农田土壤有机质主要来源于作物根系输入碳的转化和固定,但目前还不能定量评价不同作物根系对土壤有机质的贡献。根系生物标志物是一类来源于作物根系,成分上区别于其地上部的特殊烷烃类脂肪酸,并且不同植物或品种的根系标志物(脂肪二酸)往往具有不同的碳链分子长度及构型,使其有可能用来指示植物根系对土壤的碳输入。本文探讨建立作物根系生物标志物的定性鉴别与定量分析方法,并以长江中下游地区典型的稻油轮作系统为对象,采集水稻和油菜不同生育期本体和根际土壤,分析不同品种和不同生育期根系生物标志物含量变化,以及在土壤团聚体颗粒组中的分布,探讨了土壤有机质的作物根系贡献及其对土壤有机质更新的意义。主要结果如下:1.实验摸索了作物根系生物标志物的定性与定量分析方法,分离得到水稻和油菜的根系生物标志物脂肪二酸(a,ω-DCAs),其中水稻根系生物标志物包括十六烷二酸(C16:0 DA)、十八烯二酸(C18:1 DA)、十八烷二酸(C18:0 DA),而油菜根系生物标志物除了包括以上三种,还包括二十烷二酸(C20:0 DA)以及二十二烷二酸(C22:0 DA),后两种可以作为油菜特有的根系生物标志物。脂肪二酸含量均在10-7gkg-1以上,并且气相色谱法分离鉴定方法的灵敏度和检出限均符合目标物脂肪二酸的定量要求,定量分析的平行性(变异系数<20%)和回收率(>80%)均在可接受的范围,可以定量分析水稻及油菜的根系生物标志物。2.进行了水稻盆栽试验,分析了不同生育期的根生物量、根际土与非根际土中有机碳和根系生物标志物中可碱解性脂肪二酸(a,ω-DCAs)含量及其随生育期的动态分析。根际土中根系生物标志的含量显著高于全土中的含量,表明通过植物的光合系统及根系沉积作用,输入的有机碳被保护和稳定在土壤中。根系生物标志物脂肪二酸(十六烷二酸)的含量与根生物量存在弱的相关性(y=1.71x-3.34,p=0.072)。水稻种植前脂肪二酸含量是4.56±0.59 mg/kg,分蘖期根际土中的含量显著增高(平均达60.5%),其中根生物量大的水稻品种增加更多。从水稻分蘖期到灌浆期,根际土中脂肪二酸则有所下降,平均降低35.9%。与杂交稻相比,超级稻种植下的下降的更为突出,分别下降33.1%和41.3%。3.进行了水稻—油菜轮作系统田间试验,分析了根系生物标志物、有机碳、全氮等指标随品种和生育期的变化,超级稻土壤养分及有机碳含量高于杂交稻,并且超级稻的根际效应更为突出。水稻种植前,与杂交稻田块相比,超级稻田全土中脂肪二酸(a,ω-DCAs)略有下降,分别为9.57±1.60 mg/kg和8.36±1.36 mg/kg。到了分蘖期,杂交稻与超级稻的全土中的含量略有下降,分别为4.1%和9.9%;而根际土中的含量分别为6.46±1.17 mg/kg和8.64±1.47 mg/kg。灌浆期时,其根际土中超级稻种植下根系生物标志物含量降低的比杂交稻更多,相对下降了3.26 mg/kg。总之,与杂交稻—油菜系统相比,尽管超级稻种植前土壤原有有机碳含量有所降低,但一个作物年轮作后有机碳明显增加,与根系生物标志物含量的变化吻合。4.对水稻和油菜根系中生物标志物组成及含量的对比分析,以区分土壤中水稻和油菜不同来源的根系生物标志物。水稻和油菜的根系生物标志物含量在营养生长期均高于收获期,水稻分别为217.97±40.38 mg/kg和126.15±36.35 mg/kg,油菜分别为820.96±173.82 mg/kg和189.84±21.94 mg/kg;油菜根系的生物标志物含量高于水稻根系,其对土壤有机碳的贡献也大于水稻,其在土壤中平均残留时间也高于水稻,水稻与油菜的比为76.17～79.65/100;不过,相对于杂交稻—油菜轮作系统,超级稻—油菜轮作系统土壤中的水稻对总的根系生物标志物含量的贡献更大,分别为23.15～21.89%和29.26～27.72%(超级稻连续种植5～8年),说明超级稻作物根系比杂交稻对土壤有机碳的贡献率高。5.分析连续8年种植超级稻下的根际土中团聚体的组成及其有机碳、全氮和根系生物标志物的分配,并对比过去研究结果,比较分析超级稻的种植对土壤碳容量的影响。连续5年种植超级稻,其全土中粗团聚体(2-0.2 mm)显著增高,平均重量直径(MWD)也显著增高;有机碳含量在2-0.2 mm及<0.002 mm显著降低,全氮含量没变化;根系生物标志物含量在全土及小于0.2 mm的三个粒级都有所下降,而0.02-0.002 mm粒级中则更显著,从9.7±2.8 mg/kg下降至4.7±0.5 mg/kg。连续8年种植超级稻,其根际土中微团聚体(0.2-0.02 mm)显著增加,平均重量直径(MWD)也有所增高;土壤有机碳及全氮含量均在粘粒组(<0.002 mm)显著增加,根系生物标志物含量除在2-0.2 mm粒级中有所下降外,其它各级特别是粉砂级(0.02-0.002 mm)中显著增加,从6.1±1.0 mg/kg增加至7.8±1.0 mg/kg。总之,与杂交稻种植相比,超级稻种植下土壤中残留了较多的根碳,且更多地保留在较稳定的较细粒级组分中。综上所述,本研究探索了水稻、油菜根系生物标志物的定量鉴定方法,表明根系生物标志物可定性指示土壤有机质的不同作物根系来源与碳分配的分子过程,并能用于反映短时间尺度(作物生育期)土壤—作物有机碳关系的变化,特别是不同作物和品种种植下的团聚体分布变化。因此,根系生物标志物与土壤有机碳更新和新碳老碳关系还有待进一步的研究。