光照對不同生育期水稻根、葉界面CO2交換的影響

范志偉，蘇 源，徐勝光*

(1. 昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650214; 2. 云南省高校生物炭工程研究中心, 云南 昆明 650214)

【研究意義】對溫室效應(yīng)貢獻近80 %的氣體以 CO2、CH4和N2O 為主[1]。其中 CO2作為最重要的溫室氣體，對增強溫室效應(yīng)的貢獻率約占 60 %[2]。以 CO2減排與增匯為目的的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理，是迫切需要解決的重大農(nóng)業(yè)環(huán)境問題。【前人研究進展】稻田生態(tài)系統(tǒng)一般被認為是 CO2的匯[3-4]，但也有許多研究指出稻田有較大通量的 CO2排放[5-7]。前人研究指出，稻田 CO2主要來自于土壤中的有機質(zhì)和水稻植物被微生物分解以及根系呼吸[8-9]，且氣溫和土壤溫度以及土壤通氣性等都會影響稻田 CO2排放[8-10]。根系生物量大，根系活力越強的水稻品種能促進土壤的呼吸與微生物活動，有促進土壤 CO2的排放作用[8]。施用有機肥后稻田 CO2的排放增加，其重要原因是土壤呼吸和水稻根系呼吸強度的增加[10-12]，以及有機肥的施用增加了 CO2產(chǎn)生的有機物源從而促進土壤-水稻作物系統(tǒng)呼吸釋放 CO2。從前人的研究成果看，稻田 CO2排放不僅來自土壤呼吸，也與水稻植物根、莖、葉呼吸作用密切相關(guān)。【本研究的切入點】CO2作為稻田重要的溫室氣體，一方面水稻光合固定和吸收 CO2，另一方面通過根、葉界面呼吸作用釋放 CO2，故水稻植株凈吸收或凈排放 CO2，與光照對水稻根、葉界面 CO2交換作用密切相關(guān)，但光照對水稻根、葉界面 CO2交換作用及其機制尚不十分清楚。這給定量評估光照對稻田生態(tài)系統(tǒng) CO2匯、源形成的作用及其機制帶來了更多的困難?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步探討光照對水稻根、葉界面 CO2交換的影響，旨在明確光照對水稻根、葉界面 CO2交換的作用及其對 CO2源及匯形成的貢獻，同時解析其光控原理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及工作原理

試驗所用裝置為自制小型光控培養(yǎng)箱(圖1)。 裝置主體由內(nèi)外 2 室組成，內(nèi)室套裝于外室中，材質(zhì)均為有機玻璃。外室規(guī)格為 30 cm×30 cm×100 cm，包括底座和罩 2 部分，罩頂部外側(cè)裝有2個小型空氣混合電扇，罩側(cè)壁上裝有發(fā)光二極管(LED)，其光強可通過控制開閉燈泡數(shù)量來調(diào)節(jié)。內(nèi)室規(guī)格為直徑 25 cm，高 50 cm，下底面有直徑 10 cm 圓孔，其頂蓋安裝有 1 只混勻內(nèi)室空氣的微型電扇，且頂蓋可自由拆裝。內(nèi)室和外室都安裝了輸氣管和抽氣管，用于連接氣泵來進行輸氣和抽氣操作。

1.2 試驗方法

光控處理試驗于 2015 年在云南嵩明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)進行。試驗所用水稻(OryzasativaL.)品種為培雜泰豐。采用土培法進行水稻育苗，之后水培法進行培養(yǎng)，營養(yǎng)液每隔 7 d 更換 1 次。水稻培養(yǎng)試驗用的桶、培養(yǎng)液配方均參照徐勝光的方法[13]。試驗以室外自然光處理為對照，設(shè)光質(zhì)、光強均不同的 LED 黃、綠、白、紅、藍光，共 6 個處理，每個處理重復(fù) 3 次。黃、綠、白、紅、藍光不同光控處理的光強在 8:00-12:00 時分別為 1100、1100、1300、1600、1700 lx，12:00-18:00時分別為 1600、1600、2300、3000、2500 lx，18:00-8:00 時為暗處理時段，均為 0 lx。不同光控處理的光強通過控制開閉 LED 燈泡數(shù)量來調(diào)節(jié)，采用黑布套法遮擋外界光，GLZ-C 型光量子計錄儀測定距離外室罩內(nèi)壁 5 cm 處光強。

試驗水稻植株處理方法：選擇重量一致的水稻幼苗(鮮重誤差控制在 0～2 g)，去離子水清洗后吹干，放入放置培養(yǎng)液的 (氮濃度，N=90 mg/L，NH4NO3-N) PVC 桶。水稻植株放入裝置的操作參照徐勝光的方法[13]。通過上述方法，水稻根界面 CO2交換產(chǎn)生、經(jīng)由液氣界面擴散釋放的CO2，被分隔集聚在外室空氣中；水稻葉際 (地上部) 界面排放的CO2被分隔集聚在內(nèi)室空氣。

氣樣 CO2檢測：試驗裝置內(nèi)、外室均用三通閥控制輸、抽氣管，氣流流量用流量計控制。試驗前需要在 8:00-9:30、12:30-14:00、17:00-18:30時分別進行 1.5 h 的 400 L/h 高流量氣流快速置換試驗裝置內(nèi)、外室空氣操作。置換空氣后，在 9:30-12:30、14:00-17:00、18:30-21:30時分別封箱 3 h。

圖1 自行設(shè)計的CO2測試試驗裝置Fig.1 Self-designed integrated CO2monitoring box

封箱時用注射器采集氣樣(40 mL)，測定內(nèi)、外室初始空氣 CO2濃度，之后每隔 1 h采樣測定 1 次。在 22:00-8:00時，用氣泵使內(nèi)外室空氣保持流通 (流量控制 40 L/h)。不同處理水稻植物裝箱后，試驗連續(xù)實施 6 d[13]。采用 Agilent Technologies 公司生產(chǎn)的 7890A GC system 氣相色譜儀及鄒建文等的方法[14]，分析氣體樣品中CO2濃度。

試驗于 2015 年 6 月 20 日育苗，7 月 10 日移栽至PVC桶，每盆裝 6.0 L營養(yǎng)液，種 3 株苗。在 2015年8月24-29日、9月23-29日和11月10-16日，進行分蘗期、開花結(jié)實期、成熟衰老期水稻根、葉界面CO2交換測試。上述時期對應(yīng)的植株生育期分別為 64、93 和 136 d，對應(yīng)的水稻植株平均鮮重分別為 140、346 和 290 g。

1.3 水稻根、葉界面CO2交換速率的計算及統(tǒng)計方法

CO2排放速率參考鄒建文等的方法[14]，按公式(1)計算：

(1)

式中:F表示以盆為單位的根、葉界面CO2交換速率(μg/pot·h)；ρ是標準狀態(tài)下氣體密度 (CO2, 1.96 kg/m3)；V為內(nèi)、外室有效體積 (m3)；dc/dt為封箱單位時間 (1 h) 內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化(μl/L)；T為采樣箱氣溫 (℃)。

試驗裝置內(nèi)、外室所采CO2氣樣檢測數(shù)據(jù)所計算的結(jié)果，分別表示水稻葉際界面及根際界面的CO2交換速率。正數(shù)表示排放，負數(shù)表示吸收。所得結(jié)果用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光控處理對分蘗期水稻根、葉界面CO2交換的影響

由表1可見，分蘗期弱黃、綠光處理的日均水稻葉際 CO2交換速率分別達 22.16、26.40 μg/pot·h(上午、下午、晚上平均)，分別相當(dāng)于白、紅、藍光處理的 1.5、2.0、3.82倍和 1.8、2.4、4.6倍，具有促進水稻葉際 CO2排放的極顯著作用(P<0.01)。同步試驗表明，白天時段自然光處理水稻葉際CO2交換速率為 -13.58 μg/pot·h(上午和下午平均)，說明日間凈吸收 CO2，但晚上時段該處理水稻葉際亦凈排放 CO2。從實驗結(jié)果看，LED 弱光控的水稻葉際 CO2凈排放速率表現(xiàn)為早、晚弱、暗光時段較高而下午光照較強時段較低，顯示光照不足是 LED 弱光處理白天水稻葉際凈排放 CO2的主要原因。在夜間暗處理時段，水稻主要通過暗呼吸釋放 CO2，不同處理水稻葉際均有凈排放 CO2作用。

同步試驗表明，與自然光對照比，不同 LED 弱光處理根際 CO2凈排放速率普遍較低，明顯有抑制根部 CO2排放作用，尤其是紅、藍光處理(表1)。但總體而言，不同 LED 弱光處理的水稻葉際 CO2排放貢獻平均達 66.85 %，自然光處理夜間水稻葉際 CO2的排放速率仍遠高于根際 CO2的排放速率(表1)，說明不同光控處理條件下，夜間水稻葉際 CO2排放亦是分蘗期水稻根、葉界面 CO2排放的主要來源。

表1 不同光控處理的分蘗期水稻葉際及根際界面 CO2 的交換速率

注：同一列數(shù)據(jù)后不同大小寫字母分別表示不同光控處理間差異達顯著(P<0.05 )和極顯著水平(P<0.01 ),下同。

Note: Datas followed by a different small and capital letter within a column were significantly different at 0.05 (P<0.05 ) and 0.01 levels (P<0.01 ) among different monocolor. The same as below.

表2 不同光控處理的開花結(jié)實期水稻葉際及根際界面 CO2 的交換速率

2.2 不同光控處理對開花結(jié)實期水稻根、葉界面CO2交換的影響

由表2可見，在開花結(jié)實期，光照對水稻根、葉界面 CO2交換作用總體有與分蘗期規(guī)律相似，但黃光促進水稻葉際CO2揮發(fā)效應(yīng)更為顯著(P<0.01)。這一時期，LED弱光5個處理平均水稻葉際CO2凈排放速率29.18 μg/pot·h，其對 CO2排放貢獻平均達76.89 %，超過分蘗期10個百分點，顯示弱光控試驗條件下開花結(jié)實期水稻葉面 CO2排放較分蘗期明顯增強。這一時期 LED 白、紅、藍光仍有較低的水稻葉際 CO2凈排放速率(P<0.01)，明顯有抑制葉際界面 CO2排放的作用效果。但同期白天自然光處理水稻葉際仍凈吸收CO2(平均交換速率-10.84 μg/pot·h)，顯示日間強光對光合作用的促進，仍能有效促進了水稻葉際對CO2的凈吸收(P<0.01)，說明光照不足仍是同期LED弱光試驗日間水稻葉際凈排放CO2的主要原因。

2.3 不同光控處理對成熟衰老期水稻根、葉界面CO2交換的影響

成熟衰老期間(表3)，LED弱光5個處理平均水稻葉際 CO2凈排放速率35.3 μg/pot·h，水稻葉際CO2排放貢獻繼續(xù)上升(平均86.55 %)，顯示弱控試驗條件下中后期水稻葉際CO2排放明顯增強。這一時期，黃光處理平均水稻葉際 CO2凈排放速率66.69 μg/pot·h，仍有增強水稻葉際CO2排放的極顯著效應(yīng)(P<0.01)。比較黃光，同一時期 LED白、藍、紅光亦程度不同地抑制了水稻根、葉界面 CO2排放，尤其是藍光(P<0.05)。此外，這一時期自然光處理的白天水稻葉際平均CO2凈排放速率27.36 μg/pot·h，且日間下午光照較強時段水稻葉際CO2排放更高。這一結(jié)果顯然與自然光照下分蘗、開花結(jié)實期日間水稻葉際凈吸收 CO2的結(jié)果明顯不同。顯然，成熟衰老期間，水稻光合固定 CO2作用急劇下降，呼吸代謝相對增強，白天水稻葉際界面 CO2轉(zhuǎn)而凈排放CO2，下午過強光照反而有加劇呼吸效應(yīng)，促進水稻葉際CO2排放的作用。

3 討 論

3.1 不同生育期水稻葉際CO2交換及其貢獻

試驗采用自主設(shè)計氣態(tài)化合物揮發(fā)試驗裝置，最大優(yōu)點在于通過內(nèi)、外室嚴密分隔作用，在基本不傷害水稻植株條件下，可同步精確定量測定水稻葉際及根際界面CO2的交換速率。結(jié)果表明，在相同氮源(NH4NO3-N，90 mg /L)、自然光處理條件下，分蘗期、開花結(jié)實期白天水稻葉際CO2交換速率分別為-13.58和-10.84 μg/pot·h，具有凈吸收空氣CO2(P<0.01)作用，且日間水稻根際界面CO2排放速率明顯低于水稻葉際界面CO2凈吸收速率。這說明自然強光下中前期水稻白天植株凈吸收空氣CO2，是CO2重要的匯。但同期夜間水稻同步從根、葉界面凈釋放CO2，分蘗期、開花結(jié)實期夜間水稻葉際CO2凈釋放速率分別26.46、28.75 μg/pot·h，明顯高于同步試驗的水稻根際界面CO2排放速率。顯然，即使在水稻快速生長的中前期，夜間水稻植株亦是 CO2重要排放源，夜間水稻葉際CO2排放顯然是中前期水稻根、葉界面CO2排放的主要來源。

在水稻成熟衰老期，試驗表明無論是白天還是晚上，自然光處理下水稻均同步從根、葉界面凈揮發(fā)CO2，且自然強光處理下水稻根、葉界面有更高的 CO2排放速率，平均水稻葉際CO2排放速率27.82 μg/pot·h (上午、下午、晚上平均)，占水稻根、葉界面CO2總排放的76.64 %。顯然，成熟衰老期間水稻葉際光合固定CO2作用急劇下降，呼吸釋放CO2的作用則相對增強，水稻植株作為中前期 CO2重要的匯，逐步轉(zhuǎn)化為成熟衰老期 CO2重要源。其中，水稻葉際是成熟衰老期水稻根、葉界面 CO2的主要排放源。

表3 不同光控處理的成熟衰老期水稻葉際及根際界面 CO2 的交換速率

3.2 光照對不同生育期水稻根、葉界面CO2交換的影響

前人研究表明，抽穗期遮光會帶來水稻干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)和光合速率下降，最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量和收獲指數(shù)下降[15-16]。就光質(zhì)對植株生長的影響而言，LED 紅、藍光可明顯促進植物的生長發(fā)育，提高光能利用率、光合速率和品質(zhì)[17]，增加單位面積生物量[18]，但不同光質(zhì)對水稻根、葉界面CO2交換作用還少見報道。從本研究結(jié)果看，即使是水稻生育中前期，光照不足則水稻植株也會從CO2的匯轉(zhuǎn)化為 CO2的源，這顯然是遮光試驗導(dǎo)致水稻植株農(nóng)藝性狀、生理、生化指標降低的重要原因。同時，試驗用發(fā)光二極管(LED)光源首先實現(xiàn)了光譜可控[17-19]，可獲得單一波長光質(zhì)，解決了光質(zhì)不純的問題，增加了試驗結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明，不同光質(zhì)處理間水稻根、葉界面葉際CO2交換作用明顯不同(P<0.01)。弱光控試驗條件下，不同生育期黃、綠光兼有增強水稻根、葉界面CO2排放效應(yīng)，紅、藍光同步抑制了水稻根、葉際界面CO2的揮發(fā)。顯然，LED紅、藍光對水稻根、葉界面CO2排放的抑制作用，與其對光合固定CO2促進效應(yīng)有關(guān)。

本研究結(jié)果也表明，日間光強不僅可以降低日間水稻葉面CO2排放，也影響夜間水稻葉面CO2排放，即自然光處理的夜間水稻葉際CO2排放速率會顯著下降(P<0.05)，這表明適度提高日間光強不僅可有效促進中前期日間水稻葉際CO2的凈吸收，同時也能抑制夜間水稻葉面CO2排放。因此，綜合來看，調(diào)整可見光組成，通過適度增加紅光、藍光比例和光強的技術(shù)措施，應(yīng)是稻田生態(tài)系統(tǒng)低碳光控技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

試驗同步測定顯示，在自然光照下，水稻葉際是中前期日間CO2重要的匯，同時也是成熟衰老期日間CO2重要的源，夜間水稻葉際CO2排放是中前期水稻植株CO2排放的主要來源；弱光控條件下，不同生育期水稻同步從根、葉界面凈排放CO2，但主要以葉際CO2排放為主；水稻不同生育期，LED 黃、綠光有增強水稻葉際CO2排放的明顯作用，較強紅、藍光能有效地抑制水稻葉際CO2的揮發(fā)。