土壤pH、HCO3-含量、NH4+等。【拟解决的关键问题】以期揭示沼液中HCO3-对水稻生长潜在的类CO2施肥效应，为沼液还田效应的科学评估与调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土壤采自江苏省东台市黄海原种场（32°38′23′′N，120°53′59′′E）稻田。区域是暖温带和亚热带过渡带，年均降水量1 061 mm，年均气温15.0℃。研究区毗海临滩，土地成本低，分布着许多大型规模化畜禽养殖企业。沼液还田在当地已被农户广为接受。

水稻收获后，按照S形布点法多点采集0—20 cm土层土壤制成混合土样，风干后过2 mm筛，备用。土壤为粉砂质壤土，基本理化性质如表1。参照土壤农化分析与环境监测[15]分别采用pH计（pHS-3C型）测定土壤pH，电导率仪（FE30 Plus）测定EC值，TOC仪（Multi N/C 3100）测定总有机碳（TOC），凯氏定氮法测定全氮（TN），钼锑抗分光光度法测定全磷（TP），比重计法测定土壤颗粒组成。

表1 土壤理化性质

1.2 供试沼液

沼液选自中粮肉食（江苏）有限公司的沼气发电站，该项目采用目前普遍应用的大型水泡粪工艺清理并收集猪舍内粪污，由匀浆池（固体浓度控制在2.0%—3.0%）混合升温处理后进入发酵罐，36—38℃的全混合厌氧反应器（CSTR）中发酵15—20 d。产生的沼气并网发电，液体进入存贮池。存贮池中液体稳定1—2个月后，底部为沼渣，中上部为沼液。在沼液池出口采集沼液，使用带有刻度的塑料桶收集沼液。沼液基本理化性质如表2。采用AA3流动分析仪测定NH4+-N浓度，双指示剂中和滴定法测定HCO3-的浓度[16]。

表2 沼液理化性质

1.3 培养液配置

设置沼液原液（BS）、去除HCO3-的沼液原液（BS−B）、去离子水加HCO3-（W+B）和去离子水（W）4种培养液。BS−B、W+B和W等3种培养液配置方法如下：

（1）BS−B：向沼液原液中加入5 mol∙L-1的HCl搅拌3 min调节pH至6.7，观察待溶液中无气泡产生时加入2 mol∙L-1的NaOH中和过量HCl并调节沼液pH同于沼液原液；

（2）W+B：向去离子水中加入NaHCO3，使其中HCO3-的浓度与沼液原液相同，调节溶液pH同于沼液原液；

（3）W：用NaOH调节溶液pH同于沼液原液。

1.4 13C标记

在上述培养液的基础上，向BS和W+B两种培养液中加入13C-NaHCO3（丰度99%），混合均匀后的BS和W+B培养液中13C丰度为15%。BS（13C-NaHCO3）、BS−B、W+B（13C-NaHCO3）和W等4种培养液用于盆栽水稻试验。

1.5 盆栽试验

在人工气候箱（托普RTOP-1000YD）内进行水稻育秧，培养箱温度控制在20—28℃，湿度为70%，光照设置为白天光照等级为10级16 h·d-1，夜间0级8 h·d-1。育苗20 d后，选取长势一致的秧苗进行移栽。供试水稻品种为淮稻5号。

取供试土壤2.0 kg加入盆钵中（上径17 cm，底径14 cm，高20 cm的塑料盆），加水至饱和，在人工气候箱中25℃下预培养2—3 d，按照每盆3穴，每穴3株秧苗进行移栽，待水稻秧苗生长稳定后（3 d），分别加入1.3中配置的4种培养液120 mL，液面高出土壤5 cm。于人工气候箱中培养，每个处理3盆。水稻生长期间根据上覆水层标记位置施用去离子水补充各处理蒸散损失的水分。

添加培养液第1天的2、6、12和18 h及之后第2、3、5、7、10和15天采集气体样品。使用透明取气箱（长30 cm、宽20 cm、高40 cm）进行气体样品富集及采集，取气箱顶部设置有气孔样品采集口，每次采集时间为上午9：00—11：00，富集前将透明取气箱置于盆栽体系中，使用20 mL一次性注射器通过取气孔进行气体样品采集，气体样品采集时间原则为直至检测出气体样品CO2释放速率无显著差异时，即停止气体样品的采集。采集后立即封闭取气孔，富集2 h，立即进行第二次气体样品采集，采集结束后即取下透明取气箱。气体样品用于CO2浓度和δ13CO2丰度的测定。取样期间，同步使用光合速率仪（LI-COR，Lincoln，NE,USA）测定水稻光合速率、胞间CO2浓度等光合数据。

气样采集完毕后，用20 mL注射器分6处小心抽取培养盆内表面水（约2.5 cm水层处）20 mL于洁净的塑料瓶中，用于测定上覆水NH4+-N浓度（（w）NH4+-N）、HCO3-浓度（（w）HCO3-）和pH（（w）pH），取水样时注意不要干扰土层。随后，用小型取土器多点小心采集30 g鲜土，用于测定土壤NH4+-N（（s）NH4+-N）、HCO3-含量（（s）HCO3-）和pH（（s）pH）。样品放在4℃冰箱中保存待测。整个培养期间共取上覆水200 mL，鲜土300 g，均少于总量的10%。最后一次气体样品、水样和土样采集完毕后，进行植株的采集与测定。

1.6 土壤-水稻系统CO2释放速率及累计释放量计算

采用安捷伦7890A型气相色谱仪（Agilent 7890A Series GC）测定气样中CO2的含量，测定CO2的检测器为热导检测器（TCD）。标准气由中国计量科学研究院提供（595669#），平衡气体为N2，CO2浓度为712×10-6。通过标准气体和待测气体的峰面积比值计算样品中CO2的浓度。土壤-水稻系统CO2释放速率（）与累计释放量（）计算如下：

=（1）

=×10-3（2）

式中，为CO2释放速率（mg·kg-1·h-1）；2为富集2 h后CO2质量浓度（mg·L-1）；1为富集前CO2质量浓度（mg·L-1）；为取气箱体积（L）；为塑料盆中土壤质量（kg）；为富集时间（h）；'为测得的气体体积分数（10-6）；为气体的分子量（g·mol-1）；为大气压，101 600 （Pa）；22.4为标准状况下气体常数（L·mol-1）；为环境温度（℃）；10-3为单位换算系数。

=××24 （3）

式中，为培养期CO2累计释放量（mg·kg-1）；F和F，分别为第次和第+1次测定的CO2释放速率（mg·kg-1·h-1）；为相邻两次检测间隔天数（d）；24为时间换算常数。

采用Delta V Advantage稳定气体同位素质谱仪（ThermoFinnigan，German）检测CO2的13C和12C比率，并与国际标准物（Pee Dee Belnite或PDB）对比后计算出样品的δ13C值，即R。13CO2净释放速率和碳同位素计算如下：

13=(-1)×1000‰ （5）

式（4）中，为13CO2净释放速率（mg·kg-1·h-1）；2为富集后气体的质量浓度（mg·L-1）；1为富集前气体的质量浓度（mg·L-1）（1和2计算同式（2））；2为富集后δ13CO2（%）；1为富集前δ13CO2；ck为未添加标记物的W处理δ13CO2的平均值，为1.10%；为气体总体积（L）；为盆栽土壤质量（kg）。式（5）中，δC为样品中13C的丰度（%）；R为实测样品中13C与12C的比值（%）；R为标准物中13C与12C的比值（%）。

13CO2净累计释放量计算同式（3）。

1.7 植株样品采集与测定

培养结束后，将水稻整株取出，用去离子水洗净水稻根部，放置试验台上晾干水稻表面水后测定水稻的株高，用电子天平（赛多利斯BSA124S，精确度0.001）测定水稻鲜重。将水稻装于纸袋中，烘箱110℃杀青2 h后，80℃下恒温烘干24 h，烘干后置于电子天平上测定水稻干重。

此后，去除水稻根部，茎叶经研磨后过60目筛，保存待测。称取0.2—0.3 mg研磨后的植株样品置于锡纸中，样品包装完成后放置在Flash 2000EA元素分析仪（Thermo Electron，USA）中高温燃烧后采用Delta V Advantage稳定气体同位素质谱仪（ThermoFinnigan，German）测定δ13C。计算公式同式（5）。

称取0.2—0.3 mg研磨后的样品采用TOC固体模块瓷舟固体燃烧法测样品全碳（TC）含量，计算公式如下：

=（6）

式（6）中，为植株全碳含量（g·kg-1）；为水稻植株碳总量（g）；为水稻干重（kg）。

水稻植株中13CO2固定量计算如下：

13=××(13-13Cck) （7）

式（7）中，13为13CO2固定量（g）；为水稻全碳含量（g·kg-1）；为水稻干重（kg）；δC为样品中13C的丰度（%）；δCck为未加标记物的W处理水稻植株的13C丰度，为1.08%。

H13CO3-利用率计算如下：

式（8）中，为H13CO3-利用率（%）；T为水稻植株中13C固定量（g）；′为添加的13C-NaHCO3中13C的量（g）。

1.8 数据处理与分析

使用SPSS 26.0统计软件进行单因素方差分析，差异显著性用字母标记法，不同小写字母代表处理间差异显著（＜0.05），Person相关系数分析CO2释放速率、13CO2释放速率和水稻光合作用性状与影响因子之间的相关性，并用Origin 9.0进行作图。

2 结果

2.1 土壤-水稻系统CO2和13CO2释放速率及累计释放量

由图1-A可以看出，BS处理下土壤-水稻系统CO2释放速率从添加培养液后2 h时的38.07 mg·kg-1·h-1迅速下降至15 d时的9.55 mg·kg-1·h-1，BS−B处理下CO2释放速率从最高的17.25 mg·kg-1·h-1下降至4.55 mg·kg-1·h-1。整体上，BS处理CO2平均释放速率是BS−B的4.18倍。相比较而言，W+B处理CO2释放速率在2 h时为最高（26.33 mg·kg-1·h-1），W处理下在12 h达到峰值（11.90 mg·kg-1·h-1）。此后，两个处理CO2释放速率降至15 d时的3.93和3.22 mg·kg-1·h-1。BS与W+B处理相比较而言，前者平均释放速率是后者的2.44倍。同时，BS处理下CO2释放速率是BS−B和W+B两个处理之和的1.54倍。

图1 土壤-水稻系统CO2释放速率与累计释放量

BS处理下CO2总释放量与其他3个处理存在显著差异（图1-B），表现为BS>W+B>BS−B>W处理（＜0.05）。其中，BS处理的净累计释放量（以W为CK）为4654.06 mg·kg-1，BS−B和W+B分别为780.67和1274.07 mg·kg-1。BS处理CO2净累计释放量分别是BS−B和W+B的5.96和3.65倍。同时，BS净累计释放量显著高于（BS−B）和（W+B）处理之和（2054.74 mg·kg-1）。

添加13C标记处理的13CO2释放速率见表3。BS和W+B处理下13CO2释放速率随时间变化均呈现下降趋势。添加培养液18 h后BS处理下的13CO2净释放量显著高于W+B处理（＜0.05）。培养期间，BS处理下13CO2净累计释放量显著高于W+B处理（＜0.05）。

2.2 沼液施加对水稻光合性状和生物量的影响

由图2可见，BS和BS−B处理在前12 h水稻的净光合速率显著高于W+B和W处理（＜0.05）。2—7 d，BS处理净光合速率显著高于BS−B处理（＜0.05）。相比较而言，前5 d，BS处理下胞间CO2浓度显著低于其他3个处理。

图3可见，不同处理间水稻株高与单株鲜重的变化相似，均表现为BS与BS−B处理间无显著差异，但二者均显著高于W+B与W处理（＜0.05）。水稻干重在4个处理间无显著差异。

表3 H13CO3-转化的13CO2即时浓度、释放速率及释放量

“*”表示相同时间BS与W+B处理13CO2释放量具有显著差异（＜0.05）

“*” Indicates that there is significant difference in13CO2release quantity between BS and W+B treatment at the same time (＜0.05)

2.3 水稻对13CO2的固定量及对H13CO3-标记物的利用率

以未添加13C标记物的W处理所检测出的水稻地上部分13C丰度为对照，分别计算添加13C标记（13C -NaHCO3）的BS和W+B处理对13CO2的固定量。BS和W+B处理下水稻固定13CO2量的分别为4.05和3.29 g·kg-1，对H13CO3-的利用率分别为18.54%和14.20%（表4）。

2.4 土壤-水稻系统CO2和13CO2释放的影响因素

相关性分析表明（表5），BS处理下CO2释放速率与（w）HCO3-浓度、（w）NH4+-N浓度和（s）pH显著正相关，与（w）pH和（s）HCO3-含量显著负相关（＜0.01）。BS-B处理下CO2释放速率与（w）NH4+-N浓度、（s）HCO3-浓度和（s）pH浓度显著正相关，与（w）HCO3-浓度显著负相关（＜0.01）。W+B处理下CO2释放速率与（w）HCO3-浓度、（w）pH和（s）NH4+-N含量显著正相关，与（s）HCO3-含量和（s）pH显著负相关（＜0.01）。W处理下CO2释放速率与（w）HCO3-浓度、（w）NH4+-N浓度显著正相关（＜0.01）。

图2 施加不同培养液对水稻光合性状的影响

图3 施加不同培养液水稻平均株高（a）、单株鲜重（b）和干重（c）

表4 水稻对H13CO3-转化的13CO2的固定量与对H13CO3-的利用率

不同小写英文字母代表BS与W+B处理间具有显著差异（＜0.05）

Different lowercase letters represent significant difference between BS and W+B treatment (＜0.05)

BS处理下13CO2释放速率与（w）HCO3-浓度、（w）NH4+-N浓度和（s）pH显著正相关（＜0.01），与（w）pH、（s）HCO3-和（s）NH4+-N显著负相关（＜0.01）（表6）。W+B处理下13CO2释放速率与（w）HCO3-浓度显著正相关（＜0.01），与（s）HCO3-和（s）pH显著负相关（＜0.01）（表6）。

表5 CO2释放速率与上覆水及土壤性状因子的相关性

*:＜0.05；**:＜0.01. （w）HCO3-：上覆水HCO3-浓度；（w）NH4+-N：上覆水NH4+-N浓度；（w）pH：上覆水pH；（s）HCO3-：土壤HCO3-含量；（s）NH4+-N：土壤NH4+-N含量；（s）pH：土壤pH。下同

(w)HCO3-: HCO3-concentration of overlying water; (w)NH4+-N: NH4+-N concentration of overlying water; (w)pH: pH of overlying water; (s)HCO3-: HCO3-content of soil; (s)NH4+-N: NH4+-N content of soil; (s)pH: soil pH. The same as below

表6 BS和W+B处理下13CO2释放速率与上覆水及土壤性状因子的相关性

*:＜0.05；**:＜0.01

2.5 水稻光合性状的影响因素

相关性分析表明（表7），BS处理下水稻的净光合速率与（w）HCO3-浓度显著正相关（＜0.05）。BS−B处理下水稻的净光合速率与（w）NH4+-N浓度、（s）pH和CO2释放速率显著正相关（＜0.01），与（w）HCO3-浓度显著负相关（＜0.05）。W+B处理下水稻的净光合速率与（w）HCO3-浓度和13CO2释放速率显著正相关（＜0.01），与（s）pH显著负相关（＜0.05）。W处理下水稻的净光合速率与（w）HCO3-浓度、（s）pH和CO2显著负相关（＜0.05）。4个处理下胞间CO2浓度与各环境因子均无显著相关性。

3 讨论

3.1 沼液中HCO3-对土壤-水稻系统CO2释放的影响

研究表明，土壤中HCO3-含量的增加会促进土壤CO2释放[17]；并且当土壤中HCO3-含量较高时会对CO2排放起主导作用[18]。由图1可知，BS处理下土壤-水稻系统CO2释放速率是BS−B的4.18倍，净累计释放量是BS−B的5.96倍。这表明，沼液中的HCO3-显著提高了系统CO2的释放。同时，BS处理的释放速率与净累计释放量大于BS−B与W+B处理之和，这表明，HCO3-与沼液中其他组分在对CO2释放影响方面存在协同效应。相关分析表明（表5、表6、表7），土壤-水稻系统CO2和13CO2的释放速率，以及水稻叶片光合速率的变化均与土壤pH密切相关。沼液施入稻田后，一部分NH4+被上覆水中的O2氧化[19]，释放H+, HCO3-与H+反应释放CO2；与此同时，数量可观的NH4+吸附于土壤，经水稻根系吸收，释放H+[20]（图4）。这部分H+与迁移至土壤中的HCO3-反应生成CO2。显然，NH4+转化（氧化、吸收）释放H+，使体系pH下降，但与其同步发生的HCO3-对H+的消耗（释放CO2）又会使体系pH升高。相比较而言，上覆水中CO2的释放属于“快反应”，而土壤中CO2的释放属于“慢反应”。最终，土壤pH的变化主导了CO2的排放（13CO2），与13CO2释放速率成正比。即，13CO2排放量越高，H+消耗越多，pH升高。同时，水稻生长的加快，可能导致根系呼吸作用的增强使CO2释放增加[21]。此外，沼液中含有的小分子有机酸的快速矿化也可能释放CO2。另一方面，沼液由于HCO3-、NH4+和小分子物质的共存使其中溶解的CO2相对独立的存在，但当施入稻田后，这部分CO2的释放可能也不容忽视，成为土壤CO2释放的重要组成部分。因此，土壤呼吸[22]、根系呼吸、沼液中小分子有机酸的矿化、溶解的CO2的释放、以及碳酸盐CO2的释放可能是系统CO2释放与pH正相关的主要原因。另一方面，H13CO3-转化的13CO2（13C量）占其添加总量的64.36%。这表明，数量可观的H13CO3-仍存留在土壤中。这部分HCO3-可能伴随水稻根系对NH4+的吸收（H+的释放）而释放CO2。显然，这部分HCO3-的转化可能是一个长期的慢反应过程，其可能参与到土壤有机-无机碳的周转过程，特别是对这部分CO2释放的忽略或考虑不足可能高估稻田土壤有机碳的矿化损失。综上所述，水稻苗期利用沼液过程中，土壤pH的变化主导着HCO3-的转化以及土壤CO2的释放。水稻净光合速率与土壤pH的正相关可能源于NH4+的转化和利用。这也表明，沼液在酸性或碱性土壤中的应用可能对土壤CO2的释放及水稻生长产生更显著的影响。

表7 盆栽试验中水稻光合性状与环境因子的相关性

*：＜0.05；**：＜0.01

图4 BS处理土壤CO2释放途径及机理分析

3.2 沼液中HCO3-对水稻生长的影响

CO2施肥效应是指CO2浓度升高增加了叶片的光合作用和生态系统的初级生产力的过程[23]。一般认为，施加沼液后作物产量增加的原因在于沼液改善了土壤性状进而使作物增产[24]，或者沼液中丰富的营养成分优于化学肥料而直接对作物生长有益[25]。由于HCO3-在沼液中的含量高达7 000 mg·L-1左右，其在土壤中潜在的重要转化路径之一即是CO2的生成。然而，目前对沼液中HCO3-转化的相关过程以及其是否存在类CO2施肥效应尚不清楚。研究表明，高浓度CO2显著提高水稻幼苗净光合速率和水稻生物量[26]。邵在胜等通过开放式大气CO2浓度增加试验发现，CO2浓度升高200 μmol∙mol-1时对水稻拔节期和抽穗开花期的光合作用有显著的促进作用[27-29]。本试验中，添加培养液第2—7天，BS处理下净光合速率显著高于BS-B处理。并且，培养15 d时水稻植株中13CO2固定量达到了4.05 g·kg-1，H13CO3-利用率为18.54%。显然，尽管在较短的培养时间（15 d）下，沼液中的H13CO3-通过转化为13CO2且贡献于水稻幼苗生物量的形成（表4）。结合净光合速率与胞间CO2浓度的差异，可以认为，沼液中HCO3-对水稻生长具有类CO2施肥效应。

本试验仅模拟了一次沼液施用（苗期）的效应，水稻净光合速率，胞间CO2浓度率先在BS与BS−B处理表现出显著差异（图2），相比较而言，株高、鲜重和干重的差异尚未表现出来（图3）。这一现象的原因可能在于一次施肥CO2的释放主要在前2 d（图1），且水稻处于幼苗期，生物量积累较少，且稻苗收获时间的早或晚也可能会导致效应不明显或相关效应随时间延长又被“稀释”。因此，苗期光合作用参数可能是最好反映这一效应的指标。要从生物量与产量指标揭示这一施肥效应，还需要开展全生育期的系统研究。

此外，BS处理水稻植株固定的13C占到H13CO3-（13C量）的18.54%（表4），这表明，除贡献于水稻生物量形成之外，仍有数量可观的HCO3-存留于土壤中。因此，沼液中的HCO3-并非在施入田间后快速转化为CO2释放至大气，增加温室效应气体的排放。存留于土壤中的这部分HCO3-是否、以及如何参与稻田土壤的碳循环，特别是对土壤有机碳矿化及作物生长的影响还需要进一步探索。值得进一步关注的是，添加13C标记的BS处理13CO2净累计释放量占到土壤-水稻系统CO2净累计释放量的比例为0.71%（图1、表3）。这说明，观测到的土壤CO2的释放并非全部源于土壤有机碳的矿化。以往在土壤CO2释放及评估过程中对无机碳源CO2的忽略或研究不足可能会显著高估土壤有机碳的损失。

综上所述，沼液中的HCO3-通过类CO2施肥效应贡献于水稻生长，今后对其生物量与产量的增加幅度还需要在全生育期开展系统研究。目前，沼液保存与资源化利用实践中，通过酸化、膜吸附等预先去除沼液中的CO2与HCO3-的做法[30]不仅需要额外的装置与成本，增加了人为向大气排放CO2的比例，而且很可能“关闭”了作物潜在的增产途径。

本研究揭示了沼液促进作物生长及增产的潜在途径及机理，这不仅对沼液替代化肥，实施化肥减量具有重要意义，而且有利于沼液中高量无机碳的固定，同时也为沼液究竟是资源化利用，还是视作“污水”进行处置这一长期以来的争议的解决提供了新的事实与判据。

4 结论

4.1 沼液中的HCO3-可以显著增加土壤CO2释放速率与释放量。水稻苗期利用沼液的过程中，土壤pH的变化主导着HCO3-的转化以及土壤CO2的释放。

4.2 沼液中的HCO3-及其转化的CO2均对水稻生长和光合作用具有显著的促进作用。且沼液施用条件下，水稻对HCO3-具有更高的利用率。沼液中的HCO3-具有显著的类CO2施肥效应。

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Effect of CO2Like Fertilization on Rice Growth by HCO3-in Biogas Slurry

WAN HuaQin1, 2, GU Xu1, HE HongMei3, TANG YiFan1, SHEN JianHua4, HAN JianGang1,2, ZHU YongLi1, 2

1College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037;2Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing, 210037;3Huanghai Seed Stock Farm, Dongtai 224200, Jiangsu;4COFCO Jiajiakang (Jiangsu) Co., Ltd., Dongtai 224200, Jiangsu

【Objective】Biogas slurry is rich in nitrogen (N), which is the basis of its farmland utilization. However, it also contains a large amount of HCO3-. In this study, the conversion of HCO3-in biogas slurry and its effect on rice growth were investigated, in order to provide a new theoretical basis for replacing chemical fertilizer with biogas slurry, reducing the amount of chemical fertilizer, and whether biogas slurry could be utilized as resources. 【Method】Four treatments, including biogas slurry (BS), biogas slurry (BS-B), deionized water plus HCO3-(W+B) and deionized water (W), were set up in this paper. Using13C labeling technology, the characteristics of CO2release were observed through pot experiment at Rice Seedling Stage, and the photosynthetic rate, intercellular CO2concentration, dry and fresh weight, plant height, overlying water and soil pH, and HCO3-and NH4+contents were analyzed. 【Result】(1) Under BS treatment, CO2release rates ranged from 9.55 to 38.07 mg·kg-1·h-1, with a net cumulative release of 4 654.06 mg·kg-1. Under BS-B treatment, the CO2release rates ranged from 4.55 to 17.25 mg·kg-1·h-1, and the net cumulative release was 780.68 mg·kg-1. Under W+B treatment, the CO2release rate was 3.93-26.33 mg·kg-1·h-1, and the net cumulative release was 1 274.07 mg·kg-1. Under W treatment, the CO2release rate was 3.22-11.90 mg·kg-1·h-1, and the cumulative release amount was 2 265.20 mg·kg-1. Under BS treatment, the average CO2release rate was 4.18 times and 2.44 times of BS−B and W+B, respectively, and the net cumulative CO2release was 5.96 times and 3.65 times of BS-B and W+B, respectively, which were significantly higher than those under BS−B and W+B treatments. At the same time, the net cumulative release under BS treatment was greater than the sum of the two treatments (BS-B) + (W+B), and HCO3-had a synergistic effect with other components in biogas slurry on CO2release. (2) The net cumulative release of13CO2under BS treatment was 32.87 mg·kg-1, accounted for 0.71% of the net cumulative release of CO2in soil-rice system. The net cumulative release of13CO2under W+B treatment was 13.18 mg·kg-1. In comparison, the net cumulative release amount of13CO2under BS treatment was significantly higher than that under W+B treatment (＜0.05), indicated that other components in biogas slurry promoted the conversion of HCO3-to CO2. (3) The net photosynthetic rate of BS and BS−B treatments in the first 12 h was significantly higher than that under W+B and W treatments. After the addition of culture medium, the net photosynthetic rate under BS treatment was significantly higher than that under BS−B treatment at 2-7 d, and was significantly higher than that under W+B treatment during the whole culture period (＜0.05). HCO3-in biogas slurry significantly improved the photosynthesis of rice leaves. In comparison, the intercellular CO2concentration was significantly lower than that of the other three treatments 5 days before BS treatment. Rice plant height and fresh weight under BS and BS-B treatments were significantly higher than those under W+B and W treatments (＜0.05), and there was no significant difference in dry weight among the four treatments. (4)The fixed13CO2content of rice seedlings treated by BS was 4.05 g·kg-1, and the utilization rate of marker HCO3-was 18.54%. The fixed amount of13CO2in W+B treatment was 3.29 g·kg-1and the H13CO3-utilization rate was 14.20%. The13CO2of H13CO3-promoted the photosynthesis of rice and was beneficial to the growth of rice. (5) The release rates of CO2and13CO2under BS and W+B treatments were significantly correlated with overlying water and soil HCO3-content and pH. At the same time, the photosynthetic rate of rice under BS and W+B treatments was significantly positively correlated with HCO3-content in soil. 【Conclusion】When biogas slurry was returned to the field, a large amount of HCO3-transformation significantly promoted the release of CO2, which was beneficial to rice photosynthesis. Soil HCO3-content and soil pH value were important factors for affecting CO2release and rice photosynthesis. At the same time, the rice had a higher utilization rate of HCO3-in biogas slurry, and HCO3-in biogas slurry had obvious CO2-like fertilization effect.

biogas slurry; HCO3-;13C marking; rice; CO2fertilization effect; photosynthesis

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.22.010

2021-09-22；

2021-12-16

国家重点研发计划（2017YFC0505803）、江苏高校优势学科建设工程项目（PAPD）

万华琴，E-mail：wanhuaki@163.com。通信作者韩建刚，E-mail：hjg@njfu.edu.cn。通信作者朱咏莉，E-mail：lyly1262011@126.com

（责任编辑 李云霞）