芒草基因型差异对土壤碳储量的影响及其在碳汇与植物育种中的意义

本研究通过10年田间试验，揭示了芒草（Miscanthus）基因型对土壤有机碳（SOC）储量的显著影响，发现不同基因型间SOC差异高达32 Mg ha?1。研究证实大根茎质量与C4碳输入正相关，落叶量与SOC增加相关，为生物能源作物育种提供了重要碳汇优化策略。

　　

芒草基因型差异对土壤碳储量的影响及其在碳汇与植物育种中的意义

1 引言

作为具有20年生命周期的C₄植物，芒草（Miscanthus）因其快速生物量积累和低投入特性，成为生物能源生产的重要候选作物。本研究通过长期田间试验，重点探讨了从管理草地转为芒草种植后，不同基因型对土壤有机碳（SOC）储量的差异化影响。利用C₄植物特有的δ¹³C同位素特征，追踪了芒草衍生碳在土壤中的归趋。

2 材料与方法

试验位于英国Aberystwyth的边际农业用地，土壤为砂质壤土（pH 5.3）。2012年建立包含13个芒草基因型（涵盖5个物种组）的随机区组试验，采用1.96株/m²的种植密度。通过8.5 cm直径土钻分别在种植前（T₀）和10年后（T₁₀）采集土壤样品，分析0-50 cm深度的SOC变化。使用元素分析-同位素比值质谱（ANCA-SL-IRMS）测定碳氮含量及同位素组成。

3 结果

3.1 SOC储量变化

10年种植后，所有基因型平均SOC储量（0-30 cm）达81.7±1.9 Mg ha^?1，与种植前（79.4±3.9 Mg ha^?1）无显著差异。但基因型间差异显著，最高（OPM10，97.3 Mg ha^?1）与最低（OPM12，65.1 Mg ha^?1）相差32 Mg ha^?1。值得注意的是，20-30 cm深度的SOC变异最大，三个基因型（OPM9/12/15）在该层储量显著低于其他。

3.2 芒草衍生碳特征

0-10 cm土层中，OPM10的C₄-C比例显著高于其他基因型。根茎生物量（3.8-26.2 Mg ha^?1）与C₄-C积累呈正相关（R²=0.86），而粗根生物量（2.5-12.6 Mg ha^?1）分布更均匀。Sac×Rob杂交组在10-20 cm层的总衍生碳（7.5±1.5 Mg ha^?1）显著高于Sin组（2.7±0.6）。

3.3 农艺性状关联

Sac物种组产量最高（32±2 Mg ha^?1），但产量与SOC无显著相关性。成熟期落叶量（1-13 Mg ha^?1）与SOC增加相关（R²=0.62）。商业品种OPM9（M.×giganteus）和OPM11均未表现出SOC降低。

4 讨论

4.1 基因型特异性影响

研究发现基因型而非物种组决定SOC积累能力，这与前人关于M.sinensis更具碳汇优势的结论形成对比。仅2个基因型（OPM12/15）表现出显著较低的SOC储量，为育种提供了广阔选择空间。

4.2 地下生物量作用

根茎质量与C₄-C的强关联性揭示了其通过快速矿化影响碳循环的机制。值得注意的是，30-50 cm深处仍检测到芒草衍生碳，这对长期碳封存具有重要意义。

4.3 产量与碳汇平衡

高产品种Sac组同时保持良好的SOC储量，打破了"产量-碳汇"权衡的传统认知。落叶输入对SOC的促进作用与根茎贡献形成互补机制。

5 结论

本研究首次系统揭示了芒草基因型对SOC储量的差异化影响，证实通过育种优化根茎性状可协同提升生物量产量和碳汇能力。研究结果为生物能源作物的气候缓解效益最大化提供了实证依据。