不同灌溉模式和施氮量下稻田N2O排放与有机氮组分的关系

韦至激， 方泽涛， 李伏生， 黄忠华， 谭文艳， 罗维钢

(1.广西大学农学院/广西喀斯特地区节水农业新技术院士工作站/广西高校作物栽培学与耕作学重点实验室，广西南宁 530005；2.南宁市灌溉试验站，广西南宁 530001)

稻田生态系统是大气中氧化亚氮(N2O)的重要来源之一，土壤N2O排放与水肥管理有较大关系[1-2]。灌溉方式不同，土壤N2O排放不同，长期淹水降低土壤N2O的排放[3]，间歇灌溉早晚稻田N2O排放通量高于淹灌稻田，其稻田N2O累积排放量也显著高于淹灌稻田[4]；控制灌溉稻田N2O排放通量在水稻全生育期大部分时间都要大于淹灌稻田[5]。“薄浅湿晒”和常规灌溉稻田N2O排放通量一般低于干湿交替稻田[6-7]。不同施氮量对土壤N2O排放通量的影响结论基本一致。稻田N2O排放量随氮肥用量的增加呈增加趋势[8]；就水稻生长全季而言，高施氮量下，稻田N2O排放总量显著增加[9]。

土壤中90%以上的氮是以有机态化合物存在的[10]。按Bremner提出的划分方法，土壤有机氮可分为氨态氮、氨基酸氮、氨基糖氮、酸解未知氮等形态[11]。土壤有机氮各组分含量受到土壤类型、土壤层次、耕作方式和氮肥管理等因素的影响[12]。研究表明，施用无机肥和有机肥均能显著提高土壤酸解有机氮及非酸解氮含量[13-14]，施用尿素能提高土壤酸解铵态氮含量，降低土壤氨基酸态氮含量[15-16]，土壤中残留的化肥氮主要转化为酸解未知氮和氨基酸氮[17]。施用氮肥对土壤铵态氮和土壤氨基糖氮含量的影响较小，而对土壤氨基酸态氮和酸解未知态氮含量的影响较大[18]。不同灌溉方式也对土壤有机氮组分有影响，如姬景红等研究指出，除个别层次外，滴灌和渗灌土壤氨基酸态氮、氨基糖态氮及氨态氮占全氮的比例高于沟灌土壤，而酸解未知态氮和非酸解氮占全氮的比例则低于沟灌土壤[19]。“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式是我国南方应用较为广泛的稻田节水灌溉模式。“薄、浅、湿、晒”模式的控水要点为：薄水插秧、浅水返青、分蘖前期湿润、分蘖后期晒田；拔节孕穗、抽穗扬花期薄水、乳熟期湿润、黄熟期先湿润后落干、水稻穗部勾头前湿润、勾头后自然落干[20]。干湿交替灌溉模式是在水稻生育过程中，在一段时间里保持水层，田间水自然落干至土壤不严重干裂再灌水，再落干，如此循环等[21]。然而对于这2种灌溉模式如何影响稻田土壤有机态氮组分以及有机氮组分对土壤N2O排放的影响研究较少，所以须进一步研究来加以阐明。

因此，本研究通过2季水稻田间试验，测定不同时期稻田N2O排放通量，并用Bremner提出的酸解法测定土壤不同有机氮组分含量，探讨不同灌溉模式和施氮量下不同时期稻田N2O排放通量和有机氮组分含量的变化规律，并分析采土当天稻田N2O排放通量与各有机氮组分含量之间的关系，以揭示土壤有机氮组分对稻田N2O排放通量的影响机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2015年7月至2016年7月在广西壮族自治区南宁市灌溉试验站(22°52′58.33″N、108°17′38.86″E)进行，该站年平均日照时数为1 827 h，年平均气温21.6 ℃，年降水量为1 304.2 mm。试验期间2015年8—11月降水量分别为194.2、198.2、30.5、93.3 mm，2016年4—7月降水量分别为 37.1、153.5、334.1、75.5 mm。试验土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，试验前0～20 cm耕层土壤基本理化性质分别为：pH值7.0、有机碳含量17.3 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、碱解氮含量111.7 mg/kg、速效磷含量48.9 mg/kg和速效钾含量88.0 mg/kg。试验灌溉用水pH值为7.6。晚稻和早稻品种均为内5优8015，属籼型三系杂交水稻。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用过磷酸钙(含P2O514%)，钾肥用氯化钾(含K2O 60%)。

1.2 试验方法

2季水稻田间试验设常规灌溉(CIR)、“薄浅湿晒”灌溉(TIR)和干湿交替灌溉(DIR)3种灌溉模式，它们的水分控制标准见笔者所在课题组刘靖雯等的研究[7]；2种施氮处理：N1(施氮量120 kg/hm2)和N2(施氮量150 kg/hm2)的P2O5和K2O用量分别为60、120 kg/hm2。N1处理尿素用量为 260.9 kg/hm2，N2处理尿素用量为 326.1 kg/hm2，各处理过磷酸钙和氯化钾用量分别为 429、200 kg/hm2。所有处理尿素和氯化钾均按基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=2 ∶1 ∶1施入土壤，而全部过磷酸钙作基肥。试验共设6个处理，每个处理重复3次，每个小区面积为25 m2。小区之间用25～26 cm厚水泥红砖墙分开，以防不同小区之间水分相互侧渗，并在降雨过多时独立排水。

1.3 土壤样品采集与测定

试验分4次采集土样，即在分蘖期、孕穗期、乳熟期和成熟期采集耕作层土壤样品，每次采样时间为灌水日后1 d的上午，每小区用土钻按S形散点采样法采集0～20 cm土层土壤，剔除土壤中作物根系、杂草和石子并混匀，放入编号过的自封袋中，带回实验室将土壤样品放入风干室内进行自然风干，风干后过1 mm筛，保存在阴凉处。

土壤有机氮组分用Bremner酸解法测定[22]，分别测定土壤酸解总氮、氨基酸态氮、酸解氨态氮和氨基糖氮含量。土壤酸解未知态氮含量=酸解总氮含量-氨基酸态氮含量-酸解氨态氮含量-氨基糖氮含量。土壤非酸解性氮含量=土壤全氮含量-酸解总氮含量。

1.4 N2O采集与测定

田间N2O的采集用静态封闭箱法，参考笔者所在课题组刘靖雯等的研究[7]。水稻返青后开始采样，采样时底座与箱体的连接处加水密封，每次采样时间在09：00—11：00进行，分别在盖箱后0、5、10、15、20、25、30 min用50 mL的注射器连续采样7次，同时记录采样时电子温度计的读数。由于与另一试验同时进行，限于实验室条件和人力限制，每周仅采样1次，晚稻和早稻生育期内稻田N2O分别采集10、12次。N2O浓度用Agilent 7890A GC气相色谱仪测定，N2O排放通量计算方法参考笔者所在课题组刘靖雯等的研究[7]。

1.5 统计分析

试验数据统计分析用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2007分析软件，多重比较用Duncan’s法，差异显著性水平为 0.05。用采土当天稻田N2O排放通量与各有机氮组分含量进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 稻田N2O排放通量

从图1可以看出，种植晚稻时，N1处理下3种灌溉模式在施肥后出现1次较大的N2O排放峰，在移栽后76 d出现较大的排放峰，CIR模式稻田N2O排放通量比TIR和DIR模式低。晚稻整个生育期稻田N2O平均排放通量总体表现为CIR模式小于TIR和DIR模式。而种植早稻时，N1处理下，只有DIR模式稻田N2O排放通量有1次较大的排放峰，排放峰出现在移栽后68 d，CIR和TIR模式稻田N2O排放通量没有出现明显的N2O排放峰。早稻整个生育期中N2O平均排放通量总体表现为CIR模式小于TIR和DIR模式。

提高施氮量为土壤提供了更高的氮素养分，从而影响土壤硝化作用和反硝化作用反应底物浓度，增加土壤N2O的排放通量。与N1处理相比，N2处理晚稻整个生育期N2O平均排放通量有显著提高。在CIR和DIR模式下，N2处理早稻整个生育期稻田N2O平均排放通量较N1处理有显著提高。

2.2 有机氮组分含量

2.2.1 酸解总氮 从图2可以看出，土壤酸解总氮含量随着水稻生育期的变化而表现出不同的规律。N1处理下，2季水稻DIR模式土壤酸解总氮含量在分蘖期到乳熟期均显著高于CIR和TIR模式，但是在成熟期含量急速下降，而CIR和TIR模式土壤酸解总氮含量之间没有显著差异。DIR模式土壤酸解总氮含量在分蘖期到孕穗期先有所增加，然后在孕穗期到成熟期持续下降至小于分蘖期，而CIR和TIR模式土壤酸解总氮含量均表现为成熟期显著大于分蘖期。N2处理下，2季水稻DIR模式土壤酸解总氮含量变化规律为先上升后下降，CIR模式为先下降后上升，TIR模式早稻晚稻变化规律不一致，晚稻为先上升后下降，早稻为先上升后下降最后又上升。早稻前3个时期中，土壤酸解总氮含量一直表现为DIR>CIR>TIR。因此，DIR模式提高了土壤酸解总氮含量，但施氮量对土壤酸解总氮含量的影响不显著。

2.2.2 非酸解性氮 从图3可以看出，土壤非酸解性氮含量在水稻不同生育期中变化较大。N1处理下，晚稻CIR模式土壤非酸解性氮含量除在乳熟期小于TIR模式外，其余时期土壤非酸解性氮含量均显著大于TIR和DIR模式；TIR和DIR模式土壤非酸解性氮含量均表现为持续下降的趋势；早稻3种灌溉模式土壤非酸解性氮含量之间的差异不显著；晚稻土壤非酸解性氮含量在各生育期普遍大于早稻土壤。N2处理下，早稻3种灌溉模式土壤非酸解性氮含量均在分蘖期到乳熟期不断下降，在乳熟期到成熟期有显著的增加；晚稻3种灌溉模式土壤非酸解性氮含量均表现为生育末期大幅度下降的趋势，其中以TIR模式变化最剧烈。此外，增加施氮量能在一定程度上降低土壤非酸解性氮含量。

2.2.3 氨基酸态氮 不同水稻生育期土壤氨基酸态氮含量差异显著(图4)。N1和N2处理下，2季水稻3种灌溉模式土壤氨基酸态氮含量在分蘖期最高，然后持续下降。土壤氨基酸态氮含量在水稻各生育时期中多表现为CIR>TIR>DIR，其中，晚稻TIR和CIR模式多数时期土壤氨基酸态氮含量差异不显著，而DIR模式多数时期土壤氨基酸态氮含量显著小于另外2种灌溉模式。因此，DIR模式降低土壤氨基酸态氮含量，而施氮量对土壤酸解总氮含量的影响不显著。

2.2.4 酸解氨态氮 从图5可以看出，不同灌溉模式对土壤酸解氨态氮含量有显著的影响，N1和N2处理下，2季水稻DIR模式土壤酸解氨态氮含量显著大于CIR和TIR模式，其中以孕穗期的差异最明显。晚稻TIR模式土壤酸解氨态氮含量显著大于CIR模式，而早稻两者之间无差异。3种灌溉模式下，土壤酸解氨态氮含量随着氮肥量而增加。因此，DIR模式有利于提高土壤酸解氨态氮含量，增加施氮量也提高土壤酸解氨态氮含量。

2.2.5 氨基糖态氮 不同生育期差异土壤氨基糖态氮含量比较显著(图6)。N1和N2处理下，在2季水稻分蘖期到乳熟期，CIR和TIR模式土壤氨基糖态氮含量变化不显著，而到成熟期显著增加，DIR模式土壤氨基糖态氮含量总体表现为下降趋势。DIR模式土壤氨基糖态氮含量在分蘖期到乳熟期显著大于CIR和TIR模式。DIR模式下，除晚稻成熟期以外，N2处理2季水稻其他时期土壤氨基糖态氮较N1处理均有所提高。因此，不同灌溉模式对土壤氨基糖态氮含量有显著影响，DIR模式有利于土壤氨基糖态氮含量的增加，提高氮肥施用量也增加土壤氨基糖态氮含量。

2.2.6 酸解未知态氮 不同灌溉模式和氮肥量对土壤酸解未知态氮含量有一定的影响(图7)。N1和N2处理下，2季水稻DIR模式土壤酸解未知态氮含量在分蘖期到乳熟期大多显著大于CIR和TIR模式。早稻3种灌溉模式下，N1处理下土壤酸解未知态氮含量在水稻各生育期均大于N2处理，而晚稻3种灌溉模式下，N1和N2土壤酸解未知态氮含量之间的差异不显著。因此，DIR模式提高土壤酸解氨态氮含量，而增加施氮量则降低早稻土壤酸解氨态氮含量。

2.3 相关性分析

对2季水稻各生育期稻田N2O排放通量与有机氮组分之间进行相关性分析，如表1所示。稻田N2O排放通量与氨基糖态氮含量之间呈极显著正相关，相关系数为0.410；与酸解氨态氮含量之间呈显著正相关，相关系数为0.331；但与土壤氨基酸态氮含量之间呈显著负相关，相关系数为-0.326。此外，稻田N2O排放通量与其他有机氮组分之间的关系不显著。因此，稻田N2O排放通量会受到土壤氨基糖态氮含量、酸解氨态氮含量和氨基酸态氮含量的综合影响。

表1 不同灌溉模式和施氮量下稻田N2O排放与有机氮组分的关系

注：*表示差异显著，r0.05=0.285；**表示差异极显著r0.01=0.368，n=48；ASN为氨基糖态氮；AN为酸解氨态氮；AAN为氨基酸态氮；THAN为酸解总氮；HUN为酸解未知态氮；NHN为非酸解性氮。

3 讨论

灌溉模式影响稻田土壤水分状况，从而影响水稻不同生长阶段N2O向大气的排放通量。节水灌溉方式，特别是干湿交替灌溉对稻田N2O排放通量有显著影响[23]。本研究表明，与CIR模式相比，TIR和DIR模式促进2季水稻N2O平均排放通量的提高。原因可能是：一方面节水灌溉相对常规淹水灌溉具有更好的通气性，提高土壤氧化还原电位，促进硝化反应和反硝化反应中N2O的产生；另一方面节灌土壤中产生的N2O容易通过土壤孔隙内气体介质扩散排放，而淹水灌溉稻田由于水层较厚，未能及时排放到大气中的N2O在厌氧条件下发生进一步还原作用，最终以分子态(N2)的形式释放，从而降低N2O的排放量。

水稻追施氮肥、晒田等田间管理措施通过提高土壤有效氮量、降低土壤含水量或提高田间氧化还原电位来促进稻田N2O的排放通量。提高施氮量可以增加土壤中氮素养分含量，在土壤微生物作用下促进土壤中氮素发生硝化作用，从而提高稻田N2O排放通量。农田氮素的输入增强了稻田N2O排放，梁国庆等指出，N2O排放所损失的氮素占肥料氮的 0.39%～0.47%[24]；张惠等指出，化肥施用量的增加是引起N2O排放量增加的主要原因[25]。本试验N2处理下，DIR模式稻田N2O排放通量的3次排放峰以及CIR和TIR模式的2次排放峰都出现在施肥或晒田之后，这与彭世彰等的研究节灌稻田N2O排放通量的2次较大排放峰值主要出现在施肥1周后，晒田和土壤水分落干都会引起土壤N2O的大量排放相一致[26]。

田冬等发现，实现土壤有机氮向无机氮的转化，充分发挥土壤氮素养分的有效性以及氮素地球生物化学循环，须要经过土壤氮素矿化过程[27]。土壤含水量对有机氮的矿化有重要影响。土壤水分管理通过改变土壤通气性、微生物数量与活性，从而影响土壤有机氮的矿化作用。胡晓航等指出，土壤氮矿化的最佳土水势在0.01～0.03 MPa之间，表明本试验中土壤水分长期处于0～0.015 MPa的DIR模式，有利于土壤氮素的矿化[28]。张威等通过综述干湿交替条件下土壤氮素转化及其影响的研究进展，表明干湿交替模式显著影响土壤有机氮的矿化[29]。不同有机氮组分在土壤中的矿化分解难易程度也有所差异。李菊梅等指出，土壤可矿化氮主要来自土壤酸解有机氮，而非酸解有机氮则相对稳定，有利于有机氮的保存[30]。本试验表明，与CIR和TIR模式相比，通气良好的DIR模式有利于提高土壤酸解氨态氮和氨基糖态氮含量，降低氨基酸态氮含量，可能原因是DIR模式通气性较好，影响土壤有机质腐殖化过程，致使土壤中有机质品质产生差异，促进土壤结构复杂的未知态氮、非酸解态氮向结构相对简单的酸解氨态氮和氨基糖态氮转化。

土壤肥料被施入土壤中后经过土壤生物和植物的吸收同化以有机氮形态残留在土壤中，残留在土壤中的部分有机氮又经过微生物作用转化形成土壤中较为稳定的有机氮。与低氮处理相比，高氮处理主要通过增加土壤中NH4+的含量，降低土壤pH值和刺激微生物生长等途径影响土壤氮素转化，有研究表明，土壤有机氮矿化速度随施氮量的增加而提高，徐阳春等指出，化学氮肥显著增加土壤相对易水解的酸解氨态氮含量[31]，而本试验表明，N2处理显著增加土壤酸解氨态氮和氨基糖态氮含量。

本研究相关性分析结果表明，稻田N2O排放通量与土壤氨基糖态氮含量和酸解氨态氮含量之间呈显著正相关，而与土壤氨基酸态氮含量之间呈负相关，因此土壤氨基糖态氮、酸解氨态氮和氨基酸态氮含量对稻田N2O排放有直接影响。

4 结论

N1和N2处理下，TIR和DIR模式稻田N2O平均排放通量较CIR模式高。CIR和DIR模式下，N2处理整个生育期N2O平均排放通量较N1处理高。

与CIR模式相比，DIR模式能提高土壤酸解氨态氮和氨基糖态氮含量，降低土壤氨基酸态氮含量；N2处理土壤酸解氨态氮和氨基糖态氮含量较N1有显著增加。

稻田N2O排放通量与土壤氨基糖态氮和酸解氨态氮含量之间呈显著正相关，但与土壤氨基酸态氮含量呈显著负相关，这表明稻田N2O排放通量受土壤氨基糖态氮、酸解氨态氮和氨基酸态氮含量的综合影响。

致谢：感谢广西大学农田水肥高效利用与环境生态2017年毕业研究生和南宁灌水试验站全体工作人员的积极配合！

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