稻田土壤N2O排放特征及—影響機制研究進展

摘 要： 全球人類活動所產生N2O的60%來源于農業土壤，稻田土壤是主要的農田土壤之一，氮肥的大量投入導致土壤N2O排放量的增加。明確稻田土壤N2O排放特征及其影響機制，對實現稻田生態系統N2O減排和減緩全球氣候變暖有重要意義。本文著眼于稻田水分以及灌溉管理發展趨勢，基于稻田優化灌溉管理和施肥等新措施，綜述了稻田土壤N2O排放特征及影響機制，為有關研究提供參考，最后提出稻田土壤N2O排放影響機制的一些設想。

關鍵詞： 水稻土；N2O；排放特征；影響因素

基金項目：河南省科技創新人才計劃項目（174100510021）

中圖分類號：S275.6 文獻標志碼：A

隨著我國現代化進程的穩步推進，生活、工業以及生態環境用水量呈逐年增加的趨勢[1]，導致了農業生產用水供需矛盾加劇[2]。全球氣候變化對農業發展帶來了嚴峻挑戰。氧化亞氮（Nitrous oxide；N2O）隨其大氣濃度的不斷上升而受到人們越來越多的關注和重視。有統計顯示全球人類活動所產生N2O的60%來源于農業土壤，稻田是農田土壤的重要組成，與旱地不同，水稻土的干濕交替會導致N2O的大量排放；另外為了提高稻米產量，氮肥的大量投入亦會導致土壤N2O排放量的增加。這不僅在一定程度上加劇全球氣候變暖，同時氮肥的高投入低利用，也導致氮肥的損失以及增加農田N2O排放、加重地下水氮素污染等環境問題。

自60年代至2010年我國糧食產量增加了8倍，但氮肥用量卻增加了55倍，其中水稻單季氮肥施用量為180 kg·hm-2，是世界平均用量的1.75倍。施氮以及水分調控是農業生產的重要措施[3]，土壤水分、施肥、耕作等措施均能調控土壤微環境、影響土壤硝化與反硝化過程，進而影響土壤N2O的產生、消納以及排放[4]。同時，淹水-烤田-間歇灌溉（干濕交替）和養分綜合調控等應用顯著影響著稻田土壤N2O的排放，但針對這些農作措施對稻田土壤N2O排放影響的機制尚不明確。因此綜述稻田土壤N2O排放特征及影響機制，對實現稻田生態系統N2O減排以及全球氣候變暖減緩有著重要意義。

1 稻田土壤N2O排放特征

1.1 水分調控下稻田土壤N2O排放特征

土壤水分直接或間接影響土壤通氣性、氧化還原電位以及土壤微生物活動從而調控N2O的產生、消納和排放。鄭循華等[5]關于土壤濕度對稻麥輪作生態系統N2O排放的影響研究表明，在低濕度范圍內，土壤反硝化與硝化作用隨土壤濕度的增大而增大，當土壤充水孔隙度（Soil water filling porosity；WFPS）為77%～86%時，其N2O排放通量達到最大。彭世彰等[6]的研究也表明土壤WFPS為78%～85.1%時稻田生態系統的N2O排放通量達到最大。另外，有研究表明在不飽和含水條件下，N2O主要來源于硝化作用，在飽和含水條件下反硝化過程產生的N2O占據主導。有大量研究顯示稻田土壤在長期淹水條件下N2O的排放量相對較小，或出現一定的負排放，但間歇灌溉形成的干濕交替土壤環境，N2O排放量明顯高于持續淹水狀態，硝化與反硝化交替作用使其成為稻田N2O排放的重要過程。

1.2 施肥模式下稻田土壤N2O排放特征

羅良國等[7]長期不同施肥稻田N2O排放特征及其環境影響的研究結果表明：在水稻生長期各處理N2O排放通量無顯著性差異，在淹水期基本監測不到N2O的排放動態，且各處理均在曬田期出現較大峰值排放。趙崢等[8]研究了3種不同施肥條件對稻田溫室氣體排放的影響，結果表明水稻全生育期無機處理（尿素）、混施處理（尿素與有機肥純氮比4：1）、有機處理（有機肥）和空白處理N2O的平均排放通量分別為83.6、56.7、25.7和5.9 μg·m-2·h-1，且在基肥期、追肥期、烤田期以及水稻黃熟排水期出現排放峰值。稻田基肥一般隨翻耕施于土壤深層，而追肥多施于土壤表層，有研究顯示相比銨態氮肥土壤表層撒施，土壤深施有利于稻田生態系統N2O的減排。

2 稻田土壤N2O排放的關鍵驅動因子

2.1 土壤理化因素

氮源亦為硝化過程的底物也為反硝化過程的底物，土壤礦質氮的豐缺能夠顯著影響土壤N2O的產生與排放，一般狀態下土壤NH4+礦化產生速率小于硝化過程被氧化的速率，缺氧環境形成后NO3-還原酶迅速合成，硝化作用在一定程度被抑制，同時反硝化作用增強，有研究指出在一定濃度范圍內，反硝化速率與土壤NO3-濃度明顯呈正相關關系。此外，土壤NO3-濃度還能調控反硝化過程氣體產物的組成比例，NO3- 更易于作為電子受體被微生物利用，當土壤NO3-濃度較高時，反硝化過程局部受阻，導致底物反應不徹底[9]，從而導致氣體產物N2O/N2的比值升高。而土壤氧含量、土壤pH、土壤溫度以及土壤結構等亦會影響土壤N2O排放。

2.2 外源氮素施入、土壤水分調控對稻田土壤N2O排放的影響

施肥是提高糧食產量的重要措施，外源氮素的施入為N2O的產生提供大量氮源，進而增加稻田生態系統N2O的排放。同時水稻生育前期持續淹水、中期短暫烤田、后期干濕交替的灌溉管理模式已日趨成為稻田水分調控管理的主要措施，持續淹水形成的厭氧環境，促使生成的N2O被進一步還原為N2，在一定程度上抑制了N2O的排放，徐華等[10]有關土壤水分對稻田N2O排放影響的田間研究發現持續淹水、中期短暫烤田以及后期干濕交替階段N2O的平均排放通量分別為1.02、47.99 和 23.87 μg·m-2·h-1，中期烤田以及干濕交替通過調控土壤水分狀況間接或直接改善土壤通氣性、氧化還原狀況，有利于硝化反硝化作用同步或交替進行，進而增加N2O的產生與排放。

2.3 土壤關鍵特征酶以及微生物關鍵基因對稻田土壤N2O排放的影響

傳統的方法與手段深入研究解釋土壤N2O產生與釋放的驅動機理存在一定難度，但分子生物學能從微觀的角度揭示土壤微生物種群特征、群落結構與N2O產生與釋放之間的相對關系，進而能夠闡明土壤N2O排放的部分驅動機制。稻田土壤N2O排放主要由微生物主導的反硝化作用來驅動，依次由narG 和 napA基因編碼的硝酸還原酶、nirK和nirS基因分別編碼的含銅亞硝酸還原酶和含細胞色素亞硝酸還原酶、norB基因編碼的氧化氮還原酶、nosZ基因編碼的氧化亞氮還原酶逐級驅動。缺氧環境形成后NO3-還原酶能夠迅速合成，促進反硝化作用，大多數研究認為N2O的排放與反硝化微生物的量不相關，同時也有研究顯示N2O 釋放量與某類N2O還原細菌（nosZ）的相對數量呈顯著相關[11]，而高濃度硝酸鹽會一定程度抑制N2O還原酶活性，導致反硝化過程不徹底，從而會造成氣體產物N2O/N2的比值升高[12]。顯然由于研究對象的復雜性，土壤關鍵特征酶以及微生物活性與稻田土壤N2O排放還存在眾多不確定性因素，研究其作用機制應綜合考慮與與土壤環境的關系。

3 展 望

一般來說施肥在一定程度上促使土壤N2O的排放，稻田基肥深施有利于土壤N2O的減排，而不同配比方式有機肥對稻田系統N2O的排放影響尚沒有統一的定論。稻田常規淹水灌溉條件下最具N2O減排潛力，但長期淹水條件會在一定程度上促進溫室氣體甲烷的排放，而中期烤田以及后期干濕交替的水分管理模式會顯著增加土壤N2O的排放，因此綜合考慮水分管理對稻田小生態環境的影響是優化農措水分調控的前提。土壤微環境、土壤結構、水分條件、施肥以及其它農作措施等都能在一定程度上影響稻田生態系統N2O的排放，只有深入的了解其相互的作用關系以及對N2O的排放的作用機制，才能合理的優化管理生產模式，從而實現合理的N2O的減排。

參考文獻

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作者簡介：劉智遠（199107-），男，漢族，河南省魯山縣，華北水利水電大學，碩士研究生（632869221@qq.com），主要從事節水灌溉理論與技術研究。