作物莖稈和葉片排放N2O和CH4的研究

摘要? 以東北主要作物大豆、玉米和高粱為研究對象，首次同步考察了新鮮離體植物莖稈和葉片的N2O和CH4排放。結(jié)果表明：3種植物莖稈均能排放N2O，玉米莖稈排放量最大，為13.587 μL/L；3種植物葉片的N2O排放較少，但42 h時(shí)大豆葉片的N2O排放出現(xiàn)高峰，濃度達(dá)33.913 μL/L。3種植物莖稈的CH4排放表現(xiàn)出最初有排放之后吸收，3 h時(shí)玉米、大豆和高粱的CH4濃度分別為2.113、2.341和2.355 μL/L；植物葉片CH4排放不明顯，呈波浪起伏的變化規(guī)律。從N2O和CH4排放通量看，大豆葉片N2O通量最高，達(dá)210.970 ng/（g·h）；玉米葉片CH4通量為0.148 ng/（g·h），其他莖葉均為吸收CH4。研究結(jié)果不僅為植物葉片本身既能排放N2O又能排放CH4在植物中可能具有普遍性提供了試驗(yàn)依據(jù)，而且找出了植物排放N2O和CH4的新的排放部位——莖稈。

關(guān)鍵詞? N2O；CH4；玉米；大豆；高粱；莖稈；葉片

中圖分類號? X173? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A

文章編號? 0517-6611（2024）04-0011-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.002

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on N2O and CH4 Emission from Stems and Leaves of Crops

LI Jun.yu? （College of Materials and Environmental Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，Zhejiang 310018）

Abstract? Taking the main crops in Northeast China，including soybeans，corn and sorghum as the research objects，the N2O and CH4 emissions from the stems and leaves of soybean，maize and sorghum were investigated simultaneously for the first time. The results showed that all the stems of three plants could emit N2O. Among them，the maize stems showed high N2O emission，with concentration of 13.587 μL/L. The N2O emission from the leaves of the three plant species was lower，but the N2O emission from soybean leaves peaked at 42 h，reaching 33.913 μL/L. The CH4 emissions from the stems of three plants showed absorption after initial emissions，with CH4 concentrations of 2.113，2.341 and 2.355 μL/L for corn，soybean and sorghum at 3 hours，respectively;the CH4 emissions from plant leaves were not obvious，and showed a fluctuating law. From the perspective of N2O and CH4 emission fluxes，soybean leaves had the highest N2O flux，reaching 210.970 ng/（g·h）;the CH4 flux of corn leaves was 0.148 ng/（g·h），while other stems and leaves absorbed CH4.The research results not only provide experimental basis for the universality of plant leaves emitting both N2O and CH4，but also identify a new emission site for N2O and CH4 in plants.the stem.

Key words? N2O;CH4;Maize;Soybean;Sorghum;Stem;Leaves

基金項(xiàng)目? 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40875088）。

作者簡介? 李君宇（1994—），女，遼寧沈陽人，講師，碩士，從事生物源溫室氣體研究。

收稿日期? 2022-12-16

近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的變化。普遍認(rèn)為，全球變暖的主要原因是工業(yè)革命以來，特別是近50年來，人類活動加強(qiáng)引起溫室氣體大量排放造成的。N2O是一種與全球環(huán)境問題密切相關(guān)的大氣微量成分，作為一種重要的溫室效應(yīng)氣體，其單分子的增溫潛勢是CO2的290多倍［1］。N2O不僅具有溫室效應(yīng)，而且還能與平流層的O3分子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而使平流層的O3層受到破壞。大氣N2O的濃度以年均0.25%的速度增加［2］。全球N2O的源匯估算仍有很大的不確定性，全球N2O源匯之間不平衡，匯大于源［3］。因此，可能有一些重要的源匯未被發(fā)現(xiàn)。CH4是一種重要的大氣微量成分，也是一種長壽命的溫室氣體。CH4是一種化學(xué)活性物質(zhì)，它的增加會引起大氣化學(xué)過程的變化，并對大氣中其他的化學(xué)成分造成影響。傳統(tǒng)認(rèn)為，N2O和CH4的生物源主要是微生物產(chǎn)生的，然而，近年的一些研究證明植物也能排放這2種氣體［4-11］，并且認(rèn)為植物葉片是氣體的主要部位［12］。已有的關(guān)于植物N2O和CH4排放的研究多是分開進(jìn)行的，即使有少量的同時(shí)研究的報(bào)道，也多是用整株植物作為試驗(yàn)材料［11］，而對于植物不同部位排放的N2O和CH4的研究還鮮有報(bào)道。該研究選取東北地區(qū)種植面積較大的3種作物大豆、玉米和高粱作為研究對象，對3種植物的莖稈和葉片N2O和CH4的排放進(jìn)行初步研究，以期了解植物不同部位在排放N2O、CH4方面的作用，為全球N2O、CH4排放清單的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)地概況

該試驗(yàn)在中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所沈陽生態(tài)站（41°31′N，123°22′E）進(jìn)行，該站位于沈陽市蘇家屯區(qū)十里河鎮(zhèn)。處于下遼河平原中部偏東，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫為7.0～8.0 ℃ ，≥10 ℃活動積溫為3 300～3 400 ℃·d，年總輻射量為5 392.2～5 643.0 MJ/cm2 ，無霜期147～164 d，年降水量在650～700 mm，土壤類型為棕壤。

1.2? 供試材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為大豆（鐵豐29）、玉米（富友1號）、高粱（沈雜5號）。氮肥（尿素）、磷肥（過磷酸鈣）、鉀肥（氯化鉀）以1∶0.5∶0.5比例施入，玉米、高粱施氮量為150 kg/hm2，大豆施氮量為60 kg/hm2，在生長期內(nèi)不追肥。其他管理同常規(guī)生產(chǎn)田。

1.3? 樣品處理及氣體采集

果實(shí)成熟之后，田間取回完整的植株，去掉根，分成莖稈和葉片兩組，將莖稈切成長約10 cm的段，稱重，將莖稈和葉片分別放入5 950 mL的大廣口瓶中，蓋上膠塞，用人造空氣（含有N2 78%、O2 21%、CO2 0.04%）置換瓶中氣體，使瓶內(nèi)氣體全部為人造空氣，取零時(shí)氣體后每隔3 h測樣品中N2O和CH4濃度變化。每個(gè)處理3次重復(fù)。室內(nèi)溫度保持在28 ℃，光強(qiáng)為4 500 lx，將取氣后的樣品在105 ℃殺青10 min，后在80 ℃下烘干48 h至恒重。

1.4? N2O和CH4氣體分析

氣體樣品用Aglient4890D測定，N2O用ECD測定，CH4用FID檢測器測定，柱溫55 ℃，F(xiàn)ID進(jìn)樣口50 ℃，檢測器200 ℃；ECD進(jìn)樣口330 ℃，檢測器330 ℃。載氣為高純氮?dú)狻?/p>

1.5? 通量的計(jì)算? 根據(jù)以下公式計(jì)算N2O或CH4的排放通量［7］：

F=△m/M×△t=ρ×V×△C/M×△t

式中：F為植物莖葉排放N2O或CH4的速率［ng/（g·h）］；ρ是N2O或CH4的密度（g/L）；V為瓶內(nèi)氣體的有效空間體積（mL）；△t是瓶封閉的時(shí)間（h）；△C是△t時(shí)間內(nèi)瓶內(nèi)氣體混合比濃度變化（μL/L）；M為植物莖葉的干重（g）。

1.6? 數(shù)據(jù)處理? 應(yīng)用Excel和SPSS 13.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同植物莖稈和葉片排放N2O的濃度變化? 從3種植物莖稈排放N2O的試驗(yàn)結(jié)果（表1）可以看出，在觀測的42 h內(nèi)，3種植物莖稈的N2O濃度排放總體呈上升趨勢，尤其是玉米莖稈的N2O排放濃度增加較快，12 h的N2O濃度比0 h時(shí)增加近3倍，達(dá)1.033 μL/L，玉米莖稈比同時(shí)間的其他2種植物高1倍左右。12 h后，3種植物的N2O濃度增加更為迅速，29 h時(shí)，玉米、大豆、高粱3種植物莖稈的N2O排放濃度分別為8.535、2.985、2.042 μL/L;42 h時(shí)，3種植物莖稈的N2O濃度達(dá)到最高，分別為13.587、6.335、3.102 μL/L，比0 h時(shí)分別增加了45倍、20倍和10倍。這一結(jié)果表明莖稈中N2O的排放不僅是莖稈儲存N2O的釋放，植物本身也應(yīng)該產(chǎn)生并釋放了N2O；并隨時(shí)間的增長而顯著增加，當(dāng)然這與植物種類有關(guān)。

由表2可見，玉米、大豆、高粱3種植物葉片在24 h以內(nèi)排放N2O濃度相差不大，但在24 h之后，隨時(shí)間的遞增，大豆葉片排放的N2O濃度增加迅速，29 h時(shí)的N2O濃度是0 h時(shí)的16倍，42 h時(shí)是0 h時(shí)的114倍，分別是相同時(shí)段的其他2種植物的90倍（高粱）和115倍（玉米）。

2.2? 不同植物莖稈和葉片排放CH4的濃度變化? 在監(jiān)測的42 h內(nèi)，玉米、大豆、高粱3種植物莖稈和葉片排放CH4的結(jié)果見表3和表4。由表3可知，不同植物莖稈排放CH4的濃度變化在0～3 h均有所增加，3～6 h呈下降趨勢，9～15 h略微波動，15 h后均呈下降狀態(tài)。

由表4可知，3種植物葉片排放CH4濃度除了3～6 h略下降，6～9 h又上升，其余時(shí)間這3種植物葉片對CH4排放無明顯規(guī)律。

2.3? 3種植物不同部位N2O、CH4排放通量比較

從表5可以看出，3種植物不同部位的N2O排放通量表現(xiàn)為大豆葉片>玉米莖稈>大豆莖稈>高粱莖稈>高粱葉片>玉米葉片。其中，大豆植物的莖稈和葉片均能排放N2O，但葉片的N2O排放顯著高于莖稈的排放，說明大豆葉片是其N2O排放的主要部位，這一結(jié)果與以往的研究結(jié)果一致［13］。而玉米的N2O排放則相反，其莖稈排放N2O通量高于葉片；證明植物排放N2O通量不僅與植物種類有關(guān)，而且與植物部位有關(guān)。因此，在制作植物N2O排放清單時(shí)應(yīng)考慮這一問題。從CH4的通量情況可以看出，玉米葉片表現(xiàn)為排放CH4，排放量較低，為0.148 ng/（g·h），而大豆葉和高粱葉以及3種植物的莖稈則表現(xiàn)為吸收CH4，這一結(jié)果證明植物排放N2O較普遍，而排放CH4則具有種的特性［11］，并且與植物部位有關(guān)。

3? 討論

以往研究證明植物葉片是N2O排放的主要部位［13］，而該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種植物莖稈的N2O排放高于葉片，表明莖稈可能是某些植物的N2O排放的主要部位。這一研究結(jié)果不僅為N2O排放源研究提供了新思路，也為深入N2O機(jī)理研究找到了適宜的植物種類和研究部位（大豆葉片和玉米莖稈）。關(guān)于植物排放N2O的機(jī)理有2種解釋，一種是植物只起傳輸作用，將土壤中溶解的N2O通過蒸騰作用經(jīng)由氣孔釋放到大氣中；另一種是植物自身排放。3種植物莖稈和葉片的N2O排放隨時(shí)間的遞增呈上升趨勢，尤其是莖稈，在封閉12 h后N2O濃度持續(xù)增加，在42 h時(shí)，比0 h時(shí)增加至少10倍以上。說明植物排放N2O不僅是傳輸作用，植物本身也應(yīng)該參與了此過程。植物自身N2O排放不僅與植物種類有關(guān)，而且受光強(qiáng)影響［5，12-13］。該試驗(yàn)是在光強(qiáng)為4 500 lx條件下進(jìn)行的，在光強(qiáng)不變的情況下，3種植物不同部位排放N2O的結(jié)果不同，說明植物的N2O排放與植物種類和部位有關(guān)。

關(guān)于植物排放CH4的機(jī)理目前主要有3種解釋，即傳輸作用、植物自身排放和微生物產(chǎn)生而排放。有研究表明，許多水生植物將微生物在厭氧條件下產(chǎn)生的CH4通過根部和莖稈傳輸?shù)酱髿?，即傳輸作用?0］；McLeod等［8］提出植物好氧CH4排放的紫外線輻射機(jī)理，生理脅迫導(dǎo)致ROS增加，破壞植物細(xì)胞壁而產(chǎn)生CH4；高溫、物理損傷及缺氧等也影響植物好氧甲烷排放［14］；Wang等［15］研究表明在暖溫帶高地森林的心材中產(chǎn)生的CH4通過邊材和山楊的樹皮排放到大氣。該試驗(yàn)中所用的3種植物均為旱地生長的植物，其傳輸土壤微生物產(chǎn)生的CH4的可能性不大，并且經(jīng)過洗凈后在空氣中晾干一段時(shí)間，又經(jīng)過長達(dá)42 h的觀測，證明植物確實(shí)產(chǎn)生并排放了CH4，但是究竟是植物自身產(chǎn)生的還是由植物體內(nèi)微生物產(chǎn)生的還需要利用穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行區(qū)分并做進(jìn)一步的研究。

52卷4期??????????????????? 李君宇? 作物莖稈和葉片排放N2O和CH4的研究

4? 結(jié)論

該研究在實(shí)驗(yàn)室條件下，對大豆、玉米和高粱3種植物莖稈和葉片的N2O和CH4排放進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

（1）3種植物的莖稈和葉片均能排放N2O，但排放通量不同，從高到低依次為大豆葉片>玉米莖稈>大豆莖稈>高粱莖稈>高粱葉片>玉米葉片。

（2）3種植物N2O排放的主要部位不同。大豆N2O排放的主要部位是葉片，而玉米和高粱的N2O排放主要部位則是莖稈。

（3）3種植物N2O排放隨時(shí)間的變化規(guī)律不同。觀測期間，3種植物莖稈的N2O排放，在9 h時(shí)開始增加，到42 h，一直呈排放狀態(tài)；其中，玉米莖稈的N2O排放最高，其次是大豆莖稈，高粱莖稈最低。3種植物葉片的N2O排放在觀測期間呈持續(xù)緩慢增加狀態(tài)，直到29 h時(shí)，大豆葉片N2O排放迅速增加，42 h時(shí)達(dá)最高。

（4）3種植物莖稈和葉片沒有觀察到持續(xù)的CH4排放，但在觀測的前3 h內(nèi)均有CH4排放，結(jié)果表明3種植物莖稈和葉片均能在短期內(nèi)排放CH4。

（5）從3種植物莖稈和葉片排放N2O和CH4的研究結(jié)果表明3種植物莖稈和葉片既能排放N2O又能排放CH4，但這一現(xiàn)象是否在植物中具有普遍性還需對其他植物種類研究確定。由該研究結(jié)果可見，3種植物的莖稈和葉片的N2O和CH4的排放量不同，說明植物N2O和CH4的排放與植物種類和部位有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

［1］

BEERLING D J，GARDINER T，LEGGETT G，et al.Missing methane emissions from leaves of terrestrial plants［J］. Global change biology，2008，14（8）：1821-1826.

［2］ IPCC. Climate change 2001：The scientific basis［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2001：251-253.

［3］ BRUHN D，ALBERT K R，MIKKELSEN T N，et al.UV.induced N2O emission from plants［J］. Atmospheric environment，2014，99：206-214.

［4］ DUECK T A，DE VISSER R，POORTER H，et al.No evidence for substantial aerobic methane emission by terrestrial plants：A 13C.labelling approach［J］. New phytologist，2007，175：29-35.

［5］ ZHANG X J.Study on N2O emission by tree and soil in a forest ecosystem［D］.Beijing：Chinese Academy of Sciences，2001.

［6］ KEPPLER F，HAMILTON J T G，BRAβ M，et al.Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions［J］. Nature，2006，439：187-191.

［7］ 張秀君，陳冠雄，徐慧.不同光強(qiáng)條件下樹木釋放N2O的研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（12）：1563-1565.

［8］ MCLEOD A R，F(xiàn)RY S C，LOAKE F G，et al.Ultraviolet radiation drives methane emissions from terrestrial plant pectins［J］.New phytologist，2008，180（1）：124-132.

［9］ NISBET R E R，F(xiàn)ISHER R，NIMMO R H，et al.Emission of methane from plants［J］. Proceedings of the royal society B：Biological sciences， 2009，276（1660）：1347-1354.

［10］ SCHIMEL J P.Plant transport and methane production as controls on methane flux from arctic wet meadow tundra［J］.Biogeochemistry，1995，28（3）：183-200.

［11］ 張秀君，江丕文，朱海，等.植物排放N2O和CH4的研究［J］.植物學(xué)報(bào)，2012，47（2）：120-124.

［12］ 陳冠雄，徐慧，張穎，等.植物：大氣N2O的一個(gè)潛在排放源［J］.第四紀(jì)研究，2003，23（5）：504-511.

［13］ HUANG G H，CHEN G X，SHANG S H，et al.Studies on the release and transformation of N2O from sterile soybean plants［J］.Acta botanica，1994，36：102-106.

［14］ WANG Z P，HAN X G，WANG G G，et al.Aerobic methane emission from plants in the Inner Mongolia steppe［J］.Environmental science and technology，2008，42：62-68.

［15］ WANG Z P，KEPPLER F，GREULE M，et al.Non.microbial methane emissions from fresh leaves：Effects of physical wounding and anoxia［J］.Atmospheric environment，2011，45（28）：4915-4921.