水稻是主要粮食作物之一，人口增加和耕地减少是影响粮食供给的主要矛盾，增施化肥是提高粮食产量的有效措施。氮是肥料三要素之一，氮肥施用能促进农作物增产，但其肥料利用率仍普遍较低^[1]。低肥效不但造成肥料资源的浪费，也会污染水体、土体和农产品等，对生态环境和食品安全带来不良影响^{[2, 3]}。

稻田是CH₄重要的排放源，年均排放量约为31—112 Tg CH₄，占全球CH₄排放总量的5%—19%^[4]。施肥是影响稻田CH₄排放的重要因素之一。研究表明，添加新鲜有机肥能促进稻田CH₄的排放^[5]，而沼肥经发酵处理后可明显减少CH₄的产生和排放^[6]。化学氮肥对稻田CH₄排放的影响较复杂，与土壤 C/N 比、肥料的种类、施肥量和施肥方式等有关^{[7, 8]}。

控释氮肥可延缓氮素释放速率，减少氮素损失并供植物持续吸收利用^[9]，目前对水稻施控释氮肥的研究主要涉及氮的吸收利用、气态损失(如反硝化与氨挥发)和水稻产量等方面^{[10, 11, 12]}，而对稻田甲烷排放方面的研究鲜有报道。转基因水稻可提高产量、减少劳动强度、降低成本，减少农药使用造成的环境污染，但其安全性尚不明确，商业化种植对生态环境及人体健康的影响备受关注和争议。因此，开展本研究对于进一步完善转基因水稻在施控释氮肥下生态风险评价的内容具有重要的理论和实践意义。

盆栽试验于2010年5月—11月在南京信息工程大学农业气象试验站(32.0°N，118.8°E)温室内进行。该站地处亚热带湿润气候区，年均降水量1100 mm，年均气温15.6 ℃。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，耕层土壤质地为壤质黏土，粘粒含量为26.1%，土壤pH值为6.2(1 ∶ 1土水比)，全碳、全氮的含量分别为19.4和1.45 g/kg。土壤经自然风干，除杂(石块和植物残体等)，磨碎过10目筛，混匀备用。

该试验为水稻品种和肥料种类双因子试验，供试水稻为抗除草剂转基因水稻(B2)和亲本常规水稻(秀水63)，供试肥料为控释氮肥(CRNF)和常规氮肥尿素(U)。试验采用完全区组设计，设4个处理：(1)常规水稻+常规施肥(PU)；(2)转基因水稻+常规施肥 (TU)；(3)常规水稻+控释氮肥(PC)；(4)转基因水稻+控释氮肥(TC)。每处理 3次重复，共12个盆钵。

供试控释氮肥LPS100(N 40%)为树脂包膜类迟释型控释氮肥，施后第30 天开始释放养分，形成 S 型释放曲线(CHISSO 公司，日本)。供试常规肥料为尿素(N46%)、磷酸二氢钾(P 22.8%、K 28.7%)、氯化钾(K 52.4%)。本试验各处理施用的氮磷钾总量养分相等，氮(以N计)、磷(以P₂O₅计)、钾(以K₂O计)肥料施用量分别为150、150和150 kg/hm²。常规氮肥50%作基肥，50%分别于分蘖和孕穗期追肥。控释氮肥及各盆钵的磷钾肥全部基施。水稻种子经消毒处理后，于5月29日播种育苗，6月30日移栽，11月9日收获。每盆钵定苗2株，盆钵直径20 cm，高30 cm，每盆装入土壤5 kg，试验期间各处理盆钵土面始终保持约5 cm的水层。病虫害防治依据实际情况进行。

气体样品的采集与分析采用静态箱-气相色谱法。在水稻生长期，采样间隔为10 d，采样时间为当日9:00—11:00。PVC静态箱底面半径为8.5 cm，箱高120 cm，箱体直径与盆钵内径相吻合。采样时将PVC静态箱与盆钵相扣，通过淹水层液封保证静态箱气密性。封箱后分别于0、15、30 min，用带有三通阀的针筒采集50 mL气样，将所采气样注入事先抽成真空的气袋中。同时，记录箱温、气温及土温(5 cm 和10 cm)。所采气样用带有氢火焰离子检测器(FID)的气相色谱仪(GC-9890，上海)检测CH₄浓度。CH₄排放通量计算公式如下：

F=ρ×H×T/(T+t)×60×dc/dt

式中，F为CH₄排放通量(mg m^-2 h^-1)；ρ为标准状态下CH₄气体密度(0.714 kg/m³)；H为采样箱气室高度；T为理想气体标准状态下的空气气温273.15 K；t为采样时箱内平均温度；dc/dt为箱内目标气体浓度随时间变化的回归曲线斜率。积分求得不同生育阶段和全生育期CH₄累积排放量。

试验数据用Excel 2003进行整理与绘图，用统计软件SPSS 13.0进行差异显著性检验和重复测量的多因素方差分析。

表 1表明，与等氮尿素分施相比，一次性基施控释氮肥提高了水稻分蘖数、株高、生物量及产量，转基因水稻增产23.99%、亲本常规水稻增产9.66%。水稻生长要素的交互分析表明，水稻品种对分蘖数及株高的影响达显著水平，肥料种类对株高、生物量和产量的影响达显著水平，水稻品种×肥料种类的互作效应对株高和地上部生物量达显著水平(P<0.05)。

由图 1可见，与对照相比，一次性基施控释氮肥下稻田CH₄排放的季节性变化并不相同。在水稻生育期内，各处理CH₄排放通量的变化趋势均表现为，自水稻移栽后，逐渐升高，在生殖生长期(62—92 d)出现峰值，然后逐渐降低至水稻收获，说明一次性基施控释氮肥未改变CH₄排放通量的季节性变化趋势。但是，不同水稻品种稻田CH₄排放通量峰值出现的时间和大小存在差异。转基因水稻的主峰值低于亲本常规水稻，出现在移栽后的72—82 d，而亲本常规水稻则出现在移栽后的82—92 d。分蘖期后(62—111 d)，一次性基施控释氮肥处理的CH₄排放通量显著低于等氮尿素分施处理(P<0.05)。

图 1 控释氮肥对CH4季节性排放的影响 Fig. 1 Effect of CRNF(controlled-release nitrogen fertilizer)on seasonal variation of CH4 flux under greenhouse conditions

图选项

对试验数据进行重复测量多因素方差分析，其中Mauchly球形检验P=0.000，采用Greenhouse-Geisser校正。方差分析结果表明，不同采样时间之间达显著性差异(F=194.071，P=0.000)，时间与肥料种类(F=76.102，P=0.000)、时间与水稻品种(F=47.166，P=0.000)，以及时间与肥料种类、水稻品种之间(F=32.303，P=0.000)均存在交互效应。组间效应的检验结果也说明，肥料种类、水稻品种、及两者之间的互作效应均有统计学意义(P<0.05)。由此可见，稻田甲烷排放随时间的变化，以及时间因素作用随肥料种类、水稻品种和肥料种类×水稻品种的互作效应的不同而不同，肥料种类、水稻品种及两者的互作效应对稻田甲烷排放的影响显著。

从水稻不同生育期稻田CH₄累积排放量来看(表 2)，以水稻灌浆至完熟期的累积排放量较高，占全生育期累积排放量的26.21%—53.94%，但不同处理间存在差异。与等氮尿素分施相比，一次性基施控释氮肥显著降低抽穗—扬花期、灌浆—完熟期及全生育期稻田CH₄累积排放量(P<0.05)，但转基因水稻分蘖期和亲本水稻分蘖期与拔节—孕穗期除外。

不同水稻品种对各生育期CH₄累积排放量有一定影响(表 2)。一次性基施控释氮肥下，各生育期转基因水稻的CH₄累积排放量低于常规水稻，以拔节—孕穗期、抽穗—扬花期和灌浆—完熟期以及全生育期较为明显，差异达显著水平(P<0.05)。

稻田CH₄的排放具有明显的季节性变化，但因水分状况、温度和肥料类型及其相互作用而异。本试验中，水稻移栽后(生长初期)的CH₄排放通量较低，原因在于盆栽用土经过筛去除了前作根茬等有机底物，使产CH₄菌缺少赖以生存和产生CH₄的物质基础，且水稻植株较小，根系及植株通气组织均不发达，CH₄排放的植株传输效率较低所致。随着水稻生长，根系分泌物和脱落物逐渐增加，水稻土产CH₄潜力不断提高，导致CH₄排放通量逐渐升高并出现峰值。

近年来，有关控释肥对水稻生长的影响已有较多报道。研究表明，一次性基施控释氮肥能提高水稻分蘖期生物量^[13]、生育后期的根干重、根长和根系吸收面积^[14]、以及通过增加单位面积有效穗和每穗结实粒数实现水稻增产^[15]。本试验中，与尿素相比，控释氮肥可提高水稻分蘖数、生物量和产量(表 1)，但控释氮肥显著降低了水稻土CH₄的排放通量和累积排放量(图 1，表 2)。这一发现与一般认识相左，即水稻生物量、分蘖数与水稻土甲烷排放量一般呈正相关^[16]。有研究表明，控释氮肥能提高水稻生育中、后期功能叶和根系中的SOD(superoxide dismutase)、POD(peroxidase)等活性氧清除酶的活性，降低MDA(malonaldehyde)含量，从而延缓叶、根的衰老，提高水稻产量^{[14, 17]}。SOD、POD 等酶具有清除生物体内氧自由基的功能，保护生物体内免受自由基损害^[18]。Keppler等^[19]报道，有别于传统甲烷生物源，在有氧条件下很多植物本身可产生并释放甲烷。活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)可能在植物源甲烷的生成中起着关键作用。有报道指出，凡是引起ROS累积的胁迫条件(UV辐射、干旱、营养缺乏等)都可能刺激其与果胶等物质中的甲氧基作用，继而产生甲烷^{[18, 20, 21]}。本研究中，推测控释氮肥提高了水稻体内的活性氧清除酶的活性，清除了ROS的累积，减少了植株源甲烷产生的可能。稻田甲烷排放取决于其产生、氧化和传输的综合效应。根系能将来自叶片吸收和光合作用产生的氧气释放到土壤中，形成根际微域“氧化圈”。而控释氮肥能改善根系形态和延缓根系衰老^[14]，由此推测本研究中控释氮肥处理下良好的根系形态和活性提高了水稻根系的泌氧能力；而厌氧环境里，根系泌氧的减少诱发反硝化、铁硫还原反应导致根系发育不良甚至腐烂，又为甲烷的产生提供了丰富的底物。所以，尿素处理下水稻根系泌氧的“此消”和根系衰老腐烂的“彼长”导致控释氮肥下的水稻甲烷排放弱于普通尿素处理。另外，控释氮肥持续良好的供氮能力，促进了抽穗后光合产物的形成和抽穗前叶鞘和茎秆中临时性贮存的碳水化合物向穗部的转移^[22]，使更多光合产物流向有机物积累，降低甲烷的排放。有关控释氮肥降低甲烷排放的机制，还需要通过试验进一步研究。

水稻品种在稻田甲烷排放中起着非常重要的作用^[23]。本研究中，转基因水稻甲烷排放量显著低于亲本常规水稻(表 2)，说明种植抗除草剂转基因水稻对于减缓稻田甲烷排放有积极作用。其原因在于，一方面与转基因水稻的抗逆性和生长能力不同于亲本常规水稻有关^[24]；另一方面转基因及其亲本不同基因型水稻的根际微生态环境有所不同。有研究发现，高产水稻因其根系发达，通气组织发育好，相应的根系径向泌氧量ROL和根际土壤氧气含量高于低产水稻^[25]。3种不同基因型水稻水培试验中，通过¹⁵N 稀释技术和10 μm的氧电极原位测定，发现高产水稻品种根际硝化强度和根表氧气含量显著高于低产品种^[26]。不同的根系分泌物组成和数量、不同的根系泌氧能力和通气组织影响并形成了转基因及其亲本常规水稻稻田甲烷的排放差异。

因此，在施控释氮肥下，通过进一步试验探明水稻根系分泌物的数量和组成，检测水稻根际土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的变化，将有助于进一步阐明施控释氮肥降低水稻土甲烷排放，以及抗除草剂转基因水稻降低甲烷排放量的原因。研究认为，施用控释氮肥和种植抗除草剂转基因水稻对减少水稻土甲烷排放有积极意义。