20世纪以来，氯氟烃和氮氧化物的大量排放导致臭氧层破坏，造成地表紫外辐射B（UV-B）增强。作为重要温室气体之一，N₂O大量排放主要源于农业生态系统^[1]，每年大气中N₂O有80%~90%来源于土壤^[2]，我国稻田每年N₂O排放量约为169 Gg N^[3]，其排放量之大不容忽视。

农业生产中大量施氮造成全球气候变化等生态环境问题^[4]。土壤作为陆地氮库，其氮循环转化直接关系到陆地生态系统的物质循环及能量流动^[5]。土壤中氮素部分以有机氮的形态存在于土壤中，只有在微生物及土壤酶（脲酶及蛋白酶）作用下将其矿化才能被植物吸收利用^[6]。土壤脲酶活性受总氮影响^[7]，且与碱解氮含量呈显著正相关^[8]，亚硝酸还原酶活性与土壤NH₄⁺含量存在极显著的线性相关关系^[9]。这说明土壤酶活性对氮素转化起着重要的作用。在低矿物质氮含量中，蛋白酶活性会被NH₄⁺抑制^[10]。土壤中有效氮以铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）为主要形式存在，其变化情况与土壤氮素迁移转化有重要关系^[11]。N₂O排放与土壤中NO₃^--N含量显著相关^[12-14]，与NH₄⁺-N含量也显著相关^[9]。因此了解土壤中氮素转化对研究N₂O的排放有积极作用。

紫外辐射（Ultraviolet radiation）是指波长范围在0~400 nm的光辐射。根据其波段不同可分为UV-A、UV-B、UV-C^[15]。UV-A辐射基本能全部到达地表，但通常情况下UV-A辐射对地表动植物伤害非常小；UV-C极易被大气层中O₃吸收，能够到达地表的辐射量基本可忽略不计。而UV-B辐射能够被O₃部分吸收，但到达地面后会对地表动植物造成影响，在紫外辐射所有波段中，B波段对地表生物影响最大。目前南极上空的臭氧层空洞已经开始修复，2015年10月创纪录的月平均臭氧空洞面积为2530万km^2[16]。但人造二氯甲烷排放量迅速增长，延缓臭氧层的修复^[17]；含氯溴的短暂存在物质消耗平流层下层的臭氧^[18]，臭氧衰减导致的地表UV-B辐射增强仍不可忽视。UV-B辐射增强直接或间接影响土壤中氮的转化，会促进无机态氮转化，尤其促进硝态氮（NO₃^--N）向铵态氮（NH₄⁺-N）转化^[19]，导致NH₄⁺-N含量显著增加^[20]。累积净矿化氮量也随辐射强度变化而变化，表现为矿质氮累积^[21]。UV-B辐射增强显著影响根际氨氧化细菌数量及土壤酶活性，如抑制脲酶活性等^[22]；还影响植株代谢，进而通过根系分泌物影响根际土壤微生物，最终影响N₂O等温室气体的排放^[23]。UV-B辐射增强提高稻田N₂O排放通量^[24]，却降低了冬小麦^[25]、大豆^[26]的N₂O累积排放量。然而，其影响农田土壤氮素转化与N₂O排放的过程及机理研究有待进一步加强。

元阳梯田地处云南高原，是我国西南地区典型的冬水田。当地UV-B辐射较强，稻田终年淹水。已有较多关于温室气体排放及碳转化的研究在该地开展，研究结果主要有：UV-B辐射增强改变水稻根系低分子量有机酸的分泌量^[27]，促进当地稻田CH₄排放^[28]，且会导致水稻各部位N含量显著增加^[29]。本文以元阳梯田地方水稻品种为研究对象，开展大田试验，在水稻生长期进行不同强度（0、2.5、5.0 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2）UV-B辐射处理，研究UV-B辐射增强对稻田土壤氮转化相关酶活性、无机氮含量和N₂O排放通量的影响，探讨UV-B辐射增强条件下氮转化机理，以期为了解农田系统土壤氮转化提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于云南省元阳县新街镇箐口村（23°07′ N，102°44′ E），该梯田海拔高度为1600 m，年平均气温为15 ℃，年均降水量为1 397.6 mm。供试土壤理化性质如下：pH为5.32，有机质含量为26.8 g·kg^-1，全氮、全磷、全钾含量分别为1.91、0.65 g·kg^-1和16.43 g·kg^-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为76.44、15.76 mg·kg^-1和101 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验水稻品种为白脚老粳，是元阳梯田地方水稻品种。在2018年3月18播种育苗，5月9日移栽到试验小区。试验设置4个处理水平，每个处理设置3个重复。每个小区设计为长3.9 m、宽2.25 m，小区周边6行和4列水稻被设为保护行。在水稻生长期不使用农药和化肥，且一直保持淹水状态。

UV-B辐射处理：在每一行水稻正上方悬挂10支40 W UV-B灯管（UV308，光谱为280~320 nm），模拟UV-B辐射增强。用0.13 mm醋酸纤维素膜滤除280 nm以下UV-C波段光线；聚酯薄膜滤除UV-C和UVB辐射，UV-B辐射的生物学效应考虑为UV-B处理组和UV-A对照组下的生物学效应的差值，消除处理组中UV-A对UV-B效应的影响。用紫外辐射测定仪（北京师范大学光电仪器厂）测定波长为297 nm时的辐射强度来确定紫外辐射水平，且根据水稻植株生长来调节灯管高度以控制辐照度（以植株上部计）。设0（自然光）、2.5、5.0 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2 4个处理水平，分别相当于元阳梯田0、10%、20%和30%的臭氧衰减（夏至日UV-B辐射背景值为10.0 kJ·m^-2）。为保证与其他辐射处理的一致性，0辐射水平同样要悬挂未安装灯管的管架。从水稻秧苗移栽返青后，开始紫外辐射处理至成熟，每日10：00—17：00辐照（阴雨天除外）。

1.3 测定方法

在水稻生长的分蘖期、拔节期、孕穗期、成熟期采集土壤样品，采用五点取样法取得稻田表层（0~20 cm）土壤，按四分法去掉多余土壤。新鲜土样初步去除石砾等杂质后装入低温储藏箱运回实验室。

土壤硝酸还原酶的测定：取风干土样加CaCO₃、2，4-二硝基酚溶液、KNO₃、葡萄糖溶液混匀，30 ℃恒温培养24 h，加入蒸馏水、铝钾矾饱和溶液，振荡后过滤，取滤液加入显色剂用蒸馏水定容，波长520 nm下比色，每个处理土样需做无基质对照^[30]。

土壤亚硝酸还原酶的测定：取风干土样加CaCO₃、NaNO₂、葡萄糖溶液混匀，30 ℃恒温培养24 h，加入蒸馏水、铝钾矾饱和溶液，振荡后过滤，取滤液加入显色剂用蒸馏水定容，波长520 nm下比色，每个处理土样需做无基质对照^[31]。

土壤蛋白酶的测定：取风干土样加1%酪素溶液、甲苯，振荡后在30 ℃恒温培养24 h，加入0.1 mol·L^-1硫酸及硫酸钠溶液，离心，取上清液2 mL定容至50 mL，进行比色测定^[32]。

土壤脲酶的测定：取风干土样加甲苯置于50 mL三角瓶中，静置15 min，加10%尿素液和pH 6.7柠檬酸盐缓冲液，30 ℃恒温培养24 h，过滤后取3 mL滤液于50 mL容量瓶，进行比色测定^[32]。

土壤NO₃^--N的测定（酚二磺酸比色法）：取新鲜土样、CaSO₄·2H₂O和水于三角瓶中，振荡后过滤，取滤液加CaCO₃置于瓷蒸发皿，水浴蒸干，加入酚二磺酸试剂，静置后加水、1:1 NH₄OH至溶液微黄，定容至100 mL容量瓶，在分光光度计上于波长420 nm处比色^[33]。

土壤NH₄⁺-N的测定（KCl-靛酚蓝比色法）：取新鲜土样、KCl溶液于150 mL三角瓶中，振荡，过滤，取滤液、苯酚溶液和次氯酸钠碱性溶液放入容量瓶中，摇匀。在20 ℃左右室温下放置1 h后加入掩蔽剂，用水定容。最后将溶液进行比色^[33]。

N₂O排放通量的测定：采用静态箱-气相色谱法收集田间气体样品^[34]。分别于水稻生长的分蘖期、拔节期、孕穗期、成熟期进行采样。采用密封静态箱采集，每次采样时间固定在天气晴朗的9：00—11：00，采样时先将箱体罩于水稻上，用双链球手动将箱内气体泵入到真空铝箔气体袋中，采样时间分别为罩箱后0、10、20 min和30 min。气体样品采用Agilent 7890B气相色谱仪分析。

计算公式：F=ρ×h×dc/dt×273/（273+T）

式中：F为气体排放通量，µg·m^-2·h^-1；ρ为标准状况下气体密度，1.25 kg·m^-3；h为采样箱高度，m；dc/dt为单位时间内气体浓度线性变化率，nL·L^-1·h^-1；T为箱内温度，K。

1.4 数据处理

使用Excel对试验原始数据进行记录整理，用SPSS 23对数据进行数据分析（单因素方差分析和显著性检验），用Origin Pro9.0进行绘图。

2 结果与分析 2.1 UV-B辐射增强对稻田土壤氮素转化酶活性的影响

UV-B辐射增强导致4种土壤氮转化酶在水稻生长的不同时期呈现不同的变化趋势（见图 1）。分蘖期，5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著增加硝酸还原酶活性；拔节期，3个强度的UV-B辐射增强处理硝酸还原酶活性显著降低，降幅分别为33.33%、34.41%、23.19%。孕穗期，5.0 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理下硝酸还原酶活性显著增加。成熟期，UVB辐射增强处理均显著增加硝酸还原酶活性。自然光处理下，4个时期硝酸还原酶活性差异性显著，孕穗期3个强度的UV-B辐射增强处理硝酸还原酶活性均显著高于其他时期。

分蘖期UV-B辐射增强处理导致亚硝酸还原酶活性显著降低，而UV-B辐射增强处理间无显著差异。在拔节期，5.0 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理使亚硝酸还原酶活性显著增加；孕穗期，5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理使亚硝酸还原酶活性显著降低，降幅为25.23%。成熟期2.5 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著降低亚硝酸还原酶活性。自然光处理及其他三个强度的UV-B辐射增强处理下，孕穗期时亚硝酸还原酶活性显著高于其他时期。

UV-B辐射增强处理使蛋白酶活性在拔节期和成熟期显著升高，且在成熟期UV-B辐射增强处理间无显著差异。孕穗期UV-B辐射增强处理使蛋白酶活性显著降低。自然光处理及2.5 kJ·m^-2和5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理下，分蘖期时蛋白酶活性显著高于其他时期。7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理下，孕穗期时蛋白酶活性显著低于其他时期。

脲酶活性在分蘖期UV-B辐射增强处理下显著降低，降幅范围为14.92%~20.52%。拔节期和孕穗期，UV-B辐射增强处理使脲酶活性显著降低。成熟期5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著增加脲酶活性。自然光处理及3个强度的UV-B辐射增强处理下，分蘖期时脲酶活性显著高于其他时期。

2.2 UV-B辐射增强对稻田土壤无机氮含量的影响

由图 2可知，分蘖期，5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理土壤NO₃^--N含量显著增加，2.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著降低土壤NO₃^--N含量。拔节期，5.0 kJ·m^-2和7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著增加NO₃^--N含量。孕穗期，2.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理NO₃^--N含量增加了1.72 mg·kg^-1，7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理降低了49%。成熟期，7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理NO₃^--N含量变化幅度最大，增幅为91%。自然光处理及3个强度的UV-B辐射增强处理下，孕穗期时NO₃^--N含量显著高于其他时期。不同生长阶段之间来看，除孕穗期外，UV-B辐射使土壤NO₃^--N含量的变化趋势基本一致。

UV-B辐射增强处理对稻田土壤NH₄⁺-N含量的影响在不同生长期变化趋势不同。UV-B辐射增强处理使分蘖期和孕穗期NH₄⁺-N含量显著降低。拔节期7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理显著降低NH₄⁺-N含量。成熟期，UV-B辐射增强处理下NH₄⁺-N含量均显著降低，其中2.5 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理降低了11.85 mg·kg^-1，而5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射增强处理降幅最大，为74%。自然光处理及3个强度的UV-B辐射增强处理下，分蘖期时NH₄⁺-N含量显著高于其他时期。

2.3 UV-B辐射增强对稻田N₂O排放的影响

从图 3可以看出，在水稻拔节期和孕穗期UV-B辐射增强使N₂O排放通量显著降低，成熟期N₂O排放通量显著增加。拔节期2.5 kJ·m^-2 UV-B辐射处理下，N₂O排放通量最高为40.76 μg·m^-2·h^-1。自然光处理和2.5 kJ·m^-2 UV-B辐射处理下，拔节期时N₂O排放通量显著高于其他时期。5.0 kJ·m^-2 UV-B辐射处理下，分蘖期时N₂O排放通量显著高于其他时期。7.5 kJ·m^-2 UV-B辐射处理下，成熟期时N₂O排放通量显著高于其他时期。总体来看，UV-B辐射增强处理下N₂O总排放量显著降低。

2.4 相关性分析

由表 1可知，NH₄⁺-N含量与脲酶活性呈极显著正相关（P < 0.01），与蛋白酶、硝酸还原酶活性呈显著正相关（P < 0.05）。NO₃^--N含量与硝酸还原酶活性呈显著正相关（P < 0.05）。NO₃^--N含量与N₂O排放通量之间无相关性，从图 4可见，NH₄⁺-N含量与NO₃^--N含量、N₂O排放通量呈极显著正相关（P < 0.01）。

3 讨论 3.1 稻田土壤无机氮对UV-B辐射的响应

本研究中UV-B辐射处理下NH₄⁺-N含量显著降低。分析水稻生育期土壤酶活性发现，脲酶活性在UV-B辐射处理后的变化与NH₄⁺-N变化基本一致，两者呈极显著正相关。这是因为脲酶、蛋白酶的最终产物都是NH₄⁺-N，酶活性越强，产物越多^[35]。同时试验还发现UV-B辐射使土壤中NO₃^--N含量显著增加，NH₄⁺-N含量显著降低，可能是土壤有机质在矿化过程中产生无机氮，其中以NO₃^--N为主，少量的NH₄⁺-N也会在UV-B辐射的促进下部分转化为NO₃^--N ^[5]。NH₄⁺-N含量增加有利于分蘖盛期前水稻对氮的吸收^[36]，因此分蘖期NH₄⁺-N含量逐渐降低。NO₃^--N则在前期累积，后期被水稻吸收利用，逐渐降低。

UV-B辐射无法直接穿透水层作用于土壤酶，是通过影响植株，改变土壤根际环境进而影响土壤酶活性。有研究发现UV-B辐射增强会导致根际土壤亚硝酸细菌数量增加^[37]，这也解释了本试验中土壤硝化作用增强的原因。因此随着UV-B辐射增强NH₄⁺大量转化为NO₃^-，最终导致土壤中NH₄⁺-N含量减少，NO₃^--N含量的增加。拔节期时土壤脲酶活性升高，可能是气温升高使得作物根系活动活跃，使脲酶活性增强；在水稻孕穗期及成熟期脲酶保持较高的活性，这是由于该阶段水稻生长需吸收更多氮素，而土壤脲酶活性增强促进有机氮素转化为速效氮，为植物提供更多氮素^[38]。整体来看，UV-B辐射增强使土壤脲酶活性降低，这与张令瑄等^[39]的研究结果相同，UV-B辐射对作物的根系生物量产生抑制作用，进而影响根系分泌物的产生，使土壤酶活性降低。另外太阳辐射对脲酶的影响直接且敏感^[40]。同样作为水解酶，土壤蛋白酶可以分解土壤中有机含氮化合物，其不仅会限制土壤氮矿化过程，而且还能反映土壤质量状况^[41]。土壤中蛋白酶能够与无机化合物结合受到保护，降低其活性^[42]，还可以与自然界中存在的腐殖质等物质络合^[43]。本研究中，孕穗期土壤硝酸还原酶活性较其他时期最高，原因可能与该时期水稻根系大量泌氧使土壤中硝化作用加剧有关^[44]。硝酸还原酶是参与反硝化过程的第一个酶，其活性受到底物数量的影响^[45]。UV-B辐射增强下土壤NO₃^--N含量增加，硝酸还原酶活性因而随之增强。通常认为，在嫌气条件下，土壤硝酸还原酶活性更强^[46]，水稻拔节期时，试验地降水量增加，氧气含量低，而成熟期降雨量减少，硝酸还原酶活性降低。同时陈永勤等^[47]研究发现，光照强度增加硝酸还原酶活性显著增加，而亚硝酸还原酶活性无显著变化。有研究表明UV-B辐射对植物存在低促高抑的现象^[48]，因此可能会对根际环境造成同样的影响，这也解释了本试验中存在的部分现象。

3.2 N₂O排放对UV-B辐射的响应

稻田土壤无机氮与温室气体的产生关系密切^[49]，水稻根际环境变化会影响无机氮和温室气体^[50-51]。N₂O产生的重要因素是底物和微生物，土壤释放的N₂O主要是氮素在微生物作用下，经过硝化和反硝化作用产生^[52]。UV-B辐射增强影响作物根际分泌物产生，进而导致土壤微生物的种类和活性受到影响^[27]。有研究表明，UV-B辐射增强导致土壤细菌数量、真菌数量及放线菌数量下降^[53]。紫外辐射下N₂O排放通量降低与反硝化细菌数量减少有关。其次，本研究中发现成熟期NO₃^--N含量随UV-B辐射增强显著增加，而作为N₂O产生底物，其含量增加N₂O排放量随之增加。稻田淹水状况同样会影响N₂O排放，水层较厚时N₂O排放降低^[54]。拔节期时稻田降水量增加，因此N₂O排放量降低，成熟期时降水量降低，N₂O排放量有所回升。

N₂O排放通量与不同形态氮素及氮转化酶之间存在相关性（图 5）。NO₃^--N作为硝酸还原酶的底物，其数量增加促进了硝酸还原酶活性升高，以发挥其最大活性^[50]。NH₄⁺-N含量与N₂O排放通量呈极显著正相关，NH₄⁺-N作为硝化作用的底物，为参与硝化作用和反硝化作用的微生物提供代谢所需的能源，从而使土壤N₂O排放通量增加^[11]。UV-B辐射通过改变根际土壤中氮转化相关酶活性，进而发生一系列变化，对N₂O排放产生影响。

4 结论

UV-B辐射增强增加土壤硝酸还原酶和蛋白酶活性，抑制了土壤脲酶、亚硝酸还原酶活性；UV-B辐射增强处理增加水稻生育期稻田土壤中NO₃^--N含量，显著降低了水稻生育期稻田土壤NH₄⁺-N含量；UV-B辐射通过间接作用提高土壤氮转化相关酶活性，促进土壤氮的转化，降低了拔节期和孕穗期N₂O的排放。