水氮耦合對(duì)設(shè)施土壤N2O和NO排放的影響

呂金東，張麗媛，虞娜，鄒洪濤，張玉玲，張玉龍

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)改委土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110866）

作為大氣中活躍的痕量氣體，N2O是《京都議定書》規(guī)定的長(zhǎng)生命周期溫室氣體之一，其百年增溫潛勢(shì)約為CO2的298倍[1]，NO被IPCC認(rèn)定為間接溫室氣體[2]，因此二者對(duì)氣候和環(huán)境變化具有重要影響。農(nóng)田土壤是N2O和NO的重要排放來(lái)源，而設(shè)施土壤排放量遠(yuǎn)高于糧田土壤，其排放特征不容忽視[3-4]。

農(nóng)田水分管理和施氮量是影響N2O和NO排放的重要因素[5]。微生物主導(dǎo)的土壤氮循環(huán)過(guò)程極易受水分和施氮量的影響而發(fā)生改變，尤其設(shè)施土壤特殊的水熱條件以及過(guò)量的水氮投入下，經(jīng)常導(dǎo)致土壤N2O和NO同時(shí)產(chǎn)生[6]。在設(shè)施土壤滴灌模式下，土壤長(zhǎng)期處于厭氧或干濕頻繁交替狀態(tài)均會(huì)加快硝化反硝化速率，顯著增加N2O和NO排放[7]。土壤硝化和反硝化以及硝酸鹽異化還原成銨等過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生N2O和NO排放[8]，如圖1所示。集約化菜地由于長(zhǎng)期施用氮肥且隨施氮量增加，無(wú)機(jī)氮含量升高，產(chǎn)生N2O和NO排放[9-11]。研究表明，增加灌水或施氮量超過(guò)150 kg·hm-2時(shí)，在提高溫室蔬菜產(chǎn)量的同時(shí)也增加了N2O和NO排放量[12]。合理的設(shè)施滴灌施肥且減氮1/3可在保證產(chǎn)量的前提下，顯著降低33%溫室N2O+NO年排放量[13-14]。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，灌水下限（35 kPa）配合施氮量（75 kg·hm-2）可保證番茄產(chǎn)量的同時(shí)減少N2O排放[15]。

水分和氮素是影響設(shè)施蔬菜水氮高效利用最重要的調(diào)控因素，有效的灌溉施肥制度能夠提高土壤供氮能力和減少氮素?fù)p失[16]。合理的水氮調(diào)控措施對(duì)設(shè)施土壤N2O和NO減排及蔬菜產(chǎn)量提高具有重要意義。目前關(guān)于設(shè)施水氮調(diào)控下，N2O和NO排放的同步觀測(cè)研究較少，N2O和NO的消長(zhǎng)特征尚不清楚。本研究基于連續(xù)7 a的設(shè)施水氮定位試驗(yàn)，研究水氮耦合對(duì)設(shè)施土壤N2O和NO排放特征的影響，旨在為制定設(shè)施土壤N2O和NO減排及水氮資源高效利用的管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施生產(chǎn)試驗(yàn)基地內(nèi)（41°49′N，123°34′E），屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，供試土壤為棕壤，作物為番茄。設(shè)施水氮定位試驗(yàn)于2012年開始，每年4—8月以相同的試驗(yàn)方案開展田間試驗(yàn)，休耕期為每年9月到次年3月，以減少番茄連作障礙的影響及北方冷棚蔬菜越冬困難問(wèn)題。2012年試驗(yàn)地布設(shè)前，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量10.9 g·kg-1，全氮含量1.4 g·kg-1，堿解氮含量57.8 mg·kg-1，速效磷含量25.2 mg·kg-1，速效鉀含量90.2 mg·kg-1，土壤pH 7.1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用灌水下限和施氮量?jī)梢蛩厝诫S機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，灌水下限土壤水吸力分別為25（W1）、35 kPa（W2）和45 kPa（W3），氮素水平分別為75（N1）、300 kg·hm-2（N2）和525 kg·hm-2（N3）（當(dāng)?shù)亓?xí)慣施氮量為300 kg·hm-2）。組合共9個(gè)處理，重復(fù)4次。小區(qū)面積2.5 m2，行距平均55 cm，株距30 cm，留4穗打頂。試驗(yàn)小區(qū)在建設(shè)伊始，為防止水分、養(yǎng)分的運(yùn)移，用埋深60 cm的塑料布對(duì)各小區(qū)進(jìn)行防滲隔離處理。

各小區(qū)統(tǒng)一施用有機(jī)肥（膨化雞糞26 400 kg·hm-2）和過(guò)磷酸鈣（220 kg·hm-2，以P2O5計(jì)）作基肥，氮肥（尿素）和硫酸鉀（300 kg·hm-2，以K2O計(jì)）在番茄定植前和果實(shí)膨大期等比例施入。番茄從移栽到收獲歷時(shí)101 d，2次追肥時(shí)間分別為定植后第48 d和第71 d。采用膜下滴灌進(jìn)行灌溉，即在定植后先將滴灌帶置于距番茄5 cm左右，然后進(jìn)行地膜覆蓋。各小區(qū)埋設(shè)張力計(jì)和TDR探頭指示土壤水吸力和含水率變化，確定灌溉始點(diǎn)和灌溉量。番茄定植后相繼澆灌定植和緩苗水后，進(jìn)行水分處理。灌水下限土壤含水率由設(shè)計(jì)土壤水吸力值計(jì)算，即當(dāng)20 cm土層張力計(jì)讀數(shù)（早8：00—8：30）達(dá)到灌水下限土壤水吸力值時(shí)，依該觀測(cè)值，使用土壤水分特征曲線計(jì)算土壤體積含水率，其方程為：

式中：h為土壤水吸力，kPa；θ為土壤體積含水率，cm3·cm-3。

各小區(qū)單次灌溉量計(jì)算公式：

式中：Q為單個(gè)小區(qū)一次灌水水量，m3；Qf和Ql分別為灌水上限和下限土壤含水率，m3·m-3；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層厚度，m，取H=0.3 m；R為土壤濕潤(rùn)比，取R=0.5；S為小區(qū)面積，m2。灌溉上限為田間持水量（0.348 9 cm3·cm-3）。定植采用一致的水分管理，14 d后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行灌溉處理，各水氮處理總灌水量（m3·hm-2）及平均灌溉周期（d）如表1所示。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算

1.3.1 N2O和NO排放通量

采用靜態(tài)箱法，使用氣泵進(jìn)行待測(cè)氣體的采集。試驗(yàn)前，靜態(tài)箱底座邊緣5 cm置于灌水濕潤(rùn)部位（無(wú)作物種植及地膜覆蓋），底座和箱體體積分別為40 cm×40 cm×10 cm和40 cm×40 cm×40 cm。采氣時(shí)箱體放置在底座上，外側(cè)水封。氣體樣品采樣時(shí)間為2019年番茄生長(zhǎng)季，從定植第2 d開始，固定在上午8：00—11：00進(jìn)行，平均每周采集一次，追肥后第2 d增加采樣一次，直至番茄成熟收獲后采集最后一次。每個(gè)處理隨機(jī)選擇3個(gè)固定位置，分別在密閉后0、10、30 min各采集一次，同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度，每次同時(shí)抽取40 mL和1 000 mL氣體于不同氣袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室分別用于N2O和NO的測(cè)定。

利用氣相色譜儀-電子捕獲檢測(cè)器（Agilent 7890B-ECD，USA）和NO-NO2-NOx分析儀（Thermo Fisher 42i，USA）分別測(cè)定氣體樣品的N2O和NO濃度。氣體排放通量的計(jì)算公式為：

式中：F為N2O或NO的排放通量（以N計(jì)），μg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，NO-N為0.625 kg·m-3，N2O-N為1.25 kg·m-3；h為靜態(tài)箱凈高度，m；dc/dt為靜態(tài)箱內(nèi)氣體濃度變化率，μL·L-1·min-1；T為采樣過(guò)程中箱內(nèi)平均空氣溫度，℃；k為時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)，60 min·h-1。由于箱內(nèi)氣體壓強(qiáng)恒定，可以忽略對(duì)N2O和NO的影響，在計(jì)算時(shí)未考慮壓強(qiáng)。

1.3.2 單位產(chǎn)量N2O、NO排放量

單位產(chǎn)量N2O、NO排放量的計(jì)算公式為：

式中：Y-S(N2O,NO)為單位產(chǎn)量N2O、NO排放量（Yieldscaled N2O，NOintensity），g·kg-1；CF為氣體累積排放量（以N計(jì)），kg·hm-2；Yyield為番茄產(chǎn)量，t·hm-2。

1.3.3 土壤無(wú)機(jī)氮的測(cè)定

土壤樣品采樣時(shí)間從定植第2 d開始收集，以后每次氣體采集的同時(shí)（除第2次外），采用S形五點(diǎn)采樣法采集箱內(nèi)表層土壤樣品，采樣深度為0～10 cm，-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取新鮮土樣，水土比為5∶1，采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提-AA3自動(dòng)分析儀法測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3.4 土壤氮循環(huán)功能基因豐度

在第一和第二次追肥后，采集各處理表層土壤樣品，存于-80℃冰箱中，用于功能基因分析。采用Fast DNA?Spin Kit for Soil試劑盒（MPBio）提取土壤DNA，稱取1.0 g土壤，按照試劑盒內(nèi)說(shuō)明書的方法操作提取樣品DNA，各功能基因定量PCR過(guò)程在實(shí)時(shí)熒光Gene 9600定量PCR儀完成。定量PCR所用的反應(yīng)體系均為15μL，包含7.5μL的SYBR?Premix EX TaqTM（Takara）、各0.05μL上下游引物、7.2μL滅菌雙蒸水（ddH2O）和0.2μL DNA模板。定量PCR所用的擴(kuò)增引物見表2。

表1水氮各處理總灌水量及平均灌溉周期Table 1 Total irrigation amount and average irrigation period of irrigation and nitrogen treatments

表2功能基因及PCR擴(kuò)增引物Table 2 Functional genes and amplification primer of PCR

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，DPS 7.05進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組雙因素方差分析及相關(guān)分析，多重比較采用Duncan法，方差分析各因子離差平方和占總離差平方和比例分析各因子的影響效應(yīng)，Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析（RDA），Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)設(shè)施土壤N2O和NO排放的影響

圖2為水氮耦合下土壤N2O和NO排放的動(dòng)態(tài)變化。由圖2可知，水氮耦合下的N2O排放通量變化規(guī)律基本一致（圖2a～圖2c），在番茄生長(zhǎng)季內(nèi)，各處理在基肥和兩次追肥后出現(xiàn)排放峰，兩次追肥后N2O排放峰值遠(yuǎn)小于基肥，其余觀測(cè)時(shí)間呈較低水平。定植第48 d時(shí)，除W2N3、W3N2和W3N3處理，其他水氮處理在第一次追肥前峰值出現(xiàn)負(fù)峰，表現(xiàn)為N2O的吸收。生育期內(nèi)，N2O通量均表現(xiàn)為強(qiáng)變異特征（CV＞1），尤以N1變異最大。相同灌水下限，同期的排放峰隨施氮量增加而增加；而相同施氮量下，同期的排放峰隨灌水下限變化各異。施氮量對(duì)NO累積排放的影響總體表現(xiàn)為N3＞N2＞N1。NO排放通量的變化與N2O相似，如圖2d～圖2f所示，水氮耦合下NO排放通量也表現(xiàn)在基肥和追肥后出現(xiàn)排放峰，基肥后峰值遠(yuǎn)大于追肥后，為追肥的3～11倍。此外，各水氮處理NO通量排放峰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在基肥施入后20 d內(nèi)均有較高的排放峰。各水氮處理NO排放受施氮量影響更為明顯，同一灌水下限，N3水平的NO排放通量普遍高于其余N水平。

2.2 水氮耦合對(duì)設(shè)施土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

圖3為水氮耦合下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化。由圖3a～圖3c可知，各水氮處理銨態(tài)氮含量呈波動(dòng)變化。不同時(shí)期銨態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加，均表現(xiàn)為N3變化最大。相同灌水下限，定植后20 d內(nèi)，W1水平各水氮處理銨態(tài)氮含量保持緩慢下降的趨勢(shì)。W2和W3水平各水氮處理，除N1處理外，均表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢(shì)，并有峰值出現(xiàn)。尤其在追肥后銨態(tài)氮含量出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)。

由圖3d～圖3f可知，各水氮處理硝態(tài)氮含量呈波動(dòng)變化，隨灌水下限增加，硝態(tài)氮含量的變異有增大的趨勢(shì)。各水氮處理的硝態(tài)氮含量在第一次追肥后均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在第二次追肥后出現(xiàn)最大峰值，直到番茄收獲又出現(xiàn)峰值。整個(gè)生育期內(nèi)，相同灌水下限，W2水平硝態(tài)氮含量變化規(guī)律表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，W1和W3水平硝態(tài)氮含量變化規(guī)律不一致。

2.3 水氮耦合對(duì)設(shè)施土壤硝化和反硝化基因豐度的影響

表3為水氮耦合對(duì)兩次追肥后土壤硝化和反硝化基因的影響。雙因素方差分析結(jié)果表明，水分單一效應(yīng)對(duì)第一次追肥后amoA-AOA、nirS和nosZⅠ基因影響達(dá)極顯著水平（P＜0.01），對(duì)第二次追肥后的所有功能基因均達(dá)極顯著差異（P＜0.01）。而施氮量單一效應(yīng)對(duì)第一次追肥后的amoA-AOA和nirS達(dá)極顯著差異（P＜0.01），nosZⅠ基因達(dá)顯著差異（P＜0.05）。施氮量單一效應(yīng)對(duì)第二次追肥后的amoA-AOA、amoAAOB和nirS達(dá)極顯著差異（P＜0.01）。

水氮耦合效應(yīng)對(duì)兩次追肥后的土壤amoA-AOA和nosZⅠ基因影響達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。第一次追肥后，與其他處理相比，W1N2處理的nosZⅠ基因豐度最低，除W1N3和W2N3處理外，與其余處理均達(dá)顯著差異。水氮耦合對(duì)第一和第二次追肥后nirS基因的影響分別達(dá)極顯著（P＜0.01）和顯著水平（P＜0.05），均以W3N2處理最高。水氮耦合效應(yīng)僅對(duì)第一次追肥后的amoA-AOB、nirK和narG基因影響達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。第一次追肥后的nirK和narG基因豐度均以W2N2處理最高。與其他處理相比，W2N1處理在第一次追肥后降低nirK基因豐度達(dá)0.51%～6.37%，除W1N2處理外，與其他處理均達(dá)顯著差異。W1N2處理的narG基因豐度最低，僅與W1N1和W2N2處理有顯著差異。

2.4 水氮耦合對(duì)番茄產(chǎn)量和單位產(chǎn)量N2O、NO排放量的影響

圖4是水氮耦合下對(duì)番茄產(chǎn)量和單位產(chǎn)量N2O、NO累積排放量的差異顯著性分析。由圖4a可知，水分、施氮量及水氮交互均極顯著地影響番茄產(chǎn)量，影響效力表現(xiàn)為灌水下限＞施氮量＞水氮交互。灌水下限對(duì)產(chǎn)量的單一效應(yīng)表現(xiàn)為灌水下限W2下，不同施氮量間差異不顯著；W2和W3之間產(chǎn)量差異不顯著，但顯著大于W1。施氮量對(duì)產(chǎn)量的單一效應(yīng)表現(xiàn)為隨施氮量增加產(chǎn)量增加，灌水下限W1和W3下，N3水平顯著高于N2和N1，而N2和N1差異不顯著。水氮耦合效應(yīng)使得番茄產(chǎn)量最高為W3N3處理，其次為W2N1處理。W2N1處理使番茄產(chǎn)量顯著增加，與W1N1、W1N2、W1N3相比分別增加48.92%、50.69%和17.82%。

單位產(chǎn)量N2O、NO排放量可以用來(lái)反映作物產(chǎn)量與環(huán)境狀況之間的關(guān)系。由圖4b可知，水分、施氮量及水氮交互作用對(duì)單位產(chǎn)量N2O、NO及（N2O+NO）累積排放量均有顯著影響，對(duì)單位產(chǎn)量N2O累積排放量效力大小表現(xiàn)為灌水下限＞水氮交互＞施氮量，對(duì)單位產(chǎn)量NO表現(xiàn)為施氮量＞水氮交互＞灌水下限，而對(duì)單位產(chǎn)量（N2O+NO）累積排放量表現(xiàn)為施氮量＞灌水下限＞水氮交互。灌水下限單一效應(yīng)表明，單位產(chǎn)量N2O排放量表現(xiàn)為W1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2，差異顯著；單位產(chǎn)量NO和（N2O+NO）排放量均表現(xiàn)為W1顯著高于W2和W3，后二者差異不顯著。施氮量單一效應(yīng)表明，單位產(chǎn)量NO排放量表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，差異顯著；單位產(chǎn)量N2O和（N2O+NO）排放量均表現(xiàn)為N3和N2差異不顯著，顯著高于N1。水氮耦合使得W1N2處理的單產(chǎn)N2O和（N2O+NO）排放量最高，與其他處理差異顯著。單位產(chǎn)量NO排放量最高為W2N3、W1N2和W1N3，而3個(gè)處理間差異不顯著。W2N1處理的單位產(chǎn)量N2O、NO及（N2O+NO）排放量均最低，與其他處理差異顯著。

2.5 水氮耦合下N2O和NO排放量與無(wú)機(jī)氮含量及功能基因豐度的關(guān)系

圖5為土壤N2O和NO排放通量與無(wú)機(jī)氮含量及功能基因豐度的冗余分析（RDA），第一、二軸解釋率分別為53.4%和1.7%，即總解釋率達(dá)55.1%，以第一軸為主導(dǎo)軸。蒙特卡洛檢驗(yàn)表明，第一軸（F=51.5，P=0.002）和所有軸的總和（F=6.9，P=0.02）差異顯著。蒙特卡洛檢驗(yàn)排序進(jìn)一步表明，影響氣體排放的影響程度由大到小排序?yàn)閍moA-AOA、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和nirK。amoA-AOA、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均與N2O和NO排放通量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（F=23.7，P＜0.01；F=21.6，P＜0.01；F=16.8，P＜0.01），分別解釋土壤N2O和NO排放差異的31.3%、29.4%和24.4%。nirK基因與N2O和NO排放通量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（F=5.1，P＜0.05），對(duì)土壤N2O和NO排放差異的解釋率為8.9%。

表3水氮耦合對(duì)硝化和反硝化基因豐度的影響[lg（copies·g-1土）]Table 3 Interactive effects of irrigation and nitrogen on gene abundance of nitrification and denitrification[lg（copies·g-1 soil）]

3 討論

3.1 水氮耦合下設(shè)施土壤N2O和NO排放與番茄產(chǎn)量及單產(chǎn)（N2O+NO）累積排放量

溫室作物產(chǎn)量除了受光照條件和溫度等環(huán)境因素影響外，更依賴灌溉和施肥等人為調(diào)控因子[20]。水氮耦合下土壤水分和養(yǎng)分對(duì)產(chǎn)量影響差異顯著，合理的水氮耦合可顯著提高產(chǎn)量[21]。本研究中，灌水下限對(duì)產(chǎn)量的單一效應(yīng)表現(xiàn)為W2和W3水平產(chǎn)量顯著大于W1，灌水量過(guò)高，可能使灌溉水向下運(yùn)移的同時(shí)增加了養(yǎng)分的淋溶損失，降低番茄產(chǎn)量[21]。相同灌水下限W2水平各水氮處理的番茄產(chǎn)量無(wú)顯著差異，W1和W3水平各水氮處理表現(xiàn)為N3水平產(chǎn)量顯著大于N1和N2，且N1、N2之間沒有差異。本研究中，水氮耦合效應(yīng)使W3N3的番茄產(chǎn)量最高，這可能是由于灌水下限W3水平下，相比其他處理土壤較為干旱，增施氮肥能夠補(bǔ)償一定水分脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制，進(jìn)而促進(jìn)干物質(zhì)積累，獲得較高產(chǎn)量。

在環(huán)境和糧食安全的背景下，探尋穩(wěn)定或提高蔬菜產(chǎn)量的水肥管理至關(guān)重要，因此單位產(chǎn)量氣體排放量常作為評(píng)估作物生產(chǎn)環(huán)境成本的一個(gè)重要指標(biāo)[22]。在本研究中，W2N1和W3N1處理的單位產(chǎn)量N2O、NO及（N2O+NO）排放量均較低。有研究表明，合理運(yùn)用滴灌施肥技術(shù)降低單次灌水量，通過(guò)提高水肥利用率可顯著提高玉米產(chǎn)量，減少單位產(chǎn)量N2O和NO排放[23]?？傮w上，W1N2處理的單位產(chǎn)量N2O和（N2O+NO）排放量顯著高于其他處理，這可能與灌水下限W1水平灌水量較高，氧氣不充足，易通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生N2O和NO排放有關(guān)。與其他處理相比，W2N1處理在保證番茄產(chǎn)量的同時(shí)，使單位產(chǎn)量N2O、NO及（N2O+NO）排放量均最低，是本試驗(yàn)中平衡環(huán)境和作物產(chǎn)量的最佳處理。盡管N1施氮量（75 kg·hm-2）遠(yuǎn)低于設(shè)施栽培普遍施氮量，但由于試驗(yàn)地連續(xù)多年施氮且同時(shí)配施有機(jī)肥，一定程度實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥替代氮肥，減少土壤酸化引發(fā)硝化反硝化過(guò)程產(chǎn)生N2O和NO排放，在保證設(shè)施蔬菜養(yǎng)分需求的同時(shí)既能培肥土壤又能實(shí)現(xiàn)污染減排。

3.2 水氮耦合下設(shè)施土壤N2O和NO排放及其影響因素

RDA分析結(jié)果表明（圖5），N2O和NO排放通量與amoA-AOA、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間呈極顯著正相關(guān)，這是由于土壤N2O和NO排放受amoA-AOA、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的作用較大，隨著氮肥施入及水分作用均會(huì)增加硝化作用底物，硝化作用占據(jù)主導(dǎo)位置。土壤中高的amoA-AOA和amoA-AOB基因豐度可能會(huì)有效地將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮作為反硝化過(guò)程的底物，有利于土壤發(fā)生反硝化作用，未被及時(shí)吸收利用的氮素通過(guò)硝化或反硝化過(guò)程以氣態(tài)氮（N2O+NO）形式損失[23-25]。在本試驗(yàn)中，相同灌水下限水平下，N2O和NO排放隨施氮量的增加表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，這與氮肥溶解后被作物吸收的同時(shí)可為硝化或反硝化作用提供大量底物有關(guān)，在此過(guò)程中引起大量的N2O和NO排放[26-28]。相同施氮量下，不同灌水下限N2O排 放 表 現(xiàn) 為W3（45 kPa）＞W(wǎng)1（25 kPa）＞W(wǎng)2（35 kPa），這可能與土壤氧氣的相對(duì)含量顯著影響N2O排放有關(guān)[29]。有研究表明，當(dāng)WFPS超過(guò)70%時(shí)，由于土壤局部厭氧，土壤發(fā)生反硝化過(guò)程[30]；當(dāng)WFPS超過(guò)80%時(shí)加快反硝化過(guò)程中N2O和NO的產(chǎn)生，此時(shí)N2O與含水量呈負(fù)相關(guān)，這與本研究中第47 d時(shí)N2O出現(xiàn)負(fù)排放峰的結(jié)果一致，可能原因是氣體采集前1 d進(jìn)行了灌溉，土壤中較高的含水量抑制了N2O向外擴(kuò)散，使N2O在土壤中的滯留時(shí)間延長(zhǎng)[31]。本研究中，灌水下限45 kPa下，氧氣充足時(shí)可能加快硝化細(xì)菌反硝化過(guò)程中N2O排放[32-33]。有研究表明，在低pH、高氧含量和大量可利用性有機(jī)碳條件下，異養(yǎng)微生物利用有機(jī)氮或者無(wú)機(jī)氮（NH+4）通過(guò)氨氧化過(guò)程產(chǎn)生N2O，同時(shí)硝化產(chǎn)物還可以進(jìn)一步發(fā)生反硝化作用，從而產(chǎn)生大量的N2O和NO，因此，除土壤自養(yǎng)硝化過(guò)程，特定環(huán)境下異養(yǎng)硝化-反硝化過(guò)程可能是灌水下限45 kPa下高排放通量的重要原因[29，34]。而灌水下限25 kPa時(shí)反硝化作用強(qiáng)烈，厭氧環(huán)境下施入氮肥可顯著提高反硝化底物的有效性，加速氮素分解過(guò)程中N2O排放；相關(guān)分析結(jié)果表明，nirK基因豐度與N2O和NO排放通量呈正相關(guān)，土壤中存在的亞硝酸還原酶（nirK基因編碼）將硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2的過(guò)程中可能產(chǎn)生大量的N2O[35]?？傮w上，N2O和（N2O+NO）總累積排放量表現(xiàn)為W2N1處理最低，這可能是由于中水低肥條件對(duì)于氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程具有一定的調(diào)控作用，在氮肥溶解過(guò)程中促進(jìn)作物對(duì)氮素吸收，顯著降低底物氮含量，而土壤中氧氣含量在此條件下保持相對(duì)平衡，從而抑制了硝化、反硝化以及異養(yǎng)反硝化過(guò)程，降低N2O和NO的產(chǎn)生。此外，本研究中，除W1N3處理，其余各處理NO/N2O均小于1（數(shù)據(jù)未列出），N2O和NO的產(chǎn)生可能以反硝化作用為主。本研究中，反硝化菌功能基因（nirS、nirK、nosZⅠ和narG）的豐度比硝化菌功能基因（amoA-AOA和amoAAOB）豐度略高，也進(jìn)一步表明N2O和NO可能以反硝化產(chǎn)生為主。

前期試驗(yàn)中，相同施氮量下，不同灌水下限N2O排放表現(xiàn)為W1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2，與本試驗(yàn)結(jié)果相反（W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2）。與前期研究結(jié)果相比，本試驗(yàn)總灌水量顯著增加，在相同灌水下限條件下，灌水次數(shù)增多，土壤干濕交替頻率升高，土壤含氧量的變化為異養(yǎng)硝化、自養(yǎng)硝化以及反硝化過(guò)程提供了適宜的環(huán)境條件[29]。有研究表明，pH和N2O排放呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低土壤pH值下易增加與反硝化有關(guān)的氣體的產(chǎn)生[36]，這與本研究結(jié)果一致。與試驗(yàn)地之前結(jié)果（2017年）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究（2019年）土壤累積N2O排放量比之前增加1.5～1.9倍[15]。這與本研究連續(xù)定位施肥導(dǎo)致土壤酸化，土壤pH值降低有關(guān)（本研究pH值在5.8～6.6）。尤其施肥量大且灌水頻繁更易使土壤pH降低，引發(fā)硝化反硝化強(qiáng)度增加，造成N2O和NO的產(chǎn)生[17]。

4 結(jié)論

（1）水氮耦合條件下，amoA-AOA、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和nirK基因豐度是影響N2O和NO排放的主要影響因素，均與N2O和NO排放通量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，其影響作用依次降低。N2O和（N2O+NO）總累積排放量表現(xiàn)為W2N1處理最低，NO總累積排放量表現(xiàn)為W1N1處理最低。

（2）N2O、NO和（N2O+NO）總累積排放量及單產(chǎn)NO和（N2O+NO）累積排放量均表現(xiàn)為施氮量單一影響效力最大，而番茄產(chǎn)量及單產(chǎn)N2O累積排放量表現(xiàn)為灌水下限單一影響效力最大。本研究中W3N3處理產(chǎn)量最高，但過(guò)高氮肥投入顯著增加了N2O和NO排放。除差異不顯著處理，處理W2N1顯著增加番茄產(chǎn)量14.86%～50.69%，且單產(chǎn)N2O和NO排放量分別降低40.00%～78.57%和21.43%～60.71%。

（3）綜合番茄產(chǎn)量及N2O、NO減排效果，長(zhǎng)期設(shè)施生產(chǎn)中，配施有機(jī)肥作為基肥，灌水下限35 kPa、施氮量75 kg·hm-2組合是實(shí)現(xiàn)設(shè)施生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境雙贏的水氮管理模式。