不同灌水模式和施氮處理下稻田N2O排放通量及其與硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系

裴自偉 ，陳意超 ，李伏生 *，黃忠華 ，羅維剛

不同灌水模式和施氮處理下稻田N2O排放通量及其與硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系

裴自偉1，2，3，陳意超1，2，3，李伏生1，2，3*，黃忠華4，羅維剛4

（1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004；2.廣西喀斯特地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)院士工作站，南寧 530004；3.廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，南寧 530004；4.南寧市灌溉試驗站，南寧 530001）

為獲得減少稻田N2O排放的合適灌溉模式和施氮管理，通過大田試驗，研究了不同灌溉方式和施氮處理對生育期內(nèi)稻田N2O排放通量和不同時期土壤無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的影響，并分析了采樣當(dāng)天稻田N2O排放通量與無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系。試驗設(shè)3種灌溉方式，即常規(guī)灌溉（CI）、“薄淺濕曬”灌溉（TI）和干濕交替灌溉（DI），以及2種施氮處理，即全部施用尿素（RN1）和50%尿素+50%豬糞（RN2），2種施氮處理氮用量相同。相同施氮處理下，TI模式可以降低稻田N2O排放；DI和TI模式土壤無機(jī)氮含量、硝化細(xì)菌數(shù)量和亞硝化細(xì)菌數(shù)量較CI方式高，而CI和TI模式土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量較DI模式高。相同灌水模式下，RN1處理可顯著降低稻田N2O排放，且RN1處理土壤無機(jī)氮含量、硝化細(xì)菌數(shù)量、亞硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量較RN2處理低。稻田N2O排放通量與土壤反硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)量和NH+4－N含量之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r≥0.309，P＜0.01），且土壤NH+4－N含量與硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量之間也均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r≥0.555，P＜0.01）。因此，“薄淺濕曬”灌溉和尿素處理可以降低稻田N2O排放，且稻田N2O排放通量受到土壤NH+4－N含量、反硝化細(xì)菌數(shù)量和硝化細(xì)菌數(shù)量的綜合影響。

灌水模式；有機(jī)無機(jī)氮肥配施；N2O排放；排放通量

稻田作為氧化亞氮（N2O）排放的源頭之一備受關(guān)注，而合理的水氮管理是降低稻田N2O排放途徑之一。前人研究表明，稻田N2O排放主要集中在曬田完成復(fù)水之后及成熟期稻田水分落干時[1]，這是因為水分管理可以改變土壤氧化還原電位（Eh），影響N2O排放，只有選擇合適的灌溉模式才能有效地降低稻田N2O的產(chǎn)生[2]?！氨\濕曬”灌溉和干濕交替灌溉模式是我國南方地區(qū)稻田應(yīng)用較廣的節(jié)水灌溉模式，研究發(fā)現(xiàn)，晚稻、早稻孕穗期和乳熟期“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式土壤N2O排放通量比常規(guī)灌溉模式顯著提高[3]，這是因為土壤干濕交替使得硝化作用和反硝化作用交替進(jìn)行，從而促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生[4]。N2O的排放會隨著氮肥用量的增加而增加[5]。除了施用氮肥對N2O的排放有影響外，施用有機(jī)肥同樣會影響N2O排放[6]，如施用沼液后N2O排放量顯著高于施用化肥，且N2O排放量隨著沼液替代量的降低而呈現(xiàn)降低的趨勢[7]。此外，稻田N2O排放通量和土壤硝化、反硝化細(xì)菌數(shù)量也有著密切聯(lián)系[8]，其他微生物代謝活動為反硝化作用提供可用的碳源，在硝化、反硝化細(xì)菌的共同作用下稻田大量排放N2O[9]。目前“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉模式下稻田硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量變化及其與N2O排放之間的關(guān)系尚不清楚，有必要深入研究這方面的問題。因此本文通過大田試驗，研究了不同灌溉方式與施氮處理對生育期內(nèi)稻田N2O排放通量，以及不同時期土壤無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的影響，并分析采樣當(dāng)天稻田N2O排放通量與土壤無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系，以闡明土壤無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的變化對稻田N2O排放通量的影響，并獲得降低稻田N2O排放的灌溉模式和施氮管理。

1 材料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)和材料

田間試驗在南寧市灌溉試驗站進(jìn)行。該試驗站年平均日照時數(shù)為1906 h，年平均氣溫22.3℃，試驗期間降雨量為613.4 mm。試驗土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土，其背景值如下：pH 7.02，有機(jī)質(zhì)28.64 g·kg－1，堿解氮 109.08 mg·kg－1，速效磷 64.21 mg·kg－1，速效鉀128.46 mg·kg－1。供試有機(jī)肥為腐熟豬糞，其有機(jī)質(zhì)含量14.87%，N含量0.49%，無機(jī)氮含量0.32%，P2O5含量0.53%，K2O含量0.37%，水分含量71.23%。試驗用尿素含N 46%，過磷酸鈣含P2O512%，氯化鉀含K2O 60%。供試水稻品種為中浙優(yōu)8號。

1.2 試驗方法

田間試驗設(shè)3種灌水模式，包括常規(guī)灌溉（CI）：移栽返青期以及分蘗期到乳熟期田間均保持20～30 mm水層，分蘗末期和成熟期保持土壤濕潤；干濕交替灌溉（DI）：移栽后 10 d內(nèi)田間保持 10～20 mm水層，7 d后進(jìn)行干濕交替灌溉，即當(dāng)土壤水勢為－15 kPa（張力計，TEN45南京土壤研究所工廠）時，灌水20 mm后自然落干至土壤水勢為－15 kPa，再灌水20 mm，如此循環(huán)，至水稻成熟結(jié)束；“薄淺濕曬”灌溉（TI），其水分控制可參考本課題組董艷芳等[1]。水稻生育期內(nèi)3種灌溉方式土壤水分變化情況：除分蘗末期，CI模式整個生育期保持2～4 cm水層，移栽返青期保持淺水層（1～2 cm），黃熟期自然落干；DI模式在水稻移栽后10 d內(nèi)保持淺水層，以后按照田間張力計水勢變化控水，即自然落干至水勢為－15 kPa時灌水1～2 cm，再自然落干再灌水，如此循環(huán)至水稻成熟；TI模式返青前保持淺水層，分蘗前土壤保持濕潤(0.9～1 cm水層)，分蘗后期曬田，拔節(jié)至孕穗期保持淺水層，乳熟期濕潤，黃熟期曬田。2種施氮處理，包括100%尿素（RN1）和50%尿素+50%豬糞（RN2）。所有處理 N、P2O5和 K2O 用量分別為 150、75 kg·hm－2和150 kg·hm－2。其中RN1處理全部過磷酸鈣和50%的尿素、氯化鉀作基肥，RN2處理全部過磷酸鈣、有機(jī)肥和50%氯化鉀作基肥，均在插秧前一天耕地時施入土壤中。兩施肥處理余下50%的尿素和氯化鉀平均在分蘗期和孕穗期施入土壤中。

試驗按完全方案設(shè)計，共6個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共18個小區(qū)，每小區(qū)面積25 m2。隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)周圍用25～26 cm厚紅磚水泥墻壁隔開，以防小區(qū)之間水分相互側(cè)滲和降雨多時排水。各小區(qū)安裝水表計量每次灌水量。

田間試驗于2015年3月19日進(jìn)行水稻催芽，露白后播種育秧，培育至3葉1心期，選取長勢壯碩基本一致的幼苗于4月22日進(jìn)行移栽。每穴雙株栽培，行距20 cm，株距20 cm。水稻秧苗移栽后各小區(qū)保持20～30 mm水層利于秧苗返青。不同灌水處理從5月2日秧苗返青后開始，至8月15日水稻黃熟后結(jié)束，8月20日試驗收獲完畢，全生育期大約154 d。此外，試驗期間各處理其他田間管理措施一致。

1.3 樣品采集與測定

氣體采集用靜態(tài)封閉箱法，參考本課題組董艷芳等[1]，把裝有風(fēng)扇和溫度計的箱子放于底座，用50 mL注射器（美國BD）采氣，每隔5 min采氣1次共計7次，選取其中4次，確保N2O濃度－時間線性回歸曲線的決定系數(shù)R2大于0.9。限于實(shí)驗室條件和人力，每周采樣1次，全生育期共測定13次。N2O排放通量用氣相色譜儀（Agilent 7890A GC）測定（檢測器為ECD，將裝有載氣的高壓瓶、氫氣發(fā)生器、純凈空氣泵、氣體進(jìn)樣系統(tǒng)和主機(jī)打開，當(dāng)檢測器溫度升至350℃和主機(jī)基線穩(wěn)定后開始分析樣品）。根據(jù)儀器測出的N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體峰面積、箱體體積與底座面積，由下式計算排放通量。

式中：F 為 N2O 排放通量，μg N2O·m－2·h－1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下N2O的密度，μg N2O·m－3；V表示采氣箱的體積，m3；A為采氣箱所覆蓋面積，m2；P為密閉靜態(tài)箱內(nèi)的氣壓，Pa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為 1.013×105Pa，試驗地區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相近，兩者比值約為1。T為密閉靜態(tài)箱內(nèi)溫度，℃。dC/dt表示密閉靜態(tài)箱內(nèi)N2O濃度在單位時間內(nèi)的變化量，μL·m－3·h－1。

分別于移栽后第20（分蘗期）、56（孕穗期）、84 d（乳熟期）和104 d（成熟期）采集土樣，每次采樣時間為灌水處理后第2 d上午，在每個試驗小區(qū)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，用土鉆采集0～20 cm土樣裝入保鮮袋并混勻，帶回實(shí)驗室后立刻用新鮮土壤測定硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量，同時用烘干法測定土壤含水率（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），以計算每克干土中微生物數(shù)量，其余土壤進(jìn)行風(fēng)干處理后用于測定土壤無機(jī)氮含量。

土壤無機(jī)氮用2 mol·L－1KCl溶液提取后，硝態(tài)氮含量用0.45μm濾膜過濾后采用雙波長比色法測定[10]，銨態(tài)氮含量用靛酚藍(lán)比色法測定[5]。土壤硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的測定所用培養(yǎng)基見參考文獻(xiàn)[10]，均用 MPN 計數(shù)法[11－12]測定。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 17.0軟件分析。方差分析用SPSS程序中通用線性模型單變量多因素法，不同處理各指標(biāo)平均值的比較用Duncan法。并分析采樣當(dāng)日稻田N2O排放通量與土壤無機(jī)氮含量和硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水模式與施氮處理稻田N2O排放通量的變化

由圖1a可知，RN1下，3種灌水模式在水稻分蘗末期和成熟期落干與曬田期間都有N2O排放峰。CI模式下分蘗末期曬田期間N2O排放最大峰值為165.6 μg N2O·m－2·h－1；TI模式土壤 N2O 排放峰出現(xiàn)時間沒有太大變化，但排放時間縮短、排放通量降低；DI模式稻田土壤N2O排放通量有3次較大的峰值，最高達(dá)到 150.0 μg N2O·m－2·h－1，而此時 CI和 TI模式稻田處于N2O吸收時期，說明在相同施氮條件下DI模式的干濕交替階段能促進(jìn)N2O排放。CI、DI與TI模式在整個生育期N2O平均排放通量分別為20.63、52.32、12.91 μg N2O·m－2·h－1，TI模式 N2O 排放通量較低。說明RN1下通氣條件較差的CI和TI可降低整個生育期內(nèi)N2O排放。

圖1b顯示RN2下不同灌水模式在追肥后分蘗末期N2O排放通量均出現(xiàn)最大值。CI與TI模式下整個生育期N2O排放存在兩次較大峰值，分別出現(xiàn)在分蘗末期和成熟期落干、曬田階段；DI模式下出現(xiàn)了3個依次遞減的峰值，在分蘗期追肥后出現(xiàn)最高峰值為686.35 μg N2O·m－2·h－1，其余兩次出現(xiàn)在旺盛生長時期。與CI模式相比，DI模式土壤N2O排放通量增加239.34%，而TI模式降低3.65%。說明在RN2下TI模式可以達(dá)到N2O減排的目的。

CI、DI和 TI模式下，與 RN1相比，RN2整個生育期土壤N2O排放通量平均分別增加62.28%、117.13%和149.80%，表明上述3種灌水模式下有機(jī)無機(jī)氮肥配施處理均不同程度上促進(jìn)整個生育期內(nèi)采樣期間土壤N2O的排放。

2.2 不同灌水模式與施氮處理對稻田土壤無機(jī)氮含量的影響

由表1可知，在整個生育期內(nèi)不同處理土壤NH+4－N含量都呈下降趨勢。CI、DI和TI模式下，在分蘗期RN2土壤NH+4－N含量較RN1分別下降 21.24%、22.75%與15.16%，而在孕穗期、乳熟期和成熟期RN2土壤NH+4－N含量較RN1有所上升。整個生育期內(nèi)，RN1下TI和DI模式土壤NH+4－N平均含量較CI模式分別提高12.70%和18.00%，RN2下TI和DI模式土壤NH+4－N含量較CI模式分別提高15.47%和22.65%。說明在相同灌水模式下，RN2有利于氮素礦化為NH+4－N；而在相同施氮條件下，DI和TI模式有利于土壤NH+4－N的保存。

圖1 不同灌水模式和施氮處理下稻田土壤N2O排放通量變化Figure 1 Changes of N2O emission flux in paddy soil under different irrigation methods and nitrogen treatments

表1 不同灌水模式和施氮處理對土壤無機(jī)氮含量的影響（mg·kg－1）Table 1 Effect of different irrigation methods and nitrogen treatments on the mineral N content in the paddy soil（mg·kg－1）

不同處理土壤NO－3－N含量在分蘗期最低而成熟期達(dá)到最高。CI、DI和TI模式下，在分蘗期RN2土壤NO-3-N含量較RN1分別下降54.84%、16.80%和57.69%；在成熟期RN2土壤NO-3-N含量較RN1分別提高17.99%、18.28%和16.12%；整個生育期RN2土壤NO-3-N平均含量比RN1有所提高。整個生育期內(nèi)，RN1下DI模式土壤NO-3-N平均含量較CI和TI模式分別增加154.86%和105.05%，RN2下DI模式土壤NO-3-N平均含量較CI和TI分別增加154.15%和108.77%，這表明RN2與DI模式結(jié)合土壤NO-3-N含量較高。

2.3 不同灌水模式和施氮處理對稻田土壤硝化-反硝化細(xì)菌數(shù)量的影響

由表2可知，不同處理土壤硝化細(xì)菌數(shù)量在整個生育期內(nèi)呈下降趨勢。CI、DI和TI模式下，在分蘗期RN2土壤硝化細(xì)菌數(shù)量較RN1分別降低40.18%、16.73%和24.49%；而在孕穗期、乳熟期和成熟期，RN2土壤硝化細(xì)菌數(shù)量一般比RN1高。整個生育期內(nèi)，與CI模式相比，RN1下DI和TI模式土壤硝化細(xì)菌平均數(shù)量分別增加77.20%和27.80%，RN2下分別增加102.02%和78.09%，說明DI和TI與RN2結(jié)合有利于土壤硝化細(xì)菌的生存。

所有處理土壤亞硝化細(xì)菌數(shù)量以分蘗期為最多，而成熟期較少（表2）。CI、DI和TI模式下，在分蘗期RN2土壤亞硝化細(xì)菌數(shù)量較RN1分別降低31.90%、13.07%和20.95%，而在孕穗期、乳熟期和成熟期RN2比RN1有所提高。整個生育期內(nèi)，與CI模式相比，RN1下DI和TI模式土壤亞硝化細(xì)菌平均數(shù)量分別增加48.61%和30.32%，RN2下分別增加46.81%和24.57%，說明DI和TI模式與RN1處理結(jié)合更接近土壤亞硝化細(xì)菌的生存環(huán)境。

由表2可以看出，土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量在孕穗期較高，而在成熟期最低。CI、DI和TI模式下，整個生育期內(nèi)RN2土壤反硝化細(xì)菌平均數(shù)量比RN1分別增加65.71%、75.69%和53.03%。與DI相比，RN1下CI和TI土壤反硝化細(xì)菌平均數(shù)量分別增加22.21%和23.74%，RN2下分別增加15.27%和7.78%，說明RN2處理與CI或TI模式結(jié)合更適于土壤反硝化細(xì)菌活動。

2.4 稻田無機(jī)氮含量和硝化-反硝化細(xì)菌數(shù)量對N2O排放通量的影響

由表3可知，稻田N2O排放通量與土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量、硝化細(xì)菌數(shù)量和NH+4-N含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤NH+4-N含量與硝化細(xì)菌數(shù)量、亞硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量之間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。此外，土壤NO-3-N含量與NH+4-N含量和反硝化細(xì)菌數(shù)量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 不同灌水模式和施氮處理對稻田土壤硝化-反硝化微生物數(shù)量的影響Table 2 The effect of different irrigation methods and nitrogen treatments on the number of nitrifying-denitrifying bacteria in paddy soil

表3 不同灌水模式與施氮處理下稻田N2O排放通量與硝化-反硝化細(xì)菌數(shù)量和無機(jī)氮含量的關(guān)系Table 3 Correlation between the N2O emission flux and the number of nitrifying-denitrifying bacteria and inorganic N content for different irrigation methods and nitrogen treatments

3 討論

RN1下，3種灌溉模式稻田都有N2O排放峰，不同的是孕穗期前后只有DI模式稻田出現(xiàn)N2O排放峰（圖1），而此時DI模式稻田處于水層劇烈變化階段，CI和TI模式是淹水期，說明曬田相對于持續(xù)淹水極大促進(jìn)稻田N2O排放[13-15]。有研究表明相對于持續(xù)淹水，曬田及干濕交替使各處理平均N2O排放通量分別增加47倍和23倍[16]。DI、CI和TI模式稻田N2O平均排放通量依次降低，表明DI模式下干濕交替可促進(jìn)土壤N2O的排放，這與前人研究結(jié)果[16]一致?？赡苡捎贜2O主要是排水增加了土壤通氣性和微生物活性，加之淹水期未用的氮肥硝化作用增強(qiáng)，而硝化作用是土壤N2O排放的主要原因[17-18]。本實(shí)驗在RN2下也有相似規(guī)律，與CI模式相比，DI模式稻田N2O排放通量增加了239.34%，而TI模式降低了3.65%，這表明RN2下DI模式對稻田N2O的排放具有明顯促進(jìn)作用。CI模式稻田N2O排放峰較DI與TI模式出現(xiàn)了推遲的現(xiàn)象，主要原因在于該灌水模式下RN2處理水稻在生長過程出現(xiàn)了貪青遲熟的癥狀，導(dǎo)致曬田時間有所靠后。與RN1相比，CI、DI和TI模式下RN2稻田N2O排放量分別平均增加62.28%、117.13%與149.80%，這是因為有機(jī)肥中存在更多可分解的有機(jī)碳（約為8.63%），從而土壤還原強(qiáng)度提高，NH+4-N被氧化成NO-3-N后在反硝化作用下生成N2O[19]，說明上述3種灌水模式采用有機(jī)無機(jī)氮配施處理均會不同程度提高水稻整個生育期內(nèi)采樣期間土壤N2O的排放，這與前人研究結(jié)果[3]一致。相同施氮處理下，本研究結(jié)果與董艷芳等[1]發(fā)現(xiàn)早稻N2O的排放通量規(guī)律一致，只是數(shù)值偏高，可能是因為本實(shí)驗施氮量為150 kg·hm-2，而該研究是 135 kg·hm-2，由此可得出，低氮水平可有效減少N2O的排放。

在相同施氮處理下，DI和TI模式土壤NH+4-N含量較CI模式高，因為DI模式下干濕交替灌溉與TI模式下落干濕潤過程能加劇有機(jī)氮的礦化分解，更有利于土壤NH+4-N的釋放，這與劉靖雯等[3]的結(jié)果相似。相同灌水模式下，水稻生育后期RN2土壤NH+4-N含量較RN1顯著或極顯著提高，可能是因為有機(jī)氮礦化所致[20-21]，表明有機(jī)無機(jī)氮肥配施可提高土壤NH+4-N含量。相同灌水模式下，RN2土壤NO-3-N含量前期要比RN1低，可能因為有機(jī)無機(jī)氮肥配施能顯著降低土壤NO-3-N含量[22]，后期有機(jī)氮分解影響變小，含量增加。在相同施氮處理下，DI、TI和CI模式土壤NO-3-N含量依次降低，說明DI和TI模式通過控水提高土壤NO-3-N含量[23]，這是因為間歇性氧氣供應(yīng)提高微生物活性，促進(jìn)土壤NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N。由表1和表3可知，整個生育期內(nèi)土壤NO-3-N含量與NH+4-N含量之間極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.466，r0.01=0.302，n=72），可能是因為微生物作用下土壤NH+4-N硝化為NO-3-N[24]，兩者存在相互消長關(guān)系。

由表2可知，相同灌水模式下，除分蘗期外RN2土壤硝化細(xì)菌數(shù)量、亞硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量都較RN1顯著提高，說明RN2可比RN1顯著提高微生物活性，可能是受到有機(jī)肥帶入的有機(jī)質(zhì)和微生物的影響[25]。相同施氮處理下，DI和TI模式土壤硝化細(xì)菌數(shù)量和亞硝化細(xì)菌數(shù)量高于CI模式，而CI模式更有利于反硝化細(xì)菌生存，即處于淹水條件的CI適合厭氣微生物生長，而淺、濕、間歇灌溉適于好氣性微生物的生長[26]，因灌水方式不同造成的土壤通氣性差異可能是導(dǎo)致土壤硝化細(xì)菌數(shù)量、亞硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量不同的原因。在氮循環(huán)過程中，硝化作用是反硝化作用的基礎(chǔ)，而亞硝化作用是硝化作用中的限速步驟[24]。本實(shí)驗中可能是因為稻田保持一定濕潤度或持續(xù)淹水狀態(tài)下，土壤中O2濃度降低，不能為土壤亞硝酸細(xì)菌提供充足的碳源和氮源，致使土壤亞硝酸細(xì)菌數(shù)量減少[3]。反硝化作用受多方面因素影響[24]，本實(shí)驗所有處理反硝化細(xì)菌數(shù)量在黃熟期較少，可能是黃熟期水層逐漸減少直至?xí)裉铮瑢?dǎo)致土壤中氧氣增加，不利于反硝化細(xì)菌的生存，抑制反硝化作用的發(fā)生[18]。在RN1下，DI模式孕穗期稻田N2O排放出現(xiàn)峰值，而相對應(yīng)的土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量達(dá)最大值；RN2下，DI模式分蘗期稻田N2O排放達(dá)峰值，此時土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量較多，表明干濕交替下N2O排放通量和反硝化細(xì)菌數(shù)量正相關(guān)，土壤以反硝化作用為主。

由表3可知，采土當(dāng)日稻田N2O排放通量與土壤硝化細(xì)菌數(shù)量、亞硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量以及NH+4-N含量之間極顯著正相關(guān)，這是因為在分蘗期和孕穗期土壤硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量以及NH+4-N含量較高，N2O排放通量也達(dá)到峰值；而在乳熟期和黃熟期土壤硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量以及NH+4-N含量都較低，N2O排放通量也較低所致。N2O是氮肥在硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物作用下經(jīng)硝化和反硝化作用生成，NH+4-N在硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌作用下生成NO-3-N，而NO-3-N的生成會對硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌有一定的抑制作用；NH+4-N作為底物對微生物則有一定促進(jìn)作用；NO-3-N在反硝化細(xì)菌作用下生成N2O，氣體可直接排放出去，對反應(yīng)無抑制作用，可促進(jìn)其發(fā)生，即稻田N2O排放量與土壤NH+4-N含量、硝化細(xì)菌數(shù)量和反硝化細(xì)菌數(shù)量之間呈正相關(guān)關(guān)系。

本研究結(jié)果顯示，在相同施氮處理下，除了反硝化細(xì)菌外，CI模式土壤NH+4-N含量、硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌數(shù)量都比TI模式低，同時考慮到節(jié)水，故采用TI模式相對較好。雖然TI模式土壤反硝化細(xì)菌較CI和DI模式多，但在N2O生成的過程中硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌的硝化作用在反硝化作用前，有可能成為反硝化作用的限速步驟，所以綜合考慮“薄淺濕曬”灌溉（TI）較好。而在相同灌水模式下，有機(jī)無機(jī)氮肥配施（RN2）都較全尿素（RN1）的N2O排放量高，所以施用全尿素可有效抑制N2O排放。

4 結(jié)論

（1）“薄淺濕曬”灌溉與全尿素處理結(jié)合可有效降低稻田N2O排放通量。

（2）稻田N2O排放通量與土壤NH+4-N含量和反硝酸細(xì)菌、硝酸細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

[1]董艷芳,黃 景,李伏生,等.不同灌溉模式和施氮處理稻田CH4和N2O排放和增溫潛勢研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2017,23（3）：578-588.

DONG Yan-fang,HUANG Jing,LI Fu-sheng,et al.Study on CH4and N2O emission and temperature accumulation in paddy field treated with different irrigation patterns and nitrogen application[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23（3）：578-588.

[2]康新立,華銀鋒,田光明,等.土壤水分管理對甲烷和氧化亞氮排放的影響[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報,2013（2）：43-46.

KANG Xin-li,HUA Yin-feng,TIAN Guang-ming,et al.Effects of soil moisture management on methane and nitrous oxide emissions[J].Journal of China Environmental Management College,2013（2）：43-46.

[3]劉靖雯,李伏生,董艷芳,等.不同灌溉模式和施氮處理下稻田氨氧化細(xì)菌及無機(jī)氮對N2O排放的影響[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,36（4）：8-15.

LIU Jing-wen,LI Fu-sheng,DONG Yan-fang,et al.Effects of ammonia oxidation bacteria and promoted nitrogen on N2O emission from paddy field under different irrigation patterns and nitrogen application[J].Journal of Huazhong Agricultural University,2017,36（4）：8-15.

[4]張 威,張旭東,何紅波,等.干濕交替條件下土壤氮素轉(zhuǎn)化及其影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2010,29（4）：783-789.

ZHANG Wei,ZHANG Xu-dong,HE Hong-bo,et al.Advances in soil nitrogen translocation and its effects under dry and wet alternation[J].Chinese Journal of Ecology,2010,29（4）：783-789.

[5]黃樹輝,蔣文偉,呂 軍,等.氮肥和磷肥對稻田N2O排放的影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2005,25（5）：540-543.

HUANG Shu-hui,JIANG Wen-wei,Lü Jun,et al.Effects of nitrogen fertilizer and phosphate fertilizer on N2O emission from paddy field[J].Chinese Journal of Environmental Science,2005,25（5）：540-543.

[6]Rütting T,Boeckx P,Müller C,et al.Assessment of the importance of dissimilatory nitrate reduction to ammonium for the terrestrial nitrogen cycle[J].Biogeosciences,2011,8（7）：1779-1791.

[7]黃紅英,曹金留,靳紅梅,等.豬糞沼液施用對稻麥輪作系統(tǒng)土壤氧化亞氮排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,30（11）：2353-2361.

HUANG Hong-ying,CAO Jin-liu,JIN Hong-mei,et al.Effects of pig manure biogas application on soil nitrous oxide emission from ricewheat rotation system[J].Journal of Agro-Environment Science,2011,30（11）：2353-2361.

[8]岳 進(jìn),黃國宏,梁 巍,等.不同水分管理下稻田土壤CH4和N2O排放與微生物菌群的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14（12）：2273-2277.

YUE Jin,HUANG Guo-hong,LIANG Wei,et al.The relationship between CH4and N2O emissions and microbial bacteria in paddy soils under different water control[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2003,14（12）：2273-2277.

[9]侯愛新,陳冠雄,吳 杰,等.稻田CH4和N2O排放關(guān)系及其微生物學(xué)機(jī)理和一些影響因子[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1997,8（3）：270-274.

HOU Ai-xin,CHEN Guan-xiong,WU Jie,et al.Characteristics of CH4and N2O emission in paddy field and its microbiological mechanism and some influencing factors[J].Chinese Journal of Applied Ecology,1997,8（3）：270-274.

[10]黃樹輝.裂縫條件下稻田土壤中N2O的釋放和氮溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

HUANG Shu-hui.Release of N2O and mechanism of nitrogen solute transport in paddy soils under fracture condition[D].Hangzhou：Zhejiang University,2005.

[11]許光輝,鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,1986：110-118.

XU Guang-hui,ZHENG Hong-yuan.Soil microbiological analysis method manual[M].Beijing：Agriculture Press,1986：110-118.

[12]南京土壤所.土壤農(nóng)化分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,1999：234-241.

Nanjing Soil Institute.Soil agrochemical analysis method[M].Beijing：China Agricultural Press,1999：234-241.

[13]徐 華,邢光熹,蔡祖聰,等.土壤水分狀況和氮肥施用及品種對稻田N2O排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1999,10（2）：59-61.

XU Hua,XING Guang-xi,CAI Zu-cong,et al.Effects of soil water status and nitrogen fertilizer application and varieties on N2O emission from paddy field[J].Chinese Journal of Applied Ecology,1999,10（2）：59-61.

[14]Cai Z C,Xing G X,Yan X Y,et al.Methane and nitrous oxide from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilizers and water management[J].Plant and Soil,1997,196（1）：7-14.

[15]蔡祖聰,Mosier A R.土壤水分狀況對CH4氧化,N2O和CO2排放的影響[J].土壤學(xué)報,1999,31（6）：289-298.

CAI Zu-cong,Mosier A R.Effects of soil moisture on CH4oxidation,N2O and CO2emissions[J].Acta Pedologica Sinica,1999,31（6）：289-298.

[16]Opdyke M R,Ostrom N E,Ostrom P H.Evidence for the predominance of denitrification as a source of N2O in temperate agricultural soils based on isotopologue measurements[J].Global Biogeochemical Cycles,2009,23（4）：GB4018,doi：10.1029/2009GB003523.

[17]Kool D M,Dolfing J,Wrage N,et al.Nitrifier denitrification as a distinct and significant source of nitrous oxide from soil[J].Soil Biology and Biochemistry,2011,43（1）：174-178.

[18]秦曉波,李玉娥,劉克櫻,等.不同施肥處理稻田甲烷和氧化亞氮排放特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22（7）：143-148.

QIN Xiao-bo,LI Yu-e,LIU Ke-ying,et al.Characteristics of methane and nitrous oxide emission from paddy field under different fertilization treatments[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2006,22（7）：143-148.

[19]韓鵬飛,郭 敏.不同肥料的施用對稻田CH4和N2O排放的影響及其減排措施[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37（17）：8153-8155.

HAN Peng-fei,GUO Min.Effects of different fertilizers on CH4and N2O emissions from paddy fields and their emission reduction measures[J].Anhui Agricultural Sciences,2009,37（17）：8153-8155.

[20]Kuikman E B.Influence of competition for nitrogen in soil on net mineralization of nitrogen[J].Plant and Soil,1997,190：119-126.

[21]Kuikman P J,VanVeen J A.The impacts of protozoa on the availability of bacterial nitrogen to plants[J].Biology Fertility Soils,1989,8（1）：13-18.

[22]胡 瑋,邸 青,劉吉振,等.不同施肥方式對畢節(jié)煙田土壤硝態(tài)氮淋失的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,23（1）：36-39,43.

HU Wei,DI Qing,LIU Ji-zhen,et al.Effects of different fertilization modes on nitrate leaching in soil of Bijie tobacco field[J].Tianjin Agricultural Sciences,2017,23（1）：36-39,43.

[23]焦 艷,黃 耀.影響農(nóng)田氧化亞氮排放過程的土壤因素[J].氣候與環(huán)境研究,2003,8（4）：457-466.

JIAO Yan,HUANG Yao.Soil factors affecting nitrous oxide emissions from farmland[J].Climate and Environment Studies,2003,8（4）：457-466.

[24]賀紀(jì)正,張麗梅.土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物過程及機(jī)制[J].微生物學(xué)通報,2013,40（1）：98-108.

HE Ji-zheng,ZHANG Li-mei.Key microbial process and mechanism of soil nitrogen transformation[J].Microbiology Bulletin,2013,40（1）：98-108.

[25]余江敏,李伏生,韋彩會,等.根區(qū)局部灌溉對有機(jī)無機(jī)肥配施土壤微生物和玉米水分利用的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26（6）：63-69.

YU Jiang-min,LI Fu-sheng,WEI Cai-hui,et al.Effects of local irrigation on soil microbial and maize water use in organic-inorganic fertilizers[J].Agricultural Research in Arid Areas,2008,26（6）：63-69.

[26]王秋菊,李明賢,趙宏亮,等.不同灌溉模式對稻田土壤微生物數(shù)量的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2008,24（9）：114-116.

WANG Qiu-ju,LI Ming-xian,ZHAO Hong-liang,et al.Effects of different irrigation patterns on soil microbial quantity in paddy field[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2008,24（9）：114-116.

The relationship between N2O emission flux from paddy fields and nitrifying-denitrifying bacteria under different irrigation methods and nitrogen treatments

PEI Zi－wei1,2,3,CHEN Yi－chao1,2,3,LI Fu－sheng1,2,3*,HUANG Zhong－h(huán)ua4,LUO Wei－gang4
（1.College of Agriculture,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.Guangxi Academician Work Station of the New Technology of Water－saving Agriculture in Karst Region,Nanning 530004,China;3.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Crop Cultivation and Tillage,Nanning 530005,China;4.Nanning Irrigation Experimental Station,Nanning 530001,China）

To develop a suitable irrigation method and nitrogen（N）management approach for reducing N2O emissions from paddy fields,the effect of different irrigation methods and N treatments on the N2O emission flux from paddy fields over an entire growth period was investigated.To achieve this,the inorganic N content and number of nitrifying－denitrifying bacteria in the soil at different growth stages were determined using field experiments.The relationship between the N2O emission flux from paddy fields and the inorganic N content as well as the number of nitrifying and denitrifying bacteria was analyzed for each sampling day.The field experiment included three irrigation methods,namely,conventional irrigation（CI）,"thin－shallow－wet－dry"irrigation（TI）,and alternate drying and wetting irrigation（DI）.Two Ntreatments,namely,100%urea（RN1）and 50%urea+50%pig manure（RN2）were also used at the same N application rate.For the same N application,the TI method was found to reduce the N2O emission flux from paddy fields.The DI and TI methods were found to have a higher number of nitrate and nitrite bacteria as well as inorganic N content than the CI method.The CI and TI methods were found to increase the number of denitrifying bacteria compared to the DI method.Under the same irrigation method,the RN1 treatment was found to decrease the N2O emission flux significantly,and the RN1 treatment decreased the number of nitrate,nitrite,and denitrifying bacteria,as well as the inorganic N content compared to the RN2 treatment.There were significant positive correlations between the N2O emission flux from paddy fields and the NH+4－N content,as well as the number of nitrate bacteria and denitrifying bacteria in the soil.Significant positive correlations were also observed between the NH+4－N content and the number of nitrate bacteria and denitrifying bacteria in the soil.Therefore,it is shown that the"thin－shallow－wet－dry"irrigation method and urea treatment can reduce the N2O emission flux from paddy fields,and the N2O emission flux was affected by the NH+4－N content and number of nitrate bacteria and denitrifying bacteria in the soil.

irrigation methods;combined application of organic and inorganic N fertilizers;N2O;emission flux

X511

A

1672－2043（2017）12－2561－08

10.11654/jaes.2017－0749

裴自偉，陳意超，李伏生，等.不同灌水模式和施氮處理下稻田N2O排放通量及其與硝化－反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（12）：2561－2568.

PEI Zi－wei,CHEN Yi－chao,LI Fu－sheng,et al.The relationship between N2O emission flux from paddy fields and nitrifying－denitrifying bacteria under different irrigation methods and nitrogen treatments[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2561－2568.

2017－05－25 錄用日期：2017－08－15

裴自偉（1991—），女，河南鄭州人，碩士，主要從事水土資源利用與環(huán)境方面的研究。E－mail：1187990741@qq.com

*通信作者：李伏生 E－mail：zhenz@gxu.edu.cn;lpfu6@163.com

國家自然科學(xué)基金項目（51469003）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（51469003）