夜间增温条件下施硅稻田N2O还原对外源氮的响应

谢晴　饶旭东　周聪　薛梦琪　张耀鸿

摘要： 選用田间开放式长期进行的夜间增温稻田（NW）、夜间常温+施加硅肥稻田（Si）、夜间增温+施硅稻田（NW+Si）以及夜间常温稻田（CK），分别采集耕层根际土和非根际土，设置4个氮添加处理，即NH+4-N、NO-3-N、酰胺态氮（尿素）和无氮，研究不同稻田土壤N2O还原潜力对外源氮的响应特征。结果表明，4种稻田的根际土和非根际土在厌氧培养过程中N2O浓度均随时间增长而下降，且变化趋势一致。在无氮添加条件下，NW处理稻田和Si处理稻田根际土的N2O还原速率分别为19.2 μg/（g·d）和16.6 μg/（g·d），显著高于CK稻田（P<0.05），而对于非根际土而言三者之间无明显差异（P>0.05）。在添加NH+4-N或尿素条件下，Si处理稻田根际土的N2O还原速率显著高于CK稻田（P<0.05），而对于非根际土则无明显差异（P>0.05）。在添加NO-3 -N条件下，Si处理稻田非根际土的N2O还原速率显著高于CK稻田（P<0.05）。综合来看，在施加氮肥条件下，特别在施加尿素条件下NW+Si处理稻田的N2O还原速率显著高于NW处理稻田。因此，在未来气候变暖情景下，氮肥特别是尿素与硅肥配施可能是提高稻田土壤N2O还原潜力的一条有效途径。

关键词： N2O还原;夜间增温;硅肥

中图分类号： S181 文献标识码： A 文章编号： 1000-4440（2022）01-0087-07

Abstract： In this study， four types of paddy soils in long-term open field experiment， including night warming treatment （NW）， normal temperature+silicon fertilizer treatment （Si）， night warming + silicon fertilizer treatment （NW+Si） and normal temperature + no silicon fertilizer treatment （CK）， were used to collect rhizosphere soil and non-rhizosphere soil. Four nitrogen addition treatments， namely NH+4-N， NO-3-N， amide nitrogen （urea） and no nitrogen， were set up to study the response characteristics of N2O reduction potential in the four paddy soils to exogenous nitrogen addition. The results showed that the concentration of N2O decreased with the increase of incubation time， and the change trends were consistent. Under the condition of no nitrogen addition， N2O reduction rates of the rhizosphere soil in NW and Si paddy fields were 19.2 μg/（g·d） and 16.6 μg/（g·d）， respectively， which were significantly higher than those in CK paddy field， whereas there was no significant difference in N2O reduction rate of non-rhizosphere soil among the three paddy fields. Under the condition of NH+4-N or urea addition， the N2O reduction rate of rhizosphere soil in Si paddy field was significantly higher than that in CK paddy field， but there was no significant difference for non-rhizosphere. Under the condition of NO-3-N addition， The N2O reduction rate of non-rhizosphere soil in Si paddy field was significantly higher than that in CK paddy field. Comprehensively， N2O reduction rate of NW + Si paddy field was significantly higher than that of NW paddy field under nitrogen application， especially under urea application. Therefore， in the future climate warming scenario， the combined application of nitrogen （especially urea） and silicon fertilizer may be an effective way to improve N2O reduction potential in paddy soil.

Key words： N2O reduction;nighttime warming;silicon fertilizer

N2O作为三大温室气体之一，其单分子增温潜势比CO2高265倍[1]，是影响全球变暖的关键因素之一。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告指出，近百年来由于人类活动的影响，N2O浓度持续增加，大气中N2O浓度已达324 μg/L，超过工业革命前水平的20%[2]。农业生态系统是N2O重要的源和汇，据统计农业活动人为排放的N2O占全球排放的43%以上[2]。稻田作为农业生态系统的重要组成部分，N2O排放量占农田总排放量的11.4%[3]，因此，稻田N2O排放对全球气候变化具有重要影响作用。

研究结果表明，目前气候变暖的突出特征是夜间气温升高;在过去几十年间，全球平均最低气温（夜间温度）的上升速度快于最高气温（白天温度）[4-5]。这一“不对称性”增温对水稻生产过程中的作物生长、土壤微生物活动及气体排放等方面产生重要的影响。农田N2O排放主要来自土壤微生物介导的硝化和反硝化过程，其中反硝化作用是N2O直接产生的主要途径。反硝化微生物适宜活动温度范围为5～75 ℃，其活性随着土壤温度的升高而增强。许多研究者也发现，温度升高促进了农田、草地、森林等生态系统N2O排放[6-7]。这个排放通量是土壤N2O产生过程和还原过程综合作用的动态净变量[8]，无法反映出农田土壤的N2O还原潜力。而从土壤N2O还原角度研究夜间增温对农田土壤N转化过程及其生态效应特征，对深入剖析稻田土壤N2O排放通量的温度敏感性及其全球N2O减排具有重要意义。

硅作为水稻生长的重要元素，因能促进水稻光合作用、增加产量在农业生产中被广泛应用[9]。硅肥施用对稻田土壤的氮素循环及转化过程具有重要的影响。研究发现，施硅可提高水稻光合作用，促进根系生长，提高根系氮素吸收能力，从而降低参与反硝化作用的无机氮量，抑制土壤反硝化速率。而且，吸收到植物体内的硅同化为植硅体可与光合碳形成非常稳定的植硅体碳，降低了土壤微生物对水稻植株有机碳的可利用性，进一步抑制了反硝化微生物的活性[10]。Wodarczyk等[11]研究发现，施硅可降低淹水麦田土壤的N2O/（N2O+N2）比值，促进完全反硝化过程，抑制N2O排放通量。本试验基于田间开放式长期夜间增温系统，采集夜间增温、施硅、夜间增温+施硅等试验区的耕层土壤，在添加不同形态氮条件下，研究硅肥对增温稻田土壤N2O还原潜力的影响效应，为未来气候变暖背景下通过施肥措施缓解稻田生态系统的N2O排放提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集

试验土样采集于南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）。该站点属于亚热带湿润气候区，年均降水量为1 100 mm，年均气温为15.6 ℃。在此试验站中采用田间开放式增温系统模拟夜间增温，设置了4个试验处理：夜间常温（CK）、夜间增温（NW）、夜间增温+施硅（NW+Si）、夜间常温+施硅（Si）。该试验处理从2017年开始一直延续至今。各试验小区内搭设不锈钢管支架，将铝箔反光膜固定于支架顶部。夜间增温试验区中在农作物生长期间，于夜间时段（19∶00-6∶00）用铝箔反光膜覆盖植物冠层，白天将铝箔反光膜揭开。增温后水稻冠层和0～5 cm土层全生育期夜间平均温度分别提高1.21 ℃和0.41 ℃。施硅试验区内施硅肥为钢渣硅肥（SiO2 200 kg/hm2），含有效硅（SiO2）为13.8%。在每个处理区内采用根袋法，将根际土与非根际土之间用300目尼龙袋隔开。2018年9月从上述4个试验区内采集0～10 cm耕层的根际土与非根际土，进行研究。

1.2 土壤N2O还原速率测定

为模拟氮肥对上述4个处理区稻田土壤N2O还原速率的影响效应，选用3种外源氮[NH+4-N、NO-3-N、酰胺态氮（尿素）]为3个试验处理，最终N浓度均为5 mmol/L，另外设置一个不添加N的对照处理（添加去离子水），每个处理重复3次。

土壤N2O还原速率的测定方法为：称取2.000 g鲜土放入12 ml的Labco顶空瓶后加入2 ml去离子水盖好瓶盖，充分摇晃培养瓶后，抽真空-充氩气重复进行3次，使瓶中达到厌氧状态后，室温25 ℃下预培养3 d，尽可能去除残余氧气。预培养结束后，再进行抽真空-充氩气操作3次，之后用进样针向培养瓶中打入2 ml N2O气体，再打入20 μl氮储液，使培养瓶中最终氮浓度为5 mmol/L。充分摇晃培养瓶后，立刻采集100 μl顶空气体作为起始浓度（第0 d）进行测定。之后在第3 d，4 d，7 d采气测定N2O浓度。测定仪器为气相色谱仪（Agilent 7890B），测定条件为：前检测器温度250 ℃，H2、空气和尾吹气N2流量分别为50 ml/min、450 ml/min和25 ml/min，后检测器温度250 ℃，尾吹气流量为2.000 ml/min，柱箱温度50 ℃，镍转化炉温度375 ℃。测定方法为单个测定，每个测定时间为4.5 min。根据测定的N2O浓度变化除以培养时间计算出N2O还原速率。

1.3 数据处理分析

数据的统计和整理采用Microsoft Excel 2016软件，不同处理间的显著性差异用单因素方差分析（LSD检验）进行。

2 结果分析

2.1 不同处理稻田土壤理化性质差异

由表1可以看出，夜间常温+Si处理稻田除有效磷含量和pH值外，其他物质含量均显著高于其他3种土壤（P<0.05）。NW处理稻田除有效硅含量外各理化性质均低于其他3种土壤，其中有机碳（TOC）、水溶性有机碳（DOC）、总氮（TN）、速效钾含量显著低于其他3种土壤（P<0.05）。夜间常温（CK）稻田有机氮（TOC）、总氮（TN）、铵态氮（NH+4）和硝态氮（NO-3）含量均高于NW+Si处理稻田，但是水溶性有机碳（DOC）、速效钾、有效硅含量低于NW+Si稻田。处理的3种土壤和CK土壤的pH和有效磷含量没有达到显著差異（P>0.05）。

2.2 不同稻田土壤厌氧培养过程中N2O浓度的变化特征

将CK稻田、NW处理稻田、Si处理稻田、NW+Si处理稻田的根际土和非根际土厌氧培养7 d，分析其N2O浓度变化情况，计算N2O还原速率。由图1可知，在无氮添加的土壤中，4种稻田的根际土和非根际土在厌氧培养过程中N2O浓度均随时间增加而下降，且变化趋势一致。其中，在第0～4 d下降趋势较为平缓，第4～7 d降低幅度较大，并在第7 d均达到最低值。图1a中，CK稻田根际土壤N2O浓度降低幅度最小，为99 μg/g;NW处理稻田根际土壤N2O浓度降幅最大，为134 μg/g;Si处理稻田、NW+Si处理稻田根际土壤N2O浓度的降幅则分别为116 μg/g和99 μg/g。图1b中，4种稻田非根际土壤N2O浓度变化特征与图1a基本一致，CK稻田和NW+Si处理稻田非根际土壤的N2O浓度减少量分别为98 μg/g和90 μg/g，NW处理稻田和Si处理稻田土壤的N2O浓度减少量分别为122 μg/g和112 μg/g。

2.3 无氮添加条件下稻田土壤的N2O还原速率

由图2可知，对于根际土壤而言，CK稻田、NW处理稻田、NW+Si处理稻田、Si处理稻田的N2O还原速率分别为14.1 μg/（g·d）、19.2 μg/（g·d）、14.2 μg/（g·d）和16.6 μg/（g·d）。与CK稻田相比，NW处理稻田和Si处理稻田根际土壤的N2O还原速率均显著增加（P<0.05）。对于非根际土壤而言，CK稻田、NW处理稻田、NW+Si处理稻田、Si处理稻田的N2O还原速率分别为15.7 μg/（g·d）、15.9 μg/（g·d）、12.8 μg/（g·d）和17.5 μg/（g·d）。与CK稻田相比，其余3个稻田非根际土壤的N2O还原速率均未发生显著变化。

2.4 氮添加条件下稻田土壤的N2O还原速率

由表2可知，在添加NH+4-N条件下，Si处理稻田根际土壤的N2O还原速率最高，为19.54  μg/（g·d），显著高于CK稻田根际土壤（P<0.05）;NW处理稻田和NW+Si处理稻田根际土壤之间则无显著差异。对于非根际土壤而言，NW处理稻田和NW+Si处理稻田非根际土壤的N2O还原速率显著低于CK稻田，而Si处理稻田非根际土壤则与CK稻田之间无显著差异。在添加NO-3-N条件下，NW+Si处理稻田根际土壤的N2O还原速率最高，为17.24  μg/（g·d）， 显著高于其他3种稻田;非根际土壤中，Si处理稻田的N2O还原速率最大，显著高于CK稻田。在添加尿素条件下，NW处理稻田、NW+Si处理稻田和Si处理稻田根际土壤的N2O还原速率均显著高于CK稻田;非根际土壤中，NW+Si处理稻田的N2O还原速率显著高于CK稻田，而NW处理稻田则显著低于CK稻田。

对于同一稻田根际土壤而言，CK稻田和NW+Si处理稻田的N2O还原速率在3个不同氮添加处理下没有显著差异，且NW处理稻田和Si处理稻田在添加NH+4-N和尿素条件下也无显著差异。对于非根际土而言，除了Si处理稻田之外，其他3种稻田的N2O还原速率在3个不同氮添加处理下差异显著。

2.5 外源氮对稻田土壤N2O还原速率的影响效应

为了综合评价外源氮对4种稻田土壤N2O还原速率的影响效应，将每种稻田类型的根际土壤和非根际土壤，以及3种外源氮添加处理下的N2O还原速率进行合并后计算其平均值，研究施加氮肥对稻田N2O还原速率影响的综合特征。由图3可知，在无氮添加条件下，NW处理稻田和Si处理稻田的N2O还原速率均显著高于CK稻田，而NW+Si处理稻田则显著低于CK稻田;在添加氮条件下，与CK稻田相比，NW处理稻田的N2O还原速率有所降低，Si处理稻田有所提高，而NW+Si处理稻田则显著高于CK 稻田，增加了15.5%。

2.6 N2O还原速率与土壤理化性质的回归分析

将无氮添加条件下稻田土壤的理化性质与N2O还原速率进行回归分析。如图4所示，稻田N2O还原速率与土壤DOC、NH+4-N、NO-3-N含量均呈正相关关系。其中，N2O还原速率与土壤DOC含量的回归方程达到显著水平（P<0.05）， 说明土壤DOC含量可能是影响N2O还原速率的重要因素。

3 讨论

N2O还原是土壤反硝化作用的最后一个反应步骤，决定着反硝化过程的N2O排放量大小。已有大量研究结果表明，许多环境因素如土壤温度对反硝化过程有着重要的影响[12-13]。以往的研究大多选用模拟全天增温方式，这种增温方式不符合未来气候变暖的增温特征。本试验选择田间开放式夜间增温系统开展研究，结果表明夜间增温处理促进了稻田根际土的N2O还原速率。反硝化作用是由微生物介导的酶促反应，其反硝化微生物的适宜温度范围较大，为5～75 ℃，在此范围内其微生物活性随温度升高而增加。不僅如此，有报道称增温引起土壤水分中氧气的溶解度减小，会大大增强土壤反硝化过程的温度依赖性[13-14]。大量研究结果显示，增温促进了农田包括稻田的土壤N2O排放通量[15-17]。究其原因可能是增温对反硝化过程各反应步骤的影响效应不同所致。Tan等[18]发现，增温条件下，反硝化过程中NO→N2O的N2O产生速率增幅高于N2O→N2的N2O还原速率增幅，即N2O产生速率的Q10值高于N2O还原速率的Q10值。Hallin等[19]还发现，大多数土壤中介导N2O产生的nirK基因通常比介导N2O还原的nosZ基因数量高出一个数量级，且在增温条件下这些基因数量特征与N2O排放量高度相关。因此，夜间增温尽管可提高稻田土壤N2O还原速率，但可能更会促进N2O产生速率，最终导致N2O净排放量增大[20]。不仅如此，在施加硝态氮肥条件下，增温稻田根际土壤和非根际土壤的N2O还原速率均与对照稻田没有差异，暗示夜间增温情景下，施加硝态氮肥可能具有更大的N2O排放风险。

硅是水稻生長的有益元素[21]。尽管土壤中硅的总量很高，但是植物可利用的有效硅含量极低，许多地区的稻田处于低硅或缺硅水平。本试验点的土壤有效硅含量远低于100 mg/kg，属于低硅稻田，且长期施用硅肥提高了稻田土壤的有效硅含量。本试验发现，施硅处理提高了稻田土壤N2O还原速率。Song等[10]报道施用偏硅酸钠后稻田土壤N2O排放通量降低了66%，Wang等[22]报道施加CaSiO3钢渣促使稻田N2O排量降低了98%。Richardson[23]等和林德华[24]认为，施硅可降低土壤反硝化过程中N2O/N2的比例，而无硅则有利于农田的不完全反硝化过程，N2O排放量增加。施硅可促进水稻根系生长，提高根系竞争土壤活性氮能力[25-26]，不利于反硝化过程的进行。同时，根系快速生长时分泌到土壤中的有机碳会增多，土壤有机碳/活性氮比值的提高[27]，有利于完全反硝化过程的进行，N2O排放量减少。本试验中，施硅对N2O还原速率的影响效应在不施氮稻田根际土中表现更为明显。另一方面，本试验中施用的钢渣硅肥中铁成分可能参与了N2O产生/还原过程[28]。Song等[10]认为，施用富含铁的钢渣硅肥显著抑制了稻田土壤nirS和nirK基因的数量，而对nosZ无明显影响，导致N2O排放量下降。因此，施加硅肥既对水稻生长有益，又有利于N2O的减排。

外源氮输入对硅肥促进稻田N2O还原的效应具有重要影响。综合来看，施氮条件下，NW+Si稻田的N2O还原速率显著高于NW稻田，而在无氮条件下两者速率则正好相反。从不同肥料来看，在稻田非根际土中尿素的促进效应最为显著，而在根际土中硝态氮的促进效应最为明显。这说明在施氮条件下，硅肥可以促进夜间增温稻田的N2O还原速率。硝态氮在稻田中易迁移，且是反硝化作用的底物，而尿素需要转化为铵态氮后，才会被植物或微生物吸收利用。比较而言，硅肥对N2O还原潜力的促进效应，在施用尿素条件下应更为安全、有效。因此，在未来气候变暖背景下，尿素配施硅肥可能是一个缓解稻田N2O排放的有效栽培措施。

本试验仅研究了增温、施硅对稻田N2O还原潜力的影响，没有综合考察这2个要素对稻田N2O产生潜力的影响，以及反硝化微生物群落结构及功能基因数量特征对此两要素的响应。因此需要采集更多的典型稻田土壤，从N2O消长两方面以及功能微生物角度深入研究未来增温背景下施肥方式对稻田N2O排放的影响机理。

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（责任编辑：张震林）

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