不同灌溉施肥措施對(duì)夏玉米-冬小麥農(nóng)田N2O排放和產(chǎn)量的影響

李昊儒，郝衛(wèi)平，梅旭榮，郭 瑞

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引 言

氧化亞氮（N2O）是大氣中主要的溫室氣體之一，對(duì)全球氣候變化起到重要作用，也是導(dǎo)致臭氧層破壞的光化學(xué)反應(yīng)主要參與者[1]，其體積分?jǐn)?shù)已由 1750年的270×10–9上升到 2005 年的 319×10–9，相比工業(yè)化前提高了18%[2]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是N2O濃度增加的主要原因之一，2005年中國農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的N2O排放占N2O總排放量的73.79%[3]。華北平原是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，該地區(qū)耕地面積占全國的 27%，小麥和玉米產(chǎn)量分別占全國的50%和 35%[4]。夏玉米-冬小麥一年兩熟是華北平原主要的種植制度，大水漫灌和撒施氮肥是該地區(qū)普遍應(yīng)用的灌溉施肥方式，常規(guī)的周年施氮量約為550～600 kg/hm2[5]，嚴(yán)重高于作物需求氮量[6]。這種“大水高肥”的粗放型管理措施不僅導(dǎo)致水肥利用效率低，而且還會(huì)增加N2O等溫室氣體排放，引起一系列環(huán)境問題。李虎等[7]利用DNDC（DeNitrification-DeComposition）模型模擬在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理措施下，該區(qū)域麥–玉輪作農(nóng)田每年氮素通過N2O排放損失的量達(dá)到17.71 kg/hm2。因此，在保證糧食產(chǎn)量的同時(shí)，減少氮肥用量、降低N2O排放成為華北平原農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

不同的灌溉施肥方式能改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，造成土壤通氣性、有效氮分布和微生物有效性發(fā)生改變，從而對(duì)土壤硝化、反硝化以及 N2O排放產(chǎn)生影響[8]。與傳統(tǒng)的管理方式相比，滴灌水肥一體化技術(shù)可以根據(jù)作物需求通過微噴灌系統(tǒng)將水肥施入作物根區(qū)，使水分和養(yǎng)分在土壤中均勻分布，達(dá)到農(nóng)田局部集中施肥和灌水的效果，以保證養(yǎng)分被根系快速吸收，大幅度地提高了肥料的利用率，降低了因過量施肥而造成的環(huán)境污染問題[9]。2012年，東北三省區(qū)實(shí)施“節(jié)水增糧”行動(dòng)，投資380億元推廣噴滴灌施肥技術(shù)（253萬hm2）。2014年，啟動(dòng)華北地下水超采區(qū)綜合治理試點(diǎn)，將滴灌施肥列為關(guān)鍵技術(shù)，大力推廣小麥和玉米滴灌技術(shù)應(yīng)用面積，在河北省進(jìn)行大面積推廣。農(nóng)業(yè)部也視滴灌施肥為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“一號(hào)技術(shù)”，2016年4月，農(nóng)業(yè)部辦公廳印發(fā)《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案（2016-2020年）》，進(jìn)一步明確了新形勢(shì)下推進(jìn)滴灌施肥技術(shù)發(fā)展的總體思路和目標(biāo)任務(wù)。目前，關(guān)于滴灌和滴灌水肥一體化對(duì)華北平原農(nóng)田 N2O排放的影響研究[10-11]主要分別針對(duì)玉米田和麥田，對(duì)玉米-小麥輪作農(nóng)田土壤N2O周年排放特征的研究少有報(bào)道，并且對(duì)滴灌水肥一體化下不同施氮量農(nóng)田土壤N2O排放規(guī)律和特征的研究較少。針對(duì)中國目前的資源環(huán)境現(xiàn)狀，在國家各項(xiàng)政策的扶持推動(dòng)下，滴灌水肥一體化技術(shù)在大田作物生產(chǎn)的應(yīng)用日趨廣泛，本文研究對(duì)等氮量下不同灌溉施肥技術(shù)以及在滴灌水肥一體化下減氮的產(chǎn)量效果和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了比較，具有一定的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。本研究以華北平原夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)置了常規(guī)施氮量下傳統(tǒng)灌溉施肥、滴灌+傳統(tǒng)施肥、滴灌水肥一體化以及滴灌水肥一體化下不同施氮量處理，以滴灌+不施氮肥為對(duì)照，研究了不同施灌溉施肥模式對(duì)土壤N2O排放特征及作物產(chǎn)量的影響；明確了既保證糧食產(chǎn)量又減少土壤N2O排放的合理氮用量及灌溉施肥模式，為滴灌水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年6月至2016年6月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河北廊坊試驗(yàn)基地進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于廊坊市萬莊鎮(zhèn)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冷熱干濕差異明顯。廊坊市年平均氣溫（1971-2004年）為11.9 ℃，年平均降水量（1971-2004年）為554.9 mm，降水季節(jié)分布不均，多集中在 6-8月份。該地區(qū)土壤類型為砂壤質(zhì)潮土，基本性質(zhì)見表1。距試驗(yàn)田塊30 m處安裝有自動(dòng)氣象站，可以連續(xù)觀測(cè)氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射、降雨等氣象數(shù)據(jù)，觀測(cè)期內(nèi)降雨量和氣溫見圖1。

表1 廊坊試驗(yàn)基地土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties of in Langfang experimental station

圖1 觀測(cè)期降雨量和氣溫的變化Fig.1 Precipitation and air temperature during whole observed period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試夏玉米品種為廊坊地區(qū)主栽品種鄭單958，播種日期為2015年6月15日，收獲日期為2015年9月30日。供試冬小麥品種為廊坊地區(qū)主栽品種廊研 43，播種日期為2015年10月3日，收獲日期為2016年6月12日。試驗(yàn)設(shè)置了常規(guī)施氮量（夏玉米：205.5 kg/hm2；冬小麥：250 kg/hm2）下傳統(tǒng)灌溉施肥（FP100%）、滴灌+傳統(tǒng)施肥（DN100%）、滴灌水肥一體化（FN100%）以及滴灌水肥一體化下不同施氮量（減氮60%（FN40%）、減氮 30%（FN70%）、常規(guī)氮量（FN100%）和增氮 30%（FN130%））和滴灌+不施氮肥（CK）共 7個(gè)處理。每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為42 m2（6 m′7 m），每個(gè)小區(qū)之間設(shè)2m寬的隔離帶，冬小麥平均行距為30 cm，平均播種密度為4.2′106株/hm2，夏玉米平均行距為60 cm，株距為30 cm，播種密度為5.6′104株/hm2。

FP100%處理播種前施用復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作為基肥，拔節(jié)期施用尿素追肥，施氮肥方式為撒施，灌水方式為溝灌；DN100%處理施氮肥種類為尿素，分別在播種前施基肥，拔節(jié)期追肥，施氮肥方式為撒施；滴灌水肥一體化處理施氮肥種類均為尿素，施氮肥方式為隨灌水施入氮肥；各處理均施用相同的磷、鉀肥做底肥，夏玉米季用量為67.5 kg/hm2；冬小麥季用量為165 kg/hm2。滴灌和滴灌水肥一體化處理在作物關(guān)鍵需水需肥期，根據(jù)測(cè)定的土壤實(shí)際含水量設(shè)置灌溉量，夏玉米整個(gè)生育期共進(jìn)行 4次灌水，冬小麥季整個(gè)生育期共進(jìn)行6次灌水，具體施肥灌溉時(shí)間和量詳見表2。

試驗(yàn)采用以色列Netafim公司同一型號(hào)的滴灌帶，灌水過程中的滴頭工作壓力為 15～20 kPa，滴頭流量為0.6～0.65 L/h，額定流量為1.9 L/h。為了解試驗(yàn)田塊灌水的均勻性，在灌水季節(jié)內(nèi)，對(duì)滴頭流量在試驗(yàn)田塊內(nèi)的變化進(jìn)行了多次測(cè)試，結(jié)果表明，滴頭流量均勻系數(shù)在95%以上。滴頭間距為30 cm，夏玉米滴灌帶布置間距為60 cm（每行玉米布設(shè)一條毛管），冬小麥滴灌帶布置間距為30 cm（每?jī)尚行←湶荚O(shè)1條毛管）。試驗(yàn)水源采用地下井水，經(jīng)滴灌首部過濾后進(jìn)入比例式施肥泵（Mis Rite Model 2504，Tefen，以色列）進(jìn)水管道，每個(gè)小區(qū)各接一個(gè)獨(dú)立的施肥泵，并聯(lián)接一個(gè)儲(chǔ)液罐，施肥開始前按各小區(qū)所需氮肥分別加入儲(chǔ)液罐，將儲(chǔ)液罐充滿水，充分?jǐn)嚢?，使其完全溶解?/p>

1.3 N2O的采集和分析方法

采用密閉式靜態(tài)箱法[12]測(cè)定N2O，采集N2O的裝置為下端開口上部密封，直徑25 cm×高25 cm的柱形圓筒，由PVC材料制成，圓柱體頂部安裝有一個(gè)帶有螺旋開關(guān)的氣密性氣體抽氣閥門，在試驗(yàn)小區(qū)中部，以滴灌帶為直徑，滴頭為圓心，安裝一個(gè)插入土壤 5 cm深的 PVC塑料圓形底座，底座內(nèi)徑為21.5 cm，底座外徑為31.5 cm。采樣時(shí)，將箱體置于底座上，向底座中倒入少量水，進(jìn)行水封確保密封性良好。密封后立即用100 mL注射器抽取氣體并注入帶有聚乙烯涂層的鋁箔真空氣袋內(nèi)（大連普萊特公司）內(nèi)，每隔10 min取樣1次，共取樣5次，并準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)間和箱內(nèi)氣溫。取樣結(jié)束后，立即將采樣箱從底座移開。每次滴灌施肥后逐日采樣7 d；每次10 mm以上日降雨后，逐日采樣3 d；每次播種后連續(xù)取樣3 d；其他情況下，3-11月每周采樣1次，12月、1月和2月份每2周采樣一次。為了便于比較和消除日變化所導(dǎo)致的通量差異，取樣監(jiān)測(cè)時(shí)間維持在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的9:00-11:00之間進(jìn)行。每次取氣樣的同時(shí)，測(cè)定氣溫、土壤5 cm深度溫度及15 cm深度土壤含水量。N2O氣體樣品在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所采用改進(jìn)的氣相色譜儀（Agilent 7890A）分析測(cè)定。

表2 不同灌溉施肥處理下夏玉米-冬小麥?zhǔn)┑獣r(shí)期和施氮量、灌溉時(shí)期和灌溉量Table 2 Nitrogen (N) application date, rates and irrigation date, amounts under different treatments during summer maize- winter wheat growing stage

1.4 計(jì)算公式及數(shù)據(jù)分析

土壤N2O排放通量計(jì)算公式為[13]

式中F為N2O的排放通量，mg/m2·h，正值為排放，負(fù)值為吸收；r為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下N2O的密度，g/L；H為采樣箱氣室高度，cm；T為采樣箱內(nèi)氣溫，℃；P為采樣時(shí)氣壓，kPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa，P/P0≈1；/ctDD為采樣箱內(nèi) N2O 濃度的變化速率，uL/L·min。用內(nèi)插法計(jì)算相鄰兩次監(jiān)測(cè)之間未觀測(cè)日期的排放通量，然后將觀測(cè)值和未觀測(cè)日計(jì)算值逐日累加得到N2O 排放總量。

土壤孔隙含水率（water-filled pore spaces, WFPS）計(jì)算公式為[14]

式中vq為土壤體積含水量，%；BD為土壤容重，g/cm3；2.65為土壤密度，g/cm3。

采用SAS9.2統(tǒng)計(jì)分析軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)，采用LSD方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性測(cè)驗(yàn)。作圖采用Origin 8.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米季農(nóng)田土壤N2O排放日通量的變化特征

由圖2可以看出，在夏玉米整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，N2O排放通量的增加多發(fā)生在降水或灌溉施肥后的1～4 d，4 d后N2O排放通量逐漸減弱，最后直至消失，這說明玉米季土壤硝化、反硝化作用基本在降水或灌溉施肥后4 d內(nèi)完成。CK處理除了7月16日-18日集中降雨后，N2O排放出現(xiàn)明顯的排放峰外，其余時(shí)間N2O排放波動(dòng)較小，排放通量最高值發(fā)生在7月19日，達(dá)到0.17 mg/m2·h。滴灌水肥一體化不同施氮量處理N2O排放動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，且施氮量越低，N2O排放通量越小，F(xiàn)N40%處理N2O排放通量最高值僅為0.10 mg/m2·h，這說明N2O排放通量與施氮量密切相關(guān)。DN100%處理的 N2O排放通量具有較大的波動(dòng)，變化范圍在0.00～1.64 mg/m2·h之間，最大排放峰出現(xiàn)在7月18日降雨后，持續(xù)5 d左右，峰值出現(xiàn)在7月19日。FP100%處理的第一次排放峰出現(xiàn)在基肥+第一次灌溉后，持續(xù)5 d左右，峰值出現(xiàn)在6月 20日，達(dá)到 0.27 mg/m2·h；與 DN100%處理一致，F(xiàn)P100%處理的最大排放峰出現(xiàn)在7月18日降雨后，峰值出現(xiàn)在7月19日，達(dá)到0.34 mg/m2·h，這說明在傳統(tǒng)撒施氮肥下，降雨對(duì)玉米田N2O排放影響較大。FN100%處理的N2O排放通量最高值（0.27 mg/m2·h）出現(xiàn)在抽雄期滴灌施肥后。夏玉米季 FN40%處理（DN100%除外）的 N2O平均排放通量較 FP100%處理顯著降低 70.8%（P<0.05）（圖 2）。

圖2 不同灌溉施肥方式下2015年夏玉米季土壤N2O排放通量Fig.2 N2O emission flux under different management in summer maize fields during 2015 growing season

2.2 冬小麥季農(nóng)田土壤N2O排放日通量的變化特征

由圖 3可以看出，在冬小麥整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，CK和FP100%處理的N2O最大排放通量出現(xiàn)在撒施基肥后，分別達(dá)到0.31和0.21 mg/m2·h，其余時(shí)間波動(dòng)較小，這說明傳統(tǒng)灌溉施肥下，施肥對(duì)麥田 N2O影響較大。DN100%和FN100%處理排放規(guī)律基本一致，第一個(gè)排放峰出現(xiàn)在第一次灌溉后，持續(xù)6 d左右，峰值出現(xiàn)在10月10日，分別達(dá)0.20和0.10 mg/m2·h；第二個(gè)排放峰出現(xiàn)在返青期灌水后，峰值出現(xiàn)在灌溉后第三天（3月10日），分別達(dá)到0.88和0.56 mg/m2·h。與玉米季相同，滴灌水肥一體化不同施氮量處理N2O排放動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，且施氮量越低，N2O排放通量越小，F(xiàn)N40%處理的最大排放通量發(fā)生在第一次滴灌施肥以及4月2日降雨后的第二天，均為0.05 mg/m2·h。與FP100%處理相比，F(xiàn)N40%處理在冬小麥季的 N2O平均排放通量顯著降低 66.7%（P<0.05）（圖 3）。

圖3 不同灌溉施肥方式下2015-2016年冬小麥季土壤N2O排放通量Fig.3 N2O emission flux under different management in winter wheat fields during 2015-2016 growing season

2.3 農(nóng)田N2O排放的影響因素

土壤溫濕度影響微生物活性，進(jìn)而影響土壤硝化反硝化作用，最終影響農(nóng)田土壤N2O的產(chǎn)生和向大氣中的擴(kuò)散，為明確不同灌溉施肥方式下農(nóng)田N2O排放的影響因素，需對(duì)各處理土壤溫濕度變化進(jìn)行進(jìn)一步分析。研究結(jié)果顯示，在滴灌水肥一體化處理中，減氮60%的N2O排放通量最小，顯著改善環(huán)境效應(yīng)，因此，在農(nóng)田土壤N2O排放的影響因素和作物產(chǎn)量構(gòu)成分析中只采用FN40%處理試驗(yàn)結(jié)果與其他處理進(jìn)行分析比較。

2.3.1 土壤溫度

各處理0～5 cm土層平均溫度均表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，夏玉米季先上升后下降，冬小麥季先下降后上升，7月10日土壤溫度達(dá)到最高值（28.4～30.9 ℃），冬小麥越冬期至返青期，土壤溫度低于0 ℃，1月16日土壤溫度達(dá)到最低值（–10.0 ℃）（圖4）。通過剔除灌溉施肥引起的N2O排放峰值，對(duì)不同灌溉施肥措施N2O排放通量與5 cm深度土壤溫度的相關(guān)分析表明，整個(gè)輪作周期內(nèi)CK和FN40%處理5 cm深度土壤溫度與N2O排放通量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），其他處理5 cm深度土壤溫度與N2O排放通量之間無顯著相關(guān)性（表3），這說明對(duì)整個(gè)輪作周期而言，低施氮量處理土壤溫度升高可顯著促進(jìn)農(nóng)田 N2O排放。而對(duì)玉米和小麥生長季分別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在夏玉米季，DN100%和FN100%處理N2O排放通量與5 cm土壤溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)N40%處理呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），CK和FP100%處理N2O排放通量與5 cm深度土壤溫度的關(guān)系均無統(tǒng)計(jì)顯著性。在冬小麥季，DN100%和FP100%處理N2O排放通量與5 cm土壤溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)N40%呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），CK和FN100%處理無顯著相關(guān)性。

表3 不同灌溉施肥措施下夏玉米和冬小麥農(nóng)田N2O排放通量與0～5 cm土層地溫相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between N2O emission fluxes and soil temperature in 0-5 cm soil depth under different management of summer maize and winter wheat fields

圖4 不同灌溉施肥措施下夏玉米-冬小麥田（0～5 cm）土壤平均溫度變化特征Fig.4 Dynamics of average soil temperature with different irrigation and fertilization methods in layer (0–5 cm) of summer maize-winter wheat field

2.3.2 土壤濕度

夏玉米季整個(gè)觀測(cè)期土壤孔隙含水率在 19.4%～42.2%范圍內(nèi)變化，冬小麥返青期后土壤孔隙含水率在3.7%～58.1%范圍內(nèi)變化，每次灌溉降雨后土壤水分含量略有上升（圖5）。通過對(duì)各處理N2O排放通量與土壤孔隙含水率進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，周年內(nèi)兩者之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），其中，F(xiàn)N100%和FP100%達(dá)極顯著水平（P<0.01）（表4），這說明對(duì)整個(gè)輪作周期而言，增加土壤濕度可顯著提高農(nóng)田 N2O排放。就 FP100%處理而言，高于整個(gè)觀測(cè)期平均值（0.05 mg/m2·h）的N2O排放通量中有57.1%出現(xiàn)在WFPS在29%～35.5%的條件下，其余42.9%出現(xiàn)在WFPS<29%和WFPS>23.5%的水分條件下，從該結(jié)果可以看出，29%～35.5%的濕度條件有利于N2O的產(chǎn)生和排放。對(duì)各處理玉米季和小麥季分別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，夏玉米季，CK、FP100%和 FN40%處理N2O排放通量與WFPS呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；冬小麥季，DN100%、FN100%和FP100%處理N2O排放通量與WFPS呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）（表4）。

圖5 不同耕作措施下夏玉米和冬小麥田（0～20 cm）土壤充水孔隙度變化特征Fig.5 Dynamics of water filled porosity space under irrigation and fertilization managements in layer (0–20 cm) of summer maize and winter wheat field

表4 不同灌溉施肥措施下夏玉米和冬小麥農(nóng)田N2O排放通量與土壤孔隙含水率相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between N2O emission fluxes and WFPS under different management of summer maize and winter wheat fields

2.4 不同灌溉施肥方式下夏玉米-冬小麥產(chǎn)量與排放系數(shù)

與CK處理相比，夏玉米季各施肥處理產(chǎn)量顯著增加了21.8%～31.4%；冬小麥季產(chǎn)量增加了42.3%～123.3%；周年產(chǎn)量顯著增加了 28.8%～53.4%。與 FP100%處理相比，F(xiàn)N40%處理夏玉米季產(chǎn)量顯著降低了7.4%，冬小麥產(chǎn)量和周年產(chǎn)量并沒有顯著性差異（P<0.05）。從產(chǎn)量構(gòu)成要素來看，夏玉米FN40%的穗粒數(shù)和有效穗數(shù)沒有顯著減少，千粒重顯著低于其他灌溉施肥處理（DN100%除外），與CK相比，F(xiàn)N40%的有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量均顯著增加（表5）；冬小麥FN40%的每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量均沒有顯著低于其他灌溉施肥處理，且千粒質(zhì)量顯著高于DN100%，與CK相比，F(xiàn)N40%的有效穗數(shù)顯著增加（表 5）。綜上所述，與其他灌溉施肥處理相比，夏玉米FN40%處理產(chǎn)量的減少主要是千粒質(zhì)量降低的結(jié)果，而冬小麥FN40%處理產(chǎn)量沒有顯著性降低是由于每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量均沒有顯著性減少。

表5 不同灌溉施肥處理夏玉米和冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Table 5 Maize and wheat grain yield and yield components under different irrigation and fertilization management

從夏玉米-冬小麥周年輪作來看，不同處理夏玉米-冬小麥輪作農(nóng)田土壤N2O排放總量為0.98～8.84 kg/hm2，排放次序?yàn)椋篋N100%>FN100%>FP100%>FN40%>CK，CK處理N2O年排放總量最低，為（0.98±0.28）kg/hm2；與FP100%相比，F(xiàn)N40%處理N2O年排放總量顯著減少了1.80 kg/hm2，降幅為62.9%；DN100%處理N2O年排放總量顯著高于其他處理。對(duì)各處理玉米和小麥生長季的N2O排放總量分別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，玉米季N2O排放總量占全年 N2O排放總量的 25.8%～49.2%，小麥季占50.8%～74.2%。在夏玉米季，與 FP100%相比，CK和FN40%處理分別減少62.3%和58.4%（P<0.05），CK處理排放N2O最少，F(xiàn)N40%次之；而DN100%處理N2O排放總量增加208.0%，這與N2O排放通量規(guī)律一致。在冬小麥季，與FP100%相比，CK和FN40%處理的N2O排放總量分別降低68.4%和66.4%，CK處理排放N2O最少，F(xiàn)N40%排放N2O次之，但二者差異不顯著（表6）。

夏玉米-冬小麥輪作農(nóng)田土壤 N2O的排放系數(shù)介于0.04%～1.72%之間，其次序是：DN100%>FN100%>FP100%>FN40%，其中，F(xiàn)N100%、FP100%和FN40%處理排放系數(shù)均低于Bouwman[15]提供的糧田土壤N2O排放系數(shù)1.25%。不同灌溉施肥方式下冬小麥生長季N2O排放系數(shù)為0.01%～1.79%，其中，F(xiàn)P100%和FN40%處理低于IPCC建議氮素肥料N2O-N排放系數(shù)的1%，夏玉米生長季N2O排放系數(shù)在0.06%～1.65%之間。綜合考慮各處理N2O的排放量、玉米-小麥產(chǎn)量和施肥量等因素，本研究認(rèn)為，F(xiàn)N40%玉米-小麥輪作周期內(nèi)農(nóng)田土壤N2O排放總量為1.06 kg/hm2，排放系數(shù)為0.04%，顯著低于其他處理，周年產(chǎn)量為11 493.65 kg/hm2，與FP100%處理相比沒有顯著差異（表6）。

表6 不同灌溉施肥方式下夏玉米-冬小麥輪作產(chǎn)量、農(nóng)田N2O排放總量、平均排放通量和排放系數(shù)Table 6 Grain yields, cumulative emissions, average N2O emission flux and emission factors coefficient during winter wheat-summer maize growing season

3 討論

3.1 管理措施對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

N2O是硝化反應(yīng)的重要副產(chǎn)物和反硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物，不同的灌溉方式能改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，造成土壤通氣性等發(fā)生改變，從而對(duì)土壤硝化、反硝化以及 N2O排放產(chǎn)生影響[9]。已有研究顯示，漫灌條件下農(nóng)田土壤N2O排放主要來自于有氧條件下的硝化反應(yīng)[16]，而溝灌條件下農(nóng)田土壤N2O排放主要來自于厭氧條件下的反硝化作用。也有研究認(rèn)為漫灌條件下N2O主要來源于反硝化反應(yīng)，硝化反應(yīng)是滴灌條件下 N2O的主要來源[17]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與FP100%相比，DN100%處理玉米田和小麥田平均排放通量分別增加了 237.5%和116.7%，這與郭樹芳等[18]的研究結(jié)果規(guī)律一致，這可能是因?yàn)榈喂喾绞较峦寥浪趾扛哂诼?，促進(jìn)了土壤微生物作用下的硝化和反硝化反應(yīng)，從而增加了土壤N2O排放量；也可能由于撒施氮肥后進(jìn)行漫灌造成施入的氮肥淋入土壤深層，減少土壤表層多余氮素殘留，從而減少FP100%處理農(nóng)田土壤N2O排放。而Wu等[19]和Wang等[10]分別對(duì)新疆棉田和華北麥田的研究認(rèn)為，與漫灌相比，滴灌減少了28.8%和14.6%的農(nóng)田N2O排放量，并認(rèn)為滴灌方式下土壤含水量相對(duì)低，且土壤局部濕潤，改善了土壤通氣性，提高了O2含量，促進(jìn)硝化作用，在一定范圍內(nèi)抑制了反硝化反應(yīng)。

另一方面，氮肥施用方式也影響農(nóng)田土壤N2O排放。與DN100%相比，F(xiàn)N100%處理的玉米田和小麥田N2O排放總量分別減少69.0%和30.8%，這說明在滴灌條件下，根據(jù)作物的生長發(fā)育需求隨水施肥比傳統(tǒng)的撒施氮肥有明顯的N2O減排效果，這可能是因?yàn)榉峙⒎制谑┓逝c單次施肥相比，可以保證施肥時(shí)間與養(yǎng)分需求的時(shí)間同步，提高作物對(duì)氮肥的吸收利用效率，減少了土壤氮?dú)埩?，降低了土壤硝化和反硝化作用需要的氮源，從而降低土?N2O排放量[20-21]。同時(shí)，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與FP100%相比，F(xiàn)N100%處理玉米田和輪作農(nóng)田N2O排放總量沒有顯著性差異，麥田土壤N2O顯著增加了114.2%，而Tian等[11]對(duì)華北平原玉米田的研究證明，與漫灌撒施氮肥相比，滴灌施肥減少了7.7%的農(nóng)田土壤N2O排放量。這可能是由于本研究中翻耕及秸稈還田帶來土壤底物的差異，從而增加了灌溉施肥方式間土壤溫室氣體排放的差異。另外，氮肥施用量也顯著影響農(nóng)田土壤N2O排放，過量施氮會(huì)造成N2O排放量增加。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與FN100%相比，F(xiàn)N40%處理的玉米田和小麥田 N2O排放總量分別減少了56.7%和84.3%，周年排放總量顯著減少了 77.1%（P<0.05），而周年產(chǎn)量并沒有顯著降低，并且在滴灌水肥一體化下，增加施氮量會(huì)促進(jìn)農(nóng)田N2O排放。

以上分析可以看出，不同灌溉施肥方式土壤含水量存在差異，并且通過影響土壤水分分布狀況影響無機(jī)氮空間運(yùn)移，影響作物吸收效率，造成對(duì)農(nóng)田土壤N2O的排放產(chǎn)生區(qū)別。綜上所述，在該地區(qū)夏玉米-冬小麥輪作制度下，若采用滴灌方式進(jìn)行灌溉，則根據(jù)作物需肥規(guī)律同時(shí)采用水肥一體化方式進(jìn)行施肥才有增產(chǎn)，減少農(nóng)田N2O排放的效果，并且在該技術(shù)下，減少60%施氮量在不減產(chǎn)的同時(shí)，有顯著的N2O減排效果。

3.2 環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

降水所引起的土壤快速再濕潤能激發(fā)N2O形成與排放。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，夏玉米季常規(guī)施肥各處理均在 7月19日觀測(cè)到排放峰，這是由于7月16日-18日出現(xiàn)連續(xù)降水（26.4、28.3和81 mm），土壤含水量顯著增加，WFPS達(dá)到35.8%～42.2%，而此時(shí)的土壤溫度（25.6 ℃～27.3 ℃）相對(duì)較高，微生物活性較強(qiáng)，土壤硝化與反硝化的共同作用促使土壤N2O的大量產(chǎn)生和排放。

土壤溫度影響微生物的代謝活動(dòng)，并通過影響其硝化和反硝化反應(yīng)速率來影響N2O的排放[22]。本試驗(yàn)得出，不同灌溉施肥處理土壤溫度與N2O 排放通量的相關(guān)性并不相同，玉米季DN100%處理土壤溫度與N2O排放通量相關(guān)性最好，呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），小麥季FP100%處理相關(guān)性最好，呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。這可能由于不同灌溉方式下土壤含水率不同，影響了硝化和反硝化反應(yīng)的發(fā)生，從而影響N2O形成和排放。謝軍飛等[23]研究認(rèn)為，麥田N2O排放通量隨著土壤溫度的升高在不同程度上有一定的增加，這與本研究 CK、FN100%和FN40%處理的結(jié)果相符。

土壤孔隙含水率對(duì)N2O的產(chǎn)生和擴(kuò)散也有很重要的影響。Granli等研究認(rèn)為，WFPS在70%～90%，N2O排放主要是由反硝化過程產(chǎn)生的，WFPS在30%～70%，則主要由硝化過程產(chǎn)生，最適宜N2O排放的土壤孔隙含水量范圍為60%～80%WFPS。當(dāng)土壤含水量低于飽和含水量時(shí)，硝化作用產(chǎn)生的N2O占總產(chǎn)生量的61%～98%，N2O的排放量隨土壤水分的增加而增加，硝化作用是最基本來源[25]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，玉米田和小麥田N2O排放最高時(shí)期，各處理 WFPS分別為 32.2%～41.7%和31.8%～58.1%；在傳統(tǒng)灌溉施肥措施下，高于整個(gè)觀測(cè)期平均值（0.05 mg/m2·h）的N2O排放通量中有57.1%出現(xiàn)在WFPS在29%～35.5%的條件下，其余42.9%出現(xiàn)在WFPS＜29%和WFPS＞23.5%的水分條件下，這說明該地區(qū)29%～35.5%的濕度條件有利于N2O的產(chǎn)生和排放，而滴灌處理土壤孔隙含水率顯著高于常規(guī)灌溉，更有利于保持土壤水分。

4 結(jié) 論

1）整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)農(nóng)田N2O排放峰出現(xiàn)在施肥、灌溉以及集中降雨后，一般持續(xù)5 d左右。夏玉米季，滴灌+傳統(tǒng)施肥和傳統(tǒng)灌溉施肥農(nóng)田N2O排放通量變化規(guī)律基本一致；冬小麥季，滴灌+傳統(tǒng)施肥、等氮量滴灌水肥一體化和減氮60%滴灌水肥一體化農(nóng)田N2O排放通量變化規(guī)律基本一致。小麥季農(nóng)田土壤N2O排放通量高于玉米季，夏玉米季土壤N2O階段排放峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期和抽雄期；而冬小麥季土壤N2O階段排放峰值出現(xiàn)在冬前苗期和拔節(jié)期。

2）土壤溫度和土壤濕度均影響N2O排放，但不同處理在夏玉米和冬小麥生長季與土壤溫度和土壤濕度的相關(guān)性并不相同。滴灌+不施氮肥和減氮60%滴灌水肥一體化處理輪作農(nóng)田N2O排放與土壤溫度表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；傳統(tǒng)灌溉施肥處理玉米田、小麥田和輪作農(nóng)田N2O排放與土壤孔隙含水率（WFPS）均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

3）從排放總量來看，不同處理夏玉米-冬小麥輪作農(nóng)田土壤N2O排放總量為0.98～8.84 kg/hm2，排放次序?yàn)椋篋N100%>FN100%>FP100%>FN40%>CK，排放系數(shù)為0.04%～1.72%。在該地區(qū)夏玉米-冬小麥輪作制度下，若采用滴灌方式進(jìn)行灌溉，則根據(jù)作物需肥規(guī)律同時(shí)采用水肥一體化方式進(jìn)行施肥才有增產(chǎn)，減少農(nóng)田N2O排放的效果，并且在滴灌水肥一體化技術(shù)下，減少 60%施氮量在不減少周年產(chǎn)量的同時(shí)，顯著降低農(nóng)田N2O排放。

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