不同灌溉模式和施氮量下稻田N2O排放與有機氮組分的關系

韋至激， 方澤濤， 李伏生， 黃忠華， 譚文艷， 羅維鋼

(1.廣西大學農學院/廣西喀斯特地區節水農業新技術院士工作站/廣西高校作物栽培學與耕作學重點實驗室，廣西南寧 530005；2.南寧市灌溉試驗站，廣西南寧 530001)

稻田生態系統是大氣中氧化亞氮(N2O)的重要來源之一，土壤N2O排放與水肥管理有較大關系[1-2]。灌溉方式不同，土壤N2O排放不同，長期淹水降低土壤N2O的排放[3]，間歇灌溉早晚稻田N2O排放通量高于淹灌稻田，其稻田N2O累積排放量也顯著高于淹灌稻田[4]；控制灌溉稻田N2O排放通量在水稻全生育期大部分時間都要大于淹灌稻田[5]。“薄淺濕曬”和常規灌溉稻田N2O排放通量一般低于干濕交替稻田[6-7]。不同施氮量對土壤N2O排放通量的影響結論基本一致。稻田N2O排放量隨氮肥用量的增加呈增加趨勢[8]；就水稻生長全季而言，高施氮量下，稻田N2O排放總量顯著增加[9]。

土壤中90%以上的氮是以有機態化合物存在的[10]。按Bremner提出的劃分方法，土壤有機氮可分為氨態氮、氨基酸氮、氨基糖氮、酸解未知氮等形態[11]。土壤有機氮各組分含量受到土壤類型、土壤層次、耕作方式和氮肥管理等因素的影響[12]。研究表明，施用無機肥和有機肥均能顯著提高土壤酸解有機氮及非酸解氮含量[13-14]，施用尿素能提高土壤酸解銨態氮含量，降低土壤氨基酸態氮含量[15-16]，土壤中殘留的化肥氮主要轉化為酸解未知氮和氨基酸氮[17]。施用氮肥對土壤銨態氮和土壤氨基糖氮含量的影響較小，而對土壤氨基酸態氮和酸解未知態氮含量的影響較大[18]。不同灌溉方式也對土壤有機氮組分有影響，如姬景紅等研究指出，除個別層次外，滴灌和滲灌土壤氨基酸態氮、氨基糖態氮及氨態氮占全氮的比例高于溝灌土壤，而酸解未知態氮和非酸解氮占全氮的比例則低于溝灌土壤[19]。“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式是我國南方應用較為廣泛的稻田節水灌溉模式。“薄、淺、濕、曬”模式的控水要點為：薄水插秧、淺水返青、分蘗前期濕潤、分蘗后期曬田；拔節孕穗、抽穗揚花期薄水、乳熟期濕潤、黃熟期先濕潤后落干、水稻穗部勾頭前濕潤、勾頭后自然落干[20]。干濕交替灌溉模式是在水稻生育過程中，在一段時間里保持水層，田間水自然落干至土壤不嚴重干裂再灌水，再落干，如此循環等[21]。然而對于這2種灌溉模式如何影響稻田土壤有機態氮組分以及有機氮組分對土壤N2O排放的影響研究較少，所以須進一步研究來加以闡明。

因此，本研究通過2季水稻田間試驗，測定不同時期稻田N2O排放通量，并用Bremner提出的酸解法測定土壤不同有機氮組分含量，探討不同灌溉模式和施氮量下不同時期稻田N2O排放通量和有機氮組分含量的變化規律，并分析采土當天稻田N2O排放通量與各有機氮組分含量之間的關系，以揭示土壤有機氮組分對稻田N2O排放通量的影響機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年7月至2016年7月在廣西壯族自治區南寧市灌溉試驗站(22°52′58.33″N、108°17′38.86″E)進行，該站年平均日照時數為1 827 h，年平均氣溫21.6 ℃，年降水量為1 304.2 mm。試驗期間2015年8—11月降水量分別為194.2、198.2、30.5、93.3 mm，2016年4—7月降水量分別為 37.1、153.5、334.1、75.5 mm。試驗土壤為第四紀紅色黏土發育的水稻土，試驗前0～20 cm耕層土壤基本理化性質分別為：pH值7.0、有機碳含量17.3 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、堿解氮含量111.7 mg/kg、速效磷含量48.9 mg/kg和速效鉀含量88.0 mg/kg。試驗灌溉用水pH值為7.6。晚稻和早稻品種均為內5優8015，屬秈型三系雜交水稻。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用過磷酸鈣(含P2O514%)，鉀肥用氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 試驗方法

2季水稻田間試驗設常規灌溉(CIR)、“薄淺濕曬”灌溉(TIR)和干濕交替灌溉(DIR)3種灌溉模式，它們的水分控制標準見筆者所在課題組劉靖雯等的研究[7]；2種施氮處理：N1(施氮量120 kg/hm2)和N2(施氮量150 kg/hm2)的P2O5和K2O用量分別為60、120 kg/hm2。N1處理尿素用量為 260.9 kg/hm2，N2處理尿素用量為 326.1 kg/hm2，各處理過磷酸鈣和氯化鉀用量分別為 429、200 kg/hm2。所有處理尿素和氯化鉀均按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=2 ∶1 ∶1施入土壤，而全部過磷酸鈣作基肥。試驗共設6個處理，每個處理重復3次，每個小區面積為25 m2。小區之間用25～26 cm厚水泥紅磚墻分開，以防不同小區之間水分相互側滲，并在降雨過多時獨立排水。

1.3 土壤樣品采集與測定

試驗分4次采集土樣，即在分蘗期、孕穗期、乳熟期和成熟期采集耕作層土壤樣品，每次采樣時間為灌水日后1 d的上午，每小區用土鉆按S形散點采樣法采集0～20 cm土層土壤，剔除土壤中作物根系、雜草和石子并混勻，放入編號過的自封袋中，帶回實驗室將土壤樣品放入風干室內進行自然風干，風干后過1 mm篩，保存在陰涼處。

土壤有機氮組分用Bremner酸解法測定[22]，分別測定土壤酸解總氮、氨基酸態氮、酸解氨態氮和氨基糖氮含量。土壤酸解未知態氮含量=酸解總氮含量-氨基酸態氮含量-酸解氨態氮含量-氨基糖氮含量。土壤非酸解性氮含量=土壤全氮含量-酸解總氮含量。

1.4 N2O采集與測定

田間N2O的采集用靜態封閉箱法，參考筆者所在課題組劉靖雯等的研究[7]。水稻返青后開始采樣，采樣時底座與箱體的連接處加水密封，每次采樣時間在09：00—11：00進行，分別在蓋箱后0、5、10、15、20、25、30 min用50 mL的注射器連續采樣7次，同時記錄采樣時電子溫度計的讀數。由于與另一試驗同時進行，限于實驗室條件和人力限制，每周僅采樣1次，晚稻和早稻生育期內稻田N2O分別采集10、12次。N2O濃度用Agilent 7890A GC氣相色譜儀測定，N2O排放通量計算方法參考筆者所在課題組劉靖雯等的研究[7]。

1.5 統計分析

試驗數據統計分析用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2007分析軟件，多重比較用Duncan’s法，差異顯著性水平為 0.05。用采土當天稻田N2O排放通量與各有機氮組分含量進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 稻田N2O排放通量

從圖1可以看出，種植晚稻時，N1處理下3種灌溉模式在施肥后出現1次較大的N2O排放峰，在移栽后76 d出現較大的排放峰，CIR模式稻田N2O排放通量比TIR和DIR模式低。晚稻整個生育期稻田N2O平均排放通量總體表現為CIR模式小于TIR和DIR模式。而種植早稻時，N1處理下，只有DIR模式稻田N2O排放通量有1次較大的排放峰，排放峰出現在移栽后68 d，CIR和TIR模式稻田N2O排放通量沒有出現明顯的N2O排放峰。早稻整個生育期中N2O平均排放通量總體表現為CIR模式小于TIR和DIR模式。

提高施氮量為土壤提供了更高的氮素養分，從而影響土壤硝化作用和反硝化作用反應底物濃度，增加土壤N2O的排放通量。與N1處理相比，N2處理晚稻整個生育期N2O平均排放通量有顯著提高。在CIR和DIR模式下，N2處理早稻整個生育期稻田N2O平均排放通量較N1處理有顯著提高。

2.2 有機氮組分含量

2.2.1 酸解總氮 從圖2可以看出，土壤酸解總氮含量隨著水稻生育期的變化而表現出不同的規律。N1處理下，2季水稻DIR模式土壤酸解總氮含量在分蘗期到乳熟期均顯著高于CIR和TIR模式，但是在成熟期含量急速下降，而CIR和TIR模式土壤酸解總氮含量之間沒有顯著差異。DIR模式土壤酸解總氮含量在分蘗期到孕穗期先有所增加，然后在孕穗期到成熟期持續下降至小于分蘗期，而CIR和TIR模式土壤酸解總氮含量均表現為成熟期顯著大于分蘗期。N2處理下，2季水稻DIR模式土壤酸解總氮含量變化規律為先上升后下降，CIR模式為先下降后上升，TIR模式早稻晚稻變化規律不一致，晚稻為先上升后下降，早稻為先上升后下降最后又上升。早稻前3個時期中，土壤酸解總氮含量一直表現為DIR>CIR>TIR。因此，DIR模式提高了土壤酸解總氮含量，但施氮量對土壤酸解總氮含量的影響不顯著。

2.2.2 非酸解性氮 從圖3可以看出，土壤非酸解性氮含量在水稻不同生育期中變化較大。N1處理下，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，其余時期土壤非酸解性氮含量均顯著大于TIR和DIR模式；TIR和DIR模式土壤非酸解性氮含量均表現為持續下降的趨勢；早稻3種灌溉模式土壤非酸解性氮含量之間的差異不顯著；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處理下，早稻3種灌溉模式土壤非酸解性氮含量均在分蘗期到乳熟期不斷下降，在乳熟期到成熟期有顯著的增加；晚稻3種灌溉模式土壤非酸解性氮含量均表現為生育末期大幅度下降的趨勢，其中以TIR模式變化最劇烈。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 氨基酸態氮 不同水稻生育期土壤氨基酸態氮含量差異顯著(圖4)。N1和N2處理下，2季水稻3種灌溉模式土壤氨基酸態氮含量在分蘗期最高，然后持續下降。土壤氨基酸態氮含量在水稻各生育時期中多表現為CIR>TIR>DIR，其中，晚稻TIR和CIR模式多數時期土壤氨基酸態氮含量差異不顯著，而DIR模式多數時期土壤氨基酸態氮含量顯著小于另外2種灌溉模式。因此，DIR模式降低土壤氨基酸態氮含量，而施氮量對土壤酸解總氮含量的影響不顯著。

2.2.4 酸解氨態氮 從圖5可以看出，不同灌溉模式對土壤酸解氨態氮含量有顯著的影響，N1和N2處理下，2季水稻DIR模式土壤酸解氨態氮含量顯著大于CIR和TIR模式，其中以孕穗期的差異最明顯。晚稻TIR模式土壤酸解氨態氮含量顯著大于CIR模式，而早稻兩者之間無差異。3種灌溉模式下，土壤酸解氨態氮含量隨著氮肥量而增加。因此，DIR模式有利于提高土壤酸解氨態氮含量，增加施氮量也提高土壤酸解氨態氮含量。

2.2.5 氨基糖態氮 不同生育期差異土壤氨基糖態氮含量比較顯著(圖6)。N1和N2處理下，在2季水稻分蘗期到乳熟期，CIR和TIR模式土壤氨基糖態氮含量變化不顯著，而到成熟期顯著增加，DIR模式土壤氨基糖態氮含量總體表現為下降趨勢。DIR模式土壤氨基糖態氮含量在分蘗期到乳熟期顯著大于CIR和TIR模式。DIR模式下，除晚稻成熟期以外，N2處理2季水稻其他時期土壤氨基糖態氮較N1處理均有所提高。因此，不同灌溉模式對土壤氨基糖態氮含量有顯著影響，DIR模式有利于土壤氨基糖態氮含量的增加，提高氮肥施用量也增加土壤氨基糖態氮含量。

2.2.6 酸解未知態氮 不同灌溉模式和氮肥量對土壤酸解未知態氮含量有一定的影響(圖7)。N1和N2處理下，2季水稻DIR模式土壤酸解未知態氮含量在分蘗期到乳熟期大多顯著大于CIR和TIR模式。早稻3種灌溉模式下，N1處理下土壤酸解未知態氮含量在水稻各生育期均大于N2處理，而晚稻3種灌溉模式下，N1和N2土壤酸解未知態氮含量之間的差異不顯著。因此，DIR模式提高土壤酸解氨態氮含量，而增加施氮量則降低早稻土壤酸解氨態氮含量。

2.3 相關性分析

對2季水稻各生育期稻田N2O排放通量與有機氮組分之間進行相關性分析，如表1所示。稻田N2O排放通量與氨基糖態氮含量之間呈極顯著正相關，相關系數為0.410；與酸解氨態氮含量之間呈顯著正相關，相關系數為0.331；但與土壤氨基酸態氮含量之間呈顯著負相關，相關系數為-0.326。此外，稻田N2O排放通量與其他有機氮組分之間的關系不顯著。因此，稻田N2O排放通量會受到土壤氨基糖態氮含量、酸解氨態氮含量和氨基酸態氮含量的綜合影響。

表1 不同灌溉模式和施氮量下稻田N2O排放與有機氮組分的關系

注：*表示差異顯著，r0.05=0.285；**表示差異極顯著r0.01=0.368，n=48；ASN為氨基糖態氮；AN為酸解氨態氮；AAN為氨基酸態氮；THAN為酸解總氮；HUN為酸解未知態氮；NHN為非酸解性氮。

3 討論

灌溉模式影響稻田土壤水分狀況，從而影響水稻不同生長階段N2O向大氣的排放通量。節水灌溉方式，特別是干濕交替灌溉對稻田N2O排放通量有顯著影響[23]。本研究表明，與CIR模式相比，TIR和DIR模式促進2季水稻N2O平均排放通量的提高。原因可能是：一方面節水灌溉相對常規淹水灌溉具有更好的通氣性，提高土壤氧化還原電位，促進硝化反應和反硝化反應中N2O的產生；另一方面節灌土壤中產生的N2O容易通過土壤孔隙內氣體介質擴散排放，而淹水灌溉稻田由于水層較厚，未能及時排放到大氣中的N2O在厭氧條件下發生進一步還原作用，最終以分子態(N2)的形式釋放，從而降低N2O的排放量。

水稻追施氮肥、曬田等田間管理措施通過提高土壤有效氮量、降低土壤含水量或提高田間氧化還原電位來促進稻田N2O的排放通量。提高施氮量可以增加土壤中氮素養分含量，在土壤微生物作用下促進土壤中氮素發生硝化作用，從而提高稻田N2O排放通量。農田氮素的輸入增強了稻田N2O排放，梁國慶等指出，N2O排放所損失的氮素占肥料氮的 0.39%～0.47%[24]；張惠等指出，化肥施用量的增加是引起N2O排放量增加的主要原因[25]。本試驗N2處理下，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次排放峰都出現在施肥或曬田之后，這與彭世彰等的研究節灌稻田N2O排放通量的2次較大排放峰值主要出現在施肥1周后，曬田和土壤水分落干都會引起土壤N2O的大量排放相一致[26]。

田冬等發現，實現土壤有機氮向無機氮的轉化，充分發揮土壤氮素養分的有效性以及氮素地球生物化學循環，須要經過土壤氮素礦化過程[27]。土壤含水量對有機氮的礦化有重要影響。土壤水分管理通過改變土壤通氣性、微生物數量與活性，從而影響土壤有機氮的礦化作用。胡曉航等指出，土壤氮礦化的最佳土水勢在0.01～0.03 MPa之間，表明本試驗中土壤水分長期處于0～0.015 MPa的DIR模式，有利于土壤氮素的礦化[28]。張威等通過綜述干濕交替條件下土壤氮素轉化及其影響的研究進展，表明干濕交替模式顯著影響土壤有機氮的礦化[29]。不同有機氮組分在土壤中的礦化分解難易程度也有所差異。李菊梅等指出，土壤可礦化氮主要來自土壤酸解有機氮，而非酸解有機氮則相對穩定，有利于有機氮的保存[30]。本試驗表明，與CIR和TIR模式相比，通氣良好的DIR模式有利于提高土壤酸解氨態氮和氨基糖態氮含量，降低氨基酸態氮含量，可能原因是DIR模式通氣性較好，影響土壤有機質腐殖化過程，致使土壤中有機質品質產生差異，促進土壤結構復雜的未知態氮、非酸解態氮向結構相對簡單的酸解氨態氮和氨基糖態氮轉化。

土壤肥料被施入土壤中后經過土壤生物和植物的吸收同化以有機氮形態殘留在土壤中，殘留在土壤中的部分有機氮又經過微生物作用轉化形成土壤中較為穩定的有機氮。與低氮處理相比，高氮處理主要通過增加土壤中NH4+的含量，降低土壤pH值和刺激微生物生長等途徑影響土壤氮素轉化，有研究表明，土壤有機氮礦化速度隨施氮量的增加而提高，徐陽春等指出，化學氮肥顯著增加土壤相對易水解的酸解氨態氮含量[31]，而本試驗表明，N2處理顯著增加土壤酸解氨態氮和氨基糖態氮含量。

本研究相關性分析結果表明，稻田N2O排放通量與土壤氨基糖態氮含量和酸解氨態氮含量之間呈顯著正相關，而與土壤氨基酸態氮含量之間呈負相關，因此土壤氨基糖態氮、酸解氨態氮和氨基酸態氮含量對稻田N2O排放有直接影響。

4 結論

N1和N2處理下，TIR和DIR模式稻田N2O平均排放通量較CIR模式高。CIR和DIR模式下，N2處理整個生育期N2O平均排放通量較N1處理高。

與CIR模式相比，DIR模式能提高土壤酸解氨態氮和氨基糖態氮含量，降低土壤氨基酸態氮含量；N2處理土壤酸解氨態氮和氨基糖態氮含量較N1有顯著增加。

稻田N2O排放通量與土壤氨基糖態氮和酸解氨態氮含量之間呈顯著正相關，但與土壤氨基酸態氮含量呈顯著負相關，這表明稻田N2O排放通量受土壤氨基糖態氮、酸解氨態氮和氨基酸態氮含量的綜合影響。

致謝：感謝廣西大學農田水肥高效利用與環境生態2017年畢業研究生和南寧灌水試驗站全體工作人員的積極配合！

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