不同灌溉水量對農田生態系統氮素損失及功能微生物的影響

吳林億王麗麗杜君魏義長王肅龔玲玄萬博周其文

(1.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；2.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；3.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002)

前言

當前氮素化學肥料施用所造成的農業生產污染，已嚴重影響自然環境。在目前的技術條件下，氮素肥料無法完全被作物吸收，存在大量流失的情況。我國普遍使用的肥料吸收利用率為30%～40%，在世界范圍內屬于較低的水準(同時期世界較高的肥料吸收利用率能夠達到68%以上)。研究發現，長期進行蔬菜種植尤其是大棚蔬菜種植的區域，若氮元素肥料使用量較大，灌溉量較大，污染則更為嚴重。

水分和養分是作物生長的必需條件，也是土壤氮循環過程的主要驅動因素，并且有研究表明，作物產量符合報酬遞減規律(即作物產量隨著灌水水平和施氮量的增加表現出先增加后降低的趨勢)。可見漫灌和過量施肥并不是最理想的灌溉方式和施肥方式，反而可能會降低作物產量。但為了追求作物高產，目前仍有大部分農民或者溫室蔬菜大棚經營者盲目選擇“漫灌+過量施肥”的種植模式，從而導致面源污染日益加劇，土壤、地下水污染和農產品質量問題頻發。

水資源作為社會經濟發展不可缺少的基礎性資源之一，其供需不均衡問題矛盾近年來日益突出。根據2021年度《中國水資源公報》數據顯示，2021年，全國用水總量為5920.2億m3，農業用水為3644.3億m3，占用水總量的61.5%。其中，耕地實際灌溉用水量為5325m3·hm-2，農田灌溉水有效利用系數為0.568，距離國際先進水平仍有較大差距。據統計，農田灌溉水有效利用系數最高的國家為以色列(0.87)，其次為澳大利亞和俄羅斯(0.8)，阿爾及利亞、英國、美國、西班牙、法國等國家也在0.6以上。近30年，我國耕地灌溉面積呈現穩定增長的趨勢，但農業用水量自2013年開始隨著耕地灌溉面積的增加而降低。因為水資源供給的有限性以及耕地灌溉面積的增加，我國越來越重視農業水資源的高效利用。為了減輕農業水資源的浪費，節水灌溉成為農業發展的重點。

已有研究大多關注灌溉水量對農田作物產量、氮吸收、氮利用效率和單一方面氮素損失的影響，缺少對不同作物、不同區域、不同灌溉水量的整體性研究，且關于農田系統氮素循環過程及微生物的研究相對較少。本綜述通過收集近幾年關于不同灌溉水量下農田生態系統氮素損失的文獻，系統研究了不同灌溉水量對不同農田系統N2O排放、氨揮發、氮素淋溶及氮循環功能微生物的影響，可為不同灌溉水量下農田系統氮素損失研究的進一步開展提供數據支撐，為我國農田系統的灌溉方案制定提供了理論基礎。

1 文獻檢索

不同灌溉水量對農田生態系統氮素損失的影響是近些年研究的重點，見圖1。本綜述將關鍵詞“灌溉”與“氧化亞氮”“氮淋溶”“氨揮發”“氮轉化微生物”“氨氧化細菌”“氨氧化古菌”“反硝化細菌”相結合，在中國知網(CNKI)及Web of Science數據庫上進行文獻檢索，標題、摘要、出版日期、研究地點沒有限制，共篩選出文獻578篇。相較于不同灌溉水量對氮素損失的影響，包含微生物相關關鍵詞的出版物較少。

圖1 文獻檢索結果分布圖

2 不同灌溉水量對農田氮素損失的影響

2.1 不同灌溉水量對農田N2O排放的影響

由表1可知，相對于淹水灌溉，干濕交替灌溉會增加水稻田24.3%～47.6%的N2O排放。相較于干濕交替灌溉，保持土壤水勢在-10kPa，會減少65%的N2O排放。而對于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量會減少15%～51%的N2O排放。對于溫室菜田系統，降低25%～50%的灌溉水量會減少19%～57.4%的N2O排放。

表1 不同灌溉水量對農田N2O排放的影響

對于需水量大的露天水稻，馮澤宇[1]通過對比研究稻田的淹水灌溉(3～5cm水層)和節水灌溉(干濕交替)發現，節水灌溉處理使N2O累計排放量增加了47.6%，這歸因于節水處理的土壤通透性增加，強化了硝化作用和不完全的反硝化作用，造成N2O大量排放。相較于干濕交替灌溉，根據土壤水勢制定灌溉計劃(即將土壤剖面頂部15cm的土壤水勢保持在-10kPa)可以節省更多的灌溉水量，并且顯著減少了65%的N2O排放量[2]。

對于其他需水量少的作物，降低灌溉水量的50%可減少N2O排放量[3]。不同于傳統的大水漫灌，一種新的灌溉方式為依據土壤水分蒸發蒸騰量進行灌溉。相較于傳統灌溉，輕度虧缺灌溉(90%蒸發蒸騰量，ET)減少了50%的N2O排放；中度虧缺灌溉(69%～80% ET)將N2O排放減少了15%，而極端虧缺灌溉(54%～68%ET)可使N2O排放減少了40%[4]。對干旱半干旱地區旱田土壤，滴灌比溝灌有效降低了N2O排放[5]。對于設施菜田，有研究表明，微潤灌溉(減少58.9%的灌溉水量)比傳統灌溉降低了57.4%的N2O排放[6]，這與Li等[7]研究結果相似。

目前，關于不同灌溉水量對農田系統N2O排放的研究多集中在露天大田(如水稻)，對設施菜田的研究較少。另外，由圖2可知，相較于大水漫灌，干濕交替灌溉會增加水稻田的N2O排放。而基于土壤水勢灌溉雖然增加了N2O排放，但是增加量遠低于干濕交替灌溉。對于需水量少的大田作物和設施菜田，降低灌溉水量會不同程度地減少N2O排放。

圖2 不同灌溉水量對農田N2O排放的影響

2.2 不同灌溉水量對農田氨揮發的影響

由表2可知，相對于淹水灌溉，控制灌溉會減少水稻田3.9%的氨揮發量，而降低淹水深度會使氨揮發量增加。而對于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量會增加氨揮發量。對于溫室菜田系統，降低15%～18.7%的灌溉水量會增加46.7%～49.0%的氨揮發量。

表2 不同灌溉水量對農田氨揮發的影響

對于需水量較大的水稻田，Suting等[8]研究結果表明，控制灌溉處理的累計氨揮發量比大水漫灌處理低3.9%。與之相反，將水稻田的淹水深度從5cm降低至3cm和1cm會導致氨揮發量分別增加8.2%和28.0%[9]。這與王磊等[10]研究結果相似。

對于設施菜田，羅偉等[11]研究表明，降低灌溉量將會使黃土高原地區日光溫室番茄-西瓜輪作系統氨累計排放量增加了46.7%。這與Wuhan等[12]研究結果類似。

2.3 不同灌溉水量對農田氮素淋溶的影響

由表3可知，相對于淹水灌溉，干濕交替灌溉會減少水稻田9.4%～44%的氮素淋溶。而對于其他需水量少的大田作物，降低21.9%～84.5%的灌溉水量會減少10.2%～97.9%的氮素淋溶。對于設施菜地，降低20%～58.9%的灌溉水量會減少0%～87%的氮素淋溶。

表3 不同灌溉水量對農田氮素淋溶的影響

氮素淋溶是氮肥損失的另一重要途徑。對于需水量大的露天水稻，Amin等[14]研究發現，增加灌溉的間隔時間會降低42%～44%的N浸出濃度，這可能是由于延長的干燥過程引起了更好的硝化作用和優先流動路徑。與淹灌相比，節水灌溉對稻田滲漏水氮素濃度及各氮素占總氮的比例影響不大，但降低了14.2%的滲漏水量和9.4%的TN淋失量。

對于設施菜田系統，Chen等[15]研究結果表明，減少20%的灌溉水量顯著降低了N的淋溶，增加了用水效率，但同時導致茄子產量急劇下降。有研究表明，冬春季設施番茄的最佳灌溉水輸入范圍為3500～4000m3·hm-2。與常規灌溉相比，這種灌溉模式分別減少了87%和84%的硝酸鹽和可溶性有機氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)浸出，同時作物產量僅略有下降(<5%)。這與Li等[7]研究結果相似。

目前，關于不同灌溉水量對農田系統氮素淋溶的研究多集中在露天大田(如水稻)，對設施菜田的研究較少。另外，降低灌溉水量會不同程度地減少農田系統氮素淋溶，見圖3。

圖3 不同灌溉水量對農田氮素淋溶的影響

3 不同灌溉水量對農田氮素循環功能微生物的影響

馮澤宇[1]在水稻田進行灌溉試驗發現，與淹水灌溉處理相比，節水灌溉處理土壤氮循環微生物氨氧化古菌功能基因豐度增加44.6%，氨氧化細菌增加39.1%。與淹水灌溉處理相比，節水灌溉處理稻田土壤反硝化細菌功能基因nirK下降36.4%，nirS下降41.9%，nirZ下降42.3%。

對于設施菜地，曹子敏[16]研究表明，滴灌能夠顯著增加氨氧化古菌的數量；Rhodanobacter(羅河桿菌屬)是對照處理(CK)、農民習慣處理(FP)、滴灌施肥處理(FPD)中的優勢菌屬，而優化滴灌施肥處理(OFPD)的優勢菌屬是Pseudomonas(假單胞菌屬)；施肥滴灌顯著改變了土壤中nirS型反硝化細菌的群落結構；N2O排放量與nirK型反硝化細菌多樣性呈顯著正相關(R=0.6034，P=0.0452)，與nirS型反硝化細菌多樣性影響不顯著。蔡樹美等[17]研究表明，隨著土壤含水量升高，Aeromonas和Flavobac-terium菌屬的相對豐度增加，促進土壤固氮過程，有利于穩定土壤碳氮循環。

4 討論

對于需水量大的水稻，減少灌溉水量將會導致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨揮發降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，總氮素損失降低了0.91～1.65kg·hm-2。對于其他需水量小的作物，減少灌溉水量將會導致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨揮發增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，總氮素損失降低29.39～283.5kg·hm-2。因此，減少灌溉水量可降低農田生態系統氮素損失。

將灌溉方式從傳統的漫灌變成干濕交替灌溉雖然提升了水稻田的用水效率，但是同時增加了N2O排放。造成這種情況的原因是干濕交替灌溉通過改變土壤含水量促進了硝化、反硝化進程，進而導致N2O排放量增加。而依據土壤水勢灌溉不僅可以節省更多的灌溉水量，同時對于N2O排放具有一定的抑制作用[2]。對于其他需水量少的作物，減少灌溉水量降低了土壤含水量，使土壤反硝化過程被抑制，進而導致N2O排放量減少[5]。

以根系生長土層飽和土壤含水量的60%～80%為基礎進行灌溉增加了水稻田施肥后氨揮發峰值，但同時降低了生育期氨揮發總量[8]。原因可能是在水稻生育期高溫下，無水層的田面升溫較快，從而加劇氨揮發損失。但施肥后幾天，控制灌溉稻田逐漸由薄水層變為無水層。NH4+-N隨水流向下遷移。表層NH4+濃度降低，從而降低氨揮發損失。與之相反，降低淹水深度增加了水稻田氨揮發量[9]。主要原因是降低淹水深度增加了地表水pH、C(NH4+)/C(H+)比值和C(NH4+)值，從而增加了稻田氨揮發。還有報告稱，增加地表水深度和持續時間有助于減少稻田NH3排放[18]。對于其他需水量少的作物，減少灌溉水量都表現出增加農田氨揮發量的趨勢。銨在土壤中的擴散依賴于土壤水分，而土壤水分不足限制了NH4+在土壤中的向下移動，為氨揮發提供了更多的底物。高土壤含水量將NH4+運移至低pH區，被固定、吸附到有機和無機土壤膠體或轉化為其他形式[19]。

干濕交替灌溉提高了水稻田淋溶液氮素濃度，這是因為節水灌溉條件下灌溉量和田面水深降低，淋溶水量減少導致基質濃度增大[20]。同時，由于田間淋溶水量的大幅削減，氮素淋失也顯著降低[13]。而增加灌溉的間隔時間會降低淋溶液氮素濃度，可能由于延長的干燥過程促進了硝化過程[14]。而對于其他作物，減少灌溉量均降低了淋溶水量，且顯著增加了土壤剖面中的硝酸鹽濃度，進而降低氮素淋失風險。然而當施肥量較少時，降低灌溉水量對氮素淋失的影響較小[6]。

5 結論

近年來，國內外對農田生態系統氮素的有效利用十分關注，并就不同灌溉水量對農田系統氮素損失進行了一系列研究，通過對不同灌溉水量下農田系統氮素損失及氮循環功能微生物的綜合分析，得到以下結論。對于需水量大的水稻，減少10.8%～57.8%灌溉水量將會導致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨揮發降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，總氮素損失降低了0.91～1.65kg·hm-2；對于其他需水量小的作物，減少10%～84.5%灌溉水量將會導致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨揮發增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，總氮素損失降低了29.39～283.5kg·hm-2；減少灌溉顯著增加了氨氧化細菌(39.1%)和氨氧化古菌(44.6%)基因豐度，降低了反硝化功能基因豐度(36.4%～42.3%)；減少灌溉水量不僅可以節省農業水資源，還可以減少農田生態系統氮素損失，降低農業面源污染風險；目前關于不同灌溉方式下農田氮素淋溶機制的研究較少，今后關于農田氮素損失及微生物的研究方向應當將氮素淋溶與氮循環功能微生物結合起來。