光照对不同生育期水稻根、叶界面CO2交换的影响

范志伟，苏 源，徐胜光*

(1. 昆明学院农学与生命科学学院, 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)

【研究意义】对温室效应贡献近80 %的气体以 CO2、CH4和N2O 为主[1]。其中 CO2作为最重要的温室气体，对增强温室效应的贡献率约占 60 %[2]。以 CO2减排与增汇为目的的农田生态系统管理，是迫切需要解决的重大农业环境问题。【前人研究进展】稻田生态系统一般被认为是 CO2的汇[3-4]，但也有许多研究指出稻田有较大通量的 CO2排放[5-7]。前人研究指出，稻田 CO2主要来自于土壤中的有机质和水稻植物被微生物分解以及根系呼吸[8-9]，且气温和土壤温度以及土壤通气性等都会影响稻田 CO2排放[8-10]。根系生物量大，根系活力越强的水稻品种能促进土壤的呼吸与微生物活动，有促进土壤 CO2的排放作用[8]。施用有机肥后稻田 CO2的排放增加，其重要原因是土壤呼吸和水稻根系呼吸强度的增加[10-12]，以及有机肥的施用增加了 CO2产生的有机物源从而促进土壤-水稻作物系统呼吸释放 CO2。从前人的研究成果看，稻田 CO2排放不仅来自土壤呼吸，也与水稻植物根、茎、叶呼吸作用密切相关。【本研究的切入点】CO2作为稻田重要的温室气体，一方面水稻光合固定和吸收 CO2，另一方面通过根、叶界面呼吸作用释放 CO2，故水稻植株净吸收或净排放 CO2，与光照对水稻根、叶界面 CO2交换作用密切相关，但光照对水稻根、叶界面 CO2交换作用及其机制尚不十分清楚。这给定量评估光照对稻田生态系统 CO2汇、源形成的作用及其机制带来了更多的困难。【拟解决的关键问题】在前人研究的基础上，进一步探讨光照对水稻根、叶界面 CO2交换的影响，旨在明确光照对水稻根、叶界面 CO2交换的作用及其对 CO2源及汇形成的贡献，同时解析其光控原理。

1 材料与方法

1.1 试验装置及工作原理

试验所用装置为自制小型光控培养箱(图1)。 装置主体由内外 2 室组成，内室套装于外室中，材质均为有机玻璃。外室规格为 30 cm×30 cm×100 cm，包括底座和罩 2 部分，罩顶部外侧装有2个小型空气混合电扇，罩侧壁上装有发光二极管(LED)，其光强可通过控制开闭灯泡数量来调节。内室规格为直径 25 cm，高 50 cm，下底面有直径 10 cm 圆孔，其顶盖安装有 1 只混匀内室空气的微型电扇，且顶盖可自由拆装。内室和外室都安装了输气管和抽气管，用于连接气泵来进行输气和抽气操作。

1.2 试验方法

光控处理试验于 2015 年在云南嵩明现代农业科技示范园区进行。试验所用水稻(OryzasativaL.)品种为培杂泰丰。采用土培法进行水稻育苗，之后水培法进行培养，营养液每隔 7 d 更换 1 次。水稻培养试验用的桶、培养液配方均参照徐胜光的方法[13]。试验以室外自然光处理为对照，设光质、光强均不同的 LED 黄、绿、白、红、蓝光，共 6 个处理，每个处理重复 3 次。黄、绿、白、红、蓝光不同光控处理的光强在 8:00-12:00 时分别为 1100、1100、1300、1600、1700 lx，12:00-18:00时分别为 1600、1600、2300、3000、2500 lx，18:00-8:00 时为暗处理时段，均为 0 lx。不同光控处理的光强通过控制开闭 LED 灯泡数量来调节，采用黑布套法遮挡外界光，GLZ-C 型光量子计录仪测定距离外室罩内壁 5 cm 处光强。

试验水稻植株处理方法：选择重量一致的水稻幼苗(鲜重误差控制在 0～2 g)，去离子水清洗后吹干，放入放置培养液的 (氮浓度，N=90 mg/L，NH4NO3-N) PVC 桶。水稻植株放入装置的操作参照徐胜光的方法[13]。通过上述方法，水稻根界面 CO2交换产生、经由液气界面扩散释放的CO2，被分隔集聚在外室空气中；水稻叶际 (地上部) 界面排放的CO2被分隔集聚在内室空气。

气样 CO2检测：试验装置内、外室均用三通阀控制输、抽气管，气流流量用流量计控制。试验前需要在 8:00-9:30、12:30-14:00、17:00-18:30时分别进行 1.5 h 的 400 L/h 高流量气流快速置换试验装置内、外室空气操作。置换空气后，在 9:30-12:30、14:00-17:00、18:30-21:30时分别封箱 3 h。

图1 自行设计的CO2测试试验装置Fig.1 Self-designed integrated CO2monitoring box

封箱时用注射器采集气样(40 mL)，测定内、外室初始空气 CO2浓度，之后每隔 1 h采样测定 1 次。在 22:00-8:00时，用气泵使内外室空气保持流通 (流量控制 40 L/h)。不同处理水稻植物装箱后，试验连续实施 6 d[13]。采用 Agilent Technologies 公司生产的 7890A GC system 气相色谱仪及邹建文等的方法[14]，分析气体样品中CO2浓度。

试验于 2015 年 6 月 20 日育苗，7 月 10 日移栽至PVC桶，每盆装 6.0 L营养液，种 3 株苗。在 2015年8月24-29日、9月23-29日和11月10-16日，进行分蘖期、开花结实期、成熟衰老期水稻根、叶界面CO2交换测试。上述时期对应的植株生育期分别为 64、93 和 136 d，对应的水稻植株平均鲜重分别为 140、346 和 290 g。

1.3 水稻根、叶界面CO2交换速率的计算及统计方法

CO2排放速率参考邹建文等的方法[14]，按公式(1)计算：

(1)

式中:F表示以盆为单位的根、叶界面CO2交换速率(μg/pot·h)；ρ是标准状态下气体密度 (CO2, 1.96 kg/m3)；V为内、外室有效体积 (m3)；dc/dt为封箱单位时间 (1 h) 内采样箱内气体浓度的变化(μl/L)；T为采样箱气温 (℃)。

试验装置内、外室所采CO2气样检测数据所计算的结果，分别表示水稻叶际界面及根际界面的CO2交换速率。正数表示排放，负数表示吸收。所得结果用SPSS 19.0进行统计分析，Sigmaplot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同光控处理对分蘖期水稻根、叶界面CO2交换的影响

由表1可见，分蘖期弱黄、绿光处理的日均水稻叶际 CO2交换速率分别达 22.16、26.40 μg/pot·h(上午、下午、晚上平均)，分别相当于白、红、蓝光处理的 1.5、2.0、3.82倍和 1.8、2.4、4.6倍，具有促进水稻叶际 CO2排放的极显著作用(P<0.01)。同步试验表明，白天时段自然光处理水稻叶际CO2交换速率为 -13.58 μg/pot·h(上午和下午平均)，说明日间净吸收 CO2，但晚上时段该处理水稻叶际亦净排放 CO2。从实验结果看，LED 弱光控的水稻叶际 CO2净排放速率表现为早、晚弱、暗光时段较高而下午光照较强时段较低，显示光照不足是 LED 弱光处理白天水稻叶际净排放 CO2的主要原因。在夜间暗处理时段，水稻主要通过暗呼吸释放 CO2，不同处理水稻叶际均有净排放 CO2作用。

同步试验表明，与自然光对照比，不同 LED 弱光处理根际 CO2净排放速率普遍较低，明显有抑制根部 CO2排放作用，尤其是红、蓝光处理(表1)。但总体而言，不同 LED 弱光处理的水稻叶际 CO2排放贡献平均达 66.85 %，自然光处理夜间水稻叶际 CO2的排放速率仍远高于根际 CO2的排放速率(表1)，说明不同光控处理条件下，夜间水稻叶际 CO2排放亦是分蘖期水稻根、叶界面 CO2排放的主要来源。

表1 不同光控处理的分蘖期水稻叶际及根际界面 CO2 的交换速率

注：同一列数据后不同大小写字母分别表示不同光控处理间差异达显著(P<0.05 )和极显著水平(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 不同光控处理的开花结实期水稻叶际及根际界面 CO2 的交换速率

2.2 不同光控处理对开花结实期水稻根、叶界面CO2交换的影响

由表2可见，在开花结实期，光照对水稻根、叶界面 CO2交换作用总体有与分蘖期规律相似，但黄光促进水稻叶际CO2挥发效应更为显著(P<0.01)。这一时期，LED弱光5个处理平均水稻叶际CO2净排放速率29.18 μg/pot·h，其对 CO2排放贡献平均达76.89 %，超过分蘖期10个百分点，显示弱光控试验条件下开花结实期水稻叶面 CO2排放较分蘖期明显增强。这一时期 LED 白、红、蓝光仍有较低的水稻叶际 CO2净排放速率(P<0.01)，明显有抑制叶际界面 CO2排放的作用效果。但同期白天自然光处理水稻叶际仍净吸收CO2(平均交换速率-10.84 μg/pot·h)，显示日间强光对光合作用的促进，仍能有效促进了水稻叶际对CO2的净吸收(P<0.01)，说明光照不足仍是同期LED弱光试验日间水稻叶际净排放CO2的主要原因。

2.3 不同光控处理对成熟衰老期水稻根、叶界面CO2交换的影响

成熟衰老期间(表3)，LED弱光5个处理平均水稻叶际 CO2净排放速率35.3 μg/pot·h，水稻叶际CO2排放贡献继续上升(平均86.55 %)，显示弱控试验条件下中后期水稻叶际CO2排放明显增强。这一时期，黄光处理平均水稻叶际 CO2净排放速率66.69 μg/pot·h，仍有增强水稻叶际CO2排放的极显著效应(P<0.01)。比较黄光，同一时期 LED白、蓝、红光亦程度不同地抑制了水稻根、叶界面 CO2排放，尤其是蓝光(P<0.05)。此外，这一时期自然光处理的白天水稻叶际平均CO2净排放速率27.36 μg/pot·h，且日间下午光照较强时段水稻叶际CO2排放更高。这一结果显然与自然光照下分蘖、开花结实期日间水稻叶际净吸收 CO2的结果明显不同。显然，成熟衰老期间，水稻光合固定 CO2作用急剧下降，呼吸代谢相对增强，白天水稻叶际界面 CO2转而净排放CO2，下午过强光照反而有加剧呼吸效应，促进水稻叶际CO2排放的作用。

3 讨 论

3.1 不同生育期水稻叶际CO2交换及其贡献

试验采用自主设计气态化合物挥发试验装置，最大优点在于通过内、外室严密分隔作用，在基本不伤害水稻植株条件下，可同步精确定量测定水稻叶际及根际界面CO2的交换速率。结果表明，在相同氮源(NH4NO3-N，90 mg /L)、自然光处理条件下，分蘖期、开花结实期白天水稻叶际CO2交换速率分别为-13.58和-10.84 μg/pot·h，具有净吸收空气CO2(P<0.01)作用，且日间水稻根际界面CO2排放速率明显低于水稻叶际界面CO2净吸收速率。这说明自然强光下中前期水稻白天植株净吸收空气CO2，是CO2重要的汇。但同期夜间水稻同步从根、叶界面净释放CO2，分蘖期、开花结实期夜间水稻叶际CO2净释放速率分别26.46、28.75 μg/pot·h，明显高于同步试验的水稻根际界面CO2排放速率。显然，即使在水稻快速生长的中前期，夜间水稻植株亦是 CO2重要排放源，夜间水稻叶际CO2排放显然是中前期水稻根、叶界面CO2排放的主要来源。

在水稻成熟衰老期，试验表明无论是白天还是晚上，自然光处理下水稻均同步从根、叶界面净挥发CO2，且自然强光处理下水稻根、叶界面有更高的 CO2排放速率，平均水稻叶际CO2排放速率27.82 μg/pot·h (上午、下午、晚上平均)，占水稻根、叶界面CO2总排放的76.64 %。显然，成熟衰老期间水稻叶际光合固定CO2作用急剧下降，呼吸释放CO2的作用则相对增强，水稻植株作为中前期 CO2重要的汇，逐步转化为成熟衰老期 CO2重要源。其中，水稻叶际是成熟衰老期水稻根、叶界面 CO2的主要排放源。

表3 不同光控处理的成熟衰老期水稻叶际及根际界面 CO2 的交换速率

3.2 光照对不同生育期水稻根、叶界面CO2交换的影响

前人研究表明，抽穗期遮光会带来水稻干物质积累、叶面积指数和光合速率下降，最终导致水稻产量和收获指数下降[15-16]。就光质对植株生长的影响而言，LED 红、蓝光可明显促进植物的生长发育，提高光能利用率、光合速率和品质[17]，增加单位面积生物量[18]，但不同光质对水稻根、叶界面CO2交换作用还少见报道。从本研究结果看，即使是水稻生育中前期，光照不足则水稻植株也会从CO2的汇转化为 CO2的源，这显然是遮光试验导致水稻植株农艺性状、生理、生化指标降低的重要原因。同时，试验用发光二极管(LED)光源首先实现了光谱可控[17-19]，可获得单一波长光质，解决了光质不纯的问题，增加了试验结果的可靠性。结果表明，不同光质处理间水稻根、叶界面叶际CO2交换作用明显不同(P<0.01)。弱光控试验条件下，不同生育期黄、绿光兼有增强水稻根、叶界面CO2排放效应，红、蓝光同步抑制了水稻根、叶际界面CO2的挥发。显然，LED红、蓝光对水稻根、叶界面CO2排放的抑制作用，与其对光合固定CO2促进效应有关。

本研究结果也表明，日间光强不仅可以降低日间水稻叶面CO2排放，也影响夜间水稻叶面CO2排放，即自然光处理的夜间水稻叶际CO2排放速率会显著下降(P<0.05)，这表明适度提高日间光强不仅可有效促进中前期日间水稻叶际CO2的净吸收，同时也能抑制夜间水稻叶面CO2排放。因此，综合来看，调整可见光组成，通过适度增加红光、蓝光比例和光强的技术措施，应是稻田生态系统低碳光控技术开发的关键。

4 结 论

试验同步测定显示，在自然光照下，水稻叶际是中前期日间CO2重要的汇，同时也是成熟衰老期日间CO2重要的源，夜间水稻叶际CO2排放是中前期水稻植株CO2排放的主要来源；弱光控条件下，不同生育期水稻同步从根、叶界面净排放CO2，但主要以叶际CO2排放为主；水稻不同生育期，LED 黄、绿光有增强水稻叶际CO2排放的明显作用，较强红、蓝光能有效地抑制水稻叶际CO2的挥发。