稻田土壤N2O排放特征及—影響機(jī)制研究進(jìn)展

摘 要： 全球人類活動(dòng)所產(chǎn)生N2O的60%來源于農(nóng)業(yè)土壤，稻田土壤是主要的農(nóng)田土壤之一，氮肥的大量投入導(dǎo)致土壤N2O排放量的增加。明確稻田土壤N2O排放特征及其影響機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O減排和減緩全球氣候變暖有重要意義。本文著眼于稻田水分以及灌溉管理發(fā)展趨勢，基于稻田優(yōu)化灌溉管理和施肥等新措施，綜述了稻田土壤N2O排放特征及影響機(jī)制，為有關(guān)研究提供參考，最后提出稻田土壤N2O排放影響機(jī)制的一些設(shè)想。

關(guān)鍵詞： 水稻土；N2O；排放特征；影響因素

基金項(xiàng)目：河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目（174100510021）

中圖分類號：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，生活、工業(yè)以及生態(tài)環(huán)境用水量呈逐年增加的趨勢[1]，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水供需矛盾加劇[2]。全球氣候變化對農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。氧化亞氮（Nitrous oxide；N2O）隨其大氣濃度的不斷上升而受到人們越來越多的關(guān)注和重視。有統(tǒng)計(jì)顯示全球人類活動(dòng)所產(chǎn)生N2O的60%來源于農(nóng)業(yè)土壤，稻田是農(nóng)田土壤的重要組成，與旱地不同，水稻土的干濕交替會導(dǎo)致N2O的大量排放；另外為了提高稻米產(chǎn)量，氮肥的大量投入亦會導(dǎo)致土壤N2O排放量的增加。這不僅在一定程度上加劇全球氣候變暖，同時(shí)氮肥的高投入低利用，也導(dǎo)致氮肥的損失以及增加農(nóng)田N2O排放、加重地下水氮素污染等環(huán)境問題。

自60年代至2010年我國糧食產(chǎn)量增加了8倍，但氮肥用量卻增加了55倍，其中水稻單季氮肥施用量為180 kg·hm-2，是世界平均用量的1.75倍。施氮以及水分調(diào)控是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要措施[3]，土壤水分、施肥、耕作等措施均能調(diào)控土壤微環(huán)境、影響土壤硝化與反硝化過程，進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生、消納以及排放[4]。同時(shí)，淹水-烤田-間歇灌溉（干濕交替）和養(yǎng)分綜合調(diào)控等應(yīng)用顯著影響著稻田土壤N2O的排放，但針對這些農(nóng)作措施對稻田土壤N2O排放影響的機(jī)制尚不明確。因此綜述稻田土壤N2O排放特征及影響機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O減排以及全球氣候變暖減緩有著重要意義。

1 稻田土壤N2O排放特征

1.1 水分調(diào)控下稻田土壤N2O排放特征

土壤水分直接或間接影響土壤通氣性、氧化還原電位以及土壤微生物活動(dòng)從而調(diào)控N2O的產(chǎn)生、消納和排放。鄭循華等[5]關(guān)于土壤濕度對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的影響研究表明，在低濕度范圍內(nèi)，土壤反硝化與硝化作用隨土壤濕度的增大而增大，當(dāng)土壤充水孔隙度（Soil water filling porosity；WFPS）為77%～86%時(shí)，其N2O排放通量達(dá)到最大。彭世彰等[6]的研究也表明土壤WFPS為78%～85.1%時(shí)稻田生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放通量達(dá)到最大。另外，有研究表明在不飽和含水條件下，N2O主要來源于硝化作用，在飽和含水條件下反硝化過程產(chǎn)生的N2O占據(jù)主導(dǎo)。有大量研究顯示稻田土壤在長期淹水條件下N2O的排放量相對較小，或出現(xiàn)一定的負(fù)排放，但間歇灌溉形成的干濕交替土壤環(huán)境，N2O排放量明顯高于持續(xù)淹水狀態(tài)，硝化與反硝化交替作用使其成為稻田N2O排放的重要過程。

1.2 施肥模式下稻田土壤N2O排放特征

羅良國等[7]長期不同施肥稻田N2O排放特征及其環(huán)境影響的研究結(jié)果表明：在水稻生長期各處理N2O排放通量無顯著性差異，在淹水期基本監(jiān)測不到N2O的排放動(dòng)態(tài)，且各處理均在曬田期出現(xiàn)較大峰值排放。趙崢等[8]研究了3種不同施肥條件對稻田溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明水稻全生育期無機(jī)處理（尿素）、混施處理（尿素與有機(jī)肥純氮比4：1）、有機(jī)處理（有機(jī)肥）和空白處理N2O的平均排放通量分別為83.6、56.7、25.7和5.9 μg·m-2·h-1，且在基肥期、追肥期、烤田期以及水稻黃熟排水期出現(xiàn)排放峰值。稻田基肥一般隨翻耕施于土壤深層，而追肥多施于土壤表層，有研究顯示相比銨態(tài)氮肥土壤表層撒施，土壤深施有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O的減排。

2 稻田土壤N2O排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子

2.1 土壤理化因素

氮源亦為硝化過程的底物也為反硝化過程的底物，土壤礦質(zhì)氮的豐缺能夠顯著影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放，一般狀態(tài)下土壤NH4+礦化產(chǎn)生速率小于硝化過程被氧化的速率，缺氧環(huán)境形成后NO3-還原酶迅速合成，硝化作用在一定程度被抑制，同時(shí)反硝化作用增強(qiáng)，有研究指出在一定濃度范圍內(nèi)，反硝化速率與土壤NO3-濃度明顯呈正相關(guān)關(guān)系。此外，土壤NO3-濃度還能調(diào)控反硝化過程氣體產(chǎn)物的組成比例，NO3- 更易于作為電子受體被微生物利用，當(dāng)土壤NO3-濃度較高時(shí)，反硝化過程局部受阻，導(dǎo)致底物反應(yīng)不徹底[9]，從而導(dǎo)致氣體產(chǎn)物N2O/N2的比值升高。而土壤氧含量、土壤pH、土壤溫度以及土壤結(jié)構(gòu)等亦會影響土壤N2O排放。

2.2 外源氮素施入、土壤水分調(diào)控對稻田土壤N2O排放的影響

施肥是提高糧食產(chǎn)量的重要措施，外源氮素的施入為N2O的產(chǎn)生提供大量氮源，進(jìn)而增加稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放。同時(shí)水稻生育前期持續(xù)淹水、中期短暫烤田、后期干濕交替的灌溉管理模式已日趨成為稻田水分調(diào)控管理的主要措施，持續(xù)淹水形成的厭氧環(huán)境，促使生成的N2O被進(jìn)一步還原為N2，在一定程度上抑制了N2O的排放，徐華等[10]有關(guān)土壤水分對稻田N2O排放影響的田間研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)淹水、中期短暫烤田以及后期干濕交替階段N2O的平均排放通量分別為1.02、47.99 和 23.87 μg·m-2·h-1，中期烤田以及干濕交替通過調(diào)控土壤水分狀況間接或直接改善土壤通氣性、氧化還原狀況，有利于硝化反硝化作用同步或交替進(jìn)行，進(jìn)而增加N2O的產(chǎn)生與排放。

2.3 土壤關(guān)鍵特征酶以及微生物關(guān)鍵基因?qū)Φ咎锿寥繬2O排放的影響

傳統(tǒng)的方法與手段深入研究解釋土壤N2O產(chǎn)生與釋放的驅(qū)動(dòng)機(jī)理存在一定難度，但分子生物學(xué)能從微觀的角度揭示土壤微生物種群特征、群落結(jié)構(gòu)與N2O產(chǎn)生與釋放之間的相對關(guān)系，進(jìn)而能夠闡明土壤N2O排放的部分驅(qū)動(dòng)機(jī)制。稻田土壤N2O排放主要由微生物主導(dǎo)的反硝化作用來驅(qū)動(dòng)，依次由narG 和 napA基因編碼的硝酸還原酶、nirK和nirS基因分別編碼的含銅亞硝酸還原酶和含細(xì)胞色素亞硝酸還原酶、norB基因編碼的氧化氮還原酶、nosZ基因編碼的氧化亞氮還原酶逐級驅(qū)動(dòng)。缺氧環(huán)境形成后NO3-還原酶能夠迅速合成，促進(jìn)反硝化作用，大多數(shù)研究認(rèn)為N2O的排放與反硝化微生物的量不相關(guān)，同時(shí)也有研究顯示N2O 釋放量與某類N2O還原細(xì)菌（nosZ）的相對數(shù)量呈顯著相關(guān)[11]，而高濃度硝酸鹽會一定程度抑制N2O還原酶活性，導(dǎo)致反硝化過程不徹底，從而會造成氣體產(chǎn)物N2O/N2的比值升高[12]。顯然由于研究對象的復(fù)雜性，土壤關(guān)鍵特征酶以及微生物活性與稻田土壤N2O排放還存在眾多不確定性因素，研究其作用機(jī)制應(yīng)綜合考慮與與土壤環(huán)境的關(guān)系。

3 展 望

一般來說施肥在一定程度上促使土壤N2O的排放，稻田基肥深施有利于土壤N2O的減排，而不同配比方式有機(jī)肥對稻田系統(tǒng)N2O的排放影響尚沒有統(tǒng)一的定論。稻田常規(guī)淹水灌溉條件下最具N2O減排潛力，但長期淹水條件會在一定程度上促進(jìn)溫室氣體甲烷的排放，而中期烤田以及后期干濕交替的水分管理模式會顯著增加土壤N2O的排放，因此綜合考慮水分管理對稻田小生態(tài)環(huán)境的影響是優(yōu)化農(nóng)措水分調(diào)控的前提。土壤微環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)、水分條件、施肥以及其它農(nóng)作措施等都能在一定程度上影響稻田生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放，只有深入的了解其相互的作用關(guān)系以及對N2O的排放的作用機(jī)制，才能合理的優(yōu)化管理生產(chǎn)模式，從而實(shí)現(xiàn)合理的N2O的減排。

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作者簡介：劉智遠(yuǎn)（199107-），男，漢族，河南省魯山縣，華北水利水電大學(xué)，碩士研究生（632869221@qq.com），主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。