植物释放 NO_2 与光照及相关生物化学过程关系的研究

N_2O 是影响全球气候变化的重要温室气体，其源汇估算是深入了解人类活动对环境变化的基础。目前 N_2O 源汇的估算仍有不确实性。大气 N_2O 主要来自生物排放。植物本身作为 N_2O 排放源的发现为 N_2O 源的估算开辟了新的研究领域，为提高 N_2O 源汇估算的精确度提供了可能。植物排放 N_2O 的研究己日益引起科学家的重视。本文采用田间栽种和室内培养实验相结合的研究方法，对植物 N_2O 排放与光照的关系，及相关生物化学过程进行了系统的研究。通过对大豆及叶菜类蔬菜的观测实验，进一步证实了植物释放 N_2O 这一重要植物生物生态现象的存在；对影响植物释放 N_2O 的重要环境因子-光照对 N_2O 排放通量的影响进行了深入的探讨；研究了植物体 N 代谢过程中涉及N_2O 产生过程的硝酸盐还原作用、亚硝酸盐还原作用和植物 N_2O 释放通量之间的关系。部分揭示了植物释放 N_2O 的机理，为植物释放 N_2O 及光调节机理模型的建立提供了必要的实验和理论依据。主要实验结果如下：1）通过对不同光照条件下，不同 N 素营养供给水平大豆N_2O 释放通量 叶片内的硝酸盐、亚硝酸含量的测定，结合使用硝酸盐同化（或异化）还原作用的抑制剂（如 CH_4 或 C_2H_2），对不同培养条件下大豆的 N_2O 释放进行了测定，进一步证明了光照对大豆释放 N_2O的影响，即强光照下大豆 N_2O 的释放较少，弱光照下大豆 N_2O 的释放较多。验证乙炔对大豆植物转化 N_2O 的抑制作用。硝酸盐培养同铵盐培养相比，在不同光照条件下，大豆苗 N_2O 释放明显增加，并有较高硝酸盐积累，光照强度的降低也能导致 NO_3~- 的积累，硝酸盐培养的大豆体内 NO_2~- 含量高于铵盐培养。2）用封闭式箱法和乙炔抑制技术，通过对 200 和 40 μmol·m~(-2)·s~(-1) 光照条件下不同苗龄大豆植株 N_2O 释放通量和叶片硝酸盐还原酶活性及硝酸盐和亚硝酸盐含量的同步测定，研究了不同光照对苗期大豆 N_2O 释放和硝酸盐还原酶活性的影响。首次揭示，在强光照条件下苗期大豆叶片硝酸还原酶活性呈现“V”形变化，在此期间 N_2O 释放通量逐渐增加，两者变化趋势不呈现相关性；在弱光照条件下，同一时期大豆体内硝酸盐还原酶活性与强光照条件下相比较低，而 N_2O 释放通量较高，也呈现逐渐增加趋势，硝酸还原酶活性和 N_2O 释放通量显著相关。强光照条件下大豆叶片硝酸还原酶活性和大豆叶片硝酸盐含量显著相关。两种光照处理下，亚硝酸盐含量均较低。3）利用 3 种不同光照条件处理，对苗期大豆亚硝酸盐还原酶提取液的活性进行了观测，同时结合三种不同处理亚硝酸盐还原酶提取液的 N_2O 释放通量测定，发现不同光照条件对 30-55 天大豆亚硝酸还原酶活性没有明显的影响，三种不同处理酶提取液 N_2O 释放或吸收呈现不同变化，发育时期和亚硝酸还原酶活性对酶提取液 N_2O 释放通量起主要作用；还原剂和三种亚硝酸盐还原提取液 N_2O 释放没有明显相关性。4）通过对除草剂 2，4-D 和溴苯腈处理的大豆 N_2O 释放的观测，首次发现 2，4-D 和溴苯腈处理的大豆 N_2O 释放通量分别是 14.1 和 19.7 ng N_2O g~(-1) fw h~(-1)。2，4-D 和溴苯腈处理的大豆中 N_2O~--N 含量为 8 μmol·m~(-2)·s~(-1)，是对照的 5 倍；除草剂处理的大豆体内 NO_3~--N 与对照相比，没有显著差别，因此推断 NO_3~--N 吸收过程中代谢积累的 NO_2--N 导致所观测的 N_2O 释放，N_2O 有可能是植物代谢过程中 NO_2~--N 植物代谢物反应或是 NO_2~--N 降解的副产物。5）通过对强弱两种光照条件下，高硝酸盐含量叶菜类蔬菜小白菜、菠菜和芹菜的 N_2O 释放的吸收随时间变化的观测，结合叶片中硝酸根、亚硝酸根含量的测定，发现光照强度对菠菜、芹菜、小白菜 N_2O 释放和吸收有影响，总体上表现为弱光照下三种植物 N_2O 释放量较高，强光下很少释放或表现为吸收。在 120 min 的观测中，三种植物释放和吸收曲线没有呈现明显的规则变化。喷洒除草剂 2. 4-D 增加芹菜在黑暗条件下 N_2O 的释放。强光照射与弱光相比三种植物的硝酸根含量均略低，而亚硝酸含量没有明显的差异。6）结合实验结果探讨了植物释放 N_2O 的三种机理：1）N_2O 是逆境条件下植物不正常代谢化学反应的产物的可能；2）植物将土壤中产生 N_2O 传输到大气中；3）N_2O 可能作为植物体硝酸还原代谢产物而被植物释放。综合后三种可能提出了在各种环境因子作用下植物释放 N_2O 的模型，认为植物N_2O 的释放可能是后两种途径共同作用的结果，硝酸盐代谢过程中相关酶的还原起主要作用，随环境条件的不同，三种释放途径的作用强度可能发生改变。