紫外輻射對水稻秸稈厭氧發酵產沼氣的影響

張彥雪，保德元，于良君，王 燦，何永美*

(1.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 學報編輯部，云南 昆明 650201)

臭氧層空洞加劇導致地表紫外(UV-B)輻射增強是當今重大的全球氣候變化問題之一。有研究表明，UV-B輻射對稻田生態系統影響顯著[1]。目前關于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]。秸稈發酵的產物主要成分是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，主要表現為UV-B輻射對水稻秸稈降解有明顯促進作用，UV-B輻射導致葉片的木質素、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黃酮、木質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酸及黃酮類成分含量在一定時間內均有增加[11]，木質素含量增加會明顯抑制秸稈發酵產氣[12]，同時秸稈部位不同，發酵產氣效果也不相同。辣椒秸稈葉部位產沼氣潛力最大，其次是莖，最后是根[13]。玉米秸稈莖皮厭氧發酵產氣量大于全株玉米，且大于葉片[14]。水稻秸稈經輻射后通過酶解可以提高纖維素轉化率[15]。秸稈化學成分改變，厭氧發酵產氣量也會發生變化。元陽梯田地處云南高原，當地UV-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輻射對水稻秸稈發酵產沼氣的影響對于了解當地溫室氣體產生情況具有十分重要作用。為此，筆者等采用經過增強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，分析秸稈化學成分，同時進行厭氧發酵，觀察不同部位的產CH4能力，以期為進一步完善UV-B輻射對農田系統溫室氣體排放影響的理論提供科學依據。

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箐口村梯田(23°7′N，102°44′E)，當地UV-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，進行化學成分含量及產沼氣量測定。

1.2 試驗設計

以水稻大田生長期間不同UV-B輻射水平為處理因子，設置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，在自然光照射基礎上增加5.0 kJ/(m2·d)UV-B輻射處理。每個處理3次重復，小區長3.9 m、寬2.25 m，小區周邊的6行和4列水稻設為保護行。

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，9月30日收集水稻秸稈。水稻移栽后在增強UV-B輻射小區正上方均勻懸掛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，試驗過程中根據水稻植株的高度調節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。對經不同UV-B輻射處理的秸稈進行化學成分測定及產沼氣量的測定。

1.4 測定指標

1.4.1 秸稈發酵產沼氣量 采用排水法收集不同處理水稻秸稈產生的沼氣[17]，產生的沼氣將等體積的水置換出，根據流出水溶液體積測定產生的沼氣體積[18]。將不同UV-B輻射處理的經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質量分數為2.0%的 NaOH 溶液進行預處理。預處理7 d，置于25℃恒溫水浴鍋中，并在瓶口覆膜，以減少水分蒸發，3次重復。預處理結束后，每個樣品中加入稻田土壤污泥150 mL，并加水至400 mL，調節pH至7，置于室溫中進行發酵，試驗啟動后，每天9:30記錄所收集的氣體量，即日產沼氣量(mL/d)，用于評價試驗過程中產沼氣量變化趨勢。通過每日產沼氣量之和獲得累積產沼氣量(mL)。產沼氣量記錄至發酵試驗進行的第100天。

單位物質產沼氣量(mL/g)=累積產沼氣量/樣品質量。

1.4.2 秸稈化學成分含量

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30 min，再用紫外分光光度計于波長305 nm處進行比色[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，繼續煮沸殘渣后過濾，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滴定到藍綠色，記下滴定所用體積[22]。

6)纖維素。將整株秸稈風干后剪碎，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，當管內出現蒽酮絮狀物時，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 相關性分析

采用Excel 2007分析軟件對水稻秸稈化學成分與發酵后累積產沼氣量進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 UV-B輻射處理水稻秸稈發酵的日產沼氣量動態變化

從圖1看出不同處理水稻秸稈不同部位的日產沼氣量變化趨勢。

2.1.1 葉片 自然光照處理葉片發酵的日產沼氣量顯著高于UV-B輻射增強處理。發酵第5～23天UV-B輻射增強處理葉片趨近于不產氣，第24天后日產沼氣量有所上升，但仍然很少。自然光照下生長的水稻葉片日產沼氣量一直明顯高于UV-B輻射增強處理，在發酵第13天時自然光照射下生長的水稻葉片的日產沼氣量達最高值，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，均在發酵第11～45 天出現產氣高峰，然后在第45～70天進入產氣低谷。產沼氣量最高峰均出現在發酵后第24天，自然光照下生長的水稻莖稈最高日產沼氣量是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酵的前10天產沼氣量較低，發酵第11～45天產氣逐漸增加，第24天出現最高峰。自然光照下生長的水稻秸稈在發酵第79天出現日產沼氣量最高峰，其最高日產沼氣量是UV-B輻射增強處理的最高日產沼氣量的2.5倍。

圖1 不同處理水稻秸稈不同部位發酵的日產沼氣量變化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酵的累積產沼氣量及單位物質產沼氣量的變化

2.2.1 單位物質產氣量 從表1看出，UV-B輻射增強處理的水稻葉片發酵后單位物質產沼氣量較自然光照處理下降42%，莖稈單位物質產沼氣量下降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產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產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產沼氣量差異明顯。其中，莖稈單位物質產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酵的單位物質產沼氣量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沼氣量僅為自然光照處理的46%，莖稈累積產沼氣量是自然光照的52%，葉片累積產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沼氣量顯著高于葉片和莖稈，而莖稈和葉片的累積產沼氣量之間無顯著差異。

2.3 UV-B輻射對水稻秸稈化學成分的影響

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不同處理之間差異達極顯著水平(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酵累積產沼氣量
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酵的累積產沼氣量與秸稈化學成分含量的相關性

相關性分析表明，水稻秸稈發酵累積產沼氣量與木質素、類黃酮含量呈極顯著負相關(P<0.01)，相關系數分別為-0.972和-0.997；與可溶性糖含量呈顯著負相關(P<0.05)，相關系數為-0.695。與淀粉、總酚和纖維素含量的相關系數分別為-0.81、-0.894、-0.148，相關性不顯著。由于UV-B輻射增強處理后，水稻秸稈的木質素、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酵，導致其累積產氣量顯著減少。

3 結論與討論

研究表明，UV-B輻射增強[自然光照射基礎上增加5.0 kJ/(m2·d)的UV-B輻射]下生長的水稻秸稈中木質素、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酵產沼氣量顯著低于自然光照下生長的。由于水稻秸稈木質素、可溶性糖、類黃酮含量與秸稈發酵累積產沼氣量呈負相關，因此UV-B輻射增強后水稻秸稈木質素含量增加，阻礙水稻秸稈的發酵，導致其累積產沼氣量顯著減少。表明UV-B輻射可抑制秸稈發酵，減少溫室氣體的排放。

發酵原料的生物學結構及營養組成不同其發酵特性不同，因此導致植物不同部位的累積產沼氣量及單位物質產沼氣量存在差異。本研究中，UV-B輻射增強處理的水稻整株秸稈的厭氧發酵累積產沼氣量低于莖稈、葉片發酵累積產沼氣量的總和，說明莖稈和葉片聯合發酵時受到抑制。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酵日產沼氣量以葉片最多，整株其次，莖最少[24]。就碳氮比而言，碳氮比過高將致使發酵前期產酸過多而酸化，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，故而提高單位物質產沼氣量。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發酵產沼氣量無顯著差異，而2種處理間葉的差異較大，這是由于植物葉片對環境變化十分敏感，UV-B輻射增強處理后水稻葉片對外界環境變化的快速直接響應[26]。UV-B 輻射增強會導致作物葉面積減小并使葉面發生卷曲[27]，葉片增厚，蠟質層增厚會阻礙葉片發酵[28]。因而UV-B輻射增強對葉部位發酵影響較大。

葉片和莖稈在預處理條件不同的情況下厭氧發酵日產沼氣量的變化趨勢相似，在發酵初期出現1個產氣高峰，隨后進入產氣低谷。其原因是在反應早期，莖、葉部位中有機物作為原料被厭氧菌群迅速利用而不斷減少。秸稈中的主要有機組成是纖維素、半纖維素、木質素、蠟質等，特別是秸稈表面的蠟質層，不易被微生物破壞。木質素緊緊包裹著纖維素，嚴重阻礙纖維素與外界接觸，因此，打破木質素包裹可以有效提高秸稈厭氧發酵產沼氣量[29]。相關性分析發現，水稻秸稈木質素含量與秸稈發酵累積產沼氣量呈極顯著負相關。隨著秸稈的發酵進程推進，纖維素等逐漸被降解，厭氧發酵反應越明顯，很快出現產氣高峰，而木質素難于降解，因此產氣高峰出現后產氣低谷隨之而來[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素含量增加，這與裴惠娟等[32-34]的研究結果相同。可溶性糖、類黃酮含量與秸稈發酵累積產沼氣量呈負相關，與李領川等[35-36]的可溶性糖含量增加秸稈發酵產氣量增加的研究結論相悖，其原因可能為本研究中木質素對秸稈發酵的抑制作用強烈，可溶性糖對秸稈發酵產氣的作用被影響。