氮素形態和光照強度對水稻表土及根際 N2O 排放的影響

徐勝光，高召華，林　麗，陳澤斌，陳武榮，李　冰，余　磊

（1 昆明學院 云南省都市特色農業工程技術研究中心，云南昆明 650214；2 云南農業大學資源與環境學院，云南昆明 650201；3 中國科學院昆明動物研究所，云南昆明 650223）

氮素形態和光照強度對水稻表土及根際 N2O 排放的影響

徐勝光1，高召華2，林麗1，陳澤斌1，陳武榮1，李冰3，余磊1*

（1 昆明學院 云南省都市特色農業工程技術研究中心，云南昆明 650214；2 云南農業大學資源與環境學院，云南昆明 650201；3 中國科學院昆明動物研究所，云南昆明 650223）

【目的】稻田生態系統是 N2O 的重要排放源，本研究旨在探討氮素形態和光照對水稻根際、葉際 N2O 排放作用及其機制。【方法】試驗采用水培方法，在小型光控培養箱內進行，供試作物為水稻。將水稻地上部和地下部嚴格分隔在試驗裝置內室和外室，用氣相色譜法測定水稻根、葉界面排放的 N2O 量。首先進行了弱光（8:00～18:00， 4000 Lux；18:00～22:00， 0 Lux）和供氮量一致條件下（N 90 mg/L），NO3--N、NH4NO3和 NH4+-N 3種氮素形態對水稻根、葉界面 N2O 排放的影響的試驗。在此基礎上，進行了不同光照條件下 ［弱光（8:00～18:00， 4000 Lux； 18:00～22:00， 0 Lux）、強光（8:00～18:00， 8000 Lux； 18:00～22:00， 0 Lux）和自然光］不同氮素形態對水稻根、葉界面 N2O 排放的影響的試驗。【結果】 1）相同供氮水平、弱光條件下，NO3--N、NH4NO3、NH4+-N 處理的水稻分蘗期葉際及根際 N2O 排放速率分別為 6.37、5.03、0.46 μg/（pot·h）和 16.30、15.71、1.31 μg/（pot·h），開花結實期及成熟衰老期亦獲得相似的結果。NO3--N、NH4NO3處理水稻根際、葉際N2O 排放量顯著高于 NH4+-N（P＜0.05）。 2）弱光照條件下，NO3--N、NH4NO3和 NH4+-N 處理的水稻開花結實期葉際 N2O 平均排放速率分別為 10.47、3.70、0.26 μg/（pot·h），強光照條件下分別為 20.83、10.82、2.08 μg/（pot·h），兩種光照條件下 3 種氮源處理之間 N2O 平均排放速率差異顯著，自然光照條件下 NO3--N 與 NH4NO3處理間水稻葉際 N2O 排放差異不顯著。 3）在弱光條件下，NO3--N、NH4NO3和 NH4+-N 處理的水稻根際 N2O 排放速率分別為 27.76、5.19、0.30 μg/（pot·h），強光條件下分別為 32.83、16.41、1.27 μg/（pot·h），自然光條件下分別為 16.49、20.21、1.74 μg/（pot·h）。NH4NO3處理水稻根際 N2O 排放隨光照增強而增加，自然光條件下 NO3--N與 NH4NO3處理間水稻根際 N2O 排放差異不顯著，但弱光條件下差異顯著； 4）葉際 N2O 排放速率（Y）與根際N2O 排放速率（X）間呈極顯著正相關，Y=1.963+0.444X（R2=0.661， P＜0.01）。【結論】不論光照條件強弱，供應 NO3--N 均顯著提高水稻根、葉界面的 N2O-N 排放，NH4NO3次之。光照越強，排放就越明顯。葉際 N2O 排放可以反映出根際的排放，因此，水稻施肥應盡量選用銨態氮肥，避免使用硝態氮以及含有硝態氮的肥料。

氮素形態；水稻；葉際；根際；N2O 排放

土壤釋放的 N2O 約占生物圈排放 N2O 總量的53%［1］，基于全球 1008 個 N2O 排放數據分析，農田土壤每年釋放 N2O-N 為 3.3×106t［2］。濕地生態系統是N2O 排放的重要來源，稻田作為重要的人工濕地生態系統，其 N2O 排放引起廣泛關注［3-7］。據估算，2008年中國稻田水稻（Oryza sativa L.）生長季 N2O 排放均值為 22.48×103t［3］，氮素形態及其轉化對稻田N2O 排放有明顯影響。稻田施硫銨比施尿素排放出更多的 N2O［6］，但兩者都低于硝酸鉀處理；追施氮肥后稻田水面的 NH4+-N 通過硝化作用轉化為 NO3--N，滲入土壤底層厭氧環境的 NO3--N 以反硝化作用產生N2O［5］，故淹水種稻下有大量 N2O 生成和排放［7］。此外，水稻地上部確有 N2O 排放損失［8-11］，利用15N 標記試驗，約 50% 的15N 標記氮化物（N2+N2O）從水稻葉面排放損失，且這一過程明顯受氮素形態和光照的調節［11］。Chen 等［12］表明15NO3-標記氮肥的水稻植物體氮損失形態主要是 N2O；而水稻葉際 N2O 排放是基于光氮反應的不平衡，弱光條件下水稻地上部有更大量的 N2O 排放損失［13］。關于水稻地上部N2O 來源，有研究指出水稻植物體通過通道效應機制，將稻田土壤 N2O 輸送至地上部釋放［8-10］。

從前人研究的成果看，氮源作為稻田 N2O 排放的主控因子受到廣泛關注，光照調節氮代謝作用及其與水稻植物體 N2O 排放的關系亦引起強烈關注［12-14］，但光照對水稻根際界面 N2O 排放的作用機制還罕見報道。實際上，作物根系競爭性吸收有效氮可減少N2O 的生成［15］，這一過程顯然與光、氮耦合的氮代謝密切相關；另一方面，作物根系分泌物為根際微生物提供碳源和能源，并進一步消耗介質中的 O2［16］，有利于生物反硝化而促進根際 N2O 生成，這亦與植物光合碳氮代謝產物向根部轉運和分泌密切相關。顯然，植物根、葉界面 N2O 排放與光照、氮源均密切相關。存在的主要問題，一是根土界面上 NH4+-N與 NO3--N 相互轉化且難以控制，故氮素形態對 N2O排放的作用很難清楚界定，研究結果也多有差異；二是水稻根、葉界面 N2O 排放難以嚴格區分和精確估算，氮素形態對水稻根、葉界面 N2O 排放的作用及其內在關系尚不明確；三是不同光照條件下氮素形態對水稻根、葉界面 N2O 排放作用及其機制尚不十分清楚。

自然條件下光照有巨大的時空異質性［17］，并受海拔、緯度、季節、地形地貌、氣候、天氣等多方面因素的影響，進而影響到植物生理生態特性及產量品質［17-19］。解析不同光照下氮素形態與水稻根、葉界面 N2O 排放的關系，可為依據光照的時空差異合理供肥、抑制 N2O 排放提供依據。在光照因海拔而不同的立體氣候區，研究光、氮協同調控水稻根、葉界面 N2O 排放作用及其機制有更為重要的潛在應用價值和實際意義。因此，本研究在水培控氮、同步測定條件下，探討了氮素形態和光照對水稻根、葉界面 N2O 排放的影響，旨在為 N2O 減排的光氮協同調控技術原理提供依據。

1　材料與方法

1.1試驗裝置

試驗裝置為自制（圖1），分外室和內室兩部分，內室套裝在外室之中，均用有機玻璃制作。外室長、寬、高分別為 30 cm×30 cm×100 cm，主要由底座和罩兩部分組成。罩頂面裝有 2 只小型電扇來混勻空氣。內室直徑 25 cm、高 50 cm，下底面保留內徑 10 cm 圓孔可通入內室。內室頂蓋可拆裝，頂蓋安裝 1 只微型電扇用來混勻空氣。內、外室均安裝輸氣管和抽氣管，將之連接氣泵可實施輸氣和抽氣試驗。

圖1　N2O 排放試驗裝置Fig.1　Apparatus monitoring N2O emission

1.2試驗方法

1.2.1室內弱光條件下不同氮素形態處理的水稻葉際及根際 N2O 排放試驗供試水稻品種為培雜泰豐，由華南農業大學提供。水稻用土培法育苗，水培法培養，試驗用桶、培養液配方均同筆者前期工作方法［13-14］。考慮到弱光對植物體 N2O 排放的重要性，2013年試驗在弱光條件下實施。在裝置外室的外壁臨時安裝白光光管條件下，試驗通過開閉不同光管數量的方法控光，用 GLZ-C 型光量子計錄儀測定離外室罩內壁 5 cm 處的光強，外界光用黑布套法遮擋。在 8 : 00～18 : 00，光強設為 4000 Lux，18:00～8:00 為暗處理時段（0 Lux）。試驗用 Ca（NO3）2·4H2O、NH4NO3和（NH4）2SO4（分析純）控制氮濃度（N 90 mg/L），并用稀酸、堿調節培養液 pH 值為 5.5。試驗設 NO3--N、NH4NO3和 NH4+-N 三種不同氮素形態處理，重復3次，同時做空白試驗。

水稻植株處理方法：精選均勻一致的試驗用苗（鮮質量株差控制在 0～2 g），用去離子水洗凈、吹干，放入按試驗設計更換培養液的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride resin， PVC）桶。試驗先將水稻植株地上部穿過 4 cm 泡沫板，經由內室底面圓口裝入內室，后用涂有 N0-704 硅橡膠的棉花堵塞空隙，使大量黏稠狀的硅橡膠充填內外室分隔部位的水稻莖、鞘、葉之間的空隙，再向水稻莖基部與泡沫板結合部位、泡沫板與內室圓孔緊貼部位灌注硅橡膠密封。待硅橡膠風干、固化后，再裝內室頂蓋，用透明膠帶密封。之后，內室整套裝置套裝在外室底座，并安裝外室罩，底座和罩的結合部位用封箱膠布密封。試驗用流量計檢測氣密性，即控制裝置外室流量恒定條件下（40 L/h），檢測內室是否有空氣流出來判斷外室空氣是否進入內室；反之，控制內室空氣流量恒定條件下，檢測外室是否有空氣流出來判斷內室氣體是否進入外室。在確認內、外室不存在氣體交換條件下才實施試驗。操作過程中，水稻根系用濕潤的紗布包裹以防止失水對植株的影響。這樣，通過裝置內、外室嚴密的分隔作用，在基本不傷害水稻植株條件下，水稻地上部和地下部被分別嚴格分隔在試驗裝置的內室和外室。

氣樣 N2O 檢測：試驗前先用氣泵以 400 L/h 的高流量的環境空氣快速置換裝置內、外室空氣 1.5 h，換氣時間為上午 8 : 00～9 : 30，下午 12 : 30～14:00，晚上 17:00～18:30。換氣后立即封箱 3 h，封箱時間為上午9:30～12 : 30，下午14 : 00～17 : 00，晚上，18 : 30～21 : 30。封箱時立即用注射器采集氣樣（40 mL）測定內、外室初始空氣的 N2O 濃度。封箱 3 h 內每隔 1 h 采樣測定一次，同時做試驗裝置的空白試驗。在 22 : 00～8 : 00 時段保持裝置內、外室空氣流通，維持交換狀態（流量 40 L/h）。水稻植物裝箱后，試驗連續實施 6 d，N2O 測定用氣相色譜法［20］，在采樣當天用 Agilent Technologies 公司生產的 7890A 氣相色譜儀分析氣樣 N2O 濃度。氣樣采集間隔時間較長，單位時間內 N2O 排放累積較多，氣樣 N2O 濃度變化較為明顯，有利于控制觀測誤差。

水稻根、葉界面 N2O 排放的來源及區分：農田N2O 主要源自生物硝化、反硝化作用［1］，故試驗水稻根際 N2O 應源于根際以 NH4+-N 為底物的生物硝化作用及以 NO3--N 為底物的生物反硝化作用。對于水稻葉際 N2O 的排放源，通道效應是其重要途徑［8-10］，另水稻亦內源形成和排放 N2O［12］。由于試驗有效切斷了裝置內外室空氣的交換作用，又嚴格測試了氣密性，故外室空氣 N2O 濃度明顯提升的凈排放現象，其 N2O 只能認為是來自水稻根際的 N2O 蒸發聚集在外室空氣的結果；同理，內室空氣 N2O 濃度的明顯增加，其 N2O 只能認為是源自水稻地上部排放的N2O 在內室空氣中集聚的結果。由此可嚴格區分水稻根、葉界面 N2O 的排放。

試驗于 2013年6月20日用土培法育苗，7 月10日移栽至 PVC 桶，每桶裝 6.0 L 營養液，種 3 株苗，每周更換營養液一次。分蘗期、開花結實期和成熟衰老期 N2O 試驗分別于 2013年8月24～29日、9月23～29日和 11月10～16日實施，此時水稻生育期分別為 64 d、93 d 和 136 d，鮮質量平均分別為140 g、346 g 和 290 g。

1.2.2不同光照條件下不同氮素形態處理的水稻葉際及根際 N2O 排放試驗2014年試驗在室內弱光（8:00～18:00，4000 Lux； 18:00～22:00，0 Lux）、室內強光（8:00～18:00， 8000 Lux； 18:00～22:00，0 Lux）和室外自然光條件下，分別實施 NO3--N、NH4NO3和NH4+-N 的不同氮形態試驗（N， 90 mg/L）。除自然光外，試驗光源仍通過臨時安裝白光光管的方法獲得。試驗于 2014年5月10日用土培法育苗，6月10日移栽至 PVC 桶，試驗時間為 2014年8月25～30日。此時水稻生育期為 95 d，平均鮮重 380 g，水稻處于開花結實階段，試驗及觀測方法同 1.2.1。

1.3水稻葉際及根際 N2O 排放速率的計算及統計方法

N2O 排放速率參考文獻采用的方法［20］，按如下計算公式:

式中，F 為以盆為單位的 N2O 排放速率 ［μg/（pot·h）］；ρ 是標準狀態下 N2O 氣體密度（1.98 kg/m3）；V 為內、外室有效體積（m3）；dc/dt 為封箱單位時間內（1 h）采樣箱空氣 N2O 濃度的變化率 ［μL/（m3·h）］；T 為采樣箱氣溫（℃）。

其中，初始封箱 1 h 內 N2O 濃度變化率的計算，扣除了試驗裝置的空白 N2O 濃度，以扣除空氣本底對試驗的影響。按上式計算方法，裝置內、外室所采氣樣 N2O 濃度數據計算的結果，分別表示水稻葉際及根際的 N2O 排放速率。負數表示吸收，正數表示排放。處理平均數和標準誤均是3次重復統計的結果。試驗數據采用Excel 2003 、 SPSS 19.0 進行整理和統計分析。顯著性檢驗用 D u n c a n多重比較法。

2　結果與分析

2.1室內弱光條件下不同氮素形態對水稻分蘗期葉際及根際 N2O 排放的影響

由表1可見，室內弱光條件下（8:00～18:00，4000 Lux）的上午（8:00～12:30）、下午（14:00～17:00）和晚上（18:30～21:00，暗光）不同時段，不同處理的水稻分蘗期葉際及根際均有 N2O 凈排放效應（2013年試驗），處理間 N2O 排放有明顯差異。其中，NO3--N 處理的水稻葉際平均 N2O 排放速率為 6.37 μg/（pot·h），上午、下午、晚上平均，占水稻根、葉界面 N2O 總排放的 28.24%；NH4NO3處理的水稻根、葉界面平均 N2O 排放速率分別相當于 NH4+-N 處理的 14.16 和12.44 倍（P＜0.05）。比較 NH4NO3與 NH4+-N，NH4+-N 有抑制水稻根、葉界面 N2O 排放的顯著效應（P＜0.05），但 NH4NO3與 NO3--N 處理間水稻根、葉界面N2O 排放差異均不顯著（P＞0.05）。顯然，培養液含大量 NO3--N 條件下，水稻根、葉界面才有較大量的N2O 排放損失。這一時期水稻根、葉界面 N2O 排放均主要源于 NO3--N 而非 NH4+-N。

表1　弱光條件下不同氮素形態處理的水稻分蘗期葉際及根際 N2O 的排放速率Table 1　N2O emission of rice phyllosphere and rhizosphere in different nitrogen forms at tillering stage under weak light

2.2室內弱光條件下不同氮素形態對水稻開花結實期葉際及根際 N2O 排放的影響

由表2可見，弱光條件下的水稻開花結實期，NO3--N 處理的水稻葉際及根際 N2O 排放速率平均分別為 10.54、27.76 μg/（pot·h），相當于分蘗期 NO3--N施入量的 165.46% 和 98.30%；開花結實期 NH4NO3處理的水稻根、葉界面 N2O 排放分別相當于分蘗期的 75% 和 32.99%，均顯著低于 NO3--N 處理（P＜0.05），這與分蘗期兩處理間差異不顯著的結果不同（表1，P＞0.05）。在試驗可嚴格區分水稻根、葉界面N2O 排放的條件下，水稻葉際 N2O 排放只能認為是植株地上部排放 N2O 的結果。通道效應是水稻地上部 N2O 排放的重要來源［9］，水稻開花結實期生物量較分蘗期成倍增加，通道效應排放 N2O 作用應相對較強，這應是此期 NO3--N 處理葉際 N2O 排放顯著增加的重要原因之一。外源銨態氮有抑制微生物活性作用［21］，而 N2O 主要源于 NO3--N，故開花結實期NH4NO3處理 N2O 排放呈明顯降低的變化，顯然是弱光及培養液 NO3--N 與 NH4+-N 共存條件下，NH4+-N抑制了 NO3--N 為底物的生物反硝化過程，進而有抑制水稻根、葉界面 N2O 排放作用的結果。

表2　弱光條件下不同氮素形態處理的水稻開花結實期葉際及根際 N2O 的排放速率Table 2　N2O emission of rice phyllosphere and rhizosphere as affected by nitrogen forms at flowering and seed setting stage under weak light

2.3室內弱光條件下不同氮素形態對水稻成熟衰老期葉際及根際 N2O 排放的影響

表3表明，在水稻成熟衰老期弱光條件下，NO3--N 處理的平均葉際及根際 N2O 排放速率分別為7.64、25.40 μg/（pot·h），分別相當于開花結實期 N2O排放的 72.39% 和 91.49%。對比開花結實期，成熟衰老期 NO3--N、NH4NO3處理的水稻根、葉界面 N2O排放均呈明顯降低的變化，且 NH4NO3與 NH4+-N 處理間水稻根、葉界面 N2O 排放差異均不顯著。顯然，成熟衰老期水稻光感應能力下降，培養液 NO3--N 與 NH4+-N 的共存條件下，NH4+-N 抑制 N2O 排放效應相對更強；光照不足條件下 NO3--N 促進水稻根、葉界面 N2O 排放的作用亦明顯減弱。

表3　弱光條件下不同氮素形態處理的水稻成熟衰老期葉際及根際 N2O 的排放速率Table 3　N2O emission of rice phyllosphere and rhizosphere as affected by different nitrogen forms at mature aging stage under weak light

2.4不同光照條件下不同氮素形態處理對水稻開花結實期葉際 N2O 排放的影響

2014年試驗結果顯示，在室內弱光（4000 Lux）、強光（8000 Lux）條件下，NO3--N、NH4NO3和NH4+-N 處理的開花結實期平均水稻葉際 N2O 排放速率分別為 10.47、3.70、0.26 μg/（pot·h）和 20.83、10.82、2.08 μg/（pot·h）；對比 NH4NO3，NH4+-N 亦有抑制水稻葉際 N2O 排放的顯著效應（P＜0.05），NO3--N 則顯著增強了水稻葉際 N2O 的排放（P＜0.05）。試驗結果與 2013 試驗基本一致，進一步證實 NO3--N是水稻葉際 N2O-N 的主要排放源。但也應指出，氮素形態對水稻葉際 N2O 的排放效應與光照密切相關。弱光（4000 Lux）條件下，NH4NO3處理的水稻葉際 N2O 排放相當于 NO3--N 處理的 35%，而強光條件下（8000 Lux）下這一比例達到 51.94%；在自然光條件下 NO3--N 與 NH4NO3處理間葉際 N2O 排放差異不顯著（P＞0.05）。顯然，培養液 NO3--N 與 NH4+-N 的共存及弱光條件下，NH4+-N 抑制葉際 N2O 排放效應相對較強，但強光條件下 NH4+-N 抑制效應明顯減弱，自然更強光照條件下 NH4NO3進一步增強了水稻葉際 N2O 的排放。

圖2　不同光照下不同氮素形態處理的水稻開花結實期葉際 N2O 排放速率Fig.2　N2O emission of rice phyllosphere as affected by nitrogen forms at flowering and seed setting stage under different light illumination

2.5不同光照條件下不同氮素形態處理對水稻開花結實期根際 N2O 排放的影響

圖3顯示，在弱、強光及自然光不同條件下，開花結實期 NO3--N、NH4NO3-N、NH4+-N 處理的水稻根際平均 N2O 排放速率在弱光條件下分別為 27.76、5.19、0.30 μg/（pot·h），強光條件下為 32.83、16.41、1.27 μg/（pot·h），自然光條件下為 16.49、20.21、1.74 μg/（pot·h）。對比NO3--N，弱光條件下 NH4NO3抑制根際 N2O 排放作用顯著（P＜0.05），但隨著光照增強，NH4NO3處理的水稻根際 N2O 排放效應隨之增強，在自然光條件下 NH4NO3與 NO3--N 處理間水稻根際 N2O 排放差異不顯著。綜合水稻根、葉界面的結果可以看出，培養液 NO3--N 與 NH4+-N 的共存條件下，NH4+-N 確有抑制水稻根際、葉際 N2O 排放的作用，但抑制效應隨著日間光照增強而明顯減弱，而 NH4NO3促進水稻根際、葉際 N2O 排放效應隨之增強。

圖3　不同光照下不同氮素形態處理的水稻開花結實期根際 N2O 排放速率Fig.3　N2O emission of rice rhizosphere as affected by nitrogen forms at flowering and seed setting stage under different light illumination

3　討論

3.1水稻葉際 N2O 排放的貢獻及其與氮素形態和光照的關系

據統計，在全球范圍內農作物的 N2O 排放量占N2O 排放總量 60%［1］。有些植物其 N2O 釋放量不容忽視，甚至達到與土壤排放相當的水平，如玉米（Zea mays L.）、大豆 ［Glycine max（L.）Merr］植物對土壤（砂）-植物系統中的 N2O 排放貢獻率達79.1%～100%［22］，林木排放的 N2O 約為林下土壤排放 N2O 的 86.7%［23］。有研究［9］指出，由土壤生物硝化、反硝化生成并經由水稻植株通氣組織排放的N2O 對稻田 N2O 排放的貢獻率為 75%～86%。但也應指出，由于水稻根、葉界面 N2O 排放難以嚴格區分和精確估算，又因土壤介質的不均勻性且難以控制，定量評估水稻葉際 N2O 排放、貢獻及其與氮素形態和光照的關系仍面臨較多的困難。

試驗用新的裝置（圖1），可在基本不傷害水稻植株、非離體試驗及嚴格區分水稻根、葉界面 N2O 排放條件下研究水稻根、葉界面 N2O 的排放。結果表明，弱光條件下 NO3--N 處理的分蘗期、開花結實期和成熟衰老期水稻葉際平均 N2O 排放速率分別為6.37、10.54 和 7.64 μg/（pot·h），分別占 N2O 總排放的28.24%、27.69% 和 23.63%；對比 NO3--N，不同時期 NH4NO3、NH4+-N 處理均有程度不同的抑制水稻根、葉界面 N2O 排放效應，但未相應降低水稻葉際N2O 排放的貢獻率（表1～表3）。在弱、強光不同條件下，NO3--N 處理的水稻開花結實期葉際平均 N2O排放速率分別為 10.48、20.82 μg/（pot·h），分別占N2O 總排放的 27.38%、38.82%，自然光條件下這一比例達 39.91%。但對比 NO3--N，不同光照條件下NH4NO3、NH4+-N 對水稻根、葉界面 N2O 排放的抑制，亦未相應降低葉際 N2O 排放的貢獻率。由此可見，隨著日間光照增強，水稻葉際 N2O 排放速率及貢獻率均有增加，強光、自然光條件下約35%～40% 的 N2O 經由水稻葉際排放損失。但不同光照條件下 NH4NO3、NH4+-N 對 N2O 排放的抑制，未有相應降低水稻葉際 N2O 排放貢獻率的作用。

3.2氮素形態和光照對水稻葉際及根際 N2O 排放的作用機制

傳統理論認為酸性條件下硝化作用受抑，pH 小于 5 則硝化作用不能進行［24］。但現有研究指出茶園土壤呈強酸性、pH 值低至 2.9 條件下硝化作用仍可進行［25］。試驗 NH4+-N 處理的水稻根際僅能揮發極微量的 N2O，顯示 pH 偏酸（5.5）的培養液確有抑制 NH4+硝化反應而控制根際 N2O 排放的作用。另外，一般認為反硝化作用是一個嚴格的厭氧過程［26］，但Norihisa 等［27］報道了好氧反硝化細菌和好氧反硝化酶系的存在。本試驗表明與 NH4+-N 不同，NO3--N、NH4NO3處理兼有較大量根際 N2O 的生成和排放，顯示反硝化效應仍相當強烈。硝化細菌的反硝化作用要求比硝化作用更低的 O2分壓［28］，但和厭氧反硝化作用相比，其對厭氧環境的要求不是很嚴格，在土壤較低有機質的環境下就能發生［29］。試驗水培條件下O2分壓自然相對較低，根系分泌物及其殘留物的降解可為微生物（尤其是根際微生物）提供碳源和能源，并進一步消耗培養液中的 O2，從而有利于反硝化作用發生及N2O 生成［16］。顯然，這是 NO3--N、NH4NO3處理根際可形成、排放較大量 N2O 的主要原因。從本試驗結果看，水稻根際 N2O 應主要源自以NO3--N 為底物的生物反硝化作用。故對比 NO3--N，NH4NO3、NH4+-N 兼有程度不同的抑制水稻根際 N2O排放效應。

對于植物葉際 N2O 排放的來源，研究指出 NO2-是植物內源形成 N2O 前體物［30］，亞硝酸還原酶（nitrite reductase， NiR）異化還原 NO2-內源形成和排放N2O，是植物體內源形成 N2O 的主要機制。試驗在培養液脫氮（0 mg/L）條件下，仍觀測到極微量的N2O 凈排放效應，且強光、自然光條件下脫氮處理的水稻根、葉界面 N2O 排放仍有所增加（試驗結果未列出），故不能完全排除水稻植物體有內源形成和釋放微量 N2O 的作用。但從本試驗結果看，水稻葉際N2O 排放速率（Y）與根際 N2O 排放速率（X）之間有極顯著正相關及直線回歸關系（Y=1.963+0.444X，R2=0.661，P＜0.01）。顯然，在 99% 以上的可信度上，根際 N2O 排放決定了葉際 N2O 排放，絕大部分葉際 N2O 排放應源于根際 N2O，通道效應機制顯然是葉際 N2O 排放的主要來源［8-10］。此結果厘清了水稻根、葉界面 N2O 排放內在聯系，明確了水稻根際N2O 就是葉際 N2O 的最主要來源。故氮素形態和光照對根際 N2O 生成和排放的作用，會進一步影響到水稻葉際 N2O 排放。

在此條件下，光照不足限制了光合碳、氮產物向根部轉運和分泌［31-32］，根際生物反硝化作用受植物本身影響自然相對較小，受 NO3--N 底物濃度的影響較大。故室內光照不足條件下，NO3--N 比 NH4NO3處理有較高的根、葉界面 N2O 排放速率；此外，NH4NO3和 NH4+-N 處理條件下培養液有相對較多的NH4+-N，光照不足條件下水稻對 NH4+-N 吸收利用受限，造成根際較高濃度 NH4+-N 的脅迫抑制毒性，有抑制根際生物反硝化而降低水稻根、葉界面 N2O 排放的作用［21］。在中后期水稻植株日益衰老退化、根系活力下降條件下，弱光更加劇了水稻植物光氮反應的不平衡。弱光條件下，中后期 NH4NO3處理比NO3--N 顯著降低的水稻根、葉界面 N2O 排放速率，顯然與 NH4+-N 抑制毒性相對較強有關。相反，高氮、高光強協同促進水稻光合碳氮代謝的作用，有利于光合碳、氮產物向水稻根部轉運和分泌［33］，亦有激活根際生物活性［32-33］、增強根際反硝化而促進水稻根際、葉際 N2O 排放作用。此時，植株對 NH4+-N 較多的吸收利用亦可降低其對根際微生物脅迫抑制毒性，有利于根際 N2O 生成及根、葉界面 N2O 的排放。因此，對比弱光試驗，強光、自然光條件下 NH4NO3處理的水稻根際、葉際 N2O 排放效應明顯增強。

3.3水稻根、葉界面 N2O 排放的光-氮協同調控原理

從本試驗結果看，水稻葉際 N2O 排放主要受根際 N2O 排放的控制，故控制 N2O 排放的關鍵在于根際 N2O 的控制。由于作物根系競爭性吸收利用氮可減少根際 N2O 生成［15］，而根際碳源、能源及低 O2供應條件又有利于反硝化作用發生以及N2O 產生［16］；Philippot 等［34］發現，種植玉米的根際土壤硝酸鹽還原酶活性是非根際土壤的 2～3 倍。因此，控制根際N2O 排放是一個復雜而困難的問題。試驗表明，水稻根、葉界面 N2O 排放主要源于 NO3--N，故水稻施肥應盡量選用銨態氮肥，避免使用硝態氮以及含有硝態氮的肥料。另外，低氧條件下（30 mg/L，NH4NO3），日間高光強亦能有效控制水稻根、葉界面N2O 排放（試驗結果未列出），這明顯是水稻根系競爭性吸收抑制 N2O 排放的結果。因此，水培尺度上調整氮素形態供應組成，適度增加銨態氮比例并同步調節氮素供應水平，結合改善光照條件的技術，能有效控制水稻根、葉界面 N2O 排放。但在根、土界面上 NH4+-N 與 NO3--N 相互轉化且難以控制，對于水稻根際、葉際 N2O 排放的調控，除控氮施肥配合改善光照條件之外，增加銨態氮比例還需要配套解決硝化抑制的技術問題，這有待于進一步研究。

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N2O emissions from rice phyllosphere and rhizosphere when supplied with different nitrogen forms and light intensities

XU Sheng-guang1，GAO Zhao-hua2，LIN Li1，CHEN Ze-bin1，CHEN Wu-rong1，LI Bing3，YU Lei1*
（1 Yunnan Urban Agricultural Engineering and Technological Research Center， Kunming University，Yunnan， Kunming 650214， China； 2 College of Resources and Environment， Yunnan Agricultural University，Kunming 650201， China； 3 Kunming Institute of Zoology， Chinese Academy of Sciences， Yunnan， Kunming 650223， China）

【Objectives】 Paddy ecosystem is an important source of N2O emission， this paper is aimed to clarify the effects of different nitrogen forms under different light intensities on N2O emission from rice phyllosphere and

nitrogen forms； rice； phyllosphere； rhizosphere； N2O emission

S153.6+.1； X511

A

1008-505X（2016）05-1319-10

2015-09-28接受日期：2016-05-10

國家自然科學基金項目（31160412，41361056）；云南省基礎研究面上項目（2011FZ183）；昆明學院人才引進項目（YJL12012）資助。

徐勝光（1973—），男，云南蘭坪人，博士，研究員，主要從事污染生態及植物營養研究。

Tel：0871-65098564，E-mail：yulei0425@163.com

rhizosphere and the mechanism of these effects.【Methods】Hydroponic methods with rice were adopted in small incubators in which the light was controlled. The incubators were separated into inner and outer chambers，and the above-ground part of rice was completely sealed in the inner chamber and the roots in the outer chamber. The N2O emissions from rice phyllosphere and rhizosphere were measured by gas chromatography method. It was firstly studied about the effects of three N forms（NO3--N， NH4NO3-N， NH4+-N）on N2O emission of rice phyllosphere and rhizosphere under weak light（8:00-18:00， 4000 Lux）and same N applications（90 mg/L）. Then the experiments were conducted to further study the effects of different N forms on N2O emission from rice phyllosphere and rhizosphere under different light intensities（weak light， 8:00-18:00， 4000 Lux；18:00-22:00， 0 Lux； strong light， 8:00-18:00， 8000 Lux， 18:00-22:00， 0 Lux and natural sunlight，respectively）.【Results】 1）Under NO3--N， NH4NO3and NH4+-N with weak light， the mean rates of N2O emission from phyllosphere and rhizosphere were 6.37， 5.03 and 0.46 μg/（pot·h）， respectively， and 16.30， 15.71 and 1.31 μg/（pot·h）， respectively， during rice tillering stage， and similar results were obtained during rice flowering， seeding and mature aging stages under the same conditions. 2）Under weak light， the N2O emissions from rice phyllosphere treated with NO3--N， NH4NO3and NH4+-N were 10.47， 3.70 and 0.26 μg/（pot·h），respectively， and 20.83， 10.82 and 2.08 μg/（pot·h）with strong light， respectively， during flowering and seeding stages. There were significant differences in N2O emissions among the three N forms under these two light intensities， but no significant difference in N2O emissions between NO3--N and NH4NO3under the sunlight. 3）Under NO3--N， NH4NO3and NH4+-N with the weak light during flowering and seeding stages， the N2O emissions of rice rhizosphere were 27.76， 5.19 and 0.30 μg/（pot·h）， respectively. Under the strong light， the N2O emission rates were 20.83， 10.82 and 2.08 μg/（pot·h）， respectively， and 16.49， 20.21 and 1.74 μg/（pot·h）， respectively，under the sunlight. The N2O emission from rhizosphere was high with high light intensity under NH4NO3. No significant difference was observed in the N2O emission between NO3--N and NH4NO3under sunlight， but did under weak light. 4）There was a significantly positive linear regression relationship between N2O emission from rice phyllosphere（Y）and rhizosphere（X）（Y=1.963+0.444X， R2=0.661， P＜0.01）.【Conclusions】The N2O emissions from rice phyllosphere and rhizosphere can be increased significantly by NO3--N， followed by NH4NO3. The N2O emissions is also increased with the increase of light intensity. The N2O emissions of phyllosphere can reflect the N2O emissions of rhizosphere. Therefore， while applying N fertilizers， ammonium fertilizers should be preferentially used and nitrate nitrogen and fertilizers containing nitrate nitrogen should be avoided.