沼液灌溉對冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田CO2、N2O排放規(guī)律的影響

王小非，沈仕洲，尹高飛，閆建華，杜會英，張克強*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

沼液灌溉對冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田CO2、N2O排放規(guī)律的影響

王小非1，2，沈仕洲2，尹高飛2，閆建華2，杜會英2，張克強2*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

為探究沼液灌溉對冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田CO2和N2O排放特征及土壤理化性質(zhì)的影響，設(shè)置不同的灌溉模式，即空白對照處理CK、常規(guī)施肥處理CF、灌溉兩次（小麥季一次+玉米季一次）2∶1沼液處理T1、灌溉三次（小麥季兩次+玉米季一次）2∶1沼液處理T2與灌溉三次（小麥季兩次+玉米季一次）2∶1沼液處理T3共五個處理，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，研究牛場沼液灌溉條件下冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田土壤CO2和N2O的排放特征，同時監(jiān)測氣象條件、土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤可溶性有機碳等因子以及作物產(chǎn)量，分析并探討了輪作周期內(nèi)農(nóng)田土壤CO2和N2O的排放特征及相關(guān)影響因子。試驗結(jié)果表明，沼液灌溉沒有改變輪作周期內(nèi)土壤CO2和N2O排放通量的季節(jié)性變化規(guī)律，但會造成灌溉后短期內(nèi)CO2和N2O排放通量增加；輪作周期內(nèi)沼液灌溉處理在一定程度上提高了CO2的排放水平，但除T3處理外，差異性均未達到顯著水平；沼液灌溉處理沒有明顯提高N2O排放水平。沼液灌溉提高了土壤可溶性有機碳含量，施用化肥會降低土壤可溶性有機碳含量；與常規(guī)施肥處理CF相比，T2、T3處理作物籽粒產(chǎn)量無明顯差異，T1處理嚴重減產(chǎn)。綜合考慮作物籽粒產(chǎn)量與CO2和N2O累積排放量，T2處理為本試驗條件下最合理的沼液灌溉模式。

沼液灌溉；冬小麥-夏玉米輪作；CO2；N2O；累積排放量；作物產(chǎn)量

隨著集約化、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，大量的養(yǎng)殖廢水得不到及時處理，會對周邊環(huán)境造成嚴重的污染。研究表明，養(yǎng)殖廢水中含有大量的有機態(tài)氮、磷，經(jīng)過固液分離、厭氧消化和滅菌處理變?yōu)檎右汉?，化學(xué)需氧量（COD）去除率可達85%～90%，有機態(tài)的N、P轉(zhuǎn)化為易被植物吸收利用的形態(tài)[1]。沼液既能作為水源，又能充當肥源，利用其灌溉可提高土壤肥力和生產(chǎn)力水平[2]。另外，沼液灌溉農(nóng)田，還解決了養(yǎng)殖廢水的消納難題，有效地實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用[3]。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)展開了大量關(guān)于沼液灌溉農(nóng)田的研究，但大多集中在對土壤、地下水、作物的影響研究[4-8]，對沼液灌溉后農(nóng)田溫室氣體排放的研究還較少，缺乏沼液量化灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律的影響。國內(nèi)外針對固體有機肥對土壤CO2和N2O排放的研究已有很多，沼液作為一種液態(tài)有機肥，其成分與固體有機肥有很多相同和相似之處，但其養(yǎng)分形態(tài)及含量與固體有機肥又有所差異。因此，開展沼液灌溉對溫室氣體排放影響的研究具有一定的必要性與現(xiàn)實意義。本研究通過監(jiān)測沼液灌溉對冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田CO2和N2O排放水平與土壤理化因子，分析了沼液量化灌溉對溫室氣體排放及土壤環(huán)境的影響，不但有助于解決養(yǎng)殖廢水的有效消納問題，而且在種養(yǎng)結(jié)合的新模式下，可為確定合理的沼液灌溉模式，減少沼液灌溉對溫室氣體排放與土壤環(huán)境的不良影響提供實踐指導(dǎo)與理論依據(jù)。

1 材料方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點為河北省徐水縣梁家營村（38°09′～ 39°09′N，115°19′～115°46′E），位于河北省中部、太行山東麓，屬東部季風(fēng)暖溫帶半干旱氣候區(qū)，大陸季風(fēng)性氣候特點顯著，四季分明，光照充足，年平均氣溫11.9℃，年無霜期平均184 d，年均降水量546.9 mm，年平均日照時數(shù)2 744.9 h。試驗地降水季節(jié)分配不均，夏季降水占全年降水量的74.7%，年平均相對濕度65%，年平均風(fēng)速2.2 m·s-1，年平均蒸發(fā)量1 623.8 mm，屬于華北平原典型的農(nóng)業(yè)種植區(qū)[9]。試驗地0～20 cm層土壤容重1.51 g·m-3，總氮（TN）1.44 g·kg-1，硝態(tài)氮（NO3--N）16.45 mg·kg-1，銨態(tài)氮（NH4+-N）19.94 mg·kg-1，總磷（TP）0.80 g·kg-1，有效磷（AP）22.53 mg·kg-1，可溶性有機碳（DOC）27.22 mg·kg-1。

徐水縣種植制度以冬小麥-夏玉米輪作為主，小麥季降雨量偏低，土壤水分不能滿足作物生長的需求，需要灌水補給，整個小麥季灌水3～4次；玉米季降雨量充足，除播種后灌溉出苗水外，一般無需再進行灌溉。當?shù)啬膛ｐB(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，養(yǎng)殖規(guī)模較大，是典型的奶牛養(yǎng)殖區(qū)，目前有大小牛場41座，牛存欄數(shù)達到2.5萬頭，每年產(chǎn)生沼液約50萬t[9]。該地區(qū)的種植制度與養(yǎng)殖特點為本試驗的開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗田供試沼液基本理化性質(zhì)

供試沼液來自秸稈和奶牛場糞污厭氧發(fā)酵，牛場采用干清糞清便工藝，擠奶廳的污水及奶牛糞便進入?yún)捬醢l(fā)酵罐經(jīng)過厭氧發(fā)酵后排放到沼液池中貯存，然后經(jīng)過不同比例稀釋后通過PVC管道輸送到農(nóng)田用于灌溉。供試沼液水質(zhì)特征如表1所示。

1.2.2 試驗設(shè)計

本試驗供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭丹958。小麥播種時間為2014年10月7日，耕作時間為10月6日，收獲時間為2015年6月15日；小麥收獲后種植玉米，播種方式均為條播，玉米播種時間為2015年6月18日，收獲時間為2015年9月30日。本試驗灌溉時間分別為2014年12月5日（越冬期）、2015年4月4日（拔節(jié)期）、2015年5月5日（抽穗期）、2015年5月26日（灌漿期）、2015年6月15日（玉米播種后）。本試驗設(shè)置不施肥+清水灌溉（CK）、常規(guī)施肥+清水灌溉（CF）、不施肥+小麥季灌溉2∶1（清水∶沼液）沼液一次及清水三次+玉米種植后灌溉2∶1沼液一次（T1）、不施肥+小麥季灌溉2∶1沼液二次及清水二次+玉米種植后灌溉2∶1沼液一次（T2）、不施肥+小麥季灌溉1∶1沼液二次及清水二次+玉米種植后灌溉1∶1沼液一次（T3）共五個處理（表2），每次灌溉所用沼液均在專門的混凝土池里，用清水與沼液按體積比例配比，沼液配比好之后用水泵通過PVC地下管道施入農(nóng)田。常規(guī)施氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，沼液來自試驗田附近牛場沼液儲存池。灌水時間為小麥季越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、玉米播種后，所有處理灌水量及灌水次數(shù)一致，每次灌水定額為830 m3·hm-2，利用超聲波管式流量計計量灌水量，灌溉誤差在1%以內(nèi)。每個小區(qū)面積為51 m2（長8.5 m×寬6 m），四周1 m土體內(nèi)用防水塑料布隔開，小區(qū)之間設(shè)置1 m保護行，3次重復(fù)，小區(qū)隨機分布。試驗設(shè)計如表2所示。

表1 供試沼液水質(zhì)基本特征Table 1 The basic water quality characteristics of biogas slurry

表2 冬小麥-夏玉米輪作試驗設(shè)計Table 2 Winter wheat-summer maize rotation experiment design

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 氣體樣品采集與分析

氣體采集時間分布在整個小麥-玉米輪作期，小麥季采樣頻率為每兩周一次。由于小麥越冬期至返青期這段時間田間氣溫較低，作物、微生物的活性相對較低，CO2、N2O排放量較低[10-11]，在這段時間CO2、N2O排放量變化不明顯，可減少采樣次數(shù)，每個月采樣一次，采樣時間主要選擇在灌溉前后一周之內(nèi)，玉米季采樣則選擇在每次降雨之后。本試驗沒有考慮CH4的排放，原因在于受試沼液為經(jīng)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣之后的沼液，監(jiān)測結(jié)果表明，沼液灌溉后農(nóng)田CH4的排放會短暫地變?yōu)檎?，但大部分時間處于負排放水平，且排放通量較低。本試驗采樣時間集中在灌水后一周，玉米季降雨量充沛，選擇在雨后進行采樣。每天的采樣時間為上午8：00—11：00，嚴格記錄采樣時間、箱內(nèi)溫度、0 cm地溫、5 cm地溫。氣體觀測采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，靜態(tài)箱由PVC制成，小麥季由于行距較小，靜態(tài)箱規(guī)格為長20 cm×寬10 cm×高10 cm，底座規(guī)格為長20 cm×寬10 cm×高10 cm；玉米季行間距較大，靜態(tài)箱規(guī)格為長30 cm×寬20 cm×高20 cm，底座規(guī)格為長30 cm×寬20 cm×高10 cm。箱體頂部設(shè)有采樣口和溫度計，底座安放于行間，底座內(nèi)無作物，插入地下5 cm，底座上設(shè)置水槽，用于采集氣體時加水密封。每天的采樣時間為上午8：00—11：00，嚴格記錄采樣時間，采樣前將底座水槽中加水密封，取樣時將箱體罩在事先安好的基座上，用20 mL一次性注射器插入箱體的采樣口，于0、10、20、30 min采集氣體4次，貯存于20 mL的真空集氣瓶中，同時記錄箱內(nèi)溫度、0 cm地溫度、5 cm地溫。

氣體樣品帶回實驗室用ThermoTrace1300型氣相色譜儀測定，CO2檢測器為熱導(dǎo)檢測器（TCD），載氣為高純氫氣。N2O檢測器為63Ni電子捕獲檢測器（ECD），色譜柱為80/100目Porapak Q填充柱，進樣器、檢測器以及填充柱的溫度分別為100、300、65℃，載氣為95%氬氣+5%甲烷混合氣，流速為40 mL·min-1。高純氮氣作為反吹氣。通過標準氣體和待測氣體的峰面積來計算待測氣體的濃度。通過氣體濃度隨時間變化來計算單位面積的氣體排放通量。計算公式[10]為：

式中：F為排放通量，CO2排放通量單位為kg·hm-2·d-1，N2O排放通量單位為g·hm-2·d-1；ρ為標準狀態(tài)下氣體密度，kg·m-3；V是采集箱內(nèi)有效空間體積，m3；A為采集箱覆蓋的土壤面積，m2；Δc為氣體濃度差；Δt為時間間隔，h；Δc/Δt為4次采樣樣品濃度數(shù)據(jù)斜率；T為采樣時箱內(nèi)溫度，℃；k為mg CO2/N2O·m－2·h－1與kg C·hm－·2d－1和g N·hm－·2d－1之間的單位換算常數(shù)。

1.3.2 土壤樣品采集與分析

每次采集氣體的同時，在基座附近隨機選取3個點，采集土樣制成混合樣，帶回實驗室盡快測定，來不及測定的置于4℃冰柜中保存?zhèn)溆?。含水量測定采用傳統(tǒng)烘干法，即準確稱取土樣20.0 g于105℃烘干的鋁盒中，105℃烘干12 h后，取出，在干燥器中冷卻至室溫，立即稱重。土壤中NH4+－N、NO3－－N的測定采用吉天流動注射分析儀（中國，F(xiàn)IA－6000+），即稱取新鮮土樣10.0 g，于250 mL振蕩瓶中，加入50 mL 2 mol·L－1的氯化鉀溶液，220 r·min－1振蕩1 h后馬上過濾，濾液上流動注射分析儀進行測定。土壤DOC含量采用Elementar TOC儀（德國，Vario）測定，即準確稱取10.0 g新鮮土壤樣品于100 mL離心管中，加入50 mL超純水，250 r·min－1振蕩1 h，在離心機上以10 000 r·min－1離心15 min，取上清液過0.45 μm濾膜，濾液直接上TOC儀進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2007計算并作圖，ANOVA采用SPSS軟件，應(yīng)用Duncan方法分析各處理間平均數(shù)在P=0.05和P=0.01水平的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作期內(nèi)氣溫與土壤孔隙含水率（WFPS）動態(tài)變化

整個輪作期內(nèi)氣溫變化幅度較大，范圍為3.0～44.0℃，平均為23.36℃（圖1）。灌水、降雨及溫度變化引起了土壤WFPS較大幅度的變化，范圍為12.57%～83.00%，小麥越冬期溫度較低，作物生長緩慢，水分蒸發(fā)與作物耗水量較少，土壤WFPS維持在較高水平且下降緩慢，自小麥返青期之后，隨著氣溫的回升，作物生長速度加快，耗水量及蒸發(fā)量較大，土壤WFPS下降較快。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，大氣溫度與土壤WFPS有著極顯著的相關(guān)性（P＜0.01）。由圖1還可以看出，降水集中在4、5、7、8、9月，這個時間段也是試驗田氣溫高、蒸發(fā)量大、作物需水量高的時期，所以土壤WFPS變化較大。

2.2 輪作期內(nèi)不同處理土壤CO2與N2O排放通量的動態(tài)變化

沼液灌溉沒有改變整個輪作期內(nèi)CO2的排放規(guī)律，CO2排放通量均為正值，土壤是CO2的排放源（圖2）。在灌溉前后一周的時間尺度上，CO2排放通量出現(xiàn)了峰值，該峰值一般出現(xiàn)在灌后1 d。從整個輪作期來看，灌溉與施肥對土壤CO2排放通量沒有顯著影響，但各個處理出現(xiàn)了季節(jié)性排放規(guī)律。從小麥返青期開始，CO2排放通量逐漸增加，到玉米季出現(xiàn)了整個輪作期的排放峰值，CK、CF、T1、T2、T3處理的CO2排放通量分別為18.65、21.54、18.59、18.42、24.46 kg CO2－C·hm－2·d－1，各處理間差異極顯著（P＜0.01）。

沼液灌溉處理土壤N2O的排放規(guī)律與CK和CF基本一致（圖2），在整個輪作期內(nèi)各處理（CK、CF、T1、T2、T3）N2O的排放通量變化范圍分別為－0.17～4.92、0.48～6.61、0.59～5.25、0.49～5.45、0.57～6.34 g N2O－N· hm－2·d－1，各個處理的峰值主要出現(xiàn)在小麥季越冬期、拔節(jié)期、灌漿期和玉米播種后、玉米季雨后這五個時期，主要是由氮肥投入、灌水和降雨造成的，說明氮素與水分的輸入導(dǎo)致了土壤N2O排放的增加。在越冬期氣溫較低，土壤溫度也較低（出現(xiàn)凍土現(xiàn)象），土壤微生物活性大為減弱，從而導(dǎo)致在灌溉后土壤不能及時排放N2O，隨著凍土的融化，N2O漸漸釋放。另外，在玉米播種后，除CK外，各個處理N2O的排放出現(xiàn)了明顯高于其他時期的峰值，CF、T1、T2、T3處理的峰值分別為6.61、5.25、5.45、6.34 g N2O－N·hm－2·d－1。在整個輪作期內(nèi)CK處理N2O排放通量普遍低于其他處理，甚至在越冬期出現(xiàn)了負排放的現(xiàn)象。這是由于CK處理沒有氮肥的輸入，導(dǎo)致在整個輪作期都處于一個較低的N2O排放水平。T2、T3處理的N2O排放通量明顯高于T1處理，即灌溉兩次沼液后N2O的排放通量高于灌溉一次。

圖1 試驗田土壤WFPS、大氣溫度、降水量及0 cm、5 cm地溫動態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of soil WFPS，air temperature，soil temperature at 0 cm and 5 cm and amount of precipitation in experimental plot

圖2 輪作周期內(nèi)N2O、CO2排放通量的動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of N2O and CO2emission flux during the rotation period

2.3 不同處理CO2、N2O累積排放量與N2O產(chǎn)量標尺的比較

在整個輪作期內(nèi)，各處理間的CO2累積排放量表現(xiàn)為T3＞T1＞T2＞CF＞CK（圖3），其中T3處理CO2累積排放量最高，與其他處理達到了顯著性差異。這可能是由于T3處理比T1、T2處理多施了一次沼液，T1、T2處理CO2累積排放量高于CF，但差異不顯著，說明沼液灌溉在一定程度上會引起CO2累積排放量的提高。T1、T2、T3、CF處理CO2累積排放量高于CK處理，且均達到顯著水平，說明沼液與化肥均明顯增加了農(nóng)田CO2累積排放量。輪作周期內(nèi)，T1、T2、T3處理的N2O累積排放量高于CF處理，但均未達到顯著水平，說明與常規(guī)施肥相比，沼液灌溉并沒有明顯提高農(nóng)田N2O排放水平；T1、T2、T3處理之間差異性不顯著，表明不同的灌溉次數(shù)與沼液濃度沒有明顯增加輪作農(nóng)田土壤的N2O累積排放量；T1、T2、T3、CF處理與CK處理相比，N2O累積排放量差異達到顯著性差異，說明沼液與化肥顯著提高了農(nóng)田N2O的排放水平。

從圖3可以看出，各個處理的小麥及玉米產(chǎn)量存在差異，且達到極顯著水平（P＜0.01），小麥季產(chǎn)量高低表現(xiàn)為T3＞CF＞T2＞T1＞CK，玉米季表現(xiàn)為T3＞T2＞CF＞T1＞CK，但T2、T3、CF處理的小麥及玉米產(chǎn)量差異未達到顯著性水平，即灌溉三次（小麥季兩次+玉米季一次）2∶1沼液的處理（T2）與灌溉三次（小麥季兩次+玉米季一次）1∶1沼液的處理（T3）之間產(chǎn)量無顯著差異。這說明T2、T3處理均不會造成作物減產(chǎn)，但T2、T3、CF與T1處理的小麥及玉米產(chǎn)量差異顯著（P＜0.01），T1處理會造成作物嚴重減產(chǎn)。由此表明本試驗條件下，灌溉次數(shù)的不同顯著影響了作物的產(chǎn)量，且灌溉次數(shù)的增加提高了作物產(chǎn)量。單位作物籽粒產(chǎn)量所產(chǎn)生的N2O累積量能夠權(quán)衡作物產(chǎn)量與N2O排放代價，N2O累積量與作物籽粒產(chǎn)量的比值可稱為N2O產(chǎn)量標尺。由圖3可以看出，各處理產(chǎn)量標尺大小依次為CK＞T1＞T2＞T3＞CF，其中T2、T3、CF處理明顯低于CK、T1處理，差異性顯著（P＜0.05）；T2、T3、CF處理產(chǎn)量標尺分別為54.53、50.48、48.65 g N2O－N·t－1，三者差異不顯著。由于T2與T3處理在作物產(chǎn)量、N2O累積排放量上差異不顯著，均優(yōu)于T1處理，考慮到T2處理CO2累積排放量顯著低于T3處理，且沼液濃度低，輸入養(yǎng)分較低，可選擇灌溉三次（小麥季兩次+玉米季一次）2∶1沼液的處理（T2）作為本試驗條件下最合理的灌溉模式。

2.4 不同處理土壤NH4+－N、NO3－－N、DOC含量動態(tài)變化

不同的灌溉模式下，NH4+－N、NO3－－N、DOC含量的變化也存在差異（圖4）。土壤在小麥越冬期，T1、T2、T3處理在灌溉沼液后，土壤NH4+－N出現(xiàn)了峰值，分別為20.47、28.22、39.27 mg·kg－1，且明顯高于CK、CF處理，然后在一周后逐漸下降。這是由于沼液中含有大量NH4+－N，低溫環(huán)境不易使NH4+－N轉(zhuǎn)化為其他形式的N。而CF處理施入的尿素在低溫環(huán)境中不能轉(zhuǎn)化成NH4+－N，經(jīng)相關(guān)性分析，土壤NH4+－N與溫度極顯著相關(guān)（P＜0.01），這可能是該時期施肥處理的土壤NH4+－N并不高的關(guān)鍵原因。在小麥的拔節(jié)期灌水前后各處理NH4+－N出現(xiàn)了一定的波動，是由于氣溫回升促進了作物的吸收利用與土壤中微生物活動，各個生化反應(yīng)恢復(fù)正常。玉米播種后的一次灌水使CF、T1、T2、T3處理的土壤NH4+－N出現(xiàn)峰值，與小麥越冬期不同的是，CF處理也出現(xiàn)了NH4+－N明顯增加的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了峰值（25.10 mg·kg－1）。造成這種現(xiàn)象的原因是由于小麥收獲后，試驗田地表沒有作物覆蓋，高溫環(huán)境中施入的尿素不能被作物吸收利用，在微生物作用下轉(zhuǎn)化成NH4+－N。由圖4還可以看出，土壤NO3－－N的變化受N素輸入的影響較大，每次輸入N素后都會導(dǎo)致土壤NO3－－N的增加，但施肥與灌溉沼液沒有改變土壤NO3－－N的變化規(guī)律。T1、T2、T3與CF處理的土壤NO3－－N含量無明顯差異，即灌溉沼液與施化肥處理對土壤NO3－－N含量沒有造成明顯影響。在整個輪作期內(nèi)，土壤NH4+－N與NO3－－N的變化規(guī)律正好相反，兩者基本上是此消彼長的趨勢。

在灌溉沼液后，土壤DOC含量迅速增加，可能與沼液中含有大量的有機物有關(guān)，1 d之后DOC又逐漸降低（圖4）。整個輪作期內(nèi)，各個處理土壤DOC含量具有明顯的差異，T3＞T2＞T1＞CK＞CF，表明灌溉沼液提高了土壤DOC含量，且隨著灌溉次數(shù)與濃度的增加，土壤DOC含量也增加，施化肥處理（CF）反而降低了土壤DOC含量。

圖3 不同處理CO2、N2O累積排放量與籽粒產(chǎn)量之間的比較Figure 3 Comparisons of CO2and N2O cumulative emissions andseed yield from different treatments

3 討論

3.1 沼液灌溉對土壤CO2與N2O排放水平的影響

本試驗輪作期內(nèi)CO2排放通量范圍0.59～24.46 kg CO2－C·hm－2·d－1，低于潘瑩等[12]研究中得出的1.31～63.31 kg CO2－C·hm－2·d－1的排放水平。葉丹丹等[13]在華北典型農(nóng)田N2O與CO2排放通量的研究中發(fā)現(xiàn)，CO2排放通量范圍為2.38～13.84 kg CO2－C·hm－2·d－1，張甲珅等[14]、秦越等[15]在其研究中也得出了相同的結(jié)果。郭樹芳等[16]在研究不同灌溉方式對華北平原冬小麥N2O、CO2排放通量的影響試驗中得出，在漫灌方式下小麥季CO2排放通量范圍為6.43～37.92 kg CO2－C·hm－2·d－1，高于本試驗的CO2排放通量。這是由于本試驗土壤DOC范圍為9.10～134.65 mg·kg－1，低于我國東部土壤的DOC平均值159 mg·kg－1[14]，在表3中也可以看出CO2排放通量與土壤DOC顯著正相關(guān)（P＜0.05）。本試驗結(jié)果顯示，各處理的CO2排放水平大小順序為T3＞T1＞T2＞CF＞CK（圖3），表明與常規(guī)施肥處理相比，沼液灌溉會增加CO2的排放水平，但差異性除T3處理達到顯著外，T1、T2處理均未達到顯著水平。這是由于沼液中含有大量的有機物，進入農(nóng)田后使土壤DOC含量升高，而CO2排放通量與土壤DOC顯著正相關(guān)（表3），T3處理沼液濃度較高，是所有處理中輸入養(yǎng)分最多的，可能正因為如此，T3處理的CO2排放水平才會明顯高于其他處理。

圖4 輪作周期內(nèi)土壤NH+4-N、NO-3-N、DOC的動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of soil NH+4-N and NO-3-N and DOC in the rotation period

本試驗條件下，N2O排放通量范圍為-0.17～6.61 g N2O-N·hm-2·d-1，基本處于我國旱地N2O排放通量范圍0.48～14.4 g N2O-N·hm-2·d-1之間[17]，但略小于黃淮海地區(qū)小麥/玉米輪作農(nóng)田（N2O排放通量范圍為9.96～16.37 g N2O-N·hm-2·d-1）。整個輪作期內(nèi)，在各個生育期灌溉后分別出現(xiàn)了N2O排放峰值，說明氮素與水分的輸入導(dǎo)致了土壤N2O排放的增加，與前人的研究[18-20]結(jié)果是一致的。在小麥季越冬期灌水1 d后各處理N2O排放通量沒有明顯升高，而是在灌后第7 d達到了峰值，與各個時期的規(guī)律不一致。這是由于溫度同時限制了N2O的排放，溫度是影響N2O排放季節(jié)性變化的關(guān)鍵因子[18]。本研究結(jié)果表明，施沼液可增加土壤N2O的排放水平，與其他研究[21－24]的結(jié)果一致，沼液中不但含有大量的N素，同時造成土壤厭氧狀態(tài)使反硝化作用底物充足，促進反硝化作用，使得N2O排放水平提高。孫國峰等[25]在其研究中得出沼液完全替代化肥處理的N2O排放通量范圍為－2.96～19.09 g N2O－N·hm－2·d－1，高于本試驗的N2O排放水平。本試驗條件下，各處理的N2O排放水平大小順序為T2＞T1＞T3＞CF＞CK（圖3），但T1、T2、T3、CF處理間差異均未達到顯著水平，表明與常規(guī)施肥處理（CF）相比，沼液沒有顯著增加農(nóng)田N2O的排放水平，N2O的產(chǎn)生過程包括硝化過程與反硝化過程，NH4+－N與NO3－－N均可作為氮源參與反應(yīng)，而T1、T2、T3與CF處理的土壤NH4+－N與NO3－－N沒有顯著性差異，可能是灌溉沼液與施肥處理的N2O排放水平無顯著性差異的原因所在。這主要是因為含有大量N素的沼液灌溉使土壤處于短暫的厭氧狀態(tài)，加劇了反硝化過程，所以本試驗中灌溉沼液處理N2O排放偏高，當然影響土壤N2O排放水平的因素還應(yīng)考慮土壤pH、生物因素、土壤水分等。

本研究主要考察沼液灌溉對CO2與N2O排放的影響，由于CO2與N2O的排放是土壤微生物、土壤養(yǎng)分、酶活性等眾多因素共同影響的結(jié)果，今后還需監(jiān)測土壤中微生物活動、土壤酶活性等多因素對兩者排放的影響及相關(guān)性。另外，本試驗的采樣頻率并未覆蓋整個輪作期，而是在主要生育期采樣，這勢必會造成監(jiān)測結(jié)果的誤差，今后研究應(yīng)增加采樣頻率；本試驗靜態(tài)箱體積偏小，也會對試驗結(jié)果造成影響，今后研究應(yīng)增加靜態(tài)箱體積。

3.2 沼液灌溉下土壤CO2與N2O排放通量與土壤理化因子的相關(guān)性

在本試驗條件下，土壤CO2、N2O排放通量與土壤理化因子之間存在著一定的相關(guān)性（表3）。

土壤CO2排放通量與土壤DOC顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明土壤DOC與土壤CO2排放通量有著密切聯(lián)系，是由于土壤有機碳決定著土壤碳庫的大小，從而影響CO2的排放。土壤CO2排放通量與大氣溫度極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說明大氣溫度對土壤CO2排放影響極大，是由于溫度影響著土壤微生物活動與土壤酶的活性。研究表明，在一定范圍內(nèi)，土壤溫度升高可加速土壤中有機質(zhì)的分解和微生物活性，從而增加土壤中CO2濃度[25]。土壤N2O排放通量與土壤DOC顯著正相關(guān)（P＜0.05），說明土壤DOC與土壤N2O排放通量也存在著密切關(guān)系。土壤N2O排放通量與土壤NO3－－N含量極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），整個輪作期內(nèi)，N2O排放通量與土壤NO3－－N含量表現(xiàn)出高度的一致性?？梢?，土壤DOC與土壤NO3－－N同時影響著N2O的排放。這可能是由于土壤有機碳激活了土壤微生物的呼吸作用，加快了土壤中氧的消耗，從而加速了土壤厭氧環(huán)境的形成，間接增強了土壤反硝化作用。另外，有機碳礦化率直接影響著土壤反硝化作用強度；土壤NO3－－N作為反硝化細菌進行反硝化作用的底物，直接影響著土壤反硝化強度；土壤DOC與土壤NO3－－N也影響著土壤的C/N值，土壤的C/N比可以直接影響土壤微生物的活性，從而影響到土壤的硝化與反硝化過程，最后影響土壤N2O排放[26－27]。本研究還發(fā)現(xiàn)，施化肥處理（CF）會降低土壤DOC的含量，其他研究[28－29]也得到了相同的結(jié)論。這可能是由于化肥能降低木質(zhì)素酶活性[30]，抑制土壤有機碳的礦化，從而使土壤中DOC含量降低。

表3 各因子之間的相關(guān)性Table 3 Correlations between the various factors

4 結(jié)論

（1）沼液灌溉沒有使輪作周期內(nèi)土壤CO2和N2O排放通量的季節(jié)性變化規(guī)律發(fā)生改變，但會造成灌溉后短期內(nèi)排放通量的增加。

（2）沼液灌溉處理在一定程度上提高了CO2的排放水平，但除T3處理外，差異性均未達到顯著水平；沼液灌溉處理沒有明顯提高N2O排放水平。

（3）灌溉沼液提高了土壤DOC含量，且隨著灌溉次數(shù)與濃度的增加，土壤DOC含量也增加，施化肥反而會降低土壤DOC含量。

（4）本試驗條件下，土壤CO2排放通量與土壤DOC含量和大氣溫度顯著正相關(guān)；土壤N2O排放通量與土壤DOC和NO3－－N含量顯著正相關(guān)。

（5）綜合考慮輪作季作物產(chǎn)量和CO2、N2O累積排放量及土壤理化因子，灌溉三次（小麥季灌溉兩次+玉米季灌溉一次）2∶1沼液的處理（T2）為本試驗條件下的最合理灌溉模式。

[1]王風(fēng),張克強,黃治平.廢水灌溉農(nóng)田研究進展與展望[J].土壤通報,2009,40（6）：1485-1488.

WANG Feng,ZHANG Ke-qiang,HUANG Zhi-ping.Development and expectation of research on wastewater irrigation in farmland[J].Chinese Journal of Soil Science,2009,40（6）：1485-1488.

[2]石亞楠,張克強,王風(fēng),等.豬場厭氧肥水灌溉對設(shè)施油麥菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34（1）：190-195.

SHI Ya-nan,ZHANG Ke-Qiang,WANG Feng,et al.Yield and quality of lettuce irrigated with anaerobic effluent from swine farms[J].Journal of Agro-Environment Science,2015,34（1）：190-195.

[3]張俊峰,陳超,宋金龍,等.規(guī)?；託夤こ陶右号c有機肥及其組合在小白菜上的應(yīng)用效果比較[J].中國沼氣,2013,31（3）：61-64.

ZHANG Jun-feng,CHEN-chao,SONG Jin-long,et al.Effects of biogas slurry and organic fertilizer and their combination onBrassica chinensisL.[J].China Biogas,2013,31（3）：61-64.

[4]王衛(wèi)平,陸新苗,朱鳳香,等.施用沼液對柑桔產(chǎn)量和品質(zhì)以及土壤環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,30（11）：2300-2305.

WANG Wei-ping,LU Xin-miao,ZHU Feng-xiang,et al.Influence of applying biogas slurry on yield and quality of citrus and soil environment[J].Journal of Agro-Environment Science,2011,30（11）：2300-2305.

[5]陳瑤,石秋萍,陳玉成.沼液連續(xù)澆灌對旱作和水田土壤養(yǎng)分及重金屬含量的影響[J].水土保持學(xué)報,2015,29（2）：76-80.

CHEN Yao,SHI Qiu-ping,CHEN Yu-cheng.Effects of continuous irrigation of biogas slurry on nutrient and heavy metal content in soil of dry land and paddy fields[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2015,29（2）：76-80.

[6]鄧蓉,陳玉成,石秋萍.模擬沼液淋溶灌溉對土壤下滲水的影響[J].水土保持學(xué)報,2013,27（3）：68-71.

DENG Rong,CHEN Yu-cheng,SHI Qiu-ping.Effects of simulated biogas slurry leaching irrigation on soil infiltration[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,27（3）：68-71.

[7]吳華山,郭德杰,常志州,等.豬糞沼液施用對土壤氨揮發(fā)及玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,20（2）：163-168.

WU Hua-shan,GUO De-jie,CHANG Zhi-zhou,et al.Effects of pig manure-biogas slurry application on soil ammonia volatilization and maize output and quality[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2012, 20（2）：163-168.

[8]杜臻杰,樊向陽,齊學(xué)斌,等.豬場沼液灌溉對冬小麥生長和品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33（3）：547-554.

DU Zhen-jie,FAN Xiang-yang,QI Xue-bin,et al.Growth and grain quality of winter wheat irrigated with biogas liquid from a swine farm[J].Journal of Agro-Environment Science,2014,33（3）：547-554.

[9]郭海剛,杜會英,張克強,等.規(guī)?；鰪U水灌溉對冬小麥土壤速效氮遷移的影響[J].灌溉排水學(xué)報,2012,31（4）：21-25.

GUO Hai-gang,DU Hui-ying,ZHANG Ke-qiang,et al.Effects of dairy wastewater irrigation on migration of soil available nitrogen[J].Journal of Irrigation and Drainage,2012,31（4）：21-25.

[10]萬運帆,李玉娥,林而達,等.田間管理對華北平原冬小麥產(chǎn)量土壤碳及溫室氣體排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,28（12）：2495-2500.

WAN Yun-fan,LI Yu-e,LIN Er-da,et al.Field managements affect yield,soil carbon,and greenhouse gases emission of winter-wheat in North China Plain[J].Journal of Agro-Environment Science,2009,28（12）：2495-2500.

[11]宋利娜,張玉銘,胡春勝.華北平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)冬小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放及其綜合溫室效應(yīng)[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,21（3）：297-307.

SONG Li-na,ZHANG Yu-ming,HU Chun-sheng.Comprehensive analysis of emissions and global warming effects of greenhouse gases in winter-wheat fields in the high-yield agro-region of North China Plain [J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21（3）：297-307.

[12]潘瑩,胡正華,吳揚周,等.保護性耕作對后茬冬小麥土壤CO2和N2O排放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2014,35（7）：2771-2776.

PANYing,HUZheng-hua,WUYang-zhou,etal.Effectsofconservation tillage on soil CO2and N2O emission during the following winter-wheat season[J].Environmental Science,2014,35（7）：2771-2776.

[13]葉丹丹,謝立勇,郭李萍,等.華北平原典型農(nóng)田CO2和N2O排放通量及其與土壤養(yǎng)分動態(tài)和施肥的關(guān)系[J].中國土壤與肥料,2011（3）：15-20.

YE Dan-dan,XIE Li-yong,GUO Li-ping,et al.The emission-flux of CO2and N2O and its relationship with soil nutrient dynamic and fertilization in typical upland fields in North China Plain[J].Soil and Fertilizer Sciences,2011（3）：15-20.

[14]張甲珅,陶澍,曹軍.中國東部土壤水溶性有機物含量與地域分異[J].土壤學(xué)報,2001,38（3）：308-314.

ZHANG Jia-shen,TAO Shu,CAO Jun.Spatial distribution pattern of water soluble organic carbon in Eastern China[J].Acta Pedologica Sinica,2001,38（3）：308-314.

[15]秦越,李彬彬,武蘭芳.不同耕作措施下秸稈還田土壤CO2排放與溶解性有機碳的動態(tài)變化及其關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014,33（7）：1442-1449.

QIN Yue,LI Bin-bin,WU Lan-fang.Dynamics and interrelationship of CO2emission and dissolved organic carbon in soils with crop residue retentionunderdifferenttillagepractices[J].JournalofAgro-Environment Science,2014,33（7）：1442-1449.

[16]郭樹芳,齊玉春,董云社,等.不同灌溉方式對華北平原冬小麥田土壤CO2和N2O排放通量的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016,37（5）：1880-1890.

GUO Shu-fang,QI Yu-chun,DONG Yun-she,et al.Effects of different irrigation methods on soil CO2and N2O fluxes in winter wheat field in North China Plain[J].Environmental Science,2016,37（5）：1880-1890.

[17]宋文質(zhì),王少彬,張玉銘,等.我國農(nóng)田土壤的主要溫室氣體CO2、CH4和N2O排放研究[J].環(huán)境科學(xué),1996,17（1）：85-88.SONGWen-zhi,WANGShao-bin,ZHANGYu-ming,et al.Agricultural activities and emissions of greenhouse gases in China region[J].Environmental Science,1996,17（1）：85-88.

[18]鄭循華,王明星,王躍思.溫度對農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響[J].環(huán)境科學(xué),1997,18（5）：1-5.

ZHENG Xun-hua,WANG Ming-xing,WANG Yue-si.Impacts of temperature on N2O production and emission[J].Environmental Science,1997,18（5）：1-5.

[19]張振賢,華珞,尹遜霄.農(nóng)田土壤N2O的發(fā)生機制及其主要影響因素[J].首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2005,26（3）：114-120.

ZHANG Zhen-xian,HUA Luo,YIN Xun-xiao.N2O emission from agricultural soil and some influence factors[J].Journal of Capital Normal University（Natural Science Edition）,2005,26（3）：114-120.

[20]朱小紅,馬友華,楊書運,等.施肥對農(nóng)田溫室氣體排放的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,2011,28（5）：42-46.

ZHU Xiao-hong,MA You-hua,YANG Shu-yun,et al.Effects of fertilization on greenhouse gas emission from farmland[J].Agro-Environment&Development,2011,28（5）：42-46.

[21]陳永根,彭永紅,宋哲岳.沼液施用對土壤溫室氣體排放的影響[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報,2013,30（1）：32-37.

CHEN Yong-gen,PENG Yong-hong,SONG Zhe-yue.Biogas slurry application with greenhouse gas emission in agricultural soils[J].Journal of Zhejiang Forestry College,2013,30（1）：32-37.

[22]劉平麗,張嘯林,熊正琴.不同水旱輪作體系稻田土壤剖面N2O的分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22（9）：2363-2369.

LIU Ping-li,ZHANG Xiao-lin,XIONG Zheng-qin.Distribution characteristics of profile nitrous oxide concentration in paddy fields with different rice-upland crop rotation systems[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22（9）：2363-2369.

[23]Almaraz J J,Mabood F,Zhou X M.Carbon dioxide and nitrous oxide fluxes in corn grown under two tillage systems in southwestern Quebec [J].Soil Sci Soc Am J,2009,73（1）：113-119.

[24]Jantalia C P,Santo H P,Urquiaga S.Fluxes of nitrous oxide from soil under different crop rotations and tillage systems in the South of Brazil [J].Nutr Cycl Agroecos,2008,82（2）：161-173.

[25]孫國峰,鄭建初,陳留根,等.沼液替代化肥對麥季CH4、N2O排放及溫室效應(yīng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,31（8）：1654-1661.

SUN Guo-feng,ZHENG Jian-chu,CHEN Liu-gen,et al.Effects of chemical fertilizers substitution by biogas slurry on CH4and N2O emissions and their greenhouse effects in wheat field[J].Journal of Agro-Environment Science,2012,31（8）：1654-1661.

[26]Baggs E,Rees R,Castle K,et al.Nitrous oxide release from soils receivingN-richcropresidues and paper mill sludge in eastern Scotland [J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2002,90（2）：109-123.

[27]Frimpong K,Baggs E.Do combined applications of crop residues and inorganic fertilizer lower emission of N2O from soil[J].Soil Use and Management,2010,26（4）：412-424.

[28]郭銳,汪景寬,李雙異.長期地膜覆蓋及不同施肥處理對棕壤水溶性有機碳的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35（9）：2672-2673.

GUO Rui,WANG Jing-kuan,LI Shuang-yi.Effects of long-term mulching and different fertilization treatments on dissolved organic carbon in Brown Soil[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2007, 35（9）：2672-2673．

[29]李彬彬,馬軍花,武蘭芳.土壤溶解性有機物對CO2和N2O排放的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2014,34（16）：4690-4697.

LIN Bin-bin,MA Jun-hua,WU Lan-fang.Effects of soil dissolved organic matter on CO2and N2O emission[J].Acta Ecologica Sinica, 2014,34（16）：4690-4697.

[30]Meijide A,Cárdenas L M,Sánchez-Martín L,et al.Carbon oxide and methane fluxes from a barley field amended with organic fertilizers under Mediterranean climatic conditions[J].Plant and Soil,2010,328（1/2）：353-367.

Effects of biogas slurry irrigation on CO2and N2O emission from winter wheat-summer maize rotation farmland

WANG Xiao-fei1,2,SHEN Shi-zhou2,YIN Gao-fei2,YAN Jian-hua2,DU Hui-ying2,ZHANG Ke-qiang2*
（1.College of Land and Environment,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110866,China;2.Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture,Tianjin 300191,China）

To investigate the effects of biogas slurry irrigation on CO2and N2O emissions and soil physicochemical properties,in winter wheat-summer maize rotation system,five different irrigation modes were set up,including blank control（CK）,fertilization treatment（CF）, 2∶1 biogas slurry irrigation for two times（one time in wheat season and one time in corn season）（T1）,2∶1 biogas slurry irrigation for three times（two times in wheat season and one time in corn season）（T2）and 1∶1 biogas slurry irrigation for three times（two times in wheat season and one time in corn season）（T3）.In the study,Static-Gas Chamber method was applied to study the soil CO2and N2O emission from winter wheat-summer maize rotation cropping system under the condition of marsh fluid biogas irrigation.The meteorological condition,soil ammonium nitrogen,nitrate nitrogen,soil soluble organic carbon and crop yield were also monitored.The characteristics of CO2and N2O emissions from cropland soil and their influencing factors were analyzed and discussed,and a reasonable biogas slurry irrigation model wasput forward.The results showed that the biogas irrigation did not affect the seasonal variation of soil CO2and N2O emission flux during the rotation cycle,however,it could cause the short-term emission increase after irrigation.The CO2emission level was increased by different biogas slurry irrigation treatments in a certain extent,but the difference was not significant except T3.The biogas irrigation treatments did not improve the N2O emission level significantly.The content of soil soluble organic carbon was increased by biogas slurry irrigation treatments and was decreased with the application of chemical fertilizers.Compared with conventional fertilization treatment,there was no significant difference between the crop yield of T2 and T3,but the yield of T1 was significantly decreased.Considering the crop yield and CO2and N2O accumulated emissions,T2 treatment was the most reasonable biogas slurry irrigation mode under this study condition.

biogas slurry irrigation;winter wheat-summer maize rotation;CO2;N2O;cumulative emission;crop yield

X713

A

1672-2043（2017）04-0783-10

10.11654/jaes.2016-1535

2016－12－01

王小非（1992—），男，河南人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田溫室氣體排放的研究。E-mail：xf_wang92@126.com

*通信作者：張克強E-mail：kqzhang68@126.com

國家自然科學(xué)基金項目（41371481）；“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAD15B02）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41371481）；The National Medical Science and Technology Foundation During the 12th Five-Year Plan Period of China（2012BAD15B02）

王小非，沈仕洲，尹高飛，等.沼液灌溉對冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田CO2、N2O排放規(guī)律的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（4）：783-792.

WANG Xiao-fei,SHEN Shi-zhou,YIN Gao-fei,et al.Effects of biogas slurry irrigation on CO2and N2O emission from winter wheat-summer maize rotation farmland[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（4）:783-792.