文章信息
- 许丽卫, 刘杰云, 汤宏, 耿梅梅, 张丽萍, 袁红朝, 王久荣, 李勇
- XU Liwei, LIU Jieyun, TANG Hong, GENG Meimei, ZHANG Liping, YUAN Hongzhao, WANG Jiurong, LI Yong
- 稻田温室气体减排措施对稻米氨基酸含量的影响
- The effect of rice field greenhouse gas emission reduction practice on the contents of amino acids in rice grains
- 生态学报, 2014, 34(16): 4561-4571
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(16): 4561-4571
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201212221844
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文章历史
- 收稿日期:2012-12-22
水稻作为我国最重要的粮食作物之一,其总产量约占粮食总产量的40%和我国人民口粮的65%,可提供20%左右的能量和40%左右的蛋白质[1]。稻米中氨基酸的含量是衡量其营养品质的一个重要指标,必需氨基酸含量及其配比的合理性决定了稻米营养价值的高低[2]。氨基酸是蛋白的生命控制中心,稻米中蛋白极易被消化且赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和甘氨酸含量较为丰富[3],缺少必需氨基酸会干扰氮素平衡、生长、营养、生命周期等[4]。此外,甘氨酸和谷氨酸在神经系统的冲动传递中发挥重要作用[5],组氨酸的缺少还会造成血红素的下降[6]。
农业已成为温室气体的第二大重要来源[7],因此创新低碳农业系统和推广农业减排技术,实现农业减排,是农业生产应对气候变化的重要趋势。优化农田养分管理(主要氮素管理)是发展低碳农业的关键,增产减排或至少是稳产减排是推广农业减排技术的基础[8, 9]。稻田温室气体减排措施主要有:湿润灌溉、间歇灌溉、排水与烤田相结合,筛选低渗透率和氮素高效利用水稻新品种,水旱轮作,稻田免耕(秸秆还田结合少耕、免耕)与轮作相结合、有机质(猪粪、生物质炭等)添加时期等。其中,低渗透率和氮素高效利用水稻新品种是最好的减排方式,是农业生产最可能的途径。灌溉管理中,较长期灌溉而言,湿润灌溉、间歇灌溉、排水与烤田相结合技术稻田 CH4排放确定性高、技术可行性较高、减排潜力较大且会带来产量小幅上升[9]。秸秆还田处理可使 CH4和 CO2的排放增加,但对温室气体的总排放量的研究结果并不一致[10],然而此技术可以提高秸秆的利用率,节能环保,同时提高作物产量[11]。猪粪施用,对温室气体排放有一定的抑制作用,且可实现废弃物的再利用[12]。生物质炭具有高度稳定性、巨大的比表面积,因其表面带有大量的负电荷而呈一定的碱性,已被认为是大气 CO2的重要储库,可以改善土壤理化性状,增加作物产量,且能够降低 CH4、N2O 和 CO2的排放[13, 14, 15, 16]。
探索并研制出既能提高稻米蛋白质含量与质量、又能改善稻米氨基酸组成,同时还能够实现与气候变化协同的农业生产措施,是水稻生产的目标。本实验拟研究稻田中不同的减排措施对稻米氨基酸含量的影响,从而为生产高产、优质、高效水稻栽培技术提供一定的参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料与试剂Agilent 1260 系列高效液相色谱仪:四元泵,G1311C;在线真空脱气机,自动进样器,G4226A (40 μL 定量环),样品位置为P1A1-P2F2,衍生试剂位置为1—10号瓶;DAD检测器,G4212A;分析柱:Agilent Zorbax AAA 4.6 mm×150 mm,粒子内直径(i. d.)3.5 μm;保护柱:Agilent Zorbax AAA 4.6 mm×20 mm,粒子内直径(i. d.),5 μm;Aglient B. 04. 03 化学工作站;滤膜(安捷伦公司,孔径0.22 μm);日立冷冻离心机;OPA 衍生剂、FMOC-CL试剂、硼酸缓冲液、25 pmol/μL,100 pmol/μL,250 pmol/μL,1000 pmol/μL的17种氨基酸混合标样均购于Agilent公司。17种氨基酸混合标样包括:天门冬氨酸(Aspartic Acid,Asp),苏氨酸(Threonine,Thr),丝氨酸(Serine,Ser),谷氨酸(Glutamic acid,Glu),甘氨酸(Glycine,Gly),脯氨酸(Proline,Pro),丙氨酸(Alanine,Ala),缬氨酸(Valine,Val),半胱氨酸(Cysteine,Cys),蛋氨酸(Methionine,Met),异亮氨酸(Isoleucine,Ile),亮氨酸(Leucine,Leu),酪氨酸(Tyrosine,Tyr),苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe),赖氨酸(Lysine,Lys),组氨酸(Histidine,His),精氨酸(Arginine,Arg);稻米源自湖南长沙金井2012年早稻试验田(4—7月中旬)不同处理稻田中成熟后的籽粒。
1.2 试验设计小区设计:小区尺寸5 m×7 m,田埂宽0.2 m,深0.5 m,水沟宽度0.2 m。田埂缺口为进水和排水口,共设置10个处理。处理2,3,4,5,6,9,10设空白区。稻田总尺寸60.3 m×30.2 m,周围设置保护行,左边保护行为10 m,右边保护行为1.0 m,上下保护行均为3.8 m。水流方向由左向右。
化肥、猪粪稻草和生物质炭(水稻秸秆炭)养分含量及含水量如下:化肥含尿素0.46%,过磷酸钙0.12%,氯化钾0.6%,硫酸锌1.00%;猪粪含水分4.26%,含氮量3.88%,P2O5 4.56%,K2O 2.55%;稻草含水分0.22%,总碳(TC)405.1 g/kg,总氮(TN)10.14 g/kg;生物质炭含水分0.34%,总碳418.33 g/kg,总氮13.4 g/kg,pH (H2O) 值9.84,NO-3-N 88.15 mg/kg,灰分20.8%。田间实验土壤中含有可溶性有机碳(SOC)25.0 g/kg,总氮3.2 g/kg,容量 1.20 g/cm3,pH (H2O) 值5.1,砂粒 51.9%,粉粒 30.9%,粘粒 17.2%。
10个处理分别为:处理1 (对照组),不施氮肥,无稻草还田,间歇灌溉;处理2,无稻草还田,间歇灌溉(NPK + IF);处理3,稻草还田半量3 t/hm2,间歇灌溉(NPK + LRS + IF);处理4,稻草全量还田6 t/hm2,间歇灌溉(NPK + HRS + IF);处理5,无稻草还田,长期淹水(NPK + CF);处理6,稻草还田量6 t/hm2,长期淹水(NPK + HRS + CF);处理7,化学氮肥减半,间歇灌溉(1/2 NPK + IF);处理8,50% 化学氮肥,配施相当于50% 供氮量的猪粪(M),间歇灌溉(1/2 NPK + M + IF);处理9,生物质炭24 t/hm2,间歇灌溉(NPK + LBC + IF);处理10,生物质炭48 t/hm2,间歇灌溉(NPK + HBC + IF)。每个处理,设3个重复。其中,设置稻草全量还田和半量还田两个梯度,确定稻草还田量分别为6 t/hm2和3 t/hm2。参考已有文献关于生物质炭添加量对土壤有效养分和腐殖质组成影响方面的研究[17],设置生物质炭添加量为土重的1% 和2% 两个梯度,分别为24 t/hm2和 48 t/hm2。
大田管理:栽培密度16.7 cm×20 cm,水稻品种为湘早籼45号,每穴2苗;施肥量:尿素120 kg N hm2,过磷酸钙40 kg P2O5hm2,氯化钾100 kg K2O hm2,硫酸锌5 kg ZnSO4·7H2O hm2。施肥次数:磷钾锌肥做基肥一次性施入,氮肥基追比为5 ∶ 5,追肥按分蘖中期,抽穗期分别为3 ∶ 2。灌溉方式:间歇灌溉(中期烤田,自有效分蘖临界叶龄期开始至叶龄期余数2.0期间,多次轻搁田,之后至成熟前1周保持浅水层)、长期淹水(3—5 cm水层)。
1.3 分析测试项目与方法土壤、稻草、生物质炭等养分项目参照《土壤理化分析》测定[18],稻米中氨基酸的测定采用采用反相高效液相色谱,以邻苯二甲醛(OPA)和9-芴基甲基氯甲酸酯(FMOC-CL)为衍生试剂进行柱前衍生结合紫外检测器测定稻米中16种氨基酸的含量。
1.3.1 供试品溶液的制备准确称取试样约0.15 g于25 mL安瓿瓶中,准确加入6 mol/L HCl 5 mL。用酒精喷灯将安瓿瓶封口后,置于110 ℃恒温干燥箱中消化24 h后,取出安瓿瓶冷却至室温。打开安瓿瓶,过滤消化液,最后吸取500 μL过滤液于1.5 mL离心管中,在65℃水浴上蒸干以除去HCl。滤液蒸干后,用1 mL双蒸水溶解样品,然后继续在65 ℃水浴上蒸干,该过程反复3次。最后用1 mL 0.02 mol/L的盐酸溶液溶解残留物,在15000 r/min离心15 min,取上清液过0.22 μm孔径的注射器滤膜,进样分析。
1.3.2 分析条件HPLC柱温40 ℃;流速1.0 mL/min;流动相A:称取1.36 g含有3个结晶水的乙酸钠,加入500 mL三蒸水,使其完全溶解,然后加入100 μL三乙胺,用1%—2%的醋酸调pH值=7.20±0.05,再加入2.5 mL四氢呋喃,混匀,过0.45 μm滤膜。流动相B液:称取1.36 g含有3个结晶水的乙酸钠,加100 mL的三蒸水,使其完全溶解,用1%—2%的醋酸调pH值=7.20±0.05,再加入200 mL甲醇和200 mL乙腈,混匀,过0.45 μm滤膜。进样量2 μL;DAD检测器信号A,检测波长338 nm,带宽4 nm;参比波长390 nm,带宽16 nm;信号B:检测波长 262 nm,带宽10 nm;参比波长324 nm,带宽20 nm;梯度洗脱程序:0—17 min,0.5 B%—40 B%;17—18.1 min,40 B%—100 B%;18.1—24 min,100 B%;24—25 min,100 A%;后运行时间为5 min。进样衍生程序为:首先从1号瓶中抽取5 μL硼酸缓冲液;接着从样品瓶中吸取2 μL样品;在清洗口混合5次;等待0.2 min;然后从2号瓶中吸取1 μL OPA试剂;在清洗口混合5次;再从3号瓶中吸取1 μL FMOC-CL溶液;在清洗口以200 μL/min 混合5次;进样。
1.3.3 工作曲线的绘制将混合标样进行HPLC 分析。以各氨基酸的色谱峰峰面积为纵坐标,氨基酸摩尔浓度为横坐标作图,得各氨基酸的工作曲线,其线性回归方程见表 1。16种氨基酸混合标准溶液和稻米样品中氨基酸的液相色谱图见图 1。可见,在选定的条件下,氨基酸混合标准品(25—1000 pmol/μL)和样品中的氨基酸(其中Pro在262 nm检出)得到了比较理想的分离。
氨基酸 Amino acids | 线性方程 Linear equation | R2 |
天冬氨酸 Asp | Y=0.4521×X+9.9937 | 0.997 |
谷氨酸 Glu | Y=0.4015×X+2.9269 | 0.999 |
丝氨酸 Ser | Y=0.5438×X+5.5465 | 0.998 |
组氨酸 His | Y=0.0984×X+0.0000 | 1.000 |
甘氨酸Gly | Y=0.5964×X+1.7281 | 0.999 |
苏氨酸Thr | Y=0.4001×X+9.7113 | 0.995 |
丙氨酸Ala | Y=0.5858×X+2.7260 | 0.999 |
精氨酸Arg | Y=0.5531×X+5.7784 | 0.998 |
酪氨酸Tyr | Y=0.5050×X+3.8466 | 0.998 |
缬氨酸Val | Y=0.5516×X+3.2996 | 0.999 |
蛋氨酸Met | Y=0.5696×X-0.6123 | 0.999 |
苯丙氨酸Phe | Y=0.5232×X+4.8007 | 0.998 |
异亮氨酸Ile | Y=0.5198×X+5.5334 | 0.998 |
亮氨酸Leu | Y=0.6097×X-1.1248 | 0.998 |
赖氨酸Lys | Y=0.5819×X+2.9884 | 0.999 |
脯氨酸Pro | Y=0.8345×X+4.5163 | 0.999 |
1.3.4 精密度试验
用氨基酸混合标准溶液做5 次平行试验,结果His 和Pro的偏差较大,RSD 分别为4.6%,6.6%,这可能与其衍生化反应程度或衍生物的稳定性有关。其他氨基酸RSD均< 1%。
1.3.5 回收率试验采用单点加入法将各氨基酸标准溶液定量加入样品溶液中,进行试验。结果各种氨基酸的回收率范围为95.1%—114.1%。
1.4 数据分析试验数据利用Excel 2010进行整理,SPSS 17.0软件进行显著性分析,多重比较采用Duncan氏法。P<0.05表示差异性显著。
2 结果与分析10个处理中16种氨基酸的含量见表 2。由表 2可见,10个处理中的稻米除半胱氨酸未加保护剂检测之外,必需氨基酸和非必需氨基酸种类齐全,其氨基酸总量(mg/100g)分别以6520.7和4338.0为最高和最低,即处理10(添加生物质炭48 t/hm2,间歇灌溉)和处理1(不施氮肥,无稻草还田,间歇灌溉)。必需氨基酸百分含量以36.8% 和33.1%,即处理1和处理5(无稻草还田,长期淹水)为最高和最低。从10个处理中稻米的氨基酸组成上来看,含量最高的氨基酸为Asp、Glu和Arg,含量最低的为Met,这与目前稻米中氮基酸含量分析结果基本一致。
处理 Treatments | ||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
同行字母不同表示差异显著,P<0.05 | ||||||||||
必需氨基酸 Essential amino acids/(mg/100g) | ||||||||||
苏氨酸 Thr | 177.7±15.8c | 219.8±4.3abc | 225.9±10.1abc | 215.3±7.8abc | 211.9±21.9abc | 207.2±13.8abc | 169.1±17.3c | 190.9±31.9bc | 237.6±11.8ab | 262.3±19.6a |
缬氨酸 Val | 289.0±11.2c | 340.4±3.2bc | 348.7±12.5abc | 345.9±12.9abc | 333.3±31.5bc | 368.3±24.7abc | 312.6±20.7bc | 381.2±56.4abc | 387.0±13.7ab | 436.4±41.5a |
赖氨酸 Lys | 395.3±18.5c | 474.9±9.0abc | 496.9±24.6abc | 488.9±15.4abc | 473.9±43.9abc | 522.1±40.0abc | 422.6±31.7bc | 506.3±86.0abc | 541.5±19.9ab | 588.4±50.9a |
苯丙氨酸 Phe | 249.5±17.1c | 302.5±7.7abc | 320.2±15.5abc | 313.2±12.0abc | 303.0±32.1abc | 325.7±26.9abc | 263.7±22.9bc | 322.3±60.1abc | 346.9±13.2ab | 383.1±36.5a |
亮氨酸 Leu | 195.9±14.1bc | 206.2±2.2b | 203.3±5.5b | 187.4±8.6bcd | 146.8±11.2d | 176.8±12.4bcd | 151.1±11.6cd | 154.4±14.2cd | 209.9±24.9b | 277.3±18.9a |
异亮氨酸 Ile | 204.8±9.8b | 242.5±3.4b | 250.2±9.9ab | 247.6±9.5ab | 238.6±24.5b | 262.0±19.0ab | 219.9±15.5b | 273.5±43.3ab | 275.7±10.4ab | 314.4±32.9a |
蛋氨酸 Met | 84.7±5.4b | 110.4±5.1ab | 99.7±5.0ab | 101.0±6.9ab | 93.0±9.7ab | 121.1±12.4ab | 95.1±10.8ab | 128.6±27.4a | 110.7±2.0ab | 112.6±6.0ab |
小计subtotal | 1596.8 | 1896.6 | 1945.0 | 1899.2 | 1800.5 | 1983.2 | 1634.1 | 1957.2 | 2109.2 | 2374.5 |
占氨基酸总量/% | 36.8 | 36.1 | 34.4 | 34.5 | 33.1 | 35.1 | 35.8 | 35.3 | 34.9 | 36.4 |
非必需氨基酸 Non-essential amino acids/(mg/100g) | ||||||||||
天冬氨酸 Asp | 489.9±37.8b | 597.4±12.1ab | 638.6±32.1ab | 603.1±21.9ab | 580.8±39.8ab | 632.9±43.0ab | 509.1±49.1b | 600.2±101.0ab | 691.4±17.9a | 734.6±61.0a |
谷氨酸 Glu | 610.4±9.4 | 616.8±22.2 | 834.9±72.3 | 809.8±167.0 | 884.0±190.8 | 656.3±54.8 | 521.5±49.7 | 702.7±189.1 | 758.7±53.8 | 723.9±65.1 |
组氨酸 His | 41.7±20.9e | 146.9±1.0cd | 179.9±4.6bcd | 186.4±8.8bcd | 204.4±26.0bcd | 218.1±9.1bc | 119.0±61.0de | 191.7±22.3bcd | 252.5±14.7ab | 300.0±34.4a |
丙氨酸 Ala | 121.9±61.1b | 212.5±3.3a | 222.3±11.9a | 217.1±8.1a | 213.6±22.2a | 238.7±18.7a | 190.4±16.1ab | 230.3±42.0a | 243.5±11.3a | 263.7±23.1a |
甘氨酸 Gly | 242.9±22.1b | 301.1±5.8ab | 315.9±12.5ab | 304.1±11.1ab | 301.1±26.6ab | 310.9±19.2ab | 258.0±26.8ab | 300.6±45.0ab | 327.0±13.9a | 337.2±25.7a |
脯氨酸 Pro | 233.1±11.9b | 272.3±4.1ab | 283.5±16.3ab | 261.1±6.6ab | 239.0±13.5b | 283.4±17.0ab | 227.9±11.8b | 273.0±38.6ab | 266.0±30.6ab | 310.2±27.6a |
酪氨酸 Tyr | 104.3±7.2c | 139.5±2.1abc | 138.8±10.8abc | 144.0±13.7abc | 135.7±18.3abc | 163.3±17.7ab | 120.0±15.1bc | 149.9±33.8abc | 157.6±6.1abc | 179.5±12.4a |
丝氨酸 Ser | 194.1±26.8c | 257.2±6.8abc | 280.1±16.7abc | 254.5±13.5abc | 292.9±37.0ab | 266.0±17.7abc | 209.2±24.5bc | 244.4±50.9abc | 291.3±11.0ab | 302.2±23.2a |
精氨酸 Arg | 703.0±6.2c | 813.6±9.4bc | 815.7±35.7bc | 819.7±14.5bc | 787.2±68.0bc | 898.9±58.4ab | 780.8±36.0bc | 890.0±97.4ab | 940.8±23.5ab | 994.9±66.4a |
小计Subtotal | 2741.2 | 3357.3 | 3709.7 | 3599.8 | 3638.6 | 3668.5 | 2935.9 | 3582.8 | 3929.0 | 4146.2 |
总计 Total | 4338.0 | 5254.0 | 5654.7 | 5499.0 | 5439.1 | 5651.7 | 4570.0 | 5540.0 | 6038.2 | 6520.7 |
无稻草还田时,间歇灌溉(处理2)Leu含量显著(P<0.05)高于使用氮肥长期淹水(处理5)处理,而Glu、His和Ser含量明显较低,但没有达到显著水平;处理2的必需氨基酸总量比处理5中高96.1 mg/100g,但是氨基酸总量比处理5低185.1 mg/100g,必需氨基酸百分含量高3.0%。稻草还田量相同时,间歇灌溉(处理4)与长期淹水 (处理6) 相比,除Thr与Glu含量比处理6高之外,其它氨基酸含量皆低于处理6;处理4氨基酸总量比处理6低152.7 mg/100g,必需氨基酸总量低84.0 mg/100g,非必需氨基酸含量低68.7 mg/100g。从以上数据来看,长期淹水比间歇灌溉更有利于氨基酸总量和非必需氨基酸百分含量的增加。低磷或缺磷条件下,籽粒中的人体必需氨基酸、氨基酸的相对含量以及其他各氨基酸含量会显著下降[19]。长期淹水培养条件下可能会使土壤中全磷及全钾浓度增加[10],从而使得稻米籽粒中氨基酸总量和非必需氨基酸总量均有上升。
2.2 氮素含量对稻米氨基酸含量的影响无稻草还田时,不使用氮肥(处理1)His和Ala 含量显著(P<0.05)低于使用氮肥(处理2);Leu含量显著(P < 0.05)高于使用氮肥长期淹水(处理5),但是Ser含量显著(P<0.05)低于处理5。处理1中Thr、Leu、Glu和Pro含量略高于使用氮肥含量减半(处理7),但其余各氨基酸含量均明显较低,但未达到显著水平。处理2 His含量显著(P<0.05)高于处理7,而且其余各个氨基酸含量均有明显提高,氨基酸总量提高684.0 mg/100g,必需氨基酸总量提高262.5 mg/100g,但是这两者必需氨基酸相对含量比较接近。处理2与处理8(化学氮肥含量减半,添加相当于供氮量50% 的猪粪)相比,其氨基酸总含量降低了286.0 mg/100g,此结果表明在供氮量相同的情况下,施用猪粪更有利于稻米氨基酸含量的提高。可能是由于猪粪还田使得施肥对土壤速效氮的影响加大的缘故[20]。比较使用氮肥与不使用氮肥的处理发现,其氨基酸总量均有不同程度的提高,说明施用氮肥能提高稻米中的氨基酸含量。随着氮肥使用量的增加,各个氨基酸含量也随着增加,但是施加氮肥后必需氨基酸占总氨基酸含量的百分比均低于不使用氮肥的处理,说明使用氮肥对非必需氨基酸含量影响更为显著,这一结果与已有文献报道基本一致[21]。
2.3 稻草还田量对稻米氨基酸含量的影响比较处理2(无稻草还田,间歇灌溉)与处理3(稻草还田量3 t/hm2,间歇灌溉)、4(稻草还田量6 t/hm2,间歇灌溉)发现有稻草还田时,Asp、Glu和His的含量增加较多,Met含量略有下降,其余氨基酸含量基本接近,必需氨基酸百分含量下降,但是必需氨基酸总量和氨基酸总量均有上升。比较3(稻草还田量3 t/hm2,间歇灌溉)与处理4(稻草还田量6 t/hm2,间歇灌溉)发现,处理3中Asp、Glu、Pro、Ser含量比处理4分别增加35.5 mg/100g、25.1mg/100g、22.4 mg/100g和25.6 mg/100g,其余氨基酸含量接近,必需氨基酸含量接近,但氨基酸总量提高了155.7 mg/100g,该结果表明,有稻草还田时,除Met 含量略有下降以外,必需氨基酸总量和氨基酸总量均比无稻草还田时有提高,非必需氨基酸含量增加较为明显。随着稻草还田量的增加,对非必需氨基酸影响较为明显。有研究表明,稻草秸秆中含有一定量的磷、钾元素,稻草还田后秸秆中钾释放迅速,使土壤的容重和坚实度降低,总孔隙度和非毛管孔隙度升高,同时一定程度上提高了土壤全氮和速效钾的含量,但对pH值、速效磷、全磷及全钾的影响作用较小[10]。土壤全氮与土壤有机质含量密切相关。比较秸秆全量还田与半量还田对促进土壤中有机质的积累,二者之间差异不明显[22]。稻草还田配施氮肥能显著提高水稻氮素吸收转化能力和利用效率[23]。氮磷水平对稻米籽粒中氨基酸含量有一定的影响[24]。稻草半量还田即为3 t/hm2时,氨基酸总量增加较为明显,可能是由于除了稻草本身的直接作用外,稻草半量还田改善土壤微生物群落结构和功能的效果最为显著所致[25]。比较处理3(稻草还田量3 t/hm2,间歇灌溉)与处理6(稻草还田量6 t/hm2,长期淹水)发现,其氨基酸总量基本接近,但其必需氨基酸的含量比处理6降低38.2 mg/100g,可能是由于水稻生长季节、灌溉模式和施肥条件对稻草还田的对氨基酸含量影响存在交互作用所致[26]。
2.4 生物质炭使用量对稻米氨基酸含量的影响处理2(无稻草还田,间歇灌溉)His含量显著(P<0.05)低于处理9(生物质炭24 t/hm2,间歇灌溉)与处理10(生物质炭48 t/hm2,间歇灌溉);Val、Leu、Ile含量与处理9无显著差异(P > 0.05),但是显著(P < 0.05)低于处理10;其余各种氨基酸与处理9和处理10之间无显著差异(P > 0.05)。生物质炭本身含有大量植物所需的氮、磷等营养元素,呈碱性。生物质炭的施用,能够降低土壤的酸度,增加土壤的空隙度和保水能力,促进土壤养分的循环,提高植物生长所需养分的可利用性,使植物体内氮磷代谢水平提高,从而提高稻米籽粒中的氨基酸含量。比较处理9和处理10,处理9氨基酸总量降低了482.5 mg/100g,除Met含量比较接近,Glu含量提高了34.8 mg/100g之外,其余各个氨基酸含量均较低,但是没有达到显著水平。该结果表明,随着添加生物质炭量增多,必需氨基酸总量和氨基酸总含量也随之增加,对非必需氨基酸含量影响较大,可能是由于施用氮肥下,高用量生物质炭显著降低稻田CH4 和N2O 痕量温室气体排放的综合温室效应和水稻生产的碳强度所致[27]。
2.5 不同物料的添加对稻米氨基酸含量的影响比较处理3、处理8和处理10,可以看出,氨基酸总量由低到高顺序为:处理8<处理 3<处理10,处理8、处理3和处理10必需氨基酸含量分别为34.4%、35.3%和36.4%;处理3中Leu、His和Arg含量显著(P<0.05)低于处理10。以上结果,可能是由于生物质炭具有高度的孔隙结构,结合氮肥施用可以能够显著改善土壤理化性质,增加土壤的空隙度和保水能力,降低土壤容重,有利植物根系生长;另外,生物质炭还可以通过“碳-负”效应,长期将大气中的碳固定在土壤中[15]。基于以上作用,生物质炭可使氮磷代谢水平提高,从而提高稻米籽粒中的氨基酸含量。从数据中也可以看出,在这3种有机质处理中生物质炭的添加更有利于氨基酸总含量的增加。
2.6 几种温室气体减排技术对温室气体排放及稻米氨基酸含量的影响无稻草还田时,稻田中长期淹水比间歇灌溉甲烷排放量高约90%,间歇灌溉N2O排放大于长期灌溉,但是间歇灌溉更能有效的抑制温室气体的排放;有稻草还田时,甲烷排放增加,且在长期淹水中稻草还田量高达7.7 t/hm2,其他灌溉措施稻草还田量高达5.1 t/hm2范围内,甲烷排放量随着稻草还田量的增加而增加。超出这个范围后,甲烷排放量不再增加[28, 29]。施用氮肥处理的CH4排放比不施加氮肥有增加,但差异不显著。稻草还田配施氮肥处理早稻期间甲烷排放通量比仅施用氮肥有增加[30]。稻草的施入能明显提高CO2浓度,且最高CO2 浓度和稻草腐解速率呈正相关[31]。综合文献调研发现,无稻草还田时,对温室气体排放量由高到低顺序为:处理5 > 处理2 > 处理1,其氨基酸总含量和非必需氨基酸含量:处理5 > 处理2 > 处理1。当有稻草还田时,温室气体排放量由高到低顺序为:处理6 > 处理4 > 处理3 >处理2,其氨基酸总含量由高到低的顺序为处理6 > 处理3 > 处理4 > 处理2。稻草还田能增加土壤有机碳,土壤有机碳的表观转化率随着稻草还田量的增加而减少.综合土壤固碳和甲烷排放的稻田净碳,稻草还田配施氮肥处理负碳效应显著,基本与其水稻生物固碳接近,比仅施用氮肥处理增加158.3%[32]。稻草还田能够提高氮素利用效率且水稻生长季节、灌溉模式和施肥条件对稻草还田的增产效应存在交互作用。稻草还田结合水肥管理利用秸秆本身的直接作用和对微生物的作用影响植物生长所需养分主要是氮磷在植物体内的利用效率,从而使各个不同处理中氨基酸含量呈现差异。
施用氮肥条件下,不同用量生物质炭对土壤CH4 排放无显著影响,高用量生物质炭显著降低稻田CH4 和N2O 痕量温室气体排放的综合温室效应和水稻生产的碳强度[27]。当添加生物质炭后,温室气体排放量由高到低顺序为:处理2 > 处理9 > 处理10,其氨基酸总含量、必需氨基酸的含量及非必需氨基酸含量由高到低的顺序为处理10 > 处理9 > 处理2。施氮肥条件下,生物质炭的施用能土壤有机碳、全氮含量和pH,同时降低土壤容重。生物质炭通过“碳-负”效应长期将大气中的碳固定在土壤中[15],为植物生长提供更多的碳源供应,这些因素综合作用,使植物体内氮磷代谢水平提高,从而提高稻米籽粒中的氨基酸含量。
彭华[33]等研究表明,按100a统计稻田 CH4和 N2O的综合增温潜势(GWP)表明,单位产量的 GWP 由大到小顺序为稻草(RS)> 黑炭(BC)> 化肥(CF)。添加不同有机质时,其温室气体排放量由高到低顺序为处理3 > 处理2 > 处理8 > 处理10。其氨基酸总含量由高到低顺序为:处理10 > 处理3 > 处理8 > 处理2。综上说明,生物质炭添加减少了温室气体的排放,具有一定的生态环境效益,且能提高稻米中氨基酸总含量、必需氨基酸和非必需氨基酸含量。
从试验结果中发现,温室气体减排措施能增加稻米非必需氨基酸百分含量,但对必需氨基酸百分含量有下降。水稻生育过程中的灌水、施肥、生长调节剂的使用等栽培技术措施和综合技术体系,在极大程度上影响着稻米氨基酸的含量[34]。有研究表明,不同的施肥方法,特别是氮肥施用量和施用时期能显著影响稻米氨基酸含量;在缺氮条件下,人体非必需氨基酸中的天冬氨酸 (Asp)、甘氨酸 (Gly)、精氨酸 (Arg)、脯氨酸 (Pro) 和酪氨酸 (Tyr) 的含量也显著下降;在磷素胁迫条件下,籽粒中的各种必需氨酸和非必需氨基酸的含量均较对照显著降低[19]。近年来研究表明:大气 CO2 浓度增加使供试品种精米必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著增加,使非必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著下降,但对精米中必需和非必需氨基酸的相对含量无显著影响[34]。从氨基酸组分看,大气 CO2浓度增加使供试品种精米中 7 种必需氨基酸和 8 种非必需氨基酸的 含量均显著或极显著下降。CO2处理与品种对精米蛋白质含量、氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量部分氨基酸组分有一定的互作效应。大气 CO2浓度升高影响稻米蛋白质营养品质的过程可能与植株体内的氮磷代谢关系密切[35]。不同减排措施的固碳效应与其相对应的土壤中的氮磷等营养元素的交互作用,可能是导致稻米籽粒中必需氨基酸总量和非必须氨基酸总量比对照组处理1中总量上升,但是必需氨基酸相对百分含量下降的原因。
3 结论本文利用高效液相色谱柱前在线衍生(衍生试剂:OPA和FMOC-CL)结合DAD检测技术,主要讨论了稻田中温室气体不同减排措施对稻米氨基酸含量的影响。分别比较了不同的水分管理方式、稻草还田量、使用氮素量、使用猪粪及添加生物质炭对稻米氨基酸含量的影响,并结合文献,对于减排措施对温室气体排放的影响及其与稻米中氨基酸含量的关系和几种温室气体减排措施使非必需氨基酸百分含量增加,必需氨基酸百分含量降低的原因进行了探讨。从讨论中可以看出,不同的减排措施相互配合,对于特定氨基酸含量会产生明显差异。长期淹水比间歇灌溉更有利于稻米氨基酸总含量的增加;添加氮素、施用猪粪、稻草还田和添加生物质炭对稻米氨基酸总含量均有不同程度的提升,其中生物质炭的添加处理既能降低温室气体排放的影响,同时对氨基酸总含量提升的效果尤其显著。但是,不同减排措施对各个氨基酸合成的影响仍需要进一步深入研究。本试验结果可以为协调稻米蛋白质含量与氨基酸组成、其它品质性状和与气候之间关系的栽培技术研究提供一定的参考。
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