N₂O作为一种重要的温室气体，对全球增温的贡献率为7.9%，其浓度逐年升高可能是气候系统变暖的主要原因之一(IPCC，2007b).2010年，大气中N₂O浓度已由工业革命前的约270 nL · L^-1增至322 nL · L^-1(WMO，2010)，并且仍以年均0.3%的速度在增长(Mosier et al., 1998).虽然大气中N₂O浓度相对较低，但百年尺度上单位质量N₂O的增温潜势是CO₂的298倍(IPCC，2007a).N₂O直接产生温室效应的同时，还参与平流层中光化学反应，破坏臭氧层.因此，N₂O浓度变化及其影响成为全球气候变化中一个备受关注的问题.

农田土壤是N₂O的重要排放源，施肥农田土壤年排放2.8~3.3 Tg N₂O-N(Stehfest et al., 2006; Bouwman et al., 2002).尽管大部分N₂O排放来自旱地，但自20世纪90年代开始，越来越多的田间点位观测结果表明，以中期烤田和干湿交替为特点的间歇灌溉稻田也有着明显的N₂O排放(Cai，1997; Zheng et al., 2000; Li et al., 2011; Ji et al., 2012).我国是世界上主要的水稻生产和稻米消费国，据联合国粮农组织(FAO)统计，2007年我国水稻种植面积占世界的18.66%(FAO，2009)，占我国耕地面积的23%(Frolking et al., 2002)，其中，93%的稻田为灌溉稻田(IRRI，2004)，且57%的稻田水分管理方式为间歇灌溉(Xing et al., 1997).因而，降低稻田N₂O排放对有效控制与缓解全球气候变化、改善人类生存环境意义重大.

我国作物秸秆资源丰富，2002年，秸秆产量为0.62 Pg，且仍以年均1.4%的速度递增(Zeng et al., 2007).秸秆产量增加的同时，直接作为生活燃料和饲料的比例却大幅度减少，秸秆露天焚烧现象变得日益严重.焚烧秸秆不仅浪费宝贵的生物资源，还会造成严重的环境污染问题.Streets等(2003)的研究表明，20世纪90年代中期，中国秸秆焚烧量年均110 Tg，每年有0.82 Tg NO_x来自于生物质燃烧.因此，如何合理、高效地利用秸秆资源受到越来越多的关注.

秸秆还田作为提升土壤肥力的方式之一，其作用在世界范围内得到认可.但秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，且其C/N比较高，自然状态下分解缓慢.腐秆剂作为一种微生物菌剂，施入土壤后，可增加分解秸秆的微生物种类和数量，加快秸秆分解、腐熟过程(Wiedow et al., 2007; 李培培等，2012; Li et al., 2012; 李庆康等，2001; 姜佰文等，2005; 马超等，2012)_.以往的研究表明，作物秸秆在提供易利用C和N的同时，也影响稻田N₂O的排放，且N₂O排放因秸秆种类及氮肥施用量的不同而有所差异(Zou et al., 2005; Ma et al., 2007).Zou等(2005)指出，麦秆还田可降低稻田19% 的N₂O排放.Ma等(2007)研究表明，与不施秸秆相比，麦秆还田可减少稻田N₂O排放量的30%.但是，关于腐秆剂与秸秆配施对稻田N₂O排放影响的研究尚未见报道，因而，研究间隙灌溉条件下腐秆剂与秸秆配施对稻田N₂O排放的影响，对认识稻田N₂O排放规律、减排措施的制定及合理利用秸秆资源具有重要意义.因此，本文利用静态箱-气相色谱法对长江流域稻麦轮作系统下稻田N₂O排放进行田间原位观测，研究配施腐秆剂(瑞莱特催腐剂和金葵子腐秆剂)对水稻生长季N₂O排放的影响，以期为腐秆剂与秸秆配施条件下稻田N₂O排放规律的研究提供科学依据.

田间试验于2010年5—11月在江苏丘陵地区镇江农业科学研究所试验田进行，试验田位于江苏省句容市行香镇(31°58′N，119°18′E).该地区作物种植系统为稻麦轮作，供试土壤为发育于下蜀黄土的爽水性水稻土，土壤全碳含量为11.5 g · kg^-1，全氮含量为1.3 g · kg^-1.

试验共设置3个处理，每个处理3次重复，随机区组设计，处理分别为：①均匀混施(S)：水稻移栽前1 d，按4.8 t · hm^-2计，将长约为10 cm的麦秆与稻田表层土壤(0~10 cm)均匀混合；②秸秆与瑞莱特腐秆剂配施(SR)：将长约10 cm的麦秆均匀铺撒在小区内，喷施瑞莱特腐秆剂后与稻田表层土壤(0~10 cm)均匀混合，秸秆还田量为4.8 t · hm^-2；③秸秆与金葵子腐秆剂配施(SJ)：将长约10 cm的麦秆均匀铺撒在小区内，撒施金葵子腐秆剂后与稻田表层土壤(0~10 cm)均匀混合，秸秆还田量为4.8 t · hm^-2.试验小区面积为12 m²(3 m×4 m).瑞莱特腐秆剂由成都生物合成有限公司生产，施用方法为：75 g · hm^-2，用7.5 kg清水活化24 h，再稀释200倍，喷施于秸秆上.金葵子腐秆剂由佛山金葵子植物营养有限公司生产，使用方法为：30 kg · hm^-2，撒施于秸秆上.

供试水稻品种为镇稻624.水稻于2010年5月24日育秧，6月30日移栽，11月6日收割，全生育期129 d.肥料施用量为：尿素240 kg · hm^-2(以N计)，基肥、分蘖肥和穗肥的比例为50%∶25%∶25%，基肥、分蘖肥、穗肥施用时间分别为6月29日、7月21日、8月15日.磷肥和钾肥作为基肥，一次性施用，施用量为：过磷酸钙(Ca(H₂PO₄)₂)450 kg · hm^-2，氯化钾(KCl)225 kg · hm^-2.田间水分管理与当地常规相一致，为间隙灌溉，于6月29日淹水，7月29日至8月8日烤田，烤田前保持有水层，烤田后实施干湿交替管理，10月9日排水落干直至水稻收获.

试验小区N₂O气体用静态箱法采集，箱高1 m，覆盖0.25 m²(0.5 m×0.5 m).静态箱底座规格为0.5 m×0.5 m×0.15 m，底座上部有4 cm深的凹槽，采样时向槽内注水，以保证采样时箱体的密闭性.底座于小区淹水前埋入各试验小区，底座顶端与小区土壤表面齐平，底座内水稻移栽密度与底座外保持一致，为6穴，每穴3株.采样时，将静态箱置于底座凹槽内，同时向槽内注水，用两通针将静态箱内气体导入预先抽真空的18 mL玻璃瓶中，各采样点每次采集4个样品，每15 min采样1次，采样结束后，将静态箱移走，使箱体对水稻植株和土壤环境的影响最小化.采集的样品带回实验室，迅速测定.一般3~7 d采一次样，烤田期间，2~3 d采一次样，采样时间为上午8:00—12:00.

采气的同时，用数字温度计(Model 2455，Yokogawa，Japan)记录气温、箱温、5 cm、10 cm和15 cm深度土温.水稻生育期内，用土钻取表层0~15 cm的土样，取样频率同采气间隔一致，一般3~7 d采一次土样，烤田期间，2~3 d采一次土样.土样用2 mol · L^-1 KCl溶液浸提(土水质量比为1 ∶ 5)，由Skalar流动分析仪(Skalar，Netherl and s)测定浸提液中NO^-₃-N和NH⁺₄-N 浓度.土样于105 ℃下烘干测定土壤质量含水率.收获时，按小区分别收割、脱粒、晾晒，计算水稻产量.

样品N₂O浓度用带⁶³Ni电子捕获监测器(ECD)的岛津气相色谱仪(Shimadzu GC-12B，Kyoto，Japan)测定.色谱柱为80/100目PorapakQ填充柱，柱温65 ℃，检测器温度300 ℃，以95%氩气+5%甲烷作为载气，流速40 mL · min^-1.N₂O标准气体由中国计量科学研究院提供.N₂O排放通量计算公式如下：

N₂O排放通量用每次观测3个重复的平均值表示.N₂O的季节总排放量是将每次观测值按时间间隔加权平均后再取3个重复的平均值.处理间比较以3个重复的平均值进行方差分析及多重比较.数据处理与分析均采用 Microsoft Excel 2003和SPSS15.0(SPSS Inc.，Chicago)完成.

水稻全生育期内，各处理的N₂O排放通量呈现出相同的变化趋势(图 1).水稻移栽初期，各处理的N₂O排放通量较小，且随着移栽时间的增加，各处理的N₂O排放通量逐渐降低至0.烤田期间，田面落干，各处理N₂O排放通量迅速增加，并于第36 d达到峰值，仅施秸秆、配施瑞莱特腐秆剂与配施金葵子腐秆剂处理的峰值依次为998.09、953.34和881.31 μg · m^-2 · h^-1(以N计).烤田后复水及干湿交替期间，有少量N₂O排放.水稻生长季，秸秆还田、配施瑞莱特腐秆剂与配施金葵子腐秆剂处理的N₂O平均排放通量分别为63.35、55.30和57.68 μg · m^-2 · h^-1(以N计)(表 1，p>0.05).

图 1(Fig. 1)

图 1 水稻生长季N2O排放通量的季节变化 Fig. 1 Dynamic variation of N2O flux during the rice growing season

如表 1所示，水稻生育期内，各处理以单施秸秆处理的N₂O排放量最大，为187.01 mg · m^-2(以N计).与单施秸秆相比，配施瑞莱特和金葵子腐秆剂处理的N₂O排放总量分别降低了12.7%和8.9%(p>0.05)，各处理间N₂O排放量的差异主要发生在稻田烤田及干湿交替期间.此期间，土壤水分变化剧烈，改善了土壤的通气性，增加了土壤中的有效氧，使得土壤中好氧与厌氧微域共存或好氧、厌氧交替发生，适于硝化反应和反硝化作用的同时进行，从而促进N₂O的产生和排放.郑循华等(1996)研究表明，稻麦轮作周期内的N₂O 排放较强烈地受土壤湿度制约，土壤湿度为84%~86%WFPS(土壤体积含水量与总孔隙度的百分比)时，N₂O排放最强，低于此湿度范围时，N₂O 排放通量与土壤湿度呈正相关，反之，则呈负相关.

表1(Table.1)

表1 水稻生长期N2O排放总量 Table.1 Total N2O emission during the rice growing season

表1 水稻生长期N2O排放总量 Table.1 Total N2O emission during the rice growing season 处理 全生育期 N2O排放通量/(μg·m-2·h-1) 排放总量/(mg·m-2) 增减率 注：同一列字母a、b、c表示处理间方差分析达到显著水平. S 187.01±22.82a 63.35 SR 163.24±30.44a -12.7% 55.30 SJ 170.28±12.61a -8.9% 57.68

图 2为水稻生育期内各处理土壤中NH⁺₄-N、NO^-₃-N浓度的季节变化.由图 2可知，各处理的NH⁺₄-N浓度有着相似的变化趋势，表现为水稻移栽初期，NH⁺₄-N含量较高，随着水稻生育进程的延长，NH⁺₄-N含量逐渐下降，且在烤田初期，下降速率最大；各处理间，以仅施秸秆处理的NH⁺₄-N含量最高.对于NO^-₃-N而言，烤田期间NO^-₃-N含量急剧升高，且明显高于其他时期.仅施秸秆处理、配施瑞莱特腐秆剂处理与配施金葵子腐秆剂处理的土壤NO^-₃-N峰值依次为12.15、11.14和7.36 mg · kg^-1.水稻生育后期，各处理的NH⁺₄-N、NO^-₃-N含量维持在较低水平.

图 2(Fig. 2)

图 2 土壤中NH+4-N、NO-3-N含量的季节变化 Fig. 2 Seasonal variation of NH+4-N，NO-3-N contents in soil during the rice growing season

N₂O是微生物硝化和反硝化作用的中间产物，它的产生和排放不仅受氧的有效性的影响，更受到土壤中NH⁺₄-N、NO^-₃-N含量的制约.水稻移栽初期，氮肥的大量施用为N₂O生成提供了基础，此时，由于田面处于淹水状态，土壤中O₂较少，不利于硝化反应的进行，且水稻植株较小，氮素利用率低，土壤NH⁺₄-N积累.与仅施秸秆处理相比，腐秆剂的配施在加快秸秆分解速率的同时，还同化了大量矿质氮，导致土壤NH⁺₄-N含量在移栽初期大部分时间内都低于未配施腐秆剂处理.烤田期间，田面落干，土壤通气性增加，硝化反应剧烈，NH⁺₄-N含量迅速下降，NO^-₃-N含量急剧升高，受土壤NH⁺₄-N含量影响，NO^-₃-N含量最大值出现在仅施秸秆处理.受土壤矿质氮含量的影响，N₂O排放峰大小依次为：S>SR>SJ.烤田后复水及干湿交替期间，由于植株对氮素的吸收利用与硝化、反硝化作用的交替进行，土壤中矿质氮(NH⁺₄-N、NO^-₃-N)含量下降.受底物浓度的制约，此期间，N₂O排放处于较低水平.

水稻全生育期内，5、10、15 cm深度土壤温度呈现出较一致的季节变化趋势，在经历一个短暂的降温后，快速升高，随着移栽时间的延长，土温逐渐下降.土壤温度在11~31 ℃之间波动，平均温度为25.7 ℃.统计分析表明，N₂O排放通量与土温无显著相关性(p>0.05).

图 3(Fig. 3)

图 3 水稻生长期不同深度土壤温度的季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of soil temperature during the rice growing period

土壤N₂O的产生是一个复杂的物理、化学和生物学过程，主要是在微生物的参与下，通过硝化作用和反硝化作用生成.作为硝化作用和反硝化作用的底物，土壤中NH⁺₄-N、NO^-₃-N的丰缺对于N₂O产生和排放的重要性不言而喻.

虽然在本研究中N₂O排放主要集中在水稻生长的中后期(烤田与干湿交替阶段)，但水稻移栽初期，氮肥的大量施用为中后期N₂O生成提供了基础.秸秆作为一种有机肥，在腐解初期，刺激土壤中微生物的生长，在分解秸秆过程中，易分解的小分子有机物质首先被微生物同化利用，微生物生物量碳和微生物生物量氮大量增加(Liu et al., 2010; Mandal et al., 2007; Cleveland et al., 2007; 张电学等2005; Muhammad et al., 2011).但是，由于秸秆具有较高的C/N比，大量土壤矿质氮被微生物固持(Muhammad et al., 2011)，致使土壤矿质氮含量降低.而配施腐秆剂处理，由于外源微生物的引入，增加了分解秸秆的微生物的种类和数量，秸秆的分解速度加快，与秸秆处理相比，微生物生物量显著增加(张电学等，2005).同时，更多的土壤矿质氮被微生物固持，使土壤矿质氮含量下降至更低水平.因此，底物浓度的降低，成为制约N₂O产生和排放的关键因素.本研究中，水稻生长初期，配施腐秆剂处理的土壤NH⁺₄-N含量大部分时间都低于仅施秸秆处理；烤田期间，由于土壤通气性的增加，硝化作用加强，土壤中大量的NH⁺₄-N转化为NO^-₃-N，使得反硝化底物浓度升高，且配施腐秆剂处理的NO^-₃-N浓度低于仅施秸秆处理，底物浓度的差异可能是导致配施腐秆剂处理N₂O排放量降低的原因之一.Cai(1997)指出，N₂O排放量随着氮肥施用量的增加而显著增加.Harrison等(1995)研究表明，氮肥施用量的增加极大促进了N₂O和NO的排放.烤田后复水至水稻收获期间，田面经历短暂淹水、干湿交替与排水落干等过程，土壤通气状况与底物浓度成为影响N₂O排放的主导因素.此期间，植株对土壤中氮素的吸收及硝化、反硝化作用的交替进行，使土壤矿质氮含量逐渐降低，因而，在水稻生育后期，各处理间N₂O排放通量没有差异.此外，由于土壤是一个巨大的缓冲体系，生态系统复杂而稳定，受土壤环境与土著微生物的影响，外来微生物不易定殖并发挥功效(Ho et al., 1985).李培培等(2012)研究指出，促分解菌剂促分解效果与加快秸秆C/N比下降主要出现在早期，随着时间的推进，其效果逐渐减弱；初期微生物群落有明显的差异，后期差异渐渐变小，这也可能是后期N₂O排放没有差异的原因之一.

腐秆剂的施用未改变稻田N₂O排放的季节变化趋势，但腐秆剂与秸秆配施可降低稻田N₂O排放总量.与单施秸秆相比，配施瑞莱特和金葵子秸秆腐秆剂处理的N₂O排放总量分别降低了12.7%和8.9%(p>0.05).全观测期内，仅施秸秆、秸秆与瑞莱特配施和秸秆与金葵子配施处理的N₂O平均排放通量依次为63.35、55.30和57.68 μg · m^-2 · h^-1.N₂O排放主要集中在烤田期及复水后干湿交替阶段.全生育期内，N₂O排放通量与土壤温度无显著相关性(p>0.05).