夜間增溫條件下施硅稻田N2O還原對外源氮的響應(yīng)

謝晴　饒旭東　周聰　薛夢琪　張耀鴻

摘要： 選用田間開放式長期進(jìn)行的夜間增溫稻田（NW）、夜間常溫+施加硅肥稻田（Si）、夜間增溫+施硅稻田（NW+Si）以及夜間常溫稻田（CK），分別采集耕層根際土和非根際土，設(shè)置4個(gè)氮添加處理，即NH+4-N、NO-3-N、酰胺態(tài)氮（尿素）和無氮，研究不同稻田土壤N2O還原潛力對外源氮的響應(yīng)特征。結(jié)果表明，4種稻田的根際土和非根際土在厭氧培養(yǎng)過程中N2O濃度均隨時(shí)間增長而下降，且變化趨勢一致。在無氮添加條件下，NW處理稻田和Si處理稻田根際土的N2O還原速率分別為19.2 μg/（g·d）和16.6 μg/（g·d），顯著高于CK稻田（P<0.05），而對于非根際土而言三者之間無明顯差異（P>0.05）。在添加NH+4-N或尿素條件下，Si處理稻田根際土的N2O還原速率顯著高于CK稻田（P<0.05），而對于非根際土則無明顯差異（P>0.05）。在添加NO-3 -N條件下，Si處理稻田非根際土的N2O還原速率顯著高于CK稻田（P<0.05）。綜合來看，在施加氮肥條件下，特別在施加尿素條件下NW+Si處理稻田的N2O還原速率顯著高于NW處理稻田。因此，在未來氣候變暖情景下，氮肥特別是尿素與硅肥配施可能是提高稻田土壤N2O還原潛力的一條有效途徑。

關(guān)鍵詞： N2O還原;夜間增溫;硅肥

中圖分類號： S181 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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作為三大溫室氣體之一，其單分子增溫潛勢比CO2高265倍[1]，是影響全球變暖的關(guān)鍵因素之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報(bào)告指出，近百年來由于人類活動的影響，N2O濃度持續(xù)增加，大氣中N2O濃度已達(dá)324 μg/L，超過工業(yè)革命前水平的20%[2]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是N2O重要的源和匯，據(jù)統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)活動人為排放的N2O占全球排放的43%以上[2]。稻田作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，N2O排放量占農(nóng)田總排放量的11.4%[3]，因此，稻田N2O排放對全球氣候變化具有重要影響作用。

研究結(jié)果表明，目前氣候變暖的突出特征是夜間氣溫升高;在過去幾十年間，全球平均最低氣溫（夜間溫度）的上升速度快于最高氣溫（白天溫度）[4-5]。這一“不對稱性”增溫對水稻生產(chǎn)過程中的作物生長、土壤微生物活動及氣體排放等方面產(chǎn)生重要的影響。農(nóng)田N2O排放主要來自土壤微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化過程，其中反硝化作用是N2O直接產(chǎn)生的主要途徑。反硝化微生物適宜活動溫度范圍為5～75 ℃，其活性隨著土壤溫度的升高而增強(qiáng)。許多研究者也發(fā)現(xiàn)，溫度升高促進(jìn)了農(nóng)田、草地、森林等生態(tài)系統(tǒng)N2O排放[6-7]。這個(gè)排放通量是土壤N2O產(chǎn)生過程和還原過程綜合作用的動態(tài)凈變量[8]，無法反映出農(nóng)田土壤的N2O還原潛力。而從土壤N2O還原角度研究夜間增溫對農(nóng)田土壤N轉(zhuǎn)化過程及其生態(tài)效應(yīng)特征，對深入剖析稻田土壤N2O排放通量的溫度敏感性及其全球N2O減排具有重要意義。

硅作為水稻生長的重要元素，因能促進(jìn)水稻光合作用、增加產(chǎn)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[9]。硅肥施用對稻田土壤的氮素循環(huán)及轉(zhuǎn)化過程具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，施硅可提高水稻光合作用，促進(jìn)根系生長，提高根系氮素吸收能力，從而降低參與反硝化作用的無機(jī)氮量，抑制土壤反硝化速率。而且，吸收到植物體內(nèi)的硅同化為植硅體可與光合碳形成非常穩(wěn)定的植硅體碳，降低了土壤微生物對水稻植株有機(jī)碳的可利用性，進(jìn)一步抑制了反硝化微生物的活性[10]。Wodarczyk等[11]研究發(fā)現(xiàn)，施硅可降低淹水麥田土壤的N2O/（N2O+N2）比值，促進(jìn)完全反硝化過程，抑制N2O排放通量。本試驗(yàn)基于田間開放式長期夜間增溫系統(tǒng)，采集夜間增溫、施硅、夜間增溫+施硅等試驗(yàn)區(qū)的耕層土壤，在添加不同形態(tài)氮條件下，研究硅肥對增溫稻田土壤N2O還原潛力的影響效應(yīng)，為未來氣候變暖背景下通過施肥措施緩解稻田生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

試驗(yàn)土樣采集于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（32.0°N，118.8°E）。該站點(diǎn)屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量為1 100 mm，年均氣溫為15.6 ℃。在此試驗(yàn)站中采用田間開放式增溫系統(tǒng)模擬夜間增溫，設(shè)置了4個(gè)試驗(yàn)處理：夜間常溫（CK）、夜間增溫（NW）、夜間增溫+施硅（NW+Si）、夜間常溫+施硅（Si）。該試驗(yàn)處理從2017年開始一直延續(xù)至今。各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)搭設(shè)不銹鋼管支架，將鋁箔反光膜固定于支架頂部。夜間增溫試驗(yàn)區(qū)中在農(nóng)作物生長期間，于夜間時(shí)段（19∶00-6∶00）用鋁箔反光膜覆蓋植物冠層，白天將鋁箔反光膜揭開。增溫后水稻冠層和0～5 cm土層全生育期夜間平均溫度分別提高1.21 ℃和0.41 ℃。施硅試驗(yàn)區(qū)內(nèi)施硅肥為鋼渣硅肥（SiO2 200 kg/hm2），含有效硅（SiO2）為13.8%。在每個(gè)處理區(qū)內(nèi)采用根袋法，將根際土與非根際土之間用300目尼龍袋隔開。2018年9月從上述4個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)采集0～10 cm耕層的根際土與非根際土，進(jìn)行研究。

1.2 土壤N2O還原速率測定

為模擬氮肥對上述4個(gè)處理區(qū)稻田土壤N2O還原速率的影響效應(yīng)，選用3種外源氮[NH+4-N、NO-3-N、酰胺態(tài)氮（尿素）]為3個(gè)試驗(yàn)處理，最終N濃度均為5 mmol/L，另外設(shè)置一個(gè)不添加N的對照處理（添加去離子水），每個(gè)處理重復(fù)3次。

土壤N2O還原速率的測定方法為：稱取2.000 g鮮土放入12 ml的Labco頂空瓶后加入2 ml去離子水蓋好瓶蓋，充分搖晃培養(yǎng)瓶后，抽真空-充氬氣重復(fù)進(jìn)行3次，使瓶中達(dá)到厭氧狀態(tài)后，室溫25 ℃下預(yù)培養(yǎng)3 d，盡可能去除殘余氧氣。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，再進(jìn)行抽真空-充氬氣操作3次，之后用進(jìn)樣針向培養(yǎng)瓶中打入2 ml N2O氣體，再打入20 μl氮儲液，使培養(yǎng)瓶中最終氮濃度為5 mmol/L。充分搖晃培養(yǎng)瓶后，立刻采集100 μl頂空氣體作為起始濃度（第0 d）進(jìn)行測定。之后在第3 d，4 d，7 d采氣測定N2O濃度。測定儀器為氣相色譜儀（Agilent 7890B），測定條件為：前檢測器溫度250 ℃，H2、空氣和尾吹氣N2流量分別為50 ml/min、450 ml/min和25 ml/min，后檢測器溫度250 ℃，尾吹氣流量為2.000 ml/min，柱箱溫度50 ℃，鎳轉(zhuǎn)化爐溫度375 ℃。測定方法為單個(gè)測定，每個(gè)測定時(shí)間為4.5 min。根據(jù)測定的N2O濃度變化除以培養(yǎng)時(shí)間計(jì)算出N2O還原速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理采用Microsoft Excel 2016軟件，不同處理間的顯著性差異用單因素方差分析（LSD檢驗(yàn)）進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理稻田土壤理化性質(zhì)差異

由表1可以看出，夜間常溫+Si處理稻田除有效磷含量和pH值外，其他物質(zhì)含量均顯著高于其他3種土壤（P<0.05）。NW處理稻田除有效硅含量外各理化性質(zhì)均低于其他3種土壤，其中有機(jī)碳（TOC）、水溶性有機(jī)碳（DOC）、總氮（TN）、速效鉀含量顯著低于其他3種土壤（P<0.05）。夜間常溫（CK）稻田有機(jī)氮（TOC）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH+4）和硝態(tài)氮（NO-3）含量均高于NW+Si處理稻田，但是水溶性有機(jī)碳（DOC）、速效鉀、有效硅含量低于NW+Si稻田。處理的3種土壤和CK土壤的pH和有效磷含量沒有達(dá)到顯著差異（P>0.05）。

2.2 不同稻田土壤厭氧培養(yǎng)過程中N2O濃度的變化特征

將CK稻田、NW處理稻田、Si處理稻田、NW+Si處理稻田的根際土和非根際土厭氧培養(yǎng)7 d，分析其N2O濃度變化情況，計(jì)算N2O還原速率。由圖1可知，在無氮添加的土壤中，4種稻田的根際土和非根際土在厭氧培養(yǎng)過程中N2O濃度均隨時(shí)間增加而下降，且變化趨勢一致。其中，在第0～4 d下降趨勢較為平緩，第4～7 d降低幅度較大，并在第7 d均達(dá)到最低值。圖1a中，CK稻田根際土壤N2O濃度降低幅度最小，為99 μg/g;NW處理稻田根際土壤N2O濃度降幅最大，為134 μg/g;Si處理稻田、NW+Si處理稻田根際土壤N2O濃度的降幅則分別為116 μg/g和99 μg/g。圖1b中，4種稻田非根際土壤N2O濃度變化特征與圖1a基本一致，CK稻田和NW+Si處理稻田非根際土壤的N2O濃度減少量分別為98 μg/g和90 μg/g，NW處理稻田和Si處理稻田土壤的N2O濃度減少量分別為122 μg/g和112 μg/g。

2.3 無氮添加條件下稻田土壤的N2O還原速率

由圖2可知，對于根際土壤而言，CK稻田、NW處理稻田、NW+Si處理稻田、Si處理稻田的N2O還原速率分別為14.1 μg/（g·d）、19.2 μg/（g·d）、14.2 μg/（g·d）和16.6 μg/（g·d）。與CK稻田相比，NW處理稻田和Si處理稻田根際土壤的N2O還原速率均顯著增加（P<0.05）。對于非根際土壤而言，CK稻田、NW處理稻田、NW+Si處理稻田、Si處理稻田的N2O還原速率分別為15.7 μg/（g·d）、15.9 μg/（g·d）、12.8 μg/（g·d）和17.5 μg/（g·d）。與CK稻田相比，其余3個(gè)稻田非根際土壤的N2O還原速率均未發(fā)生顯著變化。

2.4 氮添加條件下稻田土壤的N2O還原速率

由表2可知，在添加NH+4-N條件下，Si處理稻田根際土壤的N2O還原速率最高，為19.54? μg/（g·d），顯著高于CK稻田根際土壤（P<0.05）;NW處理稻田和NW+Si處理稻田根際土壤之間則無顯著差異。對于非根際土壤而言，NW處理稻田和NW+Si處理稻田非根際土壤的N2O還原速率顯著低于CK稻田，而Si處理稻田非根際土壤則與CK稻田之間無顯著差異。在添加NO-3-N條件下，NW+Si處理稻田根際土壤的N2O還原速率最高，為17.24? μg/（g·d）， 顯著高于其他3種稻田;非根際土壤中，Si處理稻田的N2O還原速率最大，顯著高于CK稻田。在添加尿素條件下，NW處理稻田、NW+Si處理稻田和Si處理稻田根際土壤的N2O還原速率均顯著高于CK稻田;非根際土壤中，NW+Si處理稻田的N2O還原速率顯著高于CK稻田，而NW處理稻田則顯著低于CK稻田。

對于同一稻田根際土壤而言，CK稻田和NW+Si處理稻田的N2O還原速率在3個(gè)不同氮添加處理下沒有顯著差異，且NW處理稻田和Si處理稻田在添加NH+4-N和尿素條件下也無顯著差異。對于非根際土而言，除了Si處理稻田之外，其他3種稻田的N2O還原速率在3個(gè)不同氮添加處理下差異顯著。

2.5 外源氮對稻田土壤N2O還原速率的影響效應(yīng)

為了綜合評價(jià)外源氮對4種稻田土壤N2O還原速率的影響效應(yīng)，將每種稻田類型的根際土壤和非根際土壤，以及3種外源氮添加處理下的N2O還原速率進(jìn)行合并后計(jì)算其平均值，研究施加氮肥對稻田N2O還原速率影響的綜合特征。由圖3可知，在無氮添加條件下，NW處理稻田和Si處理稻田的N2O還原速率均顯著高于CK稻田，而NW+Si處理稻田則顯著低于CK稻田;在添加氮條件下，與CK稻田相比，NW處理稻田的N2O還原速率有所降低，Si處理稻田有所提高，而NW+Si處理稻田則顯著高于CK 稻田，增加了15.5%。

2.6 N2O還原速率與土壤理化性質(zhì)的回歸分析

將無氮添加條件下稻田土壤的理化性質(zhì)與N2O還原速率進(jìn)行回歸分析。如圖4所示，稻田N2O還原速率與土壤DOC、NH+4-N、NO-3-N含量均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，N2O還原速率與土壤DOC含量的回歸方程達(dá)到顯著水平（P<0.05）， 說明土壤DOC含量可能是影響N2O還原速率的重要因素。

3 討論

N2O還原是土壤反硝化作用的最后一個(gè)反應(yīng)步驟，決定著反硝化過程的N2O排放量大小。已有大量研究結(jié)果表明，許多環(huán)境因素如土壤溫度對反硝化過程有著重要的影響[12-13]。以往的研究大多選用模擬全天增溫方式，這種增溫方式不符合未來氣候變暖的增溫特征。本試驗(yàn)選擇田間開放式夜間增溫系統(tǒng)開展研究，結(jié)果表明夜間增溫處理促進(jìn)了稻田根際土的N2O還原速率。反硝化作用是由微生物介導(dǎo)的酶促反應(yīng)，其反硝化微生物的適宜溫度范圍較大，為5～75 ℃，在此范圍內(nèi)其微生物活性隨溫度升高而增加。不僅如此，有報(bào)道稱增溫引起土壤水分中氧氣的溶解度減小，會大大增強(qiáng)土壤反硝化過程的溫度依賴性[13-14]。大量研究結(jié)果顯示，增溫促進(jìn)了農(nóng)田包括稻田的土壤N2O排放通量[15-17]。究其原因可能是增溫對反硝化過程各反應(yīng)步驟的影響效應(yīng)不同所致。Tan等[18]發(fā)現(xiàn)，增溫條件下，反硝化過程中NO→N2O的N2O產(chǎn)生速率增幅高于N2O→N2的N2O還原速率增幅，即N2O產(chǎn)生速率的Q10值高于N2O還原速率的Q10值。Hallin等[19]還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)土壤中介導(dǎo)N2O產(chǎn)生的nirK基因通常比介導(dǎo)N2O還原的nosZ基因數(shù)量高出一個(gè)數(shù)量級，且在增溫條件下這些基因數(shù)量特征與N2O排放量高度相關(guān)。因此，夜間增溫盡管可提高稻田土壤N2O還原速率，但可能更會促進(jìn)N2O產(chǎn)生速率，最終導(dǎo)致N2O凈排放量增大[20]。不僅如此，在施加硝態(tài)氮肥條件下，增溫稻田根際土壤和非根際土壤的N2O還原速率均與對照稻田沒有差異，暗示夜間增溫情景下，施加硝態(tài)氮肥可能具有更大的N2O排放風(fēng)險(xiǎn)。

硅是水稻生長的有益元素[21]。盡管土壤中硅的總量很高，但是植物可利用的有效硅含量極低，許多地區(qū)的稻田處于低硅或缺硅水平。本試驗(yàn)點(diǎn)的土壤有效硅含量遠(yuǎn)低于100 mg/kg，屬于低硅稻田，且長期施用硅肥提高了稻田土壤的有效硅含量。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施硅處理提高了稻田土壤N2O還原速率。Song等[10]報(bào)道施用偏硅酸鈉后稻田土壤N2O排放通量降低了66%，Wang等[22]報(bào)道施加CaSiO3鋼渣促使稻田N2O排量降低了98%。Richardson[23]等和林德華[24]認(rèn)為，施硅可降低土壤反硝化過程中N2O/N2的比例，而無硅則有利于農(nóng)田的不完全反硝化過程，N2O排放量增加。施硅可促進(jìn)水稻根系生長，提高根系競爭土壤活性氮能力[25-26]，不利于反硝化過程的進(jìn)行。同時(shí)，根系快速生長時(shí)分泌到土壤中的有機(jī)碳會增多，土壤有機(jī)碳/活性氮比值的提高[27]，有利于完全反硝化過程的進(jìn)行，N2O排放量減少。本試驗(yàn)中，施硅對N2O還原速率的影響效應(yīng)在不施氮稻田根際土中表現(xiàn)更為明顯。另一方面，本試驗(yàn)中施用的鋼渣硅肥中鐵成分可能參與了N2O產(chǎn)生/還原過程[28]。Song等[10]認(rèn)為，施用富含鐵的鋼渣硅肥顯著抑制了稻田土壤nirS和nirK基因的數(shù)量，而對nosZ無明顯影響，導(dǎo)致N2O排放量下降。因此，施加硅肥既對水稻生長有益，又有利于N2O的減排。

外源氮輸入對硅肥促進(jìn)稻田N2O還原的效應(yīng)具有重要影響。綜合來看，施氮條件下，NW+Si稻田的N2O還原速率顯著高于NW稻田，而在無氮條件下兩者速率則正好相反。從不同肥料來看，在稻田非根際土中尿素的促進(jìn)效應(yīng)最為顯著，而在根際土中硝態(tài)氮的促進(jìn)效應(yīng)最為明顯。這說明在施氮條件下，硅肥可以促進(jìn)夜間增溫稻田的N2O還原速率。硝態(tài)氮在稻田中易遷移，且是反硝化作用的底物，而尿素需要轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮后，才會被植物或微生物吸收利用。比較而言，硅肥對N2O還原潛力的促進(jìn)效應(yīng)，在施用尿素條件下應(yīng)更為安全、有效。因此，在未來氣候變暖背景下，尿素配施硅肥可能是一個(gè)緩解稻田N2O排放的有效栽培措施。

本試驗(yàn)僅研究了增溫、施硅對稻田N2O還原潛力的影響，沒有綜合考察這2個(gè)要素對稻田N2O產(chǎn)生潛力的影響，以及反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)及功能基因數(shù)量特征對此兩要素的響應(yīng)。因此需要采集更多的典型稻田土壤，從N2O消長兩方面以及功能微生物角度深入研究未來增溫背景下施肥方式對稻田N2O排放的影響機(jī)理。

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（責(zé)任編輯：張震林）

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