全 文 ：UV鄄B辐射增强对小麦秸秆化学成分及其
施用后土壤 N2O排放的影响
*
蒋静艳1**摇 胡正华2 摇 牛传坡1
( 1 南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095; 2 南京信息工程大学环境科学系, 南京 210044)
摘摇 要摇 在室外试验的基础上,研究了地表 UV鄄B辐射增强条件下小麦秸秆成分的变化,及在
室内不同培养条件下施用 UV鄄B辐射处理后小麦秸秆对土壤 N2O排放的影响.室外试验结果
表明:地表 UV鄄B辐射增强减少了小麦地上部分生物量,显著增加了小麦秸秆木质素和全氮含
量,增幅分别达 94郾 2%和 12郾 3% ,降低了其 C / N.室内培养试验结果表明:与常规小麦秸秆相
比,UV鄄B辐射处理后的小麦秸秆显著提高了旱地和淹水条件下 N2O的排放量;施用秸秆同时
伴施硝态氮条件下,经过 UV鄄B辐射处理的小麦秸秆显著促进了旱地条件下 N2O 的排放,其
排放量为常规秸秆处理的 3郾 2 倍,但在淹水条件下对 N2O 排放无显著影响;无论何种培养条
件下,经过 UV鄄B辐射处理的小麦秸秆对土壤呼吸都未产生显著影响.
关键词摇 UV鄄B辐射摇 化学成分摇 秸秆分解摇 N2O排放
文章编号摇 1001-9332(2010)10-2715-06摇 中图分类号摇 X171郾 5摇 文献标识码摇 A
Effects of elevated ultraviolet鄄B radiation on the chemical composition of wheat straw and
the N2O emission from soil amended with the straw. JIANG Jing鄄yan1, HU Zheng鄄hua2, NIU
Chuan鄄po1 ( 1College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University,
Nanjing 210095, China; 2College of Environmental Science and Technology, Nanjing University of
Information Science and Technology, Nanjing 210044, China ) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2010,
21(10): 2715-2720.
Abstract: An outdoor experiment was carried out to investigate the effects of elevated ultraviolet鄄B
radiation on the chemical composition of wheat straw, and an indoor incubation test was conducted
to study the effects of the amendment of the straw on soil N2O emission. Outdoor experiment showed
that the enhanced UV鄄B decreased the aboveground biomass of wheat, increased the lignin and total
N contents of wheat straw by 94郾 2% and 12郾 3% , respectively, and decreased the C / N ratio of the
straw. Incubation test showed that comparing with the amendment of conventional wheat straw, the
amendment of wheat straw received enhanced UV鄄B radiation during plant growth increased soil
N2O emission under the dry鄄land and flooded conditions significantly. When nitrate was applied,
the soil N2O emission in the treatment with straw received enhanced UV鄄B radiation during plant
growth was 3郾 2 times higher than that with the conventional straw under dry鄄land condition, but did
not differ significantly under flooded condition. The amendment of wheat straw which received UV鄄B
radiation during plant growth had no significant effects on soil respiration.
Key words: ultraviolet鄄B radiation; chemical composition; straw decomposition; N2O emission.
*国家自然科学基金项目(40605029,40975091)资助.
**通讯作者. E鄄mail: lilacjjy@ njau. edu. cn
2010鄄02鄄04 收稿,2010鄄07鄄22 接受.
摇 摇 臭氧层破坏和全球变暖是当今世界重要的环境
问题.平流层臭氧浓度的降低直接导致到达地表的
太阳紫外 UV鄄B辐射增强.有报告指出[1],中纬度地
区臭氧仅 1997—2001 年间就较 1980 年前的平均值
减少了 3% ~ 6% . 该研究[1]同时指出,大气臭氧层
的破坏,使到达地表的太阳紫外辐射比 1980 年前增
加了 6% ~14% ,且在未来几十年内,地表紫外辐射
还将持续增强[2] .全球变暖源于温室气体的大量排
放,N2O作为重要的温室气体之一,主要来自土壤的
硝化和反硝化过程.据估计,全球范围内农业排放的
N2O占 60% ,如果不实施额外的农业政策,预计到
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 10 月摇 第 21 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2010,21(10): 2715-2720
2030 年,农业源 N2O 排放量将比 2005 年增加
35% ~60% [3] .另外,N2O百年尺度增温潜势(global
warming potential,GWP)为 CO2 的 298 倍,在大气中
的滞留时间可达 120 年之久,最主要的是 N2O 还参
与大气中许多光化学反应,能间接破坏平流层中的
臭氧层[4],使地表 UV鄄B辐射进一步增强.
迄今为止,关于 UV鄄B 辐射增强与温室气体排
放之间关系的研究尚不多见. 有限的报道主要是针
对温室气体增多对臭氧层破坏方面的影响[5],而关
于 UV鄄B 辐射增强对温室气体的影响,国际上仅
Niemi等[6]于 2002 年最先报道了 UV鄄B 辐射增强显
著降低了高纬度地区泥炭地温室气体 CH4 和 CO2
的排放量.本课题组以往的研究表明,UV鄄B 辐射增
强显著降低了整个大豆生长季土壤鄄大豆系统的
N2O累积排放量,降幅高达 38% [7];在冬小麦的返
青鄄齐穗期,UV鄄B 增强处理显著降低了土壤鄄冬小麦
系统的 N2O累积排放量,但对整个小麦生长季 N2O
累积排放量没有显著影响[8] .
植物残体的分解是氮素循环的一个重要环节.
UV鄄B辐射对植物残体分解的影响包括直接影响和
间接影响[9-10] .前者指分解期接受 UV鄄B 辐射,从而
对分解者产生影响以及光降解,但大多的 UV鄄B 被
植株群叶或簇叶所吸收,这种直接影响很微弱;后者
机制可能更合理一些,主要指植物生长期接受 UV鄄B
辐射,导致植物化学成分变化,如植物体内黄酮、丹
宁、木质素等次生代谢物的含量增加,从而影响分解
者的分解功能,改变分解速率[9] . 大量研究证实,植
物生长期接受 UV鄄B 辐射使作物的光合作用降低,
作物形态结构及生长发育受到影响[11-14],作物株
高、生物量和产量等显著下降[15-17] . Solheim等[18]认
为,UV鄄B辐射增强对极地生态系统氮固定有影响,
李元等[19]和 Yue等[20]研究则表明,UV鄄B 辐射增强
能提高植物体内的全氮含量. 本课题组以往的研究
也表明,UV鄄B 辐射增强促进了小麦叶片中氮代谢
过程[21-22] .但地表 UV鄄B 辐射增强导致植物化学组
成的改变尤其是氮素的增多是否进一步影响作物残
体分解时的 N2O 排放,即地表 UV鄄B 辐射增强对植
物残体分解产物的间接影响如何? 相关研究尚未见
报道. 本研究在本课题组相关研究结果的基础
上[8],进一步以室内模拟培养试验研究了 UV鄄B 辐
射处理的小麦秸秆分解后对土壤呼吸和 N2O 排放
的影响,旨在为未来 UV鄄B 辐射增强情景下了解农
田生态系统生物化学循环过程温室气体排放及变化
趋势提供依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试作物品种为扬麦 158. 供试土壤为第四纪
下蜀黄土发育的马肝土. 0 ~ 20 cm 土壤基本理化性
质为:pH 6郾 0,有机质含量 16郾 80 g·kg-1,全 N含量
1郾 08 g·kg-1,粘粒含量(<0郾 001 mm)16% ,速效磷
含量 12郾 03 mg·kg-1,土壤容重 1郾 3 g·cm-3 .
1郾 2摇 试验设计
室外试验于 2004—2005 年冬小麦生长季在南
京信息工程大学试验田进行[8] . 采用人为增加紫外
辐射的方法,将 UV鄄B灯管悬于作物上方,用于模拟
UV鄄B辐射增强.所采用的 UV鄄B 灯管是上海华德电
光源厂生产(40 W,峰值 310 nm),属 UV鄄B 光谱
(280 ~ 320 nm),有少量 UV鄄A 和 PAR,并安装电流
控制器(可以控制 UV鄄B灯管的紫外辐射输出).
试验设对照(CK)和处理(T)两个小区. T 指在
自然光照的基础上增加 UV鄄B 辐射 20% ,对照小区
灯管用 Mylar膜(美国杜邦公司生产,厚度 125 滋m)
滤掉 320 nm以下波段,即对照组灯管滤后无 UV鄄B
输出,保证处理与对照相比仅 UV鄄B增强 20% ,而其
他环境条件(自然光加少许 UV鄄A 和 PAR)相同.
UV鄄B辐射增强处理从 2005 年 2 月 19 日开始至
2005 年 5 月 31 日收获止,每天处理时间为 8:00—
16:00,阴雨天停止照射. UV鄄B背景强度与灯管
UV鄄B辐照强度测定采用紫外辐照计(北京师范大学
生产,波长峰值 310 nm),每天分不同时段测定,计
算其日均 UV鄄B辐射量,然后调整灯管高度,使处理
比对照的 UV鄄B辐射日均增强 20% .
小麦收获时,将秸秆经 70 益烘干至恒量,粉碎,
同时采集土壤样品过 2 mm 筛备用. 室内模拟试验
于 2006—2007 年进行,设置两种水分条件:即旱地
条件(土壤质量含水量控制在 25% )和淹水条件(水
面高于土壤表面 2 cm 以上).两种水分条件下均设
置不同小麦秸杆还田和添加氮肥处理,即取 100 g
土样置于 580 ml的玻璃培养瓶中,然后根据试验设
置分别均匀混入不同小麦秸秆 0郾 2 g 和 0郾 088 g 硝
酸钾.试验共计 5 个处理,分别为:T1,空白对照,土
壤+无氮肥施用+无秸秆施用;T2,土壤+对照秸秆;
T3,土壤+增加 UV鄄B辐射秸秆;T4,土壤+对照秸秆+
氮肥;T5,土壤+增加 UV鄄B 辐射秸秆+氮肥. 培养温
度 30 益,固定瓶子,防止扰动.整个培养期内保持水
分含量不变(质量法调节). 每处理 3 个重复,培养
至各秸秆处理气体排放无差异时为止.
6172 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 小麦秸秆各成分测定摇 植株中粗灰分的测定
采用高温灼烧法[23];木质素的测定参见文献[24];
全 N的测定采用 H2SO4 鄄H2O2 消煮,纳氏比色法;全
磷的测定采用 H2SO4 鄄H2O2 消煮,钼锑抗比色法;酸
性洗涤剂溶解物(ADS)的测定参见文献[25]. 其
中,ADS指植株中可溶于酸性洗涤剂的部分,主要
包括脂肪、糖、淀粉、蛋白质和半纤维素等易分解成
分,不溶于酸性洗涤剂的残渣称为酸性洗涤纤维
(ADF),主要含有纤维素、木质素和硅酸盐等难分
解成分[25] .
1郾 3郾 2 气体样品的采集与分析摇 培养后的 12 d内每
天采集气体样品 2 次(参照每天的气体排放速率作
适当调整),以后每天采集 1 次.每次取样前用电泵
通空气 15 min,充分排除培养瓶内残留的气体后抽
取背景样品,并用胶塞封口,再培养 1郾 5 ~ 4 h 后从
培养瓶上部空间抽取气体样品 20 ml后,移掉瓶塞,
重新敞口培养,直至下一次测定.
气体样品的分析采用改装的 Agilent 4890D 气
相色谱仪检测. N2O 测定所用载气为 99郾 999%高纯
氩甲烷(Ar2 颐 CH4 = 95 颐 5),检测器为电子捕获检
测器(ECD),检测温度为 330 益 . CO2 和 CH4 测定
所用载气为 99郾 999%高纯氮,检测器为氢火焰检测
器(FID),检测温度为 200 益 . 根据气体分子量、培
养温度、培养容器内气体的有效空间、培养时间内气
体浓度差及培养容器内的烘干土质量计算各气体排
放速率,具体计算公式如下:
F=吟m / (W·吟t)= 籽·V·吟c / (W·吟t)
式中:F 为气体排放速率;籽 为气体密度(g·L-1),
籽=[(气体分子量伊(273+T)] / (22郾 4伊273);V 为培
养容器内气体的有效空间(L);吟t为培养时间(h);
吟c为吟t时间内的气体浓度差;W 为培养容器内的
烘干土质量(g);T为培养温度(益).
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2007 软件对数据进行处理
和制图,用 SPSS软件进行统计分析,多重比较采用
LSD法.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 UV鄄B辐射增强对小麦秸秆成分的影响
由表 1 可以看出,地表 UV鄄B 辐射增强对小麦
秸秆酸性洗涤剂溶解物的影响不大,但减少了小麦
地上部分生物量、全 P 和总 C 含量,减幅分别为
16郾 1% 、12郾 5%和 7郾 1% ,但差异不显著(P>0郾 1).
此外,地表 UV鄄B 辐射增强显著增加了小麦秸秆木
质素(P<0郾 05)和全 N含量(P<0郾 1),增幅分别高达
94郾 2%和 12郾 3% . UV鄄B 辐射增强还改变了小麦秸
秆的 C / N,使之降低了 18郾 3% . UV鄄B 辐射对小麦秸
秆化学成分的影响,尤其对全氮含量和 C / N 的影
响,必将影响到秸秆还田后的分解速率和分解产物.
2郾 2摇 UV鄄B 辐射增强处理小麦秸秆对土壤呼吸和
N2O排放的影响
2郾 2郾 1 土壤呼吸摇 由图 1 可以看出,未添加外源碳、
氮的 T1 处理土壤呼吸一直远小于其他处理.同一处
理旱地条件下的土壤呼吸大于淹水条件.在同一种水
分条件下,添加不同外源碳、氮处理的土壤呼吸动态
变化趋势基本一致.旱地条件下,添加不同外源碳、氮
后土壤呼吸很快达到峰值(2郾 4 滋g C·g-1·h-1),然
后逐渐下降,最终于培养 20 d 左右趋于平衡,即 T2、
T3、T4、T5 与 T1 之间无显著差异.而淹水条件下,土壤
呼吸逐渐升高,CO2 排放率在0郾 8 滋g C·g-1·h-1左
右维持平衡 1 周后逐渐下降,至培养 35 d 左右各处
理之间无显著差异,达到平衡状态.
2郾 2郾 2 N2O排放摇 施加外源碳、氮促进了 N2O 的排
放,但基本上在培养 8 d后趋于平衡(图 2).旱地条
件下,T5 处理有一个明显的排放峰值,在8 ng N·
g-1·h-1,远高于其他处理,重复之间的变异也较大.
淹水条件下,添加硝酸钾处理的 N2O 排放速率峰值
出现时间略滞后,且远高于其他处理,峰值达
95 ng N·g-1 ·h-1 . 方差分析也表明,淹水条件
下 T4 和 T5 的 N2 O排放显著高于 T2 和 T3 处理
表 1摇 UV鄄B辐射增强处理后的小麦生物量及秸秆成分
Tab. 1摇 Chemical composition of straw and biomass of wheat under enhanced UV鄄B radiation (mean依SE)
处理
Treatment
地上部分生物量
Above鄄ground
biomass
(g·pot-1)
木质素
Lignin
(% )
酸性洗涤
剂溶解物
Acidic detergent
solute(% )
全磷
Total P
(% )
总碳
Total C
(% )
全氮
Total N
(% )
C / N
对照 Control 50郾 71依4郾 39 12郾 31依1郾 28 51郾 41依0郾 75 0郾 08依0郾 00 51郾 67依0郾 76 0郾 57依0郾 01 91郾 2
UV鄄B辐射增强
Enhanced UV鄄B radiation 42郾 54依4郾 09 23郾 90依2郾 63
** 51郾 22依0郾 15 0郾 07依0郾 01 48郾 01依1郾 79 0郾 64依0郾 00* 74郾 5
*P<0郾 1; ** P<0郾 05.
717210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 蒋静艳等: UV鄄B辐射增强对小麦秸秆化学成分及其施用后土壤 N2O排放的影响摇 摇 摇 摇
图 1摇 旱地(a)和淹水(b)条件下不同处理的 CO2 排放动态
Fig. 1摇 Dynamics of CO2 emission in different treatments under
dry鄄land ( a) and flooded ( b) incubation conditions (mean 依
SE).
图 2摇 旱地(a)和淹水(b)条件下不同处理的 N2O排放动态
Fig. 2摇 Dynamics of N2O emission in different treatments under
dry鄄land ( a) and flooded ( b) incubation conditions (mean 依
SE).
(P<0郾 05).本试验淹水条件下的 N2O 排放都较旱
地条件下高,表明 N2O 主要来源于反硝化作用. 在
淹水条件下,施用 KNO3 显著增加了 N2O的排放量,
说明 KNO3 作为反硝化过程的底物,进一步促进了
N2O的排放.
表 2摇 不同处理 CO2 和 N2O的累积排放量
Tab. 2摇 Cumulative emissions of CO2 and N2O under dif鄄
ferent treatments(mean依SE)
水分条件
Water
condition
处理
Treatment
CO2 累积排放量
Cumulative emission
of CO2
(滋g C·g-1 soil)
N2O累积排放量
Cumulative emission
of N2O
(ng N·g-1 soil)
旱地 T1 122郾 0依1郾 8c 45郾 7依2郾 0d
Dryland T2 468郾 3依8郾 4a 235郾 1依12郾 1bc
T3 439郾 5依16郾 3ab 293郾 5依18郾 8b
T4 385郾 9依4郾 6b 194郾 0依16郾 1c
T5 398郾 3依19郾 9b 620郾 6依114郾 4a
淹水 T1 109郾 7依0郾 9b 1120郾 4依32郾 6d
Flooding T2 256郾 0依6郾 8a 2963郾 1依80郾 4c
T3 278郾 3依5郾 1a 3474郾 6依160郾 7b
T4 266郾 7依11郾 6a 7783郾 1依242郾 8a
T5 269郾 0依11郾 3a 7767郾 7依315郾 2a
同列不同小写字母表示同一水分条件不同处理间差异显著( P <
0郾 05)Different small letters in the same column meant significant differ鄄
ence between treatments at 0郾 05 level under the same water condition.
2郾 2郾 3 CO2 和 N2O的累积排放量摇 CO2 累积排放量
即土壤呼吸的高低反映了土壤微生物的活性. 由表
2 可知,添加外源碳、氮处理的土壤呼吸和 N2O的累
积排放量均显著高于 T1 处理.添加 UV鄄B 辐射秸秆
与常规秸秆处理土壤呼吸之间无显著差异 ( P >
0郾 05).在旱地条件下添加 KNO3,UV鄄B 辐射秸秆处
理的 N2O排放显著高于常规秸秆处理(P<0郾 05);
而未添加 KNO3 条件下,T3 处理 N2O 排放与 T2 处
理仅在 0郾 1 水平上有显著差异. 在淹水条件下,仅
T3 处理 N2O排放显著高于 T2 处理(P<0郾 05),添加
KNO3 条件下的 T4 和 T5 两处理之间无显著差异
(P>0郾 05).旱地条件下,T3 处理 N2O累积排放量比
T2 处理增加了 24郾 8% ,而 T5 处理 N2O 累积排放量
是 T4 处理的 3郾 2 倍;淹水条件下,T3 处理 N2O累积
排放量比 T2 处理增加了 17郾 3% . 进一步计算旱地
和淹水条件下 T2 和 T3 处理秸秆全氮的 N2O转化率
[即 T2 或 T3 处理 N2O排放均值-T1 处理 N2O 排放
均值) / (秸秆施用量伊全氮含量) 伊100% ],发现经
UV鄄B辐射处理过秸秆的氮素转化为 N2O 的比例在
旱地和淹水条件下分别为 0郾 019%和 0郾 18% ,均高
于相应常规秸秆处理(分别为 0郾 017%和 0郾 16% ).
3摇 讨摇 摇 论
UV鄄B辐射会引起植物叶片化学成分的改变,
从而影响植物残体的质量、分解速率和生态系统的
营养循环[26-28] .在 UV鄄B辐射增强的情况下,植物体
内黄酮、丹宁、木质素等次生代谢物的含量增加,分
解微生物种群的数量和多样性受到显著影响,从而
8172 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
影响了微生物对植物残体的分解,改变了植物残体
分解速率,导致养分循环的改变[10, 29-30] . 本研究进
一步证实了 UV鄄B辐射增强会导致小麦秸秆木质素
含量的增加,但反映在分解时的土壤呼吸上即微生
物活性上却没有明显的变化. 而且易分解组分酸性
洗涤剂溶解物(主要包括脂肪、糖、淀粉、蛋白质和
半纤维素等)处理与对照之间也没有显著差异,其
原因尚待进一步研究.
已有研究表明,UV鄄B 增强处理使冬小麦的生
物量显著降低[15] .本研究中虽然地表 UV鄄B 辐射增
强未显著降低冬小麦地上部分生物量,但从均值水
平来看,降低了 16郾 1% . 同时,地表 UV鄄B 辐射增强
使小麦秸秆 N 含量增加了 12郾 3% . 李元等[19]研究
结果也表明,UV鄄B 辐射增强能提高春小麦全氮含
量,本研究结果与之相同.但关于 UV鄄B 辐射增强提
高植物体内全氮含量的机理尚不明确,还需进一步
研究.如果进一步计算小麦秸秆 N总量(秸秆质量伊
全氮含量),则处理与对照无显著差异(P<0郾 05).本
课题组已有的研究表明,在冬小麦生长季的返青鄄齐
穗期,UV鄄B 增强处理显著降低了土壤鄄冬小麦系统
的 N2O 排放量(P<0郾 05),但从整个生长季来看,
UV鄄B增强处理对 N2O累积排放量没有产生显著影
响[8] .而本培养试验结果表明,经 UV鄄B 辐射处理过
的秸秆氮素转化为 N2O的比率高于常规秸秆,尤其
是在淹水条件下这种差异更明显.因此,从整个生物
地质化学循环过程来看,UV鄄B 辐射增强还是提高
了 N2O的排放.小麦田间生产一般都是秸秆还田伴
施氮肥,在旱地条件下 UV鄄B 辐射处理后的小麦秸
秆加剧了 N2O的排放,但在淹水条件下则无显著影
响,主要是硝态氮肥作为反硝化底物掩盖了秸秆氮
素分解的差异.上述秸秆分解结果是在无植物参与
条件下的室内培养试验得到的,尚需有植物参与下
的田间小麦秸秆分解试验的进一步验证.鉴于 UV鄄B
辐射增强对生物化学循环影响的复杂性,应进行长
期田间试验来系统研究 UV鄄B辐射增强对 N2O排放
的直接和间接影响及其影响机制.
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作者简介 摇 蒋静艳,女,1972 年生,博士,副教授. 主要从事
农田温室气体与全球变化研究,发表论文 20 余篇. E鄄mail:
lilacjjy@ njau. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
0272 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷