酸化對水稻-土壤系統氮分配和N2O排放的影響

摘要：為研究土壤酸化對水稻-土壤系統氮轉化、分配和氮損失的影響，以水稻-土壤系統為研究對象，設置中性（pH 7，CK）、弱酸（pH 6，T1）、中強酸（pH 5，T2）和強酸（pH4，T3）4個土壤遞增酸度處理，比較了不同酸度下水稻產量、氮素積累量、氮代謝酶活性、氮素利用效率、氮平衡和N2O排放等指標的差異。結果表明，隨著土壤酸度增加，水稻植株氮素積累、利用效率和產量呈現先增加后降低的趨勢。相關性分析表明，拔節期氮素積累量與葉片中硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）以及莖稈中GS和GOGAT活性呈顯著正相關；開花期氮素積累量與穗中的NR、GS、GOGAT和GDH活性呈顯著正相關。T1、T2和T3處理N2O累積排放量與CK處理相比分別降低20.3％、58.0％和76.7％；單位產量下的N2O排放量呈現遞減的趨勢。氮平衡分析表明，相比于CK處理，T2和T3處理氮素表觀損失分別降低15.8％和21.1％，水稻氮吸收量分別降低1.5％和15.3％，土壤無機氮殘留量分別增加41.2％和88.2％，氮素盈余率分別提高2.2個和7.1個百分點。土壤酸化至中強酸和強酸時，會分別通過抑制水稻拔節期莖葉和開花期穗部的氮代謝過程降低氮素積累量、利用效率和產量。土壤酸化會降低稻田N2O累積排放量，同時也會降低單位產量N2O排放量。此外，中強酸和強酸度土壤還會通過降低水稻氮吸收量和增加播前土壤無機氮量，提高土壤無機氮殘留量和氮素盈余率，增加環境風險。

關鍵詞：土壤酸化；水稻；氮素利用效率；產量；N2O；土壤氮平衡

中圖分類號：S154.4；S156.6 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0452-10 doi：10.11654/jaes.2023-0586

土壤酸化是制約我國糧食生產的重要因素。受氮肥過量施用和大氣酸沉降的影響，我國農田土壤酸化情況日益嚴重。20世紀80年代以來，酸化的土地面積已擴大到全國耕地面積的40％以上，其中，稻田土壤酸化問題尤為突出。我國南方稻區，大部分土壤pH已經低于5.5，且酸化面積與強度仍在不斷加劇。土壤酸化會造成土壤質量下降、保肥供肥能力變差和有害金屬含量增加，進而導致水稻生長發育受阻和產量下降。作為土壤酸化重要誘因，氮在水稻-土壤系統中的轉化和利用效率，在一定程度上決定著土壤酸化的程度。同時，土壤酸化的程度又會反過來影響氮在水稻-土壤系統中的轉化。氮是影響水稻生長和產量最重要的營養物質之一，也是導致水體富營養化和全球氣候變暖的主要元素。因此，探究土壤酸化對水稻-土壤系統氮素轉化和分配的影響，對促進水稻可持續生產、提高氮素利用效率以及降低環境污染和溫室氣體排放具有重要意義。

氮素在水稻-土壤系統中的轉化主要包括植株氮代謝和土壤氮轉化。植株氮代謝主要包括氮素的吸收、轉運、同化和轉化等過程。硝態氮（NO-3）和銨態氮（NH+4）是植物吸收的主要氮源。在硝酸還原酶（NR）的催化下，NO-3被還原為NH+4，然后通過谷氨酰胺合成酶／谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）途徑，或在谷氨酸脫氫酶（GDH）的作用下被同化為氨基酸，為植物提供所需的氮源。前人研究發現，土壤酸化會使小麥NR與GOGAT活性降低，并抑制游離氨基酸的合成。但也有研究認為，土壤酸化會提高玉米植株NR、GDH和GOGAT的活性，以便產生更多的游離氨基酸、可溶性蛋白等滲透調節物質以抵御酸脅迫。可見，土壤酸化對作物氮代謝的影響并不明晰。目前酸化對氮代謝的影響研究主要于小麥、玉米等旱地作物，對水稻等水田作物研究尚未見報道。同時，前人研究通常關注酸化對作物某一時期或整個植株氮代謝的影響，但對不同時期與植株關鍵器官的綜合研究較少。

土壤氮轉化主要包括礦化、硝化和反硝化過程。作為土壤氮轉化過程的副產品，氧化亞氮（N2O）既是一種重要的溫室氣體，也是大氣臭氧層的主要破壞因子。N2O排放量在一定程度上能夠反映出土壤氮轉化強度。研究發現，土壤酸化會導致硝化和反硝化微生物活性降低，進而造成N2O排放下降。但也有研究表明，土壤pH的降低可能會促進N2O的產生。這主要是因為相比于中性和堿性土壤，酸性條件會減少N2O的消耗。可見，目前土壤酸化對N2O排放的影響還存在爭議。且前人研究主要集中于旱地，缺乏酸化對水田N2O排放的研究。土壤酸化對水稻-土壤系統的氮轉化產生的影響會進一步改變系統的氮平衡。

本研究以水稻-土壤系統為研究對象，設置4個土壤遞增酸度處理，通過比較不同土壤酸度下水稻產量、氮素積累量、氮代謝酶活性、氮素利用效率、土壤氮平衡和N2O排放等指標的差異，旨在明確土壤酸化對水稻-土壤系統氮分配和N2O排放的影響，為我國南方水稻綠色低碳生產提供合理的土壤pH范圍。

1材料與方法

1.1試驗地概況與供試材料

試驗于2018年3月27日至7月25日在安徽省合肥市安徽農業大學農萃園試驗基地（31°52′N，117°14′E）進行。該試驗基地位于亞熱帶濕潤季風區，年均溫度和降水量分別為15.3℃和998 mm。供試水稻品種為中早25。供試土壤為黃褐土源水稻土，基礎理化性質為：有機質16.22 g·kg-1，全氮1.20 g·kg-1，堿解氮114.67 mg·kg-1，有效磷8.20 mg·kg-1，速效鉀144.42 mg·kg-1。

1.2試驗設計與田間管理

試驗采用裂區設計，主區為土壤酸度，設置4個酸度水平，分別為CK（pH 7）、Tl（pH 6）、T2（pH 5）和T3 （pH 4）；副區為氮肥處理，分別為施氮和不施氮處理。參照Chen等方法對土壤pH值進行調節：以6、9、12 mol·L-1共3個濃度的HCI溶液與6 mol·L-1的Ca（OH）2溶液對土壤pH進行調節。每次調節后，隔7d測定一次土壤pH值，直到土壤酸度為設定酸度并穩定后不再調整。每個處理15個重復，每桶裝土17kg。施氮處理中，氮肥采用尿素作為肥源，施用量為232.5 kg·hm-2（以N計），按照6：4的比例分別作基肥和追肥施用。磷肥（以P2O5計）和鉀肥（以K2O計）分別采用過磷酸鈣和硫酸鉀為肥源，施用量分別為84.2 kg·hm-2和138.3 kg·hm-2，作基肥一次性施入。水稻于3月27日采用育秧盤培育秧苗，4月29日進行移栽，每桶3穴、每穴2株，最終于7月25日收獲。在返青期盆栽保持2-3 cm的水層，分蘗期盆栽保持1-2 cm的薄水，6月7日曬田3d后覆水，孕穗期至抽穗期盆栽水面保持2-3 cm的水層，抽穗后田間自然落干再進行覆水，為干濕交替覆水。盆栽埋于土壤中使得盆栽與大田環境相近，其他管理條件與田間管理一致。

1.3樣品采集與分析

1.3.1產量與產量構成因子

于成熟期在每個處理中隨機選取3桶盆栽，并對有效穗數、穗粒數、千粒質量和結實率進行測定。

1.3.2氮代謝酶活性測定

分別于水稻拔節期和開花期在每個處理3桶盆栽中隨機選取10株單莖，用錫紙包裹后放置于液氮罐中保存并帶回實驗室。將植株分為葉片、莖稈（鞘）和穗（開花期）三部分后分別切碎混勻，用于氮代謝酶活性的測定。參照伍素輝等的方法測定硝酸還原酶（NR）活性。谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）分別參照Zhang等和U Hecht等的方法測定。谷氨酸脫氫酶（GDH）活性使用試劑盒（南京建成生物工程研究所）測定。

1.3.3N2O的采集與測定

采用靜態箱-色譜法對N2O氣體進行采集和測定。靜態箱分為底座和采樣箱兩部分，柱形底座半徑為15 cm，高度為10 cm。柱形采樣箱半徑為14 cm，高度為90 cm。水稻移栽后每隔7d采樣1次。采樣時，在底座上扣好采樣箱，用50 mL注射器先將箱體內氣體混勻，后于0、7、14 min和21 min各抽取氣體20 mL，帶回實驗室用氣相色譜儀（Agilent 7890A，美國）測定N2O含量。抽取氣體時記錄靜態箱內溫度用于后續計算。參照馮小平等的方法計算N2O排放通量。

1.3.4氮含量測定與相關指標計算方法

在拔節、開花和成熟期，對水稻植株樣品進行采集。取葉片、莖稈（鞘）和穗后，將其分開裝袋，在105℃的烘箱中進行30 min的殺青處理，隨后在80℃的烘箱中烘干至質量恒定并稱量。經過粉碎和過1mm篩處理后，采用H2SO4-H2O2消煮法制備待測液，通過凱氏定氮儀（KN520，中國）對樣品全氮含量進行測定，并計算氮素積累量。于水稻成熟期采集土壤樣品，經2 mm篩過濾混勻。采用1 mol·L-1 KC1進行浸提（水：土=5：1），勻速攪拌30 min，靜置后過濾的上清液，通過全自動間斷化學分析儀（CleverChem380plus，德國）測定土壤中NO-3和NH+4的含量。土壤全氮含量的測定參照鮑士旦的方法。籽粒氮素積累量（g·pot-1）、氮素吸收總量（g·pot-1）、氮肥利用效率（％）、氮收獲指數（％）、氮素籽粒生產效率（g·g-1）、土壤無機氮量（g·pot-1）、土壤氮素凈礦化量（g·pot-1）、氮素表觀損失量（g·pot-1）參照魯艷紅等方法進行計算。氮素盈余率（％）=（氮素收入-氮素支出）／氮素收入×100；單位產量N2O排放量（g·kg-1）=N2O累積排放量／產量。

1.4數據整理與分析

數據整理和繪圖使用Excel 2016和R（4.1.3）軟件進行，圖表中的數值表示為平均值±標準偏差（SD）。使用SPSS 23進行統計分析：采用最小顯著差異法（LSDlt;0.05）比較不同處理間的差異。

2結果與分析

2.1土壤酸化對水稻產量和氮素利用效率的影響

由表1可知，隨著土壤酸度的增加，產量呈先增加后降低的趨勢。相比于CK，T1處理產量增加16.4％。但隨著土壤酸度的不斷加深，產量呈下降趨勢。相比于CK，T2和T3處理產量分別降低5.1％和28.4％。從產量構成的角度分析可知，隨著土壤酸度的增加，穗數和穗粒數沒有顯著差異，結實率和千粒質量則呈下降趨勢。相比于CK和T1，T2處理結實率分別降低7.8個和7.2個百分點，T3處理分別降低9.6個和9.0個百分點。千粒質量在T3處理顯著降低，相比于CK、T1和T2處理分別降低14.2％、15.4％和12.0％。

由表2可知，隨著土壤酸化程度的增加，REN、NHI和NUEg呈現出先增加后降低的趨勢。相比于CK，T1處理下，REN和NHI分別增加2.5個和4.0個百分點，NUEg增加7.7％。但隨著土壤酸度的進一步加深，REN、NHI和NUEg則呈遞減趨勢。相比于CK，T2和T3處理，REN、NHI和NUEg分別降低6.0個和8.6個百分點、4.3個和13.0個百分點、3.8％和15.6％。

2.2土壤酸化對水稻植株氮素積累量和氮代謝酶活性的影響

由圖1可知，隨著土壤酸度增加，植株氮素積累量在拔節期、開花期和成熟期均呈現先增加后降低趨勢。相比于CK，T1處理植株氮素積累量在拔節期、開花期和成熟期分別增加11.2％、17.0％和8.0％。但隨著土壤酸度的進一步增加，植株氮素積累量呈下降趨勢。相比于CK，T2和T3處理植株氮素積累量在拔節期分別降低6.0％和12.2％，在開花期分別降低2.3％和5.1％。成熟期植株氮素積累量在T3處理顯著降低，相比于CK、T1和T2處理分別降低15.2％、21.3％和14.0％。

由圖2可知，在水稻拔節期，T1處理葉片中的NR、GS、GOGAT、GDH活性均顯著高于其他處理。相比于CK，T1處理葉片中的NR、GS、GOGAT、GDH活性分別增加14.1％、25.9％、12.8％和50.0％。但隨著土壤酸度的進一步增加，葉片中氮代謝酶活性則出現不同程度的降低。相比于CK，T2和T3處理NR、GS、GOGAT、GDH活性分別降低20.8％和27.2％、4.3％和0.9％、26.6％和36.5％、64.3％和35.7％。與葉片類似，在莖稈中，GS和GOGAT活性整體呈現出先增加后降低的趨勢。相比于CK，T1處理下GS和GOGAT活性分別提高26.0％和12.8％，其中GS活性提高達到顯著水平。但隨著土壤酸度的增加，GS和GOGAT活性則顯著降低，相比于T1處理，T2和T3分別降低4.0％和35.0％、26.4％和21.7％。

由圖3可知，在水稻開花期，不同處理中NR活性在葉片、莖稈和穗中均沒有顯著差異。在葉片中，GS、GOGAT和GDH活性均呈現先增加后降低的趨勢。相比于CK，T1和T2處理中GS、GOGAT、GDH活性分別增加16.7％和40.3％、35.0％和36.3％、54.8％和125.1％。相比于CK，T3處理中GS活性顯著降低，GOGAT和GDH活性則無顯著差異。在莖稈中，GS、GOGAT和GDH活性隨土壤酸度的加深呈現先增加后降低再增加的趨勢。相比于CK，T1處理GS、GOGAT和GDH活性分別增加74.6％、41.5％和18.2％。T2處理酶活性最低，相比于CK，GS、GOGAT和GDH活性分別降低31.8％、19.7％和18.2％。T3處理與CK相比GS活性顯著升高，GOGAT和GDH活性則無顯著差異。在穗中，相比于CK，T1處理下GS、GOGAT和GDH活性均沒有顯著變化。但隨著酸化程度的加深，GS、GOGAT和GDH活性則顯著降低。相比于CK，T2和T3處理中GS、GOGAT、GDH活性分別降低18.7％和23.9％、24.3％和33.7％、33.3％和17.1％。

2.3土壤酸化對N20排放和無機氮含量與殘留量的影響

由圖4可見，不同土壤酸度下，稻田土壤N2O排放通量變化趨勢一致。在施基肥（04-29）、分蘗肥（05-09）和烤田（06-07）后N2O排放通量出現峰值，烤田復水后逐步降低。土壤酸化能夠不同程度地降低稻田N2O排放通量，相比于CK，T1、T2和T3處理N2O排放通量在施基肥后的峰值分別降低42.4％、47.0％和61.0％，在施分蘗肥后分別降低14.6％、74.0％和204.7％，在烤田后分別降低6.5％、29.4和42.4％。由圖5可知，隨著土壤酸度的增加，N2O積累排放量和單位產量N2O排放量均呈遞減趨勢。相比于CK，T1、T2和T3處理N2O累積排放量分別降低20.3％、58.0％和76.7％；單位產量下N2O排放量分別降低31.7％、56.1％和67.8％。

由圖6可見，不同土壤酸度下，稻田土壤無機氮含量變化趨勢一致。隨著土壤酸度的加深，無機氮含量整體呈遞增趨勢。施基肥（04-29）后無機氮含量首先呈遞增趨勢，在施用基肥后第10天（05-09），相比于CK，T1、T2和T3處理無機氮含量分別增加4.4％、31.7％和46.4％。施分蘗肥（05-09）后第4天（05-13）無機氮含量出現峰值，而后逐漸下降。峰值時相比于CK，T2和T3處理無機氮含量分別增加7.9％和12.0％。由圖7可知，稻田中殘留的無機氮以NH+4為主，且在中強酸和強酸條件下無機氮殘留量顯著增加。相比于CK，T2和T3處理無機氮殘留量分別增加41.1％和88.2％。

2.4土壤酸化對水稻-土壤系統氮素養分平衡的影響

根據氮輸入、輸出平衡模型計算不同土壤酸度下稻田的氮平衡狀況。由表3可知，土壤酸度能夠顯著影響稻田土壤氮平衡。在氮輸入中，播前土壤無機氮量隨土壤酸度的加深呈遞增趨勢。相比于CK，T1、T2和T3處理無機氮量分別增加40.0％、40.0％和50.0％。氮素凈礦化量隨土壤酸度的加深呈現降低趨勢。相比于CK，T1處理中氮素凈礦化量無顯著差異；T2和T3處理中氮素凈礦化量則分別降低7.1％和20.0％。在氮輸出中，水稻氮吸收量呈現出先增加后降低的趨勢。相比于CK，T1處理中水稻氮吸收量增加7.6％；T2和T3處理中水稻氮吸收量則分別降低1.5％和15.3％。就氮素表觀損失而言，CK與T1處理中氮素表觀損失無顯著差異，但顯著高于T2和T3處理。相比于CK處理，T2和T3氮素表觀損失分別降低15.8％和21.1％。氮素盈余率呈現先降低后升高的趨勢。相比于CK，T1處理氮素盈余率降低1.8個百分點；T2和T3處理分別提高2.2個和7.1個百分點。

2.5產量和產量構成因子與氮積累和氮代謝酶活性的相關性分析

由圖8可知，產量與千粒質量和結實率呈顯著正相關，與穗數和穗粒數無顯著相關性。植株氮素積累量與拔節期葉片NR、GS、GOGAT、GDH以及莖稈中GS和GOGAT呈顯著正相關，與開花期穗中的NR、GS、GOGAT和GDH呈顯著正相關。

3討論

3.1土壤酸化對水稻氮代謝、利用效率和產量的影響

隨著土壤酸度增加，水稻氮素積累量呈先增加后降低的趨勢（圖1）。研究表明，土壤酸化能夠通過影響氮代謝關鍵酶活性進而影響氮積累。在本研究中，氮代謝酶活性和氮積累在不同時期的水稻器官中對土壤酸化的響應有所不同（圖2、圖3）；拔節期和開花期氮素積累量分別與莖葉和穗中的氮代謝酶活性密切相關（圖8）。這說明土壤酸化主要通過調控水稻拔節期莖葉和開花期穗氮代謝過程影響氮積累。主要原因是水稻不同器官在不同時期的生理狀態和代謝活動不同，因而它們對土壤酸化的敏感性和適應性也會不同。在未來的研究中，應著重探究水稻不同生長發育階段關鍵器官對于土壤酸化的響應，加深土壤酸化對水稻生長影響的理解，以利于酸脅迫下水稻生長的營養調控。

此外，本研究還發現，相比于中性，弱酸性土壤條件更有利于水稻氮素積累、利用效率和產量的增加。但隨著土壤的進一步酸化，氮素積累、利用效率和產量則呈快速下降趨勢（表2）。這可能是因為弱酸性土壤環境下氮代謝酶活性升高有利于水稻植株內含氮化合物的合成與積累，進而提高了氮素積累、利用效率和產量。然而，隨著土壤的進一步酸化，水稻氮吸收與氮代謝酶活性在受到抑制的同時，還需要產生更多的游離氨基酸、可溶性蛋白等滲透調節物質用以抵御酸脅迫，因此導致了水稻氮素積累量、利用效率和產量的降低。以上現象也揭示土壤酸化對水稻生長的影響存在一定的隱蔽性，在土壤酸化前期促進產量提高的同時，需防范酸化進一步加重對產量的劇烈影響。從產量構成因素上看，土壤酸化主要通過影響結實率和千粒質量，而不是穗數和穗粒數影響產量（圖8）。這可能是因為土壤酸化會抑制養分向籽粒中轉運，進而導致籽粒灌漿不充分、結實率和千粒質量低。由此可見，水稻籽粒灌漿速率的調控是應對土壤酸脅迫的重要方向和路徑。

3.2土壤酸化對稻田N2O排放和氮平衡的影響

土壤酸化會抑制N2O排放通量和累積排放量（圖4、圖5）。這與Shaaban等的研究結果相一致。硝化和反硝化主要是微生物過程，分別受到硝化和反硝化微生物菌群的驅動。一般認為土壤酸化會抑制硝化和反硝化微生物菌群豐度并引起活性降低。前期研究也發現，土壤酸化會分別通過降低氨氧化細菌和nirK型反硝化菌豐度來削弱硝化和反硝化過程。由此推測，在酸化不斷加重條件下，pH值可能是硝化和反硝化的限制因子，進而降低了N2O排放。此外，本研究還發現，隨著酸度加深，土壤無機氮含量和殘留量呈遞增趨勢（圖6、圖7）。這除了與土壤酸化會抑制水稻氮素吸收有關外，也可能是因為酸化會導致硝化和反硝化微生物活性降低，進而減少了底物的消耗。但值得注意的是，稻田土壤酸化會降低稻田N2O累積排放量，同時也會降低單位產量N2O排放量。

土壤氮平衡是指作物一土壤系統中氮輸入與輸出之間的平衡關系，關乎作物生產和土壤健康的可持續性。本研究發現，相比于中性土壤，氮素表觀損失在弱酸條件下無顯著差異，在中強酸和強酸條件下顯著降低，這與前人研究結果類似。土壤酸化能夠通過抑制N2O等氣體排放減少氮素表觀損失。此外，本研究還發現，與中性土壤相比，在弱酸條件下土壤無機氮殘留量無顯著差異，氮素盈余率顯著降低，但在中強酸和強酸條件下則均顯著增加，這主要與土壤酸化會抑制水稻氮吸收有關（表3）。相比于中性土壤，中強酸和強酸條件下水稻氮素吸收量分別降低1.5％和15.3％（表3）。未被吸收的氮會以無機氮的形式殘留于土壤中。同時，因土壤酸化而造成的播前土壤無機氮含量增加也可能是無機氮殘留量增加的另一原因。綜上可見，土壤酸化雖會減少氮素表觀損失，但由于水稻氮素吸收量的減少和播前土壤無機氮含量的增加，土壤無機氮殘留量和氮素盈余率也會隨之增加。土壤氮素大量盈余會增加周邊環境污染風險，需引起高度關注。

4結論

（1）土壤酸化會分別通過調節水稻拔節期莖葉和開花期穗部的氮代謝過程影響氮素積累量、利用效率和產量。

（2）相比于中性土壤，氮素積累量、利用效率和產量在弱酸性條件呈升高趨勢，在中強酸和強酸條件下呈降低趨勢。

（3）土壤酸化會降低稻田土壤N2O累積排放量，單位產量N2O排放量也會隨之降低。

（4）土壤酸化可降低氮素表觀損失量，也會降低水稻氮素吸收量且增加播前土壤無機氮含量，提高中強酸和強酸條件下土壤無機氮殘留量和氮素盈余率，增加環境污染的風險。