大氣CO2濃度升高背景下優化施氮對淹水稻田CH4排放的影響

摘要：為探討未來氣候變化條件下，合理管理氮肥以充分協調水稻產量與溫室氣體排放量之間的矛盾，實現低碳排放并保持水稻產量，本研究探討了大氣CO2濃度升高120 μmol·mol-1與氮肥減施40%對淹水稻田水稻生產及CH4排放的影響及機理。利用開頂式氣室（OTC）組成的CO2濃度自動調控平臺設置4個處理，即環境CO2濃度+施氮250 kg·hm-2（CK）、大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+施氮250 kg·hm-2（C+）、環境CO2濃度+施氮150 kg·hm-2（N-）、大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+施氮150 kg·hm-2（C+N-），分析了稻田CH4累積排放量（CAC）、水稻生物量及產量、土壤理化性質及酶活性等指標。結果表明：與CK處理相比，C+處理使CAC/產量顯著提高了16.93%，N-處理使CAC/產量顯著降低了13.33%，C+N-處理使CAC／產量降低了7.89%，但不顯著；N-處理在一定程度上削弱了C+處理對CAC、CAC/產量、水稻生物量、土壤可溶性有機碳含量的促進作用；逐步回歸分析表明，基于可溶性有機碳和硝態氮含量及土壤脲酶活性的線性模型，可解釋稻田CH4累積排放64%的變異。綜上，在大氣CO2濃度升高條件下，氮肥減施可通過影響土壤碳、氮基質及土壤脲酶活性來調節稻田CH4排放。

關鍵詞：大氣CO2濃度升高；氮肥減施；CH4排放；水稻生產

中圖分類號：X144 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1666-11 doi：10.11654/jaes.2023-0927

隨著全球大氣溫度的不斷升高，人類社會的可持續發展受到極大威脅。二氧化碳（CO2）是導致全球氣候變暖的第一大溫室氣體，其濃度已由工業革命前的290 μmol·mol-1上升到目前的418 μmol·mol-1。作為第二大溫室氣體，甲烷（CH4）在百年時間尺度上的全球變暖潛能值是CO2的27.9倍，在大氣中存留時長為11.8 a。稻田是溫室氣體的重要排放源，對全球農田CH4排放的貢獻達10%-13%。因此，在全球氣候變化背景下，探索實現水稻豐產和稻田CH4減排的協同措施，對于保障國家糧食安全、減緩全球氣候變暖、實現我國2060年碳中和的國際承諾具有重要意義。

水稻是我國第二大糧食作物，常年種植面積約3 000萬hm2，有力地保障了國家糧食安全。我國人口基數的增長導致糧食需求增加，但從2017年至今，我國水稻播種面積和水稻產量一直呈下降趨勢。為實現水稻高產，農民常過量施用氮肥。高氮（N）投入在一定程度上提高了稻谷產量，但也帶來了N素利用率大幅下降、植株抗逆性差等生產問題，還引發了土壤N素淋洗量增加、周邊水體富營養化等環境問題，成為我國種植業可持續發展的重要制約因素。此外，農田施用氮肥會影響土壤理化性質，如土壤pH、Eh值、N含量，進而影響土壤CH4排放。然而，迄今為止，關于氮肥施用對稻田CH4排放的影響仍存在爭議。有研究報道，施氮量的增加導致稻田CH4排放量的增加，這可能是因為N素的施用促進了水稻生長，為CH4的產生提供了更多的碳（C）底物。也有研究者認為，施用尿素會誘導CH4氧化菌活性的增加，從而減少稻田CH4排放。另外還有研究者認為，不同施肥處理之間的稻田CH4排放無顯著性差異。李新華等在山東的試驗結果顯示，與常規施氮處理相比，減氮20%處理能夠促進CH4的吸收，從而達到減排效果；戴相林等發現，化肥氮減施40%較全量化肥氮處理的CH4累積排放量顯著降低；類似地，顧一凡和史經康均指出氮肥減量50%對于CH4減排的效果最顯著，常規氮肥處理下的CH4排放通量最高。因此優化施氮對于CH4減排具有一定的抑制作用，然而其范圍的選擇仍存在爭議。

國內外研究者利用不同的CO2濃度升高平臺，研究了CO2濃度升高（大多升高200 μmol·mol-1）對水稻生長及稻田CH4排放的影響。大部分研究者認為，CO2濃度升高200 μmol·mol-1可促進水稻生長，增加根系分泌物，為產甲烷菌提供更多的C底物，提高產甲烷菌的活性，從而促進稻田CH4排放。值得注意的是，在中等排放情景下，預計到2100年，大氣CO2濃度將達到538-670 μmol·mol-1，換言之，與當前大氣環境CO2濃度相比，2100年CO2濃度將升高116-248 μmol·mol-1。因此，僅研究C02濃度升高上限（200 μmol·mol-1）對稻田生態系統的影響，不能完全模擬未來大氣CO2濃度升高影響的真實情景。有必要研究CO2濃度升高下限（120 μmol·mol-1）對水稻生長及稻田CH4排放的影響，以在未來氣候變化條件下，更全面地探索實現水稻豐產和稻田CH4減排的協同措施。此外，目前關于CO2濃度升高和N有效性對稻田CH4排放的交互作用的研究較少。N有效性在多大程度上調節CO2濃度升高對單位產量稻田CH4排放的作用及潛在機制仍有待揭示。國家統計局2022年調查報告指出，我國年氮肥消耗量高達2.6×107t，平均田間施N水平高于200 kg·hm-2，已大幅超出國際平均水平。同時，Yin等基于N素動態平衡優化管理方法對我國水稻進行了施肥定額：水稻平均氮肥用量（以N計）為155 kg·hm-2，范圍在132-177 kg·hm-2內可實現最優產量，并最大限度地減少N損失。因此本研究利用開頂式氣室（OTC）模擬了大氣CO2濃度升高120 μmol·mol-1，并協同氮肥減施40%，研究了CO2濃度升高和氮肥減施對水稻生產及稻田CH4排放的綜合影響及機理，旨在未來氣候變化條件下，探索合理的氮肥管理措施，以協同實現水稻豐產和稻田CH4減排。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于南京信息工程大學農業氣象與生態試驗站（118°42＇E，32°16＇N），該地屬亞熱帶季風氣候，年降水量為1258 mm，相對濕度為76%，年平均氣溫為17.4℃。供試土壤為潴育型水稻土（灰馬肝土屬），耕作層為壤質黏土，黏粒的含量為26.1%，pH（H20）為6.3，有機碳和全氮含量分別為11.95 g·kg-1和1.45 g·kg-1。

1.2 試驗設計

利用基于開頂式氣室（OTC）的CO2濃度自動調控系統，輔以氮肥管理措施，于2018年水稻生長季開展不同CO2濃度升高和氮肥施用量的農田控制性試驗。試驗采用區組設計，設置4個處理：①環境CO2濃度+常規施氮處理（CK）；②大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+常規施氮處理（C+）；③環境CO2濃度+氮肥減施40%處理（N-）；④大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+氮肥減施40%處理（C、N-）。每個處理設置4個重復。氮肥水平：常規施氮（N1，250 kg·hm-2）和氮肥減施40%（N2，150 kg·hm-2）。

供試水稻品種為南粳9108。田間水分管理方式為持續淹水。肥料運籌包括基肥、蘗肥和穗肥，基肥使用復合肥（N：P：K=15：15：15），蘗肥和穗肥使用尿素（N質量分數為46.6%）。基肥占50%（N：125 kg·hm-2，N，75 kg·hm-2，以N計）、蘗肥占35%（N，87.5 kg·hm-2，N：52.5 kg·hm-2，以N計）、穗肥占15% （N：37.5kg·hm-2，N222.5 kg·hm-2，以N計）。

1.3 CO2濃度控制

CO2濃度由田間CO2濃度自動調控系統控制，該系統由12個OTC、一套計算機控制系統和一套供氣裝置組成。OTC為高3m、底面積10 m2、對邊直徑3.75 m的正八邊形棱柱體，鋁合金框架，覆蓋高透光性普通玻璃（厚度3 mm，透光率＞90%）。為了減緩氣體散失速度，頂部開口向內傾斜45°。每個OTC內配備一個CO2傳感器（CMM 222，Vaisala，Finland），量程0-2 000 μmol·mol-1，精度±20 μmol·mol-1，懸掛于土壤表面1.5 m高處。自動控制系統包括CO2感應模塊、閥控制模塊、流量控制模塊、加壓模塊、主控板、數據采集等。利用杜瓦罐液態CO2作為氣源（CO2純度99%）。CO2傳感器每2s向自動控制系統反饋OTC內部的實時CO2濃度。當CO2濃度低于目標濃度時，控制系統自動打開電磁閥，向OTC內補充CO2氣體，反之電磁閥保持關閉。

1.4 樣品采集與測定

每個OTC種植區內置5個圓形陶瓷底座（高5cm，內徑20 cm），每個底座內種植3穴水稻植株，其中4個底座分別用于分蘗期、拔節期、灌漿期和成熟期的水稻指標和土壤指標的測定，另外1個底座用于CH4通量的觀測。

1.4.1 CH4通量測量

CH4通量采用透明靜態箱-激光溫室氣體（GHG）分析儀測量。靜態箱為高透光率有機玻璃圓筒（高1m，直徑0.2 m），頂部留有3個圓孔，用于安裝溫度計和進出氣管線。陶瓷底座邊緣有2.5 cm寬的凹槽，其直徑與靜態箱直徑吻合，觀測時向凹槽注水以密封靜態箱和底座。此外，靜態箱內置一個風扇以防止溫度升高，并確保測量過程中空氣充分混合。利用內徑為6.35 mm的特氟龍管，將靜態箱與LGR超便攜式溫室氣體分析儀（915-0011，Los Gatos Research，USA）連接，觀察CH4排放交換率。

在水稻關鍵生育期對CH4通量進行觀測，觀測時間為北京時間8：00-11：00，每周1-2次，每個陶瓷底座觀測15 min。為消除靜態箱中水汽增加的影響，利用CH4的干混比計算箱內CH4濃度隨時間變化的斜率，得到CH4通量。公式如下：

式中：F為CH4通量，mg·m-2·h-1；H為采樣箱高度，m；m為CH：的摩爾質量，g·mol-1；及為通用氣體常數，8.314J·mol-1·K-1；T和P分別為箱內空氣溫度和空氣壓力，℃和hPa；dC/dt為觀察時間內CH4濃度隨時間變化的斜率；t為時間，s；C為t時刻被測氣體在箱內的體積混合比濃度，μg·L-1。

根據每對相鄰區間的實測通量，依次累積計算不同生長階段的CH4累積排放量（CAC，Cumulativeamount of CH4 emissions）。公式如下：

式中：CAC為CH4累積排放量，kg·hm-2；F為CH4通量，mg·m-2·h-1；i代表第i次采樣；ti+1-ti為兩個測定日期之間的間隔，d；n為總測量次數。

通過CAC除以水稻產量，得到按產量比例計算的CH4排放量（CAC/產量），代表單位水稻產量的CH4累積排放量。

1.4.2 水稻生物量及產量測定

在水稻關鍵生育期（分蘗期、拔節期、灌漿期和成熟期），將底座內的水稻植株貼地剪下獲得地上部分，挖出根部作為地下部分。樣品洗凈后按根、莖、葉、籽粒、穗軸分別裝入信封袋，105℃殺青1h，80℃烘干至恒質量后，分別記錄每袋干質量，并根據干質量與種植盆栽面積之比計算地上生物量和地下生物量，成熟期的籽粒干質量計為產量。

1.4.3 土壤理化性質及酶活性分析

在水稻關鍵生育期（分蘗期、拔節期、灌漿期和成熟期），采用直徑為50 mm的不銹鋼土壤采樣器，采用五點取樣法，在圓形基架中的水稻根系附近采集水稻土壤樣品（50-100 mm）。

土壤銨態氮（NH+4-N）含量使用2 mol·L-1 KCl浸提—靛酚藍比色法測定；土壤硝態氮（NO-3-N）含量使用酚二磺酸比色法測定。通過靛酚藍比色法測定脲酶活性；通過3，5-二硝基水楊酸比色法測定轉化酶活性；通過0.02 mol·L-1 KMnO4滴定法測定過氧化氫酶活性。以1：5的土水比提取土壤可溶性有機碳（DOC），振蕩搖勻2h，12 500 r·min-1離心20 min，利用0.45 mm過濾膜真空過濾后，使用總有機碳分析儀（Liqui TOC -ANALYZER， elemental Inc， German）測定DOC含量。以1：2.5的土水比懸浮液，振蕩搖勻0.5h，測定土壤pH值。

1.5 數據分析

統計分析采用SPSS 26.0完成。采用雙因素方差分析（ANOVA）研究不同CO2濃度處理、氮肥處理及兩者互作對稻田CH4累積排放量、作物指標和土壤指標的影響。采用最小顯著差異（LSD）檢驗不同處理下CH4累積排放量、作物指標和土壤指標的差異。采用Pearson相關分析確定不同處理下CH4累積排放量與土壤指標的兩兩相關性。利用逐步回歸分析確定稻田CH：排放的關鍵調控因子。制圖使用Origin2019繪圖軟件。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度升高和氮肥減施對水稻生物量和產量的影響

CO2濃度升高和氮肥減施處理下的水稻地上部生物量、根生物量和總生物量如圖1所示，產量如表1所示。單因素方差分析表明，在分蘗期、拔節期、灌漿期和成熟期，與CK相比，C、和C+N-處理對水稻地上、根及總生物量無顯著影響。在灌漿期，N-處理的水稻地上、根及總生物量較CK分別顯著下降了36.90%、18.09%和33.85%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，不同N處理和不同CO2處理對水稻地上部生物量和總生物量存在顯著的交互作用（P＜0．05）。

CO2濃度升高和氮肥減施條件下的水稻產量見表1。與CK相比，C+處理使水稻增產2.28%，而N-和C+N-處理使水稻分別減產5.31%和4.36%，但該作用均不顯著（P＞0．05）。雙因素方差分析表明，不同N處理和不同CO2濃度處理對水稻產量均無顯著影響，且兩者對水稻產量不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.2 CO2濃度升高和氮肥減施對稻田CH4排放的影響

2.2.1 稻田CAC

CO2濃度升高和氮肥減施處理下的稻田CH4累積排放量如圖2所示。不同處理下CH4累積排放量均呈先升高后降低的趨勢；不同生育階段CAC均表現為C、＞C、N-＞CK＞N-。在分蘗期、拔節期和成熟期，與CK相比，C+、N-和C+N-處理沒有顯著改變稻田CAC；在灌漿期，與CK處理相比，C、處理使CAC顯著增加了18.20% （P＜0.05），N-處理使CAC顯著降低了17.38%（P＜0.05）。

不同CO2濃度和不同氮肥水平下水稻全生育期CAC如表1所示。與CK處理相比，C+處理使稻田CAC增加了18 .28%，N-處理使稻田CAC降低了17.73%，C+N-處理使CAC增加了4.02%，但各處理的作用均不顯著（P＞0．05）。此外，與C+處理相比，C+N-處理使CAC降低了12.05%（P＞0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高和氮肥減施對CAC均有顯著影響（P＜0．05），但兩者對CAC不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.2.2 CAC／產量

不同CO2濃度與不同氮肥水平下水稻全生育期CAC/產量如表1所示。與CK處理相比，C、處理使CAC/產量顯著提高了16.93%（P＜O．05），N-處理使CAC/產量顯著降低了13.33% （P＜0.05），C+N-處理使CAC/產量降低了7.89%（P＞0.05）。其中，與C+處理相比，C+N-處理使CACl產量降低7.12%（P＞0．05）。雙因素方差分析表明，C02濃度升高和氮肥減施對CAC/產墨均有顯著影響（P＜o．05），但兩者對CAC/產量不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.3 CO2濃度升高和氮肥減施對土壤理化性質的影響

不同CO2濃度與不同氮肥處理下稻田土壤理化性質如表2所示。在拔節期，與CK處理相比，N-處理的pH顯著提高了2.40%（P＜0．05）；灌漿期C、處理和N-處理的pH分別是CK的102.55%、102.04% （P＜0.05）；在成熟期，與CK處理相比，C+N-處理DOC含量顯著提高了50.78%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高和氮肥減施對DOC含量和pH均有顯著影響（P＜0．05），且兩者對土壤pH存在顯著的交互作用（P＜0.05）。

2.4 CO2濃度升高和氮肥減施對土壤酶活性的影響

不同CO2濃度與不同氮肥處理下稻田土壤酶活性如表3所示。在分蘗期，與CK處理相比，C+N-處理的過氧化氫酶活性顯著提高了37.90%（P＜0.05）；在拔節期，與CK處理相比，C+處理和C+N-處理的轉化酶活性分別顯著提高了84.21%和81.46%（P＜0.05）；灌漿期C+處理和C+N-處理的轉化酶活性是CK的183.17%和155.09% （P＜0.05）；在成熟期，與CK處理相比，C+處理的轉化酶活性顯著提高了22.67%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高對稻田土壤轉化酶活性和過氧化氫酶活性均有顯著影響（P＜0.05），但兩者對土壤脲酶、轉化酶和過氧化氫酶活性均不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.5 稻田CH4排放的影響因素

2.5.1 作物因素

CO2濃度升高和氮肥減施條件下稻田CAC與水稻總生物量間的關系如圖3所示。在各生育期，稻田CAC與水稻生物量呈顯著正相關（P＜0.05），稻田CAC隨水稻總生物量的增加而增加。

2.5.2 土壤因素

對大氣CO2濃度升高及氮肥減施處理下全生育期稻田CAC、土壤理化性質和土壤酶活性進行Pear-son相關分析。結果表明（圖4），在水稻生長季，CAC與水稻轉化酶和脲酶活性以及土壤DOC、NH+4-N和NO-3-N含量均呈顯著正相關（P＜0.05）。

為進一步確定稻田CH4排放的土壤調節因子，采用逐步回歸分析法，利用土壤因子擬合CAC，結果表明（圖5），基于土壤脲酶、DOC和NO-3-N的線性模型，可解釋水稻全生長季CH4排放64%的變異（R2=0.644，P＜0.001）。

3 討論

3.1 CO2濃度升高和氮肥減施對稻田CH4排放的影響

大部分研究者認為，CO2濃度升高可通過提高水稻光合作用而增加根系滲出物，提高土壤C利用率，使得產甲烷菌種群更加活躍，從而促進水稻田CH4排放。類似地，本研究發現CO2濃度升高對稻田CH4排放具有促進作用，盡管這種作用并不顯著（表1，圖2）。然而，C02濃度升高120 μmol·mol-1使單位水稻產量下的CH4排放量顯著增加。因此，稻田CH4排放量是否按產量比例計算，對于大氣CO2濃度升高下的稻田CH4排放具有顯著影響。此外，有研究表明CH4排放對大氣CO2濃度升高的響應隨持續時間的變化而變化，當大氣CO2濃度升高持續時間小于10a時，排放通常會增加；但CO2濃度長期升高會顯著降低CH4的排放量。因此，CH4排放具有不可忽視的時間變異性，需要多年觀測才能得到可靠的結果。

迄今為止，關于N輸入對稻田CH4凈排放的影響仍沒有達成一致，主要是因為N的凈效應在稻田CH4生產和氧化間可能存在權衡。本研究發現，總體而言，氮肥減施對稻田CH4排放有一定的抑制作用，尤其是在灌漿期，氮肥減施顯著降低了CH4累積排放量（表1、圖2）。這可能是由于尿素在土壤中水解生成的NH+4會抑制CH4氧化，當進入土壤中的N減少后，CH4氧化加劇導致CH4排放量減少；同時水稻根系C底物不足，無法滿足產甲烷菌所需的環境條件，進而抑制了CH4的排放。

Silvola等和Zheng等認為CO2升高對CH4排放的顯著刺激與N添加速率呈正相關，這種相關性與土壤N的有效性有關。低土壤N有效性可以抵消CO2濃度升高對貧N水稻生態系統CH4排放的刺激作用，而高土壤N有效率可以進一步放大CO2濃度升高對富N水稻生態系統CH4排放的促進作用。類似地，本研究表明，CO2濃度升高與氮肥減施共同處理對稻田CH4排放無顯著影響；但在一定程度上，氮肥減施可抑制高CO2濃度對稻田CH4排放的促進作用（表1、圖2）。

3.2 CH4排放的影響因素

3.2.1 水稻生物量和產量

大量研究證實，CO2濃度升高（大多升高200μmol·mol-1）可通過降低植物的氣孔導度、增加植物的光合作用及水分利用效率，從而促進水稻生長，提高地上生物量和產量。總體而言，本研究表明CO2濃度升高120 μmol·mol-1有增加粳稻生物量和產量的趨勢，但影響不顯著（表1、圖1），這可能是由于在粳稻、秈稻和雜交稻中，高濃度C02對生物量的正響應在粳稻中最不明顯。Yu等整合分析得出大氣CO2濃度升高對水稻產量和生物量的積極影響隨著時間的推移而減小，因此今后仍需從長期CO2濃度升高的角度對水稻生產進行原位試驗研究。本研究表明，氮肥減施使灌漿期水稻地上、根及總生物量均顯著下降（圖1）。然而，氮肥減施對于水稻產量的降低趨勢卻不顯著，這與Yao等I331的研究結果一致，說明N可能不是影響水稻產量的唯一限制因子。此外，Yang等研究發現，與250 kg·hm-2施氮量相比，150kg·hm-2施氮量降低了前兩個水稻季的水稻產量，卻提高了第3個水稻季的水稻產量。因此，從長遠來看，適度減少氮肥施用量不一定會降低水稻產量。Terrer等通過Meta分析發現，N限制了CO2濃度升高對植物生長的促進作用。然而，本研究表明，氮肥減施并未明顯削弱CO2濃度升高對水稻生物量及產量微弱的促進作用（表1、圖1），這意味著在CO2濃度升高120 μmol·mol-1條件下，氮肥減施40%并未使水稻減產。然而，在大氣CO2濃度升高背景下，與高N處理（250 kg·hm-2）相比，低N處理（150 kg·hm-2）使稻米的蛋白質濃度以及籽粒含N量顯著降低，稻米品質受到了一定的影響。

與Wang等的研究結果一致，在本研究中，稻田CH4累積排放量隨水稻總生物量的增加呈顯著線性增加趨勢（圖3），表明CO2濃度升高和氮肥減施通過直接影響水稻生物量，間接影響土壤C底物含量，從而影響土壤產甲烷菌活性并影響稻田CH4通量。未來氣候變化條件下，長期氮肥減施可能會進一步提高N素利用率，在保證水稻產量的同時有助于提高CH4減排效果。在過去的20a里，中國東南部地區普遍采用250 kg·hm-2的N添加量，這可以被視為在減少CH4排放的同時提高水稻產量的有效管理措施。但在預計的未來CO2濃度升高水平下，至少在本試驗的相似條件下，建議水稻生產氮肥施用率可適當下降。

3.2.2 土壤理化性質和酶活性

稻田CH4的產生是微生物降解有機物的最后一步，受土壤性質影響較大。本研究表明，在CO2濃度升高和氮肥減施條件下，CH4累積排放量與土壤轉化酶和脲酶活性以及DOC、NH+4-N和NO-3-N含量呈顯著正相關（圖4）。在C02濃度升高作用下，土壤DOC在稻田中的含量會隨著根系分泌物的增加而增加（表2）；同時，由于CO2濃度升高促進了植物生長，加劇了微生物與植物對N的競爭，土壤轉化酶活性進一步增強（表3），導致稻田CH4累積排放量增加。而在氮肥減施處理下，因淹水期基肥和分蘗肥的施用，尿素水解為NH+4-N后被進一步氧化為NO-3-N；進入拔節期，水稻由營養生長轉為生殖生長，對N素以及C素的需求量增加，而低N投入與產甲烷菌生長對營養物質的需求，導致施N 150 kg·hm-2處理下土壤NH+4-N和NO-3-N含量均呈減少趨勢（表2）。因此當施氮量從250 kg·hm-2減少到150 kg·hm-2時，稻田CH4排放受到了一定的抑制（表1、圖2）。

氣候變化條件下N素管理對稻田土壤理化性質和酶活性的影響鮮有報道。總體而言，氮肥減施在一定程度上抑制了高CO2濃度對土壤DOC、NH+4-N和NO-3-N含量及土壤脲酶和轉化酶活性的促進作用（表2、表3），進而抑制了大氣CO2濃度升高對CH4排放帶來的促進作用。在未來氣候變化條件下，氮肥管理將改變土壤C、N含量和酶活性，影響水稻生態系統的C、N循環。

3.3 CO2濃度升高和氮肥減施條件下稻田CH4排放機制

總體而言，土壤DOC、NO-3-N和脲酶共同控制著稻田CH4排放（圖5）。CO2濃度升高和氮肥減施通過改變C在大氣-植物-土壤連續體中的分配，影響由微生物所介導的稻田生態系統C循環。許多研究表明，CO2濃度升高或N的施用增加了CH4的排放，這是由于水稻根系分泌物和通氣組織的增加，直接增加了基質中產甲烷菌的數量。本研究同樣發現，CO2濃度升高和氮肥減施通過直接影響水稻總生物量，間接影響產甲烷菌所需的土壤C基質含量，從而影響稻田CH4排放（圖3、圖5）。

同樣，N03-N作為水稻根系吸收N的主要形式，為脲酶酶促反應提供了N底物，從而產生更多的NH+4-N。在生態系統水平上，NH+4-N通過為產甲烷菌提供更多底物或改善底物管道而加劇了CH4的排放；此外，由于根間組織管道的改善，通過向根間區提供更多的O2來增強CH4氧化。在生化水平上，NH+4-N通過與CH4單加氧酶反應取代CH4來抑制CH4氧化。在微生物水平上，NH+4-N濃度的升高促進了產甲烷菌的生長和活性。CO2濃度升高則促進了水稻根際土壤脲酶對尿素的水解，進一步增加了稻田CH4排放，而氮肥減施導致的土壤脲酶活性降低抑制了稻田CH4排放。本研究沒有測量CH4的氧化能力以后還需要進一步的深入研究，測量稻田中CH4的氧化、產生和運輸，以幫助闡明潛在的機制。

4 結論

（I）CO2濃度升高120 μmol·mol-1顯著增加了施氮量為250 kg·hm-2與150 kg·hm-2情形下的單位產量稻田CH4排放，而施氮量從250 kg·hm-2減少到150kg·hm-2顯著減少了環境CO2濃度與CO2濃度升高120 μmol·mol-1情形下的單位產量稻田CH4排放。

（2）氮肥添加量從250 kg·hm-2減少至150 kg·hm-2，在一定程度上實現了CO2濃度升高120 μmol·mol-1情形下的稻田CH4減排，且并未對水稻造成減產。

（3）在本試驗的相似條件下，適當降低水稻氮肥施用量可作為未來氣候變化條件下保持水稻產量并實現稻田CH4減排的重要氮肥管理措施。

基金項目：國家自然科學基金項目（42375114，42205174，42071023）；江蘇省高等學校自然科學研究項目（22KJB180010）；江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（KYCX23_1337）