水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析

雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛，劉 鑫，臧 明

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水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析

雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛，劉 鑫，臧 明

（華北水利水電大學水利學院/水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，鄭州 450046）

為了解水肥氣耦合滴灌下不同水肥氣調控措施對土壤N2O排放的影響，該研究設置施氮量（低氮和常氮）、摻氣量（不摻氣和循環曝氣處理）和灌水量（低濕度和高濕度處理）3因素2水平完全隨機試驗，通過靜態箱-氣相色譜法、qPCR技術和結構方程模型，系統研究了不同水肥氣組合方案下溫室番茄地土壤N2O排放特征及其與相關影響因素之間的關系。結果表明，水肥氣耦合滴灌下N2O排放峰值出現在施氮后2 d內，其余時期N2O排放通量較低且變幅較小。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可增加土壤N2O排放通量和排放總量。其中，高濕度條件下N2O排放總量較低濕度平均增加了30.14%，曝氣條件下N2O排放總量較對照平均增加了35.16%，常氮條件下N2O排放總量較低氮平均增加了33.83%。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可提高溫室番茄的產量和氮肥偏生產力。土壤NH4+-N和NO3--N含量對N2O排放的總效應為0.60和0.79，是影響水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導因子。綜合考慮作物產量、N2O排放總量和氮肥偏生產力，常氮曝氣低濕度處理是適宜的水肥氣耦合滴灌方案。

肥料；灌溉；排放控制；N2O排放；影響因素；結構方程模型

0 引 言

氧化亞氮（nitrous oxide，N2O）是大氣中重要的溫室氣體，因增溫效應巨大、滯留大氣時間長、破壞大氣臭氧層，受到各國學者的關注[1]。農業N2O排放量約占全球人為排放量的70%[2]，中國80%人為排放的N2O排放來源于農田土壤[3]。設施菜地因具有氮肥用量大、復種指數高及灌溉頻繁等特點，導致N2O大量排放[4]。灌溉施肥是影響農田水分、氮素和氧氣含量以及土壤N2O排放的重要措施[5]。水肥氣耦合滴灌是在水肥耦合和曝氣灌溉基礎上發展而來的一種新型灌溉技術，可提高土壤氧氣含量，緩解根區缺氧狀況，增大土壤呼吸，適時適量地補充土壤水分養分，促進植株生長，提高產量及水肥利用效率[6]。

土壤N2O排放主要受土壤微生物所驅動的硝化作用和反硝化作用控制[7]。農田硝化和反硝化作用受到土壤微生物、土壤水分、養分和氧氣含量等諸多因素的影響，而土壤水分、氮素和氧氣含量不僅影響著微生物種類和數量，還影響N2O的排放[8]。目前關于農田土壤N2O排放特征及影響因素的研究已有諸多報道，如宋亞娜等[9]發現施氮量的增加促進了稻田N2O的排放及細菌群落多樣性的增加；鄭欠等[10]發現土壤含水量增大增加了N2O排放；陳慧等[11]研究表明，加氣灌溉促進了土壤N2O排放。上述研究揭示了水、肥、氣等調控下農田N2O的排放特征，但水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放特征、作用機制及適宜的調控參數尚不清楚，有待進一步研究。

研究表明，土壤化學特性和微生物群落結構是決定土壤N2O排放的內在驅動因素[12]，因此，從土壤環境因子、硝化反硝化微生物對農業措施的響應關系入手揭示水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放的作用機制有重要意義。本研究設置了施氮量、摻氣量和灌水量3因素2水平組合方案試驗，系統研究了水肥氣耦合滴灌對土壤微生物、土壤理化指標響應及農田土壤N2O排放的影響，并分析了水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導影響因素及其作用機制，為設施菜地土壤N2O減排調控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗場地概況

試驗于2017年9月27日－2018年1月28日在華北水利水電大學農業高效用水實驗場現代化溫室中進行（34°47′5.91″N，113°47′20.15″E）。該地屬溫帶季風氣候，多年平均氣溫14.3 ℃，7月份最熱，月平均氣溫27.3 ℃，1月份最冷，月平均氣溫0.1 ℃，無霜期200 d，全年日照時數約2 400 h。作物生育期平均氣溫和相對濕度動態列于圖1。

圖1 溫室番茄生育期平均氣溫和相對濕度（RH）動態

1.2 試驗材料

試驗中供試土壤的砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）、黏粒（<0.002 mm）質量分數分別為32.99%、34.03%和32.98%，為黏土。土層0～10、>10～20、>20～30和>30～40 cm的土壤容重分別為1.26、1.48、1.50、1.55 g/cm3。剖面土壤質地均勻，表層土壤pH值6.5，有機質質量分數13.62 g/kg，土壤全氮、全磷和全鉀質量分數分別為0.81、0.79和30.38 g/kg，田間持水率（質量含水率）28.0%。供試番茄品種為“金鵬8號”。

1.3 試驗設計

試驗設置施氮量、摻氣量、灌水量3因素2水平完全隨機設計，共8個處理，4次重復。試驗設計列于表1。

表1 試驗設計

注：N1、N2分別為低氮和常氮用量，C、A分別為對照和曝氣處理，W1、W2分別為低濕度和高濕度灌溉處理，下同。

Note: N1, N2are the low and normal nitrogen application rate. C, A are the non-aerated and continuous aerated treatment. W1, W2are the watering amount with low and high soil humidity management, the same as below.

試驗中共32個小區，每個小區長2 m，寬1 m。于小區內起壟進行番茄種植，壟高10 cm，每壟移植5株，株距33 cm。研究中利用水肥氣耦合滴灌裝置進行曝氣，采用非壓力補償型滴灌帶進行輸水，型號為JOHN DEERE，直徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭設計流量1.2 L/h，滴頭間距33 cm，埋深15 cm。植株距滴頭10 cm，平行于滴灌帶種植。

1.4 試驗管理

番茄于4葉1心至5葉1心進行移植。移植當天澆透底水，移植后10 d覆膜，株高30～40 cm時進行吊蔓，三穗果時打頂。番茄全生育期共計124 d，生育期劃分詳見表2。

表2 番茄生育期劃分

供試肥料為高鉀型水溶性肥，硝態氮、銨態氮、脲態氮、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的質量分數分別為7%、1%、7%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施樂多，中國康拓肥料有限公司）。番茄移栽前未施基肥，于番茄移栽后的44和65 d進行追肥，施肥比例為1:1。利用施肥器將水溶肥摻入水流，在儲水罐中循環混勻后進行施肥。對照地下滴灌處理利用首部供水裝置進行供水；曝氣地下滴灌處理利用文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 684，美國Mazzei Corp公司）進行曝氣：當水流經過文丘里空氣射流器時，因涌流而致橫截面積變小流速上升，因而壓力減小產生負壓，吸入承壓罐體上方的空氣，進行曝氣。試驗中利用儲水管路、循環泵、文丘里空氣射流器等設備制得摻氣比率約為15%的摻氣水（曝氣20 min），通過地下滴灌系統進行灌水[13]。各小區供水系統獨立，供水壓力為0.10 MPa，采用滴水計量器計量灌水量。試驗中灌水下限根據距離植株徑向10 cm、縱向10 cm埋深處的張力計（12型分體式張力計，中國農業科學院農田灌溉研究所）確定：當土壤基質勢下降至?30 kPa時開始灌溉。灌水量根據式（1）計算[11]

式中為各處理每次的灌水量，mm；為小區控制面積，2 m2；E為1個灌水周期內蒸發皿（型號為601）的蒸發量，mm；K為蒸發皿系數，取值0.6和0.9，分別表示低濕度處理W1，高濕度處理W2[14]。灌溉時間及灌水量見表3。

1.5 樣品采集與測定方法

1.5.1氣體N2O樣品采集與分析

試驗中利用靜態箱采集氣體樣品，箱體及底座均采用壁厚6 mm的圓柱形中空PVC管制成，內徑15 cm，高度10 cm。隨機選擇2株番茄間進行靜態箱底座的埋設，每個處理隨機選擇3個小區進行氣體的監測。埋設時將靜態箱底座的一半嵌入土壤，非采氣時間用圓形地膜遮蓋，采氣時間移去地膜，蓋上箱體并用橡皮圈密封。研究中分別于移植后35、36、43、47、48、57、61、66、67、69、74、82、89、95 d進行采氣。采樣時間分別于蓋上箱體的0、10、20和30 min利用帶三通閥的50 mL注射器進行氣體采集，每次取氣35 mL，其中5 mL用于潤洗，其余30 mL注入12 mL具塞樣品瓶中。采集的氣體樣品1周內利用氣相色譜儀（GC-2010Plus，日本島津公司）分析N2O濃度。去除奇異點，保證樣品濃度值與時間的線性回歸決定系數2≥0.85。氣體采集的同時，利用安插在箱體內的溫度計測量箱內溫度。依據公式（2）計算土壤N2O排放通量[15]。

式中為土壤N2O排放通量，mg/(m2·h)；為標準狀態下氣體密度，g/cm3；為箱體高度，m；d/d為氣體濃度變化率，mg/(m3·h)；為箱體內氣溫，℃。

表3 作物生育期內灌水量

溫室番茄地土壤N2O累積排放量依據式（3）計算

式中N2OTot表示作物生育期內土壤N2O排放總量，g/hm2；表示生育期氣樣采集次序；為生育期內氣體采集的總次數；為N2O排放通量，mg/(m2·h)；為移植天數，d；10為單位換算系數。

分批收獲番茄果實，利用精度為0.01 g的天平測定番茄產量。單位產量N2O累積排放量見式（4）[15]

氮肥偏生產力依據式（5）計算[16]

式中PFPN為氮肥偏生產力（nitrogen partial factor productivity），kg/kg；為不同處理小區施氮量，kg/hm2。

1.5.2 土壤物理、化學指標的測定

土壤N2O排放通量主要由表層土擴散排放，土層較深時，氣體擴散受阻。因此土壤礦質氮選取0～10 cm土層測定，土壤溫度選擇土深10 cm處測定[17]。利用氧化還原電位測量儀（上海儀電科學儀器股份有限公司，中國）測定土壤氧化還原電位（oxidation-reduction potential，Eh）和氧氣擴散速率（oxygen diffusion rate，ODR）。預試驗研究表明，探頭20 cm時，不同處理的Eh和ODR差異顯著，而探頭低于20 cm時，兩者無顯著差異，故研究中選擇20 cm進行Eh和ODR探頭的埋設。利用土壤濕度記錄儀（FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司）測定土深10 cm處土壤濕度。FDS-100水分傳感器埋設于布設靜態箱的相鄰2株作物中間。土壤充水孔隙度依據式（6）計算[15]。

式中WFPS為充水孔隙度（water-filled pore space），%；θ為土壤質量含水率，%；ρ為土壤容重，g/cm3；ρ為土粒密度，取值2.65 g/cm3。

試驗中于施肥前后及生育期末進行土壤樣品的采集，采集時間為移植后36、47、61、66和120 d。測定礦質氮的取土深度為0～10 cm，每個小區各設1個取土位置，取土位置為未布設靜態箱的相鄰2株作物中央，取土后將取土造成的坑洞填平。取樣后將樣品立即放于4 ℃冰箱保存1～3 d后待測[18]。利用2 mol/L KCL溶液浸提土樣，土壤硝態氮利用紫外分光光度法測定，土壤銨態氮利用靛酚藍比色法測定。土壤礦質氮質量分數根據式（7）計算[15]。

式中為礦質氮（硝態氮、銨態氮）質量分數，mg/kg；為樣品礦質氮濃度，mg/L；為樣品提取液體積，0.05 L；為樣品質量，5.00 g。

1.5.3 土壤硝化與反硝化微生物DNA提取和qPCR分析

番茄果實膨大期土壤N2O排放通量較大，因此在果實膨大期（移植后77 d）采集土壤樣品（0～10 cm）[11]，測定微生物取土位置為每個小區中部未布設靜態箱的相鄰2株作物中央處。土樣經液氮冷凍后，置于冷凍干燥機（Neocoole，日本雅馬拓科技公司）干燥，于無菌碾缽中碾磨成粉末狀，去除動植物殘體等雜質，裝入無菌離心管，置于?70 ℃冰箱保存。硝化反應中銨態氮通過亞硝酸鹽轉化為硝態氮，其中由銨態氮氧化成亞硝酸鹽是硝化反應的限速步驟，由氨氧化細菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）催化完成[19]。硝酸鹽還原酶控制著反硝化作用的第一步，硝酸鹽還原酶基因（nitrite reductase，）是對應的編碼基因；氧化亞氮還原酶控制著反硝化作用的最后一步，氧化亞氮還原酶基因（nitrous oxide reductase，Z）是編碼此酶的唯一基因[19-20]。依據文獻[19]方法測定AOA、AOB和Z，依據文獻[21]方法測定。

1.6 數據處理

使用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理和繪圖；用SPSS 18.0對試驗數據進行方差分析；利用AMOS 22.0進行結構方程模型分析。

2 結果與分析

2.1 水肥氣耦合滴灌下N2O排放特征

圖2列出了不同處理下番茄地土壤N2O排放動態，施肥后土壤N2O排放通量出現短暫峰值，其余時期各處理N2O排放通量較低。

注：↓代表灌水事件，下同。

Note: ↓ represents irrigation events, same as below.

圖2 不同處理下番茄地土壤N2O排放動態

Fig.2 Nitrous oxide emission flux from greenhouse tomato field soil under different treatments

土壤N2O排放通量主峰值最大為163.69g/(m2·h)（N2AW2處理），較處理N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高188.78%、111.27%、106.93%、45.45%、87.24%、55.37%、59.50%。試驗加密監測了第二次灌水施肥周期內土壤N2O排放動態。施肥后各處理土壤N2O排放通量峰值出現時間略有差異。低濕度處理N2O排放通量峰值出現在灌水后1 d，其余處理出現在灌水后2 d。施氮量、摻氣量和灌水量的增加均導致N2O排放通量峰值提高和排放峰出現時間延后。不同處理土壤N2O排放通量次峰值最大值為132.69g/(m2·h)（N2AW2），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高165.24%、96.27%、97.45%、86.67%、79.41%、10.48%和45.50%。

番茄不同生育階段土壤N2O排放量見表4。

表4 溫室番茄不同生育階段土壤N2O排放量

注：同列數據后不同小寫字母表示=0.05水平存在顯著性差異，*和**分別表示=0.05和=0.01水平存在顯著性差異，ns表示=0.05水平不存在顯著性差異，下同。

Note The different letters at same column indicate significant differences at the level of=0.05, * and ** respectively indicate that there is a significant difference at=0.05 and=0.01 levels, while ns indicates that there is no significant difference at=0.05 level, the same as below.

表4列出了番茄不同生育階段土壤N2O排放量。由于N2O的排放總量和排放峰值與施肥密切相關。已有研究表明N2O的排放峰值和總量與施肥密切相關，峰值均出現在施肥后且具有較大占比[22-23]，因此本研究在番茄移栽前和苗期均未進行施肥，苗期N2O排放量對全生育期排放總量的影響較小。施氮量增大增加了土壤N2O排放總量，N2水平下，處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較N1水平下各相應處理分別增大47.86%、27.71%、32.47%和32.25%（<0.05），故N2條件下N2O排放總量較N1平均增加33.83%；摻氣處理增加了土壤N2O排放總量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的N2O排放總量較相應的不摻氣對照處理增加了49.35%和33.74%（<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的N2O排放總量較相應的不摻氣對照處理增加了29.00%和33.50%（<0.05），故曝氣條件下N2O排放總量較不摻氣對照平均增加35.16%；灌水量的增加增大了土壤N2O排放總量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較W1水平下各相應處理增加了40.90%、26.17%、26.24%和30.64%（<0.05），故W2條件下N2O排放總量較W1平均增加30.14%。由土壤N2O排放總量的交互作用分析知：灌水量、摻氣量和施氮量的3因素交互作用和兩兩交互作用都不顯著。綜上，就土壤N2O排放總量而言，摻氣量對土壤N2O排放總量的影響高于施氮量。不同處理土壤N2O階段排放量表現為番茄成熟期最小；開花坐果期次之；果實膨大期最大，遠遠高于其余2個生育階段。

不同水肥氣組合方案下單位產量N2O累積排放定額及氮肥偏生產力見表5。表5表明，施氮量的增加提高了作物產量，N2水平下處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的產量較N1水平下各相應處理分別增加35.24%、44.98%、38.87%和44.39%（<0.05）；曝氣處理提高了番茄產量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的產量較相應對照處理增加了19.79%和19.34%（<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的產量較相應對照處理增加了28.42%和24.08%（<0.05）；灌水量的增多提高了番茄產量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的番茄產量較W1水平下各相應處理增加了40.66%、40.13%、44.43%和39.55%（<0.05）。

表5 水肥氣耦合滴灌番茄地單位產量N2O排放定額及氮肥偏生產力

單位產量N2O排放定額最小為20.29 mg/kg（N2CW1），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW2、N2AW1、N2CW1和N2AW2減小12.13%、28.76%、18.37%、37.11%、19.26%、12.23%和27.88%。曝氣處理增加了單位產量N2O排放定額，N1AW1處理單位產量N2O排放定額較N1CW1處理增加24.36%（<0.05）。曝氣處理提高了番茄氮肥偏生產力，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的氮肥偏生產力較相應對照處理增加了19.78%和19.34%（<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的氮肥偏生產力較相應對照處理增加了28.42%和24.08%（<0.05）。

2.2 土壤物理化學因子分析

土壤濕度、溫度、氧化還原電位（Eh）、氧氣擴散速率（ODR）、NO3--N、NH4+-N的動態變化如圖3所示。經預試驗研究，不同施氮水平對土壤充水孔隙度、土壤溫度、氧化還原電位和氧擴散速率無顯著影響，故試驗中僅選擇N2施肥水平進行測定。圖3a顯示，不同處理土壤充水孔隙度變化趨勢基本一致，灌水后土壤充水孔隙度迅速上升至峰值，峰值時高濕度處理土壤充水孔隙度高于低濕度處理，之后隨著時間的推移2種灌水量的土壤充水孔隙度逐漸接近。低濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對照處理平均降低了1.34%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對照處理平均降低了7.45%。不摻氣處理下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了12.63%；曝氣灌溉下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了6.12%。

整個生育期土壤溫度在13.0～25.7 ℃范圍內波動，不同處理土壤溫度變化幅度較小（圖3 b）。一個灌水周期內氧化還原電位呈現灌水后先下降后上升的趨勢，上升和下降階段均持續1 d左右，其余時間各處理氧化還原電位波動較小（圖3c）。低濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對照處理平均增大了3.22%；高濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對照處理平均增大了36.41%。對照灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均降低了7.91 %；曝氣灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均增大了23.29%。

ODR與Eh的變化趨勢基本一致，但灌水后氧氣擴散速率上升和下降階段持續時間較長（圖3d）。低濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對照灌溉處理平均增大了7.70%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對照處理平均增大了29.23%。不摻氣處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均降低了5.81%；曝氣灌溉處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均增大了12.60%。

番茄生長季內，土壤銨態氮質量分數均較低，在0.57～4.45 mg/kg范圍內變化。土壤無機氮中硝態氮占比較大，且不同灌水量處理土壤硝態氮含量與施肥及N2O排放有關，低濕度處理土壤硝態氮含量及N2O排放均低于高濕度處理（<0.05），施肥后土壤硝態氮含量明顯提升（圖3e）。全生育期土壤銨態氮含量變化趨勢與硝態氮一致，但土壤氨態氮所占比率較小（圖3f）。

2.3 番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度

溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度見表6。增加灌水量，N2CW2處理溫室番茄地AOB基因豐度呈上升趨勢，增大81.80%（<0.05）；處理N2AW2溫室番茄地Z基因豐度差異不顯著；與對應不摻氣對照相比，曝氣灌溉N2AW1處理增溫室番茄地AOA數量差異不顯著。

圖3 溫室番茄地土壤濕度（WFPS）、溫度、氧氣擴散速率、氧化還原電位(Eh)、硝態氮和銨態氮動態

表6 溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度

注：AOA為氨氧化古菌；AOB為氨氧化細菌；為硝酸鹽還原酶基因；為氧化亞氮還原酶基因。

Note: AOA is ammonia-oxidizing archaea; AOB is ammonia- oxidizing bacteria;isnitrite reductase;is nitrous oxide reductase.

2.4 結構方程模型分析

圖4給出了土壤N2O排放影響因素的結構方程模型分析結果。

注：WFPSODR、NH4+、NO3-、T分別表示土壤充水孔隙度、氧氣擴散速率、銨態氮含量、硝態氮含量和土壤溫度。

Note: WFPSODR, NH4+, NO3-,Trepresent water filling porosity, oxygen diffusion rate, ammonium nitrogen content, nitrate nitrogen content, and temperature in soil, respectively.

圖4 土壤水肥氣熱對番茄地土壤N2O排放通量影響的結構方程模型

Fig.4 Structural equation model analysis on influencing factors of soil water, fertilizer, air, and temperature on N2O emission from greenhouse tomato field soil

對土壤N2O排放的影響因素而言，WFPS對N2O排放的總效應為-0.03，ODR對N2O排放的總效應為-0.08，NH4+含量對N2O排放的總效應為0.60，NO3-含量對N2O排放的總效應為0.79，T對N2O排放的總效應為0.02。結果表明，土壤硝態氮和銨態氮是影響溫室番茄地土壤N2O排放的主要因素。

3 討 論

3.1 施氮量、摻氣量和灌水量對土壤N2O排放的影響

試驗證明施氮量的增加顯著增大了土壤N2O排放，這與周龍等[24]研究結論一致。土壤中N2O的產生是在微生物作用下通過硝化作用和反硝化作用完成，其中硝化作用和反硝化作用的底物分別為銨態氮和硝態氮[8]。研究表明施氮不僅為硝化作用和反硝化作用提供充足的底物，同時增加了土壤AOA和AOB基因拷貝數，硝化反應強度增強，土壤N2O排放潛力得到釋放[25]。施氮為土壤硝化反應和反硝化反應提供了充足的底物，故施氮后土壤N2O排放通量迅速增大并出現峰值。施氮后大部分礦質氮以無機氮的形態殘留于土壤剖面中，礦質氮一部分通過淋溶、NH3揮發、NOx排放等途徑損失，一部分被作物吸收利用[26]，土壤硝態氮含量逐漸降低，底物濃度下降造成土壤N2O排放下降[24]。另外，隨著蒸騰蒸發作用的進行土壤濕度逐漸下降，也降低了土壤N2O排放，故土壤N2O排放通量出現短暫峰值后迅速下降。試驗中滴灌灌水頻繁造成灌水對土壤濕度和通氣狀況的影響持續時間較長，灌水量和摻氣量對全生育期土壤N2O排放影響積累，造成灌水量和摻氣量對土壤N2O排放總量的影響較大。

水肥氣耦合滴灌下摻氣量和灌水量的改變影響著土壤通氣狀況和水分含量。土壤通氣狀況由水分含量、O2在土壤中擴散的難易程度以及微生物和根系對O2消耗的多寡決定，土壤通氣狀況與水分含量息息相關[8]。水分影響著土壤通氣狀況并進一步影響到氧氣的有效性和土壤中N2O從產生部位向大氣擴散[27]。前人研究發現，在土壤由干變濕過程中，土壤N2O通量隨土壤WFPS的增加而上升，在WFPS為70%時達到最大，而后隨土壤WFPS的減少而下降[28]，試驗中高濕度量處理土壤WPFS處于60%～80%的持續時間更長，因此高濕度量增大了生育期N2O排放總量。當土壤含水量較低時，N2O產生主要來源于硝化過程[29]。曝氣滴灌處理的灌溉水流中摻氣量大，局部濕潤區域內氧氣含量高，從而導致土壤銨氮氧化酶活性增大，硝化反應增強，增加了N2O排放。當土壤含水量過高時，土壤中極度缺氧，銨氮氧化酶活性受到抑制，N2O還原酶活性較高，有利于反硝化作用并最終產生N2，但不利于產生中間產物N2O[30]。

3.2 施氮量、摻氣量和灌水量對土壤理化特性及微生物的影響

氮肥用量是影響農作物產量的重要因素[24]，施肥后土壤養分狀況得到改善。在適宜的時間施肥可以促進氮素由營養器官向生殖器官轉移，提高產量[31]。施肥也影響著微生物種群和數量。董艷等[32]研究表明根際微生物數量隨施氮量的增加呈現先增大后減小的變化趨勢。試驗中未測定不同施氮水平下微生物數量，今后仍需進一步研究。

灌水量影響土壤水分狀況，適宜的水分狀況是微生物生長的基礎。Yang等[33]研究表明土壤由干變濕過程中土壤微生物數量增長。灌溉過程中灌溉水逐漸進入土壤孔隙，土壤充水孔隙度持續增大。由于滴灌具有灌水周期短、單次灌水量少的特點，灌水后濕潤區整體含水量不至過高，微生物生長的水分環境得到改善，微生物種類和數量增大[34]。灌溉后土壤水分一部分經蒸發、擴散和入滲損失掉，一部分被作物吸收利用，土壤充水孔隙度逐漸降低，微生物生長的水分環境惡化，好氧微生物的繁殖受到抑制，一定程度上造成了灌水周期內土壤N2O排放呈現單峰型曲線。

前人研究證實，曝氣灌溉通過向根區輸送高摻氣比的灌溉水，可有效改善根際土壤通氣性[6]。試驗中由于灌溉水體驅替土壤孔隙中的空氣，導致土壤孔隙中的氧氣含量降低，氧化還原能力降低，故Eh和ODR降低。灌水后土壤中的水分經各種途徑損失，氧氣進入土壤孔隙，此時Eh和ODR呈現上升趨勢。上述過程中由于曝氣灌溉水中摻氣量較大，表現為曝氣滴灌處理Eh和ODR值略高于對照處理。根際土壤通氣性的改善可促進與硝化作用相關的亞硝化螺菌屬，磷、鉀代謝相關的假單胞菌屬、芽孢桿菌，抑制與反硝化相關的羅爾斯通菌屬，有效增加深層土壤的細菌豐度，促進硝化螺旋菌等好氧菌的生長[12]。

3.3 土壤N2O排放與環境因子之間的關系

施氮后土壤氮素在短期內通過微生物的硝化和反硝化作用以N2O的形式損失[35]，故試驗中氮素含量變化對于土壤N2O排放的解釋度較高，這與前人的研究結果一致[36]。試驗中常氮處理提高了氮肥偏生產力，降低了番茄單位產量的N2O排放量，這與周龍等[24]增加施氮量提高了馬鈴薯單產N2O累積排放量的研究結果相反，可能是由于常氮處理番茄生長潛力大幅提升及作物種類不同有關。

土壤的水分和氧氣狀況也是影響N2O的產生與排放的重要因素。土壤含水量較低時N2O排放主要取決于其產生過程，其排放主要通過土壤孔隙內的氣體介質擴散傳輸，而水分飽和時，土壤中的N2O排放主要取決于其擴散傳輸過程，N2O氣體擴散系數前者比后者大2~4個數量級[37]，因此施肥后高濕度處理土壤中產生N2O不能及時排出而積蓄起來，導致低濕度處理條件下施肥后土壤N2O排放峰值出現時間早于高濕度處理（低濕度處理峰值出現在灌水后1 d，高濕度處理出現在灌水后2 d）。曝氣處理能夠有效改善土壤通氣性[6]，抑制反硝化過程中N2O被還原成N2[30]，導致N2O的排放量增大，表現為高濕度處理N2O排放較大且高濕度處理下循環曝氣處理N2O排放最大。

除上述原因外，農田N2O產生也與土壤微生物種類和數量及土壤溫度等因素有關[8,38]。本試驗所測4種基因中AOA和AOB基因豐度對N2O排放的貢獻較大，可能是由于好氧條件下將銨態氮氧化成硝態氮的硝化作用是低碳旱作農田土壤N2O產生的主要過程[39]，硝化氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細菌（AOB）控制著硝化反應第一步（氨氧化反應），直接影響了N2O的排放量[20]，而各試驗處理土壤硝化作用產生的N2O占比較大所致。至于土壤硝化作用和反硝化作用對土壤N2O排放的貢獻仍需進一步研究。

4 結 論

本文進行了水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放及影響因素的研究，得到以下結論：

施氮量、摻氣量和灌水量的增大均提升了土壤N2O排放總量。高濕度條件下N2O排放總量較低濕度平均增加了30.14%，曝氣條件下N2O排放總量較對照平均增加了35.16%，常氮條件下N2O排放總量較低氮平均增加了33.83%。

土壤NH4+-N和NO3--N含量對N2O排放的總效應為0.60和0.79，是影響水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導因子。

土壤N2O排放通量僅在灌水施肥后1~2 d內處于較高水平，其余時期土壤N2O排放通量較小。

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Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigation

Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming

(,450046)

Water-fertilizer-air coupling drip irrigation is a new type of drip irrigation technology, which covers both the advantages of drip fertilization and aerated irrigation. Water-fertilizer-air coupling drip irrigation can effectively improve the root zone hypoxia stress caused by irrigation, harmonize the water and fertilizer conditions needed for crop production, and unlock the gate of high yield potential of crops. We focus on the effects of different combinations of water, fertilizer and air application on soil nitrous oxide (N2O) emission, and thus to provide scientific supports for N2O emission reduction from greenhouse vegetable filed soil and the increase of crop yield as well as nitrogen use efficiency. A total of 3 factors, 2 levels of completely randomized experiment were set up with the three factors and two levels as nitrogen application rate (low and normal nitrogen), aeration rate (non-aeration and continuous aeration) and irrigation amount (low and high soil moisture, 82.37 and 123.71mm), respectively. Through the coupled use of static box gas chromatography, qPCR technology and structural equation model, the relationship between N2O emission from tomato filed soil and its related physical and chemical factors were studied systematically. Results show that water-fertilizer-air coupling irrigation changes soil moisture and soil aeration, and also influences soil N2O emissions. Under low soil moisture treatments, the average ODR (oxygen diffusion rate) of continuously aerated irrigation increases by 7.70% compared with the non-aerated irrigation. While in the high moisture treatments, the average ODR of continuously aerated irrigation increases by 29.23% compared with the non-aerated irrigation treatments. Compared to the low level of irrigation treatment without aeration, the average WFPS (water filled pore space) of the high level of irrigation treatment increases by 12.63%; While under the aeration condition, the average WFPS value of the high level of irrigation treatments increases by 6.12% compared with the low irrigation treatment. The peak N2O emission under water-fertilizer-air coupling irrigation occurs within 2 days after nitrogen application, and the N2O emission flux becomes low and the amplitude is small during the rest of the period. The increases of nitrogen application rate, aeration amount and irrigation amount increase the N2O emission flux and total N2O emission amount from soil. The average N2O emission in the high soil moisture treatment increases by 30.14% compared to the low soil moisture condition. The total N2O emission under aeration treatment increases by 35.16% compared to non-aeration treatment. While the total amount of N2O emissions under normal nitrogen applications increases by 33.83% comparison to the low nitrogen applications. The increase of nitrogen application rate, aeration amount and irrigation amount can increase the yield of greenhouse tomato and the partial productivity of nitrogen fertilizer. The total effects of NH4+-N and NO3--N content on N2O emissions were 0.60 and 0.79, suggesting as the dominant factors affecting soil N2O emissions under water-fertilizer-air coupling irrigation. The yield under the combination of normal nitrogen application level, aeration and high level of irrigation amount is the largest (39.47 t/hm2). The yield-scaled N2O emission under the combination of normal nitrogen application and low irrigation is the lowest (20.06 mg/kg). Considering crop yield, total N2O emission and nitrogen fertilizer partial productivity, the combination of normal nitrogen application, continuous aeration and low soil moisture treatment is an optimal scheme for water-fertilizer-air coupling irrigation.

fertilizer; irrigation; emission control; N2O emission; influencing factors; structural equation model

2018-11-15

2019-05-25

國家自然科學基金（U1504512，51779093，51709110）、河南省科技創新人才項目（174100510021）和中原科技創新領軍人才項目（194200510008）

雷宏軍，博士，教授，博士生導師，主要從事節水灌溉理論與技術研究。Email：hj_lei2002@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011

S275.6; S365

A

1002-6819(2019)-11-0095-10

雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛，劉 鑫，臧 明. 水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：95－104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http://www.tcsae.org

Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming. Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 95－104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http://www.tcsae.org