稻田作为氧化亚氮（N₂O）排放的源头之一备受关注，而合理的水氮管理是降低稻田N₂O排放途径之一。前人研究表明，稻田N₂O排放主要集中在晒田完成复水之后及成熟期稻田水分落干时^[1]，这是因为水分管理可以改变土壤氧化还原电位（Eh），影响N₂O排放，只有选择合适的灌溉模式才能有效地降低稻田N₂O的产生^[2]。“薄浅湿晒”灌溉和干湿交替灌溉模式是我国南方地区稻田应用较广的节水灌溉模式，研究发现，晚稻、早稻孕穗期和乳熟期“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式土壤N₂O排放通量比常规灌溉模式显著提高^[3]，这是因为土壤干湿交替使得硝化作用和反硝化作用交替进行，从而促进了N₂O的产生^[4]。N₂O的排放会随着氮肥用量的增加而增加^[5]。除了施用氮肥对N₂O的排放有影响外，施用有机肥同样会影响N₂O排放^[6]，如施用沼液后N₂O排放量显著高于施用化肥，且N₂O排放量随着沼液替代量的降低而呈现降低的趋势^[7]。此外，稻田N₂O排放通量和土壤硝化、反硝化细菌数量也有着密切联系^[8]，其他微生物代谢活动为反硝化作用提供可用的碳源，在硝化、反硝化细菌的共同作用下稻田大量排放N₂O^[9]。目前“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉模式下稻田硝化-反硝化细菌数量变化及其与N₂O排放之间的关系尚不清楚，有必要深入研究这方面的问题。因此本文通过大田试验，研究了不同灌溉方式与施氮处理对生育期内稻田N₂O排放通量，以及不同时期土壤无机氮含量和硝化-反硝化细菌数量的影响，并分析采样当天稻田N₂O排放通量与土壤无机氮含量和硝化-反硝化细菌数量的关系，以阐明土壤无机氮含量和硝化-反硝化细菌数量的变化对稻田N₂O排放通量的影响，并获得降低稻田N₂O排放的灌溉模式和施氮管理。

田间试验在南宁市灌溉试验站进行。该试验站年平均日照时数为1906 h，年平均气温22.3 ℃，试验期间降雨量为613.4 mm。试验土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，其背景值如下：pH 7.02，有机质28.64 g·kg^-1，碱解氮109.08 mg·kg^-1，速效磷64.21 mg·kg^-1，速效钾128.46 mg·kg^-1。供试有机肥为腐熟猪粪，其有机质含量14.87%，N含量0.49%，无机氮含量0.32%，P₂O₅含量0.53%，K₂O含量0.37%，水分含量71.23%。试验用尿素含N 46%，过磷酸钙含P₂O₅ 12%，氯化钾含K₂O 60%。供试水稻品种为中浙优8号。

田间试验设3种灌水模式，包括常规灌溉（CI）：移栽返青期以及分蘖期到乳熟期田间均保持20~30 mm水层，分蘖末期和成熟期保持土壤湿润；干湿交替灌溉（DI）：移栽后10 d内田间保持10~20 mm水层，7 d后进行干湿交替灌溉，即当土壤水势为-15 kPa（张力计，TEN45南京土壤研究所工厂）时，灌水20 mm后自然落干至土壤水势为-15 kPa，再灌水20 mm，如此循环，至水稻成熟结束；“薄浅湿晒”灌溉（TI），其水分控制可参考本课题组董艳芳等^[1]。水稻生育期内3种灌溉方式土壤水分变化情况：除分蘖末期，CI模式整个生育期保持2~4 cm水层，移栽返青期保持浅水层（1~2 cm），黄熟期自然落干；DI模式在水稻移栽后10 d内保持浅水层，以后按照田间张力计水势变化控水，即自然落干至水势为-15 kPa时灌水1~2 cm，再自然落干再灌水，如此循环至水稻成熟；TI模式返青前保持浅水层，分蘖前土壤保持湿润(0.9~1 cm水层)，分蘖后期晒田，拔节至孕穗期保持浅水层，乳熟期湿润，黄熟期晒田。2种施氮处理，包括100%尿素（RN1）和50%尿素+50%猪粪（RN2）。所有处理N、P₂O₅和K₂O用量分别为150、75 kg·hm^-2和150 kg·hm^-2。其中RN1处理全部过磷酸钙和50%的尿素、氯化钾作基肥，RN2处理全部过磷酸钙、有机肥和50%氯化钾作基肥，均在插秧前一天耕地时施入土壤中。两施肥处理余下50%的尿素和氯化钾平均在分蘖期和孕穗期施入土壤中。

试验按完全方案设计，共6个处理，每个处理设3个重复，共18个小区，每小区面积25 m²。随机区组排列。小区周围用25~26 cm厚红砖水泥墙壁隔开，以防小区之间水分相互侧渗和降雨多时排水。各小区安装水表计量每次灌水量。

田间试验于2015年3月19日进行水稻催芽，露白后播种育秧，培育至3叶1心期，选取长势壮硕基本一致的幼苗于4月22日进行移栽。每穴双株栽培，行距20 cm，株距20 cm。水稻秧苗移栽后各小区保持20~30 mm水层利于秧苗返青。不同灌水处理从5月2日秧苗返青后开始，至8月15日水稻黄熟后结束，8月20日试验收获完毕，全生育期大约154 d。此外，试验期间各处理其他田间管理措施一致。

气体采集用静态封闭箱法，参考本课题组董艳芳等^[1]，把装有风扇和温度计的箱子放于底座，用50 mL注射器（美国BD）采气，每隔5 min采气1次共计7次，选取其中4次，确保N₂O浓度-时间线性回归曲线的决定系数R²大于0.9。限于实验室条件和人力，每周采样1次，全生育期共测定13次。N₂O排放通量用气相色谱仪（Agilent 7890A GC）测定（检测器为ECD，将装有载气的高压瓶、氢气发生器、纯净空气泵、气体进样系统和主机打开，当检测器温度升至350 ℃和主机基线稳定后开始分析样品）。根据仪器测出的N₂O标准气体峰面积、箱体体积与底座面积，由下式计算排放通量。

式中：F为N₂O排放通量，μg N₂O·m^-2·h^-1；ρ为标准状况下N₂O的密度，μg N₂O·m^-3；V表示采气箱的体积，m³；A为采气箱所覆盖面积，m²；P为密闭静态箱内的气压，Pa；P⁰为标准大气压，为1.013×10⁵ Pa，试验地区和标准大气压相近，两者比值约为1。T为密闭静态箱内温度，℃。dC/dt表示密闭静态箱内N₂O浓度在单位时间内的变化量，μL·m^-3·h^-1。

分别于移栽后第20（分蘖期）、56（孕穗期）、84 d（乳熟期）和104 d（成熟期）采集土样，每次采样时间为灌水处理后第2 d上午，在每个试验小区进行多点采样，用土钻采集0~20 cm土样装入保鲜袋并混匀，带回实验室后立刻用新鲜土壤测定硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量，同时用烘干法测定土壤含水率（质量百分数），以计算每克干土中微生物数量，其余土壤进行风干处理后用于测定土壤无机氮含量。

土壤无机氮用2 mol·L^-1 KCl溶液提取后，硝态氮含量用0.45 μm滤膜过滤后采用双波长比色法测定^[10]，铵态氮含量用靛酚蓝比色法测定^[5]。土壤硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量的测定所用培养基见参考文献[10]，均用MPN计数法^[11-12]测定。

试验数据用Excel 2003和SPSS 17.0软件分析。方差分析用SPSS程序中通用线性模型单变量多因素法，不同处理各指标平均值的比较用Duncan法。并分析采样当日稻田N₂O排放通量与土壤无机氮含量和硝化-反硝化细菌数量的关系。

由图 1a可知，RN1下，3种灌水模式在水稻分蘖末期和成熟期落干与晒田期间都有N₂O排放峰。CI模式下分蘖末期晒田期间N₂O排放最大峰值为165.6 μg N₂O·m^-2·h^-1；TI模式土壤N₂O排放峰出现时间没有太大变化，但排放时间缩短、排放通量降低；DI模式稻田土壤N₂O排放通量有3次较大的峰值，最高达到150.0 μg N₂O·m^-2·h^-1，而此时CI和TI模式稻田处于N₂O吸收时期，说明在相同施氮条件下DI模式的干湿交替阶段能促进N₂O排放。CI、DI与TI模式在整个生育期N₂O平均排放通量分别为20.63、52.32、12.91 μg N₂O·m^-2·h^-1，TI模式N₂O排放通量较低。说明RN1下通气条件较差的CI和TI可降低整个生育期内N₂O排放。

F:追肥; CI:常规灌溉；TI：“薄浅湿晒”灌溉；DI：干湿交替灌溉；RN1：100%尿素；RN2：50%尿素+50%猪粪。下同 F:Topdressing; CI:Conventional irrigation; TI:"Ihin-shallow-wet-dry" irrigation; DI:Alternate drying and wetting irrigation; RN1:100% urea; RN2:50% urea+50% pig manure. The same below 图 1 不同灌水模式和施氮处理下稻田土壤N2O排放通量变化 Figure 1 Changes of N2O emission flux in paddy soil under different irrigation methods and nitrogen treatments

图选项

图 1b显示RN2下不同灌水模式在追肥后分蘖末期N₂O排放通量均出现最大值。CI与TI模式下整个生育期N₂O排放存在两次较大峰值，分别出现在分蘖末期和成熟期落干、晒田阶段；DI模式下出现了3个依次递减的峰值，在分蘖期追肥后出现最高峰值为686.35 μg N₂O·m^-2·h^-1，其余两次出现在旺盛生长时期。与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%。说明在RN2下TI模式可以达到N₂O减排的目的。

CI、DI和TI模式下，与RN1相比，RN2整个生育期土壤N₂O排放通量平均分别增加62.28%、117.13%和149.80%，表明上述3种灌水模式下有机无机氮肥配施处理均不同程度上促进整个生育期内采样期间土壤N₂O的排放。

由表 1可知，在整个生育期内不同处理土壤NH₄⁺-N含量都呈下降趋势。CI、DI和TI模式下，在分蘖期RN2土壤NH₄⁺-N含量较RN1分别下降21.24%、22.75%与15.16%，而在孕穗期、乳熟期和成熟期RN2土壤NH₄⁺-N含量较RN1有所上升。整个生育期内，RN1下TI和DI模式土壤NH₄⁺-N平均含量较CI模式分别提高12.70%和18.00%，RN2下TI和DI模式土壤NH₄⁺-N含量较CI模式分别提高15.47%和22.65%。说明在相同灌水模式下，RN2有利于氮素矿化为NH₄⁺-N；而在相同施氮条件下，DI和TI模式有利于土壤NH₄⁺-N的保存。

表 1 不同灌水模式和施氮处理对土壤无机氮含量的影响（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)

表选项

不同处理土壤NO₃^--N含量在分蘖期最低而成熟期达到最高。CI、DI和TI模式下，在分蘖期RN2土壤NO₃^--N含量较RN1分别下降54.84%、16.80%和57.69%；在成熟期RN2土壤NO₃^--N含量较RN1分别提高17.99%、18.28%和16.12%；整个生育期RN2土壤NO₃^--N平均含量比RN1有所提高。整个生育期内，RN1下DI模式土壤NO₃^--N平均含量较CI和TI模式分别增加154.86%和105.05%，RN2下DI模式土壤NO₃^--N平均含量较CI和TI分别增加154.15%和108.77%，这表明RN2与DI模式结合土壤NO₃^--N含量较高。

由表 2可知，不同处理土壤硝化细菌数量在整个生育期内呈下降趋势。CI、DI和TI模式下，在分蘖期RN2土壤硝化细菌数量较RN1分别降低40.18%、16.73%和24.49%；而在孕穗期、乳熟期和成熟期，RN2土壤硝化细菌数量一般比RN1高。整个生育期内，与CI模式相比，RN1下DI和TI模式土壤硝化细菌平均数量分别增加77.20%和27.80%，RN2下分别增加102.02%和78.09%，说明DI和TI与RN2结合有利于土壤硝化细菌的生存。

表 2 不同灌水模式和施氮处理对稻田土壤硝化-反硝化微生物数量的影响 Table 2 The effect of different irrigation methods and nitrogen treatments on the number of nitrifying-denitrifying bacteria in paddy soil

表选项

所有处理土壤亚硝化细菌数量以分蘖期为最多，而成熟期较少（表 2）。CI、DI和TI模式下，在分蘖期RN2土壤亚硝化细菌数量较RN1分别降低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。整个生育期内，与CI模式相比，RN1下DI和TI模式土壤亚硝化细菌平均数量分别增加48.61%和30.32%，RN2下分别增加46.81%和24.57%，说明DI和TI模式与RN1处理结合更接近土壤亚硝化细菌的生存环境。

由表 2可以看出，土壤反硝化细菌数量在孕穗期较高，而在成熟期最低。CI、DI和TI模式下，整个生育期内RN2土壤反硝化细菌平均数量比RN1分别增加65.71%、75.69%和53.03%。与DI相比，RN1下CI和TI土壤反硝化细菌平均数量分别增加22.21%和23.74%，RN2下分别增加15.27%和7.78%，说明RN2处理与CI或TI模式结合更适于土壤反硝化细菌活动。

由表 3可知，稻田N₂O排放通量与土壤反硝化细菌数量、硝化细菌数量和NH₄⁺-N含量之间呈极显著正相关关系；土壤NH₄⁺-N含量与硝化细菌数量、亚硝化细菌数量和反硝化细菌数量之间也呈极显著正相关关系。此外，土壤NO₃^--N含量与NH₄⁺-N含量和反硝化细菌数量之间呈极显著负相关关系。

表 3 不同灌水模式与施氮处理下稻田N₂O排放通量与硝化-反硝化细菌数量和无机氮含量的关系 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

表选项

RN1下，3种灌溉模式稻田都有N₂O排放峰，不同的是孕穗期前后只有DI模式稻田出现N₂O排放峰（图 1），而此时DI模式稻田处于水层剧烈变化阶段，CI和TI模式是淹水期，说明晒田相对于持续淹水极大促进稻田N₂O排放^[13-15]。有研究表明相对于持续淹水，晒田及干湿交替使各处理平均N₂O排放通量分别增加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模式下干湿交替可促进土壤N₂O的排放，这与前人研究结果^[16]一致。可能由于N₂O主要是排水增加了土壤通气性和微生物活性，加之淹水期未用的氮肥硝化作用增强，而硝化作用是土壤N₂O排放的主要原因^[17-18]。本实验在RN2下也有相似规律，与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%，这表明RN2下DI模式对稻田N₂O的排放具有明显促进作用。CI模式稻田N₂O排放峰较DI与TI模式出现了推迟的现象，主要原因在于该灌水模式下RN2处理水稻在生长过程出现了贪青迟熟的症状，导致晒田时间有所靠后。与RN1相比，CI、DI和TI模式下RN2稻田N₂O排放量分别平均增加62.28%、117.13%与149.80%，这是因为有机肥中存在更多可分解的有机碳（约为8.63%），从而土壤还原强度提高，NH₄⁺-N被氧化成NO₃^--N后在反硝化作用下生成N₂O^[19]，说明上述3种灌水模式采用有机无机氮配施处理均会不同程度提高水稻整个生育期内采样期间土壤N₂O的排放，这与前人研究结果^[3]一致。相同施氮处理下，本研究结果与董艳芳等^[1]发现早稻N₂O的排放通量规律一致，只是数值偏高，可能是因为本实验施氮量为150 kg·hm^-2，而该研究是135 kg·hm^-2，由此可得出，低氮水平可有效减少N₂O的排放。

在相同施氮处理下，DI和TI模式土壤NH₄⁺-N含量较CI模式高，因为DI模式下干湿交替灌溉与TI模式下落干湿润过程能加剧有机氮的矿化分解，更有利于土壤NH₄⁺-N的释放，这与刘靖雯等^[3]的结果相似。相同灌水模式下，水稻生育后期RN2土壤NH₄⁺-N含量较RN1显著或极显著提高，可能是因为有机氮矿化所致^[20-21]，表明有机无机氮肥配施可提高土壤NH₄⁺-N含量。相同灌水模式下，RN2土壤NO₃^--N含量前期要比RN1低，可能因为有机无机氮肥配施能显著降低土壤NO₃^--N含量^[22]，后期有机氮分解影响变小，含量增加。在相同施氮处理下，DI、TI和CI模式土壤NO₃^--N含量依次降低，说明DI和TI模式通过控水提高土壤NO₃^--N含量^[23]，这是因为间歇性氧气供应提高微生物活性，促进土壤NH₄⁺-N转化为NO₃^--N。由表 1和表 3可知，整个生育期内土壤NO₃^--N含量与NH₄⁺-N含量之间极显著负相关（r=-0.466，r_0.01=0.302，n=72），可能是因为微生物作用下土壤NH₄⁺-N硝化为NO₃^--N^[24]，两者存在相互消长关系。

由表 2可知，相同灌水模式下，除分蘖期外RN2土壤硝化细菌数量、亚硝化细菌数量和反硝化细菌数量都较RN1显著提高，说明RN2可比RN1显著提高微生物活性，可能是受到有机肥带入的有机质和微生物的影响^[25]。相同施氮处理下，DI和TI模式土壤硝化细菌数量和亚硝化细菌数量高于CI模式，而CI模式更有利于反硝化细菌生存，即处于淹水条件的CI适合厌气微生物生长，而浅、湿、间歇灌溉适于好气性微生物的生长^[26]，因灌水方式不同造成的土壤通气性差异可能是导致土壤硝化细菌数量、亚硝化细菌数量和反硝化细菌数量不同的原因。在氮循环过程中，硝化作用是反硝化作用的基础，而亚硝化作用是硝化作用中的限速步骤^[24]。本实验中可能是因为稻田保持一定湿润度或持续淹水状态下，土壤中O₂浓度降低，不能为土壤亚硝酸细菌提供充足的碳源和氮源，致使土壤亚硝酸细菌数量减少^[3]。反硝化作用受多方面因素影响^[24]，本实验所有处理反硝化细菌数量在黄熟期较少，可能是黄熟期水层逐渐减少直至晒田，导致土壤中氧气增加，不利于反硝化细菌的生存，抑制反硝化作用的发生^[18]。在RN1下，DI模式孕穗期稻田N₂O排放出现峰值，而相对应的土壤反硝化细菌数量达最大值；RN2下，DI模式分蘖期稻田N₂O排放达峰值，此时土壤反硝化细菌数量较多，表明干湿交替下N₂O排放通量和反硝化细菌数量正相关，土壤以反硝化作用为主。

由表 3可知，采土当日稻田N₂O排放通量与土壤硝化细菌数量、亚硝化细菌数量和反硝化细菌数量以及NH₄⁺-N含量之间极显著正相关，这是因为在分蘖期和孕穗期土壤硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量以及NH₄⁺-N含量较高，N₂O排放通量也达到峰值；而在乳熟期和黄熟期土壤硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量以及NH₄⁺-N含量都较低，N₂O排放通量也较低所致。N₂O是氮肥在硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌等微生物作用下经硝化和反硝化作用生成，NH₄⁺-N在硝化细菌和亚硝化细菌作用下生成NO₃^--N，而NO₃^--N的生成会对硝化细菌和亚硝化细菌有一定的抑制作用；NH₄⁺-N作为底物对微生物则有一定促进作用；NO₃^--N在反硝化细菌作用下生成N₂O，气体可直接排放出去，对反应无抑制作用，可促进其发生，即稻田N₂O排放量与土壤NH₄⁺-N含量、硝化细菌数量和反硝化细菌数量之间呈正相关关系。

本研究结果显示，在相同施氮处理下，除了反硝化细菌外，CI模式土壤NH₄⁺-N含量、硝化细菌和亚硝化细菌数量都比TI模式低，同时考虑到节水，故采用TI模式相对较好。虽然TI模式土壤反硝化细菌较CI和DI模式多，但在N₂O生成的过程中硝化细菌、亚硝化细菌的硝化作用在反硝化作用前，有可能成为反硝化作用的限速步骤，所以综合考虑“薄浅湿晒”灌溉（TI）较好。而在相同灌水模式下，有机无机氮肥配施（RN2）都较全尿素（RN1）的N₂O排放量高，所以施用全尿素可有效抑制N₂O排放。

（1）“薄浅湿晒”灌溉与全尿素处理结合可有效降低稻田N₂O排放通量。

（2）稻田N₂O排放通量与土壤NH₄⁺-N含量和反硝酸细菌、硝酸细菌数量呈极显著正相关关系。