全 文 ：第 34 卷第 16 期
2014年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.16
Aug.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划 973计划(2011CB100506);国家国际科技合作项目(2011DFA30770)
收稿日期:2012鄄12鄄22; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄04
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jrwang@ isa.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201212221844
许丽卫,刘杰云,汤宏,耿梅梅,张丽萍,袁红朝,王久荣,李勇.稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响.生态学报,2014,34(16):4561鄄4571.
Xu L W, Liu J Y, Tang H, Geng M M, Zhang L P, Yuan H Z, Wang J R, Li Y.The effect of rice field greenhouse gas emission reduction practice on the
contents of amino acids in rice grains.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4561鄄4571.
稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响
许丽卫,刘杰云,汤摇 宏,耿梅梅,张丽萍,袁红朝,王久荣*,李摇 勇
(中国科学院亚热带农业生态研究所,亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙摇 410125)
摘要:为探索稻田中温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响,用 10个不同方法对双季稻田进行处理,并使用高效液相色谱
分别测定了各处理稻田中所产稻米中的 16种氨基酸的含量,其中色谱柱为 Agilent Zorbax AAA分析柱,柱前衍生使用邻苯二甲
醛(OPA)和 9鄄芴甲基氯甲酸酯(FMOC鄄CL)为衍生试剂。 结果发现:1)10个处理中的稻米 16种氨基酸种类齐全,施氮肥+添加
生物质炭 48 t / hm2+ 间歇灌溉(NPK + HBC + IF)处理中所得氨基酸总量为 6520.7 mg / 100g,效果最佳;对照组处理(不施加氮
肥 + 无稻草还田 + 间歇灌溉)所得氨基酸含量 4338.0 mg / 100g为最低。 以对照组处理所得必需氨基酸百分含量 36.8%为最高
值;无稻草还田 + 长期淹水(NPK + CF)处理方法所得必需氨基酸百分含量 33.1%为最低值。 10个处理中 16种氨基酸中含量
较高的氨基酸均为天冬氨酸、谷氨酸和精氨酸,含量最低的均为甲硫氨酸;2)施氮肥量相同时,长期淹水与间歇灌溉相比,氨基
酸总量增加 185.1 mg / 100g,非必需氨基酸百分含量增加 3%,谷氨酸、组氨酸和丝氨酸含量明显升高,但亮氨酸含量显著降低;
3)施用氮肥能提高稻米中的氨基酸含量,且随着氮肥使用量的增加,氨基酸含量也随之增加,组氨酸含量增加显著;4)供氮量
相同时,添加猪粪使氨基酸总含量升高了 286.0 mg / 100g,此结果表明,在供氮量相同的情况下,施用猪粪更有利于稻米氨基酸
含量的提高;5)灌溉模式相同时,稻草还田配施氮肥对必需氨基酸和氨基酸总量均有提高,天冬氨酸、谷氨酸和组氨酸的含量
增加较多,甲硫氨酸含量略有下降;随着稻草还田量的增加,对非必需氨基酸影响较为明显;当稻草半量还田(还田量为
3 t / hm2)时,稻米中氨基酸总量增加最多;稻草全量还田+长期淹水(NPK + HRS + CF)与稻草半量还田+间歇灌溉(NPK+LRS+
IF)处理中的氨基酸含量基本接近,但必需氨基酸含量前者略高于后者,说明稻草还田与水肥管理对氨基酸含量影响可能存在
交互作用;6)添加生物质炭配施氮肥提高了稻米必需氨基酸与非必需氨基酸含量,且随着生物质炭添加量的增加而增加;与稻
草还田、添加猪粪处理相比,生物质炭的添加对氨基酸总含量提升的效果最为显著,对稻田实际生产具有指导意义且具有一定
的环境效益。
关键词:稻米;温室气体减排措施;氨基酸;高效液相色谱;柱前衍生
The effect of rice field greenhouse gas emission reduction practice on the contents
of amino acids in rice grains
XU Liwei, LIU Jieyun, TANG Hong, GENG Meimei, ZHANG Liping, YUAN Hongzhao, WANG Jiurong*,
LI Yong
Key Laboratory for Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan
410125, China
Abstract: To investigate the effect of greenhouse gas emission mitigation practices on a double鄄rice paddy field on the
contents of amino acids in rice grains, sixteen amino acid derivatives under ten different treatments were analyzed. High鄄
performance liquid鄄chromatography with an Agilent Zorbax AAA column was used, and an online pre鄄column derivatization
method was adopted by using o鄄phthaldialdehyde ( OPA) and 9鄄Fluorenylmethyl chloroformate ( FMOC鄄CL) as the
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derivatization regent. Results showed that the rice grains of the ten treatments all included sixteen amino acids and species.
When a combination of nitrogen fertilizer with addition of biochar at 48 t / hm2 and intermittent irrigation (NPK + HBC +
IF) was used as a treatment, the total amino acid contents were 6520.7 mg / 100g, which was the highest in all treatments.
Application of intermittent irrigation with no fertilizer was used as a control and this achieved the lowest total amino acid
contents at 4338.0 mg / 100g. The fraction of essential amino acids was highest at 36. 8% in the control treatment. The
nitrogen fertilizer with continuous irrigation (NPK + CF) treatment method achieved the lowest fraction of essential amino
acids, at 33.1%. The contents of Aspartic Acid, Glutamic acid and Arginine in sixteen amino acids of rice grains were
higher, while Methionine was lower in ten treatments. Second, with a treatment of nitrogen fertilizer with continuous
irrigation, the total amino acid contents increased by 185.1 mg / 100g and the fraction of non鄄essential amino acids increased
by 3% in rice grains compared with a nitrogen fertilizer ( the same amount) and intermittent irrigation treatment. The
contents of Glutamic acid, Histidine and Serine were increased, while the content of Leucine was significantly decreased
with the latter treatment. Third, the application of nitrogen fertilizer had a remarkable effect on the content of Histidine, and
enhanced the amino acid contents in rice grains, which was increased with the increasing of nitrogen fertilizer application
rates. Fourth, with the same amount of nitrogen fertilizer, the addition of pig manure resulted in an increase of 286.0 mg /
100g in total amino acid contents, which indicated that addition of pig manure was better for the improvement of total amino
acids contents in the condition of constant nitrogen fertilizer. Fifth, the rice straw incorporation treatment also increased the
content of total amino acids and essential amino acids. The contents of Aspartic Acid, Glutamic acid and Histidine were
increased, while the content of Methionine was decreased. The increase of returning crop straw obviously affected non鄄
essential amino acid contents and the total amino acid contents were higher at half crop straw return (3 t / hm2). The total
amino acid contents of total crop straw return with continuous irrigation (NPK + HRS + CF) was similar to that of the half
crop straw return with intermittent irrigation treatment (NPK + LRS + IF), but the essential amino acid content was higher
for the former. This phenomenon indicated that rice straw incorporation along with the management of water and nitrogen
fertilizer might have an interaction effect on the content of amino acids. Finally, addition of biochar combined with nitrogen
fertilizer greatly improved the essential and non鄄essential amino acid contents in rice grains, and its performance was
positively correlated with its application rates. Based on these collective data, the addition of biochar in paddy fields
performed better than other treatments for improving the total amino acid contents in rice grains, and this practice was
beneficial for realistic production in rice fields and environment protection.
Key Words: rice; greenhouse gas emission reduction practice; amino acid; high performance liquid chromatography; pre鄄
column derivatization
摇 摇 水稻作为我国最重要的粮食作物之一,其总产
量约占粮食总产量的 40%和我国人民口粮的 65%,
可提供 20%左右的能量和 40%左右的蛋白质[1]。 稻
米中氨基酸的含量是衡量其营养品质的一个重要指
标,必需氨基酸含量及其配比的合理性决定了稻米
营养价值的高低[2]。 氨基酸是蛋白的生命控制中
心,稻米中蛋白极易被消化且赖氨酸、亮氨酸、异亮
氨酸和甘氨酸含量较为丰富[3],缺少必需氨基酸会
干扰氮素平衡、生长、营养、生命周期等[4]。 此外,甘
氨酸和谷氨酸在神经系统的冲动传递中发挥重要作
用[5],组氨酸的缺少还会造成血红素的下降[6]。
农业已成为温室气体的第二大重要来源[7],因
此创新低碳农业系统和推广农业减排技术,实现农
业减排,是农业生产应对气候变化的重要趋势。 优
化农田养分管理(主要氮素管理)是发展低碳农业的
关键,增产减排或至少是稳产减排是推广农业减排
技术的基础[8鄄9]。 稻田温室气体减排措施主要有:湿
润灌溉、间歇灌溉、排水与烤田相结合,筛选低渗透
率和氮素高效利用水稻新品种,水旱轮作,稻田免耕
(秸秆还田结合少耕、免耕)与轮作相结合、有机质
(猪粪、生物质炭等)添加时期等。 其中,低渗透率和
氮素高效利用水稻新品种是最好的减排方式,是农
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业生产最可能的途径。 灌溉管理中,较长期灌溉而
言,湿润灌溉、间歇灌溉、排水与烤田相结合技术稻
田 CH4排放确定性高、技术可行性较高、减排潜力较
大且会带来产量小幅上升[9]。 秸秆还田处理可使
CH4和 CO2的排放增加,但对温室气体的总排放量的
研究结果并不一致[10],然而此技术可以提高秸秆的
利用率,节能环保,同时提高作物产量[11]。 猪粪施
用,对温室气体排放有一定的抑制作用,且可实现废
弃物的再利用[12]。 生物质炭具有高度稳定性、巨大
的比表面积,因其表面带有大量的负电荷而呈一定
的碱性,已被认为是大气 CO2的重要储库,可以改善
土壤理化性状,增加作物产量,且能够降低 CH4、N2O
和 CO2的排放[13鄄16]。
探索并研制出既能提高稻米蛋白质含量与质
量、又能改善稻米氨基酸组成,同时还能够实现与气
候变化协同的农业生产措施,是水稻生产的目标。
本实验拟研究稻田中不同的减排措施对稻米氨基酸
含量的影响,从而为生产高产、优质、高效水稻栽培
技术提供一定的参考。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验材料与试剂
Agilent 1260 系列高效液相色谱仪:四元泵,
G1311C;在线真空脱气机,自动进样器,G4226A (40
滋L 定量环),样品位置为 P1A1鄄P2F2,衍生试剂位置
为 1—10 号瓶; DAD 检测器, G4212A;分析柱:
Agilent Zorbax AAA 4. 6 mm伊 150 mm,粒子内直径
(i. d.)3.5 滋m;保护柱:Agilent Zorbax AAA 4.6 mm伊
20 mm,粒子内直径( i. d.),5 滋m;Aglient B. 04. 03
化学工作站;滤膜(安捷伦公司, 孔径 0.22 滋m);日
立冷冻离心机;OPA 衍生剂、FMOC鄄CL 试剂、硼酸缓
冲液、25 pmol / 滋L,100 pmol / 滋L,250 pmol / 滋L,1000
pmol / 滋L的 17种氨基酸混合标样均购于 Agilent 公
司。 17 种氨基酸混合标样包括: 天门冬氨酸
(Aspartic Acid,Asp),苏氨酸(Threonine,Thr),丝氨
酸(Serine,Ser),谷氨酸(Glutamic acid,Glu),甘氨酸
( Glycine, Gly ), 脯氨酸 ( Proline, Pro ), 丙氨酸
(Alanine, Ala ),缬氨酸 ( Valine, Val ),半胱氨酸
(Cysteine,Cys),蛋氨酸(Methionine,Met),异亮氨酸
(Isoleucine, Ile ),亮氨酸 ( Leucine, Leu ),酪氨酸
(Tyrosine,Tyr),苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe),赖氨
酸( Lysine, Lys),组氨酸 ( Histidine, His),精氨酸
(Arginine,Arg);稻米源自湖南长沙金井 2012 年早
稻试验田(4—7 月中旬)不同处理稻田中成熟后的
籽粒。
1.2摇 试验设计
小区设计:小区尺寸 5 m伊7 m,田埂宽 0.2 m,深
0.5 m,水沟宽度 0.2 m。 田埂缺口为进水和排水口,
共设置 10 个处理。 处理 2,3,4,5,6,9,10 设空白
区。 稻田总尺寸 60.3 m伊30.2 m,周围设置保护行,
左边保护行为 10 m,右边保护行为 1.0 m,上下保护
行均为 3.8 m。 水流方向由左向右。
化肥、猪粪稻草和生物质炭(水稻秸秆炭)养分
含量及含水量如下:化肥含尿素 0郾 46%,过磷酸钙
0郾 12%,氯化钾 0郾 6%,硫酸锌 1郾 00%;猪粪含水分
4郾 26%,含氮量 3郾 88%,P 2O5 4郾 56%,K2O 2郾 55%;稻
草含水分 0郾 22%,总碳(TC)405郾 1 g / kg,总氮(TN)
10郾 14 g / kg;生物质炭含水分 0郾 34%,总碳 418郾 33
g / kg,总氮 13郾 4 g / kg, pH (H2 O) 值 9郾 84,NO
-
3 鄄N
88郾 15 mg / kg,灰分 20郾 8%。 田间实验土壤中含有可
溶性有机碳( SOC) 25郾 0 g / kg,总氮 3郾 2 g / kg,容量
1郾 20 g / cm3,pH (H2 O) 值 5郾 1,砂粒 51郾 9%,粉粒
30郾 9%,粘粒 17郾 2%。
10个处理分别为:处理 1 (对照组),不施氮肥,
无稻草还田,间歇灌溉;处理 2,无稻草还田,间歇灌
溉(NPK + IF);处理 3,稻草还田半量 3 t / hm2,间歇
灌溉(NPK + LRS + IF);处理 4,稻草全量还田 6 t /
hm2,间歇灌溉(NPK + HRS + IF);处理 5,无稻草还
田,长期淹水(NPK + CF);处理 6,稻草还田量 6 t /
hm2,长期淹水(NPK + HRS + CF);处理 7,化学氮肥
减半,间歇灌溉(1 / 2 NPK + IF);处理 8,50% 化学氮
肥,配施相当于 50% 供氮量的猪粪(M),间歇灌溉
(1 / 2 NPK + M + IF);处理 9,生物质炭 24 t / hm2,间
歇灌溉(NPK + LBC + IF);处理 10,生物质炭 48
t / hm2,间歇灌溉(NPK + HBC + IF)。 每个处理,设
3个重复。 其中,设置稻草全量还田和半量还田两个
梯度,确定稻草还田量分别为 6 t / hm2和 3 t / hm2。 参
考已有文献关于生物质炭添加量对土壤有效养分和
腐殖质组成影响方面的研究[17],设置生物质炭添加
量为土重的 1% 和 2% 两个梯度,分别为 24 t / hm2和
48 t / hm2。
大田管理:栽培密度 16.7 cm伊20 cm, 水稻品种
3654摇 16期 摇 摇 摇 许丽卫摇 等:稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响 摇
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为湘早籼 45 号, 每穴 2 苗;施肥量:尿素 120 kg N
hm2,过磷酸钙 40 kg P 2O5 hm2,氯化钾 100 kg K2O
hm2,硫酸锌 5 kg ZnSO4·7H2O hm2。 施肥次数:磷
钾锌肥做基肥一次性施入,氮肥基追比为 5颐5,追肥
按分蘖中期,抽穗期分别为 3颐2。 灌溉方式:间歇灌
溉(中期烤田,自有效分蘖临界叶龄期开始至叶龄期
余数 2.0期间,多次轻搁田,之后至成熟前 1 周保持
浅水层)、长期淹水(3—5 cm水层)。
1.3摇 分析测试项目与方法
土壤、稻草、生物质炭等养分项目参照《土壤理
化分析》测定[18],稻米中氨基酸的测定采用采用反
相高效液相色谱,以邻苯二甲醛(OPA)和 9鄄芴基甲
基氯甲酸酯(FMOC鄄CL)为衍生试剂进行柱前衍生结
合紫外检测器测定稻米中 16种氨基酸的含量。
1.3.1摇 供试品溶液的制备
准确称取试样约 0.15 g 于 25 mL 安瓿瓶中,准
确加入 6 mol / L HCl 5 mL。 用酒精喷灯将安瓿瓶封
口后,置于 110 益恒温干燥箱中消化 24 h后,取出安
瓿瓶冷却至室温。 打开安瓿瓶,过滤消化液,最后吸
取 500 滋L过滤液于 1.5 mL 离心管中,在 65益水浴
上蒸干以除去 HCl。 滤液蒸干后,用 1 mL 双蒸水溶
解样品,然后继续在 65 益水浴上蒸干,该过程反复 3
次。 最后用 1 mL 0.02 mol / L 的盐酸溶液溶解残留
物,在 15000 r / min离心 15 min,取上清液过 0.22 滋m
孔径的注射器滤膜,进样分析。
1.3.2摇 分析条件 HPLC柱温
40 益;流速 1.0 mL / min;流动相 A:称取 1.36 g
含有 3 个结晶水的乙酸钠,加入 500 mL 三蒸水,使
其完全溶解,然后加入 100 滋L 三乙胺,用 1%—2%
的醋酸调 pH 值 = 7.20依0.05,再加入 2.5 mL 四氢呋
喃,混匀,过 0.45 滋m滤膜。 流动相 B液:称取 1.36 g
含有 3 个结晶水的乙酸钠,加 100 mL 的三蒸水,使
其完全溶解,用 1%—2%的醋酸调 pH 值 = 7. 20 依
0郾 05,再加入 200 mL 甲醇和 200 mL 乙腈,混匀,过
0郾 45 滋m滤膜。 进样量 2 滋L;DAD检测器信号 A,检
测波长 338 nm,带宽 4 nm;参比波长 390 nm,带宽 16
nm;信号 B:检测波长 262 nm,带宽 10 nm;参比波长
324 nm,带宽 20 nm;梯度洗脱程序:0—17 min,0.5
B%—40 B%;17—18.1 min,40 B%—100 B%;18.1—
24 min,100 B%;24—25 min,100 A%;后运行时间为
5 min。 进样衍生程序为:首先从 1 号瓶中抽取 5 滋L
硼酸缓冲液;接着从样品瓶中吸取 2 滋L 样品;在清
洗口混合 5 次;等待 0.2 min;然后从 2 号瓶中吸取
1 滋L OPA试剂;在清洗口混合 5 次;再从 3 号瓶中
吸取 1 滋L FMOC鄄CL 溶液;在清洗口以 200 滋L / min
混合 5次;进样。
1.3.3摇 工作曲线的绘制
将混合标样进行 HPLC 分析。 以各氨基酸的色
谱峰峰面积为纵坐标,氨基酸摩尔浓度为横坐标作
图,得各氨基酸的工作曲线,其线性回归方程见表 1。
16种氨基酸混合标准溶液和稻米样品中氨基酸的液
相色谱图见图 1。 可见,在选定的条件下,氨基酸混
合标准品(25—1000 pmol / 滋L)和样品中的氨基酸
(其中 Pro在 262 nm检出)得到了比较理想的分离。
表 1摇 16 种氨基酸的回归分析结果
Table 1摇 Regression analysis of 16 kinds of amino acids
氨基酸
Amino acids
线性方程
Linear equation R
2
天冬氨酸 Asp Y= 0.4521伊X+9.9937 0.997
谷氨酸 Glu Y= 0.4015伊X+2.9269 0.999
丝氨酸 Ser Y= 0.5438伊X+5.5465 0.998
组氨酸 His Y= 0.0984伊X+0.0000 1.000
甘氨酸 Gly Y= 0.5964伊X+1.7281 0.999
苏氨酸 Thr Y= 0.4001伊X+9.7113 0.995
丙氨酸 Ala Y= 0.5858伊X+2.7260 0.999
精氨酸 Arg Y= 0.5531伊X+5.7784 0.998
酪氨酸 Tyr Y= 0.5050伊X+3.8466 0.998
缬氨酸 Val Y= 0.5516伊X+3.2996 0.999
蛋氨酸 Met Y= 0.5696伊X-0.6123 0.999
苯丙氨酸 Phe Y= 0.5232伊X+4.8007 0.998
异亮氨酸 Ile Y= 0.5198伊X+5.5334 0.998
亮氨酸 Leu Y= 0.6097伊X-1.1248 0.998
赖氨酸 Lys Y= 0.5819伊X+2.9884 0.999
脯氨酸 Pro Y= 0.8345伊X+4.5163 0.999
1.3.4摇 精密度试验
用氨基酸混合标准溶液做 5 次平行试验,结果
His 和 Pro 的偏差较大,RSD 分别为 4.6%,6.6%,这
可能与其衍生化反应程度或衍生物的稳定性有关。
其他氨基酸 RSD均< 1%。
1.3.5摇 回收率试验
采用单点加入法将各氨基酸标准溶液定量加入
样品溶液中,进行试验。 结果各种氨基酸的回收率
范围为 95.1%—114.1%。
1.4摇 数据分析
试验数据利用 Excel 2010 进行整理, SPSS 17.0
4654 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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软件进行显著性分析,多重比较采用 Duncan 氏法。 P<0.05表示差异性显著。
图 1摇 氨基酸混合标准溶液 1000 pmol / 滋L(A)和稻米样品(B)的 HPLC图谱
Fig.1摇 HPLC chromatograms of amino acids mixed standard solution (A) and rice samples (B)
1 天门冬氨酸, 2 谷氨酸, 3丝氨酸, 4 组氨酸, 5甘氨酸,6苏氨酸,7丙氨酸, 8精氨酸, 9 酪氨酸, 10 半胱氨酸, 11缬氨酸,12 蛋氨酸, 13
苯丙氨酸, 14 异亮氨酸, 15 亮氨酸, 16 赖氨酸, 17 脯氨酸
2摇 结果与分析
10个处理中 16种氨基酸的含量见表 2。 由表 2
可见,10个处理中的稻米除半胱氨酸未加保护剂检
测之外,必需氨基酸和非必需氨基酸种类齐全,其氨
基酸总量(mg / 100g)分别以 6520.7 和 4338郾 0 为最
高和最低,即处理 10(添加生物质炭 48 t / hm2,间歇
灌溉)和处理 1(不施氮肥,无稻草还田,间歇灌溉)。
必需氨基酸百分含量以 36.8% 和 33.1%,即处理 1
和处理 5(无稻草还田,长期淹水)为最高和最低。
从 10个处理中稻米的氨基酸组成上来看,含量最高
的氨基酸为 Asp、Glu和 Arg,含量最低的为Met,这与
目前稻米中氮基酸含量分析结果基本一致。
2.1摇 不同水分管理条件对稻米氨基酸含量的影响
无稻草还田时,间歇灌溉(处理 2)Leu 含量显著
(P<0.05)高于使用氮肥长期淹水(处理 5)处理,而
Glu、His 和 Ser 含量明显较低,但没有达到显著水
平;处理 2 的必需氨基酸总量比处理 5 中高 96. 1
mg / 100g,但是氨基酸总量比处理 5 低 185. 1 mg /
100g,必需氨基酸百分含量高 3.0%。 稻草还田量相
同时,间歇灌溉(处理 4)与长期淹水 (处理 6) 相
比,除 Thr与 Glu含量比处理 6 高之外,其它氨基酸
含量皆低于处理 6;处理 4 氨基酸总量比处理 6 低
152.7 mg / 100g,必需氨基酸总量低 84.0 mg / 100g,非
必需氨基酸含量低 68. 7 mg / 100g。 从以上数据来
看,长期淹水比间歇灌溉更有利于氨基酸总量和非
必需氨基酸百分含量的增加。 低磷或缺磷条件下,
籽粒中的人体必需氨基酸、氨基酸的相对含量以及
其他各氨基酸含量会显著下降[19]。 长期淹水培养
条件下可能会使土壤中全磷及全钾浓度增加[10],从
而使得稻米籽粒中氨基酸总量和非必需氨基酸总量
均有上升。
2.2摇 氮素含量对稻米氨基酸含量的影响
无稻草还田时,不使用氮肥(处理 1)His 和 Ala
5654摇 16期 摇 摇 摇 许丽卫摇 等:稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响 摇
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含量显著(P<0.05)低于使用氮肥(处理 2);Leu 含
量显著(P < 0.05)高于使用氮肥长期淹水(处理 5),
但是 Ser含量显著(P<0.05)低于处理 5。 处理 1 中
Thr、Leu、Glu 和 Pro 含量略高于使用氮肥含量减半
(处理 7),但其余各氨基酸含量均明显较低,但未达
到显著水平。 处理 2 His含量显著(P<0.05)高于处
理 7,而且其余各个氨基酸含量均有明显提高,氨基
酸总量提高 684. 0 mg / 100g,必需氨基酸总量提高
262.5 mg / 100g,但是这两者必需氨基酸相对含量比
较接近。 处理 2与处理 8(化学氮肥含量减半,添加
相当于供氮量 50% 的猪粪)相比,其氨基酸总含量
降低了 286.0 mg / 100g,此结果表明在供氮量相同的
情况下,施用猪粪更有利于稻米氨基酸含量的提高。
可能是由于猪粪还田使得施肥对土壤速效氮的影响
加大的缘故[20]。 比较使用氮肥与不使用氮肥的处
理发现,其氨基酸总量均有不同程度的提高,说明施
用氮肥能提高稻米中的氨基酸含量。 随着氮肥使用
量的增加,各个氨基酸含量也随着增加,但是施加氮
肥后必需氨基酸占总氨基酸含量的百分比均低于不
使用氮肥的处理,说明使用氮肥对非必需氨基酸含
量影响更为显著,这一结果与已有文献报道基本
一致[21]。
2.3摇 稻草还田量对稻米氨基酸含量的影响
比较处理 2(无稻草还田,间歇灌溉)与处理 3
(稻草还田量 3 t / hm2,间歇灌溉)、4(稻草还田量 6
t / hm2,间歇灌溉)发现有稻草还田时,Asp、Glu 和
His的含量增加较多,Met 含量略有下降,其余氨基
酸含量基本接近,必需氨基酸百分含量下降,但是必
需氨基酸总量和氨基酸总量均有上升。 比较 3(稻
草还田量 3 t / hm2,间歇灌溉)与处理 4(稻草还田量
6 t / hm2,间歇灌溉)发现,处理 3中 Asp、Glu、Pro、Ser
含量比处理 4分别增加 35.5 mg / 100g、25.1mg / 100g、
22.4 mg / 100g 和 25.6 mg / 100g,其余氨基酸含量接
近,必需氨基酸含量接近,但氨基酸总量提高了
155郾 7 mg / 100g,该结果表明,有稻草还田时,除 Met
含量略有下降以外,必需氨基酸总量和氨基酸总量
均比无稻草还田时有提高,非必需氨基酸含量增加
较为明显。 随着稻草还田量的增加,对非必需氨基
酸影响较为明显。 有研究表明,稻草秸秆中含有一
定量的磷、钾元素, 稻草还田后秸秆中钾释放迅速,
使土壤的容重和坚实度降低, 总孔隙度和非毛管孔
隙度升高, 同时一定程度上提高了土壤全氮和速效
钾的含量,但对 pH值、速效磷、全磷及全钾的影响作
用较小[10]。 土壤全氮与土壤有机质含量密切相关。
比较秸秆全量还田与半量还田对促进土壤中有机质
的积累,二者之间差异不明显[22]。 稻草还田配施氮
肥能显著提高水稻氮素吸收转化能力和利用效
率[23]。 氮磷水平对稻米籽粒中氨基酸含量有一定
的影响[24]。 稻草半量还田即为 3 t / hm2时,氨基酸总
量增加较为明显,可能是由于除了稻草本身的直接
作用外, 稻草半量还田改善土壤微生物群落结构和
功能的效果最为显著所致[25]。 比较处理 3(稻草还
田量 3 t / hm2,间歇灌溉)与处理 6(稻草还田量 6 t /
hm2,长期淹水)发现,其氨基酸总量基本接近,但其
必需氨基酸的含量比处理 6 降低 38.2 mg / 100g,可
能是由于水稻生长季节、灌溉模式和施肥条件对稻
草还田的对氨基酸含量影响存在交互作用所致[26]。
2.4摇 生物质炭使用量对稻米氨基酸含量的影响
处理 2(无稻草还田,间歇灌溉) His 含量显著
(P<0.05)低于处理 9(生物质炭 24 t / hm2,间歇灌
溉)与处理 10(生物质炭 48 t / hm2,间歇灌溉);Val、
Leu、Ile含量与处理 9 无显著差异(P > 0.05),但是
显著(P < 0.05)低于处理 10;其余各种氨基酸与处
理 9和处理 10之间无显著差异(P > 0.05)。 生物质
炭本身含有大量植物所需的氮、磷等营养元素,呈碱
性。 生物质炭的施用,能够降低土壤的酸度,增加土
壤的空隙度和保水能力,促进土壤养分的循环,提高
植物生长所需养分的可利用性,使植物体内氮磷代
谢水平提高,从而提高稻米籽粒中的氨基酸含量。
比较处理 9 和处理 10,处理 9 氨基酸总量降低了
482.5 mg / 100g,除 Met含量比较接近,Glu 含量提高
了 34.8 mg / 100g之外,其余各个氨基酸含量均较低,
但是没有达到显著水平。 该结果表明,随着添加生
物质炭量增多,必需氨基酸总量和氨基酸总含量也
随之增加,对非必需氨基酸含量影响较大,可能是由
于施用氮肥下,高用量生物质炭显著降低稻田 CH4
和 N2O 痕量温室气体排放的综合温室效应和水稻生
产的碳强度所致[27]。
2.5摇 不同物料的添加对稻米氨基酸含量的影响
比较处理 3、处理 8 和处理 10,可以看出,氨基
酸总量由低到高顺序为:处理 8<处理 3<处理 10,处
理 8、处理 3 和处理 10 必需氨基酸含量分别为
6654 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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34郾 4%、35.3%和 36.4%;处理 3中 Leu、His和 Arg 含
量显著(P<0.05)低于处理 10。 以上结果,可能是由
于生物质炭具有高度的孔隙结构,结合氮肥施用可
以能够显著改善土壤理化性质,增加土壤的空隙度
和保水能力,降低土壤容重,有利植物根系生长;另
外,生物质炭还可以通过“碳鄄负冶效应,长期将大气
中的碳固定在土壤中[15]。 基于以上作用,生物质炭
可使氮磷代谢水平提高,从而提高稻米籽粒中的氨
基酸含量。 从数据中也可以看出,在这 3 种有机质
处理中生物质炭的添加更有利于氨基酸总含量的
增加。
2.6摇 几种温室气体减排技术对温室气体排放及稻
米氨基酸含量的影响
无稻草还田时,稻田中长期淹水比间歇灌溉甲
烷排放量高约 90%,间歇灌溉 N2O 排放大于长期灌
溉,但是间歇灌溉更能有效的抑制温室气体的排放;
有稻草还田时,甲烷排放增加,且在长期淹水中稻草
还田量高达 7.7 t / hm2,其他灌溉措施稻草还田量高
达 5.1 t / hm2范围内,甲烷排放量随着稻草还田量的
增加而增加。 超出这个范围后,甲烷排放量不再增
加[28鄄29]。 施用氮肥处理的 CH4排放比不施加氮肥有
增加,但差异不显著。 稻草还田配施氮肥处理早稻
期间甲烷排放通量比仅施用氮肥有增加[30]。 稻草
的施入能明显提高 CO2浓度, 且最高 CO2浓度和稻
草腐解速率呈正相关[31]。 综合文献调研发现,无稻
草还田时,对温室气体排放量由高到低顺序为:处理
5 > 处理 2 > 处理 1,其氨基酸总含量和非必需氨基
酸含量:处理 5 > 处理 2 > 处理 1。 当有稻草还田
时,温室气体排放量由高到低顺序为:处理 6 > 处理
4 > 处理 3 >处理 2,其氨基酸总含量由高到低的顺
序为处理 6 > 处理 3 > 处理 4 > 处理 2。 稻草还田能
增加土壤有机碳,土壤有机碳的表观转化率随着稻
草还田量的增加而减少.综合土壤固碳和甲烷排放
的稻田净碳,稻草还田配施氮肥处理负碳效应显著,
基本与其水稻生物固碳接近,比仅施用氮肥处理增
加 158.3%[32]。 稻草还田能够提高氮素利用效率且
水稻生长季节、灌溉模式和施肥条件对稻草还田的
增产效应存在交互作用。 稻草还田结合水肥管理利
用秸秆本身的直接作用和对微生物的作用影响植物
生长所需养分主要是氮磷在植物体内的利用效率,
从而使各个不同处理中氨基酸含量呈现差异。
施用氮肥条件下,不同用量生物质炭对土壤
CH4排放无显著影响,高用量生物质炭显著降低稻田
CH4和 N2O 痕量温室气体排放的综合温室效应和水
稻生产的碳强度[27]。 当添加生物质炭后,温室气体
排放量由高到低顺序为:处理 2 > 处理 9 > 处理 10,
其氨基酸总含量、必需氨基酸的含量及非必需氨基
酸含量由高到低的顺序为处理 10 > 处理 9 > 处理
2。 施氮肥条件下,生物质炭的施用能土壤有机碳、
全氮含量和 pH,同时降低土壤容重。 生物质炭通过
“碳-负冶效应长期将大气中的碳固定在土壤中[15],
为植物生长提供更多的碳源供应,这些因素综合作
用,使植物体内氮磷代谢水平提高,从而提高稻米籽
粒中的氨基酸含量。
彭华[33]等研究表明,按 100a 统计稻田 CH4和
N2O的综合增温潜势(GWP)表明,单位产量的 GWP
由大到小顺序为稻草 ( RS) > 黑炭 ( BC) > 化肥
(CF)。 添加不同有机质时,其温室气体排放量由高
到低顺序为处理 3 > 处理 2 > 处理 8 > 处理 10。 其
氨基酸总含量由高到低顺序为:处理 10 > 处理 3 >
处理 8 > 处理 2。 综上说明,生物质炭添加减少了温
室气体的排放,具有一定的生态环境效益,且能提高
稻米中氨基酸总含量、必需氨基酸和非必需氨基酸
含量。
从试验结果中发现,温室气体减排措施能增加
稻米非必需氨基酸百分含量,但对必需氨基酸百分
含量有下降。 水稻生育过程中的灌水、施肥、生长调
节剂的使用等栽培技术措施和综合技术体系,在极
大程度上影响着稻米氨基酸的含量[34]。 有研究表
明,不同的施肥方法,特别是氮肥施用量和施用时期
能显著影响稻米氨基酸含量;在缺氮条件下,人体非
必需氨基酸中的天冬氨酸 (Asp)、甘氨酸 (Gly)、精
氨酸 (Arg)、脯氨酸 (Pro) 和酪氨酸 (Tyr) 的含量
也显著下降;在磷素胁迫条件下,籽粒中的各种必需
氨酸和非必需氨基酸的含量均较对照显著降低[19]。
近年来研究表明:大气 CO2浓度增加使供试品种精
米必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著增加,使非
必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著下降,但对精
米中必需和非必需氨基酸的相对含量无显著影
响[34]。 从氨基酸组分看,大气 CO2浓度增加使供试
品种精米中 7 种必需氨基酸和 8 种非必需氨基酸的
含量均显著或极显著下降。CO2处理与品种对精米
7654摇 16期 摇 摇 摇 许丽卫摇 等:稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响 摇
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蛋白质含量、氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量
部分氨基酸组分有一定的互作效应。 大气 CO2浓度
升高影响稻米蛋白质营养品质的过程可能与植株体
内的氮磷代谢关系密切[35]。 不同减排措施的固碳
效应与其相对应的土壤中的氮磷等营养元素的交互
作用,可能是导致稻米籽粒中必需氨基酸总量和非
必须氨基酸总量比对照组处理 1 中总量上升,但是
必需氨基酸相对百分含量下降的原因。
3摇 结论
本文利用高效液相色谱柱前在线衍生(衍生试
剂:OPA和 FMOC鄄CL)结合 DAD 检测技术,主要讨
论了稻田中温室气体不同减排措施对稻米氨基酸含
量的影响。 分别比较了不同的水分管理方式、稻草
还田量、使用氮素量、使用猪粪及添加生物质炭对稻
米氨基酸含量的影响, 并结合文献,对于减排措施
对温室气体排放的影响及其与稻米中氨基酸含量的
关系和几种温室气体减排措施使非必需氨基酸百分
含量增加,必需氨基酸百分含量降低的原因进行了
探讨。 从讨论中可以看出,不同的减排措施相互配
合,对于特定氨基酸含量会产生明显差异。 长期淹
水比间歇灌溉更有利于稻米氨基酸总含量的增加;
添加氮素、施用猪粪、稻草还田和添加生物质炭对稻
米氨基酸总含量均有不同程度的提升,其中生物质
炭的添加处理既能降低温室气体排放的影响,同时
对氨基酸总含量提升的效果尤其显著。 但是,不同
减排措施对各个氨基酸合成的影响仍需要进一步深
入研究。 本试验结果可以为协调稻米蛋白质含量与
氨基酸组成、其它品质性状和与气候之间关系的栽
培技术研究提供一定的参考。
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