全 文 ：光照、碳源和还原力对大豆玉米苗期氧化亚氮
释放量的影响 3
李　莹1 ,2 　杨　宇3 　张旭东1 　陈冠雄1 3 3
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016 ;2 沈阳师范大学生物系 ,沈阳 110034 ;
3沈阳农业大学 ,沈阳 110161)
【摘要】　使用封闭式箱法 ,对大豆和玉米两种植物在苗期的 N2O 释放速率日变化及其同光强、气温的相
关性进行了研究 ,同时对遮光、外加碳源和还原力对 N2O 释放速率的影响进行了分析. 结果表明 ,两种植
物苗期 N2O 释放速率在日间有两个释放高峰 ,分别出现在 10 :30 和 14 :30. 遮光处理实验结果证明 ,遮光
后植物的 N2O 释放速率明显增加 ;相关性分析表明 ,苗期大豆在光强低于 11 345 Lx 时 ,N2O 释放速率与
光强呈正相关关系 ( R2 = 017332) ,光强高于 11 345 Lx 时 ,呈负相关关系 ( R2 = 017755) ,而苗期玉米在光
强低于 20 000 Lx 时 ,N2O 释放速率与光强呈正相关关系 ( R2 = 018711) ,光强高于 11 345 Lx 时 ,呈负相关
关系 ( R2 = 018972) . 加入一定量的碳源 (葡萄糖) ,可使遮光植物 N2O 的释放速率明显下降 ,由于同化力
(NADH)的介入 ,在一定程度上影响了 N2O 的排放通量 ,同样使得 N2O 的释放量下降.
关键词 　大豆 　玉米 　幼苗 　N2O 排放通量 　光照 　碳源 　NADH
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1851 - 04 　中图分类号 　Q945. 1 　文献标识码 　A
Effects of illumination ,carbon source and reducing power on N2O emission from maize and soybean seedlings.
L I Yueying1 ,2 , YAN G Yu3 , ZHAN G Xudong1 ,CHEN Guanxiong1 (1 Key L aboratory of Terrest rial Ecological
Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ; 2 Depart ment of
Biology , S henyang Norm al U niversity , S henyang 110034 , China ; 3 S henyang A gricultural U niversity ,
S henyang 110161 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (10) :1851～1854.
The closed chamber measurement of N2O emission from soybean and maize seedlings showed that there were two
peaks (10 :30 and 14 :30) of N2O flux at the daytime. There was a correlation between N2O emission and illumi2
nation. The variation of illumination had a significant influence on N2O flux from soybean and maize seedlings.
There was a positive correlation between N2O emission and illumination when the illumination was below 11 345
Lx (for soybean , R2 = 017332) or 2 000 Lx (for maize , R2 = 018711) ,and a negative correlation when the illu2
mination was over 11 345 Lx (for soybean , R2 = 017755) or 20 000 Lx (for maize , R2 = 018972) . Addition of
carbon source (glucose) and NADH (reducing power) decreased N2O flux.
Key words 　Soybean , Maize , Seedlings , N2O emission , Illumination , Carbon source , NADH (reducing power) .3 国家自然科学基金项目 (30270131)和中国科学院“百人计划”资助
项目.3 3 通讯联系人.
2003 - 12 - 205 收稿 ,2004 - 06 - 25 接受.
1 　引 　　言
N2O 是一种重要的温室气体 ,其单分子增温潜
势是 CO2 的 200～300 倍 [4 ] . N2O 不仅具有很强的
温室效应 ,对全球气候变暖起着重要作用 ,而且也参
与大气对流层和平流层的许多化学反应 ,因而在全
球变化研究中受到广泛关注. 由于 N2O 源汇的多样
性及源汇的估算值仍存在很大的不确定性[5～8 ] ,源
汇不平衡 ,汇大于源[9 ] . 因此 ,进一步探明 N2O 未知
源汇及正确估算其强度对解决 N2O 源汇不平衡问
题具有重要意义. 陈冠雄等[1 ]发现植物是 N2O 的一
个释放源 ,指出植物在土壤2植物系统 N2O 释放中
可能具有重要作用 ,在估算全球 N2O 源汇平衡时需
要考虑植物的贡献[10 ] . 研究还发现 ,植物 N2O 通量
与某些环境因素密切相关[11 ] . 在影响植物释放 N2O
的诸多因素中 ,光照是一个重要的调控因子[12 ] . 根
据以往研究结果[10 ,12 ,13 ] ,陈冠雄等[2 ]提出了植物释
放 N2O 的光调控机理模式 ,该模式的基本内涵是 :
在强光照条件下 ,植物光合作用提供足够的碳架和
还原力 ,将吸收的 NO -3 同化还原成 N H3 ,用于氨基
酸和蛋白质合成 , N2O 排放量少 ,甚至吸收大气
N2O ;在弱光照条件下 ,光合作用强度下降 ,植物体
内 C、N 不平衡 ,造成 NO -3 、NO -2 累积 ,异化还原作
用加强 , N2O 排放量增加 ,以清除过量的 NO -3 、
NO -2 对植物的毒害. 本文在这一机理框架的基础之
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1851～1854
上 ,对影响 N2O 排放的主要 3 个因素 :光照、碳架及
还原力进行研究 ,为正确估算 N2O 排放源的强度及
C、N 代谢相互关系的研究提供理论及数据支持.
2 　材料与方法
211 　供试材料
大豆品种辽豆 11、玉米品种辽单 36 由辽宁省农业科学
院提供.
212 　实验方法
21211 砂培幼苗 　将河砂过 1 mm 筛 ,经酸洗后反复冲洗至
p H > 615 ,烘干 (100 ℃) . 每盆 (内径 15 cm ,高 17 cm) 装河砂
4 kg ,播种前浇灌 700 ml 灭过菌的 Hogland 营养液 ,每盆育
10 株幼苗 ,玉米及大豆各育苗 10 盆 ,同时有 3 盆不播种子 ,
用做空白对照. 营养液灭菌 ,每 5 天每盆浇 50 ml 营养液 1
次.待幼苗长到二叶一心期时 ,开始测定幼苗、砂、砂2植物系
统 N2O 的排放通量 ,测定频度每周 1 次.
21212 土培幼苗 　土壤 (草甸棕壤) 取自中国科学院沈阳生
态站 ,过 2 mm 筛后装盆 ,每盆 (内径 15 cm ,高 17 cm) 装土
317 kg ,每盆育 10 株幼苗 ,玉米及大豆各育苗 10 盆 ,同时有
3 盆不播种子 ,为空白对照. 播种前浇灌 500 ml 灭过菌的
Hogland 营养液 ,以后每 5 天每盆浇 50 ml 灭菌营养液 1 次.
待幼苗长到二叶一心期时 ,开始测定幼苗、土壤、土壤2植物
系统 N2O 的通量 ,测定频度每周 1 次.
21213 幼苗 N2O 排放通量测定的处理 　测定前将幼苗从盆
钵中取出 ,注意勿伤根系. 用蒸馏水冲洗根部 ,置于无菌
Hogland 营养液中培养 12 h ,以排除可能积存在植物体内的
N2O ,然后测定 N2O 的排放通量.
21214 N2O 通量的测定 　采用封闭式箱法 (closed chamber
method) . 箱体用透明有机玻璃制作. 封闭 40 min 后采气体
样品 (封闭 20、30、40、50 和 60min 后采气体样品进行测定 ,
N2O 浓度在 40 min 之前随着测定时间的增加而线性增加 ,
50 min 后 N2O 的通量随测定时间的增加反而下降 ,故实验
时测定时间选用 40 min) ,气样中的 N2O 浓度用配有电子捕
获检测器 ( ECD) 的岛津 GC14A 气相色谱分析仪进行测定.
检测器、分离柱和进样口温度分别为 300、60 和 100 ℃,分离
柱的填充料为 Porapak Q ,载气为 90 %氩气和 10 %甲烷的混
合气. N2O 浓度用国家标准物质中心提供的标气标定.
据公式 F =Δm/ A ×ΔC =ρ×V ×ΔC/ A ×Δt =ρ×h
×ΔC/ Δt 计算排放通量 ,式中 F 是气体通量 ,ρ是气体密度 ,
Δm 和ΔC 分别是Δt 时间内采集箱内增加的气体质量和混
合比浓度 , h、A 和 V 分别是采集箱内有效空间的高、底面积
和体积.
21215 光照强度的测定及不同光照水平的处理 　光照强度
用 ZDS210 型照度计测量. 不同的光照处理采用图画纸 (一层
和两层)遮光的办法. 第一次遮光处理是用封闭箱法对大豆
玉米植株密闭 60 min ,前 40 min 均在正常光照条件下 ,后 20
min 钟保持 3 盆为正常光照 ,另 3 盆进行相同的遮光处理 ,
比较前 40 min 各处理的 N2O 的排放通量和后 20 min 遮光
处理与对照的 N2O 的排放通量的变化. 第二次实验则是不
同的遮光处理对 N2O 通量的影响的比较实验.
21216 葡萄糖浓度的选择 　在测定幼苗 N2O 排放用的无菌
Hogland 营养液中加入终浓度为 200、400、600、800、1 000 mg·
L - 1的葡萄糖 ,对光合碳架对 N2O 释放速率的影响进行分析.
21217 NADH 浓度的选择 　在测定幼苗 N2O 排放用的无菌
Hogland 营养液中加入终浓度为 10、20、30、40、50 mg·L - 1的
NADH ,分析 NADH 对 N2O 释放的影响.
21218 植物叶片可溶性糖的测定 　采用蒽酮比色法.
3 　结果与讨论
311 　大豆及玉米 N2O 通量的日变化
对大豆、玉米、土壤、砂及大豆2土壤系统、玉米2
土壤系统的 N2O 排放通量的日变化进行观测 ,结果
表明 ,大豆、玉米、土壤及土壤植物系统 N2O 的排放
通量表现出相似的波动性 ,基本呈现出上午 (10 :30)
和下午 (14 :30)各有一个排放高峰 (图 1) .
图 1 　N2O 通量的日变化
Fig. 1 Diurnal variation of N2O flux from soybean and maize seedlings.
1)玉米 Maize ;2) 玉米2土壤系统 Maize2soil system ;3) 土壤 Soil ;4) 大
豆 Soybean ;5)砂 Sand ;6)大豆2土壤系统 Soybean2soil system.
312 　不同光照对大豆及玉米苗期 N2O 排放的影响
根据陈冠雄等提出的植物释放 N2O 的光调控
机理模式 ,本试验又对光照与 N2O 排放通量之间的
关系作进一步分析. 为此在观测过程中 ,在温室内采
用图画纸遮光的方式 ,在同一时刻人为创造出不同
的光照条件 ,测定其对玉米及大豆植物 N2O 通量的
影响. 共进行 2 次实验.
第一次遮光处理结果表明 ,前 40 min 各处理与
对照之间的 N2O 的排放通量无差异 ,而遮光处理 20
min 后 ,玉米、大豆植株 N2O 的排放通量均增加 (表
1) . 第二次实验则是不同的遮光强度处理对 N2O 通
量影响的比较实验 ,结果表明遮光处理 20 min 后
N2O 通量随光强的降低而增高 (表 1) .
2581 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
表 1 　遮光对植物 N2O 通量的影响
Table 1 Comparison of N2O flux from maize and soybean seedling under sheltered and sunlight
处理 Treatment N2O 释放速率 N2O emission rates(μg·g - 1DW·h - 1)
时间
Time
(min)
玉米
Maize
玉米2土系统
Maize2soil
system
玉米2砂系统
Maize2sand
system
大豆
Soybean
大豆2土系统
Soybean2soil
system
大豆2砂系统
Soybean2sand
system
1 正常光照Natural light (8 080 Lx) 40 01122 01226 01109 01254 01407 01261
遮光
Sheltered (820 Lx) 20 01247 3 01397 3 01294 3 01672 3 01740 3 01742 3
2 正常光照Natural light (23 600 Lx) 20 01099 01195 01102 01216 01310 01212
遮光 (1)
Sheltered (1 760 Lx) 20 01153 3 01247 3 01204 3 01367 3 01461 3 01408 3
遮光 (2)
Sheltered (829 Lx) 20 01197 3 01420 3 01316 3 01458 3 01661 3 01512 3
遮光 :一层图画纸 Sheltered (1) by 1 layer of drawing paper ;遮光 (1) 一层图画纸遮光 Sheltered by 1 layer of drawing paper ;遮光 (2) 二层图画纸遮
光 Sheltered (2) by 2 layers of drawing paper. 三次重复的平均值 Average of 3 replicates , 3 P < 0105 ( t test) . 下同 The same below.
　　从以上结果可看出 ,在同一时刻进行遮光处理
后 N2O 排放通量明显增加 ,说明光照是影响 N2O
排放的重要因素 ,为此又进一步分析了一定生长阶
段内 (苗期) N2O 排放通量与光照强度的相关性. 结
果表明 ,光照强度与 N2O 的排放通量有一定的相关
性. 在光强低于 11 345 L x 条件下 ,大豆、大豆2土壤
系统 N2O 排放通量与光强呈正相关 ,相关系数 R2
分别为 017332、015081 ,而当光强高于 11 345 L x 条
件下 ,大豆、大豆2土壤系统 N2O 排放通量与光强呈
负正相关 ,相关系数 R2 分别为 017755、015604 (图
2) ;而当光强低于 20 000 L x 条件下 ,玉米、玉米2土
壤系统N2 O排放通量与光强呈正相关 ,相关系数
图 2 　大豆 (A)和大豆2土壤系统 (B) N2O 通量与光强的关系
Fig. 2 Correlation between illumination and N2O flux from soybean (A)
and soybean2soil system(B) .
R2 分别为 018972 和 018749 ,而当光强高于 20 000
L x 条件下 ,玉米、玉米2土壤系统 N2O 排放通量与光
强呈负相关 ,相关系数 R2 分别为 018711 和 01555
(图 3) . 结果进一步说明了光照是影响植株 N2O 排
放通量的重要因素 ,且并不是简单的相关 ,在一定范
围内呈正相关 ,而超过这一范围则为负相关 ,而且不
同植物其变化范围又各不相同.
313 　碳架对 N2O 通量的影响
碳元素和氮元素是植物体内两大重要元素 ,碳、
氮化合物在植物生命活动中起着举足轻重的作用 ,
因此碳、氮代谢成为植物体内最主要的两大代谢过
程. 光合碳代谢与氮素同化关系非常密切. 从总体上
看 ,光合碳代谢为氮代谢提供能量和碳架 ,当光合作
图 3 　玉米 (A)和玉米2土壤系统 (B) N2O 通量与光强的关系
Fig. 3 Correlation between illumination and N2O flux from maize (A) and
maize2soil system(B) .
358110 期 　　　　　　　　　李　莹等 :光照、碳源和还原力对大豆玉米苗期氮化亚氮释放量的影响 　　　　　　　　　　　
表 2 　葡萄糖对玉米、大豆幼苗 N2O 排放的影响
Table 2 Effect of glucose on N2O emission from maize and soybean seedling
N2O 释放速率 N2O emission rates(μg·g - 1DW·h - 1)
正常光照
Normal light
(41 000 Lx)
遮光处理
Sheltered
(1 100 Lx)
葡 萄 糖
Glucose
(200 mg·L - 1)
葡 萄 糖
Glucose
(400 mg·L - 1)
葡 萄 糖
Glucose
(600 mg·L - 1)
葡 萄 糖
Glucose
(800 mg·L - 1)
葡 萄 糖
Glucose
(1 000 mg·L - 1)
玉米 Maize 01234 01469 3 01423 01407 3 01322 01308 3 01279 3
大豆 Soybean 01495 01987 3 01866 01856 3 01675 3 01655 01598 3
用能为氮代谢提供充足的碳架时 ,氮代谢进行顺利
并可迅速转化为氨基酸 ,合成植物所需的蛋白质 ,不
会有 NO -3 的积累 ,从而降低 N2O 的排放. 本实验采
用在 Hogland 培养液中加入不同浓度的葡萄糖的方
法 ,对遮光处理 20 min 的植株在外加葡萄糖 40 min
后测定 N2O 的排放通量的变化. 结果表明 ,加入葡
萄糖后可降低因暗处理后 N2O 的排放量的增加 (表
2) . 与此同时用蒽酮比色法测定植物叶片的可溶性
糖含量的变化 ,加入葡萄糖后植物叶片的可溶性糖
含量有所增加 , t 检验结果表明一部分数据达到差
异显著 ,而部分未达到差异显著.
314 　还原力 (NADH)对 N2O 排放量的影响
光合碳代谢为氮代谢提供能量和碳架 ,从氮代
谢整个过程来看 ,植物体内 NO -3 还原成 NO -2 的反
应方程式可表示如下 :
NO -3 + NADH + H + →NO -2 + NAD + + H2O
其中 , NO -3 还原成 NO -2 由 NADH 提供 2 个电
子[3 ] . NADH 的来源主要是通过光合碳代谢中间产
物苹果酸2草酰乙酸 (MAL2OAA)跨叶绿体膜的穿梭
提供的. 如果外加 NADH ,对植物 N2O 的释放将有
何影响呢 ? 实验表明 ,随着在暗处理的植物培养液
中外加的 NADH 浓度的增加 (30～50 mg·L - 1 ) ,
N2O 的排放量减少 ,但减少的幅度未达到显著差异
(表 3) .
表 3 　NAD H对玉米、大豆幼苗 N2O 排放的影响
Table 3 Effect of NAD H on N2O emission from maize and soybean
seedling
N2O 释放速率 N2O emission rates(μg·g - 1DW·h - 1)
正常光照
Normal light
(41 000 Lx)
遮光处理
Sheltered
(1 100 Lx)
NADH(mg·L - 1)
30 40 50
玉米 Maize 01258 01587 3 01475 01425 01389
大豆 Soybean 01502 01998 3 01856 01785 01678
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作者简介 　李　莹 ,女 ,1966 年生 ,博士后 ,副教授 ,主要从
事植物生理及温室气体的产生排放机理及调控研究 ,发表论
文 20 多篇. E2mail :yueyinglicn @yahoo. com. cn
4581 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷