模擬再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

陶甄，李中陽，李松旌，李寶貴，李嗣藝，高峰，劉源*

?水土資源與環(huán)境?

模擬再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

陶甄1，李中陽1,2，李松旌1，李寶貴1，李嗣藝1，高峰1，劉源1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南 商丘 476000）

【目的】探究不同水源灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放的影響，【方法】采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法研究再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉對土壤CO2、N2O、CH4排放通量的影響(以地下水灌溉為對照)，同時監(jiān)測土壤pH值、土壤孔隙含水率（）、NH4+-N、NO3--N的變化，分析培養(yǎng)期間土壤CO2、N2O、CH4排放特征及相關(guān)影響因子變化?！窘Y(jié)果】與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著增加土壤CO2、N2O、CH4排放（<0.05），再生水促進N2O排放的效果更明顯，養(yǎng)殖廢水促進CO2、CH4排放的效果更明顯；從全球增溫潛勢（）來看，與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水均顯著增加，二者無顯著差異；試驗結(jié)束時，養(yǎng)殖廢水處理土壤pH值低于地下水對照，而再生水處理高于地下水對照；再生水與養(yǎng)殖廢水均顯著增加了土壤中無機氮量?！窘Y(jié)論】綜合考慮與土壤性質(zhì)，在試驗條件下，再生水、養(yǎng)殖廢水應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉時一定程度上增加了環(huán)境溫室效應(yīng)與土壤無機氮量。

灌溉；再生水；養(yǎng)殖廢水；溫室氣體；土壤氮

0 引言

【研究意義】近年來我國農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟進入高速發(fā)展階段，水資源短缺、水污染等現(xiàn)象日益突出。我國水資源具有時空分布不平衡的特征，農(nóng)業(yè)種植面積更廣、用水需求更高的北方水資源儲備量較為貧乏，水資源不足大大限制了北方農(nóng)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)農(nóng)民灌溉大多使用地下水，但固有地下水資源已然不能滿足日益增長的用水需求，可用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水資源少之又少?？茖W(xué)利用非常規(guī)水資源進行農(nóng)業(yè)灌溉被認為是緩解農(nóng)業(yè)用水緊張的有效途徑之一。鄉(xiāng)村生活污水集中處理后的再生水和養(yǎng)殖場排放的廢水是有回用潛力的兩大類水源，且這些水源的合理利用是農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理和綠色發(fā)展的要求。非常規(guī)水資源，通常包括再生水、微咸水、雨水和海水等[1]。截至2017年底我國非常規(guī)水資源利用工程供水量達165萬億m3左右，再生水所占比重最高[2]。畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量養(yǎng)殖廢水，經(jīng)過處理的養(yǎng)殖廢水作為一種新的水資源，可進行資源再利用，但處理不當亦會對環(huán)境安全造成威脅。隨著如何安全利用再生水與養(yǎng)殖廢水這一問題的提出，團隊前期已對比了這2種水灌溉對土壤基本性質(zhì)及重金屬量的影響[3-4]。近些年來有關(guān)二者對環(huán)境影響的探究逐漸拓展至農(nóng)田溫室氣體產(chǎn)生及排放方面。

溫室氣體是影響全球氣候變化的主要因素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動作為人類活動中的重要組成部分，其造成的溫室氣體排放量的動態(tài)變化對全球氣候變化有著重要影響?！狙芯窟M展】IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第五次評估指出，農(nóng)業(yè)源溫室氣體占全球人為活動產(chǎn)生溫室氣體總量的10%～12%[5]，在我國，農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放約占全國溫室氣體排放總量的15%[6]。再生水與養(yǎng)殖廢水中含有較多的氮、磷等營養(yǎng)元素[7-8]，灌溉后可能會通過改變土壤性質(zhì)從而對溫室氣體的產(chǎn)生與排放造成影響。王廣帥[9]在其研究中發(fā)現(xiàn)，與地下水灌溉處理相比，再生水灌溉處理的CO2排放通量增加14.78%，N2O排放通量增加20.81%，土壤對CH4吸收速率降低。陳永根等[10]研究發(fā)現(xiàn)，試驗初期，施用沼液與未施處理相比促進了土壤N2O和CH4排放?！厩腥朦c】但現(xiàn)有研究關(guān)于對比同一條件下二者灌溉在溫室氣體排放方面的差異性以及排放特點的較少，這使得我們無法客觀地比較這2種水資源投入生產(chǎn)使用時在溫室氣體排放方面的優(yōu)劣性。【擬解決的關(guān)鍵問題】故開展室內(nèi)培養(yǎng)試驗，通過監(jiān)測不同水源灌溉下土壤CO2、N2O、CH4排放通量以及土壤pH值、土壤孔隙含水率（）、NH4+-N、NO3--N量的變化，分析再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉對土壤溫室氣體排放影響的差異性及原因，以期為再生水與養(yǎng)殖廢水的合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（35°08′ N，113°45′ E,海拔81 m），該地屬于半干旱、半濕潤的暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。采用五點取樣法分別在耕層（0～20 cm）取土樣混合均勻帶回實驗室，自然風干后過2 mm篩待用。所取土壤為堿性砂壤土，基本理化性質(zhì)為：pH值為8.39，土壤體積質(zhì)量為1.51 g/cm3，全氮、全磷、有機質(zhì)量分別為1.06、1.87、21.42 g/kg，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀、有效磷量分別為2.18、3.15、4.07、19.43 mg/kg。

本試驗選用的再生水（RW）為河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣生活污水處理廠二沉池出水，養(yǎng)殖廢水（SW）為新鄉(xiāng)市盛達牧業(yè)有限公司I級規(guī)模集約化養(yǎng)豬場厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵后的沼液（COD量為（1 077±44）mg/L），地下水（UW）為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站的淺層地下水，使用前均使用0.22 μm濾膜抽濾，其中養(yǎng)殖廢水按1∶5的比例稀釋后備用。使用前的水質(zhì)見表1。

表1 供試水源基本性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

培養(yǎng)試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測實驗站開展，2020年10月20日開始，2020年12月14日結(jié)束，共56 d。稱取相當于200 g干土質(zhì)量的土壤于1 000 mL培養(yǎng)瓶中，使用地下水（UW）/再生水（RW）/養(yǎng)殖廢水（SW）將土壤的含水率調(diào)節(jié)至田間持水率（21%）的60%，肥料選用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15，N源為尿素），施肥標準為1 g/kg干土，放于恒溫（25 ℃）培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。前人研究表明培養(yǎng)前期尿素水解較快，銨態(tài)氮量大多在0～5 d時達到峰值[11-12]，而銨態(tài)氮的迅速累積會導(dǎo)致氨揮發(fā)流失[13]。因本試驗未種植作物，銨態(tài)氮無法被作物吸收利用更易在土壤中積累并轉(zhuǎn)化為氨氣逸失，故試驗前7天模擬干旱（未補充水分）以降低前期尿素水解速率，使銨態(tài)氮峰值滯后。從第8天開始瓶口貼上封口膜并均勻扎破小孔以便氣體流通，每3天補水1次（補水量由稱質(zhì)量法計算得到），使培養(yǎng)瓶內(nèi)土壤含水率保持在田間持水率的60%左右。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫室氣體的采集與測定

在培養(yǎng)后的第1、4、10、14、21、28、42、56天分別采集氣體，每次的采樣時間為08:00—11:00，采樣時用與培養(yǎng)瓶配套大小的帶有三通閥的丁基膠塞密封，一頭連接注射側(cè)口針，一頭連接30 mL聚丙烯醫(yī)用注射器。每一個試驗處理均于0、10、20、30 min分別采集氣體4次，暫存于注射器內(nèi)，帶回實驗室后打入10 mL真空采氣管內(nèi)，用氣相色譜儀（島津2010plus）進行測定。測定條件為：ECD檢測器溫度為250 ℃，色譜柱溫度為50 ℃，載氣為高純氬甲烷，氣流速為40 mL/min。嚴格記錄采樣時間、環(huán)境溫度。

氣體排放通量的計算式為：

dd(273273)， （1）

式中：為氣體排放通量（mg/（g·h））；為培養(yǎng)瓶上部空間體積（L）；dd為單位時間內(nèi)培養(yǎng)瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量濃度變化率（ppm/h）；為氣體在標態(tài)下的密度（g/L）；為抽氣過程中瓶內(nèi)平均溫度（℃）；為土樣干質(zhì)量（g）。

培養(yǎng)期間溫室氣體累積排放通量通過線性內(nèi)插法來估算[14]，累積排放通量計算式為：

∑(F1+F)2(T1-T)24，（2）

式中：為培養(yǎng)期間氣體累積排放總量（mg/g）；F1為本次試驗采集氣體的平均排放通量（mg/（g·h））；F為上一次采集氣體的平均排放通量（mg/（g·h））；（T1-T）為本次采集氣體與上次采集氣體的間隔時間（d）。

由于3種氣體對溫室效應(yīng)的貢獻相差較大，故用CO2、CH4、N2O3種溫室氣體的CO2當量代數(shù)和來計算全球增溫潛勢（）。由前人研究可知百年時間尺度上單位質(zhì)量CH4、N2O全球增溫潛勢分別是CO2的28、265倍[15]。全球增溫潛勢計算式為：

(CO2)(N2O)265(CH4)28，（3）

式中：(CO2)為CO2累計排放通量（mg/g）；(N2O)為N2O累計排放通量（mg/g）；(CH4)為CH4累計排放通量（mg/g）。

1.3.2 土壤孔隙含水率的測定

每次采集氣體后利用稱質(zhì)量法得出土壤質(zhì)量含水率,通過土壤質(zhì)量含水率計算土壤孔隙含水率，計算式為：

=/(1-)， （4）

式中：為土壤體積含水率（質(zhì)量含水率×）；為土壤體積質(zhì)量，取值1.51（g/cm3）；為土壤密度，取值2.65（g/cm3）。

1.3.3 土壤NH4+、NO3-和pH值測定

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮是硝化、反硝化反應(yīng)的底物，也是影響pH值變化的關(guān)鍵因素，與幾種溫室氣體排放密切相關(guān)。為盡量減少對土壤的擾動，故相對采氣次數(shù)減少了土壤取樣次數(shù)。在培養(yǎng)試驗開始后的第4、7、14、25、42、56天采集氣體之后用玻璃棒將瓶內(nèi)土壤攪拌均勻，取一部分新鮮土樣置于4 ℃冰箱保存。稱取2.50 g新鮮土樣添加25 mL物質(zhì)的量濃度為0.01 mol/L氯化鈣溶液，置于振蕩器上以200 r/min恒溫震蕩30 min，過濾后用流動分析儀測定濾液中NH4+、NO3-量（AutoAnalyzer 3, Bran Luebbe, Germany）。土壤pH值用電位法（水土比為5∶1）測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

使用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和作圖，使用SAS軟件對不同處理進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤NH4+-N、NO3--N動態(tài)變化

不同處理土壤NH4+-N量隨著培養(yǎng)時間的變化如圖1（a）所示。隨著培養(yǎng)時間的增加，3種水源處理土壤NH4+-N量均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。培養(yǎng)前期，土壤中尿素快速水解產(chǎn)生大量NH4+-N，各處理NH4+-N量均在培養(yǎng)后第7天達到峰值，NH4+-N的大量累積促進了土壤中硝化反應(yīng)的進行，且尿素逐漸水解完全，使得培養(yǎng)中后期土壤中NH4+-N量逐漸減少。在尿素水解反應(yīng)較劇烈的第4～7 d，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了土壤中NH4+-N量（<0.05），且SW處理增幅更大。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對土壤NH4+-N量增加效應(yīng)更明顯。但隨著培養(yǎng)時間的延長，不同處理土壤NH4+-N量的差異逐漸變小直至消失。

隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理土壤NO3--N量總體上逐漸增加（圖1（b））。整個培養(yǎng)期內(nèi)，UW處理的NO3--N量均低于RW處理和SW處理。在硝化、反硝化反應(yīng)速率較強的第7～25 d內(nèi)，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了土壤中NO3--N的量（<0.05），且SW處理增幅更大。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對土壤NO3--N量的增加效果更為明顯，在第56天培養(yǎng)結(jié)束時增加量達到最大。

圖1 培養(yǎng)期間土壤中NH4+-N、NO3--N量變化規(guī)律

2.2 土壤WFPS動態(tài)變化

培養(yǎng)期間不同處理土壤變化趨勢如圖2所示。整個培養(yǎng)期內(nèi)，各處理的均在灌水后有所增大，變化范圍為7.46%～41.95%。前7天由于干旱，含水率下降較明顯。每次在補水前稱質(zhì)量計算土壤含水率，由于不同處理的水分蒸騰速率有差異，故補水前各處理土壤含水率不一致。

圖2 培養(yǎng)期間土壤WFPS變化規(guī)律

2.3 不同處理土壤pH值動態(tài)變化

培養(yǎng)期間不同處理土壤pH值變化規(guī)律如圖3所示。培養(yǎng)前期硝化反應(yīng)的發(fā)生使得土壤pH值逐漸降低，各處理均在培養(yǎng)后第25天達到最小值。由于本次試驗所用水源均呈堿性，隨著灌水次數(shù)增加以及硝化速率變?nèi)?，在?5天以后土壤pH值呈緩慢升高的趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，養(yǎng)殖廢水處理土壤pH值低于地下水處理，而再生水處理高于地下水處理。

圖3 培養(yǎng)期間土壤pH值變化規(guī)律

2.4 不同處理土壤溫室氣體排放通量變化規(guī)律

2.4.1 不同處理土壤CO2排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤CO2排放通量如圖4所示。第4～10天內(nèi)，尿素水解、硝化、反硝化反應(yīng)的進行提高了土壤中脲酶、硝化細菌、反硝化細菌的活性，導(dǎo)致3個處理的CO2排放通量短時間內(nèi)大幅度增加，RW、SW處理的CO2排放通量在培養(yǎng)后第10天達到峰值。土壤pH值在7.5～8.0范圍內(nèi)時，硝化細菌的活性與土壤pH值存在正相關(guān)關(guān)系[16]，同時，pH值的升高可增強產(chǎn)甲烷菌的活性[17]。第10～21天內(nèi)土壤pH值的降低影響了有關(guān)微生物的活性從而導(dǎo)致各處理CO2排放通量減少。培養(yǎng)后期土壤pH值逐漸升高，相關(guān)微生物活性隨之升高，CO2排放通量增加。與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加CO2累積排放通量，增幅分別為14.6%、16.9%，RW處理與SW處理之間存在差異但未達到顯著水平（表2）。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對CO2排放通量的增加效果更為明顯。

圖4 培養(yǎng)期間土壤CO2排放通量變化規(guī)律

2.4.2 不同處理土壤N2O排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤N2O排放通量如圖5所示。第4～10天內(nèi)，NH4+-N在土壤中大量累積從而加速硝化、反硝化反應(yīng)的進行使得各處理N2O排放通量顯著增加。硝化反應(yīng)的進行使得土壤pH值降低，進一步影響硝化、反硝化速率，導(dǎo)致第10～14天內(nèi)N2O排放通量減少。同理，第14～28天，土壤pH值的升高增加了硝化、反硝化速率，進而導(dǎo)致N2O排放通量增加。之后土壤pH值繼續(xù)升高，堿性環(huán)境下，pH值升高會使得反硝化反應(yīng)的主產(chǎn)物由N2O部分轉(zhuǎn)變?yōu)镹2[18]，從而導(dǎo)致N2O排放通量減少。與UW處理相比，RW、SW處理N2O累積排放通量顯著增加，增幅分別為11.9%、10.8%，RW處理與SW處理之間差異不明顯（表2）。表明與地下水相比，再生水灌溉對N2O排放通量的增加效果更為明顯。

圖5 培養(yǎng)期間土壤N2O排放通量變化規(guī)律

2.4.3 不同處理土壤CH4排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤CH4排放通量如圖6所示。第4～10天內(nèi)，土壤中聚集大量NH4+-N，而NH4+與CH4在甲烷氧化菌活性位點存在競爭效應(yīng)，導(dǎo)致此時間段內(nèi)CH4排放通量增加。之后隨著硝化反應(yīng)的進行土壤中NH4+逐漸減少，且土壤pH值逐漸降低，影響了二者的競爭效應(yīng)與土壤產(chǎn)甲烷菌活性，使得CH4排放通量減少。第21天后，土壤pH值逐漸升高，產(chǎn)甲烷菌活性有所增強[19]，使得CH4排放通量增加。而在培養(yǎng)后期，可利用底物的減少限制了產(chǎn)甲烷菌的活性。整個培養(yǎng)期內(nèi)UW處理的CH4排放通量均小于RW、SW處理，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了CH4累積排放通量，增幅分別為10.8%、13.9%，RW處理與SW處理之間差異較不明顯（表2）。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對CH4排放通量的增加效果更為明顯。

圖6 培養(yǎng)期間土壤CH4排放通量變化規(guī)律

表2 CO2、N2O、CH4累計排放通量和全球增溫潛勢

注 同一列內(nèi)不同字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

2.5 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

本試驗條件下，土壤CO2、N2O、CH4排放通量與土壤pH值、NH4+-N、NO3--N之間的相關(guān)性如表3所示。地下水灌溉下CO2排放通量與土壤pH值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01）。再生水灌溉下CO2排放通量與土壤中NO3--N量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），N2O與CH4排放通量均與土壤pH值之間存在顯著負相關(guān)關(guān)系。養(yǎng)殖廢水灌溉下N2O與CH4、CO2排放通量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。3種水源灌溉下N2O排放通量與CH4排放通量之間均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05）。

表3 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性

注 *表示在<0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在<0.01水平上顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 模擬不同水源灌溉對CO2排放通量的影響

土壤的呼吸作用是土壤CO2產(chǎn)生的主要過程，有機質(zhì)量[20]、pH值[21]、養(yǎng)分量、微生物數(shù)量與活性[22]等均會對呼吸作用強度造成影響。從累計排放通量來看，本試驗中，與地下水相比，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉后CO2累計排放通量有所增加，與前人研究結(jié)果一致[9]，分析原因可能為再生水灌溉可以增加土壤中微生物量和酶活性[9-23]，養(yǎng)殖廢水灌溉使土壤中酶活性提高[24]，同時再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉均增加了土壤NH4+-N的量，可能會促進硝化和反硝化反應(yīng)的進行，進而提高土壤呼吸作用強度，導(dǎo)致CO2排放量增加。另一方面可能是因為與地下水相比，再生水灌溉提高了土壤pH值，隨著pH值的升高土壤呼吸強度增強[25]，所以再生水灌溉對CO2排放表現(xiàn)出促進作用。從RW、SW處理的CO2排放通量變化規(guī)律來看，第10～21天，RW處理的CO2排放量高于SW處理，此現(xiàn)象可能與土壤的升高有關(guān)[26]。

3.2 模擬不同水源灌溉對N2O排放通量的影響

尿素的快速水解導(dǎo)致NH4+-N在土壤中大量積累，促進土壤硝化反應(yīng)的進行，硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3--N進一步通過反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2O，硝化、反硝化反應(yīng)均會產(chǎn)生N2O[27]。本試驗發(fā)現(xiàn)，與地下水灌溉相比，再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉在N2O排放方面均表現(xiàn)出促進作用，與Shang等[28]以及Chi等[29]的研究結(jié)果一致。第一個原因可能與土壤中無機氮量有關(guān)，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加了土壤中NH4+-N、NO3--N量，李平[30]研究發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉可提高變形菌門、放線菌門的相對豐度，從而促進土壤中氮素礦化，為硝化、反硝化作用提供更多反應(yīng)底物。較高質(zhì)量濃度的NO3--N會影響土壤將N2O還原為N2的能力，從而減少N2O還原量[31]。同時，再生水、養(yǎng)殖廢水中自身氮素量較高，而氮素的額外輸入會促進N2O排放[32]。第二個原因可能是再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉均提高了土壤，本研究中土壤的變化范圍為7.46%～41.95%，在此范圍內(nèi)土壤處于有氧環(huán)境，有利于硝化反應(yīng)的進行，隨著的升高硝化反應(yīng)速率增強[33]，且土壤與N2O排放通量之間存在正相關(guān)關(guān)系[34]，從而影響N2O排放。第三個原因可能是培養(yǎng)前中期再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉提高了土壤pH值，培養(yǎng)前中期各處理土壤pH值范圍為7.5～8.0，此范圍為硝化細菌的最適pH值范圍，在此范圍內(nèi)硝化反應(yīng)速率會隨著土壤pH值的升高而加快[16],從而產(chǎn)生更多的N2O。培養(yǎng)后期土壤pH值超過最適宜范圍，隨著pH值的升高，逐漸表現(xiàn)為抑制N2O排放[35]，使得培養(yǎng)后期再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對N2O排放的促進效果不明顯。但也有研究[36]認為養(yǎng)殖廢水灌溉對N2O排放無顯著影響，分析原因為養(yǎng)殖廢水灌溉下土壤、有機質(zhì)量沒有發(fā)生顯著變化，對與N2O產(chǎn)生有關(guān)的微生物的活性影響不明顯。不同研究的結(jié)論不同，可能與不同養(yǎng)殖廢水中有機物和氮量不同以及土壤類型不同有關(guān)。從RW處理和SW處理的N2O排放規(guī)律來看，培養(yǎng)前14天內(nèi)SW處理的排放量更高，隨后RW處理排放量更高，可能是因為培養(yǎng)前14天內(nèi)SW處理的pH值更高，硝化反應(yīng)速率更強，隨后二處理pH值差距減小，而RW處理高于SW處理，導(dǎo)致中后期RW處理N2O排放量更高。

3.3 模擬不同水源灌溉對CH4排放通量的影響

本次培養(yǎng)試驗中各處理CH4排放通量普遍偏低，可能是因為本次試驗所設(shè)定的含水率較低，未能形成較好的厭氧環(huán)境，而產(chǎn)甲烷菌在土壤厭氧程度較高[37]，含水率較高[38]時活性更強。與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加CH4累計排放量。分析原因一方面可能為，與地下水相比，再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉下土壤pH值升高，而pH值升高會促進產(chǎn)甲烷菌的生長[17]，從而影響土壤中CH4排放。另一方面，與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水中含有較多的NH4+-N，灌溉后顯著增加了土壤中NH4+-N量，促進硝化反應(yīng)的進行，消耗大量氧氣，導(dǎo)致局部土壤氧化還原電位降低，可能進一步影響CH4的排放[39]。從RW處理和SW處理的CH4排放規(guī)律來看，第7～14天，SW處理的排放量較高，可能是因為培養(yǎng)前期SW處理的NH4+-N量較高，而NH4+與CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu)，二者競爭甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點[40]，從而增加CH4排放。隨著時間的推移，SW處理和RW處理的NH4+-N量的差距逐漸縮小，且SW處理的CO2排放量較高，土壤中的碳一部分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2散失，而土壤中碳量與CH4排放密切相關(guān)[41]，導(dǎo)致第21～42天內(nèi)SW處理的排放量低于RW處理。

3.4 模擬不同水源灌溉對溫室效應(yīng)的影響

本試驗中，再生水、養(yǎng)殖廢水顯著增加CO2、N2O、CH4排放量，故與地下水灌溉相比，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加。養(yǎng)殖廢水促進CO2、CH4排放的效果更明顯，再生水促進N2O排放的效果更明顯，由于N2O溫室效應(yīng)最高，故從來看，再生水對溫室效應(yīng)的增加效果更明顯，但再生水與養(yǎng)殖廢水之間差異不顯著。根據(jù)本研究結(jié)果可知，將再生水、養(yǎng)殖廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉時有增加溫室效應(yīng)的可能。今后仍需進一步探究其增加的機理及調(diào)控技術(shù)，進而減小二者用于灌溉時對大氣環(huán)境的影響。本試驗采用室內(nèi)培養(yǎng)法模擬不同水源灌溉對土壤溫室氣體排放的影響，與實際大田情景有較大差距。在以后研究中將會通過田間試驗繼續(xù)探討不同水源灌溉對土壤溫室氣體排放的影響。本試驗使用的稀釋后的養(yǎng)豬場廢水氮量較低也是導(dǎo)致養(yǎng)殖廢水與再生水差異不明顯的原因之一。其他類型的養(yǎng)殖廢水如養(yǎng)牛廢水、養(yǎng)鴨廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等的組成可能會與養(yǎng)豬廢水有差異，對土壤溫室氣體排放的影響有待進一步研究。本研究均使用抽濾過的水進行灌溉，未考慮水中固相部分對溫室效應(yīng)的貢獻，可能會低估，在后續(xù)研究中會進一步研究非常規(guī)水不同組分對土壤溫室氣體排放的影響。

4 結(jié)論

1）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均增加土壤NH4+-N和NO3--N量，且養(yǎng)殖廢水灌溉下效果更明顯。

2）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著促進土壤CO2、N2O、CH4排放，二者之間無顯著差異，且再生水對N2O排放的促進效果更明顯，養(yǎng)殖廢水對CO2和CH4排放的促進效果更明顯。

3）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著增加，但2種水源無顯著差異。

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Greenhouse Gas Emissions from Soils are Affected by Irrigation Water Sources

TAO Zhen1, LI Zhongyang1,2, LI Songjing1, LI Baogui1, LI Siyi1, GAO Feng1, LIU Yuan1*

（1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China;2.National Research and Observation Station of Shangqiu Agro-ecology System, Shangqiu 476000, China）

【Objective】Reducing greenhouse gas (GHG) emissions from soils play an important role in controlling the temperature rise not exceeding 1.5 ℃ by the end of the century. GHG emission is complicated, affected by various physical and biogeochemical processes. In this paper, we studied the impact of irrigation water sources on emissions of CO2, N2O, and CH4from soils. 【Method】Incubation experiment was conducted indoors in microcosms. The microcosms were irrigated using reclaimed wastewater, livestock wastewater respectively, with irrigation with fresh groundwater taken as the control. During the experiment, we measured, concurrently, the emissions of CO2, N2O and CH4, the changes in soil pH, water-filled porosity (), NH4+-N and NO3--N, as well as other edaphic factors. 【Result】Reclaimed water and livestock wastewater irrigations both significantly increased the emission of CO2, N2O and CH4, compared to irrigation with groundwater (<0.05). In particular, it was found that reclaimed water irrigation increased N2O emission most, while livestock wastewater irrigation respired more CO2and CH4compared to other treatments. In terms of global warming potential (), there was no significant difference inbetween the reclaimed water irrigation and the livestock wastewater irrigation; however, compared to groundwater irrigation, they both significantly increased(<0.05). Compared to the control, the livestock wastewater irrigation reduced soil pH, while the reclaimed water irrigation increased soil pH, both at significant levels. Nitrogen in soil irrigated with groundwater was lower than that irrigated by the reclaimed and livestock wastewaters.【Conclusion】In terms ofand change in soil properties, reclaimed wastewater and livestock wastewater irrigation increased GHG emissions and enhanced mineral nitrogen in soil.

irrigation; reclaimed water; livestock wastewater; greenhouse gas emission; soil nitrogen

1672 - 3317（2021）05 - 0124 - 08

X713

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021514

陶甄, 李中陽, 李松旌, 等. 模擬再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對農(nóng)田溫室氣體排放的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(5): 124-131.

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2021-10-22

國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1700900）；國家自然科學(xué)基金項目（41701265）；河南省科技攻關(guān)計劃項目（202102110215）

陶甄（1997-），女，碩士研究生。主要從事非常規(guī)水資源安全利用研究。E-mail: 965001746@qq.com

劉源（1988-），女，副研究員。主要從事非常規(guī)水資源安全利用研究。E-mail: liuyuanfiri88@163.com

責任編輯：趙宇龍