水稻是我国主要的粮食作物，是全球半数以上人口赖以生存的基本食粮^[1]。氮素是影响水稻生长发育的关键营养元素，合理的氮素供应能促进水稻叶片的光合作用，提高叶面积指数（LAI，leaf area index）和干物质积累量，进而实现稳产增产^[2]。相比于传统尿素氮肥，缓/控释氮肥^[3-7]、添加硝化抑制剂^[8-10]以及微生物菌剂^[11-12]等新型氮肥具有长肥效、高养分利用率和低环境污染等特征，为合理的氮素运筹提供了新的解决方案。光照条件下稻田生态系统中土壤-植株的CO₂净通量反映了CO₂的净同化速率，是碳排放（土壤呼吸、植物呼吸）与碳固定（光合作用）之间综合作用结果^[13]，除受环境条件（温度、阴雨等）影响较大外，主要由作物生长状况和光合强度决定，而氮肥的施用又直接影响这两个方面。关于缓/控释氮肥及添加抑制剂菌剂氮肥对水稻的稳产增产效果，前人已做过不少研究^[3-12]，但其对稻田生态系统的CO₂净交换变化及其与植株群体的生长状况交互作用的影响，还有待进一步探讨。另外，氮肥对稻田生态系统碳固定的影响，可明显体现在与大气的CO₂净交换通量变化，该方面的研究有助于更好地了解稻田的碳同化特征以及新型氮肥增产机理。

本研究采用透明静态箱法在连续两年4个水稻生长季对稻田生态系统白天的CO₂净交换量进行原位监测，施用4种代表性的新型氮肥，同步测定水稻群体地上生物量和叶面积指数，阐明不同氮肥施用下稻田生态系统的碳通量特征及与植物生长状态的关系，评价其对稻田碳同化的促进作用。

大田试验于2012—2013年在湖北省荆州市农业气象站内（30°21′N，112°09′E）进行。该地区为江汉平原代表站点，属于亚热带季风气候区，光热丰富，降雨集中于4—10月。供试土壤为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤土，保水保肥能力良好。土壤基础理化性质为：容重1.44 g·cm^-3，pH（H2O）7.8，有机碳15.59 g·kg^-1，全氮1.09 g·kg^-1，速效钾56.3 mg·kg^-1，速效磷9.7 mg·kg^-1。

试验为单因素随机区组设计，设5个不同的氮肥处理，每个处理3次重复，共15个小区，小区为6 m× 4.5 m。处理分别为，CK：常规尿素（N 46%），作为对照处理；CRU：树脂包膜控释尿素（N 42%），“S”型曲线释放，控释期为90 d（山东金正大生态工程股份有限公司提供）；NU：常规尿素添加质量分数0.5%的硝化抑制剂氯甲基吡啶（N 46%），由上海碧晶农业科技有限公司提供；DMPP：常规尿素添加质量分数1%的硝化抑制剂3，4-二甲基DMPP吡唑磷酸盐；EM：为尿素配施与200倍等重的EM菌液（有效微生物菌2×109 cfu·mL^-1），主要包括酵母菌群、乳酸菌群、光合菌群、芽孢杆菌群和放线菌群等），配制方法为菌剂:红糖:水=1:1:200培养48 h。

每季水稻施肥分为三次，施肥方式为撒施，基肥在水稻移栽前施用，追肥分别在分蘖期和抽穗期施用，具体施肥方案如表 1所示。总施氮量早稻为165 kg N·hm^-2，晚稻为180 kg N·hm^-2，各阶段施氮量根据肥料种类和特性而定，为当地推荐施肥方式。由于包膜控释肥养分释放周期长，只采用1次追施。所有处理磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12%），用量均为60 kg P₂O₅·hm^-2，作为基肥全部施入；钾肥为氯化钾（K₂O 60%），用量均为90 kg K₂O·hm^-2。2012年早稻移栽和收割日期分别为5月3日和7月17日，晚稻为7月22日和10月15日。2013年早稻移栽和收割日期分别为4月25日和7月15日，晚稻为7月18日和10月13日。早稻品种为两优287，晚稻为湘丰优9号，皆为当地主推品种，移栽密度为21万穴·hm^-2。各个小区由田埂和薄膜隔离，保证互不干扰，依照当地的常规习惯进行水肥管理和病虫害防治。

表 1 双季稻肥料施用方案 Table 1 Fertilization scheme in double rice cropping system (kg N·hm^-2)

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水稻生长季内采用静态箱-气相色谱法监测稻田CO₂净交换量，静态箱为自动采气的三开式透明箱（70 cm×70 cm×150 cm），主体材料为透明聚碳酸酯板和不锈钢合金^[14]。箱体插入稻田15 cm，覆盖9穴正常生长水稻，不采气时呈自然开放状态，对箱内植株影响很小。为了保证试验的严谨性，我们根据箱内面积按比例算出施肥量精准施入。

CO₂净交换量监测频率为每日1次，上午9：00—11：00间^[15]由系统自动控制每个小区静态箱关闭30 min，分别在第0、7、14、21、28 min采集气样，每次采样时均记录箱内空气温度。由于仪器故障维护等客观原因导致系统不能工作，而造成数据出现缺失值的现象少量存在，但最大缺失间隔不超过2 d。采集的气样于24 h内回实验室利用气相色谱仪（Agilent 7890A）测定CO₂浓度，线性拟合同一处理5个气样浓度与时间的变化斜率，根据静态箱法通量计算公式求出CO₂净交换量^[16]。气相色谱仪工作条件为Wang等文献所述^[17]，CO₂通过镍转化炉还原为CH₄，然后由氢火焰离子检测器测出浓度。在白天采用静态箱法计算出的CO₂净交换量，只是反映光照条件下稻田生态系统的CO₂净通量或净吸收速率，不能归纳为全天的CO₂平均交换量。

在水稻的各个生育期（返青、分蘖、拔节、抽穗、乳熟、成熟），每个处理根据平均茎蘖数采集3穴水稻植株，利用长宽校正法测定每株叶面积，并根据单位面积水稻株数计算叶面积指数^[18]。测完叶面积后取植株地上部分，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测定生物量。具体采样日期如表 2所示。论文中逐日气象数据来自于距离试验地50 m处的荆州市国家基本气象站。

表 2 双季稻各生育期采样时间 Table 2 Sampling date of each growth period in double rice cropping system

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CO₂交换通量计算公式^[14]为：

式中：F为交换通量，mg·m^-2·h^-1；ρ为CO₂气体标准状态下的密度；V为采样箱有效体积，m³；A为采样箱覆盖土壤面积，m²；dc/dt为采样过程中静态箱内CO₂浓度变化速率，mL·m^-3·h^-1；T为采样箱内平均温度，℃。

试验数据均为同一处理的平均值，误差限为标准误，回归分析、方差分析和多重比较采用Excel 2007和SPSS 18.0软件完成，多重比较均为LSD分级法。

在水稻生长季内，稻田生态系统在白天表现为CO₂净吸收。不同氮素处理下2012—2013年稻田CO₂净交换及对应的气温降水要素逐日变化如图 1所示，CO₂的通量值波动范围为-20.2~-1 573.6 mg·m^-2·h^-1。在移栽后随着植株生长，稻田CO₂净交换逐渐增大，很快达到平稳，其中在拔节-抽穗阶段出现较高值（绝对值，下同），且随着气温、降水等气象条件波动，在生长后期（成熟）随着叶片的老化，CO₂净交换有所降低。温度的峰值与CO₂通量的较高值相对应，降水量的高值与CO₂通量的较低值相对应，即在晴朗且温度较高的天气，稻田生态系统CO₂净吸收速率高，在阴雨天气由于光照较低不利于光合作用，CO₂净吸收速率较低。在晚稻的乳熟至成熟时期，CO₂净交换量骤降，主要是这一时期气温明显下降和叶片逐渐老化所导致。气象要素特别是光照和温度条件是影响稻田生态系统逐日CO₂交换的重要因素。

图 1 2012—2013年降水、气温及稻田白天CO2净交换动态变化 Figure 1 Dynamic changes of precipitation, air temperature and CO2 exchange in daytime in 2012 and 2013

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对于不同氮素处理，常规尿素CK的CO₂净吸收通量最低，控释尿素、添加硝化抑制剂和配施EM菌剂处理均表现出更高的通量值（图 1），说明新型氮肥的施入促进了水稻的CO₂同化作用。在四个水稻生长季，相比于CK，NU在白天的平均CO₂吸收通量提高了13.2%~51.6%，增长率最为明显，其余各处理提高了1.2%~34.1%（表 3）。由于生态系统的CO₂交换受监测时的环境因素影响很大，容易出现大的波动，除了2013年晚稻以外，不同处理间的CO₂净吸收通量在统计上不存在显著差异。

表 3 不同氮素处理下双季稻田平均白天CO₂净交换通量 Table 3 Average CO₂ exchange fluxes in daytime during double rice season under different nitrogen fertilizations

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叶面积指数LAI是水稻群体生长状况的一个重要指标，影响群体潜在的光合效率。从图 2可以看出，LAI值随着水稻的生长逐渐增大，返青到拔节期间增加迅速，在抽穗期达到顶峰，而后趋于平稳，且随着植株老化叶片掉落略有所下降。四个水稻生长季内，早稻LAI值变化范围为0.23~3.77，晚稻为0.24~5.84。新型氮肥对提高群体叶面积指数表现出更为高效的促进作用，在各生育期其LAI值均在不同程度上高于CK，其中CRU效果最为显著，其最大峰值相比CK提高了12.4%~18.6%，而后依次为NU（9.9%~18.1%）、DMPP（6.9%~11.6%）和EM（1.1%~9.9%）。从晚稻拔节到成熟，CRU的LAI值均显著高于CK处理（P < 0.05），进一步说明了其肥效对于叶面积的促进作用更为持久和高效。

图 2 不同氮肥处理下双季稻叶面积指数变化 Figure 2 Dynamics of LAI in double rice cropping system under different nitrogen fertilizations

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从图 3可以看出，水稻的地上部分生物量在分蘖后开始迅速增加，在乳熟后增长平缓。早稻生物量变化范围为42.7~1484 g·m^-2，晚稻为76~1 800.3 g·m^-2。在水稻生长初期，各处理对水稻生物量的变化影响不大，返青期和分蘖期生物量均不存在显著差异（2013年晚稻除外）。在之后的生育期，控释尿素、添加硝化抑制剂和配施EM菌剂处理在不同程度上促进了地上生物量的增长，其中CRU的效果最优，相比于CK，其最大生物量增长幅度高达9.1%~18.8%，且在多个生育期达到显著性差异（P < 0.05）；其次为NU，增幅为6.6%~18.5%，DMPP和EM居末。

图 3 不同氮肥处理下双季稻地上生物量的变化 Figure 3 Dynamics of aboveground biomass in double rice cropping system under different nitrogen fertilizations

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不考虑阴雨天气的前提下，对水稻各生育期的LAI、地上生物量以及对应取样日期的白天CO₂净交换通量进行两两回归分析（图 4、图 5、图 6），可看出各要素之间均存在显著的相关关系。早稻和晚稻各处理LAI与地上生物量之间表现为抛物线型关系（P < 0.01），相关系数高达0.95~0.99。水稻生长过程中干物质不断积累，叶片生长迅速，此时生物量与LAI值呈正相关增加，在生长后期随着叶片衰老脱落，LAI值减小，但水稻生物量继续增加，因此抛物线模型很好地阐释了这一现象。早晚和晚稻各处理LAI与CO₂净交换通量表现为显著的线性正相关关系（P < 0.05），相关系数为0.58~0.76，叶面积越大，同等条件下可捕获的光能越多，光合速率越强，则CO₂净同化速率越高。水稻地上生物量与CO₂净交换通量（除晚稻NU处理外）也表现为显著抛物线关系（P < 0.05），相关系数为0.58~0.91，随着生物量的增加白天CO₂净交换呈先升高后降低的趋势，在水稻的生长后期随着叶片老化，光合速率下降，CO₂净吸收通量也相应减小。因此，LAI和地上生物量与CO₂净交换通量具有较好的拟合性，LAI变化能解释34%~58%的CO₂通量变化，生物量变化能解释44%~82%的CO₂通量变化。

图 4 双季稻叶面积指数与地上生物量的相互关系 Figure 4 The relationship between aboveground biomass and LAI in double rice cropping system

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图 5 双季稻叶面积指数与白天CO2净交换通量的相互关系 Figure 5 The relationship between leaf area index and CO2 exchange in daytime in double rice cropping system

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图 6 双季稻地上生物量与白天CO2净交换量的相互关系 Figure 6 The relationship between aboveground biomass and CO2 exchange in daytime in double rice cropping system

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陆地生态系统碳通量观测以涡度相关法和静态箱-气相色谱法较为常见^[15-16]。涡度相关法不破坏植株群落，响应速度快且能连续测定地气系统CO₂净交换量，但造价昂贵，且要求适宜的湍流交换条件和足够面积的均匀下垫面，这不适用于小尺度的农田观测。对于多个处理的稻田小区试验，静态箱-气相色谱法更为常用，其操作简单、成本低廉以及灵敏度高，被广泛用于我国典型农田碳通量及痕量气体的观测^[19]。但静态箱的封闭效应会对自然环境产生扰动，对温度、湿度以及气体组成等产生干扰，土壤和植物的呼吸、叶片的光合都将受到影响，在一定程度上改变箱内的气体交换过程^[20]。邹建文等^[16]基于静态暗箱-气相色谱法设计了一套模型用于估算逐日稻田生态系统与大气的CO₂净交换，其季节变化趋势为水稻在移栽三周后表现为CO₂净固定，最高值出现在孕穗抽穗期，之后逐步下降。本试验中观测到白天CO₂净交换通量也呈现类似趋势。此外，本试验采用的透明静态箱固定在稻田，采样方式为自动抽取气体，消除了搬箱和覆盖过程中对稻田环境的扰动，但在闭箱取样过程中温度上升明显，不可避免存在系统误差。植物的CO₂净交换通量受气象要素特别是光照影响极大^[21]，由于试验处理为随机区组排列，不同重复间取样存在间隔，采样时光照强度和气温存在变化，导致观测结果的组内误差较大。郑泽梅等^[15]对比分析了静态箱-气相色谱法和涡度相关法在不同生态系统碳通量观测中的差异，指出前者观测的日平均通量普遍大于后者，但静态箱法能较好区分白天碳通量组分。本试验由于未在夜间或暗箱条件下观测稻田的CO₂净呼吸，得出的通量主要反映了白天光照条件下稻田生态系统的CO₂净同化速率，不同于涡度相关法计算出的全天CO₂净交换量。孙小祥等^[21]采用涡度相关法测定了长三角地区水稻生态系统的碳交换，水稻生长季日均CO₂净交换通量约为330 mg·m^-2·h^-1，明显低于本研究中箱法所测出的平均值（表 3），主要原因在于监测方法的差异。

树脂包膜控释尿素能根据作物需肥特征缓慢释放氮素^[22]，可为作物整个生育期提供充足氮素含量和适宜的氮素浓度。硝化抑制剂能调控硝化作用进而减少氮素的损失^[23]，EM菌剂含有多种有益微生物促进植株生长^[24]，比普通尿素具有更好的肥效。在本研究中，施用上述肥料后水稻群体具有更高的叶面积指数和生物量积累，在各生育阶段分别提高了12.4%~18.6%和9.1%~18.8%，其中以包膜控释尿素效果最为显著和稳定。在本试验的另一项研究中，施用上述氮肥能显著提高水稻的氮素利用效率，并促进籽粒产量增长最高达20%^[3]。前人的大多数研究也证实了新型氮肥在大田试验中的增产增效作用^{[5-12, 25-28]}。

干物质的积累和产量的提高与作物的光合作用关系密切，而光合强度直接体现为叶片尺度上的CO₂净交换通量^[29]。在稻田生态系统中，氮素的施入对植株和土壤都将产生影响，探究光照条件下稻田CO₂净吸收速率有助于从碳同化的角度解释新型氮肥的增产效果。本试验中，虽然水稻生长期间的环境气象要素对稻田CO₂净交换产生了较大影响，但新型氮肥不同程度地提高了CO₂净吸收速率（表 3），即促进了稻田生态系统的碳固定。通过回归分析，我们发现水稻群体的叶面积与CO₂净吸收通量呈显著的线性正相关，新型氮肥促进了群体叶面积的增长，进而提高了碳同化，特别是在晚稻的拟合直线中，新型氮肥具有更高的斜率（图 5），反映出其肥效对CO₂同化速率具有更强的促进效果。水稻群体地上生物量与CO₂净吸收通量呈显著的抛物线型关系，在生长中前期，营养供应充足，叶面积增长迅速，群体光合强度逐步增加，干物质的积累和CO₂净吸收呈正相关；在生长后期由于叶片老化枯萎，光合能力下降，同时植株脱落物增多加剧土壤呼吸，导致CO₂净吸收有所下降，但生物量仍在积累，二者表现出负相关。相比普通尿素，施用新型氮肥后水稻群体地上生物量和白天CO₂净吸收增长显著，高的碳同化速率促进了生物量积累，高的生物量也提高了碳同化速率，二者为一个促进循环。而在成熟期，虽然CO₂净吸收相比抽穗期有所降低，但新型氮肥的抛物线回落趋势低于普通尿素（图 6），表明其叶片老化速度低于尿素，在后期仍具有较好的氮素营养和较强的光合能力。新型氮肥处理能够提高水稻生育中后期叶绿素含量，进而延缓水稻后期叶片衰老，在前人的研究中均观测到这一现象^[30-31]，也说明其肥效作用的长效性。此外，施用新型氮素会对土壤的生物活性产生影响，研究表明相比于普通尿素，施用控释尿素显著促进了脲酶等土壤酶活性^[32]，土壤全氮、碱解氮含量更高。这有利于水稻氮素利用率的提高，对水稻叶片净光合速率也起到了促进作用^{[30, 32]}。而叶面积的增长，进一步提高了水稻群体光合作用的固碳效果，本试验中观测到更高的CO₂净吸收通量也证实了这一点。DMPP对氨氧化细菌的活性有抑制作用^{[8, 33]}，从而抑制铵态氮在微生物的作用下被氧化为硝态氮，维持了土壤中的氮素以铵态氮的形态存在，相较于普通尿素可以增加作物氮素的吸收与利用，促进作物光合作用，提高干物质的积累。有效微生物菌剂的施用能提高土壤微生物的多样性和活性，更快地分解土壤有机质释放养分^{[11, 24]}，虽然有利于作物生长，但也加剧了土壤的呼吸，因此我们观测到的CO₂净吸收通量低于控释尿素或抑制剂处理。

（1）相比普通尿素，树脂包膜控释尿素、尿素添加硝化抑制剂和尿素配施菌剂能增加双季稻群体叶面积和地上生物量，提高白天稻田生态系统CO₂净吸收通量，对于稻田碳同化具有积极作用，其中以树脂包膜控释尿素的效果最为显著和稳定。

（2）水稻群体叶面积指数与CO₂净吸收通量表现为正相关的线性模型，地上生物量与CO₂净吸收通量表现为抛物线模型，在一定程度上阐释了水稻群体生长状况与稻田生态系统CO₂同化速率间的关系。