不同UV-B輻射增幅對稻田土壤酶活性、活性有機碳含量及溫室氣體排放的影響

陳思，王燦，李想，李明銳，湛方棟，李元，祖艷群，何永美

云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650201

紫外線（ultraviolet，UV）依據波長，分為3類：UV-A（315—400 nm）、UV-B（280—315 nm）和UV-C（100—280 nm），其中UV-B輻射危害最大（Sato et al.，1996）。氧分子通過相互作用形成臭氧集聚于平流層，能吸收全部UV-C和部分UV-B。由于氟氯碳化物（CFCs）等人造化學物質的大量使用，導致到達地表的生物有效UV-B輻射強度增加。自1989年《蒙特利爾議定書》簽訂實施以來，大氣中的氟氯烴含量下降，2013—2016年南極平流層中無機氯年平均遞減率約為0.8%（Strahan et al.，2018），從1998年起，南極臭氧層在逐漸恢復，但低緯度地區平流層臭氧總量在持續下降（Ball et al.，2018），所以到達地表的UV-B輻射水平仍不斷增強。

全球稻田CH4排放量占全球農田總溫室氣體排放量的48%（Kimberly et al.，2017），中國作為世界最大的稻米生產國，稻田CH4排放量占全世界總排放量的 29.2%，對全球溫室效應的貢獻率約為20%（Kirschke et al.，2013；Chen et al.，2021）。稻田是重要的農田生態系統，也是全球碳循環中重要的碳庫。稻田CH4的排放與土壤碳轉化酶活性、活性有機碳含量密切相關。稻田土壤碳轉化酶對土壤活性有機碳的含量有重要影響，推動土壤含碳物質的轉化，且土壤碳轉化酶活性和碳排放量反映土壤活性有機碳的有效性（Burns et al.，2013）。稻田土壤活性有機碳主要來源于凋落物、腐殖質的降解產物和根系分泌物等，其含量會隨著水稻生育期和耕作方式的不同以及外界環境變化等因素發生變化（吳家梅等，2017）。而且土壤微生物群落隨水稻還田秸稈的分解大量繁殖，使土壤蔗糖酶、多酚氧化酶和纖維素分解酶活性升高（Li et al.，2020），既減少碳的流失，也促進土壤有機碳的轉化，顯著提高土壤中活性有機碳的含量，為CH4的產生提供了豐富的底物，促進稻田CH4、CO2等溫室氣體的排放（Henning et al.，2021）。

UV-B輻射增強對陸地生態系統有顯著影響，在凋落物分解和土壤物質循環過程中起著重要的調控作用（Erickson et al.，2015）。UV-B輻射增強影響植株根系生長和根系分泌物的產生，根際環境發生改變（Mahmood et al.，2013），導致土壤微生物數量增加，進而影響微生物群落的結構和功能（何永美等，2016），同時UV-B輻射增強引起光化學反應，促進植物殘渣在在光化學降解作用下釋放出大量溶解性有機物并影響微生物活動（K?gel-Knabner et al.，2010），使土壤多酚氧化酶、蔗糖酶和纖維素酶活性升高，增加土壤微生物量碳和易氧化有機碳的含量，最終導致稻田 CH4、CO2和N2O排放量增加（Lou et al.，2016；Li et al.，2020），增加稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛勢（肇思迪等，2017），但也有減少稻田CH4排放的報道（Lou et al.，2012；王燦等，2018）。然而，在不同UV-B輻射增幅下，對處于水稻生長期稻田土壤碳轉化酶活性、活性有機碳含量以及溫室氣體排放影響的研究不夠系統，有待進一步加強。

元陽梯田位于云南省紅河州元陽縣，特殊的地理結構和氣候條件，形成全年淹水型水稻種植農田系統，常年淹水狀態使稻田長期處于厭氧環境，有利于溫室氣體產生（Hou et al.，2013）。元陽梯田位于中國西南的云南高原，UV-B輻射較強，且UV-B輻射增強顯著影響元陽梯田水稻生長期稻田土壤碳轉化酶活性和活性有機碳含量，使稻田 CH4排放通量增加（徐渭渭等，2015；Li et al.，2020）。因此，本試驗以元陽梯田為研究地點，人工模擬 UV-B輻射增強，在不同UV-B輻射增幅條件下（0、2.5、5.0、7.5 kJ·m?2），測定水稻生長期稻田土壤碳轉化酶活性、活性有機碳含量以及CH4、CO2和N2O排放通量，探究自然光照與UV-B輻射增幅處理間的差異，分析不同 UV-B輻射增幅對水稻生長期稻田土壤碳轉化酶活性、活性有機碳含量以及溫室氣體排放的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗地介紹

元陽梯田隨山勢地形開墾，在平緩的坡面上形成梯田3000多級，面積近1.33×104 hm2，是哈尼族人經過1500多年開墾得到的自然-人工復合生態系統。該地處于亞熱帶季風氣候，年均降水量1400 mm，年平均溫度在16 ℃左右，全年日照時間長達1670 h。試驗地位于元陽縣元陽梯田的核心區新街鎮箐口村，其平均海拔 1600 m，坡度 26°，坡向NE25°，該地 UV-B 輻射背景值 10 kJ·m?2·d?1（He et al.，2016）。土壤pH值5.32，有機質質量分數26.8 g·kg?1，全氮 1.76 g·kg?1，全磷 0.45 g·kg?1，全鉀 16.20 g·kg?1，堿解氮 78.44 mg·kg?1，速效鉀 16.52 mg·kg?1，速效磷 15.26 mg·kg?1。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗材料選擇元陽當地水稻品種白腳老粳，2017年3月播種育苗，5月將秧苗移栽至試驗區內，共布置12個小區，每一個小區面積2.25 m×3.9 m，每一個試驗區移植14行、16列水稻叢。在水稻生長期間進行稻田常規管理，不使用任何農藥和化肥，栽培期間始終保持淹水狀態，全年水深一般維持在10 cm左右。

設置 0、2.5、5.0、7.5 kJ·m?2UV-B輻射遞增處理，自然光為對照處理，相當于0%、10%、20%、30%的臭氧衰減量，每個處理3個重復。從水稻秧苗移栽稻田成活后至水稻收獲，每天10:00—17:00共照射7 h（陰雨天除外）。試驗小區中間每行水稻上方懸掛1支40 W UV-B燈管（北京，UV308，光譜為280—320 nm），共懸掛10支，燈管高度距水稻頂端60、40、20 cm，分別為UV-B輻射增強2.5、5.0、7.5 kJ·m?2，自然光照處理僅懸掛燈架，隨水稻生長改變燈管距水稻頂端的高度調節輻照強度。

1.3 樣品采集及測定方法

在水稻分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、成熟期采集水稻周圍土壤，使用土樣采集器用“S”布點法采集稻田表層0—20 cm的土壤，每小區采集1 kg新鮮土樣，多余土壤按照四分法去掉，裝于密封袋中做好標記，土樣放入低溫儲存箱并迅速帶回試驗室分析（趙炳梓等，2011；耿玉清等，2012）。

土壤纖維素酶活性：稱取過0.25 mm篩風干土樣，加甲苯、醋酸鹽緩沖液和羧甲基纖維素溶液，37 ℃培養72 h，過濾定容后加50 mL蔥酮試劑后進行比色（關松蔭，1986）。

土壤β-葡萄糖苷酶活性：稱取過0.25 mm篩風干土樣，加甲苯、MUB（pH 6.0）和葡葡糖苷溶液，37 ℃培養1 h后加CaCl2和THAM，于400 nm處比色（關松蔭，1986）。

土壤多酚氧化酶活性：稱取過0.25 mm篩風干土樣，加鄰苯三酚溶液，30 ℃培養2 h后加檸檬酸-磷酸緩沖液和35 mL乙醚萃取后比色（關松蔭，1986）。

土壤蔗糖酶活性：稱取過0.25 mm篩風干土樣，加蔗糖、磷酸緩沖液和甲苯，37 ℃培養24 h后過濾，濾液加3, 5-二硝基水楊酸，沸水浴加熱5 min，于508 nm處比色。每一土樣需做無基質對照（關松蔭，1986）。

溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）含量：稱取新鮮土樣，加硫酸鉀溶液浸提，濾液加重鉻酸鉀-硫酸混合液，鄰啡羅啉作指示劑，根據硫酸亞鐵標準液滴定量，計算得土壤 DOC含量（盛浩等，2015）。

易氧化有機碳（Labile organic carbon，LOC）含量：稱取新鮮土樣，加高錳酸鉀氧化，離心取上清液，用分光光度法于565 nm比色，根據高錳酸鉀的消耗量，計算LOC含量（Blair et al.，1995）。

微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）含量：稱取土樣氯仿熏蒸24 h，加硫酸鉀溶液浸提，加重鉻酸鉀-硫酸混合液，鄰啡羅啉作指示劑，根據硫酸亞鐵標準液滴定量，計算得土壤MBC含量。需設置空白對照（李振高等，2008）。

氣體排放通量的測定：參照婁運生等（2012）氣體采集方法，使用靜態箱收集。采集氣體時間確定在09:00—11:00之間，進行氣體收集時先將采氣箱置于水稻上，利用稻田自身的淹水層進行密封以保證采集箱的密封性，蓋上采氣箱蓋子后立即向500 mL的真空鋁箔氣體袋中泵入采氣箱中的氣體，采氣時間在采氣箱罩在水稻上方的 0、10、20、30 min，每10分鐘進行一次采樣。

使用Agilent 7890B氣相色譜儀來測量CH4和CO2的排放通量。檢測器FID參數為：加熱器溫度為 210 ℃，H2流量為 40 mL·min?1，空氣流量為 400 mL·min?1，實驗柱的溫度設置 50 ℃；色譜柱流量設置為 2.500 mL·min?1。

計算公式：

式中：

F為氣體排放通量；

h為采樣箱高度；

T為箱內溫度；

ρ為標準狀況下氣體的密度；

dC/dtt=0為單位時間內氣體濃度線性變化率。

全球增溫潛能（global warming potential，GWP）是用來評價各種溫室氣體對氣候變化影響相對能力的一個參數。以百年時間單位計，將CO2氣體的GWP值設置為1，CH4和N2O氣體的GWP分別是CO2的 25 倍和 298 倍（Kou et al.，2015；Chen et al.，2021）。因此，將總溫室氣體排放量（g·m?2）的變暖潛能轉換為 CO2當量，稻田 CH4、N2O和 CO2排放的全球增溫潛能計算方法為：

1.4 數據處理

采用Excel軟件進行數據處理，SPSS 21.0進行差異性和相關性分析，OriginPro 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同 UV-B輻射增幅對水稻生長期稻田土壤碳轉化酶活性的影響

4種有機碳轉化酶活性隨生育期的變化而發生變化，但不同酶之間存在顯著差異（見圖1）。與自然光相比，2.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致孕穗期和抽穗期纖維素酶活性顯著升高；5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致分蘗期、拔節期、孕穗期纖維素酶活性顯著升高，升高幅度為 15.4%—37.7%；7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理使分蘗期、抽穗期和成熟期纖維素酶活性顯著降低，降幅為21.7%—24.2%；且該處理下成熟期纖維素酶活性顯著低于其他時期。

圖1 不同UV-B輻射增幅對稻田土壤碳轉化酶活性的影響Fig. 1 Effects of different UV-B radiation levels on the activity of soil carbon invertase in the rice paddy

UV-B輻射增幅增加導致分蘗期、拔節期和抽穗期 β-葡萄糖苷酶活性顯著降低，且與自然光相比，5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致β-葡萄糖苷酶活性顯著降低，降幅為 10.7%—23.3%；7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致拔節期、抽穗期β-葡萄糖苷酶活性顯著降低28.7%、44.5%，且該處理下抽穗期β-葡萄糖苷酶活性顯著低于其他時期。

總體來看，土壤多酚氧化酶活性隨UV-B輻射增幅逐漸增加而降低，且與自然光相比，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致水稻生長期多酚氧化酶活性顯著降低，最大降幅為 29.4%；自然光和 2.5 kJ·m?2UV-B輻射處理下，分蘗期和拔節期土壤多酚氧化酶活性顯著高于其他3個時期。

隨UV-B輻射增幅增加，水稻生長后期（孕穗期、抽穗期、成熟期）土壤蔗糖酶活性顯著降低，且7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理下抑制作用最顯著。5.0、7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致孕穗期土壤蔗糖酶活性顯著低于其他生長期。由雙因素分析可知，水稻生長期和UV-B輻射對土壤4種有機碳轉化酶活性均有顯著影響，且存在交互作用。

2.2 不同 UV-B輻射增幅對水稻生長期稻田土壤活性有機碳含量的影響

由圖2可知，不同UV-B輻射增幅稻田土壤活性有機碳含量隨著生長期的不同呈現出不同的變化趨勢。與自然光相比，5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致分蘗期、抽穗期和成熟期土壤 DOC含量顯著增加，增幅范圍為17.5%—47.9%。自然光、2.5和7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理下，成熟期土壤DOC含量顯著低于其他時期。

圖2 不同UV-B輻射增幅對稻田土壤活性有機碳含量的影響Fig. 2 Effects of different UV-B radiation levels on the content of active organic carbon in the rice paddy

隨UV-B輻射增幅增加，水稻拔節期、孕穗期和抽穗期土壤LOC含量顯著減少，但UV-B輻射增幅處理間無顯著差異；與自然光相比，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致成熟期土壤LOC含量顯著減少21.1%。自然光和2.5 kJ·m?2UV-B輻射處理下，孕穗期土壤LOC含量顯著高于其他生長期。

當UV-B輻射增幅增加，稻田土壤MBC含量顯著減少。與自然光相比，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理下水稻分蘗期、拔節期、孕穗期和成熟期土壤MBC含量顯著減少，分別減少 18.2%、24.5%、22.6%、35.9%；自然光條件下，孕穗期和成熟期土壤MBC含量顯著高于其他時期；分蘗期土壤MBC含量顯著低于其他時期。雙因素分析發現，水稻生長期和UV-B輻射對土壤DOC、MBC含量均有顯著影響，但沒有交互作用。

2.3 不同 UV-B輻射增幅對水稻生長期稻田溫室氣排放通量的影響

由圖3可知，水稻分蘗期、拔節期、孕穗期和抽穗期，5.0、7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致CH4排放通量顯著減少，最大降幅為30.6%；自然光和3個UV-B輻射增幅處理，抽穗期CH4排放通量顯著高于其他時期。綜合水稻整個生育期，CH4排放通量的變化趨勢基本一致，其排放通量隨UV-B輻射增幅增加而降低。

圖3 不同UV-B輻射增幅對稻田溫室氣排放通量的影響Fig. 3 Effects of different UV-B radiation levels on the greenhouse gas emission fluxes in the rice paddy

分蘗期，7.5 kJ·m?2UV-B 輻射處理導致 CO2排放通量顯著減少，而UV-B輻射增幅處理間無顯著差異；與自然光照相比，5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致水稻拔節期、孕穗期和抽穗期CO2排放通量顯著增加，分別增加 25.0%、17.7%、30.7%。5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理下，抽穗期CO2排放通量顯著高于其他時期。

與自然光相比，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致拔節期、孕穗期和成熟期N2O排放通量顯著減少，5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理使拔節期和成熟期 N2O排放通量顯著增加。2.5、5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致孕穗期 N2O排放通量顯著高于其他時期，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致拔節期N2O排放通量顯著低于其他時期。雙因素分析表明，水稻生長期和UV-B輻射對稻田CH4、CO2、N2O排放通量均存在極顯著影響，且存在交互作用。

2.4 不同 UV-B輻射增幅對稻田溫室氣體增溫潛能的影響

不同UV-B輻射增幅對水稻生長期稻田土壤3種溫室氣體GWP的影響如圖4所示。與自然光相比，7.5 kJ·m?2UV-B輻射處理導致水稻生長期稻田GWP顯著降低，降幅范圍為 10.3%—16.2%。5.0 kJ·m?2UV-B輻射處理導致孕穗期稻田GWP顯著高于其他時期。雙因素分析表明，水稻生長期和UV-B輻射對稻田GWP均有顯著影響，但沒有交互作用。

圖4 不同UV-B輻射增幅對稻田3種溫室氣體增溫潛能的影響Fig. 4 Effects of different UV-B radiation levels on the global warming potential of three greenhouse gases in the rice paddy

2.5 相關性分析

由相關性分析可得（表1），經UV-B輻射增強處理，多酚氧化酶與 MBC和 LOC呈顯著正相關（P<0.05），與DOC呈顯著負相關（P<0.05）。

表1 水稻生育期稻田土壤碳轉化酶活性與活性有機碳含量的相關性Table 1 Correlation coefficients between carbon invertase activities and active organic carbon contents in the rice paddy

由表 2可知，MBC與 CH4呈極顯著正相關（P<0.01），LOC與 MBC呈顯著正相關，DOC與CH4呈顯著負相關（P<0.05）。

表2 水稻生育期土壤活性有機碳含量與碳排放通量的相關性Table 2 Correlation coefficients between soil active organic carbon contents with carbon gas emissions in the rice paddy

3 討論

3.1 UV-B輻射增強對土壤碳轉化酶、活性有機碳轉化的影響與機理

土壤酶是土壤功能和生物活性的重要指標，在土壤有機質的形成與降解、養分循環和外源生物的分解過程中起著重要作用（李增強，2018）。其中，土壤蔗糖酶催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖（Gu et al.，2009），纖維素酶和 β-葡萄糖苷酶能夠將難溶的纖維素類物質分解為易溶于水的糖類物質（Wickings et al.，2012），多酚氧化酶主要參與土壤中木質素等復雜物質的氧化降解（Sinsabaugh，2010），這些碳轉化酶有助于促進土壤含碳物質轉化，促進活性有機碳的生成。

土壤有機碳庫可作為土壤管理短期變化的敏感指標，土壤MBC、DOC和LOC是土壤有機碳庫中的重要組成部分（Song et al.，2012）。土壤MBC代表了土壤中活性微生物生物量的大小，很大程度上取決于底物碳的供應（Burns et al.，2013），DOC和 LOC是由土壤微生物驅動下的植物殘渣和有機物分解以及根系分泌產生的，它們都與土壤有機碳的積累和降解過程密切相關（Bernd et al.，2003；Wang et al.，2013；Yang et al.，2013）。而且，土壤碳轉化酶活性會隨著活性有機碳組分含量的變化而出現相同變化（李增強等，2018）。

本試驗發現隨UV-B輻射增強，土壤MBC和LOC含量減少，而且多酚氧化酶和蔗糖酶活性的變化與MBC和LOC含量變化基本一致。多酚氧化酶活性與MBC和LOC含量呈顯著正相關，與DOC含量呈顯著負相關，這與前人研究結果相一致（王燦等，2018）。同時試驗還發現 UV-B輻射增強使土壤DOC含量增加，因為UV-B輻射增強使水稻根際微生物數量和根系分泌物量增加，促進植物殘體、秸稈分解成有機質，并在轉化過程中釋放大量DOC（He et al.，2016；Li et al.，2020）。

臭氧衰減導致的地表 UV-B輻射增強，是影響稻田生態系統的重要環境因子之一（Wargent et al.，2013）。紫外線不能穿透5 mm以下的土壤，對微生物群落的影響是間接的，主要是通過直接影響植物生長和生理代謝，損傷水稻葉片，降低葉片光合能力，減少水稻植株生物量，使得水稻對有效態碳、氮的吸收減少，從而影響微生物群落（Bao et al.，2018；李想等，2018）。在水稻生長期，UV-B輻射增強會改變水稻根系分泌物的種類和分泌量，導致根際微生物的群落組成與數量發生變化（何永美等，2016），間接影響根際土壤碳轉化酶活性與活性有機碳含量。同時，有研究發現 UV-B輻射增強對植株根系分泌物及土壤微生物的影響并不都是促進或抑制，而且植物對 UV-B輻射的響應存在低促高抑的現象，這可能與輻射強度和環境因素等試驗條件差異有關（李元等，1999；Robson et al.，2004；Lou et al.，2016；何永美等，2016；Gao et al.，2019）。

3.2 UV-B輻射增強對稻田溫室氣體排放的影響與機理

土壤碳轉化酶活性、土壤碳庫中 DOC、LOC和 MBC均與CH4的排放密切相關（Zhan et al.，2011），而且產甲烷菌主要以LOC為底物產生CH4（吳家梅等，2013）。稻田土壤CH4主要通過水稻植株的通氣組織向大氣排放（Bhattacharyya et al.，2019），UV-B輻射增強可顯著降低大多數濕地植物的光合作用、葉片橫截面和通氣組織氣孔比例（Niemi et al.，2010；Robson et al.，2015；Wagh et al.，2019），是導致稻田 CH4排放量減少的一個原因。另外，本研究中CH4排放通量與MBC含量呈顯著正相關性，可能是隨著UV-B輻射增強根際微生物活性和根系分泌物量減少，導致土壤碳轉化酶活性與活性有機碳含量降低，從而減少稻田CH4的排放量（Lou et al.，2012；王燦等，2018）。但這方面的研究結果存在差異（Lou et al.，2016；胡正華等，2011；徐渭渭等，2015），這種差異與試驗地和所用水稻品種有關，對UV-B輻射敏感的作物種間和種內都存在很大的差異性（何永美等，2012）。

土壤呼吸強度與土壤微生物數量、種類和活性關系密切，微生物的理化作用以及土壤中有機質含量等因素都能影響CO2排放量（李海防等；2007；Hu et al.，2010）。UV-B輻射增強促進凋落物分解和土壤呼吸作用，增加CO2排放通量（柳淑蓉等，2012）。而且，氣孔控制著葉片與大氣之間 CO2和水汽的擴散、傳導，UV-B輻射增強會導致植物氣孔導度減小，增加氣孔對外界環境特別是空氣濕度的敏感性，減少植株對CO2的吸收，UV-B輻射增加促進凋落物分解礦化生成 CO2，最終導致稻田土壤 CO2排放量增加（鄭有飛等，2011；褚潤等，2017）。同時，稻田土壤N2O的產生主要取決于硝化細菌和反硝化細菌對無機氮、根殘留物和滲出液的硝化、反硝化作用（Kou et al.，2015），UV-B輻射通過影響土壤中有效 N、土壤微生物碳氮量、土壤微生物C/N，使土壤硝酸還原酶、蛋白酶活性升高，促進了NH4+-N向NO3?-N的轉化，從而促進了N2O的排放（蔣靜艷等，2006；肇思迪等，2017；張彥雪等，2020）。由于元陽梯田特殊的種植模式和氣候條件，長期的淹水厭氧狀態以及降雨量的增減都會影響水稻溫室氣體的排放量。溫室氣體排放對土壤碳氮庫和GWP值具有重要影響（肇思迪等，2017），UV-B輻射增強抑制了稻田土壤碳轉化過程，使3種溫室氣體的排放量減少，進而導致稻田3種溫室氣體GWP值降低。

4 結論

隨著UV-B輻射增幅增加，水稻生長期稻田土壤β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性降低，導致稻田土壤MBC、LOC含量減少，抑制稻田土壤CH4排放，但促進了CO2、N2O排放；從CH4、CO2和N2O綜合增溫潛能看，高強度UV-B輻射能降低3種溫室氣體GWP。