摘要：為探討未來氣候變化條件下，合理管理氮肥以充分協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量與溫室氣體排放量之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)低碳排放并保持水稻產(chǎn)量，本研究探討了大氣CO2濃度升高120 μmol·mol-1與氮肥減施40%對(duì)淹水稻田水稻生產(chǎn)及CH4排放的影響及機(jī)理。利用開頂式氣室（OTC）組成的CO2濃度自動(dòng)調(diào)控平臺(tái)設(shè)置4個(gè)處理，即環(huán)境CO2濃度+施氮250 kg·hm-2（CK）、大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+施氮250 kg·hm-2（C+）、環(huán)境CO2濃度+施氮150 kg·hm-2（N-）、大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+施氮150 kg·hm-2（C+N-），分析了稻田CH4累積排放量（CAC）、水稻生物量及產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)及酶活性等指標(biāo)。結(jié)果表明：與CK處理相比，C+處理使CAC/產(chǎn)量顯著提高了16.93%，N-處理使CAC/產(chǎn)量顯著降低了13.33%，C+N-處理使CAC／產(chǎn)量降低了7.89%，但不顯著；N-處理在一定程度上削弱了C+處理對(duì)CAC、CAC/產(chǎn)量、水稻生物量、土壤可溶性有機(jī)碳含量的促進(jìn)作用；逐步回歸分析表明，基于可溶性有機(jī)碳和硝態(tài)氮含量及土壤脲酶活性的線性模型，可解釋稻田CH4累積排放64%的變異。綜上，在大氣CO2濃度升高條件下，氮肥減施可通過影響土壤碳、氮基質(zhì)及土壤脲酶活性來調(diào)節(jié)稻田CH4排放。

關(guān)鍵詞：大氣CO2濃度升高；氮肥減施；CH4排放；水稻生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：X144 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）07-1666-11 doi：10.11654/jaes.2023-0927

隨著全球大氣溫度的不斷升高，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到極大威脅。二氧化碳（CO2）是導(dǎo)致全球氣候變暖的第一大溫室氣體，其濃度已由工業(yè)革命前的290 μmol·mol-1上升到目前的418 μmol·mol-1。作為第二大溫室氣體，甲烷（CH4）在百年時(shí)間尺度上的全球變暖潛能值是CO2的27.9倍，在大氣中存留時(shí)長(zhǎng)為11.8 a。稻田是溫室氣體的重要排放源，對(duì)全球農(nóng)田CH4排放的貢獻(xiàn)達(dá)10%-13%。因此，在全球氣候變化背景下，探索實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和稻田CH4減排的協(xié)同措施，對(duì)于保障國家糧食安全、減緩全球氣候變暖、實(shí)現(xiàn)我國2060年碳中和的國際承諾具有重要意義。

水稻是我國第二大糧食作物，常年種植面積約3 000萬hm2，有力地保障了國家糧食安全。我國人口基數(shù)的增長(zhǎng)導(dǎo)致糧食需求增加，但從2017年至今，我國水稻播種面積和水稻產(chǎn)量一直呈下降趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)，農(nóng)民常過量施用氮肥。高氮（N）投入在一定程度上提高了稻谷產(chǎn)量，但也帶來了N素利用率大幅下降、植株抗逆性差等生產(chǎn)問題，還引發(fā)了土壤N素淋洗量增加、周邊水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題，成為我國種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。此外，農(nóng)田施用氮肥會(huì)影響土壤理化性質(zhì)，如土壤pH、Eh值、N含量，進(jìn)而影響土壤CH4排放。然而，迄今為止，關(guān)于氮肥施用對(duì)稻田CH4排放的影響仍存在爭(zhēng)議。有研究報(bào)道，施氮量的增加導(dǎo)致稻田CH4排放量的增加，這可能是因?yàn)镹素的施用促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)，為CH4的產(chǎn)生提供了更多的碳（C）底物。也有研究者認(rèn)為，施用尿素會(huì)誘導(dǎo)CH4氧化菌活性的增加，從而減少稻田CH4排放。另外還有研究者認(rèn)為，不同施肥處理之間的稻田CH4排放無顯著性差異。李新華等在山東的試驗(yàn)結(jié)果顯示，與常規(guī)施氮處理相比，減氮20%處理能夠促進(jìn)CH4的吸收，從而達(dá)到減排效果；戴相林等發(fā)現(xiàn)，化肥氮減施40%較全量化肥氮處理的CH4累積排放量顯著降低；類似地，顧一凡和史經(jīng)康均指出氮肥減量50%對(duì)于CH4減排的效果最顯著，常規(guī)氮肥處理下的CH4排放通量最高。因此優(yōu)化施氮對(duì)于CH4減排具有一定的抑制作用，然而其范圍的選擇仍存在爭(zhēng)議。

國內(nèi)外研究者利用不同的CO2濃度升高平臺(tái)，研究了CO2濃度升高（大多升高200 μmol·mol-1）對(duì)水稻生長(zhǎng)及稻田CH4排放的影響。大部分研究者認(rèn)為，CO2濃度升高200 μmol·mol-1可促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，增加根系分泌物，為產(chǎn)甲烷菌提供更多的C底物，提高產(chǎn)甲烷菌的活性，從而促進(jìn)稻田CH4排放。值得注意的是，在中等排放情景下，預(yù)計(jì)到2100年，大氣CO2濃度將達(dá)到538-670 μmol·mol-1，換言之，與當(dāng)前大氣環(huán)境CO2濃度相比，2100年CO2濃度將升高116-248 μmol·mol-1。因此，僅研究C02濃度升高上限（200 μmol·mol-1）對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)的影響，不能完全模擬未來大氣CO2濃度升高影響的真實(shí)情景。有必要研究CO2濃度升高下限（120 μmol·mol-1）對(duì)水稻生長(zhǎng)及稻田CH4排放的影響，以在未來氣候變化條件下，更全面地探索實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和稻田CH4減排的協(xié)同措施。此外，目前關(guān)于CO2濃度升高和N有效性對(duì)稻田CH4排放的交互作用的研究較少。N有效性在多大程度上調(diào)節(jié)CO2濃度升高對(duì)單位產(chǎn)量稻田CH4排放的作用及潛在機(jī)制仍有待揭示。國家統(tǒng)計(jì)局2022年調(diào)查報(bào)告指出，我國年氮肥消耗量高達(dá)2.6×107t，平均田間施N水平高于200 kg·hm-2，已大幅超出國際平均水平。同時(shí)，Yin等基于N素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法對(duì)我國水稻進(jìn)行了施肥定額：水稻平均氮肥用量（以N計(jì)）為155 kg·hm-2，范圍在132-177 kg·hm-2內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)產(chǎn)量，并最大限度地減少N損失。因此本研究利用開頂式氣室（OTC）模擬了大氣CO2濃度升高120 μmol·mol-1，并協(xié)同氮肥減施40%，研究了CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)水稻生產(chǎn)及稻田CH4排放的綜合影響及機(jī)理，旨在未來氣候變化條件下，探索合理的氮肥管理措施，以協(xié)同實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)和稻田CH4減排。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)試驗(yàn)站（118°42＇E，32°16＇N），該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為1258 mm，相對(duì)濕度為76%，年平均氣溫為17.4℃。供試土壤為潴育型水稻土（灰馬肝土屬），耕作層為壤質(zhì)黏土，黏粒的含量為26.1%，pH（H20）為6.3，有機(jī)碳和全氮含量分別為11.95 g·kg-1和1.45 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用基于開頂式氣室（OTC）的CO2濃度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，輔以氮肥管理措施，于2018年水稻生長(zhǎng)季開展不同CO2濃度升高和氮肥施用量的農(nóng)田控制性試驗(yàn)。試驗(yàn)采用區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理：①環(huán)境CO2濃度+常規(guī)施氮處理（CK）；②大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+常規(guī)施氮處理（C+）；③環(huán)境CO2濃度+氮肥減施40%處理（N-）；④大氣CO2濃度升高120μmol·mol-1+氮肥減施40%處理（C、N-）。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。氮肥水平：常規(guī)施氮（N1，250 kg·hm-2）和氮肥減施40%（N2，150 kg·hm-2）。

供試水稻品種為南粳9108。田間水分管理方式為持續(xù)淹水。肥料運(yùn)籌包括基肥、蘗肥和穗肥，基肥使用復(fù)合肥（N：P：K=15：15：15），蘗肥和穗肥使用尿素（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.6%）?；收?0%（N：125 kg·hm-2，N，75 kg·hm-2，以N計(jì)）、蘗肥占35%（N，87.5 kg·hm-2，N：52.5 kg·hm-2，以N計(jì)）、穗肥占15% （N：37.5kg·hm-2，N222.5 kg·hm-2，以N計(jì)）。

1.3 CO2濃度控制

CO2濃度由田間CO2濃度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)由12個(gè)OTC、一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和一套供氣裝置組成。OTC為高3m、底面積10 m2、對(duì)邊直徑3.75 m的正八邊形棱柱體，鋁合金框架，覆蓋高透光性普通玻璃（厚度3 mm，透光率＞90%）。為了減緩氣體散失速度，頂部開口向內(nèi)傾斜45°。每個(gè)OTC內(nèi)配備一個(gè)CO2傳感器（CMM 222，Vaisala，F(xiàn)inland），量程0-2 000 μmol·mol-1，精度±20 μmol·mol-1，懸掛于土壤表面1.5 m高處。自動(dòng)控制系統(tǒng)包括CO2感應(yīng)模塊、閥控制模塊、流量控制模塊、加壓模塊、主控板、數(shù)據(jù)采集等。利用杜瓦罐液態(tài)CO2作為氣源（CO2純度99%）。CO2傳感器每2s向自動(dòng)控制系統(tǒng)反饋OTC內(nèi)部的實(shí)時(shí)CO2濃度。當(dāng)CO2濃度低于目標(biāo)濃度時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開電磁閥，向OTC內(nèi)補(bǔ)充CO2氣體，反之電磁閥保持關(guān)閉。

1.4 樣品采集與測(cè)定

每個(gè)OTC種植區(qū)內(nèi)置5個(gè)圓形陶瓷底座（高5cm，內(nèi)徑20 cm），每個(gè)底座內(nèi)種植3穴水稻植株，其中4個(gè)底座分別用于分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期的水稻指標(biāo)和土壤指標(biāo)的測(cè)定，另外1個(gè)底座用于CH4通量的觀測(cè)。

1.4.1 CH4通量測(cè)量

CH4通量采用透明靜態(tài)箱-激光溫室氣體（GHG）分析儀測(cè)量。靜態(tài)箱為高透光率有機(jī)玻璃圓筒（高1m，直徑0.2 m），頂部留有3個(gè)圓孔，用于安裝溫度計(jì)和進(jìn)出氣管線。陶瓷底座邊緣有2.5 cm寬的凹槽，其直徑與靜態(tài)箱直徑吻合，觀測(cè)時(shí)向凹槽注水以密封靜態(tài)箱和底座。此外，靜態(tài)箱內(nèi)置一個(gè)風(fēng)扇以防止溫度升高，并確保測(cè)量過程中空氣充分混合。利用內(nèi)徑為6.35 mm的特氟龍管，將靜態(tài)箱與LGR超便攜式溫室氣體分析儀（915-0011，Los Gatos Research，USA）連接，觀察CH4排放交換率。

在水稻關(guān)鍵生育期對(duì)CH4通量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為北京時(shí)間8：00-11：00，每周1-2次，每個(gè)陶瓷底座觀測(cè)15 min。為消除靜態(tài)箱中水汽增加的影響，利用CH4的干混比計(jì)算箱內(nèi)CH4濃度隨時(shí)間變化的斜率，得到CH4通量。公式如下：

式中：F為CH4通量，mg·m-2·h-1；H為采樣箱高度，m；m為CH：的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；及為通用氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；T和P分別為箱內(nèi)空氣溫度和空氣壓力，℃和hPa；dC/dt為觀察時(shí)間內(nèi)CH4濃度隨時(shí)間變化的斜率；t為時(shí)間，s；C為t時(shí)刻被測(cè)氣體在箱內(nèi)的體積混合比濃度，μg·L-1。

根據(jù)每對(duì)相鄰區(qū)間的實(shí)測(cè)通量，依次累積計(jì)算不同生長(zhǎng)階段的CH4累積排放量（CAC，Cumulativeamount of CH4 emissions）。公式如下：

式中：CAC為CH4累積排放量，kg·hm-2；F為CH4通量，mg·m-2·h-1；i代表第i次采樣；ti+1-ti為兩個(gè)測(cè)定日期之間的間隔，d；n為總測(cè)量次數(shù)。

通過CAC除以水稻產(chǎn)量，得到按產(chǎn)量比例計(jì)算的CH4排放量（CAC/產(chǎn)量），代表單位水稻產(chǎn)量的CH4累積排放量。

1.4.2 水稻生物量及產(chǎn)量測(cè)定

在水稻關(guān)鍵生育期（分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期），將底座內(nèi)的水稻植株貼地剪下獲得地上部分，挖出根部作為地下部分。樣品洗凈后按根、莖、葉、籽粒、穗軸分別裝入信封袋，105℃殺青1h，80℃烘干至恒質(zhì)量后，分別記錄每袋干質(zhì)量，并根據(jù)干質(zhì)量與種植盆栽面積之比計(jì)算地上生物量和地下生物量，成熟期的籽粒干質(zhì)量計(jì)為產(chǎn)量。

1.4.3 土壤理化性質(zhì)及酶活性分析

在水稻關(guān)鍵生育期（分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期），采用直徑為50 mm的不銹鋼土壤采樣器，采用五點(diǎn)取樣法，在圓形基架中的水稻根系附近采集水稻土壤樣品（50-100 mm）。

土壤銨態(tài)氮（NH+4-N）含量使用2 mol·L-1 KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮（NO-3-N）含量使用酚二磺酸比色法測(cè)定。通過靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶活性；通過3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定轉(zhuǎn)化酶活性；通過0.02 mol·L-1 KMnO4滴定法測(cè)定過氧化氫酶活性。以1：5的土水比提取土壤可溶性有機(jī)碳（DOC），振蕩搖勻2h，12 500 r·min-1離心20 min，利用0.45 mm過濾膜真空過濾后，使用總有機(jī)碳分析儀（Liqui TOC -ANALYZER， elemental Inc， German）測(cè)定DOC含量。以1：2.5的土水比懸浮液，振蕩搖勻0.5h，測(cè)定土壤pH值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 26.0完成。采用雙因素方差分析（ANOVA）研究不同CO2濃度處理、氮肥處理及兩者互作對(duì)稻田CH4累積排放量、作物指標(biāo)和土壤指標(biāo)的影響。采用最小顯著差異（LSD）檢驗(yàn)不同處理下CH4累積排放量、作物指標(biāo)和土壤指標(biāo)的差異。采用Pearson相關(guān)分析確定不同處理下CH4累積排放量與土壤指標(biāo)的兩兩相關(guān)性。利用逐步回歸分析確定稻田CH：排放的關(guān)鍵調(diào)控因子。制圖使用Origin2019繪圖軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)水稻生物量和產(chǎn)量的影響

CO2濃度升高和氮肥減施處理下的水稻地上部生物量、根生物量和總生物量如圖1所示，產(chǎn)量如表1所示。單因素方差分析表明，在分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，與CK相比，C、和C+N-處理對(duì)水稻地上、根及總生物量無顯著影響。在灌漿期，N-處理的水稻地上、根及總生物量較CK分別顯著下降了36.90%、18.09%和33.85%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，不同N處理和不同CO2處理對(duì)水稻地上部生物量和總生物量存在顯著的交互作用（P＜0．05）。

CO2濃度升高和氮肥減施條件下的水稻產(chǎn)量見表1。與CK相比，C+處理使水稻增產(chǎn)2.28%，而N-和C+N-處理使水稻分別減產(chǎn)5.31%和4.36%，但該作用均不顯著（P＞0．05）。雙因素方差分析表明，不同N處理和不同CO2濃度處理對(duì)水稻產(chǎn)量均無顯著影響，且兩者對(duì)水稻產(chǎn)量不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.2 CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)稻田CH4排放的影響

2.2.1 稻田CAC

CO2濃度升高和氮肥減施處理下的稻田CH4累積排放量如圖2所示。不同處理下CH4累積排放量均呈先升高后降低的趨勢(shì)；不同生育階段CAC均表現(xiàn)為C、＞C、N-＞CK＞N-。在分蘗期、拔節(jié)期和成熟期，與CK相比，C+、N-和C+N-處理沒有顯著改變稻田CAC；在灌漿期，與CK處理相比，C、處理使CAC顯著增加了18.20% （P＜0.05），N-處理使CAC顯著降低了17.38%（P＜0.05）。

不同CO2濃度和不同氮肥水平下水稻全生育期CAC如表1所示。與CK處理相比，C+處理使稻田CAC增加了18 .28%，N-處理使稻田CAC降低了17.73%，C+N-處理使CAC增加了4.02%，但各處理的作用均不顯著（P＞0．05）。此外，與C+處理相比，C+N-處理使CAC降低了12.05%（P＞0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)CAC均有顯著影響（P＜0．05），但兩者對(duì)CAC不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.2.2 CAC／產(chǎn)量

不同CO2濃度與不同氮肥水平下水稻全生育期CAC/產(chǎn)量如表1所示。與CK處理相比，C、處理使CAC/產(chǎn)量顯著提高了16.93%（P＜O．05），N-處理使CAC/產(chǎn)量顯著降低了13.33% （P＜0.05），C+N-處理使CAC/產(chǎn)量降低了7.89%（P＞0.05）。其中，與C+處理相比，C+N-處理使CACl產(chǎn)量降低7.12%（P＞0．05）。雙因素方差分析表明，C02濃度升高和氮肥減施對(duì)CAC/產(chǎn)墨均有顯著影響（P＜o(jì)．05），但兩者對(duì)CAC/產(chǎn)量不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.3 CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同CO2濃度與不同氮肥處理下稻田土壤理化性質(zhì)如表2所示。在拔節(jié)期，與CK處理相比，N-處理的pH顯著提高了2.40%（P＜0．05）；灌漿期C、處理和N-處理的pH分別是CK的102.55%、102.04% （P＜0.05）；在成熟期，與CK處理相比，C+N-處理DOC含量顯著提高了50.78%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)DOC含量和pH均有顯著影響（P＜0．05），且兩者對(duì)土壤pH存在顯著的交互作用（P＜0.05）。

2.4 CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)土壤酶活性的影響

不同CO2濃度與不同氮肥處理下稻田土壤酶活性如表3所示。在分蘗期，與CK處理相比，C+N-處理的過氧化氫酶活性顯著提高了37.90%（P＜0.05）；在拔節(jié)期，與CK處理相比，C+處理和C+N-處理的轉(zhuǎn)化酶活性分別顯著提高了84.21%和81.46%（P＜0.05）；灌漿期C+處理和C+N-處理的轉(zhuǎn)化酶活性是CK的183.17%和155.09% （P＜0.05）；在成熟期，與CK處理相比，C+處理的轉(zhuǎn)化酶活性顯著提高了22.67%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，CO2濃度升高對(duì)稻田土壤轉(zhuǎn)化酶活性和過氧化氫酶活性均有顯著影響（P＜0.05），但兩者對(duì)土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性均不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

2.5 稻田CH4排放的影響因素

2.5.1 作物因素

CO2濃度升高和氮肥減施條件下稻田CAC與水稻總生物量間的關(guān)系如圖3所示。在各生育期，稻田CAC與水稻生物量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），稻田CAC隨水稻總生物量的增加而增加。

2.5.2 土壤因素

對(duì)大氣CO2濃度升高及氮肥減施處理下全生育期稻田CAC、土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性進(jìn)行Pear-son相關(guān)分析。結(jié)果表明（圖4），在水稻生長(zhǎng)季，CAC與水稻轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性以及土壤DOC、NH+4-N和NO-3-N含量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

為進(jìn)一步確定稻田CH4排放的土壤調(diào)節(jié)因子，采用逐步回歸分析法，利用土壤因子擬合CAC，結(jié)果表明（圖5），基于土壤脲酶、DOC和NO-3-N的線性模型，可解釋水稻全生長(zhǎng)季CH4排放64%的變異（R2=0.644，P＜0.001）。

3 討論

3.1 CO2濃度升高和氮肥減施對(duì)稻田CH4排放的影響

大部分研究者認(rèn)為，CO2濃度升高可通過提高水稻光合作用而增加根系滲出物，提高土壤C利用率，使得產(chǎn)甲烷菌種群更加活躍，從而促進(jìn)水稻田CH4排放。類似地，本研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高對(duì)稻田CH4排放具有促進(jìn)作用，盡管這種作用并不顯著（表1，圖2）。然而，C02濃度升高120 μmol·mol-1使單位水稻產(chǎn)量下的CH4排放量顯著增加。因此，稻田CH4排放量是否按產(chǎn)量比例計(jì)算，對(duì)于大氣CO2濃度升高下的稻田CH4排放具有顯著影響。此外，有研究表明CH4排放對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)隨持續(xù)時(shí)間的變化而變化，當(dāng)大氣CO2濃度升高持續(xù)時(shí)間小于10a時(shí)，排放通常會(huì)增加；但CO2濃度長(zhǎng)期升高會(huì)顯著降低CH4的排放量。因此，CH4排放具有不可忽視的時(shí)間變異性，需要多年觀測(cè)才能得到可靠的結(jié)果。

迄今為止，關(guān)于N輸入對(duì)稻田CH4凈排放的影響仍沒有達(dá)成一致，主要是因?yàn)镹的凈效應(yīng)在稻田CH4生產(chǎn)和氧化間可能存在權(quán)衡。本研究發(fā)現(xiàn)，總體而言，氮肥減施對(duì)稻田CH4排放有一定的抑制作用，尤其是在灌漿期，氮肥減施顯著降低了CH4累積排放量（表1、圖2）。這可能是由于尿素在土壤中水解生成的NH+4會(huì)抑制CH4氧化，當(dāng)進(jìn)入土壤中的N減少后，CH4氧化加劇導(dǎo)致CH4排放量減少；同時(shí)水稻根系C底物不足，無法滿足產(chǎn)甲烷菌所需的環(huán)境條件，進(jìn)而抑制了CH4的排放。

Silvola等和Zheng等認(rèn)為CO2升高對(duì)CH4排放的顯著刺激與N添加速率呈正相關(guān)，這種相關(guān)性與土壤N的有效性有關(guān)。低土壤N有效性可以抵消CO2濃度升高對(duì)貧N水稻生態(tài)系統(tǒng)CH4排放的刺激作用，而高土壤N有效率可以進(jìn)一步放大CO2濃度升高對(duì)富N水稻生態(tài)系統(tǒng)CH4排放的促進(jìn)作用。類似地，本研究表明，CO2濃度升高與氮肥減施共同處理對(duì)稻田CH4排放無顯著影響；但在一定程度上，氮肥減施可抑制高CO2濃度對(duì)稻田CH4排放的促進(jìn)作用（表1、圖2）。

3.2 CH4排放的影響因素

3.2.1 水稻生物量和產(chǎn)量

大量研究證實(shí)，CO2濃度升高（大多升高200μmol·mol-1）可通過降低植物的氣孔導(dǎo)度、增加植物的光合作用及水分利用效率，從而促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高地上生物量和產(chǎn)量?？傮w而言，本研究表明CO2濃度升高120 μmol·mol-1有增加粳稻生物量和產(chǎn)量的趨勢(shì)，但影響不顯著（表1、圖1），這可能是由于在粳稻、秈稻和雜交稻中，高濃度C02對(duì)生物量的正響應(yīng)在粳稻中最不明顯。Yu等整合分析得出大氣CO2濃度升高對(duì)水稻產(chǎn)量和生物量的積極影響隨著時(shí)間的推移而減小，因此今后仍需從長(zhǎng)期CO2濃度升高的角度對(duì)水稻生產(chǎn)進(jìn)行原位試驗(yàn)研究。本研究表明，氮肥減施使灌漿期水稻地上、根及總生物量均顯著下降（圖1）。然而，氮肥減施對(duì)于水稻產(chǎn)量的降低趨勢(shì)卻不顯著，這與Yao等I331的研究結(jié)果一致，說明N可能不是影響水稻產(chǎn)量的唯一限制因子。此外，Yang等研究發(fā)現(xiàn)，與250 kg·hm-2施氮量相比，150kg·hm-2施氮量降低了前兩個(gè)水稻季的水稻產(chǎn)量，卻提高了第3個(gè)水稻季的水稻產(chǎn)量。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，適度減少氮肥施用量不一定會(huì)降低水稻產(chǎn)量。Terrer等通過Meta分析發(fā)現(xiàn)，N限制了CO2濃度升高對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。然而，本研究表明，氮肥減施并未明顯削弱CO2濃度升高對(duì)水稻生物量及產(chǎn)量微弱的促進(jìn)作用（表1、圖1），這意味著在CO2濃度升高120 μmol·mol-1條件下，氮肥減施40%并未使水稻減產(chǎn)。然而，在大氣CO2濃度升高背景下，與高N處理（250 kg·hm-2）相比，低N處理（150 kg·hm-2）使稻米的蛋白質(zhì)濃度以及籽粒含N量顯著降低，稻米品質(zhì)受到了一定的影響。

與Wang等的研究結(jié)果一致，在本研究中，稻田CH4累積排放量隨水稻總生物量的增加呈顯著線性增加趨勢(shì)（圖3），表明CO2濃度升高和氮肥減施通過直接影響水稻生物量，間接影響土壤C底物含量，從而影響土壤產(chǎn)甲烷菌活性并影響稻田CH4通量。未來氣候變化條件下，長(zhǎng)期氮肥減施可能會(huì)進(jìn)一步提高N素利用率，在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)有助于提高CH4減排效果。在過去的20a里，中國東南部地區(qū)普遍采用250 kg·hm-2的N添加量，這可以被視為在減少CH4排放的同時(shí)提高水稻產(chǎn)量的有效管理措施。但在預(yù)計(jì)的未來CO2濃度升高水平下，至少在本試驗(yàn)的相似條件下，建議水稻生產(chǎn)氮肥施用率可適當(dāng)下降。

3.2.2 土壤理化性質(zhì)和酶活性

稻田CH4的產(chǎn)生是微生物降解有機(jī)物的最后一步，受土壤性質(zhì)影響較大。本研究表明，在CO2濃度升高和氮肥減施條件下，CH4累積排放量與土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性以及DOC、NH+4-N和NO-3-N含量呈顯著正相關(guān)（圖4）。在C02濃度升高作用下，土壤DOC在稻田中的含量會(huì)隨著根系分泌物的增加而增加（表2）；同時(shí)，由于CO2濃度升高促進(jìn)了植物生長(zhǎng)，加劇了微生物與植物對(duì)N的競(jìng)爭(zhēng)，土壤轉(zhuǎn)化酶活性進(jìn)一步增強(qiáng)（表3），導(dǎo)致稻田CH4累積排放量增加。而在氮肥減施處理下，因淹水期基肥和分蘗肥的施用，尿素水解為NH+4-N后被進(jìn)一步氧化為NO-3-N；進(jìn)入拔節(jié)期，水稻由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)，對(duì)N素以及C素的需求量增加，而低N投入與產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求，導(dǎo)致施N 150 kg·hm-2處理下土壤NH+4-N和NO-3-N含量均呈減少趨勢(shì)（表2）。因此當(dāng)施氮量從250 kg·hm-2減少到150 kg·hm-2時(shí)，稻田CH4排放受到了一定的抑制（表1、圖2）。

氣候變化條件下N素管理對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響鮮有報(bào)道。總體而言，氮肥減施在一定程度上抑制了高CO2濃度對(duì)土壤DOC、NH+4-N和NO-3-N含量及土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的促進(jìn)作用（表2、表3），進(jìn)而抑制了大氣CO2濃度升高對(duì)CH4排放帶來的促進(jìn)作用。在未來氣候變化條件下，氮肥管理將改變土壤C、N含量和酶活性，影響水稻生態(tài)系統(tǒng)的C、N循環(huán)。

3.3 CO2濃度升高和氮肥減施條件下稻田CH4排放機(jī)制

總體而言，土壤DOC、NO-3-N和脲酶共同控制著稻田CH4排放（圖5）。CO2濃度升高和氮肥減施通過改變C在大氣-植物-土壤連續(xù)體中的分配，影響由微生物所介導(dǎo)的稻田生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)。許多研究表明，CO2濃度升高或N的施用增加了CH4的排放，這是由于水稻根系分泌物和通氣組織的增加，直接增加了基質(zhì)中產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高和氮肥減施通過直接影響水稻總生物量，間接影響產(chǎn)甲烷菌所需的土壤C基質(zhì)含量，從而影響稻田CH4排放（圖3、圖5）。

同樣，N03-N作為水稻根系吸收N的主要形式，為脲酶酶促反應(yīng)提供了N底物，從而產(chǎn)生更多的NH+4-N。在生態(tài)系統(tǒng)水平上，NH+4-N通過為產(chǎn)甲烷菌提供更多底物或改善底物管道而加劇了CH4的排放；此外，由于根間組織管道的改善，通過向根間區(qū)提供更多的O2來增強(qiáng)CH4氧化。在生化水平上，NH+4-N通過與CH4單加氧酶反應(yīng)取代CH4來抑制CH4氧化。在微生物水平上，NH+4-N濃度的升高促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和活性。CO2濃度升高則促進(jìn)了水稻根際土壤脲酶對(duì)尿素的水解，進(jìn)一步增加了稻田CH4排放，而氮肥減施導(dǎo)致的土壤脲酶活性降低抑制了稻田CH4排放。本研究沒有測(cè)量CH4的氧化能力以后還需要進(jìn)一步的深入研究，測(cè)量稻田中CH4的氧化、產(chǎn)生和運(yùn)輸，以幫助闡明潛在的機(jī)制。

4 結(jié)論

（I）CO2濃度升高120 μmol·mol-1顯著增加了施氮量為250 kg·hm-2與150 kg·hm-2情形下的單位產(chǎn)量稻田CH4排放，而施氮量從250 kg·hm-2減少到150kg·hm-2顯著減少了環(huán)境CO2濃度與CO2濃度升高120 μmol·mol-1情形下的單位產(chǎn)量稻田CH4排放。

（2）氮肥添加量從250 kg·hm-2減少至150 kg·hm-2，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了CO2濃度升高120 μmol·mol-1情形下的稻田CH4減排，且并未對(duì)水稻造成減產(chǎn)。

（3）在本試驗(yàn)的相似條件下，適當(dāng)降低水稻氮肥施用量可作為未來氣候變化條件下保持水稻產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)稻田CH4減排的重要氮肥管理措施。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42375114，42205174，42071023）；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（22KJB180010）；江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYCX23_1337）