滴灌對農田N2O排放影響的研究進展

周 爽，王廣帥，高 陽，江曉慧，李歡歡，張俊鵬，張靜祎

(1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2. 中國農業科學院農田灌溉研究所 農業部作物需水過程與調控重點實驗室, 河南 新鄉 453002)

0 引 言

聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change)發布的第五次評估報告指出，以溫室氣體排放增加為主要原因的全球氣候變暖正愈演愈烈。因氣候變暖而引起的積雪和冰量不斷減少以及海平面不斷上升，將對人類未來的生活、生產構成嚴重威脅。氧化亞氮(N2O)作為主要的溫室氣體之一，其全球增溫潛勢是CO2的265倍[1]，在全球氣候變化中起著極其重要的作用，因此受到世界范圍的廣泛關注[2,3]。

農田生態系統作為陸地生態系統的主要組成部分，其溫室氣體排放量占全球總排放量的1/5[4]。目前有關農田生態系統溫室氣體排放的研究，主要集中在秸稈還田、施肥、地膜覆蓋、耕作等農田管理措施的影響方面[5-8]，對其他因素的影響研究相對較少。灌溉是一項重要的農田水分狀況調控措施，而水分則是土壤溫室氣體排放與吸收的關鍵驅動因子，因此灌溉模式的改變勢必會對農田土壤溫室氣體排放強度產生強烈影響[9-12]。傳統的畦灌方式，由于供水模式和灌溉水量等不盡合理，一定程度上加劇了土壤N2O的排放[13]。滴灌作為一種高效的節水灌溉技術，具有灌水定額小、灌溉水利用效率高、易于實現自動控制等優點，在世界上(特別是干旱半干旱地區)很多國家得到廣泛應用。對于滴灌技術應用后的環境效應，以往的研究多集中在對土壤鹽分運移、水分分布及水肥耦合作用等方面[14-15]，較少關注其對溫室氣體排放的影響。隨著滴灌技術應用日趨廣泛，極有必要深入開展滴灌技術對N2O排放影響的研究。

國內外越來越多的學者開始關注如何在保證農業生產高產、穩產的同時，盡可能地減少溫室氣體排放這一科學問題。滴灌作為一項高效節水措施，其對土壤生態環境的影響也必然會作用于溫室氣體的產生、運輸及排放過程。通過系統的檢索和分析相關的文獻資料，本文較為全面的綜合分析了滴灌對土壤N2O排放的影響及作用機理，討論了目前有關滴灌下N2O排放研究存在的一些問題(如目前有關溫室氣體排放的空間異質性和多種溫室氣體的同步定量研究等方面仍存在一些不足)，以期為農業溫室氣體N2O的綜合控制及減緩提供有價值的線索。

1 土壤N2O的產生機制

2 滴灌對農田N2O排放的影響

滴灌通過管道和滴頭系統將水緩慢地灌在作物根部，僅濕潤根部附近的土壤，能夠減少棵間土壤蒸發損失、避免發生地表徑流和深層滲漏。張西超等[21]比較不同灌溉方法對土壤水分和番茄生長影響發現，滴灌處理各土層間土壤水分分布均勻，有利于高產、高效、節水。滴灌條件下土壤大部分處于干燥狀態，其土壤溫度與其他灌溉方式存在差異，王建東等[22]研究表明滴灌在一定程度上延遲了氣溫對土壤溫度的影響，具有保溫作用。滴灌有利于土壤有機氮的礦化，改變土壤銨態氮、硝態氮含量，從而影響土壤氮素轉化過程。Livesley等[23]研究發現在滴灌農田中，頻率干濕交替會明顯影響灌溉周期內土壤速效氮的轉化，改變氮氧化物的排放。

相比常規灌溉技術，節水灌溉技術能夠減緩溫室氣體排放。有研究表明滴灌下土壤水分分布更能抑制反硝化反應，使得N2O排放更少[24-25]。Kallenbach等[26]在研究冬季豆類覆蓋種植時發現，地表滴灌下土壤N2O排放量顯著低于畦灌。田間試驗表明，滴灌棉田N2O排放量比溝灌棉田降低了70%[27]。Wu等[28]研究發現，灌溉方式對全球增溫潛勢(GWP)影響顯著，相比畦灌菜地，滴灌菜地具有產量和水分利用率高、田間GWP低的特點。Maraseni等[29]研究表明，將蔬菜產地噴灌系統改為滴灌系統，節省近200 萬L/hm2(52.4%)的灌水量，并可全面減少溫室氣體排放。Sanchez-Martín等[30]通過研究甜瓜土壤N2O也發現，滴灌減少了甜瓜土壤反硝化速率和N2O的排放。然而，齊玉春等[31]提出，由于滴灌土壤干濕交替頻繁，可能會產生同時適宜硝化和反硝化過程的環境，從而引起顯著的N2O排放。徐華等[32]研究也表明，土壤干濕交替循環會產生較高的N2O排放通量。可見，滴灌灌水方式對農田N2O排放產生明顯影響，究其原因是滴灌改變了土壤水熱狀況和氮素轉化過程。

3 滴灌影響農田N2O排放的機理

3.1 滴灌改變土壤溫度進而影響土壤N2O排放

不同灌溉方式會產生不同的土壤微環境條件(如土壤濕度和溫度)，滴灌條件下，土壤部分區域處于干燥狀態，其水熱狀況與其他灌溉方式明顯不同。王鐵良等[33]對比溝灌、滴灌和小管出流三種灌溉方式，發現灌溉方式出水的流態對土壤溫度變化具有一定影響。滴灌每次灌水都能使水分均勻分布在根系層內，從而明顯減少淺土層土壤蒸發，使土壤溫度變化幅度較小，能夠提供較為穩定的溫度環境。Wang 等[34]研究表明大豆滴灌處理的土壤溫度顯著高于噴灌處理，促使滴灌處理出苗率更高。

而土壤溫度是影響N2O產生和排放的重要因素。Dobbie等[35]研究表明草地土壤N2O排放量隨溫度升高而急劇增加。Kamp等[36]發現，在夏季增溫處理的N2O排放速率是非增溫處理的3倍。謝軍飛等[37]認為，15～35℃為硝化細菌活動的適宜溫度，5～ 75℃為反硝化細菌的適宜溫度，土壤溫度對硝化作用的影響較為顯著。鄭循華等[38]研究發現，在稻麥輪作系統中，當溫度低于硝化作用的適宜溫度下限15℃或高于上限35℃時，N2O的產生率顯著降低，并且N2O排放通量發生的頻率隨表層土(5 cm土層深度)日平均地溫變化呈正態分布。Liu等[39]認為，由于酶活性隨地溫增加呈指數增加，因此只要N2O產生過程(硝化和反硝化反應)不因土壤濕度和基質有效性太低而受限制，則N2O排放隨地溫的增加呈指數增加。同時，溫度的變化還使得N2O排放量的日變化趨勢較為明顯[34]。

綜上所述，滴灌土壤溫度與其他灌溉方式不同，土壤溫度不僅影響N2O產生的生物學過程，并且通過對土壤微生物菌群數量、結構和活性的影響[40]來調節土壤中氣體傳輸速率有關的物理化學參數[41]，進而改變土壤N2O的產生量及排放速率[35, 42]。

3.2 滴灌改變土壤濕度進而影響N2O排放

土壤水分狀況是影響N2O排放的重要因素之一。滴灌相對于其他灌水方式，通過頻繁少量地將水施加到作物的根部，精準地調控土壤水分，使作物的水分條件始終處于最優狀態，避免了水分過多或虧缺狀況的周期性重復。Livesley[23]研究表明土壤水分與N2O排放之間存在顯著的相關關系。Gucinski研究指出，當土壤孔隙含水率<60%時，土壤環境有利于硝化反應的發生，從而促進N2O的產生與排放；而當土壤孔隙含水率>60%時，氧氣供應減少，在厭氧條件下進行的反硝化反應成為產生N2O的主要途徑[43]。

鄭循華等[44]在太湖地區稻麥輪作農田進行的試驗，發現N2O排放較強烈地受土壤濕度的影響，當土壤濕度為84%～86%土壤充水孔隙度(WFPS)時，N2O的排放量最大。在較低的土壤濕度范圍內，N2O排放量與濕度呈正相關。Ruser[45]認為當土壤濕度超過60%～70% WFPS時，反硝化過程產生的N2O排放會隨土壤含水率的增加而增加。蔡祖聰等[46]通過室內培養試驗發現，水稻土壤N2O排放量隨著土壤水分含量的下降而增加，而半干旱地區草地土壤N2O排放則隨著水分含量的下降而減少。還有學者發現N2O的產生在很大程度上取決于土壤濕度的變化頻率[47]，變化頻率的增加會造成土壤N2O產量的激增[48]，因為在干濕交替階段，硝化作用和反硝化作用都十分強烈。

3.3 滴灌改變土壤氮素轉化過程而影響N2O排放

土壤氮素轉化細菌數量和酶活性是發生硝化反硝化反應的重要條件，對N2O排放有著不可忽視的影響。陳玲等[55]認為土壤N2O排放主要取決于土壤細菌數量的變化。滴灌條件下土壤水熱環境較為適宜，有利于土壤微生物生長和酶活性的提高。陳寧等[56]研究不同灌溉方式對茄子土壤微生物和酶的影響，結果表明滴灌土壤細菌和放線菌的數量、脲酶活性顯著比畦灌高。Li等[57]提出交替灌溉濕潤區土壤脲酶活性較高。顯見，滴灌改變了土壤硝態氮、銨態氮和微生物量以及氮素轉化相關的酶活性，不可避免的會影響N2O排放過程。

4 問題與展望

滴灌作為一種重要的節水灌溉方式，目前已在全球農業生產中得到廣泛應用。隨著農業水資源短缺現象的不斷加劇和現代農業的快速發展，預期滴灌在未來還會有更加廣泛的應用和更加快速的發展，因此深入研究這種灌溉方式對土壤溫室氣體排放的影響，有助于明確和掌握滴灌條件下土壤溫室氣體排放規律，對實現溫室氣體有效控制具有極為重要的意義。文獻綜述顯示，國內外有關滴灌農田溫室氣體N2O排放的研究已有很多，并取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。

(1)與傳統灌溉方式相比，滴灌方式是土壤局部灌溉，而土壤干燥區和濕潤區溫室氣體排放通量通常會存在顯著差異，目前對于滴灌條件下溫室氣體排放的空間異質性研究在數量和深度上都明顯不足。

(2)滴灌對不同種類溫室氣體的影響存在較大差異，有時甚至存在相反的效應。文獻檢索顯示，滴灌條件下農田多種溫室氣體的同步定量研究工作開展得還十分有限。

(3)有關滴灌對溫室氣體N2O排放影響的研究，目前大多停留在對N2O氣體通量變化特征與變化規律的描述上，對滴灌影響N2O排放的微生物學驅動機制和環境驅動機制方面的研究相對較少，深度也明顯不足。

未來，在相關領域的研究中應加強滴灌條件下溫室氣體排放的空間分布特征和變化規律的研究，加強滴灌技術應用對多種溫室氣體綜合效應變化的長期研究，以及與傳統灌溉方式影響效應差異的比較研究與定量評價，并不斷拓寬研究方法，開展更全面的作用機理與控制措施研究，從而為區域農田溫室氣體減排措施的制定提供堅實的理論基礎與技術支撐。

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