徐渭渭, 何永美, 湛方棟, 祖艷群, 李 元

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650201

UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)元陽(yáng)哈尼梯田稻田CH4排放規(guī)律的影響

徐渭渭, 何永美, 湛方棟, 祖艷群, 李 元*

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650201

在大田條件下，原位種植傳統(tǒng)水稻品種白腳老粳，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了UV-B(ultraviolet-B)輻射增強(qiáng)(7.5 kJ m-2d-1)對(duì)元陽(yáng)哈尼梯田海拔1600 m處稻田CH4排放量的影響，同時(shí)觀測(cè)UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：(1)UV-B輻射增強(qiáng)顯著降低了水稻植株分蘗末期、拔節(jié)孕穗期、抽穗揚(yáng)花期、成熟期地上部和地下部生物量(P<0.05)。(2)UV-B 輻射改變了稻田CH4的季節(jié)和日排放(成熟期)規(guī)律：對(duì)照組在拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)1 個(gè)排放峰，處理組在拔節(jié)孕穗期和成熟期出現(xiàn)2 個(gè)排放峰；與對(duì)照相比，UV-B輻射增強(qiáng)改變了水稻成熟期CH4日排放第2個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間。(3)處理組CH4的季節(jié)排放通量與箱內(nèi)溫度的季節(jié)變化有顯著的正相關(guān)性(R=0.789，P<0.05)。(4)UV-B輻射增強(qiáng)在分蘗末期、拔節(jié)孕穗期、成熟期都極顯著提高了CH4的累計(jì)排放量(P<0.01)，分別提高了47.2%，293.8%和74.4%。總之，UV-B輻射增強(qiáng)促進(jìn)了元陽(yáng)哈尼梯田傳統(tǒng)水稻田CH4的排放。

UV-B輻射; 元陽(yáng)哈尼梯田; 稻田; CH4排放

臭氧層損耗導(dǎo)致的地表紫外輻射增強(qiáng)和溫室氣體持續(xù)排放導(dǎo)致的全球變暖是當(dāng)今重要的全球性環(huán)境問(wèn)題。研究人員不但關(guān)注UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物的影響[1- 2]，而且還關(guān)注UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響[3- 4]。有研究表明，在室外盆栽或大田條件下，UV-B輻射增強(qiáng)通過(guò)改變植株生理代謝過(guò)程，影響植株的根系生長(zhǎng)和根系分泌物的分泌情況，進(jìn)而改變根際土壤微生物活性及組分，最終影響冬小麥、大豆等農(nóng)田N2O與CO2等溫室氣體的排放狀況，顯著降低了這些氣體的排放量[5- 9]，也降低了稻田CH4的平均排放通量，下降幅度為15.84%，但不顯著[10]。另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)UV-B輻射處理能通過(guò)刺激植物使其釋放更多的CH4[11- 14]，并且CH4排放速率與UV-B輻射強(qiáng)度呈線性相關(guān)[13]，認(rèn)為是輻射脅迫促使植物組織產(chǎn)生活性氧自由基ROS(reactive oxygen species)，與細(xì)胞壁中的果膠物質(zhì)發(fā)生作用從而產(chǎn)生大量CH4[14]。婁運(yùn)生等人[15]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行UV-B輻射增強(qiáng)處理能顯著提高稻田CH4的排放通量和累計(jì)排放量。

稻田是大氣CH4的重要排放源，其排放的CH4量約占全球總排放的5%—19%[16]。稻田CH4排放是稻田CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸3個(gè)過(guò)程綜合作用的結(jié)果。中國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)，其水稻種植面積約為3.3×107hm2，約占世界稻作面積的22%[17]。冬水田是一類(lèi)特殊的稻田，一年四季淹水，土壤氧化還原電位低，廣泛分布于我國(guó)西南山地丘陵區(qū)，其總面積在2.7×106—4.0×106hm2，占我國(guó)水稻種植面積的8%—12%，但CH4排放量卻高達(dá)全國(guó)稻田CH4排放總量的60%[18]，是世界上CH4排放量最大的一類(lèi)稻田[19]。然而，UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)冬水田CH4排放規(guī)律影響的研究報(bào)道還很少。

元陽(yáng)哈尼梯田于2013年入選世界文化遺產(chǎn)，具有重大的研究?jī)r(jià)值。元陽(yáng)哈尼梯田作為我國(guó)西南地區(qū)典型的冬水田，以此為研究對(duì)象，人工模擬UV-B輻射增強(qiáng)，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，測(cè)定水稻不同生育期稻田CH4的排放通量，研究元陽(yáng)梯田稻田CH4排放的季節(jié)變化和日變化規(guī)律，分析UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)元陽(yáng)梯田稻田CH4排放通量的影響，為臭氧層變薄、全球氣候變化背景下農(nóng)田溫室氣體的排放趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

大田試驗(yàn)地位于云南省元陽(yáng)縣新街鎮(zhèn)箐口村，屬于元陽(yáng)哈尼梯田核心區(qū)。該地地處滇南低緯度哀牢山山脈南部，屬山地季風(fēng)氣候，多雨濕潤(rùn)，干濕季分明，年平均溫度15 ℃，年均降水量1397.6 mm，山頂為旱冬瓜和杉樹(shù)林等自然植被覆蓋，在平緩的坡面上形成3000多級(jí)、面積近1.33×104hm2的梯田，其歷史長(zhǎng)達(dá)1500多年[20]。元陽(yáng)梯田全年淹水，僅在每年4月份至11月份種植水稻，冬季泡田休閑，水稻秸稈還田[21]，是我國(guó)西南山地丘陵區(qū)典型的冬水田。本試驗(yàn)在海拔1600 m，23°7′ N，102°44′ E，坡度26°，坡向NE 25°處進(jìn)行。供試水稻土壤類(lèi)型為人為水耕土，其理化性質(zhì)為：土壤pH值 5.32，有機(jī)質(zhì)含量為26.8 g/kg，全N為1.76 g/kg，全P為0.45 g/kg，全K為16.20 g/kg，堿解N為78.44 mg/kg，速效K為16.52 mg/kg，速效P為15.26 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與稻田管理

供試水稻為元陽(yáng)哈尼梯田的農(nóng)家水稻品種白腳老粳，適合種植于海拔1200—1600 m的梯田，一年一熟，是一種溫性高桿農(nóng)家水稻品種。水稻于2012年3月19日進(jìn)行播種育苗，5月10日移栽水稻苗至試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)。試驗(yàn)點(diǎn)共有6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為3.0 m×1.5 m，小區(qū)間的過(guò)道寬0.5 m。每個(gè)小區(qū)種植15行，每行11 叢水稻，每叢1 株秧苗，最外一圈水稻作為小區(qū)間的保護(hù)行，株距15 cm，行距30 cm。在整個(gè)水稻生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行常規(guī)田間管理，不施用化肥和農(nóng)藥，稻田水深全年一般維持在10 cm左右。

試驗(yàn)采用完全區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)自然光照和UV-B輻射處理(7.5 kJ m-2d-1)2個(gè)水平，相當(dāng)于箐口梯田海拔1600 m處夏日晴天0和30%的臭氧層衰減造成的UV-B增量，該地的UV-B輻射背景值為10 kJ m-2d-1。紫外輻射處理于6月9日進(jìn)行，9月27日水稻收獲后停止試驗(yàn)。

UV-B輻射增強(qiáng)采用可升降燈架，在每一行水稻正上方掛一盞40 W UV-B燈管(光譜為280—320 nm)，共9行，通過(guò)改變燈管高度來(lái)調(diào)節(jié)紫外輻照強(qiáng)度(以植株上部計(jì))，用UV-B輻射測(cè)定儀(北京師范大學(xué)光電儀器廠)測(cè)定輻射強(qiáng)度，每天9:00—17:00為處理時(shí)間，陰雨天除外，直到水稻成熟收獲為止[10]。處理期間隨著水稻生長(zhǎng)不斷調(diào)整燈管高度，從而保證植株接受7.5 kJ m-2d-1強(qiáng)度的UV-B輻射。自然光照組植株上方只掛沒(méi)有紫外燈的燈架，以保證處理組和對(duì)照組的自然光照條件一致。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 生物量測(cè)定

在每個(gè)水稻生長(zhǎng)時(shí)期末期晴朗的一天，于16:00左右隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)3 株水稻植株，拔出后洗凈，分離地上部和地下部，經(jīng)75 ℃烘干后測(cè)定各部分干重。

1.3.2 CH4采樣方法

參照婁運(yùn)生等方法[15]采用靜態(tài)箱-氣相色譜法收集田間氣體樣品。采樣箱用PVC材料制成，是一個(gè)底面半徑為30 cm、高度可隨水稻生長(zhǎng)情況自由調(diào)節(jié)的圓筒，用箍連接，最后蓋上蓋子，蓋子上裝有溫度計(jì)和采氣閥，連接處涂上凡士林以保證箱體的氣密性。為減少采樣過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境的擾動(dòng)，在觀測(cè)點(diǎn)周?chē)钤O(shè)棧橋。

CH4季節(jié)排放的采樣方法參照婁運(yùn)生等方法[15]：在水稻生育期內(nèi)，每10 d采樣1 次，時(shí)間為10:00—12:00；采樣時(shí)先將箱體罩于水稻上，通過(guò)稻田淹水層液封保證靜態(tài)箱氣密性，蓋上蓋子后立即用雙鏈球手動(dòng)將箱內(nèi)氣體泵入到500 mL的真空鋁箔氣體袋中，每隔10 min收集1 次，在30 min內(nèi)共收集4 次，收集氣體同時(shí)記錄箱溫、氣溫及5 cm稻田土壤溫度。

CH4日排放的采樣方法參照馬靜等方法[22]：在水稻成熟期進(jìn)行采樣，從8:00開(kāi)始采樣，每隔2 h采集1 次，到18:00結(jié)束。具體收集方法同上。

1.3.3 CH4的檢測(cè)方法

參照Nayak等方法[23]，略加改進(jìn)后，用帶有氫火焰離子檢測(cè)器(FID)的氣相色譜儀(Angelient 7890A)檢測(cè)CH4濃度。進(jìn)樣儀為1 mL的進(jìn)口氣密針，分離柱為毛細(xì)管柱。檢測(cè)器FID參數(shù)設(shè)置為：加熱器210 ℃，H2流量40 mL/min，空氣流量400 mL/min，尾吹氣流量(N2)20.871 mL/min，柱箱溫度50 ℃；色譜柱流量為2.500 mL/min。CH4排放通量計(jì)算公式為[24]：

F=60×16×P×H×dc/dt/(273+t)/8.314

式中，F(xiàn)為CH4排放通量(mg m-2h-1)；60為時(shí)間換算率；16為CH4摩爾質(zhì)量(g/mol)；P為當(dāng)?shù)夭蓸狱c(diǎn)氣壓0.9058×105Pa，這邊代入值0.9058；H為采樣箱箱頂至水面的有效高度(cm)；t為采樣時(shí)箱內(nèi)平均溫度(℃)；dc/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化的回歸曲線斜率。CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體由昆明梅塞爾氣體公司提供。通過(guò)積分計(jì)算水稻不同生育期CH4的累積排放量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行整理與繪圖，用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS17.0通過(guò)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)，并將CH4排放通量與各溫度，CH4各時(shí)期累積排放量與各時(shí)期地上及地下部分生物量進(jìn)行多元逐步回歸及雙變量相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)水稻生物量的影響

UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)白腳老粳整個(gè)生育時(shí)期地上部和地下部的生物量有一定影響(圖1)。在不同生育時(shí)期，UV-B輻射增強(qiáng)均顯著降低了水稻地上部和地下部生物量。其中地上部分生物量在UV-B輻射增強(qiáng)處理下，相對(duì)于自然光照處理，顯著降低了20.3%—30.1%(P<0.05)，地下部分生物量經(jīng)UV-B輻射處理后顯著降低了15.9%—24.6%(P<0.05)。

2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)CH4排放規(guī)律的影響

2.2.1 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)CH4排放通量季節(jié)變化的影響

由圖2可知，自然光照處理組的稻田CH4排放通量在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)峰值，即在第90 天拔節(jié)孕穗期時(shí)，其峰值為74.59 mg m-2h-1，隨后排放通量緩慢下降，持續(xù)至移栽后第117 天，又迅速下降至21.12 mg m-2h-1，存在低-高-低的一個(gè)排放單峰型。經(jīng)UV-B輻射處理后，稻田CH4排放通量在觀測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的排放峰，第一個(gè)排放峰出現(xiàn)的時(shí)間與對(duì)照組一致，即在水稻移栽后第90 天(拔節(jié)孕穗期)時(shí)出現(xiàn)，其峰值為132.52 mg m-2h-1，隨后逐漸下降，在距水稻移栽的第127 天(成熟期)又出現(xiàn)第2個(gè)排放峰80.62 mg m-2h-1，大小為第1個(gè)排放峰的61.0%，然后再逐漸降低至22.57 mg m-2h-1，排放趨勢(shì)呈現(xiàn)低-高-低-高-低的雙峰型。說(shuō)明UV-B輻射處理改變了CH4的季節(jié)排放規(guī)律，由原先的單峰型在經(jīng)輻射處理之后變成了雙峰型。另外，經(jīng)UV-B輻射增強(qiáng)處理后，CH4排放通量總體上都極顯著高于自然光照處理組(P<0.01)，只有在距水稻移栽后第107 天、117 天和第142 天的CH4排放通量，兩處理之間沒(méi)有顯著差異。

通過(guò)對(duì)CH4的季節(jié)排放通量與地下5 cm土壤溫度、大氣溫度和箱內(nèi)溫度進(jìn)行多元回歸及相關(guān)分析，結(jié)果表明：自然光照處理組的CH4排放通量與各溫度沒(méi)有相關(guān)性，UV-B輻射處理組的CH4排放通量與大氣溫度和5 cm深處的土壤溫度沒(méi)有相關(guān)性，而與箱內(nèi)溫度存在顯著的線性正相關(guān)，其回歸表達(dá)式為：

F=- 112.723+6.041T箱(R=0.789，P=0.02)

式中，F(xiàn)為經(jīng)UV-B輻射處理的CH4排放通量(mg m-2h-1)，T箱為試驗(yàn)過(guò)程中靜態(tài)采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

2.2.2 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)CH4排放通量的日變化影響

自然光照處理組在該天出現(xiàn)了一個(gè)排放峰，即10:00的時(shí)候，隨后其排放通量緩慢下降直至16:00，后又逐漸升高，因該試驗(yàn)只觀測(cè)到傍晚18:00，因此第2個(gè)排放峰沒(méi)有被觀測(cè)到；UV-B輻射處理組在觀測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)排放峰，分別是在10:00和16:00的時(shí)候(圖3)。另外，除8:00的排放通量?jī)商幚碇g沒(méi)有顯著差異，12:00的排放通量UV-B輻射處理組極顯著低于自然光照處理組外(P<0.01)，其他幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的排放通量UV-B輻射處理組均極顯著高于自然光照處理組。

圖2 CH4排放通量及溫度的季節(jié)性變化Fig.2 Seasonal variation of CH4 flux and temperature in paddy soil

圖3 CH4排放通量及溫度的日變化Fig.3 Variation of CH4 flux and temperature in paddy field during the day

將CH4當(dāng)天的排放通量與該天的各時(shí)段溫度進(jìn)行多元回歸及相關(guān)分析后，發(fā)現(xiàn)各處理的排放通量與各溫度之間均不存在顯著的相關(guān)性。

2.3 UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

水稻各個(gè)生育期CH4累積排放量分布比例見(jiàn)表1。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，自然光照處理組共排放CH464.46 g/m2，其累積排放量最高發(fā)生在成熟期，占總排放量的34.8%，其次是出現(xiàn)峰值的拔節(jié)孕穗期，其累積排放量占總排放量的30.4%；UV-B輻射處理組在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)CH4累積排放量為143.05 g/m2，各時(shí)期累積排放量最高發(fā)生在拔節(jié)孕穗期，占總排放量的54.0%，其次是成熟期，占27.4%。經(jīng)UV-B輻射處理后，稻田CH4在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)的累積排放量極顯著高于自然光照處理組的累積排放量(P<0.01)。

表1 UV-B輻射增強(qiáng)下水稻不同生育期CH4排放特征Tabel 1 Characteristics of CH4 emission in each rice growing stage under enhanced UV-B (ultraviolet-B) radiation

數(shù)據(jù)后小寫(xiě)字母不同表示達(dá)到顯著水平(P<0.05)，數(shù)據(jù)后大寫(xiě)字母不同表示達(dá)到極顯著水平(P<0.01)

將各時(shí)期的累積排放量與各時(shí)期的植株地上部及地下部分生物量進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，排放量與各部分生物量之間都不存在顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 UV-B輻射增強(qiáng)與CH4排放季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系

稻田CH4排放通量的季節(jié)變化受諸多因素影響：土壤理化性質(zhì)[25]、稻田管理模式[26]、水稻特性[27]、稻田土壤水中的CH4濃度[28]、環(huán)境脅迫[29]等。本試驗(yàn)中，UV-B輻射處理組在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的排放峰，而自然光照組只出現(xiàn)了一個(gè)明顯的排放峰，其出現(xiàn)時(shí)間與UV-B輻射處理組同時(shí)發(fā)生在拔節(jié)孕穗期。在該時(shí)期出現(xiàn)排放峰主要原因可能在于：水稻此時(shí)代謝活動(dòng)比較旺盛，根系分泌能力強(qiáng)；通氣組織發(fā)達(dá)，傳輸效率高；根系死亡細(xì)胞脫落物增多，為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的碳源；并且稻田溫度和淹水條件適宜，從而造成了CH4排放高峰的現(xiàn)象[15,30- 31]。抽穗揚(yáng)花期時(shí)，在淹水等一切種植環(huán)境條件沒(méi)有改變的情況下，兩處理的CH4排放通量開(kāi)始下降，并且UV-B輻射處理組比自然光照組下降速度更快，這可能與稻田中的可溶性碳含量有關(guān)[32- 33]。即在水稻拔節(jié)孕穗期根系分泌能力旺盛，土壤中碳源增多促進(jìn)了產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，從而使這段時(shí)間內(nèi)CH4排放量迅速上升，隨后由于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的大量繁殖導(dǎo)致土壤中可溶性碳含量下降，產(chǎn)甲烷細(xì)菌因得不到充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)其數(shù)量逐漸下降，從而引起CH4排放量降低。水稻進(jìn)入成熟期后，自然光照組一直沒(méi)有出現(xiàn)排放峰，UV-B輻射處理組在該時(shí)期出現(xiàn)了第2個(gè)排放峰，但是峰值沒(méi)有第1個(gè)高，表現(xiàn)為UV-B輻射處理改變了稻田CH4排放的季節(jié)變化規(guī)律?？赡苁且?yàn)閁V-B輻射處理組在長(zhǎng)期輻射處理下，水稻植株體提前衰老，造成根系脫落物增多，為產(chǎn)甲烷菌提供了較多物質(zhì)從而產(chǎn)生峰值現(xiàn)象。成熟末期，兩處理的CH4排放量均下降，可能是由于水稻根系因衰老和降解導(dǎo)致根系孔隙度減小，影響水稻植株體傳輸CH4的能力[34]。

3.2 UV-B輻射增強(qiáng)與CH4排放日動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系

CH4排放的日變化受溫度的日變化影響較大，一日之內(nèi)的溫度變化會(huì)引起CH4排放的傳輸路徑的傳輸能力發(fā)生改變[35]。由試驗(yàn)結(jié)果知(圖3)，兩處理均在10:00時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)排放峰，此時(shí)各環(huán)境溫度還沒(méi)有達(dá)到最大值。到12:00溫度達(dá)到最大值時(shí)，尤其是箱內(nèi)溫度達(dá)到最高，為34.75 ℃，兩處理的排放通量尤其是UV-B輻射處理組回落的很快，接近白天排放量最低值，這與劉小燕等人[36]認(rèn)為稻田CH4排放量是隨著日出后溫度逐漸升高而增大的觀點(diǎn)不同。目前還不清楚本試驗(yàn)中的水稻在UV-B輻射增強(qiáng)處理下，遇較高溫度時(shí)是否有休眠現(xiàn)象。有研究證明，當(dāng)水稻所處環(huán)境溫度高于其最適宜溫度時(shí)，某些水稻品種會(huì)發(fā)生休眠現(xiàn)象，從而縮小水稻植株體內(nèi)的空腔系統(tǒng)，抑制土壤中產(chǎn)生的CH4通過(guò)植株體向大氣傳輸?shù)倪^(guò)程[35]。

3.3 UV-B輻射處理下，植株生物量和溫度與CH4排放季節(jié)和日動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系

很多研究表明，5 cm土壤溫度[19,37- 38]、水稻地上及地下部干重[39- 40]與CH4排放具有相關(guān)性，隨著溫度的升高及干重的增大，稻田CH4排放量也升高。因?yàn)闇囟瓤刂浦a(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)，其強(qiáng)弱隨土壤溫度的升高而增強(qiáng)，從而促進(jìn)CH4的產(chǎn)生；水稻生物量影響著根系分泌物及脫落物的數(shù)量，間接影響了提供給產(chǎn)甲烷菌的底物量，從而最終決定了CH4的排放量。在該試驗(yàn)中，由于稻田水位在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)一直保持在10 cm左右，較深的水層對(duì)土壤具有良好的保溫作用，因此土壤溫度受大氣溫度變化不明顯。將CH4排放通量與各環(huán)境溫度進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，只有UV-B輻射處理組CH4的季節(jié)排放通量與箱內(nèi)溫度的季節(jié)變化存在顯著正線性相關(guān)性(R=0.789，P<0.05)。水稻地上及地下部干重經(jīng)UV-B輻射處理后顯著下降(P<0.05，圖1)，與其他學(xué)者的研究成果一致[41]。而CH4的排放通量與累積排放量卻在UV-B輻射處理后極顯著增加(P<0.01，圖2，圖3，表1)，CH4的累積排放量與水稻各部分干重均無(wú)線性相關(guān)。說(shuō)明在野外條件下，影響CH4排放的因素是很復(fù)雜的，CH4排放的季節(jié)變化、日變化和累積排放量不能用溫度和植株干重來(lái)完全解釋?zhuān)瑴囟群椭仓旮芍夭皇荂H4呈現(xiàn)這些排放規(guī)律的主要影響因素。

3.4 UV-B輻射對(duì)CH4排放的產(chǎn)生機(jī)理

試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，在UV-B輻射增強(qiáng)顯著降低水稻植株生物量的情況下(P<0.05，圖1)，稻田CH4排放通量和累積排放量除個(gè)別在兩處理間沒(méi)有顯著差異(圖2，圖3，表1)及極顯著(P<0.01，圖3)降低外，其余的輻射處理組都極顯著高于自然光照組(P<0.01，圖2，圖3，表1)，這與婁運(yùn)生等人[15]研究的結(jié)果比較一致，而與胡正華等人[10]的結(jié)果相反。胡正華等人[10]認(rèn)為，在土壤理化性質(zhì)相同、稻田水肥管理一致，并且UV-B輻射處理沒(méi)有明顯改變水稻生長(zhǎng)狀況的情況下，導(dǎo)致了CH4平均排放量下降，但差異不顯著。目前，很多研究表明，UV-B輻射處理能夠促進(jìn)植株體CH4的排放。Austin和Vivanco[42]認(rèn)為UV-B輻射促進(jìn)植物釋放CH4是因?yàn)橹参锝M織的光降解，CH4作為植物細(xì)胞物質(zhì)降解后的副產(chǎn)物被釋放出來(lái)。更多的學(xué)者認(rèn)為植物體在UV-B輻射作用下產(chǎn)生CH4的主要原因是由于紫外輻射等環(huán)境脅迫因子刺激植物體形成活性氧自由基ROS，ROS與植物細(xì)胞壁果膠等物質(zhì)中的甲氧基團(tuán)作用進(jìn)而生成CH4[43]。Vigano等人[12]發(fā)現(xiàn)，UV(ultraviolet)輻射不僅促進(jìn)甲氧基產(chǎn)生CH4，而且促進(jìn)其它糖基化碳基團(tuán)產(chǎn)生CH4，因此，除了植物果膠在輻射脅迫下能產(chǎn)生CH4外，植物的木質(zhì)素和纖維素在輻射作用下也會(huì)產(chǎn)生CH4，并且CH4的釋放速率與UV輻射的強(qiáng)度呈線性相關(guān)。McLeod等人[14]和Messenger[44]等人分別用活性氧清除劑證實(shí)了ROS對(duì)植株組織釋放CH4的重要性，認(rèn)為UV輻射能通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基ROS從而刺激果膠等物質(zhì)釋放CH4。

4 結(jié)論

UV-B輻射增強(qiáng)顯著降低了水稻植株各時(shí)期地上部、地下部生物量(P<0.05)；改變了稻田CH4排放的季節(jié)變化規(guī)律，與自然光照組相比，CH4排放除了在拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)第1個(gè)排放峰外，在成熟期出現(xiàn)第2個(gè)排放峰，并且與箱內(nèi)溫度存在顯著線性正相關(guān)(R=0.789，P<0.05)；UV-B輻射增強(qiáng)改變了CH4排放的日變化規(guī)律，提前了CH4排放第2個(gè)峰出現(xiàn)的時(shí)間，但這種日變化規(guī)律與5 cm土壤溫度、大氣溫度和箱內(nèi)溫度均不存在相關(guān)性；在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，UV-B輻射增強(qiáng)極顯著增加了CH4的累積排放量(P<0.01)，促進(jìn)了稻田CH4的排放，而與水稻各時(shí)期的各部分干重?zé)o相關(guān)性。

[1] Ballaré C L, Caldwell M M, Flint S D, Robinson S A, Bornman J F. Effects of solar ultraviolet radiation on terrestrial ecosystems. Patterns, mechanisms, and interactions with climate change. Photochemical & Photobiological Sciences, 2011, 10(2): 226- 241.

[2] Caldwell M M, Bomman J F, Ballaré C L, Flint S D, Kulandaivelu G. Terrestrial ecosystems, increased solar ultraviolet radiation, and interactions with other climate change factors. Photochemical and Photobiological Sciences, 2007, 6(3): 252- 266.

[3] Blom A A, Lee-Taylor J, Madronich S, Messenger D J, Palmer P I, Reay D S, McLeod A R. Global methane emission estimates from ultraviolet irradiation of terrestrial plant foliage. New Phytologist, 2010, 187(2): 417- 425.

[4] Messenger D J, Mcleod A R, Fry S C. Reactive oxygen species in aerobic methane formation from vegetation. Plant Signaling and Behavior, 2009, 4(7): 629- 630.

[5] 蔣靜艷, 牛傳坡, 胡正華, 楊玉峰, 黃耀. 地表UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)土壤-冬小麥系統(tǒng)N2O排放的影響機(jī)理研究. 環(huán)境科學(xué), 2006, 27(9): 1712- 1716.

[6] 胡正華, 蔣靜艷, 牛傳坡, 孫文娟, 黃耀. 地表UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)土壤-冬小麥系統(tǒng)呼吸速率和N2O排放的影響. 環(huán)境科學(xué), 2007, 28(3): 449- 454.

[7] 胡正華, 蔣靜艷, 牛傳坡, 陳書(shū)濤, 劉巧輝. 地表UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)土壤-大豆系統(tǒng)N2O排放的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(12): 6754- 6763.

[8] 胡正華, 蔣靜艷, 牛傳坡, 陳書(shū)濤, 劉巧輝. UV-B增強(qiáng)對(duì)土壤-大豆系統(tǒng)CO2排放的影響. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009, 29(4): 425- 430.

[9] 胡正華, 楊燕萍, 陳書(shū)濤, 李涵茂, 李岑子, 申雙和. UV-B增強(qiáng)與秸稈施用對(duì)土壤-冬小麥系統(tǒng)CO2排放影響. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010, 30(8): 1130- 1134.

[10] 胡正華, 凌慧, 陳書(shū)濤, 李琪, 蔣靜艷, 牛傳坡. UV-B增強(qiáng)對(duì)稻田呼吸速率、CH4和N2O排放的影響. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(10): 3018- 3022.

[11] Vigano I, R?ckmann T, Holzinger R, van Dijk A, Keppler F, Greule M, Brand W A, Geilmann H, van Weelden H. The stable isotope signature of methane emitted from plant material under UV irradiation. Atmospheric Environment, 2009, 43(35): 5637- 5646.

[12] Vigano I, Van Weelden H, Holzinger R, Keppler F, McLeod A, R?ckmann T. Effect of UV radiation and temperature on the emission of methane from plant biomass and structural components. Biogeosciences, 2008, 5(3): 937- 947.

[13] Btuhn D, Mikkelsen T N, ?bro J, Willats W G T, Ambus P. Effects of temperature, ultraviolet radiation and pectin methyl esterase on aerobic methane release from plant material. Plant Biology, 2009, 11(S1): 43- 48.

[14] McLeod A R, Fry S C, Loake G J, Messenger D J, Reay D S, Smith K A, Yun B W. Ultraviolet radiation drives methane emissions from terrestrial plant pectins. New Phytologist, 2008, 180(1): 124- 132.

[15] 婁運(yùn)生, 周文鱗. UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻CH4排放的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(15): 4731- 4736.

[16] IPCC Fourth Assessment Report. Climate change 2007: The Physical Science Basis[EB/OL]. [2013- 4- 25]. http://www.slvwd.com/agendas/Full/2007/06- 07- 07/Item%2010b.pdf.

[17] 王玲, 魏朝富, 謝德體. 稻田甲烷排放的研究進(jìn)展. 土壤與環(huán)境, 2002, 11(2): 158- 162.

[18] Cai Z C. A Category for estimate of CH4emission from rice paddy fields in China. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1997, 49(1/3): 171- 179.

[19] 韓廣軒, 朱波, 江長(zhǎng)勝, 高美榮, 張中杰, 馬秀梅. 川中丘陵區(qū)稻田甲烷排放及其影響因素. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境, 2005, 21(1): 1- 6.

[20] 侯甬堅(jiān). 紅河哈尼梯田形成史調(diào)查和推測(cè). 南開(kāi)學(xué)報(bào): 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版, 2007, (3): 53- 61, 112- 112.

[21] 嚴(yán)火其, 李琦. 自然主義的哈尼稻作及其可持續(xù)發(fā)展. 中國(guó)農(nóng)史, 2008, 27(3): 33- 44.

[22] 馬靜, 徐華, 蔡祖聰, 八木一行. 水稻植株對(duì)稻田CH4排放日變化的影響. 土壤, 2007, 39(6): 859-862.

[23] Nayak D R, Adhya T K, Babu Y J, Datta A, Ramakrishnan B, Rao V R. Methane emission from a flooded field of Eastern India as influenced by planting date and age of rice (OryzasativaL.) seedlings. Agriculture Ecosystems and Environment, 2006, 115(1/4): 79-87.

[24] 胡正華, 蔣晶艷, 孫文娟, 黃耀. UV-A輻射對(duì)土壤-冬小麥系統(tǒng)呼吸速率和N2O排放的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(5): 1860- 1865.

[25] Tsutsuki K, Ponnamperuma F N. Behavior of anaerobic decomposition products in submerged soils: effects of organic material amendment, soil properties, and temperature. Soil Science and Plant Nutrition, 1987, 33(1): 13- 33.

[26] Khalil M A K, Rasmussen R A, Shearer M J, Dalluge R W, Ren L X, Duan C L. Measurements of methane emissions from rice fields in China. Journal of Geophysical Research: Atomospheres, 1998, 103(D19): 25181- 25210.

[27] Das K, Baruah K K. Methane emission associated with anatomical and morphophysiological characteristics of rice (Oryzasativa) plant. Physiologia Plantarum, 2008, 134(2): 303- 312.

[28] Nouchi I, Mariko S, Aoki K. Mechanism of methane transport from the rhizosphere to the atmosphere through rice plants. Plant Physiology, 1990, 94(1): 59- 66.

[29] Krischbaum M U F, Niinemets, Bruhn D, Winterts A J. How important is aerobic methane release by plants? Functional Plant Science and Biotechnology, 2007, 1(1): 138- 145.

[30] 楊光明, 武文明, 沙麗清. 西雙版納地區(qū)稻田甲烷的排放通量. 山地學(xué)報(bào), 2007, 25(4): 461- 468.

[31] 楊文燕, 宋長(zhǎng)春, 張金波. 沼澤濕地孔隙水中溶解有機(jī)碳、氮濃度季節(jié)動(dòng)態(tài)及與甲烷排放的關(guān)系. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(10): 1745- 1750.

[32] Bergman I, Klarqvist M, Nilsson M. Seasonal variation in rates of methane production from peat of various botanical origins: effects of temperature and substrate quality. FEMS Microbiology Ecology, 2000, 33(3): 181- 189.

[33] Smith L K, Lewis Jr W M. Seasonality of methane emissions from five lakes and associated wetlands of the Colorado Rockies. Global Biogeochemical Cycles, 1992, 6(4): 323- 338.

[34] Colmer T D. Aerenchyma and an inducible barrier to radial oxygen loss facilitate root aeration in upland, paddy and deep-water rice (OryzasativaL.). Annals of Botany, 2003, 91(2): 301- 309.

[35] 上官行健, 王明星, 沈壬興, 王躍思, Wassmann R, Rennenberg H, Seiler W, 謝小立, 王衛(wèi)東, 謝克和. 我國(guó)華中地區(qū)稻田甲烷排放特征. 大氣科學(xué), 1994, 18(3): 358- 365.

[36] 劉小燕, 黃璜, 楊志平, 余建波, 戴振炎, 王德軍, 譚泗橋. 稻鴨魚(yú)共棲生態(tài)系統(tǒng)CH4排放規(guī)律研究. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(2): 265- 269.

[37] 段曉男, 王效科, 陳琳, 牟玉靜, 歐陽(yáng)志云. 烏梁素海湖泊濕地植物區(qū)甲烷排放規(guī)律. 環(huán)境科學(xué), 2007, 28(3): 455- 459.

[38] 韓廣軒, 朱波, 高美榮. 水稻油菜輪作稻田甲烷排放及其總量估算. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2006, 14(4): 134- 137.

[39] Wassmann R, Aulakh M S. The role of rice plants in regulating mechanisms of methane missions. Biology and Fertility of soils, 2000, 31(1): 20- 29.

[40] Aulakh M S, Bodenbender J, Wassmann R, Rennenberg H. Methane transport capacity of rice plants. Ⅱ. Variations among different rice cultivars and relationship with morphological characteristics. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2000, 58(1/3): 367- 375.

[41] 李海濤, 董銘, 廖迎春, 盧存福, 梁濤. 模擬UVB增強(qiáng)脅迫對(duì)大田水稻生長(zhǎng)及內(nèi)源激素含量的影響. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2007, 23(3): 392- 397.

[42] Austin A T, Vivanco L. Plant litter decomposition in a semi-arid ecosystem controlled by photodegradation. Nature, 2006, 442(7102): 555- 558.

[43] Keppler F, Hamilton J T G, McRoberts W C, Vigano I, Bra? M, R?ckmann T. Methoxyl groups of plant pectin as a precursor of atmospheric methane: evidence from deuterium labelling studies. New Phytologist, 2008, 178(4): 808-814.

[44] Messenger D J, Mcleod A R, Fry S C. The role of ultraviolet radiation, photosensitizers, reactive oxygen species and ester groups in mechanisms of methane formation from pectin. Plant, Cell and Environment, 2009, 32(1): 1- 9.

Effect of enhanced UV-B radiation on CH4emission from paddy field in Yuanyang Hani Terraces

XU Weiwei, HE Yongmei, ZHAN Fangdong, ZU Yanqun, LI Yuan*

CollegeofResourcesandEnvironment,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China

The destruction of ozonosphere and the global warming have been widely concerned by governments and peoples all over the world. Increase of UV-B (ultraviolet-B) radiation on Earth′s surface due to ozone layer depletion can decrease the growth and alter the chemical composition of litter fall of plant, and consequently change the microbial community composition, structure and activity in soil. Methane is an important greenhouse gas and has a global warming potential of 25 compared to CO2over a 100-year period. Its rank is second only to CO2in the atmosphere and its concentration in the Earth′s atmosphere in 2010 was 1.808×10- 6μL/L, up from 0.7×10- 6μL/L in 1750. In addition to abiogenic production of methane, there are biogenic methane as well. Biogenic methane produced by the process of methanogenesis usually occurred under highly anaerobic conditions, for example, in the guts of humans and other animals, especially ruminants, and in landfill, artificial and natural wetlands, etc. As a kind of wetland, flooded paddy can generate a lot of methane during plant growth and are considered to be one of the major anthropogenic sources of methane, especially the year-round flooded paddy field. Up to now, quite a few researches demonstrated that methane can be largely produced from plant tissues under the influence of UV (ultraviolet) radiation due to the generation of ROS (reactive oxygen species). ROS was suggested to be a potential free-radical mechanism which can produce CH4from plant polysaccharides under aerobic condition. Though the significant effects of UV-B radiation on methane emission from rice paddy field have been studied, the effects of UV-B radiation on the methane emission from year-round flooded paddy field are rarely studied. In this paper, Yuanyang Hani Terraces which is a typical year-round flooded paddy field in Yunnan, Southwestern China, was chosen to investigate the dynamics of methane emission under enhanced UV-B radiation.Field experiment was conducted to investigate methane emission as affected by enhanced UV-B radiation (7.5 kJ m-2d-1) in Yuanyang Hani Terraces where planted the rice traditional cultivar named Baijiaolaojing at the altitude of 1600 m. The CH4emission flux was measured by static chamber-gas chromatograph method with an interval of 10 days during the rice growing season. The results showed that: (1) The straw weight and root weight decreased significantly under enhanced UV-B radiation at different stages including late tillering stage, jointing to booting stage, heading to flowering stage and mature stage (P<0.05). (2) The seasonal and daily patterns of CH4emission were changed by the enhanced UV-B radiation. Only one emission peak during the whole growing season was observed at jointing to booting stage under the control, while two peaks were observed under enhanced UV-B radiation at jointing to booting stage and mature stage, respectively. Of the daily CH4emission, the second emission peak under enhanced UV-B radiation appeared in advance, compared with the control at mature stage. (3) There was a significant positive correlation between CH4seasonal emission flux and the temperature in chamber as a result of enhanced UV-B radiation (R=0.789，P<0.05). (4) The total amount of CH4emission were increased by 47.2%, 293.8% and 74.4% significantly as compared with that of control at late tillering stage, jointing to booting stage and mature stage, respectively (P<0.01). The results suggest that enhanced UV-B radiation can stimulate CH4emission from rice paddy field cultivated with traditional rice cultivar.

UV-B radiation; Yuanyang Hani Terraces; rice paddy field; methane emission

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31060083, 41205113)

2013- 05- 08;

日期:2014- 04- 17

10.5846/stxb201305080981

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Liyuan03@aliyun.com

徐渭渭, 何永美, 湛方棟, 祖艷群, 李元.UV-B輻射增強(qiáng)對(duì)元陽(yáng)哈尼梯田稻田CH4排放規(guī)律的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(5):1329- 1336.

Xu W W, He Y M, Zhan F D, Zu Y Q, Li Y.Effect of enhanced UV-B radiation on CH4emission from paddy field in Yuanyang Hani Terraces.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1329- 1336.