王書(shū)偉，顏曉元，單 軍，夏永秋，湯 權(quán)，林靜慧

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利用膜進(jìn)樣質(zhì)譜法測(cè)定不同氮肥用量下反硝化氮素?fù)p失①

王書(shū)偉1, 2, 3，顏曉元1, 3*，單 軍1, 3，夏永秋1, 3，湯 權(quán)1, 2, 3，林靜慧1, 3

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3 中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，江蘇常熟 215555)

利用膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀(MIMS)測(cè)定了太湖流域典型稻田不同氮肥施用梯度下，土壤反硝化氮素?fù)p失量，同時(shí)也對(duì)氨揮發(fā)通量進(jìn)行了觀測(cè)。根據(jù)兩年的田間試驗(yàn)結(jié)果得到：在常規(guī)施氮處理(N300)下，每年平均有54.8 kg/hm2N通過(guò)反硝化損失，有約54.0 kg/hm2N通過(guò)氨揮發(fā)損失，分別占肥料施用量的18.3% 和18.0%，兩者損失量相當(dāng)。通過(guò)反硝化和氨揮發(fā)損失的氮素量隨著氮肥用量增加而增加，田面水的NH4+-NNO– 3-N、DOC和pH濃度影響稻田土壤反硝化速率。在保產(chǎn)增效施氮處理(N270)下，氮肥施用量比常規(guī)減少10%，水稻產(chǎn)量增加了5.5%，而通過(guò)反硝化和氨揮發(fā)損失的氮素量分別下降了1.1% 和3.1%，氮肥利用率提高了約5.5%。在增施氮肥處理(N375)下，因作物產(chǎn)量增加使得氮肥利用率比N300增加，但通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化的氮素?fù)p失量也最大。因此，通過(guò)綜合集約優(yōu)化田間管理措施，降低氮肥用量，可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。

反硝化；膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀；N2/Ar技術(shù)；氨揮發(fā)；氮肥利用率

水稻是人類(lèi)重要的糧食作物，全球大約50% 的人口以稻米為主食，在亞洲，大約95%的人口以稻米為主食[1]。中國(guó)是世界上最主要的稻米生產(chǎn)國(guó)，水稻種植面積約3 000萬(wàn)hm2[2]。為了維持糧食產(chǎn)量或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)量增加，大量氮肥被施用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)氮肥用量約占全球氮肥用量的30%[3]。氮肥的大量施用造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化、溫室氣體排放等一系列環(huán)境問(wèn)題[4]，也導(dǎo)致中國(guó)水稻田氮肥利用率比較低下，介于30% ~ 40%[5]。在水稻生長(zhǎng)期間，氮肥主要通過(guò)氨揮發(fā)、硝化和反硝化等途徑損失[6]。反硝化過(guò)程能夠把稻田土壤-田面水系統(tǒng)中的NO– 3還原以N2形態(tài)返回到大氣中，是稻田淹水條件下重要的氮素?fù)p失過(guò)程[7]。由于大氣環(huán)境中高N2背景值和反硝化過(guò)程高時(shí)空變異性，使得反硝化定量研究變得十分困難[8]。當(dāng)前對(duì)稻田原位狀態(tài)下反硝化過(guò)程研究報(bào)道也很少。目前已建立的測(cè)定反硝化的方法包括乙炔抑制法、N2通量法、質(zhì)量平衡法、化學(xué)計(jì)量法和同位素法等，但這些方法大多存在人為擾動(dòng)大、操作繁瑣、誤差大等不足，無(wú)法精確測(cè)定淹水環(huán)境反硝化速率[8]。乙炔抑制法操作簡(jiǎn)單、成本較低，但是乙炔對(duì)硝化-反硝化耦合作用的抑制以及由于乙炔擴(kuò)散不均勻?qū)2O 還原為N2抑制不完全等因素均會(huì)低估反硝化強(qiáng)度[9-10]。15N同位素示蹤法被廣泛用于直接測(cè)定反硝化速率，然而過(guò)量外源15NO– 3的添加會(huì)增加土壤中有效態(tài)氮的含量，因而可能高估土壤中反硝化速率，尤其是對(duì)氮含量較低的土壤[8]。近幾年，膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀(MIMS)結(jié)合N2/Ar技術(shù)被廣泛用于直接測(cè)定土壤反硝化速率[11]。利用MIMS可以直接測(cè)定水體的N2/Ar比值，測(cè)定精度<0.03%，每個(gè)樣品測(cè)定時(shí)間<2 min，相比于其他方法具有明顯的優(yōu)越性。該方法被認(rèn)為是目前最具潛力的反硝化測(cè)定方法[12]。

中國(guó)作為發(fā)展最快的發(fā)展中國(guó)家，面臨著既要保持糧食產(chǎn)量增加，同時(shí)又要降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境壓力的問(wèn)題。因此，如何進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量的同時(shí)提高水稻氮肥利用率，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中面臨和必須要解決的問(wèn)題。當(dāng)前一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，諸如采用高產(chǎn)品種、優(yōu)化氮肥施用量及施用時(shí)期、硝化抑制劑及緩控釋肥等，被用于增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用率同時(shí)減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力[3,13-16]。通過(guò)綜合集約優(yōu)化氮肥施用量、施用時(shí)期、田間水分管理及水稻秧苗移栽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)過(guò)程中高產(chǎn)高效。在太湖地區(qū)開(kāi)展的相關(guān)研究結(jié)果表明，優(yōu)化田間管理措施可提高20% 左右水稻產(chǎn)量、50% 左右氮肥利用率[17]。在研究基于綜合集約優(yōu)化的稻田田間管理措施，采用稻田土壤原位培養(yǎng)，利用MIMS結(jié)合 N2/Ar技術(shù)來(lái)定量研究不同氮肥施用梯度下反硝化過(guò)程，同時(shí)對(duì)稻田氨揮發(fā)氮素?fù)p失進(jìn)行了觀測(cè)，以期為水稻高產(chǎn)和氮肥高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本概況

試驗(yàn)于2015—2016年連續(xù)兩年在中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站開(kāi)展，此實(shí)驗(yàn)站位于長(zhǎng)三角江蘇常熟市辛莊鎮(zhèn)(31°32′93″N, 120°41′88″E)，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，主要輪作制度為冬小麥和水稻，2015—2016年平均氣溫和降雨量分別為17.04 ℃和1 344.8 mm，其中水稻生長(zhǎng)季期間的日平均溫度和降雨量見(jiàn)圖1，表層土壤(0 ~ 10 cm)日平均土壤體積含水量和溫度見(jiàn)圖2；土壤類(lèi)型為典型水稻土(系統(tǒng)分類(lèi)名為：普通簡(jiǎn)育水耕人為土)，母質(zhì)為湖積物，0 ~ 20 cm耕作層土壤有機(jī)碳含量為26.6 g/kg，全氮含量為2.83 g/kg，C:N為9.4，pH為6.99，NO– 3-N含量為4.48 mg/kg，NH4+-N含量為0.62 mg/kg，土壤粒徑百分含量為：黏粒31.9%、粉粒54.8%、砂粒13.3%。

圖1 2015—2016年水稻生長(zhǎng)期平均氣溫和降雨量

圖2 2015—2016年水稻生長(zhǎng)季土壤表層(0 ~ 10 cm)體積含水量及平均土壤溫度

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)處理：①不施氮肥處理(對(duì)照，N0)，僅在移栽前作為基肥施磷肥(過(guò)磷酸鈣，含P2O513.5%)90 kg/hm2和鉀肥(氯化鉀，含K2O 60%)120 kg/hm2，栽插株行距為20 cm × 20 cm；②當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理(N300)：總施氮量為300 kg/hm2(純氮，下同)，按基肥﹕分蘗肥﹕穗肥=6﹕2﹕2，種植密度為25穴/m2；③保產(chǎn)增效施氮處理(N270)：比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量減少10%，總施氮量為270 kg/hm2，按基肥﹕分蘗肥﹕拔節(jié)肥﹕穗肥=5﹕1﹕2﹕2，種植密度為33穴/m2；④再高產(chǎn)處理(N375)：較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量增加25%，總施氮量為375 kg/hm2，按基肥﹕分蘗肥﹕拔節(jié)肥﹕穗肥=5﹕1﹕2﹕2，種植密度為25穴/m2。

各處理具體施肥時(shí)期和施肥量列于表 1。各處理隨機(jī)自由排列，重復(fù)4 次，每個(gè)處理小區(qū)面積42 m2，小區(qū)之間筑30 cm 寬田埂并用PVC 板插入田埂土壤下30 cm，以防肥水串灌。在水稻生長(zhǎng)季，田面水分管理采用淹水-烤田-淹水-濕潤(rùn)模式，即從每年的6月15日開(kāi)始灌水，保持田面水在3 ~ 5 cm 至7月24日開(kāi)始烤田，每年的7月25日至8月4日為烤田期，田面水自然落干，8月5日重新灌水，保持田面水3 ~ 5 cm 至9月20日，此后一直保持間歇灌溉，保持田面濕潤(rùn)，在收獲前兩個(gè)星期停止灌溉。

表1 肥料施用量

1.3 樣品采集和處理

每次施肥后，進(jìn)行采樣，采樣頻率為每隔一天采樣一次，共采樣5 次，非施肥期每周采樣一次或者更長(zhǎng)。用PVC 采樣器(內(nèi)直徑7 cm，高25 cm)采集0 ~ 10 cm 表層原狀土柱，柱底用橡膠塞密封，同時(shí)采集5 L 田面水。為了盡可能維持田間原始的試驗(yàn)環(huán)境，樣品采集完馬上帶回實(shí)驗(yàn)室用作培養(yǎng)。培養(yǎng)前把每個(gè)PVC 采樣器用對(duì)應(yīng)處理的田面水填充滿(mǎn)，然后用氣密性橡膠塞密封(保證沒(méi)有頂空氣體)，馬上放入培養(yǎng)裝置中培養(yǎng)取樣，裝置中水溫溫度統(tǒng)一控制在20 ℃，培養(yǎng)裝置具體設(shè)計(jì)可以參照文獻(xiàn)[18]。開(kāi)始取樣前要連接好進(jìn)水管和出水管，進(jìn)水管連接的對(duì)應(yīng)田面水補(bǔ)給瓶要放置于可以在重力作用下流出的較高位置，其可以補(bǔ)充培養(yǎng)柱中上覆水由于取樣損失的水量，然后打開(kāi)培養(yǎng)裝置的可調(diào)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)下部鏈接的磁棒，使沉積物培養(yǎng)柱頂部的磁轉(zhuǎn)子以14 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)，其可以混勻培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的溶解性氣體。取樣時(shí)，需將出水管插至細(xì)長(zhǎng)的螺口取樣瓶(7 ml，Labco Limited，UK)底部，打開(kāi)進(jìn)水管的止水夾讓水樣在重力作用下緩慢注入直至溢出，同時(shí)將出水管緩慢抽出，立即擰緊蓋子密封，避免空氣污染水樣，這即為0 h 樣品，之后分別在 2、4、6、8 h 取樣，每次樣品均取4 個(gè)重復(fù)。取樣瓶注滿(mǎn)水樣后立即用移液槍加入20 μl 飽和HgCl2以終止微生物反應(yīng)，然后馬上密封。取好的樣品放入5 ℃冰箱保存待測(cè)。

1.4 水溶性氮?dú)鉁y(cè)定及反硝化速率計(jì)算

樣品中可溶性N2(N2-N, μmol/L)用膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀測(cè)定[11]。測(cè)樣之前先配置標(biāo)準(zhǔn)水樣，標(biāo)準(zhǔn)水樣制備的方法是用去離子水配制與待測(cè)水樣一致鹽度的溶液約600 ml，裝入1 L 圓底燒瓶后浸沒(méi)與培養(yǎng)水溫一致的恒溫水浴中，用浸過(guò)去離子水的海綿塞住瓶口以維持100%的濕度，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子攪拌標(biāo)準(zhǔn)水樣使其達(dá)到完全氣液平衡，一般約需3 h，具體制備方法及裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。開(kāi)始測(cè)樣時(shí)先連續(xù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)水樣約1 h，目測(cè)信號(hào)穩(wěn)定后，通過(guò)關(guān)/開(kāi)蠕動(dòng)泵記錄一系列標(biāo)準(zhǔn)水樣數(shù)據(jù)以評(píng)估重復(fù)性和漂移程度。若標(biāo)準(zhǔn)樣品的N2∶Ar 3 次測(cè)量結(jié)果的變異系數(shù)<0.03% 即可測(cè)定樣品，具體測(cè)定過(guò)程及注意事項(xiàng)見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

水環(huán)境中N2源于生物過(guò)程(主要是反硝化)和物理過(guò)程(水氣平衡)，而Ar 溶解度主要受溫度、鹽度條件控制(純物理過(guò)程)。因此，可通過(guò)水樣N2∶Ar 計(jì)算其真實(shí)N2濃度[11,19]。樣品中水樣可溶性N2濃度(μmol/L)如下：

在密閉體系中，水溶性N2濃度應(yīng)隨采樣時(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，故用0，2，4，6，8 h 采樣點(diǎn)水溶性N2濃度與采樣時(shí)間進(jìn)行線性回歸，當(dāng)線性回歸的2大約0.9 時(shí)，我們認(rèn)為此次采樣有效，其斜率可用來(lái)表示每小時(shí)N2濃度變化速率(μmol/(L·h))；結(jié)合沉積物柱樣橫截面積(m2)，上覆水體積(L)及氮原子摩爾質(zhì)量，即可以得到反硝化速率(N, kg/(hm2·d))。

1.5 氨揮發(fā)測(cè)定

NH3揮發(fā)量測(cè)定采用密閉室法[21-22]。真空泵、有機(jī)玻璃罩(內(nèi)直徑20 cm，高15 cm)、管子和多孔洗瓶共同組成了氨揮發(fā)測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)氨揮發(fā)測(cè)定時(shí)，有機(jī)玻璃罩插入田面水下8 ~ 10 cm 深，罩子頂部開(kāi)有兩個(gè)孔，其中一個(gè)是直徑為 25 mm 進(jìn)氣孔，與 2.5 m 高的進(jìn)氣管相連，以減少田面交換空氣對(duì)稻田 NH3揮發(fā)測(cè)定的影響; 另一個(gè)為采氣孔，與盛有60 ml，0.03 mol/L 稀硫酸的多孔洗瓶相連接，吸收瓶再與真空泵管道相連，調(diào)節(jié)真空泵抽氣量，使密閉室的換氣頻率控制在每分鐘 15 ~ 20 次。每次施肥后，氨揮發(fā)被連續(xù)監(jiān)測(cè)4 ~ 5 d，直至施氮處理與對(duì)照的氨揮發(fā)通量無(wú)差異時(shí)停止，每天分別于上午7:00—9:00 和下午3:00—5:00 進(jìn)行4 h 的連續(xù)抽氣測(cè)定，其測(cè)定的氨揮發(fā)通量代表采樣日期整天的氨揮發(fā)速率，其計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

1.6 其他土壤、田面水等環(huán)境因子測(cè)定

每天平均氣溫和降雨量來(lái)自常熟站自動(dòng)氣象站(Vaisala, Finland)，土壤表層(0 ~ 10 cm)含水量及表層田面水溫來(lái)自常熟站土壤水分實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)(Stevens water monitoring system, Campbell Scientific Inc., USA)。田面水帶回實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾(0.45 μm)，用全自動(dòng)化學(xué)分析儀分析(Smartchem140, AMS, Italy) NO– 3-N, NH4+-N，用TOC儀(Analytik Jena AG, Germany) 分析水溶性有機(jī)碳(DOC)；土壤pH (土:水，1:2.5) 和田面水pH 用便攜式pH 計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)碳和全氮含量用C/N元素分析儀測(cè)定(Vario Max CN, Ele-mentar, Hanau, Germany)；土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定；土壤粒徑分析用激光粒度儀測(cè)定(LS13320, Beckman Coulter, Brea, CA, USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和氮肥利用率

每季水稻收割后，采集收獲期稻田土壤，分析土壤pH、容重、有機(jī)碳、全氮、C/N、NH4+-N 和 NO– 3-N 含量，結(jié)果如表2。從表 2 可知，不同氮肥的施入量對(duì)各處理土壤pH、容重、有機(jī)碳和全氮含量變化沒(méi)有顯著性影響(>0.05)。在 N270 和 N375 處理下，能顯著提高土壤 NO– 3-N 含量(2015 年，<0.05)和NH4+-N 含量(2016 年，<0.05)。

表2 收獲期表層土壤(0 ~ 20 cm)理化性質(zhì) (n= 4)

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示同一年份不同處理間差異達(dá)到<0.05顯著水平。

通過(guò)連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)得到，N0、N270、N300和N375處理2015年和2016年水稻產(chǎn)量變化范圍分別為7.4 ~ 10.5 t/hm2和7.65 ~ 10.83 t/hm2(表3)。與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮及田間栽培管理相比，減施氮肥10%、增加栽培密度到33穴/m2可以有效保持水稻產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，2015—2016年稻季，產(chǎn)量分別增加了約6% 和5%。增加氮肥施用量到375 kg/hm2, 可以顯著提高水稻產(chǎn)量(<0.05)，實(shí)現(xiàn)再高產(chǎn)的目的，與N300處理相比，2015—2016年稻季，水稻產(chǎn)量分別增加了約13% 和11%。

表3 不同處理間作物產(chǎn)量、作物吸氮量、氮肥利用率、反硝化及氨揮發(fā)速率

注：表中同一行數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示同一年份處理間差異達(dá)到<0.05顯著水平；氮農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-氮空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；氮吸收利用率(%)=(施氮區(qū)作物籽粒吸氮量-氮空白區(qū)作物籽粒吸氮量)/施氮量。

由表 3 可見(jiàn)，2015—2016 年稻季，4 種處理下，作物吸氮量變化范圍分別為125.8 ~ 258.5 kg/hm2和135.3 ~ 261.9 kg/hm2，氮農(nóng)學(xué)利用率變化范圍分別為7.1 ~ 9.7 kg/kg 和7.0 ~ 9.47 kg/kg，氮吸收利用率變化范圍分別為16.6% ~ 22.1% 和17.0% ~ 22.4%。與N300處理相比，N270 處理下氮素吸收利用率顯著增加了24.9% ~ 31.8%(<0.05)；N375 處理下由于作物生物量的增加，致使顯著地提高了作物吸氮量(<0.05)，而大量氮肥的施用不能有效地提高田間氮肥利用率。

2.2 稻田土壤反硝化速率

圖3為2015—2016年水稻生長(zhǎng)季土壤反硝化變化。從圖可知，N0、N270、N300和N375處理土壤反硝化速率變化范圍為0.100 ~ 1.136 kg/(hm2·d)(2015年) 和0.227 ~ 1.908 kg/(hm2·d)(2016年)。N0處理反硝化速率變化波動(dòng)不大，兩個(gè)水稻生長(zhǎng)季都維持在0.100 ~ 0.818 kg/(hm2·d)，2015和2016年水稻生長(zhǎng)季平均反硝化速率分別為0.164 kg/(hm2·d) 和0.319 kg/(hm2·d) (表3)。N270、N300和N375處理反硝化速率受氮肥施入影響明顯，反硝化速率峰值大都出現(xiàn)在每次施肥后第2天，并且隨后下降，到第10天后排放值接近平衡。2015和2016年水稻生長(zhǎng)季，N270、N300和N375 3個(gè)處理平均反硝化速率分別為0.269、0.325、0.428 kg/(hm2·d) 和0.422、0.491、0.593 kg/(hm2·d) (表3)。反硝化速率與氮肥施入量呈正比，與N300處理相比，N375處理反硝化速率增加了20.8% ~ 31.7%；N270處理則降低了14.1% ~ 17.2%。

2.3 稻田土壤氨揮發(fā)通量

圖4是2015—2016年水稻生長(zhǎng)季氨揮發(fā)排放通量變化。與反硝化變化速率相似，氨揮發(fā)排放通量也受氮肥施用影響明顯，每次氮肥施用后第一天氨揮發(fā)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)排放峰，隨后排放通量迅速下降，大約第4天后施肥處理的氨揮發(fā)排放通量接近背景值。2015和2016年水稻生長(zhǎng)季，N270、N300和N375 3個(gè)處理平均氨揮發(fā)通量為0.233、0.283、0.336 kg/(hm2·d)和0.364、0.520、0.606 kg/(hm2·d)(圖4)。非氮肥施用處理，氨揮發(fā)排放通量一直維持在一個(gè)非常小的排放值，變化范圍在0.006 ~ 0.387 kg/(hm2·d)，2015和2016年平均氨揮發(fā)通量分別為0.089 kg/(hm2·d) 和0.123 kg/(hm2·d)。氨揮發(fā)也與氮肥施用量呈正比，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量相比，增加氮肥施用量25%，可增加氨揮發(fā)排放通量約16.5% ~ 18.7%；相反，降低氮肥施用量10%，可減少氨揮發(fā)排放通量約17.7% ~ 30%。

(圖中向下箭頭表示施肥日期，下圖同)

圖4 2015—2016年水稻生長(zhǎng)季氨揮發(fā)通量

2.4 稻田氮素?fù)p失——反硝化和氨揮發(fā)

圖5是稻田土壤通過(guò)反硝化和氨揮發(fā)損失的氮素量。由圖可知，未施用氮肥情況下，2015和2016年水稻生長(zhǎng)季，稻田土壤通過(guò)氨揮發(fā)損失的氮素量分別為11.9 kg/hm2(純氮，下同) 和16.5 kg/hm2，通過(guò)反硝化損失的氮素量分別為21.9 kg/hm2和43.1 kg/hm2，可見(jiàn)在沒(méi)有化學(xué)氮肥人為施用的影響下，稻田土壤氮素的主要損失途徑是反硝化?；瘜W(xué)氮肥的施用能明顯地增加稻田土壤氨揮發(fā)和反硝化氮素?fù)p失(圖5)。2015和2016年水稻生長(zhǎng)季，在N300處理下，通過(guò)氨揮發(fā)損失的氮素量達(dá)到37.7 kg/hm2和70.2 kg/hm2，分別占氮肥施用量的12.6% 和23.4%；通過(guò)反硝化損失的氮素量為43.2 kg/hm2和66.3 kg/hm2，分別占氮肥施用量的13.3% 和22.1%。可見(jiàn)，在人為化學(xué)氮肥施用影響下，可明顯地增加氨揮發(fā)氮素?fù)p失量。在本次研究中，減少常規(guī)氮肥施用量的10%，每年可減少氨揮發(fā)氮素?fù)p失6.7 ~ 21.0 kg/hm2，減少反硝化氮素?fù)p失7.4 ~ 9.3 kg/hm2。相反，增加常規(guī)氮肥施用量的25%，每年可增加氨揮發(fā)和反硝化氮素?fù)p失7.0 ~ 11.7 kg/hm2和11.7 ~ 13.7 kg/hm2。

(圖柱上方數(shù)字表示損失量占氮肥施用量的比例(%))

3 討論

3.1 不同氮肥施用梯度對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

本研究中，根據(jù)水稻種植栽培實(shí)際情況，設(shè)置了3種氮肥施用梯度，通過(guò)降低氮肥用量，同時(shí)通過(guò)綜合集成優(yōu)化田間施肥管理措施來(lái)實(shí)現(xiàn)保產(chǎn)增效(N270處理)，還設(shè)置一個(gè)比常規(guī)氮肥用量增加25% 的處理(N375)用來(lái)對(duì)比分析，綜合評(píng)估3種施肥梯度下通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化損失的氮素量。根據(jù)兩年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)處理(N300)相比，減少氮肥施用量的10%，水稻產(chǎn)量增加了4.8% ~ 6.3%，實(shí)現(xiàn)了保產(chǎn)的目的，同時(shí)可顯著提高氮素吸收利用率31.8% ~ 33.1%(表3)，實(shí)現(xiàn)增效的目的，這與以前研究結(jié)論一致[17,24]。通過(guò)栽培技術(shù)的集成和優(yōu)化可以有效地提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率[4]，本研究中通過(guò)增加N270處理水稻秧苗移栽密度至合理大小[25]，并且根據(jù)作物的養(yǎng)分需求在施肥總量不變的情況下增加一次施肥次數(shù)[26]，通過(guò)這兩種措施實(shí)現(xiàn)了在氮肥用量減少的情況下水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的提高。增加氮肥用量到375 kg/hm2，并配施有機(jī)肥、鋅肥和硅肥，與常規(guī)處理相比，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和氮肥利用率的相對(duì)增加(表3)，但大量氮肥施用下，通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化損失的氮素總量也是最大的，每年分別比N300處理排放量增加9.4 kg/hm2和13.7 kg/hm2，大量氮肥的損失不僅造成土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題，并且增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[27-30]。因此，N270處理下化肥施用量及管理栽培模式是一種環(huán)境友好可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

3.2 不同氮肥施用梯度對(duì)反硝化速率影響

本次研究中，反硝化速率與氨揮發(fā)通量隨著氮肥施用量的增加而顯著增加(圖6，<0.01)，這與以前的研究結(jié)果一致[31]。氮肥的施入主要通過(guò)影響田面水性質(zhì)(NH4+-N，NO– 3-N，DOC, pH)來(lái)影響土壤反硝化。尿素施入稻田后進(jìn)行迅速水解生產(chǎn)NH4+-N[32]，它是硝化過(guò)程和氨揮發(fā)的底物。已有研究表明，稻田土壤反硝化速率取決于硝化速率，因?yàn)榉聪趸^(guò)程底物NO– 3主要來(lái)源于硝化過(guò)程的產(chǎn)物，硝化細(xì)菌反硝化可能是稻田氮素?fù)p失的主要途徑[33-34]。在本研究中，從圖7可知，反硝化速率與田面水NH4+-N濃度呈顯著相關(guān)關(guān)系(<0.05)，雖然也與田面水NO– 3-N濃度有很好的相關(guān)性，但前者更優(yōu)于后者。高梯度尿素的施入，增加了田面水中尿素水解產(chǎn)物NH4+-N濃度，從而促進(jìn)了氨揮發(fā)排放和反硝化速率[21,35]。從圖3反硝化速率日變化和圖4氨揮發(fā)排放通量日變化可知，反硝化和氨揮發(fā)呈現(xiàn)“trade-off”關(guān)系，施入稻田中的尿素氮首先以氨揮發(fā)的形式損失掉，其次再以反硝化形式損失掉，這與田間試驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果一致(圖3，圖4)，氨揮發(fā)的峰值在尿素氮施入的第一天就出現(xiàn)峰值，而反硝化峰值一般比氨揮發(fā)峰值晚一天出現(xiàn)。高梯度氮肥的施入不僅增加了田面水NH4+-N濃度[23]，同時(shí)也提高了田面水的pH[31]。高的田面水pH不僅有利于氨揮發(fā)[35]，同時(shí)也有利于反硝化(圖7)。已有研究表明，田面水的pH可能是水田厭氧條件下反硝化作用增強(qiáng)的主要因素[36]。高濃度氮肥施入增加了田面水pH，刺激了反硝化酶活性，從而增加了反硝化脫氮速率[37]。在本研究中，田面水的DOC含量也顯著影響反硝化速率(圖7，<0.05)，與以前研究結(jié)果一致[38]，DOC在氧化過(guò)程中可作為反硝化細(xì)菌的電子供體，從而有利于反硝化過(guò)程[39]?？傊?，與N0相比，施用氮肥能明顯提高稻田土壤反硝化速率，增加反硝化過(guò)程中的氮素?fù)p失(表3，圖5)，而隨著氮肥施用梯度的增加，反硝化速率也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖6)。

圖 6 氮肥施用梯度與反硝化速率及氨揮發(fā)關(guān)系

圖 7 反硝化速率與田面水相關(guān)分析

3.3 不同施肥時(shí)期對(duì)反硝化速率影響

在本次研究中，施肥的時(shí)間點(diǎn)與水稻生長(zhǎng)的物候期相一致。從圖3可知，除2015年拔節(jié)肥施用外，反硝化速率最高值出現(xiàn)在基肥施用后的移栽期，因?yàn)榛实氖┯昧恐辽僬伎偸┓柿康?0%(表1)，大量氮肥施用導(dǎo)致了反硝化速率和氨揮發(fā)通量都高于其他水稻生長(zhǎng)期，并且在此階段水稻秧苗還處于比較小的生長(zhǎng)階段，對(duì)氮素吸取能力較弱，因而在一定程度上加劇了氮素?fù)p失。與2016年烤田過(guò)后拔節(jié)肥施用后相比，2015年此時(shí)期的平均空氣溫度>30 ℃(圖1)，高的溫度可能促使即使在氮肥用量不高的情況下出現(xiàn)高的反硝化速率(圖3)。水稻分蘗期施肥量最少，占總施氮量的10%，而呈現(xiàn)相對(duì)比較高的反硝化速率，這可能是由于基肥施用時(shí)間間隔較短，大量氮素還存在土壤中，進(jìn)而影響此時(shí)期土壤反硝化速率。除N300處理外，拔節(jié)肥和穗肥施用的氮肥量一致，占總施肥量的20%，而這兩個(gè)施肥時(shí)期的反硝化和氨揮發(fā)呈現(xiàn)兩種不同的結(jié)果，拔節(jié)期的反硝化大于促花期的，而氨揮發(fā)呈現(xiàn)相反現(xiàn)象，促花期的氨揮發(fā)大于拔節(jié)期的(圖4)，這可能與促花期水稻根系生物量增加，其根系會(huì)分泌一種生物硝化抑制劑，抑制硝化過(guò)程，減少了反硝化底物NO– 3-N，從而抑制了反硝化速率，增加了田面水NH4+-N濃度，促進(jìn)了氨揮發(fā)排放[40]。

4 結(jié)論

1)氨揮發(fā)和反硝化是稻田土壤氮素?fù)p失的兩個(gè)重要過(guò)程。由于兩者過(guò)程原理不同，氮肥施用后，首先以氨揮發(fā)損失，然后再以反硝化損失為主。

2)反硝化和氨揮發(fā)速率隨氮肥施用量增加而增加，氮肥通過(guò)影響田面水NH4+-N、NO– 3-N、DOC含量和pH來(lái)作用于反硝化。

3)在綜合集約優(yōu)化的田間管理措施下，降低氮肥的施用量不僅能保持產(chǎn)量增加，并且還能降低反硝化和氨揮發(fā)氮素?fù)p失量，增加稻田氮肥利用率，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。

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Quantitative Determination of N Loss Through Denitrification Under Different N Fertilizer Application Rates by Membrane Inlet Mass Spectrometry (MIMS)

WANG Shuwei1,2,3, YAN Xiaoyuan1,3*, SHAN Jun1,3, XIA Yongqiu1,3, TANG Quan1,2,3, LIN Jinghui1,3

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Changshu Agro-ecological Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, Changshu, Jiangsu 215555, China)

In this study, using membrane inlet mass spectrometry (MIMS), the impacts of different rates of N fertilizer application on denitrification, as well as ammonia (NH3) volatilization, were investigated over two rice-growing seasons in the Taihu Lake region of China. In N300 treatment, N loss through denitrification and NH3volatilization were N 54.8 kg/hm2and 54.0 kg/hm2per year, respectively, and were 18.3% and 18.0% of N fertilizer application, respectively. The amount of N loss through denitrification and NH3volatilization were increased as the N fertilizer application increasing, and were significantly affected by NH4+-N, NO– 3-N, DOC and pH of surface water. In N270 treatment, compared with N300, the rate of N fertilizer application was reduced by 10%, but the rice yield approximately increased by 5.5%, N losses through denitrification and NH3volatilization were decreased by 1.1% and 3.1%, respectively, and agronomic nitrogen efficiency (NUE) was increased by 5.5%. In N375 treatment, compared with N300, NUE was increased due to increased grain yield, but the amount of N losses through NH3volatilization and denitrification was also the largest. Thus, the aim to reduce N fertilizer application and increase rice yield and NUE could be achieved through integrated soil-crop system management (ISSM).

Denitrification; Membrane inlet mass spectrometry (MIMS); N2/Ar technique; NH3volatilization; Agronomic nitrogen efficiency

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2015CB150403)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41425005)資助。

(yanxy@issas.ac.cn)

王書(shū)偉(1983—)，男，山東新泰人，博士，主要從事氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程研究。E-mail：swwang@issas.ac.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.003

S158.2

A