UV-B辐射对水稻根际土壤活性有机碳转化和产甲烷潜力的影响

贺晓佳，冯书华，蒋明，李明锐，湛方栋，李元，何永美

云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

水稻（Oryza sativa L.）根系分泌物中的有机酸易被根际细菌分解为二氧化碳（CO2）、氢气（H2）和醋酸盐等产甲烷基质，使甲烷产生量增加（Kerdchoechuen，2005），有机酸是大型生物分子最终矿化产物甲烷（CH4）和CO2的重要活性中间体，土壤光化学反应又是低分子量有机酸形成的关键（Xiao et al.，2014），所以UV-B辐射下水稻根系分泌物中草酸和琥珀酸含量增加，酒石酸和苹果酸含量下降（He et al.，2016）。土壤酶在土壤有机质的降解、转化和矿化等多种生化过程中起着关键作用（Ling et al.，2018），其对生物和非生物因素影响下土壤性质的变化非常敏感（Lemanowicz，2019），UV-B辐射增强导致稻田土壤多酚氧化酶和蔗糖酶的活性显著降低（王灿等，2018），纤维素水解酶、磷酸酶活性下降（Choudhary et al.，2013）。土壤酶库和酶活性的大小可以驱动有机碳的降解速率（Alvarez et al.，2018），土壤蔗糖酶、纤维素酶、过氧化氢酶活性的增加对活性有机碳、总有机碳的含量和积累有促进作用（张英英等，2017），UV-B辐射也会直接促进土壤总碳的分解（蒋梦蝶等，2017b），显著降低稻田土壤微生物量碳和易氧化有机碳的含量（王灿等，2018）。所以UV-B辐射导致土壤酶活性降低，导致有机碳含量降低，最终导致甲烷排放总量降低。目前对 UV-B辐射和自然光条件、植物根际和非根际土壤环境之间的根系分泌物变化差异所导致的产甲烷潜力不同的研究较少，且研究不为一致，肇思迪等（2017）发现UV-B辐射增强可显著提高稻田CH4和一氧化二氮（N2O）排放通量和累积排放量，增加稻田CH4和N2O排放的综合增温潜势，UV-B辐射增强促进了元阳哈尼梯田水稻田CH4的排放（He et al.，2016；娄运生等，2012；徐渭渭等，2015），也有发现增强的UV-B辐射对土壤-水稻系统的CH4排放通量没有显著影响（胡正华等，2011）。这可能是稻田甲烷排放通量受土壤理化性质、稻田管理模式、水稻特性（徐渭渭等，2015）等多因素影响所致。

目前，已有较多关于温室气体排放、有机酸分泌以及碳转化的研究在元阳梯田开展，且表明稻田CH4的排放与土壤有机酸分泌量（何永美等，2016）、碳转化酶活性、活性有机碳含量（Burns et al.，2013）密切相关。但是对水稻根际环境和非根际环境之间根系分泌物变化差异所导致的产甲烷潜力不同的研究较少。所以，本研究采用元阳梯田稻田土壤，在水稻生长的不同时期，利用对照（自然光）和模拟UV-B辐射处理，开展盆栽实验，收集根际土壤和非根际土壤并研究土壤中有机酸含量的变化、土壤碳转化酶活性和活性有机碳的变化，分析根系有机酸、土壤活性有机碳、酶活性、甲烷排放通量之间的关系，进而阐释UV-B辐射对土壤碳转换以及产甲烷潜力的影响，探讨UV-B辐射增强条件下稻田温室气体排放机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤采集于云南省元阳县新街镇箐口村（23°7′N，102°44′E）的梯田，种植元阳梯田地方品种的水稻白脚老粳，土壤pH值为5.67，全氮（N）为 2.54 g·kg-1，全磷（P）为 0.431 g·kg-1，全钾（K）为 13.85 g·kg-1，碱解氮为 92.17 mg·kg-1，速效 P 为14.03 mg·kg-1，速效 K 为 16.50 mg·kg-1，有机质为29.93 g·kg-1。

1.2 试验设计

采集大田试验地的稻田土壤，采用五点采样法，每个分点处采集0—20 cm耕作层土壤。采用根袋培养法，参照蔡昆争等（2003）的“网袋法”加以改进，根袋直径14 cm、高20 cm、圆柱形尼龙网袋（400目，0.0374 mm），可固定根系生长范围，但不影响土壤水肥正常扩散，根袋内为根际土，非根际土为根袋外约25 cm以外的土壤。将水稻种子经 3%过氧化氢溶液消毒，转入培养皿中催芽，放在光照培养箱中育苗。两周后，待秧苗长至3叶1心时，移栽于装有营养液的盆中培养，每周换1次营养液，pH保持在 5.5—6.0之间。水稻秧苗种植前，先将土置于根袋内且一直处于淹水状态，然后将水稻秧苗插入根袋中，按设计埋入盆钵中，盆钵直径40 cm。设2个UV-B辐射水平，即对照（自然光照）和UV-B辐射（5.0 kJ·m-2），每个处理15盆，每个根袋1株苗。

UV-B辐射处理：在水稻的正上方，悬挂1支40W的UV-B灯管（北京，UV308，光谱为280—320 nm），模拟UV-B 辐射增强。随水稻植株的生长不断调节灯管高度以控制辐照度（以植株上部计），从水稻秧苗移栽返青后至成熟收获，每天10:00—17:00辐照7 h（阴雨天除外）。

1.3 指标测定

1.3.1 根系分泌物收集和测定

涡流发生器安装位置影响其作用区域: 安装位置离模型旋转中心太近, 尾涡直径小, 导致模型来流受涡流发生器干扰, 影响数据准确性; 离旋心太远, 尾涡作用区域将减小, 无法覆盖模型区. 为确定合适的安装位置, 计算了Ma=0.6, 常规实验Reynolds数状态下, 安装位置距离模型旋心10δ, 20δ, 30δ, 40δ, 50δ的流场, 图8和表4分别给出各状态下附面层速度分布和对应的附面层厚度. 图中u/ul为当地速度与附面层外缘速度的比值， 代表附面层内速度恢复情况.

根系分泌物的收集采用溶液培养法（许超等，2010），即为当水稻经UV-B辐射处理30 d后，进行第一次采样，由营养液中移出水稻，用超纯水冲洗根表面的吸附物质，同时不要伤根，然后用吸水纸吸去根表面的水分，将根浸于25 mL超纯水的试管中，每管放4株，用锡箔纸包裹试管，于光照条件下收集根系分泌物，12 h后取出植株，定容至25 mL；收集到的根系分泌物溶液过0.45 μm膜后，立即进行蒸发浓缩，而后将浓缩液吸取1 mL到高效液相色谱仪即Agilent 1100色谱仪，进行检测，测定草酸、琥珀酸、苹果酸和酒石酸（Montiel et al.，2016）。

1.3.2 土壤酶和有机碳指标测定

分别于水稻生长的分蘖期（30 d）、拔节期（60 d）、抽穗期（90 d）采集根际与非根际土壤样品，土壤鲜样快速装入低温冰箱，直接将除去石砾杂质后的新鲜土样过尼龙网筛进行分析（耿玉清等，2012）。

参照关松荫（1986）的方法，过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法；多酚氧化酶活性测定采用邻苯三酚-乙醚比色法。

土壤可溶性有机碳采用严昌荣等（2010）的研究方法；土壤微生物量碳采用熏蒸提取法测定（林启美等，1999）；土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定（巫芯宇，2013）。

甲烷气体在培养90 d后采集1次，每个样品3个重复。用双联球连接在广口瓶的导出口，另一端

连接在集气袋上，进行采集气体，气体样品测定采用 Agilent 7890B气相色谱仪分析（Nayak et al.，2006）。

甲烷计算公式：

式中：

F——气体排放通量（mg·cm-2·h-1）；

h——采样瓶高度（液面离顶部的高度）；

θ——瓶内温度（℃）；

p——标准状况下甲烷气体的密度（0.717 g·L-1）；

dρ/dtt=0——单位时间内气体浓度线性变化率。

1.4 数据分析

每组处理设4个重复，采用Excel对根袋实验不同时期（第30天、60天、90天）的实验数据进行统计整理，采用 SPSS 20.0 软件进行三因素（UV-B辐射、根际、时间）方差分析，采用Origin Pro 9.1进行绘图。

2 结果与分析

2.1 UV-B辐射对水稻根际土壤与非根际土壤低分子量有机酸含量的影响

由图1可知，水稻根际土低分子量有机酸含量高于非根际土。三因素分析表明，UV-B辐射、根际对土壤草酸含量存在极显著影响；与自然光照相比，在培养的第30、60和90天，UV-B辐射导致水稻根际土壤草酸含量分别增加了 43.2%、18.8%和5.8%。UV-B辐射、根际和时间均对土壤琥珀酸含量存在极显著影响；与自然光照相比，在培养的第30、60和90天，UV-B辐射导致水稻根际土壤琥珀酸含量增加，增幅达到13.9%—48.7%。根际和时间对土壤酒石酸含量存在极显著影响，与自然光照相比，在培养的第30天和90天，经UV-B辐射后根际土壤酒石酸含量分别显著降低 50.1%和23.5%。UV-B辐射、根际和时间对土壤苹果酸含量存在显著或极显著影响，第30天和第60天时，经UV-B辐射后根际土壤苹果酸含量与自然光照相比显著降低47.9%和69.9%。可见，UV-B辐射导致水稻根际土壤草酸和琥珀酸含量增加，酒石酸和苹果酸含量降低。

图1 UV-B辐射对水稻土壤根际与非根际低分子量有机酸含量的影响Figure 1 Effects of UV-B Radiation on the Content of Low Molecular Weight Organic Acids in rice Rhizosphere and non-Rhizosphere Soil

3.2 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤碳转化酶活性的影响

由图2可知，水稻根际土碳转化酶活性高于非根际土，三因素分析表明，时间对土壤多酚氧化酶活性存在极显著影响；在培养的第30、60和90天，UV-B辐射使水稻根际土壤多酚氧化酶活性显著高于非根际土壤，分别显著提高4.8%、9.7%和41.7%。与非根际土壤相比，在培养的第30和90天，UV-B辐射使水稻根际土壤蔗糖酶活性显著提高36.3%和8.5%。UV-B辐射和时间对过氧化氢酶活性存在极显著影响，根际对过氧化氢酶活性无显著影响；与自然光照相比，在培养的第90天，UV-B辐射使水稻根际土壤过氧化氢酶活性显著降低 10.3%，而UV-B辐射与自然光照处理对水稻生长前期根际土壤过氧化氢酶活性无显著差异。可见，UV-B辐射导致水稻生长后期根际多酚氧化酶活性提高，过氧化氢酶活性降低。

图2 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤碳转化酶活性的影响Figure 2 Effects of UV-B Radiation on the Activities of Carbon Converting Enzymes in rice Rhizosphere and non-Rhizosphere Soil

2.3 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤活性有机碳含量的影响

由图3可知，三因素分析表明，UV-B辐射、根际和时间对土壤微生物量碳含量无显著影响；与自然光照相比，在培养的第30和90天，UV-B辐射导致水稻根际土壤微生物量碳含量显著增加49.8%和38.9%，3个时期内，UV-B辐射处理使水稻根际土壤微生物量碳含量显著高于非根际土壤，增幅为27.8%—63.1%。时间对土壤易氧化有机碳含量存在极显著影响；与自然光照相比，在培养的第90天，UV-B辐射导致水稻根际土壤易氧化有机碳含量显著增加9.9%；在培养第30和60天时，自然光照处理根际土壤易氧化有机碳含量较非根际土壤分别显著增加7.8%和34.1%。UV-B辐射对土壤溶解性有机碳含量无显著影响，根际和时间对土壤溶解性有机碳含量存在极显著影响；与自然光照相比，3个时期内，UV-B辐射导致水稻根际土壤可溶性有机碳含量显著增加14.3%—55.7%，UV-B辐射导致水稻根际土壤可溶性有机碳含量显著高于非根际土壤。可见，UV-B辐射导致水稻生长后期根际土壤微生物量碳、易氧化有机碳和溶解性有机碳含量增加。

图3 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤活性有机碳含量的影响Figure 3 Effects of UV-B Radiation on Active Organic Carbon Content in rice Rhizosphere and non-Rhizosphere Soils

2.4 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤产甲烷潜力的影响

由图4可知，UV-B辐射和根际对土壤甲烷排放通量存在极显著影响；与自然光照相比，UV-B辐射导致水稻根际土壤甲烷排放通量显著降低56%，自然光处理根际土壤甲烷排放通量显著高于非根际，而UV-B辐射处理根际土壤甲烷排放通量显著低于非根际；可见，根袋实验中，UV-B辐射处理显著降低水稻根际土壤甲烷排放通量。

图4 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤产甲烷潜力的影响Figure 4 Effects of UV-B radiation on the methanogenic potential in rice rhizosphere and non-rhizosphere soils

2.5 有机酸与土壤活性有机碳、甲烷排放量的相关性分析

由表1可知，草酸和苹果酸含量均与甲烷排放通量呈显著正相关；酒石酸含量与微生物量碳含量呈显著正相关，但苹果酸与微生物量碳含量呈极显著正相关；苹果酸含量与可溶性有机碳含量呈显著正相关，而琥珀酸与可溶性有机碳含量呈极显著正相关。

表1 有机酸含量与土壤活性有机碳含量和甲烷排放的相关性Table 1 Correlation between organic acid content and soil active organic carbon content and methane emission

2.6 甲烷排放通量与酶活性、土壤活性有机碳的相关性分析

由表2可知，甲烷排放通量与多酚氧化酶、微生物量碳、易氧化有机碳呈极显著负相关，与可溶性有机碳呈显著负相关；甲烷排放通量与蔗糖酶呈显著正相关，与过氧化氢酶呈极显著正相关。过氧化氢酶和可溶性有机碳、易氧化有机碳呈显著负相关，与微生物量碳呈极显著负相关。

表2 甲烷排放通量与酶活性、土壤活性有机碳的相关性Table 2 Correlation between methane emission and enzymatic active and soil active organic carbon content

3 讨论

3.1 水稻根际土壤与非根际低分子量有机酸含量对UV-B辐射的响应机理

本研究UV-B辐射处理显著提高根际土壤草酸和琥珀酸含量，对根际苹果酸和酒石酸含量则呈显著抑制。盐碱胁迫后，2个高粱品种酒石酸、甲酸和苹果酸均下降（戴凌燕等，2015），可见，根际低分子量有机酸的分泌是植物对环境胁迫的必然响应。在 C4植物中，苹果酸作为 CO2的载体完成植物光合碳同化的辅助途径，参与羧酸循环和二氧化碳释放后，完成碳的固定（Liang et al.，2019）。苹果酸在这个过程中被消耗，从而呈现含量下降的现象。根系分泌的草酸含量均升高是根中光呼吸乙醇酸途径加强的结果（李昌晓等，2010）。UV-B辐射对土壤的穿透能力不超过5 mm（张慧玲等，2010），很难直接对根系呼吸和土壤微生物呼吸产生抑制效应，所以根对UV-B辐射的响应是间接的。本研究中非根际土壤中4种有机酸含量低于根际含量，是由于UV-B辐射与CO2的相互作用增加了根系生物量（Bussell et al.，2012），增强的UV-B辐射可通过改变地下生物量来影响根系分泌物的净通量，UV-B诱导地下光合产物分配增加（Rinnan et al.，2006），即导致根系分泌有机酸增加。同时根际微生物对根系分泌物的大量消耗势必刺激根分泌更多的有机酸，微生物也分泌了有机酸（刘洪升等，2002）。

3.2 水稻根际土壤与非根际土壤碳转化酶活性、土壤活性有机碳含量对UV-B辐射的响应机理

UV-B通过改变抗氧化能力来影响碳同化和CO2的吸收（Singh et al.，2012），对不同时期的土壤脲酶和转化酶产生明显的抑制作用（张令瑄等，2016），同样在重金属胁迫的逆境下土壤过氧化氢酶活性（Stepniewska et al.，2009）、蔗糖酶活性（张飞等，2015）下降，这与本研究结果一致。在前一个时期内，酶代谢加剧的同时也被消耗，所以酶变化无显著差异。而在第 90天时，水稻根际环境中根系分泌的有机酸浓度增加，低浓度有机酸对磷酸单酯酶活性有促进作用，而高浓度有机酸则为抑制作用（龚松贵等，2009），所以水稻生长后期分泌的大量有机酸抑制蔗糖酶和过氧化氢酶活性，多酚氧化酶活性升高是由于酶的底物酚酸类物质的积累（李果梅等，2008）。这表明土壤酶活性与养分间的关系会因有机酸的存在及其种类、浓度、降解等条件的变化而变化，赵鹏志等（2018）发现土壤有机质通过直接正效应影响蔗糖酶活性，草酸显著抑制过氧化氢酶和蔗糖酶活性，同时有机酸的分泌也反过来作用于微生物对有机碳产生作用（Samuel et al.，2006）。土壤有机碳主要来源于根系、根系分泌物、可溶性有机碳、土壤微生物及生物扰动作用（周艳翔等，2013），它能够影响土壤碳（C）、N等元素在土壤环境中的循环。3个时期内，UV-B辐射处理的水稻根际土壤可溶性有机碳含量显著高于自然光处理，根际土壤与非根际土壤的有机碳变化趋势一致，这与前人研究结果一致（蒋梦蝶等，2017a）。UV-B辐射增加导致微生物量碳含量增加与秸秆还田后较高的C/N有关，使得土壤微生物在分解过程中对碳素进行固定，从而增加土壤微生物量碳含量（李新华等，2016），但也发现小麦各品种在UV-B辐射下多数生育时期观测的根际与非根际土壤微生物量碳含量显著低于自然光（娄运生等，2012），这种有机碳的差异与环境因子的影响使UV-B对土壤作用机理不同有关。

通过相关性分析，生长期各个阶段的过氧化氢酶活性与微生物量碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳呈显著负相关。这与前人对正常环境下研究结果不一致，有机碳与碳循环相关酶活性（脲酶、磷酸酯酶、硫酸酯酶等）呈显著正影响（P＜0.05）（郭乾坤等，2020），这充分说明UV-B辐射条件引起植物的响应机制发生很大改变，土壤有机碳对过氧化氢酶活性的变化响应强烈，酶活性增加可以提高有机碳库量，进而影响土壤有机碳的矿化速率（赵仁竹等，2015），进而对甲烷排放产生影响。

3.3 UV-B辐射对水稻根际与非根际土壤产甲烷潜力的影响

湿地甲烷排放是全球温室气体的主要来源，大气中每年有15%—30%的CH4来源于土壤（张玉铭等，2011），并且湿地甲烷排放占甲烷排放总量的30%—40%（Koffi et al.，2020），甲烷排放是甲烷产生、氧化和传输等代谢过程的结果（Serrano et al.，2014）。UV-B辐射增强后对水稻土壤甲烷排放的影响结果不尽一致，胡正华等（2011）发现 UV-B辐射增强没有改变稻田生态系统呼吸速率、CH4和N2O排放通量的季节性变化规律，徐渭渭等（2015）发现UV-B辐射增强在分蘖末期、拔节孕穗期、成熟期都极显著提高CH4的累计排放量。而本研究发现，增强UV-B辐射显著降低水稻根际甲烷排放，明显低于自然光。可能是不同氧含量水体消耗产甲烷底物的不同导致（李小飞等，2019），UV-B辐射使根系泌氧能力受到影响，有机碳的输入和输出不平衡，甲烷通量在成熟期下降是由于水稻通气组织CH4扩散受阻（Jiang et al.，2013）。甲烷传输能力与根系比表面积、根系活跃吸收面积、水稻根系氧化活力有显著正相关关系（钟娟，2017），这些因素在UV-B辐射下产生了变化间接影响甲烷排放。同时易氧化有机碳是甲烷排放的主要底物（吴家梅等，2013），且两者呈显著负相关。由相关性分析，UV-B辐射使过氧化氢酶与甲烷排放通量呈极显著正相关，与有机碳均呈负相关，碳转化酶活性与碳含量是影响甲烷排放的直接原因。在 UV-B辐射下，水稻非根际土的甲烷排放高于根际土，底物（土壤有机质、前季作物秸秆、当季光合产物）和微生物是CH4(N2O)产生的重要因素（胡正华等，2011）。由于水稻在环境迫害下产生了酚类物质，对植物有毒害作用，敏感的微生物排斥这类物质，大量移动到水稻非根际区域，非根际区域微生物活动显著，对有机质进行分解排放对有机质进行分解排放甲烷。

4 结论

本文结合根袋盆栽试验，研究UV-B辐射对水稻根际与非根际有机酸、土壤有机碳和酶活性以及产甲烷潜力的影响，结果表明UV-B辐射显著增加了水稻根际土壤中草酸和琥珀酸含量，显著降低了根际土壤苹果酸和酒石酸含量；导致根际土壤中过氧化氢酶活性后期显著降低，多酚氧化酶活性增加；易氧化有机碳和可溶性有机碳含量显著升高；进而显著降低了甲烷排放量。很多人对土壤甲烷排放的机理进行了研究，而对减排的措施研究还需进一步加强。基于稻田甲烷排放多因素的影响，稻田甲烷排放需要进行合理的田间养分、水分管理，调配水田氧化还原电位，通过合理施肥有效控制碳氮比，适当调整农作模式，筛选有效减排的水稻品种。