不同水分對(duì)半干旱地區(qū)砂壤土溫室氣體排放的短期影響

李平 ，魏瑋 ，郎漫 *

（1.南京信息工程大學(xué)，江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

CO2、N2O 和 CH4是 3 種重要的溫室氣體，在所有溫室氣體中CO2的增溫效應(yīng)貢獻(xiàn)為60%，工業(yè)革命后大氣中CO2濃度持續(xù)遞增，2018 年大氣中CO2濃度為407.8 μL·L-1[1]，預(yù)計(jì)到 2100 年將達(dá)到 540～970 μL·L-1[2]。大氣中 N2O 和 CH4的濃度雖然沒(méi)有 CO2高，但是其百年尺度上的增溫效應(yīng)分別是CO2的310 倍和21 倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)分別為7.9%和14.3%[3]。受人類(lèi)活動(dòng)影響，大氣中N2O 和CH4的濃度正在以每年約0.3%和0.8%的速度增長(zhǎng)，2018 年大氣中N2O 和CH4濃度為 331.1 nL·L-1和 186.9 nL·L-1[1]，預(yù)計(jì)到2100年將分別增加38～44 nL·L-1和190～197 nL·L-1[2]。土壤作為大氣中溫室氣體的主要排放源，灌溉、施肥、耕作方式等都會(huì)通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)而對(duì)溫室氣體排放產(chǎn)生影響[4-5]，其中土壤水分含量是一個(gè)重要影響因素。

土壤排放的N2O 主要經(jīng)由硝化和反硝化過(guò)程產(chǎn)生，不同水分含量下兩個(gè)過(guò)程發(fā)生的強(qiáng)度及N2O 排放量有很大差異。土壤含水量通過(guò)影響土壤中氧氣分壓而影響土壤硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2O 量，在一定水分含量范圍內(nèi)，硝化速率及N2O 排放量隨水分含量的增加顯著增加[6]；之后水分含量進(jìn)一步增加，土壤氧壓下降反而會(huì)降低硝化速率并增加N2O 占硝化氮的比例[7]。Wrage 等[8]指出，水分含量變化會(huì)使土壤功能微生物群體發(fā)生改變。水分含量增加導(dǎo)致的土壤氧氣含量減少有助于硝化細(xì)菌反硝化過(guò)程的發(fā)生，從而排放大量N2O[9]。土壤水分含量對(duì)反硝化過(guò)程的影響存在一個(gè)臨界值，大于這個(gè)臨界值時(shí)，反硝化速率隨水分含量的增加而顯著增加。Davidson[10]指出，60%的孔隙含水量（WFPS）值是反硝化過(guò)程大量產(chǎn)生N2O 的臨界值，WFPS 大于60%時(shí)，硝化速率逐漸減弱，反硝化速率逐漸增加并開(kāi)始排放大量N2O；進(jìn)一步增加水分含量，N2O逐漸還原為N2，N2O排放量也隨之降低。

土壤中的微生物大部分為好氣性微生物，微生物通過(guò)呼吸作用釋放CO2的量受土壤水分含量影響。有研究表明，厭氧條件下CO2排放量是好氧條件下的80%[11]。這可能是因?yàn)閰捬鯒l件下能進(jìn)行呼吸的土壤微生物數(shù)量很少[12]，或者厭氧條件抑制了一些酶的合成及化學(xué)反應(yīng)，使得微生物可利用的碳源減少[13]。但也有研究報(bào)道，厭氧條件下短期內(nèi)土壤CO2排放量比好氧條件下高約50%，可能來(lái)源于某些不能被微生物利用的含碳化合物的分解釋放[14]。

黑龍江省半干旱地區(qū)地廣人稀，土地資源豐富，是我國(guó)重要的商品糧基地。區(qū)域內(nèi)土壤類(lèi)型多樣，分布復(fù)雜，其中砂壤土是一種重要的農(nóng)業(yè)耕作土壤[21]。由于降雨偏少且分布不均勻，土壤風(fēng)蝕狀況嚴(yán)重，該地區(qū)的土壤肥力不斷下降，生產(chǎn)力較低[22]，土壤水分狀況成為限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物高產(chǎn)的主要因素。為了提高作物產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需進(jìn)行灌溉和大量施用氮肥，這勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤溫室氣體排放造成影響。此外，雖然半干旱地區(qū)土壤的含水量通常較低，但短期強(qiáng)降雨仍有可能導(dǎo)致某些低洼地區(qū)的土壤出現(xiàn)短期淺層淹水狀態(tài)。然而，目前有關(guān)東北半干旱地區(qū)砂壤土不同水分含量下溫室氣體排放規(guī)律的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以黑龍江省半干旱地區(qū)的砂壤土為對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究不同水分條件（60%WHC、100% WHC、淹水）下土壤N2O、CO2和CH4的排放規(guī)律，以期為半干旱地區(qū)耕作土壤的溫室氣體減排和水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

供試土壤采自黑龍江省齊齊哈爾市泰來(lái)縣。齊齊哈爾市位于黑龍江省西部，地處45°53′～48°56′N(xiāo)、122°24′～126°41′E，海拔高度在200～500 m。該地區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季特點(diǎn)明顯，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季短暫霜早，冬季干冷漫長(zhǎng)。年平均氣溫2.3 ℃，年平均降水量454 mm，降雨多集中在6—9 月，占全年降水量的85%以上。土壤類(lèi)型以砂壤土為主。

采樣地點(diǎn)常年種植玉米，年均施肥量約為120 kg N·hm-2。于2019年秋季玉米收獲后取樣，采用S形多點(diǎn)采樣法采集0～20 cm 耕層土壤，將新鮮土樣去除植物殘?bào)w并混勻后過(guò)2 mm 篩，于4 ℃下保存用于培養(yǎng)試驗(yàn)。另將一部分土壤風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)篩用于基本理化性質(zhì)分析。土壤理化性質(zhì)為：土壤pH 值7.27，田間最大持水量（WHC）為39.3%，有機(jī)碳和全氮含量分別為14.6 g·kg-1和1.13 g·kg-1，碳氮比為12.9，水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮含量分別為154 mg·kg-1和16.4 mg·kg-1，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為1.78 mg N·kg-1和9.68 mg N·kg-1，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為80.5%、11.1%和8.4%。

1.2 土壤培養(yǎng)

試驗(yàn)設(shè)置 3 個(gè)水分處理：60% WHC（WFPS 為50%）、100%WHC（WFPS 為84%）和淹水。稱(chēng)取相當(dāng)于30 g烘干土質(zhì)量的新鮮土樣于45個(gè)250 mL三角瓶中，用移液管向三角瓶中均勻加入NH4NO3溶液使得添加氮濃度為60 mg N·kg-1，在添加氮溶液的同時(shí)分別調(diào)節(jié)水分含量至設(shè)定含水量，淹水處理添加40 mL水（上覆水約5 mm）。將三角瓶用錫箔封口，并在錫箔上扎4～5 個(gè)洞以利于通氣，然后將三角瓶置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)期間蒸發(fā)損失的水分通過(guò)稱(chēng)重法用滴管添加以維持設(shè)定含水量。7 d 培養(yǎng)期間每個(gè)水分處理每日隨機(jī)選取3 瓶土壤用于采集培養(yǎng)瓶上部空間氣體以測(cè)定N2O、CO2和CH4濃度。取氣時(shí)去除錫箔，用帶取氣孔的硅膠塞塞住瓶口并用704 膠密封，將取氣孔與真空泵相連，抽取真空2 min，然后通入室內(nèi)空氣至平衡氣壓狀態(tài)，如此反復(fù)3 次使得三角瓶?jī)?nèi)空氣中N2O 濃度與室內(nèi)空氣相同，采集氣體樣品并以此時(shí)濃度為樣品的初始濃度。采氣時(shí)，用20 mL 注射器反復(fù)抽取3 次以混勻瓶?jī)?nèi)氣體，然后抽取20 mL 氣體樣品注入預(yù)先抽好真空的18.5 mL 取氣瓶中。密閉4 h 后再次采氣。在第1、3、5、7 d 氣體采集后，向三角瓶中加入 75 mL 2 mol·L-1KCl 溶液振蕩提取1 h，過(guò)濾后測(cè)定濾液中的濃度。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH 采用電位法測(cè)定（水土比為2.5∶1）；土壤最大持水量的測(cè)定參照文獻(xiàn)中[23]的方法；土壤黏粒、粉粒和砂粒含量采用吸管法測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱容量測(cè)定；土壤全氮采用開(kāi)氏法測(cè)定；土壤水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮經(jīng)去離子水浸提（液土比為5∶1）過(guò)濾后用有機(jī)碳氮分析儀測(cè)定；土壤無(wú)機(jī)氮經(jīng)2 mol·L-1KCl 溶液浸提（液土比為2.5∶1）過(guò)濾后用流動(dòng)分析儀測(cè)定；N2O、CO2和CH4濃度采用島津氣相色譜儀測(cè)定。

1.4 結(jié)果計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

凈硝化速率計(jì)算公式如下：

式中：n為凈硝化速率，mg N·kg-1·d-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，為土壤硝態(tài)氮含量，mg N·kg-1。

N2O、CO2和CH4氣體排放速率計(jì)算公式如下：

盡管該句在語(yǔ)義上表達(dá)了一個(gè)完整的語(yǔ)義真值命題(5a)，但它不是說(shuō)話者想交際的命題，交際命題是具體化的語(yǔ)用擴(kuò)展意義(5b)。因說(shuō)話者沒(méi)有明示傳達(dá)小王弄傷的是誰(shuí)的手指，這個(gè)概念是說(shuō)話者意圖的一部分，需要在給定的語(yǔ)境下，以擴(kuò)展的方式來(lái)獲取，它不對(duì)應(yīng)于句內(nèi)任何語(yǔ)義成分。因?yàn)樵捳Z(yǔ)(5b)里沒(méi)有需要語(yǔ)義填補(bǔ)的槽位，擴(kuò)展不是語(yǔ)言控制的，是自由的純語(yǔ)用過(guò)程，是概念上的強(qiáng)化，不是邏輯上的強(qiáng)化。

式中：F為氣體排放速率，μg N2O-N·kg-1·h-1/mg CO2-C·kg-1·h-1/μg CH4-C·kg-1·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 N2ON、CO2-C 和CH4-C 的密度為單位時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體濃度增加量，×10-6·h-1或×10-9·h-1；V為培養(yǎng)瓶上部空間有效體積，m3；T為培養(yǎng)溫度，℃；W為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)烘干土質(zhì)量，kg。氣體累積排放量采用相鄰兩次取樣的氣體排放速率平均值與時(shí)間乘積后加權(quán)累積計(jì)算得出。

N2O排放比率計(jì)算公式如下：

式中：R為 N2O 排放比率，%；FN2O為培養(yǎng)期間 N2O 的平均排放速率，mg N2O-N·kg-1·d-1；n為培養(yǎng)期間土壤凈硝化速率，mg N·kg-1·d-1。

全球增溫潛勢(shì)（Global warming potential，GWP）計(jì)算公式如下[24]：

式中：GWP為3種溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)，mg CO2-eq·kg-1；FCO2為CO2累積排放量，mg CO2-C·kg-1；FCH4-C為 CH4累積排放量，mg CH4-C·kg-1；FN2O-N為 N2O-N累積排放量，mg N2O-N·kg-1。

文中數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值，采用Origin 軟件作圖，采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。凈硝化速率、氣體排放速率和累積排放量、N2O 排放比率、全球增溫潛勢(shì)用Duncan（SSR）方法分析不同水分處理在P＜0.05和P＜0.01水平下的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 N2O排放速率和累積排放量

不同水分含量對(duì)土壤N2O 排放速率具有顯著影響，N2O 排放速率隨水分含量的增加而顯著增加（圖1a）。3 個(gè)水分條件下土壤N2O 排放速率的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相同，都表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)的進(jìn)行先增加至峰值后再降低，60% WHC 處理的排放速率峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)后的第5 d，100% WHC 和淹水處理的排放速率峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)后的第3 d。整個(gè)培養(yǎng)期間60% WHC 處理的 N2O 平均排放速率為 0.014 mg N2O-N·kg-1·d-1，100% WHC 和淹水處理的N2O 平均排放速率分別為0.109 mg N2O-N·kg-1·d-1和 0.419 mg N2O-N·kg-1·d-1，是60%WHC處理的7.8倍和29.9倍（P＜0.01）。至培養(yǎng)結(jié)束，60%WHC、100%WHC和淹水處理的N2O累積排放量分別為0.098、0.763、2.932 mg N2O-N·kg-1，各處理間差異極顯著（P＜0.01）（圖1b）。

60%WHC和100%WHC條件下土壤凈硝化速率分別為2.21 mg N·kg-1·d-1和2.04 mg N·kg-1·d-1，兩者沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），但均顯著高于淹水條件下的凈硝化速率（0.88 mg N·kg-1·d-1）（P＜0.05）（圖 2）。N2O 排放比率隨著水分含量的增加而顯著增加，土壤水分含量為60% WHC 時(shí)，N2O 排放比例僅為0.64%，水分含量增加至100%WHC 和淹水時(shí)，N2O 排放比率顯著增加至5.35%和47.5%（P＜0.01）（圖2）。

2.2 CO2排放速率和累積排放量

不同水分條件下土壤的CO2排放速率均隨培養(yǎng)的進(jìn)行逐漸降低（圖3a），說(shuō)明土壤中易分解有效碳含量逐漸減少。土壤水分含量從60% WHC 增加到100% WHC 對(duì)CO2排放速率沒(méi)有顯著影響（P＞0.05），整個(gè)培養(yǎng)期間60%WHC 和100%WHC 處理的CO2平均排放速率分別為9.92 mg CO2-C·kg-1·d-1和10.1 mg CO2-C·kg-1·d-1。淹水促進(jìn)了土壤中CO2的排放，各取樣時(shí)間淹水處理的CO2排放速率均顯著高于60%WHC 和100% WHC 處理（P＜0.05），整個(gè)培養(yǎng)期間淹水處理的CO2平均排放速率為12.7 mg CO2-C·kg-1·d-1。至培養(yǎng)結(jié)束，淹水處理的CO2累積排放量達(dá)到89.0 mg CO2-C·kg-1，顯著高于 60% WHC 和 100%WHC 處理（69.5 mg CO2-C·kg-1和 70.9 mg CO2-C·kg-1）（圖 3b）。

2.3 CH4排放速率和累積排放量

不同水分條件下土壤的CH4排放都表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時(shí)間的推進(jìn)先增加后降低，峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)后的第5 d（圖4a）。土壤水分從60% WHC 增加到100%WHC 對(duì)CH4排放沒(méi)有顯著影響（P＞0.05），整個(gè)培養(yǎng)期間60%WHC 和100%WHC 處理的CH4平均排放速率分別為2.99 μg CH4-C·kg-1·d-1和2.53 μg CH4-C·kg-1·d-1。淹水促進(jìn)了土壤中CH4的排放，各取樣時(shí)間淹水處理的CH4排放速率均顯著高于60% WHC 和100% WHC 處理（P＜0.05），其平均排放速率達(dá) 5.14 μg CH4-C·kg-1·d-1。至培養(yǎng)結(jié)束，淹水處理的CH4累積排放量達(dá)到 36.0 μg CH4-C·kg-1，顯著高于 60%WHC 和 100% WHC 處理（20.9 μg CH4-C·kg-1和 17.7 μg CH4-C·kg-1）（圖4b）。

2.4 全球增溫潛勢(shì)

不同水分條件下土壤的全球增溫潛勢(shì)（GWP）如圖5 所示。60% WHC 處理土壤GWP 為296 mg CO2-eq·kg-1，而土壤水分含量增加到100%WHC 時(shí)，GWP增加到 578 mg CO2-eq·kg-1，是 60%WHC 處理的 1.95倍（P＜0.01）。淹水處理的GWP遠(yuǎn)高于其余2個(gè)處理，達(dá)到 1 549 mg CO2-eq·kg-1，分別為 60% WHC 和100%WHC處理的5.23倍和2.68倍（P＜0.01）。

3 討論

3.1 N2O排放

硝化和反硝化作用是土壤排放N2O 的兩個(gè)主要過(guò)程，硝化作用的發(fā)生需要好氧條件，反硝化作用的發(fā)生需要厭氧條件[25]。本研究中土壤水分含量從60%WHC增加至100%WHC對(duì)凈硝化速率沒(méi)有顯著影響，但顯著促進(jìn)了N2O 的排放，這與其他研究結(jié)果一致[26-27]。研究指出，當(dāng)土壤水分含量大于60%WHC 時(shí)，硝化速率逐漸下降，反硝化作用開(kāi)始發(fā)生，反硝化速率隨著水分含量的增加而顯著增加[28]。本研究所用土壤為砂壤土，砂粒含量高、黏粒含量低、通氣性能好，利于硝化作用的發(fā)生。因此，當(dāng)土壤水分含量增加至100%WHC 時(shí)也沒(méi)有顯著影響硝化速率，說(shuō)明在60%～100%WHC范圍內(nèi)，水分含量不是影響硝化細(xì)菌活性的主要因素。但100%WHC 條件下N2O 排放速率是60%WHC 條件下的7.8倍，可能是因?yàn)樵趨捬跷^(qū)內(nèi)發(fā)生了反硝化作用，從而導(dǎo)致N2O的大量排放。已有研究表明，硝化過(guò)程排放N2O的比例在0.02%～0.2%[29-30]。本研究中100% WHC 處理的土壤N2O 排放比例為5.35%，超過(guò)了前人報(bào)道的N2O 排放比率范圍，進(jìn)一步證明培養(yǎng)過(guò)程中厭氧微區(qū)反硝化作用的發(fā)生。Cheng等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，65%WHC條件下草地和林地土壤硝化作用對(duì)N2O 排放量的貢獻(xiàn)不到40%，土壤水分含量增加到100% WHC 時(shí)，硝化作用的貢獻(xiàn)率更低，土壤排放的N2O更多地來(lái)源于反硝化過(guò)程。本研究的淹水處理屬于淺層淹水條件，培養(yǎng)瓶中的土層厚度約為1 cm，水層厚度約為5 mm。有研究指出，土壤淺層淹水可使表層土體（5～8 mm）和接近瓶壁的土體處于好氣狀態(tài)，溶解在表面水層中的氧氣可以滲入到土壤孔隙中以滿足硝化微生物對(duì)氧氣的需求[31]。因此，本研究培養(yǎng)期間淹水處理土壤仍有硝化作用發(fā)生（圖2），但硝化速率相比60%WHC 條件下的好氧狀態(tài)降低了60%，說(shuō)明淹水狀態(tài)很大程度上抑制了硝化作用的進(jìn)行。淹水處理的土壤N2O 排放速率是60%WHC 處理的30 倍，說(shuō)明淹水狀態(tài)降低了土壤的通透性，促進(jìn)了反硝化作用的發(fā)生和N2O的大量排放。但Pihlatie等[32]研究發(fā)現(xiàn)，砂壤土由于其良好的通氣性，在100% WFPS 甚至淹水條件下土壤N2O的排放仍然主要來(lái)自硝化過(guò)程。因此，基于砂壤土的特殊物理性狀，有必要開(kāi)展相關(guān)研究以明確土壤排放N2O 的具體機(jī)制。本研究中添加的氮溶液沒(méi)有進(jìn)行15N 標(biāo)記，不能量化硝化和反硝化過(guò)程對(duì)N2O排放的貢獻(xiàn)，后續(xù)還將針對(duì)不同水分含量下砂壤土N2O的排放途徑開(kāi)展深入研究。

3.2 CO2排放

在沒(méi)有種植作物的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，土壤中的CO2排放主要來(lái)自微生物呼吸[33]。因此，土壤微生物呼吸強(qiáng)度可以用來(lái)表征土壤微生物活性的大小。土壤微生物活性與土壤水分含量密切相關(guān)，干燥條件不利于土壤微生物的存活[34]。在一定水分含量范圍內(nèi)，微生物活性隨著水分含量的增加而增加。蔡祖聰?shù)萚35]認(rèn)為，不同水分環(huán)境下的土壤，其微生物所需的最佳水分含量不同。本研究中土壤水分含量從60%WHC增加至100%WHC對(duì)土壤微生物呼吸沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響，說(shuō)明在60%～100%WHC水分范圍內(nèi)，水分不是影響砂壤土微生物活性的主要因素。Cheng 等[26]也發(fā)現(xiàn)，土壤水分從 65% WHC 增加至100% WHC 沒(méi)有引起林地和草地土壤微生物呼吸釋放CO2量的顯著變化，這與本研究結(jié)果一致。土壤微生物呼吸對(duì)水分含量的響應(yīng)也與土壤類(lèi)型有關(guān)[35]，對(duì)砂粒含量高、通氣性能好的砂壤土而言，當(dāng)土壤水分含量為100%WHC 時(shí)，雖然水分充足，但土壤仍然處于好氧狀態(tài)[32]，并沒(méi)有顯著影響好氣微生物的種類(lèi)和數(shù)量。目前，有關(guān)淹水厭氧條件影響土壤微生物呼吸的不同研究結(jié)果間差異較大。有研究報(bào)道[11]，厭氧條件會(huì)抑制微生物活性，減少CO2排放，因?yàn)閰捬鯒l件下能夠進(jìn)行呼吸的微生物種類(lèi)很少，同時(shí)厭氧條件抑制了一些酶的合成和生物化學(xué)反應(yīng)，使得微生物可利用的有效碳源減少。但Koike等[36]觀測(cè)到厭氧條件下短期內(nèi)土壤仍會(huì)釋放大量CO2，隨后CO2排放量開(kāi)始降低，且厭氧條件下CO2的排放量反而可能高于好氧條件下[14]。本研究中淹水處理屬于淺層淹水條件，大氣中的氧氣可以滲入土壤中，沒(méi)有完全處于厭氧狀態(tài)，此水分條件仍顯著促進(jìn)了CO2的排放，這可能與土壤有效碳數(shù)量的變化有關(guān)。淹水條件導(dǎo)致一些土壤微生物死亡，死亡微生物釋放出來(lái)的溶解性有機(jī)碳為存活的微生物提供了大量有效碳，這種在能源上的巨大擾動(dòng)顯著促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)和繁殖[37]，從而促進(jìn)了微生物呼吸量的顯著增加。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[14，36]，但本研究的培養(yǎng)時(shí)間較短，有關(guān)淹水條件對(duì)微生物呼吸的長(zhǎng)期影響還有待于進(jìn)一步研究。

3.3 CH4排放

土壤中CH4的排放是在厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌以CO2無(wú)機(jī)物或者乙酸等有機(jī)物為底物的還原過(guò)程[38]，土壤水分變化對(duì)CH4排放具有重大影響[39]。土壤中CH4的排放是CH4產(chǎn)生、氧化與傳輸?shù)木C合結(jié)果，水分含量的變化會(huì)同時(shí)影響CH4產(chǎn)生和氧化過(guò)程[15]。本研究中60% WHC 水分處理為好氣條件，不利于CH4的產(chǎn)生，因?yàn)楫a(chǎn)CH4菌是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，短時(shí)間暴露于空氣即可死亡，但試驗(yàn)中仍然監(jiān)測(cè)到了CH4的微量排放，這可能是土壤顆粒間形成的厭氧微區(qū)所致。在添加氮溶液及調(diào)節(jié)水分過(guò)程中，不可能達(dá)到理論上的均勻一致，土壤顆粒間的部分孔隙可能被水分填滿飽和形成了利于CH4排放的微域厭氧環(huán)境[40]。一些前人研究也曾報(bào)道好氣條件下土壤CH4的微量排放[40-42]，這與本研究結(jié)果一致。值得注意的是，雖然旱作土壤的好氧條件不利于CH4的排放，但實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在玉米生長(zhǎng)期間，短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨或不合理灌溉都可能導(dǎo)致旱作土壤內(nèi)部的部分區(qū)域形成厭氧微區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致CH4的排放。與60% WHC 處理相比，土壤水分含量增加到100% WHC 時(shí)并沒(méi)有顯著促進(jìn)CH4的排放。如前所述，由于砂壤土特殊的質(zhì)地結(jié)構(gòu)，水分含量達(dá)到100% WHC 時(shí)土壤仍然具有良好的通氣性，因此在60%～100%WHC水分范圍內(nèi)，水分含量的變化可能對(duì)土壤氧化還原電位和氣體傳輸擴(kuò)散沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而使得產(chǎn)CH4菌和CH4氧化菌的活性與60%WHC 條件下無(wú)異，但具體原因還需進(jìn)行深入研究。相對(duì)于60%WHC和100%WHC處理，淹水處理顯著促進(jìn)了CH4的排放，一方面，淹水條件降低了氧化還原電位，促進(jìn)了產(chǎn)CH4菌的生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)淹水導(dǎo)致CH4和氧氣的運(yùn)動(dòng)速度減慢，使CH4氧化菌的活性因氧氣有效性降低而受到抑制，從而促進(jìn) CH4排放[19，43]；另一方面，淹水處理透氣性較差，導(dǎo)致了一些好氣微生物的死亡，死亡微生物釋放出來(lái)的溶解性有機(jī)碳為產(chǎn)CH4菌提供了營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和能量[37]，進(jìn)而促進(jìn)了CH4的排放。此外，淹水抑制了硝化作用的進(jìn)行（圖2），銨態(tài)氮的大量存留抑制了CH4的氧化，從而促進(jìn)了CH4的排放。有研究指出，長(zhǎng)期使用銨態(tài)氮肥可導(dǎo)致CH4氧化能力降低數(shù)倍至數(shù)十倍[44]。因此，淹水條件下土壤CH4排放速率的增加可能是水分和銨態(tài)氮綜合作用的結(jié)果。

砂壤土是黑龍江省半干旱地區(qū)的重要耕作土壤，由于年降雨量偏少，土壤水分匱乏，灌溉是提高土壤水分含量的主要途徑。然而，本研究結(jié)果表明土壤水分含量的增加促進(jìn)了溫室氣體的排放，尤其是短期內(nèi)淺層淹水會(huì)同時(shí)促進(jìn)N2O、CO2和CH4的大量排放，顯著增加全球增溫潛勢(shì)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在進(jìn)行田間灌溉時(shí)要注意控制灌溉水量，同時(shí)也要避免強(qiáng)降雨對(duì)低洼地區(qū)造成的短期淹澇。需要強(qiáng)調(diào)的是，本研究是在室內(nèi)培養(yǎng)條件下進(jìn)行的，與田間實(shí)際環(huán)境條件有一定差異。田間土壤溫室氣體排放可能受水分、溫度、作物等多種因素的綜合影響，本培養(yǎng)試驗(yàn)沒(méi)有考慮作物的影響，試驗(yàn)結(jié)果僅適用于土壤層面。因此，今后還需開(kāi)展田間原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)以深入系統(tǒng)地研究水分對(duì)砂壤土溫室氣體排放的影響。

4 結(jié)論

（1）土壤水分含量從60% WHC 增加到100%WHC 對(duì)砂壤土的凈硝化速率沒(méi)有顯著影響，但顯著促進(jìn)了N2O 的排放。相比水分不飽和條件（60%WHC），淹水處理顯著抑制了土壤硝化作用，但N2O平均排放速率增加了29.9倍。

（2）土壤水分含量從60% WHC 增加到100%WHC對(duì)砂壤土的CO2和CH4排放速率沒(méi)有顯著影響，淹水處理則顯著促進(jìn)了土壤CO2和CH4的排放。

（3）半干旱地區(qū)降雨較少，在通過(guò)灌溉調(diào)節(jié)田間水分含量或者遇到強(qiáng)降雨時(shí)應(yīng)注意短期淹澇對(duì)土壤溫室氣體排放的顯著影響。