作物茎秆和叶片排放N2O和CH4的研究

摘要  以东北主要作物大豆、玉米和高粱为研究对象，首次同步考察了新鲜离体植物茎秆和叶片的N2O和CH4排放。结果表明：3种植物茎秆均能排放N2O，玉米茎秆排放量最大，为13.587 μL/L；3种植物叶片的N2O排放较少，但42 h时大豆叶片的N2O排放出现高峰，浓度达33.913 μL/L。3种植物茎秆的CH4排放表现出最初有排放之后吸收，3 h时玉米、大豆和高粱的CH4浓度分别为2.113、2.341和2.355 μL/L；植物叶片CH4排放不明显，呈波浪起伏的变化规律。从N2O和CH4排放通量看，大豆叶片N2O通量最高，达210.970 ng/（g·h）；玉米叶片CH4通量为0.148 ng/（g·h），其他茎叶均为吸收CH4。研究结果不仅为植物叶片本身既能排放N2O又能排放CH4在植物中可能具有普遍性提供了试验依据，而且找出了植物排放N2O和CH4的新的排放部位——茎秆。

关键词  N2O；CH4；玉米；大豆；高粱；茎秆；叶片

中图分类号  X173  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）04-0011-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.002

开放科学（资源服务）标识码（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

基金項目  国家自然科学基金项目（40875088）。

作者简介  李君宇（1994—），女，辽宁沈阳人，讲师，硕士，从事生物源温室气体研究。

收稿日期  2022-12-16

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的变化。普遍认为，全球变暖的主要原因是工业革命以来，特别是近50年来，人类活动加强引起温室气体大量排放造成的。N2O是一种与全球环境问题密切相关的大气微量成分，作为一种重要的温室效应气体，其单分子的增温潜势是CO2的290多倍［1］。N2O不仅具有温室效应，而且还能与平流层的O3分子发生光化学反应而使平流层的O3层受到破坏。大气N2O的浓度以年均0.25%的速度增加［2］。全球N2O的源汇估算仍有很大的不确定性，全球N2O源汇之间不平衡，汇大于源［3］。因此，可能有一些重要的源汇未被发现。CH4是一种重要的大气微量成分，也是一种长寿命的温室气体。CH4是一种化学活性物质，它的增加会引起大气化学过程的变化，并对大气中其他的化学成分造成影响。传统认为，N2O和CH4的生物源主要是微生物产生的，然而，近年的一些研究证明植物也能排放这2种气体［4-11］，并且认为植物叶片是气体的主要部位［12］。已有的关于植物N2O和CH4排放的研究多是分开进行的，即使有少量的同时研究的报道，也多是用整株植物作为试验材料［11］，而对于植物不同部位排放的N2O和CH4的研究还鲜有报道。该研究选取东北地区种植面积较大的3种作物大豆、玉米和高粱作为研究对象，对3种植物的茎秆和叶片N2O和CH4的排放进行初步研究，以期了解植物不同部位在排放N2O、CH4方面的作用，为全球N2O、CH4排放清单的建立提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

该试验在中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳生态站（41°31′N，123°22′E）进行，该站位于沈阳市苏家屯区十里河镇。处于下辽河平原中部偏东，属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温为7.0～8.0 ℃ ，≥10 ℃活动积温为3 300～3 400 ℃·d，年总辐射量为5 392.2～5 643.0 MJ/cm2 ，无霜期147～164 d，年降水量在650～700 mm，土壤类型为棕壤。

1.2  供试材料和试验设计

供试材料为大豆（铁丰29）、玉米（富友1号）、高粱（沈杂5号）。氮肥（尿素）、磷肥（过磷酸钙）、钾肥（氯化钾）以1∶0.5∶0.5比例施入，玉米、高粱施氮量为150 kg/hm2，大豆施氮量为60 kg/hm2，在生长期内不追肥。其他管理同常规生产田。

1.3  样品处理及气体采集

果实成熟之后，田间取回完整的植株，去掉根，分成茎秆和叶片两组，将茎秆切成长约10 cm的段，称重，将茎秆和叶片分别放入5 950 mL的大广口瓶中，盖上胶塞，用人造空气（含有N2 78%、O2 21%、CO2 0.04%）置换瓶中气体，使瓶内气体全部为人造空气，取零时气体后每隔3 h测样品中N2O和CH4浓度变化。每个处理3次重复。室内温度保持在28 ℃，光强为4 500 lx，将取气后的样品在105 ℃杀青10 min，后在80 ℃下烘干48 h至恒重。

1.4  N2O和CH4气体分析

气体样品用Aglient4890D测定，N2O用ECD测定，CH4用FID检测器测定，柱温55 ℃，FID进样口50 ℃，检测器200 ℃；ECD进样口330 ℃，检测器330 ℃。载气为高纯氮气。

1.5  通量的计算  根据以下公式计算N2O或CH4的排放通量［7］：

F=△m/M×△t=ρ×V×△C/M×△t

式中：F为植物茎叶排放N2O或CH4的速率［ng/（g·h）］；ρ是N2O或CH4的密度（g/L）；V为瓶内气体的有效空间体积（mL）；△t是瓶封闭的时间（h）；△C是△t时间内瓶内气体混合比浓度变化（μL/L）；M为植物茎叶的干重（g）。

1.6  数据处理  应用Excel和SPSS 13.0对试验数据进行分析和处理。

2  结果与分析

2.1  不同植物茎秆和叶片排放N2O的浓度变化  从3种植物茎秆排放N2O的试验结果（表1）可以看出，在观测的42 h内，3种植物茎秆的N2O浓度排放总体呈上升趋势，尤其是玉米茎秆的N2O排放浓度增加较快，12 h的N2O浓度比0 h时增加近3倍，达1.033 μL/L，玉米茎秆比同时间的其他2种植物高1倍左右。12 h后，3种植物的N2O浓度增加更为迅速，29 h时，玉米、大豆、高粱3种植物茎秆的N2O排放浓度分别为8.535、2.985、2.042 μL/L;42 h时，3种植物茎秆的N2O浓度达到最高，分别为13.587、6.335、3.102 μL/L，比0 h时分别增加了45倍、20倍和10倍。这一结果表明茎秆中N2O的排放不仅是茎秆储存N2O的释放，植物本身也应该产生并释放了N2O；并随时间的增长而显著增加，当然这与植物种类有关。

由表2可见，玉米、大豆、高粱3种植物叶片在24 h以内排放N2O浓度相差不大，但在24 h之后，随时间的递增，大豆叶片排放的N2O浓度增加迅速，29 h时的N2O浓度是0 h时的16倍，42 h时是0 h时的114倍，分别是相同时段的其他2种植物的90倍（高粱）和115倍（玉米）。

2.2  不同植物茎秆和叶片排放CH4的浓度变化  在监测的42 h内，玉米、大豆、高粱3种植物茎秆和叶片排放CH4的结果见表3和表4。由表3可知，不同植物茎秆排放CH4的浓度变化在0～3 h均有所增加，3～6 h呈下降趋势，9～15 h略微波动，15 h后均呈下降状态。

由表4可知，3种植物叶片排放CH4浓度除了3～6 h略下降，6～9 h又上升，其余时间这3种植物叶片对CH4排放无明显规律。

2.3  3种植物不同部位N2O、CH4排放通量比较

从表5可以看出，3种植物不同部位的N2O排放通量表现为大豆叶片>玉米茎秆>大豆茎秆>高粱茎秆>高粱叶片>玉米叶片。其中，大豆植物的茎秆和叶片均能排放N2O，但叶片的N2O排放显著高于茎秆的排放，说明大豆叶片是其N2O排放的主要部位，这一结果与以往的研究结果一致［13］。而玉米的N2O排放则相反，其茎秆排放N2O通量高于叶片；证明植物排放N2O通量不仅与植物种类有关，而且与植物部位有关。因此，在制作植物N2O排放清单时应考虑这一问题。从CH4的通量情况可以看出，玉米叶片表现为排放CH4，排放量较低，为0.148 ng/（g·h），而大豆叶和高粱叶以及3种植物的茎秆则表现为吸收CH4，这一结果证明植物排放N2O较普遍，而排放CH4则具有种的特性［11］，并且与植物部位有关。

3  讨论

以往研究证明植物叶片是N2O排放的主要部位［13］，而该研究结果發现3种植物茎秆的N2O排放高于叶片，表明茎秆可能是某些植物的N2O排放的主要部位。这一研究结果不仅为N2O排放源研究提供了新思路，也为深入N2O机理研究找到了适宜的植物种类和研究部位（大豆叶片和玉米茎秆）。关于植物排放N2O的机理有2种解释，一种是植物只起传输作用，将土壤中溶解的N2O通过蒸腾作用经由气孔释放到大气中；另一种是植物自身排放。3种植物茎秆和叶片的N2O排放随时间的递增呈上升趋势，尤其是茎秆，在封闭12 h后N2O浓度持续增加，在42 h时，比0 h时增加至少10倍以上。说明植物排放N2O不仅是传输作用，植物本身也应该参与了此过程。植物自身N2O排放不仅与植物种类有关，而且受光强影响［5，12-13］。该试验是在光强为4 500 lx条件下进行的，在光强不变的情况下，3种植物不同部位排放N2O的结果不同，说明植物的N2O排放与植物种类和部位有关。

關于植物排放CH4的机理目前主要有3种解释，即传输作用、植物自身排放和微生物产生而排放。有研究表明，许多水生植物将微生物在厌氧条件下产生的CH4通过根部和茎秆传输到大气，即传输作用［10］；McLeod等［8］提出植物好氧CH4排放的紫外线辐射机理，生理胁迫导致ROS增加，破坏植物细胞壁而产生CH4；高温、物理损伤及缺氧等也影响植物好氧甲烷排放［14］；Wang等［15］研究表明在暖温带高地森林的心材中产生的CH4通过边材和山杨的树皮排放到大气。该试验中所用的3种植物均为旱地生长的植物，其传输土壤微生物产生的CH4的可能性不大，并且经过洗净后在空气中晾干一段时间，又经过长达42 h的观测，证明植物确实产生并排放了CH4，但是究竟是植物自身产生的还是由植物体内微生物产生的还需要利用稳定同位素技术进行区分并做进一步的研究。

52卷4期                    李君宇  作物茎秆和叶片排放N2O和CH4的研究

4  结论

该研究在实验室条件下，对大豆、玉米和高粱3种植物茎秆和叶片的N2O和CH4排放进行研究，结果表明：

（1）3种植物的茎秆和叶片均能排放N2O，但排放通量不同，从高到低依次为大豆叶片>玉米茎秆>大豆茎秆>高粱茎秆>高粱叶片>玉米叶片。

（2）3种植物N2O排放的主要部位不同。大豆N2O排放的主要部位是叶片，而玉米和高粱的N2O排放主要部位则是茎秆。

（3）3种植物N2O排放随时间的变化规律不同。观测期间，3种植物茎秆的N2O排放，在9 h时开始增加，到42 h，一直呈排放状态；其中，玉米茎秆的N2O排放最高，其次是大豆茎秆，高粱茎秆最低。3种植物叶片的N2O排放在观测期间呈持续缓慢增加状态，直到29 h时，大豆叶片N2O排放迅速增加，42 h时达最高。

（4）3种植物茎秆和叶片没有观察到持续的CH4排放，但在观测的前3 h内均有CH4排放，结果表明3种植物茎秆和叶片均能在短期内排放CH4。

（5）从3种植物茎秆和叶片排放N2O和CH4的研究结果表明3种植物茎秆和叶片既能排放N2O又能排放CH4，但这一现象是否在植物中具有普遍性还需对其他植物种类研究确定。由该研究结果可见，3种植物的茎秆和叶片的N2O和CH4的排放量不同，说明植物N2O和CH4的排放与植物种类和部位有关。

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