1、1 利用膜进样质谱法测定不同氮肥用量下反硝化 N 素损失 2 王书伟 1，2，3 单 军 1, 3 夏永秋 1，3 汤 权 1，2, 3 林静慧 1,3 颜晓元 1,3*3 （1. 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 4 210008；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院常熟农业生态实验站，常熟 5 215555）6 摘 要：利用膜进样质谱仪 （MIMS）测定了太湖流域典型稻田不同 N 肥施用梯度下，7 土壤反硝化 N 素损失量，同时也对氨挥发通量进行了观测。根据两年的田间试验结果得到：8 在常规 N300 处理下，每年平均有 54.8 kg
2、 N/hm2 通过反硝化损失掉，有约 54.0 kg N/hm2 通9 过氨挥发损失掉，分别占肥料施用量的 18.3%和 18.0%，两者损失量相当。通过反硝化和10 氨挥发损失的 N 素量随着 N 肥用量增加而增加，田面水的 NH4+-N, NO3-N, DOC 和 pH 浓11 度影响稻田土壤反硝化速率。在 N270 处理下，氮肥施用量比常规减少 10%，水稻产量增12 加了 5.5%，而通过反硝化和氨挥发损失的 N 素量分别下降了 1.1%和 3.1%，氮肥利用率提13 高了约 5.5%。在 N375 处理下，因作物产量增加使得氮肥利用率比 N300 增加，但通过氨14 挥发和反硝化的氮
3、素损失量也最大。因此，通过综合集约优化田间管理措施，降低 N 肥用15 量，可实现增产增效的目的。16 关键词：反硝化；膜进样质谱仪；N 2/Ar 技术; 氨挥发；氮肥利用率 117 中图分类号：S158.2 文献标识码：A1819 水稻是人类重要的粮食作物，全球大约 50%的人口以稻米为主食，在亚洲，大约 95%20 的人口以稻米为主食 1。中国是世界上最主要的稻米生产国，水稻种植面积约 3000 万公顷21 2。为了维持粮食产量或实现产量增加，在中国大量氮肥被施用，据统计，目前中国氮肥22 用量约占全球氮肥用量的 30%3。大量氮肥的大量施用造成水体富营养化、土壤酸化、温23 室气体排放等
4、一系列环境问题 4，也导致中国水稻田氮肥利用率比较低下，在 30 40%之24 间 5。在水稻生长期间，N 肥主要通过氨挥发， 、硝化和反硝化等途径损失掉 6。反硝化过25 程能够把稻田土壤-田面水系统中的 NO3-还原以 N2 形态返回到大气中去，是稻田淹水条件26 下重要的 N 素损失过程 7。由于大气环境中高 N2 背景值和反硝化过程高时空变异性，使得基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）项目（No. 2015CB150403） ；国家自然科学基金项目( No. 141425005)。*通讯作者（）作者简介：王书伟（1983 ） ，男，山东新泰人，博士研究生，主要从事氮素循环转换过
5、程研究。 E-mail：；27 反硝化定量研究变得十分困难 8。当前对稻田原位状态下反硝化过程研究报道也很少。目28 前已建立的测定反硝化的方法包括乙炔抑制法、N 2 通量法、质量平衡法、化学计量法和同位29 素法等，但这些方法大多存在人为扰动大、操作繁琐、 误差大 的等不足，无法精确测定淹水30 环境反硝化速率 8。乙炔抑制法操作简单 、成本较低，但是乙炔对硝化-反硝化耦合作用的抑31 制以及由于乙炔扩散不均匀对 N2O 还原为 N2 抑制不完全等因素均会低估反硝化强度，尤32 其在硝酸盐含量较低的淹水沉积物中比较严重 9-10。 15N 同位素示踪法被广泛用于直接测定33 反硝化速率，然而
6、过量外源 15NO3-的添加会增加土壤中有效态氮的含量，因而可能高估土34 壤中反硝化速率，尤其是对 N 含量较低的土壤 8。近几年，膜进样质谱仪(MIMS)结合35 N2/Ar 技术被广泛用于直接测定土壤反硝化速率 11。利用 MIMS 可以直接测定水体的36 N2/Ar 比值，测定精度0.05） 。在N270 和N375处155 理下，能显著的提高土壤NO 3-N含量（2015年，p0.05 ）和 NH4+-N含量（2016年，p0.05） 。156157 表 32 收获期表层土壤（0 20 cm）理化性质 1)158 Table 3 2 The harvest topsoil (0 20
7、cm) physical and chemical properties (average standard deviation, n=4) of different treatments 处理pH 容重（g/cm 3）有机碳（g/kg）全氮（g/kg） C/NNH4+-N（mg/kg）NO3-N（mg/kg）2015 年稻季N0 7.010.03a 0.960.04a 26.40.1a 2.700.08a 9.770.31a 6.060.22a 3.120.13aN270 7.030.01a 0.980.07a 27.20.4ab 2.680.21a 9.800.36a 6.040.15a
8、4.690.82bN300 7.040.04a 1.030.06a 27.61.2ab 2.830.26a 9.790.56a 6.040.26a 3.770.24aN375 7.160.06b 0.960.07a 28.31.4b 2.800.18a 10.110.65a 6.060.41a 5.120.48b2016 年稻季N0 6.980.08AB 0.850.05A 27.20.9A 2.800.16A 9.730.47A 7.900.92A 3.240.37AN270 6.950.06A 0.870.02A 26.50.9A 2.630.21A 10.130.64A 8.230.82
9、AB 3.510.32ABN300 6.890.11A 0.870.04A 26.80.4A 2.680.19A 10.070.74A 7.521.14A 3.300.11ABN375 7.060.04B 0.880.07A 27.70.9A 2.850.10A 9.740.13A 9.330.25B 3.670.21B159 1)同一列中的不同小写字母代表 2015 年稻季差异显著（p0.05） ；同一列中的不同大写字母代表 2016 年稻季差异显著160 （p0.05） 。161 通过连续两年的田间试验得到，N0 处理， 、保产增效处理（N270 ） ， 、当地常规处理162 （N300）
10、及再高产处理（N375）2015 和 2016 水稻产量变化范围分别为 7.4 10.5 t/hm2 163 和 7.65 10.83 t/hm2（表 43） 。 与当地常规施氮及田间栽培管理（ N300）相比，减施氮肥164 10%，增加栽培密度到 33 穴 /m2 可以有效的保持水稻产量并实现增产，2015 2016 稻季，165 产量分别增加了约 6%和 5%。增加氮肥施用量到 375 kg/hm2, 可以显著的增加水稻产量166 （p0.05） ，实现再高产的目的，与 N300 处理相比，2015 2016 年稻季，水稻产量分别增167 加了约 13%和 11%。由表 43 可知，20
11、15 2016 年稻季，四种处理下，作物吸氮量变化范168 围分别为 125.8 258.5 kg/hm2 和 135.3 261.9 kg/hm2，,氮农学利用率变化范围分别为 7.1 169 9.7 kg/kg 和 7.0 9.47 kg/kg，氮吸收利用率变化范围分别为 16.6% 22.1%和 17.0% 170 22.4%。与当地常规施氮及田间栽培管理（N300 ）相比， N270 处理下氮素吸收利用率显著171 增加了 24.9% 31.8%（p0.05） ；N375 处理下由于作物生物量的增加，致使显著的提高了172 作物吸氮量（p0.05） ，而大量氮肥的施用不能有效的提高田间
12、氮肥利用率。173 表 4 3 不同处理间作物产量、作物吸氮量、氮肥利用率、反硝化及氨挥发速率 1)174 Table 4 3 Grain yields (t/hm2), N uptake (kg /hm2), NUE, weighted mean N2-N fluxes and NH3-N fluxes (N, kg /(hm2d)of all sampling 175 days 处理 Year N0 N270 N300 N375 产量 2015 7.340.27a 9.870.35bc 9.280.25b 10.50.5c（t/hm 2） 2016 7.650.17A 10.220.94B
13、C 9.750.54B 10.830.74C2015 125.83.2a 202.412.4b 201.96.3b 258.517.0c作物吸氮量(N, kg/hm2) 2016 135.31.66A 195.915.9B 207.613.3B 261.911.7C2015 9.51.2a 7.10.8b 9.70.9a氮农学利用率 2)（kg/kg） 2016 9.473.5A 7.01.8A 8.42.0A2015 22.14.2a 16.61.2b 21.11.9ab氮吸收利用率 3)（%） 2016 22.363.69A 17.012.76B 19.702.31AB2015 0.164
14、0.040a 0.2690.103b 0.3250.003b 0.4280.025c反硝化速率(N, kg/(hm2d) 2016 0.3190.010A 0.4220.025B 0.4910.052B 0.5930.043C2015 0.0890.007a 0.2330.010b 0.2830.027c 0.3360.009d氨挥发速率 (N, kg/(hm2d) 2016 0.1230.009A 0.3640.020B 0.5200.038C 0.6060.035D176 1) 同一行中的不同小写字母代表2015年稻季差异显著（p0.05） ；同一行中的不同大写字母代表2016年稻季差异显
15、著177 （p0.05）; 2)氮农学利用率（kg/kg ）= （施氮区产量- 氮空白区产量）/施氮量；3)氮吸收利用率（% ）= （施氮区作物籽粒吸氮178 量-氮空白区作物籽粒吸氮量）/施氮量.179 2.2 稻田土壤反硝化速率180 图 3 为 2015 2016 年水稻生长季土壤反硝化变化图。从图可知，N0，N270，N300181 和 N375 四个处理土壤反硝化速率变化范围在 0.100 1.136 kg/(hm2d)（2015 年）和 0.227 182 1.908 kg/(hm2d)（2016 年） 。N0 处理反硝化速率变化波动不大，两个水稻生长季都维持183 在 0.100
16、 0.818 kg/(hm2d)，2015 和 2016 年水稻生长季平均反硝化速率分别为 0.164 184 kg/(hm2d)和 0.319 kg/(hm2d)（表 43） 。N270， 、N300 和 N375 处理反硝化速率受氮肥施入185 影响明显，反硝化速率峰值大都出现在每次施肥后第二天，并且随后下降，到第 10 天后排186 放值接近平衡。2015 和 2016 年水稻生长季，N270 ， 、N300 和 N375 三个处理平均反硝化187 速率分别为 0.269 kg/(hm2d), 0.325 kg/(hm2d), 0.428 kg/(hm2d)和 0.422 kg/(hm2
17、d), 0.491 188 kg/(hm2d), 0.593 kg/(hm2d)（表 43） 。反硝化速率与氮肥施入量成正比，N375 处理下反硝189 化速率最高，与常规处理相比，反硝化速率增加了 20.8% 31.7%；与常规处理相比，减少190 10%氮肥施用量，反硝化速率降低了 14.1% 17.2%。191192193 (图中向下箭头表示施肥日期；下图同)194 图 3 2015-2016 水稻生长季不同处理反硝化速率（N, kg/(hm 2d)）。195 Fig. 3 Daily variations of the dissolved N2-N fluxes from the treatment plots over the rice growing seasons in 2015 and 2016. The values 196 are the means with their standard deviations (n = 4). The down arrows indicate N applications.197 2.3 稻田土壤氨挥发通量198 图 4 是 2015 2016 年水稻生长季氨挥发排放通量变化。与反硝化变化速率相似，氨挥199 发排放通量也受 N 肥施用影响明显，每次氮肥施用后第一天氨挥发会出现一个排放峰，随
