陳 婧，陳法軍，劉滿強，*，馮 運，黨志浩，李輝信，胡 鋒

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實驗室，南京 210095;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，南京 210095)

全球范圍內(nèi)的CO2濃度(［CO2］)和溫度升高對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生日益嚴(yán)重的影響［1］。作物生長及其化學(xué)組成對［CO2］升高的反應(yīng)非常敏感［2］，大量研究表明了［CO2］升高導(dǎo)致作物對碳的吸收和同化增加，刺激植物根系生長和淀積物，從而提高土壤活性有機質(zhì)的數(shù)量，并進(jìn)一步激發(fā)土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的改變［3，5］。土壤可溶性有機物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的有機質(zhì)組分，是土壤微生物可利用的主要物質(zhì)和能量來源［6］;相對于土壤有機質(zhì)對溫室氣體和溫度升高的響應(yīng)更為敏感［5］，土壤可溶性碳氮已成為氣候變化下土壤生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)［8］。土壤生物作為土壤生態(tài)功能的關(guān)鍵驅(qū)動者，其群落結(jié)構(gòu)的變化在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中占據(jù)重要的地位［9］。大氣［CO2］和溫度升高不僅影響土壤活性碳氮及土壤微生物性質(zhì)，而且進(jìn)一步影響土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性［10］。例如，線蟲作為土壤食物網(wǎng)的重要組成部分，營養(yǎng)類群多樣，能夠靈敏反映環(huán)境變化下土壤生態(tài)系統(tǒng)的綜合狀況［11］。前人研究表明了線蟲群落分析有助于了解全球氣候變化下土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的變化［12］。

水稻在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，蟲害造成的水稻產(chǎn)量損失每年卻高達(dá)一千萬噸以上［6］。轉(zhuǎn)Bt水稻的種植能夠為降低水稻蟲害損失提供一種有效手段［13］，但轉(zhuǎn)Bt水稻有可能對土壤理化性質(zhì)和生物群落產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而對土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能服務(wù)帶來一定風(fēng)險［14-15］。因此，加強轉(zhuǎn)Bt作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測是其商業(yè)化推廣的迫切需要。有關(guān)轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤可溶性碳氮及土壤線蟲群落的評價研究逐漸增多［13-14］，但對于全球氣候變化條件下種植轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響仍未見報道。因此，開展溫度和［CO2］升高后轉(zhuǎn)Bt水稻種植對土壤活性碳氮和線蟲群落的影響研究，將有助于科學(xué)評價種植轉(zhuǎn)Bt水稻在未來氣候變化條件下對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自山東省德州市寧津縣(37.64°N，116.8°E)，該地區(qū)之前主要種植棉花、玉米等旱地作物，土壤類型為蒙淤砂白土，系統(tǒng)分類屬于潮土亞類潮砂土土屬，耕作層(0—20 cm)土壤pH值體積分?jǐn)?shù)為8.5，土壤有機碳(高溫外熱重鉻酸鉀氧化法)、全氮(開氏消煮法)、堿解氮(堿解擴散法)、速效磷(鉬藍(lán)比色法)和速效鉀(火焰光度計法)含量分別為 6.6 g/kg、0.4 g/kg、7.9 g/kg、14.4 mg/kg 和 96 mg/kg。土壤基本性質(zhì)的分析方法參見文獻(xiàn)［16］。土壤取樣深度0—20 cm，鮮土采集后剔除大中型土壤動物及根茬等。采用Φ24 cm×h32 cm的塑料盆缽，每盆放置土壤10 kg，水稻盆栽直播。出苗后每盆定植12株水稻。播種前底肥施入量為N(尿素)30 kg/hm2、(NH4)2HPO415 kg/hm2、KCl 15 kg/hm2。水稻生長期間的水分管理同大田，保持間歇性淹水狀態(tài)。

1.2 試驗方法

1.2.1 OTC氣室管理與試驗設(shè)計

試驗地點位于在山東省德州市寧津縣(37.64°N，116.8°E)氣候變化與生物多樣性和控害減排(聯(lián)合)創(chuàng)新研究基地。開頂式氣室(OTC)由CO2氣源、CO2濃度控制系統(tǒng)和開頂式氣室3部分組成。由紅外 CO2測控儀 (Ventostat 8102，Telfaire Company，USA)自動監(jiān)測和控制氣室內(nèi)CO2濃度。氣室框架為鐵結(jié)構(gòu)，正八邊形，高2.56 m，每邊長為1.61 m，相當(dāng)于直徑4.20 m的柱體結(jié)構(gòu)，整個氣室體積約為21 m3。測控儀的控制參數(shù):CO2濃度測定范圍為0—10000 μL/L，控制范圍為0—2000 μL/L;測控儀分辨率為 1 μL/L，反應(yīng)時間 ＜60 s，年度漂移 ≤ 10 μL·L-1［17］。通過氣室底部設(shè)施換氣扇的個數(shù)多少控制溫度。

本研究采用裂區(qū)(Split-plot)試驗設(shè)計，以［CO2］和溫度作為主區(qū)因子，以水稻品種作為裂區(qū)因子。主區(qū)中設(shè)置OTC氣室內(nèi)的［CO2］和溫度各兩個水平:正常濃度(實際測定值為 Ambient(382±6.6)μL/L)和高濃度(Elevated(657±10.7)μL/L)CO2;正常溫度為(年平均溫度測定值25.57±3.27℃)和較高溫度(26.14±3.32℃)。每天6:00—20:00通入CO2以模擬環(huán)境［CO2］升高和氣候變暖的氣候變化環(huán)境，即正常溫度(AT)和正常［CO2］(AC)處理、正常溫度(AT)和高［CO2］(EC)處理、高溫(ET)和正常［CO2］(AC)處理以及高溫(ET)和高［CO2］(EC)處理，每個處理分別設(shè)3個重復(fù)，共計12個OTC氣室。每一個OTC氣室(面積17.6 m2)內(nèi)種植的不同品種水稻盆缽為裂區(qū)。供試兩個品種的水稻種植在塑料盆缽內(nèi)，放置在不同處理的OTC氣室內(nèi)，每個氣室內(nèi)各品種重復(fù)3次。試驗進(jìn)行的時間為一個完整的水稻生長季節(jié)，2009年9月種植，2010年11月采樣。在試驗期內(nèi)，同一OTC氣室內(nèi)的各盆缽隨機排列，定期更換位置。

轉(zhuǎn)Bt水稻選擇華恢1號(HH1;轉(zhuǎn)Cry1Ab/Ac基因抗蟲恢復(fù)系)及相應(yīng)的非轉(zhuǎn) Bt親本明恢 63(MH63)。HH1由MH63為受體，通過基因槍介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法將目的基因Cry1Ab/Ac轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞后所得的轉(zhuǎn)基因株系TT51-1而來，該品系能專一且有效地控制水稻二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟等靶標(biāo)型鱗翅目害蟲的發(fā)生。清水浸種12 h后用過氧化氫消毒20 min，再用清水沖洗干凈，置于35℃陰處催芽，待露出胚根后以20株每盆的密度在盆栽容器中播種，最終每盆定株12株。采集土壤時進(jìn)行破壞性采樣，由于根系幾乎分布于整個土體，因此盆缽內(nèi)所有土壤均可視為根際土，采樣時棄去靠近盆栽容器內(nèi)壁的土壤，以減少邊際影響。

1.2.2 土壤活性碳氮分析

土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀溶液浸提法［16］，具體步驟為:稱取相當(dāng)于 10 g干土(105℃下24 h)的待測土樣，加入1 mL氯仿攪勻，于25℃黑暗條件下密閉培養(yǎng)24 h，然后抽盡土壤殘留氯仿，用0.5 moL/L K2SO4溶液浸提，體積分?jǐn)?shù)為1∶4。280 r/min振蕩30 min，定量濾紙過濾。熏蒸培養(yǎng)的同時，稱取等量土樣按照上述方法振蕩浸提得對照濾液。吸取10 mL濾液，用K2Cr2O4容量法測定溶液中的有機碳含量。另取15 mL濾液，用半微量開氏法測定氮含量。熏蒸土樣與未熏蒸土樣的有機碳氮差值分別除以轉(zhuǎn)換系數(shù)(KC0.38、KN0.54)，計算土壤微生物生物量碳和氮的含量。

可溶性有機碳氮的測定采用蒸餾水浸提法，具體步驟為:稱取相當(dāng)于10 g干土的土壤樣品，去離子水浸提，體積分?jǐn)?shù)為1∶5，200 r/min振蕩1 h，在 8000 g下離心10 min，上清液過孔徑0.45 μm的醋酸纖維素濾膜，濾液碳氮含量的測定同微生物生物量碳氮測定方法。

土壤無機氮采用2 moL/L KCl溶液浸提［16］，體積分?jǐn)?shù)為1∶5，振蕩30 min后用定量濾紙過濾，流動分析儀(Bran Luebbe，德國)測定濾液中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.2.3 線蟲群落分析

采用蔗糖浮選離心法分離線蟲［11］。線蟲在立體顯微鏡下計數(shù)，在生物顯微鏡下鑒定到屬，并劃分不同營養(yǎng)類群(植食性線蟲、食細(xì)菌線蟲、食真菌線蟲和捕/雜食線蟲)和生活史c-p值［15］。線蟲群落生態(tài)指數(shù)的計算:(1)線蟲通道指數(shù)(NCR)為食細(xì)菌和食微(食細(xì)菌+食真菌)線蟲數(shù)量之比。(2)富集指數(shù)(EI)主要用于評估食物網(wǎng)對可利用資源的響應(yīng)。根據(jù)線蟲功能團(tuán)分別計算富集指數(shù)EI:EI=100×e/(e+b);其中，e代表食物網(wǎng)中的富集成分，主要指食細(xì)菌線蟲中c-p值為1和食真菌線蟲中c-p值為2的類群，b代表食物網(wǎng)中的基礎(chǔ)成分，主要指食細(xì)菌線蟲c-p值為2和食真菌線蟲中c-p值為2的這兩個類群［19］。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析采用 SPSS16.0軟件，分析前利用Kolmogorov-Smirnov和Levene法檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)分布及方差齊性，并在必要時利用對數(shù)轉(zhuǎn)換和反正弦平方根轉(zhuǎn)換以滿足中數(shù)據(jù)的正態(tài)分布假設(shè)。利用一般線性模型(General linear models，GLM)進(jìn)行方差分析，以［CO2］和溫度作為主區(qū)因子，以水稻品種作為裂區(qū)因子，各因子均為2水平。對于每個氣室內(nèi)的各水稻品種而言，數(shù)據(jù)取3個盆缽的平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析，以避免假重復(fù)問題。［CO2］、溫度和水稻品種組合處理的均值顯著性差異采用LSD方法進(jìn)行檢驗(P＜0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤活性碳氮

溫度和［CO2］升高對土壤可溶性碳(DOC)無顯著影響，但轉(zhuǎn)Bt水稻種植顯著降低了DOC含量，并且受到溫度和［CO2］的交互影響(表1，圖1A)。溫度和［CO2］升高顯著影響轉(zhuǎn)Bt水稻土壤可溶性氮(DON)和硝態(tài)氮(-N)含量(P＜0.05，表 1)。不論轉(zhuǎn)Bt水稻品種，溫度和［CO2］升高都顯著降低了DON(P＜0.05，圖 1)。正常溫度和［CO2］條件下，轉(zhuǎn)基因水稻(HH1)對DON產(chǎn)生顯著影響;但在僅升高溫度或［CO2］條件下，轉(zhuǎn)Bt水稻顯著降低了DON(P＜0.05，圖1)。土壤硝態(tài)氮含量與DON的變化趨勢大體相反，但差異程度減少(圖1)。所有處理中土壤銨態(tài)氮含量在 3.4—4.2 mg/kg范圍，溫度、［CO2］和水稻品種對其均無顯著性影響(數(shù)據(jù)未列出)。

表1 溫度、［CO2］和轉(zhuǎn)基因水稻品種對土壤可溶性碳(DOC)、可溶性氮(DON)、硝態(tài)氮(NO-3-N)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)影響的方差分析結(jié)果(F值和顯著水平)Table 1 ANOVAs results(F values and Probability level)on the effects of temperature(T)，［CO2］and transgenic Bt treatment on soil dissolved organic C(DOC)，dissolved organic N(DON)，NO-3-N，microbial biomass C(MBC)and microbial biomass N(MBN)

圖1 非轉(zhuǎn)Bt(MH63)和轉(zhuǎn)Bt(HH1)水稻在常溫(AT)、升溫(ET)及正常CO2濃度(AC)和升高CO2濃度(EC)條件下對土壤可溶性碳氮和硝態(tài)氮(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.1 Effects of non-Bt(MH63)and transgenic Bt(HH1)rice varieties on soil dissolved organic carbon and nitrogen and nitrate nitrogen(Mean±SD)under the conditions of ambient and elevated temperature(AT vs.ET)，ambient and elevated carbon dioxide(AC vs.EC)

2.2 土壤微生物量碳氮

溫度、［CO2］和轉(zhuǎn) Bt水稻對土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)有不同程度的影響(表1)。升溫和［CO2］增高顯著影響MBC和MBN，并且分別與水稻品種之間存在顯著交互作用(P＜0.05，表1)。在正常溫度和［CO2］條件下，HH1種植后MBC顯著低于MH63(圖2)。不論［CO2］升高與否，升溫后MH63種植下的MBC顯著降低，但在HH1下顯著增加(P＜0.05)，從而導(dǎo)致升溫條件下HH1的MBC顯著高于 MH63(P＜0.05，圖 2)。不論升溫與否，［CO2］升高均增加MBN，且與轉(zhuǎn)基因水稻有顯著交互作用(表1)。在正常［CO2］下，轉(zhuǎn)Bt水稻對MBN沒有影響，而在［CO2］升高條件下，常溫下HH1的MBN顯著高于MH63(圖2)。

圖2 非轉(zhuǎn)Bt(MH63)和轉(zhuǎn)Bt(HH1)水稻在常溫(AT)、升溫(ET)及正常CO2濃度(AC)和升高(EC)條件下對土壤微生物生物量碳和氮(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.2 Effects of non-Bt(MH63)and transgenic Bt(HH1)rice varieties on soil microbial biomass carbon and nitrogen(mean±SD)under the conditions of ambient and elevated temperature(AT vs.ET)，ambient and elevated carbon dioxide(AC vs.EC)

2.3 土壤線蟲群落

溫度、［CO2］和轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤線蟲總數(shù)均有顯著影響，且溫度與水稻品種之間存在顯著交互作用(P＜0.05，表 2)。在正常溫度和［CO2］下，HH1與MH63處理間土壤線蟲總數(shù)差異未達(dá)到顯著差異(圖3);但不論［CO2］升高與否，升溫使得MH63下土壤線蟲總數(shù)顯著低于HH1(P＜0.05，圖3)。

表2 溫度、［CO2］和轉(zhuǎn)基因水稻品種對土壤線蟲的總數(shù)、不同營養(yǎng)類群百分比及生態(tài)指數(shù)影響的方差分析結(jié)果(F值和顯著水平)Table 2 ANOVAs results(F values and Probability level)of the effects of temperature(T)，［CO2］and transgenic rice variety(Bt)on the abundance，the proportions of trophic groups and ecological indices of soil nematode community

圖3 非轉(zhuǎn)Bt(MH63)和轉(zhuǎn)Bt(HH1)水稻在常溫(AT)、升溫(ET)及正常CO2濃度(AC)和升高(EC)條件下對土壤線蟲總數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.3 Effects of non-Bt(MH63)and transgenic Bt(HH1)rice varieties on soil nematode abundance(mean±SD)under the conditions of ambient and elevated temperature(AT vs.ET)，ambient and elevated carbon dioxide(AC vs.EC)

植食線蟲比例沒有受到轉(zhuǎn)基因水稻的影響，但在溫度和［CO2］升高條件下植食線蟲比例發(fā)生顯著變化(P＜0.05，表 2)。例如，升高［CO2］后 MH63和HH1的植食者比例分別從12.0%和17.1%提高到34.4%和37.1%，但未達(dá)到顯著差異(圖4)。食細(xì)菌和食真菌線蟲比例分別受到溫度、［CO2］和轉(zhuǎn)基因水稻不同程度的影響(P＜0.05，表2)，不論水稻品種如何，食細(xì)菌線蟲在溫度和［CO2］升高后顯著降低(P＜0.05，圖4)。在正常溫度和［CO2］下，轉(zhuǎn) Bt水稻顯著增加了食細(xì)菌線蟲比例，但其差異在溫度和［CO2］升高下未達(dá)顯著水平(圖4)。不論溫度和［CO2］升高與否，轉(zhuǎn)Bt水稻種植降低了土壤食真菌線蟲比例，但未達(dá)到顯著差異水平(圖4)。由于均值變異較大，沒有檢測到捕雜食線蟲比例對溫度、［CO2］及水稻品種變化的顯著響應(yīng)(圖4)。

圖4 非轉(zhuǎn)Bt(MH63)和轉(zhuǎn)Bt(HH1)水稻在常溫(AT)、升溫(ET)及正常CO2濃度(AC)和升高(EC)條件下對土壤線蟲營養(yǎng)類群百分比(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.4 Effects of non-Bt(MH63)and transgenic Bt(HH1)rice varieties on the proportion of nematode trophic groups(mean±SD)under the conditions of ambient and elevated temperature(AT vs.ET)，ambient and elevated carbon dioxide(AC vs.EC)

溫度、［CO2］和轉(zhuǎn) Bt水稻分別對通道指數(shù)(NCR)及富集指數(shù)(EI)產(chǎn)生不同程度的影響(表2)。［CO2］升高對 NCR沒有影響，但在正常［CO2］下升溫顯著降低NCR;不論升溫與否，轉(zhuǎn)Bt水稻種植呈增加NCR的趨勢，尤其在［CO2］升高下趨勢明顯(表3)。升溫對EI沒有顯著影響，而在常溫下［CO2］升高卻降低EI。轉(zhuǎn)Bt水稻在常溫下及溫度和［CO2］共同升高下呈增高EI的趨勢(表3)。

3 討論

全球氣候變化能夠通過根系影響進(jìn)入土壤中的有機碳數(shù)量和質(zhì)量［10］，同時轉(zhuǎn)Bt作物可以通過改變植物生長性狀及Bt毒素釋放而改變作物根系分泌物數(shù)量和組成［21］，本研究利用野外開頂式氣室(OTC)模擬氣候變化，研究溫度和［CO2］升高條件下轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤活性碳氮水平和線蟲群落的影響。

表3 非轉(zhuǎn)Bt(MH63)和轉(zhuǎn)Bt(HH1)水稻對常溫(AT)、升溫(ET)及正常(AC)和升高(EC)CO2濃度條件下線蟲群落生態(tài)指數(shù)的影響Table 3 Ecological indices of soil nematode community as affected by non-Bt(MH63)and transgenic Bt(HH1)rice varieties under the conditions of ambient and elevated temperature(AT vs.ET)，ambient and elevated carbon dioxide(AC vs.EC)

研究表明，不論溫度及［CO2］改變與否，轉(zhuǎn)Bt水稻顯著降低了DOC含量。李修強等［13］基于大田實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)Bt水稻對DOC和DON影響不明顯。由于土壤可溶性有機物本身組成復(fù)雜，并受到根系分泌物及其刺激的微生物生長利用等的雙向影響，因此不同研究間的差異可能與實驗環(huán)境條件、土壤肥力、土壤生物群落及植物生長狀況等有關(guān)［22］。本研究中溫度和［CO2］升高條件下，親本水稻下 DOC和DON呈降低趨勢，但轉(zhuǎn)Bt水稻種植下DOC呈升高趨勢;在僅升高溫度或［CO2］條件下，轉(zhuǎn)Bt水稻顯著降低了DON。一般而言，［CO2］升高可以導(dǎo)致更多的碳通過根系生長及分泌物分配到地下部土壤中［23］。Guo J等［23］利用 FACE 系統(tǒng)對稻田系統(tǒng)土壤可溶性碳氮的變化進(jìn)行觀測，也發(fā)現(xiàn)［CO2］升高顯著增高了土壤DOC的含量，但DON沒有顯著變化。除了上述提到的原因外，由于土壤可溶性有機物組成的復(fù)雜性和微生物對溫度的敏感性，土壤微生物群落的不同也會產(chǎn)生明顯的影響［10］。DON的減少可能歸因于［CO2］和溫度升高刺激土壤生物群落驅(qū)動的氮素礦化過程。升高溫度和［CO2］使土壤硝態(tài)氮含量顯著降低可能源于植物生長量的增加對土壤養(yǎng)分的吸收。

有室內(nèi)盆栽試驗表明，轉(zhuǎn)Bt水稻的種植降低土壤微生物量碳氮，這與田間條件下轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤微生物學(xué)性質(zhì)的影響不完全一致［13］。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)Bt水稻在試驗前期對土壤微生物學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的短暫性影響，可能是由于Bt基因的插入導(dǎo)致作物農(nóng)藝性狀和生理特性(如水稻根系分泌物及根系化學(xué)組成)發(fā)生改變［24］。與種植其親本的土壤相比，種植轉(zhuǎn)Bt水稻后土壤微生物量碳氮對溫度和［CO2］升高變化的響應(yīng)趨勢相反;溫度和［CO2］升高使親本水稻土壤中微生物量碳含量有降低的趨勢，而溫度和［CO2］升高條件下，轉(zhuǎn)Bt水稻土壤中的微生物量碳氮呈升高趨勢。轉(zhuǎn)Bt水稻土壤中微生物量碳氮含量升高的可能原因，推測由于轉(zhuǎn)Bt水稻對非靶標(biāo)生物的生長可能有促進(jìn)作用并且溫度和大氣［CO2］升高導(dǎo)致作物對C的吸收和同化增加，刺激植物根系生長和分泌物，從而提高土壤活性有機質(zhì)的數(shù)量［23］，并進(jìn)一步通過土壤食物網(wǎng)影響土壤的微生物學(xué)性質(zhì)。前人研究表明了［CO2］和溫度升高對土壤微生物可以產(chǎn)生積極的、中立的和消極的影響［5，25-26］。此外，轉(zhuǎn) Bt克螟稻對土壤微生物學(xué)性質(zhì)沒有產(chǎn)生持續(xù)的負(fù)面影響，在某些采樣時間甚至?xí)憩F(xiàn)出促進(jìn)作用［13］。在模擬氣候變化條件下，外源抗蟲基因的導(dǎo)入使轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤微生物學(xué)性質(zhì)的影響發(fā)生明顯改變，并可朝不同的方向演變。因此，基于田間的模擬全球氣候變化的長期動態(tài)監(jiān)測實驗將會有助于明確轉(zhuǎn)Bt水稻的潛在生態(tài)風(fēng)險。

溫度和［CO2］升高均導(dǎo)致親本水稻土壤線蟲總數(shù)顯著減少，卻使轉(zhuǎn)Bt水稻土壤線蟲總數(shù)增加。親本和轉(zhuǎn)Bt水稻線蟲總數(shù)的差異是由于轉(zhuǎn)Bt蛋白的作用還是水稻生長的不同，目前還沒有定論。并未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)Bt水稻種植導(dǎo)致土壤Bt毒素的顯著增加，因此推測影響線蟲數(shù)量的主要因素是作物品種在農(nóng)藝性狀上的差異，而不是Bt毒素的影響［23］。前期的研究也證明了植物基因型的差異通過改變根系分泌物的質(zhì)量、數(shù)量及釋放進(jìn)而影響土壤食物網(wǎng)中的植食者和分解者［11，13］。不論溫度是否升高，［CO2］升高顯著增加了土壤線蟲總數(shù)，與前人的結(jié)果一致［27］。氣候變化通過改變輸入土壤的根系分泌物數(shù)量和質(zhì)量影響土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)［10］。與土壤微生物生物量的變化趨勢相對應(yīng)，溫度和［CO2］升高導(dǎo)致HH1和MH63之間土壤線蟲總數(shù)的變化趨勢相反。土壤線蟲的營養(yǎng)類群是反映土壤食物網(wǎng)營養(yǎng)級關(guān)系及能流途徑的重要指標(biāo)。大氣［CO2］升高對土壤線蟲不同營養(yǎng)類群產(chǎn)生的影響還沒有定論［28］，但本實驗中植食性線蟲的比例隨［CO2］和溫度升高而體現(xiàn)出升高的趨勢。雖然未達(dá)到顯著差異水平，但轉(zhuǎn)Bt水稻對地下部非靶標(biāo)植食者的影響及其生態(tài)學(xué)意義迫切需要進(jìn)一步確認(rèn)。

溫度、［CO2］和轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤線蟲能流通道指數(shù)和富集指數(shù)均有影響。溫度和［CO2］升高使土壤線蟲能流通道轉(zhuǎn)向由真菌主導(dǎo)［30］，這與最近Pritchard在綜述中獲得的結(jié)論一致［3］。轉(zhuǎn) Bt水稻對能流通道指數(shù)和及富集指數(shù)的影響在多數(shù)情況下表現(xiàn)出促進(jìn)作用，說明不論氣候變化與否，轉(zhuǎn)Bt水稻能使土壤生態(tài)系統(tǒng)的能流通道偏向于真菌占主導(dǎo)地位，而土壤有效資源相對富集。由于實驗進(jìn)程相對較短及線蟲生活史分類的不確定性［31］，導(dǎo)致結(jié)果未達(dá)到顯著差異，但是能流通道及土壤資源的改變必將對對土壤生態(tài)過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［10］，今后應(yīng)加強全球氣候變化條件下轉(zhuǎn)基因作物對土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響的研究。

4 結(jié)論

溫度和［CO2］升高條件下，對轉(zhuǎn)Bt水稻種植后土壤活性碳氮和線蟲群落的響應(yīng)格局表現(xiàn)出復(fù)雜的趨勢。在正常溫度和［CO2］條件下，轉(zhuǎn)Bt水稻種植顯著降低了土壤可溶性碳、微生物生物量碳及土壤線蟲總數(shù)含量，但在溫度和［CO2］升高后趨勢相反。在升溫和正常［CO2］下轉(zhuǎn)Bt水稻降低了土壤可溶性氮含量，但增加了硝態(tài)氮含量。此外，溫度和轉(zhuǎn)Bt水稻顯著影響土壤線蟲能流通道指數(shù)，而［CO2］和轉(zhuǎn)Bt水稻對線蟲富集指數(shù)有顯著影響。在正常溫度和［CO2］條件下轉(zhuǎn)Bt水稻對促進(jìn)非靶標(biāo)植食者增加的趨勢值得關(guān)注?？傊M氣候變化的短期盆栽實驗并未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤生態(tài)系統(tǒng)的不利影響。今后應(yīng)結(jié)合水稻生長、水稻地上和地下部的碳氮分配過程及長期尺度的監(jiān)測，以深入了解土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)機制，為系統(tǒng)評估轉(zhuǎn)Bt水稻種植在未來氣候變化條件下的潛在土壤生態(tài)風(fēng)險提供依據(jù)。

致謝:英國作物與土壤系統(tǒng)研究組(SRUC)Bryan Griffiths教授潤色英文摘要。

［1］Intergovernmental Panel on Climate Change.Report prepared for IPCC by Working Group III Mitigation of Climate Change.Cambridge University Press，2007，USA.

［2］Drigo B，Pijl A S，Duyts H，Kielak A M，Gamper H A，Houtekamer M J，Boschker H T S，Bodelier P L E，Whiteley A S，Van Veen J A，Kowalchuk G A.Shifting carbon flow from roots into associated microbial communities in response to elevated atmospheric CO2.Proceedings of the National Academy of the Sciences ofthe United StatesofAmerica， 2010， 107:10938-10942.

［3］Pritchard S G.Soil organisms and global climate change.Plant Pathology，2011，60:82-99.

［4］Moore J C，McCann K，Set?l? H，DeRuiter P C.Top-down is bottom-up:Does predation in the rhizosphere regulate aboveground dynamics?Ecology，2003，84:846-857.

［5］Eisenhauer N，Cesarz S，Koller R，Worm K，Reich P B.Global change belowground:impacts of elevated CO2，nitrogen，and summer drought on soil food webs and biodiversity.Global Change Biology，2012，18:435-447.

［6］Zhang L，Zhu Z.Effect of transgenic insect-resistant rice on biodiversity.Hereditas，2011，33(5):414-421.

［7］Davidson E A，Janssens I A.Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change.Nature，2006，440:165-173.

［8］Inubushi K，Cheng W，Mizuno T，Lou Y，Hasegawa T，Sakai H，Kobayashi K.Microbial biomass carbon and methane oxidation influenced by rice cultivars and elevated CO2in a Japanese paddy soil.European Journal of Soil Science，2011，62:69-73.

［9］Brussaard L，de Ruiter P C，Brown G G.Soil biodiversity for agricultural sustainability. Agriculture， Ecosystems＆Environment，2007，121:233-244.

［10］Bardgett R D，Wardle D A.Aboveground-belowground linkages:biotic interactions， ecosystem processes， and global change.Oxford University Press，New York，USA，2010.

［11］Li X Q，Chen F J，Liu M Q，Chen X Y，Hu F.Effects of two years planting transgenic Bt rice(BtSY63)on soil nematode community.Chinese Journal of Applied Ecology，2012，23(11):3065-3071.

［12］Liang W J，Li Q，Chen L J，Huang G H，Zhu J G.Effects of elevated atmospheric CO2on nematode trophic groups in a Chinese paddy-fild ecosystem.Chinese Journal of Applied Ecology，2002，13(10):1269-1272.

［13］Li X Q，Chen F J，Liu M Q，Hu F.Effects of transgenic Bt rice on soil dissolved organic carbon and nitrogen contents and microbiological properties.Chinese Journal of Applied Ecology，2012，23(1):96-102.

［14］Yuan Y Y，Ge F.Effects of transgenic Bt crops on non-target soil animals.Chinese Journal of Applied Ecology，2010，21(5):1339-1345.

［15］Yeates G W，Bongers T，de Goede R G M，F(xiàn)reckman D W，Georgieva S.Feeding habits in soil nematode families and generaan outline for soil ecologists.Journal of Nematology，1993，25:315-331.

［16］Lu R K.SoilandAgro-chemicalAnalyticalMethods(In Chinese).Beijing:China Agricultural Science and Technology Press.2000.

［17］Chen F J，Ge F，Su J W.An improved top-open chamber for research on effects of elevated CO2on agricultural pests in field.Chinese Journal of Ecology，2005，24(5):585-590.

［18］Joergensen R G.Microbial biomass//Alef K，Nannipierri P.Methods in Applied Soil Microbiology and Biochemistry.New York:Academic Press，1995:375-417.

［19］Ferris H，Bongers T，De Goede R G M.A framework for soil food web diagnostics:extension of the nematode faunal analysis concept.Applied Soil Ecology，2001，18:13-29.

［20］Tom B，Marina B.Functional diversity of nematodes.Applied Soil Ecology，1998，239-251.

［21］Saxena D，Neal C S，Illimar A，Shu Q Y，Stotzky G.Larvicidal Cry proteins from Bt are released in root exudates of transgenic Bt corn，potato，and rice but not of Bt canola，cotton and tobacco.Plant Physiology and Biochemistry，2004，42:383-387.

［22］Kalbitz K，Solinger S，Park J H，Michalzik B，Matzner E.Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils:a review.Soil Science，2000，165:277-304.

［23］Guo J，Zhang M Q，Zhang L，Deng A X，Bian X M，Zhu J G，Zhang W J.Responses of dissolved organic carbon and dissolved nitrogen in surface water and soil to CO2enrichment in paddy field.Agriculture， Ecosystems and Environment， 2011， 14:273-279.

［24］Jia Q T，Shi S P，Yang C J，Peng Y F.Changes of several important materials in transgenic Bt rice.Scientia Agricultura Sinica，2005，38(10):2002-2006.

［25］Wang Z H.Potential effects of Bt transgenic crops on soil microecosystem.Chinese Journal of Applied Ecology，2005，16(12):2469-2472.

［26］Stephane C，Angela S.Climate change effects on beneficial plantmicroorganism interactions.FEMS Microbiology Ecology，2010，73:197-214.

［27］Yeates G W，Newton P C D，Ross D J.Response of soil nematode fauna to naturally elevated CO2levels influenced by soil pattern.Nematol，1999，1:285-293.

［28］Li Q，Wang P.Current situation and prospect of elevated atmospheric CO2effects on soil nematodes.Chinese Journal of Applied Ecology，2002，13(10):1349-1351.

［29］Drigo B，Kowalchuk G A，Yergeau E，Bezemer T M，Boschker H T S，Vanveen J A.Impact of elevated carbon dioxide on the rhizosphere communities of Carex arenaria and Festuca rubra.Global Change Biology，2007，13:2396-410.

［30］Blagodatskaya E，Blagodatsky S，Dorodnikov M，Kuzyakov Y.Elevated atmospheric CO2increases microbial growth rates in soil:results of three CO2enrichment experiments.Global Change Biology，2010，16:836-848.

［31］Yeates G W，Newton P C D，Ross D J.Significant changes in soil microfauna in grazed pasture under elevated carbon dioxide.Biology and Fertility of Soils，2003，38:319-26.

［32］Rillig M C，F(xiàn)ield C B.Arbuscular mycorrhizae respond to plants exposed to elevated atmospheric CO2as a function of soil depth.Plant Soil，2003，254:383-391.

［33］Treseder K K，Egerton-Warburton L M，Allen M F，Cheng Y F，Oechel W C.Alteration of soil carbon pools and communities of mycorrhizal fungi in chaparral exposed to elevated carbon dioxide.Ecosystems，2003，6:786-796.

［34］Griffiths B S，Heckmann L H，Caul S，Thompson J，Scrimgeour C，Krogh P H.Varietal effects of eight paired lines of transgenic Bt maize and near-isogenic non-Bt maize on soil microbial and nematode communitystructure.PlantBiotechnologyJournal，2007，5:60-68.

［35］Blankinship J C，Niklaus P A，Hungate B A.A meta analysis of responses of soil biota to global change.Oecologia，2011，165:553-565.

參考文獻(xiàn):

［6］張磊，朱禎.轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻對生物多樣性的影響.遺傳，2011，33(5):414-421.

［11］李修強，陳法軍，劉滿強，陳小云，胡鋒.轉(zhuǎn)基因水稻Bt汕優(yōu)63種植兩年對土壤線蟲群落的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23(11):3065-3071.

［12］梁文舉，李琪，陳立杰，黃國宏，朱建國.開放式空氣CO2濃度升高對中國稻田生態(tài)系統(tǒng)線蟲營養(yǎng)類群產(chǎn)生的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(10):1269-1272.

［13］李修強，陳法軍，劉滿強，胡鋒.轉(zhuǎn)Bt水稻對土壤可溶性有機碳氮及微生物學(xué)性質(zhì)的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23(1):96-102.

［14］袁一楊，戈峰.轉(zhuǎn)Bt基因作物對非靶標(biāo)土壤動物的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2010，21(5):1339-1345.

［15］楊保軍，唐健，江云珠，彭于發(fā).轉(zhuǎn)cry1Ab基因克螟稻對根際可培養(yǎng)細(xì)菌類群的影響.生態(tài)學(xué)報，2009，29(6):3036-3043.

［16］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法.北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［17］陳法軍，戈峰，蘇建偉.用于研究大氣二氧化碳濃度升高對農(nóng)田有害生物影響的田間試驗裝置—改良的開頂式氣室.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，24(5):585-590.

［24］賈乾濤，石尚柏，楊長舉，彭于發(fā).轉(zhuǎn)Bt基因水稻生長期幾種重要成分含量的變化研究.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38(10):2002-2006.

［25］王忠華.轉(zhuǎn)Bt基因水稻對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(12):2469-2472.

［28］李琪，王朋.開放式空氣［CO2］增高對土壤線蟲影響的研究現(xiàn)狀與展望.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(10):1349-1351.