环境科学  2025, Vol. 46 Issue (6): 3999-4010   PDF    
引用本文
黄斌, 徐明岗, 胡荣桂, 邬磊. 土壤水分和碳氮有效性对水稻土CH4与CO2排放的影响[J]. 环境科学, 2025, 46(6): 3999-4010.
HUANG Bin, XU Ming-gang, HU Rong-gui, WU Lei. Effects of Soil Water and Availability of Carbon and Nitrogen on CH4 and CO2 Emissions in Paddy Soil[J]. Environmental Science, 2025, 46(6): 3999-4010.
土壤水分和碳氮有效性对水稻土CH4与CO2排放的影响
黄斌1,2, 徐明岗1,2, 胡荣桂3, 邬磊2     
1. 山西农业大学资源环境学院，太谷 030800;
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，北京 100081;
3. 华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070
收稿日期: 2024-06-18; 修订日期: 2024-08-07
基金项目: 国家自然科学基金项目（41907093）；中国农业科学院青年创新专项（Y2023QC16）
作者简介: 黄斌（2000~），男，硕士研究生，主要研究方向为土壤碳循环与温室气体排放，E-mail：15186048305@163.com
通信作者: 邬磊, E-mail：wulei01@caas.cn
摘要: 近年来，社会经济快速发展和人们膳食结构改善驱动了稻田转为旱地作物种植，改变了土壤水分含量和碳氮有效性及其引起的温室气体排放强度. 因此，有必要研究稻田转为旱地，特别是该土地利用方式转变初始阶段，土壤水分变化和碳氮有效性对温室气体甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排放的影响及其关键控制因素. 研究采集了长期种植水稻的土壤和由稻田转为旱地作物种植的土壤样品，通过室内模拟试验将水稻土设置淹水（水土比为2∶1）和由淹水到缓慢落干处理（土壤水分由水土比2∶1缓慢降低到70%田间持水量，随后保持稳定不变），与旱地土壤（土壤水分维持70%田间持水量）对比分析. 每一种水分梯度下分别设置不添加葡萄糖（C）和NH4Cl（N）、添加C、添加N和添加CN这4个处理，培养过程中定期测定CH4和CO2排放通量、土壤生物化学性质，并计算培养期间（培养结束时的值减去初始值）土壤微生物生物量碳（ΔMBC）、溶解性有机碳（ΔDOC）和矿质氮（ΔMineral-N，含ΔNH4+-N和ΔNO3--N）的含量变化，以期探明土壤水分变化和碳氮有效性及其交互作用对水稻土CH4和CO2排放的影响. 研究结果表明，与淹水处理相比，水稻土落干处理CH4排放显著降低了95%，CO2排放增加了46%. 落干水稻土CH4和CO2排放[累计排放量（以C计，下同）分别为1.36 mg·kg-1和584.13 mg·kg-1]明显高于旱地土壤（0.01 mg·kg-1和407.70 mg·kg-1）. 在淹水水稻土中，与碳氮不添加处理相比，碳添加处理CH4排放显著增加了40%，氮添加处理CH4排放显著降低了63%，碳氮同时添加对CH4排放无显著影响. 在落干水稻土中，只添加碳处理CH4排放显著增加了48%，其他处理无显著差异. 在旱地土壤中，碳氮有效性对CH4排放无显著影响，但均显著增加CO2排放（45%~109%）. 碳氮有效性对淹水水稻土CO2排放无显著影响，但落干水稻土同时添加碳氮处理CO2排放显著增加了36%. 土壤水分变化和氮添加对CH4排放无显著交互作用，而土壤水分变化和碳及碳氮同时添加交互影响CH4排放，土壤水分变化和碳氮有效性对CO2排放的影响无明显的交互作用. 淹水稻田落干转为旱地降低了土壤pH、DOC、MBC和NH4+-N含量，增加了NO3--N含量，碳氮添加显著影响土壤生物化学学性质. 相关性分析结果表明，CH4排放与土壤pH、ΔMBC和ΔNH4+-N显著正相关，与ΔNO3--N显著负相关，而CO2排放与ΔNO3--N显著正相关，与pH、ΔDOC、ΔMBC和ΔNH4+-N显著负相关，土壤水分变化和碳氮有效性引起的土壤生物化学性质的变化是水稻土CH4和CO2排放的主要影响因素. 综上所述，土壤水分和碳氮有效性变化通过影响土壤生物化学性质调控CH4和CO2排放，水稻土排水落干是减少CH4排放的有效措施，但需考虑短期内CO2排放增加的风险. 建议在制定稻田利用方式转变过程中温室气体减排策略时，需综合考虑水分和碳氮管理的影响，减少淹水时间并合理施肥，以实现温室气体有效减排和农业绿色可持续生产.
关键词: 水稻土      土壤水分      碳氮有效性      甲烷（CH4）      二氧化碳（CO2）     
Effects of Soil Water and Availability of Carbon and Nitrogen on CH4 and CO2 Emissions in Paddy Soil
HUANG Bin1,2 , XU Ming-gang1,2 , HU Rong-gui3 , WU Lei2     
1. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, China;
2. National Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Farmland in North China, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
Abstract: In recent years, the rapid socio-economic development and the improvement of people's diets have driven the conversion of paddy soil to upland crop cultivation, leading to changes in soil water content, carbon and nitrogen availability, and the intensity of greenhouse gas emission. Therefore, it is crucial to study the effects of changes in soil water content and carbon and nitrogen availability on greenhouse gas CH4 and CO2 emissions and identify the key controlling factors upon rice paddy conversion into upland field, especially during the initial stage of conversion. Soil samples used in the present study were collected from a long-term rice paddy field and an adjacent upland field previously converted from rice paddy. The paddy soil was set into submerged (water to soil ratio of 2∶1) and from submerged to a slowly draining treatment (water to soil ratio of 2∶1 slowly decreased to 70% field water capacity and then remained stable) and compared with the upland soil (soil water content remained at 70% field water capacity). Under each water gradient, the soil was supplied with labile C and N to change substrate availability: ① control (no substrate addition), ② C addition (glucose), ③ N addition (NH4Cl), and ④ C and N additions (glucose+NH4Cl). CH4 and CO2 emissions and soil biochemical properties were measured regularly during the incubation period so as to investigate the effects of soil water content, carbon and nitrogen availability, and their interaction on CH4 and CO2 emissions in paddy soil. The changes in contents of soil microbial biomass carbon (ΔMBC), dissolved organic carbon (ΔDOC), and soil mineral N (ΔMineral-N, containing ΔNH4+-N and ΔNO3--N) over the incubation period were calculated by subtracting the initial values from the final values at the end of the incubation period. The results showed that as compared to the submerged condition, the drainage of submerged paddy soil significantly reduced CH4 emission by 95% on average and increased CO2 emission by 46% on average. The cumulative emissions of CH4 and CO2 were significantly higher in drained paddy soil (1.36 mg·kg-1 and 584.13 mg·kg-1 for CH4 and CO2, respectively) relative to those in upland soil (0.01 mg·kg-1 and 407.70 mg·kg-1). CH4 emissions from the submerged paddy soil significantly increased by 40% after carbon addition and decreased by 63% after nitrogen addition. The simultaneous additions of carbon and nitrogen had little effect on the CH4 emissions from submerged paddy soil. CH4 emissions from the drained paddy soil increased significantly by 48% after carbon addition, but there was no significant difference among other substrate addition treatments. In upland soil, the additions of carbon and nitrogen had no significant effect on CH4 emissions but significantly increased CO2 emissions by 45%-109%. The additions of carbon and nitrogen had little effect on CO2 emissions in submerged paddy soil. The concurrent addition of carbon and nitrogen significantly increased CO2 emissions by 36% in drained paddy soil. The interactions between soil water change and N addition had no significant effect on CH4 emissions, while the interactions between soil water change and C and CN additions significantly affected CH4 emissions. No significant interactions between soil water change and C and N availability were observed for CO2 emissions. The conversion of submerged paddy to upland soil decreased soil pH, DOC, MBC, and NH4+-N contents but increased NO3--N content. The additions of carbon and nitrogen significantly affected soil biochemical properties. The results of correlation analysis showed that CH4 emissions were significantly positively correlated with soil pH, ΔMBC, and ΔNH4+-N and negatively correlated with ΔNO3--N among treatments. Conversely, CO2 emissions were significantly positively correlated with ΔNO3--N but negatively correlated with pH, ΔDOC, ΔMBC, and ΔNH4+-N. The changes of soil chemical and biological properties induced by soil water change and carbon and nitrogen availability were the main factors influencing CH4 and CO2 emissions from paddy soil. In summary, changes in soil water content and carbon and nitrogen availability affect CH4 and CO2 emissions by altering soil biochemical properties. Drainage of paddy soil is an effective measure to reduce CH4 emissions, but the risk of increased CO2 emissions during the short-term period upon drainage should be considered. Therefore, when developing strategies for rice paddy management, it is crucial to consider the combined effects of water and C and N management so as to achieve effective greenhouse gas mitigation and green and sustainable agricultural production.
Key words: paddy soil      soil water      carbon and nitrogen availability      CH4      CO2     

近年来，随着社会经济快速发展和人们生活水平提高，膳食结构逐渐由以谷物为主转向更加多元化，对旱地作物的需求不断增加，驱动了稻田转变为旱地种植系统的趋势，进而改变了土壤水分、碳氮有效性以及温室气体排放[1]. 尤其在稻田转变为旱地的初始阶段，土壤从长期淹水到排水通气的剧烈变化，导致土壤水分含量急剧下降，形成土壤好氧环境，进而影响土壤碳氮转化过程，例如促进有机质分解、增强硝化作用等，最终改变土壤碳氮有效性，并影响温室气体排放[2, 3]. 甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳（CO2）的全球第二大温室气体，其全球增温潜势是CO2的25倍[4]. 为了实现巴黎协定将全球升温控制在2℃以内的目标，需要减少CH4和CO2等温室气体排放[5]. 稻田作为全球重要的粮食生产基地，同时也是重要的温室气体排放源，据估计，全球稻田每年排放的CH4约占全球人为排放量的10%[6]. 稻田温室气体排放主要受其特殊的淹水和排水交替管理模式的影响，该模式导致土壤水分含量和碳氮有效性发生变化，进而影响土壤微生物活性和温室气体产生与消耗过程[7].

在稻田生态系统中，淹水条件下稻田土壤中的厌氧微生物分解有机物，产甲烷菌利用土壤有机质作为底物，将其分解为CH4，导致稻田成为大气CH4的重要来源[8, 9]. 张志伟等[10]通过对人工灌排稻田的分析发现，采用干湿交替灌溉管理，从淹水向干旱转换可减少20%~30%的CH4排放量和25.7%的用水量. Fechner等[11]研究表明CH4氧化过程使得稻田土壤中生成的CH4仅有16%~20%排放到大气，极大地抑制了CH4排放并促进了CO2排放. 稻田土壤呼吸是CO2产生的重要途径，在农业生态系统中CO2排放主要来自土壤有机物的分解过程[12]. Hassan等[13]通过田间试验，发现土壤呼吸受到稻田有机碳稳定性的影响，低稳定性有机碳含量的增加可促进稻田CO2排放. 在苏立城等[14]研究中发现外源碳的输入通过促进微生物对原有有机质的分解从而增加CO2排放. 随着淹水稻田落干，土壤通气性增强，抑制产甲烷菌的活性，促进土壤有机质矿化，导致CH4排放减少，CO2排放增加[15]. 值得注意的是，在落干阶段CH4排放可能高于旱地阶段，CO2排放量可能高于淹水和旱地阶段，表明该阶段对CH4和CO2排放具有重要贡献[16]. 碳氮有效性对CH4和CO2排放的影响在水分落干阶段也尤为复杂. 一方面，落干初期土壤有机质分解释放大量活性碳和氮，促进CH4和CO2排放；另一方面，碳氮添加可能通过改变土壤微生物群落结构和功能，对CH4和CO2排放产生影响[17]. 因此，研究淹水水稻土落干阶段碳氮有效性调控CH4和CO2排放的机制，对于温室气体减排措施制定至关重要.

目前大部分研究集中在对比分析淹水稻田和旱地两种水分条件下温室气体排放特征的差异，而对水分落干阶段（即从淹水状态逐渐过渡到旱地状态）的研究相对缺乏[18~20]. 水分落干阶段土壤水分含量变化剧烈，对CH4和CO2排放的影响可能不同于淹水和旱地阶段[21]. 已有研究表明，碳氮有效性对CH4和CO2排放的影响并非简单的叠加效应，而是存在复杂的交互作用[22]. 目前对水分和碳氮有效性影响CH4和CO2排放的认识还不够深入，例如不同水分梯度和碳氮有效性下，参与CH4和CO2产生的微生物活性变化规律尚不清楚[23~25].

基于以上研究不足，本研究依托湖南省长沙农业与环境监测站平台，采用室内模拟试验，设置淹水、水分落干和旱地这3种水分梯度，并结合不同碳氮添加处理. 通过对比淹水、落干和旱地3种状态下土壤水分和碳氮有效性对温室气体排放的影响差异，从而更全面地评估稻田转变为旱地带来的长期影响. 选择旱地土壤进行对比分析，能够区分不同阶段的影响特别是转变初始阶段. 因此系统开展以下研究内容：①比较淹水、水分落干和旱地这3种水分条件下稻田土壤CH4和CO2排放的差异，并分析其影响因素. ②探究碳氮添加对不同水分条件下稻田土壤CH4和CO2排放的影响. ③分析不同水分和碳氮添加下土壤生物化学性质的变化，阐明水分变化和碳氮有效性调控CH4和CO2排放的关键过程. 本研究将有助于深入理解稻田温室气体排放的驱动机制，以期为制定稻田温室气体减排措施提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 定位试验简介和土壤样品采集

本研究中使用的水稻土和旱地土壤样品采集自中国湖南省长沙农业与环境监测站（东经113°20′，北纬28°33′）的长期种植水稻的稻田和相邻由稻田转化为蔬菜种植的旱地土壤. 采样点为典型亚热带气候，年平均气温17.5℃，年降水量1 150 mm. 土壤属于花岗岩风化的第四纪红土，具有黏土质地. 在2019年10月水稻或蔬菜收获后，选取4块稻田作为重复，同时在稻田附近选取4块由稻田转为蔬菜种植的旱地，采集土壤样品. 在每个地块，按照S型选取5个采样点，使用土钻（内径2.5 cm）采集表层土壤样品（0~17 cm），并混合形成1个复合样品. 将土壤样品用冰盒保存并运回实验室，挑出肉眼可见的石头和植物残茬后混合均匀，部分土壤样品保存在4℃下用于培养实验. 部分土壤样品在室温下风干，用于分析基本理化性质.

1.2 培养试验设计和气体样品采集

将采集的新鲜稻田和旱地土壤样品装入500 mL培养瓶中（40 g干土等分），在25℃条件下分别进行厌氧（水土比为2∶1）和好氧条件下[70%田间持水量（WHC）]预培养两周，恢复和稳定土壤微生物活性. 预培养结束后，用葡萄糖（C）和NH4Cl（N）分别模拟根系分泌物输入的碳和化学氮肥投入，在每一种水分梯度下分别设置4组C和N添加处理：①对照（不添加葡萄糖和NH4Cl）；②添加C（葡萄糖，100 mg·kg-1，以C/soil计，下同）；③添加N（NH4Cl，50 mg·kg-1）；④添加CN（葡萄糖，100 mg·kg-1；NH4Cl，50 mg·kg-1）. 之后将部分碳氮添加处理的稻田土壤保持在淹水状态下，而其他部分则从淹水稻田排水至70%WHC. 简而言之，落干水稻土在正式培养前10d保持水土比为2∶1的淹水状态，然后在接下来的14d内通过硅胶吸水蒸发，含水量逐渐降低至70%WHC，最后将土壤水分保持在70%WHC，整个培养期内旱地土壤维持在70%WHC（图 1）. 通过定期称量每个培养瓶的重量，必要时用去离子水调节含水量以维持整个培养期内水稻土和旱地土壤的水分含量. 排水期间，通过使用硅胶吸附水蒸气调节土壤水分蒸发速率. 将硅胶（60 g）放入透气性良好的粗棉布袋中，悬挂在培养瓶的顶部，在培养过程中，当硅胶颜色从蓝色变为粉色时，用干燥的硅胶替换，以维持稳定的吸水速率. 在排水过程中，每天定时用电子天平称量培养瓶（包括土壤、水分和培养瓶本身）的重量，并记录数据. 根据土壤初始重量和称重数据，计算出土壤含水量，并将其转换为水土比或田间持水量的百分比. 根据监测到的土壤含水量变化，微调硅胶用量，确保土壤水分缓慢且平稳地降至70% 田间持水量. 所有处理的培养瓶都用气密盖密封，并在25℃的黑暗条件下培养39 d.

图 1 培养过程中淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤的水分变化情况 Fig. 1 Changes in water content in submerged paddy soil, drained paddy soil, and upland soil during incubation period

使用带三通阀的气密注射器，在瓶盖关闭后的0、1和2 h时间间隔从培养瓶中采集气体样品（20 mL），并用气相色谱仪（Agilent 7890A，Santa Clara，CA，USA）测定CH4和CO2浓度，载气为高纯氮. 用火焰离子化检测器（FID）分析CH4和CO2浓度[26]. 根据瓶盖关闭后测得的培养瓶内气体浓度随时间的线性回归斜率计算CH4和CO2的排放通量. 培养过程中，每隔1 d采集一次气体样品测量CH4和CO2排放通量. 通过时间相邻CH4和CO2排放通量之间的线性插值计算累计排放量. 每个处理重复4次，额外设置培养瓶并通过破坏性采样分析土壤生物化学性质.

1.3 土壤生物化学性质测定

分别在培养的第1、12和39 d破坏性采集土壤样品，以测定土壤pH、微生物生物量碳（MBC）、溶解性有机碳（DOC）和矿质氮（Mineral-N，含NH4+-N和NO3--N）含量. 使用pH计在1∶2.5的土水混合液中测定土壤pH值. 使用氯仿熏蒸法测定土壤MBC：用0.05 mol·L-1 K2SO4溶液提取24 h氯仿熏蒸后的新鲜土壤和相应的未熏蒸土壤样品，过滤后使用TOC分析仪（Vario-Max，德国）分析可溶性有机碳. 土壤MBC是通过熏蒸和未熏蒸样品之间K2SO4溶解C含量的差异来计算得出，并使用0.45的转换因子进行校正[27]. 未熏蒸土壤样品中的可溶性有机碳认为是DOC含量. 用25 mL 2 mol·L-1氯化钾溶液提取5 g土壤样品，摇晃1 h，过滤后使用流动注射分析仪（SEAL-AA3，德国）进行分析，测定NH4+-N和NO3--N的含量. 在培养期间土壤MBC（ΔMBC）、DOC（ΔDOC）和Mineral-N（ΔMineral-N，含ΔNH4+-N和ΔNO3--N）含量变化的计算方法是从培养期结束时的最终值减去初始值.

1.4 统计分析

本文使用Origin 2021和IBM SPSS Statistics 26.0对数据进行统计分析和绘图. 通过相关性分析建立CH4和CO2排放与土壤生物化学性质之间的关联性. 通过单因素和双因素方差分析和LSD法检验评价土壤水分变化和碳氮添加对CH4和CO2累计排放以及土壤生物化学性质的影响（LSD，α= 0.05）. 图中数据均为平均值±标准差.

2 结果与分析 2.1 土壤水分变化和碳氮添加对水稻土CH4和CO2排放的影响

土壤水分变化和碳氮添加显著影响水稻土CH4排放（图 2）. 淹水水稻土在整个培养期的CH4累计排放量[（25.56±6.27）mg·kg-1，以C计，下同]显著高于落干水稻土[（1.36±0.19）mg·kg-1]和旱地土壤[（0.01±0.01）mg·kg-1]，且旱地土壤的CH4排放量显著低于落干水稻土[图 2（d）]. 在不同土壤水分梯度下碳氮添加对CH4排放的影响差异很大. 在淹水水稻土中，与不添加碳氮相比，添加C后CH4排放量显著增加了40%，添加N后CH4排放量显著降低了63%，添加CN对CH4排放无显著影响. 添加N和CN对落干水稻土CH4排放无显著影响，但添加C显著增强落干水稻土CH4排放. 碳氮添加对旱地土壤CH4排放无显著影响[图 2（d）]. 土壤水分变化和碳氮添加交互影响CH4排放，其中添加N和土壤水分变化对CH4排放无显著交互作用，添加C、CN和土壤水分变化的交互作用显著影响CH4排放（表 1）.

在淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤中添加碳氮处理（对照表示不添加葡萄糖和NH4Cl；C表示添加葡萄糖；N表示添加NH4Cl；CN表示添加葡萄糖和NH4Cl）；误差条表示平均值的标准误差（n=4）；虚线表示稻田排水的开始时间点；柱状图上方的大写字母表示土壤水分变化类型之间存在显著差异（P < 0.05）；小写字母表明特定土壤水分变化类型下的碳氮处理之间存在显著差异（P＜0.05） 图 2 土壤水分变化和碳氮添加对CH4排放的影响 Fig. 2 Effects of soil water changes and carbon and nitrogen additions on CH4 emission

表 1 土壤水分变化和碳氮添加及其交互作用对CH4和CO2累计排放的影响1） Table 1 Effects of soil water changes, carbon and nitrogen additions, and their interactions on cumulative CH4 and CO2 emissions

土壤水分变化和碳氮添加显著影响水稻土CO2排放（图 3）. 在整个培养期内，落干水稻土的CO2累计排放量[（589.13±21.65）mg·kg-1]显著高于淹水水稻土[（400.29±7.26）mg·kg-1]和旱地土壤[（407.70±14.97）mg·kg-1][图 3（d）]. 在不同土壤水分梯度下，碳氮添加显著影响CO2排放. 在落干水稻土中添加CN处理后CO2累计排放量显著增加了36%，在旱地土壤中添加C、N和CN后CO2排放均显著增加，分别显著增加了60%、45%和109%，而在淹水处理中碳氮添加对CO2排放的影响均不显著[图 3（d）]. 土壤水分变化和碳氮添加对CO2排放的影响无明显的交互作用（表 1）.

在淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤中添加碳氮处理（对照表示不添加葡萄糖和NH4Cl；C表示添加葡萄糖；N表示添加NH4Cl；CN表示添加葡萄糖和NH4Cl）；误差条表示平均值的标准误差（n=4）；虚线表示稻田排水的开始时间点；柱状图上方不同的大写字母表示土壤水分变化类型之间存在显著差异（P＜0.05）；不同小写字母表明特定土壤水分变化类型下的碳氮处理之间存在显著差异（P＜0.05） 图 3 土壤水分变化和碳氮添加对CO2排放的影响 Fig. 3 Effects of soil water changes and carbon and nitrogen additions on CO2 emission

2.2 土壤水分变化和碳氮添加对土壤生物化学性质的影响

土壤水分变化显著影响土壤pH、DOC、MBC、NH4+-N和NO3--N（图 4）. 水稻土淹水处理下pH值在整个培养期内保持稳定，而落干水稻土和旱地土壤pH值随时间推移显著下降，旱地土壤pH值始终低于淹水和落干水稻土. 添加C在一定程度上缓解了落干水稻土和旱地土壤pH的下降趋势，尤其在水稻土排水初期效果较为明显[图 4（a）]. DOC在各水分梯度下均随时间递减，其中落干水稻土DOC下降最为显著，且旱地土壤DOC含量始终显著低于淹水和落干处理[图 4（b）]. 在淹水水稻土中碳氮添加显著增加DOC含量[图 4（b）]. MBC在3种水分梯度下均呈现出随时间递减的趋势，落干水稻土MBC含量最低，且在培养后期显著低于淹水水稻土和旱地土壤. 在培养后期添加C和添加N提高MBC含量[图 4（c）]. 研究还发现，落干水稻土NH4+-N下降最为显著，且在培养后期显著低于淹水水稻土和旱地土壤. 添加C对NH4+-N含量的影响不显著，而添加N和CN显著提高土壤NH4+-N含量，且在旱地土壤中提升效果最为明显[图 4（d）]. NO3--N在淹水水稻土中含量低且保持稳定，而在落干水稻土和旱地土壤中显著增加，旱地土壤NO3--N始终显著高于淹水和落干处理[图 4（e）]. 添加C对NO3--N含量的影响不显著，而添加N和CN则显著提高土壤NO3--N含量[图 4（e）].

土壤水分变化和碳氮添加对土壤pH、可溶性有机碳（DOC）、微生物生物量量碳（MBC）、铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的影响；在淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤中添加碳氮处理（对照表示不添加葡萄糖和NH4Cl，C表示添加葡萄糖，N表示添加NH4Cl，CN表示添加葡萄糖和NH4Cl）；误差条表示平均值的标准误差（n=4）；不同大写字母表示土壤水分变化类型间存在显著差异，不同小写字母表明特定土壤水分变化类型的碳氮处理之间存在显著差异（P < 0.05） 图 4 土壤水分变化和碳氮添加对土壤生物化学性质的影响 Fig. 4 Effects of soil water changes and carbon and nitrogen additions on soil biochemical properties

2.3 CH4和CO2排放与土壤生物化学性质的关联性

相关性分析结果表明，各处理水稻土CH4排放与土壤pH（R2=0.46，P＜0.001）、ΔMBC（R2=0.11，P＜0.05）和ΔNH4+-N（R2=0.23，P＜0.01）显著正相关，与ΔNO3--N（R2=0.38，P＜0.001）显著负相关，与ΔDOC和ΔMineral-N无相关性（图 5）. CO2排放与ΔNO3--N（R2=0.20，P＜0.01）显著正相关，与pH（R2=0.25，P＜0.01）、ΔDOC（R2=0.07，P＜0.05）、ΔMBC（R2=0.22，P＜0.01）和ΔNH4+-N（R2=0.46，P＜0.001）显著负相关，与ΔMineral-N无相关性（图 6）. 淹水水稻土落干转为旱地土壤降低了pH，加速有机碳矿化，抑制CH4产生，从而导致CH4排放减少，CO2排放增加.

在淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤中添加碳氮处理（对照表示不添加葡萄糖和NH4Cl，C表示添加葡萄糖，N表示添加NH4Cl，CN表示添加葡萄糖和NH4Cl）；符号“Δ”表示土壤生物化学性质在培养期间发生的变化（通过从39d培养后的最终值减去初始值来计算）；R2表示拟合程度；带有阴影的红色实线表示在P < 0.05处具有95%置信区间的回归线 图 5 土壤水分变化和碳氮添加下CH4排放与土壤生物化学性质之间的关系 Fig. 5 Relationship between CH4 emission and soil biochemical properties under soil water changes and carbon and nitrogen additions

在淹水水稻土、落干水稻土和旱地土壤中添加碳氮处理（对照表示不添加葡萄糖和NH4Cl，C表示添加葡萄糖，N表示添加NH4Cl，CN表示添加葡萄糖和NH4Cl）；符号“Δ”表示土壤生物化学性质在培养期间发生的变化（通过从39d培养后的最终值减去初始值来计算）；R2表示拟合程度；带有阴影的红色虚线表示在P < 0.05处具有95%置信区间的回归线. 图 6 土壤水分变化和碳氮添加下CO2排放与土壤生物化学性质之间的关系 Fig. 6 Relationship between CO2 emission and soil biochemical properties under soil water changes and carbon and nitrogen additions

3 讨论 3.1 水稻土CH4和CO2排放对土壤水分变化的响应

土壤水分是影响稻田温室气体排放的关键因素之一[28, 29]. 本研究模拟了稻田从淹水阶段到落干阶段再到旱地阶段的转变过程，发现土壤水分变化对水稻土CH4和CO2排放均具有显著影响，但影响方向和程度存在差异（图 2和图 3）. 水稻土CH4排放受产甲烷菌和甲烷氧化菌活性影响，而这两类微生物的活性又受到土壤氧化还原电位的调控[30]. 与淹水水稻土相比，落干水稻土和旱地土壤的CH4排放显著降低[图 2（d）]，这与前人的研究结果一致[31~33]. 这是因为淹水条件下，稻田土壤长期处于厌氧状态，为产甲烷菌提供适宜的还原环境，促进CH4产生过程[34]. 而随着稻田排水，土壤孔隙中氧气含量增加，土壤逐渐从厌氧环境转变为好氧环境，抑制对氧气敏感的产甲烷菌活性，同时增强CH4氧化菌活性，从而降低CH4排放[35]. 值得注意的是，尽管落干水稻土和旱地土壤CH4排放显著低于淹水水稻土，但落干水稻土CH4排放显著高于旱地土壤，表明CH4排放对水稻土落干的响应具有遗留效应，水稻土排水后短期内仍是重要的CH4排放源[图 2（d）]. 这主要是由于水稻土长期淹水积累大量有机质，排水后土壤中的活性有机质在好氧条件下被迅速分解，为产CH4菌提供了充足的底物[36]. 淹水水稻土排水落干阶段，有机质矿化在土壤结构中形成大量的厌氧微区，为CH4产生过程创造了适宜环境，排水落干也会使原来存储在土壤中的CH4释放出来[37]. 本研究发现，CH4排放与土壤pH、ΔMBC和ΔNH4+-N显著正相关，与ΔNO3--N显著负相关（图 5）. 这表明土壤pH、MBC、NH4+-N和NO3--N含量的动态变化是影响CH4排放的重要因素. 淹水条件下，有机质矿化分解缓慢（图 4），有利于产CH4菌的活动，因此CH4排放量较高. 随着稻田排水，有机质矿化分解加速，NH4+-N含量降低，NO3--N含量增加（图 4），不利于产甲烷菌的活动，从而降低了CH4排放[38]. 因此，在稻田转旱地土壤的初始阶段，采取适当的管理措施，例如控制排水速率和减少有机碳输入等，有助于进一步减少CH4排放.

水稻土CO2排放主要受土壤有机质分解的影响[39]. 本研究发现落干处理的CO2排放量显著高于淹水处理和旱地土壤[图 3（d）]. 这是因为淹水处理下，尽管土壤有机质含量较高，但厌氧环境限制了微生物有氧呼吸，导致CO2排放较低. 而稻田排水后，土壤通气性增强，促进了土壤微生物的有氧呼吸，从而增加了CO2排放[40]. 尤其在落干初期，土壤从厌氧环境转变为好氧环境，促进了土壤中易分解有机质矿化，导致CO2排放显著增加，形成排放高峰[41, 42]. 这表明稻田排水初始阶段是CO2排放的关键时期. 本研究中，落干处理的DOC和MBC显著低于淹水处理[图 4（b）和图 4（c）]，说明落干促进了土壤有机质的分解，旱地土壤的CO2排放量低于落干处理. 这与旱地土壤中有机质含量较低、土壤结构稳定性较高，导致有机质分解缓慢有关[43, 44]. CO2排放与ΔNO3--N显著正相关，与pH、ΔDOC、ΔMBC和ΔNH4+-N显著负相关（图 5）. 这表明土壤pH、DOC、MBC、NH4+-N和NO3--N含量的动态变化是影响CO2排放的重要因素. 在淹水水稻土，土壤pH较高，DOC和MBC含量较高，NO3--N含量较低（图 4），土壤微生物活性受抑制. 稻田排水后，土壤pH降低，DOC和MBC含量降低，NO3--N含量增加（图 4），好氧微生物活性增强，加速了有机质分解，导致CO2排放增加[45]. 因此，降低稻田转旱地初始阶段CO2排放需要提高土壤碳固存、减少土壤有机质的矿化分解，例如通过合理施用有机肥等措施，增加土壤有机质含量，提高土壤碳汇能力.

3.2 水稻土CH4和CO2排放对碳氮有效性的响应

除了土壤水分，碳氮有效性也是影响水稻土温室气体排放的重要因素. 本研究通过添加碳源（葡萄糖）和氮源（NH₄Cl），发现碳氮添加对CH4和CO2排放均有显著影响，且与土壤水分变化存在显著的交互作用（图 2、图 3和表 1）. 在淹水条件下，碳添加显著促进水稻土CH4排放，而添加氮抑制CH4排放[图 2（d）]，表明碳和氮对淹水水稻土CH4排放具有拮抗效应. 这主要是因为添加碳为产甲烷菌提供了更多的底物，而添加氮则促进了硝化和反硝化作用，与产甲烷菌竞争底物，从而抑制CH4产生[46, 47]. 然而，在稻田转旱地初期，这种拮抗效应可能更为突出，因为土壤底物供应和微生物活性的快速变化会加剧微生物对碳氮的竞争. 在落干水稻土和旱地土壤中，添加氮对CH4排放没有显著影响[图 3（d）]，这与丁维新等[48]的研究结果一致. 这是由于落干水稻土和旱地土壤水分含量较低，是限制CH4产生的主要因素. 在好氧条件下，CH4排放的抑制效应更加显著，掩盖了氮添加对CH4排放的作用[49]. 因此，在稻田转旱地初始阶段，控制氮肥施用量对于减少CH4排放可能并不像在淹水条件下那样有效，而应该更加关注土壤水分管理和碳源调控. 碳氮添加通过改变土壤生物化学性质，影响CH4排放[50]. 本研究中在淹水水稻土中添加碳增加了土壤DOC和MBC含量（图 4），为产CH4菌提供了底物，从而促进CH4排放. 而添加氮则可以通过促进硝化作用，降低土壤pH，抑制产CH4菌的活性，从而降低CH4排放（图 4）.

在淹水稻田土壤中，各碳氮添加处理之间的CO2排放无显著变化[图 3（d）]. 这是因为淹水处理土壤通气性差，限制土壤微生物的活性，抑制碳氮添加对CO2排放的影响[51]. 然而，在稻田排水后，土壤通气性增强，碳氮有效性对CO2排放的影响会更加明显. 在落干水稻土中同时添加碳氮显著增加CO2排放，而在旱地土壤条件下，添加C、N和CN均显著增加CO2排放，且同时添加碳氮处理的增幅最大[图 3（d）]. 这说明在落干水稻土和旱地土壤条件下，增加碳氮有效性有助于提高土壤微生物活性，加速土壤有机质的分解，从而增加CO2排放. 因此，在稻田转旱地初期，要加强碳氮管理的合理性，减缓土壤有机质分解速率，降低CO2排放. 碳氮有效性可以通过改变土壤生物化学性质，影响CO2排放[52, 53]. 在旱地土壤中添加碳增加土壤DOC和MBC含量（图 4），为土壤微生物提供更多底物，促进土壤有机质的分解，从而增加CO2排放. 而添加氮通过促进土壤微生物代谢过程，加速土壤有机质的分解，从而增加CO2排放. 这些研究结果强调了在稻田转旱地初始阶段，应采取合理的碳氮管理措施，减少温室气体排放，促进农业可持续发展.

本研究为理解稻田水分管理和碳氮有效性对温室气体排放的影响提供了新视角. 然而，仍需进一步开展田间长期定位试验，以验证室内模拟试验的结果，并评估不同管理措施对温室气体排放的长期影响. 结合分子生物学技术，综合考虑温度和土壤质地等环境因子的影响，深入研究不同水分和碳氮条件下土壤微生物群落结构和功能的变化，以揭示温室气体排放的微生物驱动机制，为制定稻田温室气体减排措施提供科学依据.

4 结论

（1）水稻土排水落干显著降低CH4排放，落干水稻土CH4排放仍显著高于旱地土壤，稻田转旱地初始阶段CH4排放存在遗留效应. 在淹水水稻土中，可利用性碳添加促进CH4排放，氮添加抑制CH4排放，碳和氮同时添加对CH4排放具有拮抗效应.

（2）水稻土排水落干促进土壤有机质的分解，显著增强CO2排放，其CO2排放显著高于淹水水稻土和旱地土壤，说明稻田转旱地初始阶段CO2排放风险增加. 在淹水水稻土和旱地土壤条件下，提高碳氮有效性促进CO2排放.

（3）水稻土排水落干可有效减缓CH4排放，但需关注其短期内增加CO2排放的风险. 制定可持续的稻田温室气体减排策略，需协调水分和碳氮管理，以实现协同温室气体减排，促进农业生产与环境保护的双赢.

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