紫外輻射對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

張彥雪，保德元，于良君，王 燦，何永美*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 學(xué)報編輯部，云南 昆明 650201)

臭氧層空洞加劇導(dǎo)致地表紫外(UV-B)輻射增強是當(dāng)今重大的全球氣候變化問題之一。有研究表明，UV-B輻射對稻田生態(tài)系統(tǒng)影響顯著[1]。目前關(guān)于UV-B輻射對水稻生長期稻田甲烷(CH4)的排放有較多的研究，結(jié)果主要集中為UV-B輻射處理的CH4排放通量顯著增加[2-3]。秸稈發(fā)酵的產(chǎn)物主要成分是CH4，稻田CH4排放量占全球CH4排放總量的5.3%～19%[4]，水稻秸稈在自然條件下發(fā)酵釋放的氣體占其中很大比例。UV-B輻射增強下，水稻秸稈還田顯著增加水稻生長期的CH4排放[5]。秸稈施用對冬小麥田土壤CO2排放具有促進(jìn)作用，而UV-B輻射增強下，秸稈施用僅增加了返青期的CO2排放。UV-B輻射對水稻秸稈也有顯著的影響，主要表現(xiàn)為UV-B輻射對水稻秸稈降解有明顯促進(jìn)作用，UV-B輻射導(dǎo)致葉片的木質(zhì)素、纖維素、類黃酮和酚類化合物等含量增加，可溶性碳水化合物減少，間接影響植物殘體在土壤中的分解[6-9]。UV-B輻射增強使植物體內(nèi)黃酮、木質(zhì)素等次生代謝物的含量增加[10]。UV-B輻射增強處理后的植物中有機(jī)酸及黃酮類成分含量在一定時間內(nèi)均有增加[11]，木質(zhì)素含量增加會明顯抑制秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣[12]，同時秸稈部位不同，發(fā)酵產(chǎn)氣效果也不相同。辣椒秸稈葉部位產(chǎn)沼氣潛力最大，其次是莖，最后是根[13]。玉米秸稈莖皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量大于全株玉米，且大于葉片[14]。水稻秸稈經(jīng)輻射后通過酶解可以提高纖維素轉(zhuǎn)化率[15]。秸稈化學(xué)成分改變，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量也會發(fā)生變化。元陽梯田地處云南高原，當(dāng)?shù)豒V-B 輻射較強，水稻種植歷史較長，一直堅持不施用化肥，通常都采用水稻秸稈還田，研究UV-B輻射對水稻秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響對于了解當(dāng)?shù)販厥覛怏w產(chǎn)生情況具有十分重要作用。為此，筆者等采用經(jīng)過增強UV-B輻射和自然光照射生長的水稻秸稈，在水稻成熟后收集，分析秸稈化學(xué)成分，同時進(jìn)行厭氧發(fā)酵，觀察不同部位的產(chǎn)CH4能力，以期為進(jìn)一步完善UV-B輻射對農(nóng)田系統(tǒng)溫室氣體排放影響的理論提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗地位于云南省元陽縣新街鎮(zhèn)箐口村梯田(23°7′N，102°44′E)，當(dāng)?shù)豒V-B輻射背景值為10 kJ/(m2·d)[16]。試驗水稻品種為白腳老粳，是元陽梯田地方水稻品種。水稻生長至成熟期對其進(jìn)行不同UV-B輻射背景處理，以成熟期水稻秸稈作為試驗對象，進(jìn)行化學(xué)成分含量及產(chǎn)沼氣量測定。

1.2 試驗設(shè)計

以水稻大田生長期間不同UV-B輻射水平為處理因子，設(shè)置2個處理。處理1(CK)，自然光照[UV-B輻射背景值為10 kJ/(m2·d)]條件下的水稻秸稈；處理2，增強UV-B輻射處理，在自然光照射基礎(chǔ)上增加5.0 kJ/(m2·d)UV-B輻射處理。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)長3.9 m、寬2.25 m，小區(qū)周邊的6行和4列水稻設(shè)為保護(hù)行。

1.3 試驗過程

2017年3月18日播種育苗，5月9日移栽到試驗小區(qū)，9月30日收集水稻秸稈。水稻移栽后在增強UV-B輻射小區(qū)正上方均勻懸掛10支40W的UV-B燈管，模擬UV-B輻射增強。用紫外輻射測定儀測定波長為297 nm時的輻射強度來確定紫外輻照水平，試驗過程中根據(jù)水稻植株的高度調(diào)節(jié)燈管高度以控制輻照度。從水稻秧苗移栽返青后至成熟期，每天10：00—17：00進(jìn)行增強輻照(陰雨天除外)。水稻成熟后采集秸稈，用清水洗凈晾干，將其按莖、葉和整株秸稈置于烘箱中55℃烘干備用。對經(jīng)不同UV-B輻射處理的秸稈進(jìn)行化學(xué)成分測定及產(chǎn)沼氣量的測定。

1.4 測定指標(biāo)

1.4.1 秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣量 采用排水法收集不同處理水稻秸稈產(chǎn)生的沼氣[17]，產(chǎn)生的沼氣將等體積的水置換出，根據(jù)流出水溶液體積測定產(chǎn)生的沼氣體積[18]。將不同UV-B輻射處理的經(jīng)烘干的水稻秸稈按莖、葉和整株秸稈剪短至3～5 cm，每處理各取10 g，分別加入120 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的 NaOH 溶液進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理7 d，置于25℃恒溫水浴鍋中，并在瓶口覆膜，以減少水分蒸發(fā)，3次重復(fù)。預(yù)處理結(jié)束后，每個樣品中加入稻田土壤污泥150 mL，并加水至400 mL，調(diào)節(jié)pH至7，置于室溫中進(jìn)行發(fā)酵，試驗啟動后，每天9:30記錄所收集的氣體量，即日產(chǎn)沼氣量(mL/d)，用于評價試驗過程中產(chǎn)沼氣量變化趨勢。通過每日產(chǎn)沼氣量之和獲得累積產(chǎn)沼氣量(mL)。產(chǎn)沼氣量記錄至發(fā)酵試驗進(jìn)行的第100天。

單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量(mL/g)=累積產(chǎn)沼氣量/樣品質(zhì)量。

1.4.2 秸稈化學(xué)成分含量

1)類黃酮。整株秸稈鮮樣剪碎后，取0.1 g樣品放入試管，用10 mL酸化甲醇(甲醇∶水∶鹽酸=79∶20∶1)提取反應(yīng)30 min，再用紫外分光光度計于波長305 nm處進(jìn)行比色[19]。

2)總酚。整株秸稈鮮樣剪碎后，取0.1 g樣品放入試管中，加入10 mL酸化甲醇(甲醇∶水∶鹽酸=7∶1∶2)提取反應(yīng)24 h，用紫外分光光度計于波長300 nm處測吸光值[20]。

3)可溶性糖。取水稻鮮樣葉片0.1 g加水沸水浴后過濾至容量瓶內(nèi)，繼續(xù)煮沸殘渣后過濾，用水洗滌殘渣及試管，過濾并定容。取待測溶液加入蒸餾水及蒽酮-乙酸乙酯試劑、濃硫酸，震蕩搖勻后沸水水浴，用可見光分光光度計于630 nm處比色[21]。

4)淀粉。整株秸稈鮮樣剪碎后，取0.1 g樣品于試管中，加入乙醇溶液80℃水浴，去掉濾液，用乙醇洗滌濾渣，將濾渣轉(zhuǎn)移加蒸餾水沸水浴，再加入高氯酸，蒸餾水定容，混勻，過濾，過濾于容量瓶中，用蒸餾水洗滌殘渣并過濾。取提取液加二硝基水楊酸于試管中沸水加熱，之后于540 nm波長下測定其吸光值[21]。

5)木質(zhì)素。整株秸稈鮮樣剪碎后，取0.1 g樣品加入冰醋酸研磨，離心，棄去上清液，將沉淀用冰醋酸、丙酮浸泡，放入沸水浴中，待其蒸干后繼續(xù)加入H2SO4、蒸餾水，冷卻后加蒸餾水、BaCl2，離心，沉淀用蒸餾水洗滌，向沉淀中加K2Cr2O7-H2SO4溶液，攪勻后沸水浴，冷卻后將其導(dǎo)入燒杯中，向燒杯中加入KI溶液和幾滴淀粉溶液，用Na2S2O3滴定到藍(lán)綠色，記下滴定所用體積[22]。

6)纖維素。將整株秸稈風(fēng)干后剪碎，稱取0.1 g 樣品加H2SO4，在冷的條件下消化0.5 h，加H2SO4稀釋，搖勻，過濾。吸取濾液放入試管中冰浴，加蒸餾水稀釋，搖勻。吸取上清液加蒽酮試劑、濃 H2SO4，搖動，當(dāng)管內(nèi)出現(xiàn)蒽酮絮狀物時，劇烈搖動，放入沸水浴中加熱，取出冷卻，測出樣品在620 nm波長下的吸光值[21]。

1.5 相關(guān)性分析

采用Excel 2007分析軟件對水稻秸稈化學(xué)成分與發(fā)酵后累積產(chǎn)沼氣量進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射處理水稻秸稈發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣量動態(tài)變化

從圖1看出不同處理水稻秸稈不同部位的日產(chǎn)沼氣量變化趨勢。

2.1.1 葉片 自然光照處理葉片發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣量顯著高于UV-B輻射增強處理。發(fā)酵第5～23天UV-B輻射增強處理葉片趨近于不產(chǎn)氣，第24天后日產(chǎn)沼氣量有所上升，但仍然很少。自然光照下生長的水稻葉片日產(chǎn)沼氣量一直明顯高于UV-B輻射增強處理，在發(fā)酵第13天時自然光照射下生長的水稻葉片的日產(chǎn)沼氣量達(dá)最高值，為14.7 mL/d。

2.1.2 莖稈 增強UV-B輻射下生長的水稻莖稈和自然光照處理的變化趨勢基本相似，均在發(fā)酵第11～45 天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，然后在第45～70天進(jìn)入產(chǎn)氣低谷。產(chǎn)沼氣量最高峰均出現(xiàn)在發(fā)酵后第24天，自然光照下生長的水稻莖稈最高日產(chǎn)沼氣量是UV-B輻射增強處理的1.34倍。

2.1.3 秸稈 UV-B輻射增強處理的水稻秸稈在發(fā)酵的前10天產(chǎn)沼氣量較低，發(fā)酵第11～45天產(chǎn)氣逐漸增加，第24天出現(xiàn)最高峰。自然光照下生長的水稻秸稈在發(fā)酵第79天出現(xiàn)日產(chǎn)沼氣量最高峰，其最高日產(chǎn)沼氣量是UV-B輻射增強處理的最高日產(chǎn)沼氣量的2.5倍。

圖1 不同處理水稻秸稈不同部位發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣量變化Fig.1 Dynamic change of daily gas production of rice straw of different treatment

2.2 UV-B輻射處理水稻秸稈發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣量及單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量的變化

2.2.1 單位物質(zhì)產(chǎn)氣量 從表1看出，UV-B輻射增強處理的水稻葉片發(fā)酵后單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量較自然光照處理下降42%，莖稈單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量下降3.5%，整株秸稈下降8.5%。UV-B輻射增強處理的莖稈及整株秸稈的單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量與自然光照處理之間無顯著差異，而UV-B輻射增強處理的水稻葉片單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量顯著低于自然光照處理。

相同處理條件下，水稻秸稈不同部位之間單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量差異明顯。其中，莖稈單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量明顯高于整株秸稈及葉片。

表1 不同處理水稻秸稈不同部位發(fā)酵的單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量Table 1 Per unit gas production with different parts of rice straw of different treatment mL/g

注：表中大寫字母為縱向差異性比較，小寫字母為橫向差異性比較，同類比較中，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
Note:Different capital letters in the same column indicate difference at 0.05 significant level,different lowercase letters in the same row indicate difference at 0.05 significant level.

2.2.2 累積產(chǎn)沼氣量 從圖2看出，UV-B輻射增強處理的水稻秸稈各部位累積產(chǎn)沼氣量相較于自然光照處理顯著降低，UV-B輻射增強處理秸稈累積產(chǎn)沼氣量僅為自然光照處理的46%，莖稈累積產(chǎn)沼氣量是自然光照的52%，葉片累積產(chǎn)沼氣量是自然光照的29%。

相同處理條件下，水稻秸稈不同部位之間累積產(chǎn)沼氣量差異明顯。UV-B輻射增強處理的水稻秸稈不同部位之間存在極顯著差異，其中，水稻秸稈累積產(chǎn)沼氣量顯著高于莖稈和葉片。自然光照射下生長的水稻秸稈的累積產(chǎn)沼氣量顯著高于葉片和莖稈，而莖稈和葉片的累積產(chǎn)沼氣量之間無顯著差異。

2.3 UV-B輻射對水稻秸稈化學(xué)成分的影響

從表2看出，UV-B輻射增強處理顯著提高水稻秸稈中木質(zhì)素、總酚和類黃酮的含量。與對照相比，UV-B輻射增強處理的木質(zhì)素含量升高12.2百分點，總酚含量升高11.3%，類黃酮含量增幅最大，升高34%。UV-B輻射增強處理的水稻秸稈其可溶性糖、淀粉、纖維素含量較自然光照射生長的略有增加，但差異不顯著。

注：圖中不同大寫字母表示同一種物質(zhì)不同處理之間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。
Note:Different capital letters in the figure indicate that the difference between the different treatments of the same substance is extremely significant(P<0.01).

圖2 不同處理水稻秸稈不同部位的發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量
Fig.2 Fermentation cumulative gas production with different parts of rice straw of different treatment

表2 不同UV-B輻射處理水稻秸稈的化學(xué)成分含量Table 2 Chemical composition of rice straw of different treatment

注：*表示與對照比較差異顯著(P<0.05).
Note:* indicates significant difference atP<0.05 level in comparison with CK.

2.4 UV-B輻射處理水稻秸稈發(fā)酵的累積產(chǎn)沼氣量與秸稈化學(xué)成分含量的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，水稻秸稈發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量與木質(zhì)素、類黃酮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.972和-0.997；與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.695。與淀粉、總酚和纖維素含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.81、-0.894、-0.148，相關(guān)性不顯著。由于UV-B輻射增強處理后，水稻秸稈的木質(zhì)素、類黃酮、淀粉、總酚和纖維素含量較自然光照射的有不同程度的增加，說明UV-B輻射增強處理阻礙水稻秸稈的發(fā)酵，導(dǎo)致其累積產(chǎn)氣量顯著減少。

3 結(jié)論與討論

研究表明，UV-B輻射增強[自然光照射基礎(chǔ)上增加5.0 kJ/(m2·d)的UV-B輻射]下生長的水稻秸稈中木質(zhì)素、總酚和類黃酮的含量較自然光照下生長的顯著升高。UV-B輻射增強處理下生長的水稻秸稈各部位發(fā)酵產(chǎn)沼氣量顯著低于自然光照下生長的。由于水稻秸稈木質(zhì)素、可溶性糖、類黃酮含量與秸稈發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量呈負(fù)相關(guān)，因此UV-B輻射增強后水稻秸稈木質(zhì)素含量增加，阻礙水稻秸稈的發(fā)酵，導(dǎo)致其累積產(chǎn)沼氣量顯著減少。表明UV-B輻射可抑制秸稈發(fā)酵，減少溫室氣體的排放。

發(fā)酵原料的生物學(xué)結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)組成不同其發(fā)酵特性不同，因此導(dǎo)致植物不同部位的累積產(chǎn)沼氣量及單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量存在差異。本研究中，UV-B輻射增強處理的水稻整株秸稈的厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量低于莖稈、葉片發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量的總和，說明莖稈和葉片聯(lián)合發(fā)酵時受到抑制。前人研究表明，蘆葦葉片的分解速度顯著大于莖稈[23]，互花米草不同部位厭氧發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量以葉片最多，整株其次，莖最少[24]。就碳氮比而言，碳氮比過高將致使發(fā)酵前期產(chǎn)酸過多而酸化，碳氮比過低會使原料降解不徹底，一般而言，沼氣發(fā)酵啟動時的C∶N=30∶1為宜。秸稈富含碳元素，碳氮比過高[25]。水稻秸稈的C∶N=67∶1，遠(yuǎn)大于適宜的碳氮比。將莖、葉分開，降低其碳氮比，故而提高單位物質(zhì)產(chǎn)沼氣量。UV-B輻射增強處理與自然光照相比，整株秸稈和莖的單位物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣量無顯著差異，而2種處理間葉的差異較大，這是由于植物葉片對環(huán)境變化十分敏感，UV-B輻射增強處理后水稻葉片對外界環(huán)境變化的快速直接響應(yīng)[26]。UV-B 輻射增強會導(dǎo)致作物葉面積減小并使葉面發(fā)生卷曲[27]，葉片增厚，蠟質(zhì)層增厚會阻礙葉片發(fā)酵[28]。因而UV-B輻射增強對葉部位發(fā)酵影響較大。

葉片和莖稈在預(yù)處理條件不同的情況下厭氧發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量的變化趨勢相似，在發(fā)酵初期出現(xiàn)1個產(chǎn)氣高峰，隨后進(jìn)入產(chǎn)氣低谷。其原因是在反應(yīng)早期，莖、葉部位中有機(jī)物作為原料被厭氧菌群迅速利用而不斷減少。秸稈中的主要有機(jī)組成是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蠟質(zhì)等，特別是秸稈表面的蠟質(zhì)層，不易被微生物破壞。木質(zhì)素緊緊包裹著纖維素，嚴(yán)重阻礙纖維素與外界接觸，因此，打破木質(zhì)素包裹可以有效提高秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量[29]。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈木質(zhì)素含量與秸稈發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量呈極顯著負(fù)相關(guān)。隨著秸稈的發(fā)酵進(jìn)程推進(jìn)，纖維素等逐漸被降解，厭氧發(fā)酵反應(yīng)越明顯，很快出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，而木質(zhì)素難于降解，因此產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)后產(chǎn)氣低谷隨之而來[30-31]。本研究表明，UV-B輻射增強處理下生長的水稻植株秸稈纖維素含量和木質(zhì)素含量增加，這與裴惠娟等[32-34]的研究結(jié)果相同。可溶性糖、類黃酮含量與秸稈發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量呈負(fù)相關(guān)，與李領(lǐng)川等[35-36]的可溶性糖含量增加秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣量增加的研究結(jié)論相悖，其原因可能為本研究中木質(zhì)素對秸稈發(fā)酵的抑制作用強烈，可溶性糖對秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣的作用被影響。