NO是一种可以直接或间接影响大气质量和破坏地球生态环境的活性气体^{[1, 2]}，其浓度变化备受关注。研究表明，土壤是全球NO排放的重要来源，而土壤排放中约有41%来自农业土壤^{[3, 4]}，并且其排放量的增加主要受土壤氮肥水平的驱动。尽管土壤是大气NO的一个主要来源已是公认的事实，但迄今为止对土壤NO排放的估算仍存在极大的不确定性^[5]，而造成其估算不确定性的一个重要原因就是缺少系统的、具有代表性的土壤NO排放的观测数据^[6]，我国氮肥用量约占全球用量的25%左右，因而研究我国农田土壤NO排放规律及减排措施十分必要。但是，我国现有关于NO排放的报道仍十分有限，特别是通过田间定位观测分析农田NO排放过程和规律性的研究更为少见，因而选取我国典型区域开展NO排放的田间定位观测十分必要。成都平原是我国轮作稻田的高产区，水稻-小麦轮作是该区主要的作物种植制度。所以，作者以成都平原水稻-小麦轮作系统为研究对象，在2004年11月至2006年5月对1.5个轮作周期(2个小麦季，1个水稻季及休闲期)NO排放进行了田间定位观测，研究了该区稻田NO排放特征及施用氮肥、土壤湿度、温度和作物参与对NO排放的影响，为准确估算我国农田NO排放量提供基础数据，并为农田NO减排提供理论支持。

试验于2004年11月至2006年5月在成都市温江区(30°41′N，103°48′E)进行，该区属亚热带湿润季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，年均气温15.2—16.6℃，年均降水量873—1265mm，年日照时数1017—1345h，地下水位多为1.0—2.0m。试验为当地长期水稻-小麦轮作田，土壤类型为灰潮土，土壤容重为1.31g/cm³，0—20cm土层土壤黏粒(<0.002mm)、粉粒(0.002—0.05m)和砂粒(>0.05 mm)含量分别为6.0%、49.9%和44.1%。pH为7.79，有机质及全N、P、K分别为27.11、1.58、1.38和18.32 g/kg，速效N、有效P和速效K分别为129.59、22.65、56.42 mg/kg。

试验设不施氮(CK)、常规施氮(NPK-C)和空地(NPK-NC：施肥同NPK-C处理，但不种作物，保持裸地)3种处理，3个随机重复。试验小区面积2m×3m=6m²，每季作物氮肥(尿素)施用量为N150kg/hm²，以6 ∶ 4的比例分两次施用，施肥方式为表层撒施。并在每季作物播种或移栽前一次性施过磷酸钙(P₂O₅160kg/hm²)和氯化钾(K₂O 150kg/hm²)，施肥后翻耕耙地。试验地2004年11月9日至5月15日，2005年5月28日至9月14日和2005年10月25日至2006年5月3日分别为第一茬小麦季，水稻季和第二茬小麦季，2005年5月16日至5月27日和2005年9月15日至10月24日分别为第一茬小麦收获后休闲期和水稻收获后休闲期。试验时水稻(品种为Ⅱ优-162，移栽时秧龄为23d)栽植株、行距为25cm×25cm，小麦(品种为绵阳26)播种密度为210万株/hm²。试验田水稻季田间水分管理措施为：移栽—6月21日、7月16日—7月21日、8月5日—8月16日均为持续淹水；6月22日—7月15日和7月22日—8月4日为灌排交替； 8月17日—收获为排水晒田。

采用静态暗箱气袋采样-化学发光氮氧化物分析法对NO排放采样测定。采样箱的构造及田间设置方法与文献^[7]描述的一致。气体采样从作物播种或移栽后1周内开始，采样频率为每周3次，时间为每周一、三、五9:00—11:00，具体采样方法、分析方法与文献^[8]描述的一致，NO排放通量计算方法与文献^[9]描述的一致。NO排放总量的计算是先用内插法计算因停电或偶尔发生仪器故障等原因造成的排放通量缺失数据，再根据观测期排放通量的平均值求得排放总量。气体采样同时采用与文献^[10]一样的方法测定试验地0—5cm土层土壤湿度(WFPS)和地下5cm处土壤温度。

从图 1a可见，试验期间第一茬小麦季和第二茬小麦季地下5cm处土壤温度平均分别为11.3℃和10.6℃，而水稻季和休闲期平均分别为23.9℃和20.0℃；0—5cm土层土壤湿度(WFPS)在2个小麦季平均分别为35.6%和30.6%，而水稻季和休闲期平均分别为42.7%和37.4%。可见，试验期间水稻季和休闲期水热状况总体优于两个小麦季。

图 1 水稻-小麦轮作系统土壤温度、土壤湿度和不施氮、常规施氮和空地处理NO排放通量的季节变化 Fig. 1 Seasonal patterns of soil temperature,soil moisture and NO emission flux from rice-wheat rotation system of different treatments,i.e. control(CK),conventional fertilization (NPK-C) and no crop (NPK-NC)

图选项

从不施氮、空地和常规施氮处理NO排放通量的季节变化来看(图 1)，整个观测期3种处理NO排放的季节变化趋势基本一致，均波动不大，波动主要由一些脉冲式排放峰和负排放组成，并且排放峰和高排放期更多的集中在水稻季。具体来看，3种处理NO排放通量的季节变化存在差异，不施氮处理(图 1)整个观测期仅观测到1次大的排放峰和2次小的排放峰，并且排放峰主要出现在小麦播种、水稻移栽或休闲期翻地后，持续时间约1周左右。

空地和常规施氮处理(图 1)观测到的NO排放峰明显多于不施氮处理，并且峰值更高，两种处理分别观测到2次和4次大的排放峰和若干次小排放峰，大排放峰主要出现在施氮后(如空地处理在2005年3月14日和10月28日观测到的排放峰以及常规施氮处理在2005年3月14日和6月9日和10月30日观测到的排放峰)，小排放峰主要出现在小麦播种、水稻移栽(如两种处理在2004年11月9日和10月25日观测到的排放峰)或休闲期翻地后(如两种处理在2005年9月19日观测到的排放峰)，并且施氮后观测到的峰值大小和排放峰持续的时间均超过作物播种(移栽)或休闲期翻地后。据此认为，NO排放峰出现的主要驱动因子是施氮、作物播种(移栽)或翻地等农事活动，并且排放峰和高排放期更多的出现在土壤水热状况较好的时期。

从表 2可见，常规施氮处理整个观测期NO平均排放通量为(5.5±3.3)μg m^-2 h^-1，其中作物季和休闲期分别为(6.1±4.3)μg m^-2 h^-1和(8.1±10.1)μg m^-2 h^-1，可见，休闲期NO平均排放通量稍高于作物季，但两者差异并不显著。不同作物季和休闲期NO排放通量表现为水稻季最高，其次为休闲期，2个小麦季排放通量最低且相当。

从不同作物季和休闲期NO排放总量来看，水稻季NO排放量占整个观测期排放总量的56.1%，2个小麦季和休闲期分别占32.5%和11.4%。尽管休闲期排放量所占的比例不大，但休闲期时间远少于水稻季和2个小麦季，因此休闲期NO排放不容忽视。并且休闲期NO高排放主要是由第一茬小麦和水稻收获后的两次翻地引起的，所以，减少休闲期翻地次数可能会有效减少土壤NO排放。

从图 2可见，常规施氮处理整个观测期和3个作物季NO平均排放通量均显著高于不施氮处理(P<0.01)，不施氮处理在整个观测期表现为土壤NO负排放，而常规施氮处理NO平均排放通量为(5.5±3.3)μg m^-2 h^-1。可见，施氮显著增加了NO排放(P<0.01)。但施氮增加NO排放量的效应在不同作物季表现有所不同。在2个小麦季，不施氮处理表现为NO负排放，排放通量分别为(-5.6±1.3)μg m^-2 h^-1和(-5.4±2.1)μg m^-2 h^-1，常规施氮处理NO排放通量平均为(2.3±3.3)μg m^-2 h^-1；而在水稻季，常规施氮处理NO排放通量是不施氮处理的2.9倍。所以，施氮对增加NO排放量的效应在水稻季表现较小麦季明显，而出现这种差异的原因可能在于两方面，其一，与2个小麦季相比，水稻季土壤水热条件较优，因而有利于施氮后土壤NO产生和排放，其二，水稻和小麦生育期长短的差异造成单位时间施肥强度的差别，在生育期较短的水稻季，单位时间施肥强度大，有利于土壤硝化和反硝化作用进行，因而有更多的NO从土壤中产生和排放。

图 2 不施氮(CK)与常规施氮(NPK-C)NO排放通量比较 Fig. 2 Comparison of NO emission from treatments of CK and NPK-C

图选项

对不施氮、常规施氮和空地3种处理NO排放通量与土壤温度、土壤湿度进行逐步回归分析发现，3种处理NO排放通量主要受土壤温度的影响。在常规施氮和不施氮情况下，土壤温度(T)对NO排放通量(F)的影响可分别用线性方程F=0.285T-11.795(R²=0.309，n=196，P<0.01)和F=0.535T-14.162(R²=0.282，n=196，P<0.01)描述。表明，土壤温度是该区水稻-小麦轮作田NO排放的关键因子，但在不种作物的裸地两者关系不明确，这可能是由于裸地中土壤硝化微生物和反硝化微生物(特别是根际微生物)活动与种作物的农田有较大差异，从而造成NO排放对土壤温度的响应不明显，但具体原因有待进一步研究。

研究表明，土壤湿度并非NO排放的关键影响因子，但偏相关分析发现，在不施氮处理中，水稻季和休闲期土壤湿度和NO排放通量呈显著的负相关(r=-0.318，n=62，P<0.05)；在常规施氮处理中，2个小麦季两者呈显著的正相关(r=0.200，n=135，P<0.05)，而水稻季和休闲期两者之间呈极显著的负相关(r=-0.397，n=62，P<0.01)；而在空地处理中，2个小麦季土壤湿度和NO排放通量呈显著的正相关(r=0.182，n=135，P<0.05)。据此说明：(1)施氮和作物参与对土壤湿度和NO排放之间的关系有影响，施肥和作物参与往往使NO排放对土壤湿度变化的响应更敏感；(2)土壤湿度与NO排放量之间的关系受土壤湿度自身状况的影响，在土壤湿度较差的小麦季(土壤湿度介于6.9—43.0%，平均为33.1%)，土壤湿度提高有利于NO排放，而在土壤湿度较好的水稻季和休闲期(土壤湿度介于22.5—45.9%，平均为36.5%)，土壤湿度的提高对NO排放有抑制作用。

由图 3可见，整个观测期空地处理和常规施氮处理NO排放通量分别为(7.5±2.5)μg m^-2 h^-1和(5.5±3.3)μg m^-2 h^-1，空地处理稍高于常规施氮处理，但两者差异不显著。所以，整个观测期空地处理和常规施氮处理NO排放通量相当。但在不同作物季情况有所不同，在2个小麦季NO排放通量均表现为空地处理显著高于常规施氮处理(P<0.01)，而水稻季则表现为空地处理显著低于常规施氮处理(P<0.01)。可见，水稻季作物参与能够增加土壤NO排放，而小麦季正好相反。

图 3 空地(NPK-NC)与常规施氮(NPK-C)NO排放通量比较 Fig. 3 Comparison of NO emission from treatments of NPK-NC and NPK-C

图选项

本试验观测到了土壤NO负排放(吸收)现象，其他研究中也有类似现象出现^[11]。从观测结果来看，在不施氮、常规施氮和空地3种处理中，2个小麦季与水稻季和休闲期观测到的NO负排放的频次(观测期NO负排放出现的次数占整个观测数据的比例)存在差异，3种处理在2个小麦季NO负排放出现的频次分别为67.4%，29.6%和61.5%，而在水稻季和休闲期出现的频次分别为12.9%、14.5%和3.2%。可见，本研究观测到的土壤NO负排放(吸收)现象主要出现在小麦季。具体原因可能在于：该区水稻-小麦轮作田NO排放主要受土壤温度的调控，并且土壤湿度也有影响，就本研究来看，2个小麦季土壤温度和土壤湿度波动范围分别为3.4—23.9℃和6.9%—43.0%，平均分别为11.0℃和33.1%，而水稻季和休闲期土壤温度和土壤湿度波动范围分别为15.5—33.1℃和22.5%—45.9%，平均分别为21.1℃和36.5%。可见，与水稻季和休闲期相比，小麦季水热状况明显较差，特别是土壤温度，因而不利于NO产生和排放^[12]。所以，本研究出现NO负排放(吸收)的原因主要在于较差的土壤水热条件。

作物参与对NO排放的影响在水稻季表现为能增加土壤NO排放，而在小麦季却相反。该现象的原因分析如下：由于作物种类对土壤NO无显著影响^{[13, 14]}，并且作物参与影响土壤NO排放的一种重要机制就是作物根系与土壤硝化和反硝化作用竞争利用土壤有效氮^[15]，当土壤硝化和反硝化作用较强时，土壤中有效氮将更多的以NO形式排放，反之，当土壤中硝化和反硝化作用较弱时，根系会因吸收更多的有效氮而减少土壤中NO产生和排放。从本研究看，水稻季水热条件优于小麦季，因而水稻季土壤硝化和反硝化作用强于小麦季，所以水稻季较小麦季会排放更多的NO。可见，作物参与对NO排放的作用受土壤水热状况的影响，在土壤水热状况较好的情况下，作物参与有利于土壤NO排放。

(1) 成都平原水稻-小麦轮作系统不施氮和施氮(N150kg hm²)情况下，NO排放通量分别为(-0.8±2.1)μg m^-2 h^-1和(5.5±3.3)μg m^-2 h^-1，施氮显著增加了土壤NO排放量，并且其增加效应在水分条件较好的水稻季更明显。

(2) 水稻-小麦轮作系统水稻季和2个小麦季NO排放量分别占排放总量的56.1%和32.5%，其余11.4%来自休闲期，可见，水稻-小麦轮作系统NO排放量主要来自水热条件较好的水稻季，小麦季和休闲期NO排放量不大，同时，由于休闲期NO高排放主要是作物收获后的翻地引起的，所以，减少休闲期翻地次数可能会有效减少农田NO排放。

(3) 土壤温度是影响该区水稻-小麦轮作田NO排放主要环境因子，并且两者呈线性回归关系，土壤湿度对NO排放的影响因其本身状况差异而不同，在土壤湿度较差的小麦季，土壤湿度提高有利于NO排放，而在土壤湿度较好的水稻季和休闲期，土壤湿度提高会抑制NO排放。此外，土壤水热状况还是造成土壤NO负排放(吸收)和作物参与对小麦季和水稻季NO排放贡献有别的原因。