膜下滴灌對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究進(jìn)展

鄭劍波 張有亮 李振華 楊悅 羅新寧

摘要：文章綜述了膜下滴灌對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的現(xiàn)狀，從土壤水分、土壤溫度、土壤氮素轉(zhuǎn)化、氮肥施用等方面分析膜下滴灌農(nóng)田N2O產(chǎn)生和排放的主要影響機(jī)制，針對(duì)目前研究中存在的N2O排放問(wèn)題提出建議，為膜下滴灌技術(shù)的改進(jìn)以及N2O溫室氣體減排提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：膜下滴灌；農(nóng)田；N2O排放

中圖分類號(hào)：S275.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題層出不窮，尤其是近年來(lái)，冰川融化、海平面上升等問(wèn)題對(duì)人類生存產(chǎn)生了極大的威脅，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于全球氣候變暖所致，而全球變暖源自溫室氣體的排放，因此對(duì)溫室氣體的研究迫在眉睫。N2O作為溫室氣體的主要組成之一，其增溫效應(yīng)是CO2的298倍[1]，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。隨著對(duì)溫室氣體排放研究的開展，越來(lái)越多的專家學(xué)者將N2O減排作為緩解溫室效應(yīng)的關(guān)鍵。有研究資料顯示，農(nóng)田溫室氣體排放占據(jù)全球總排放量的10%～20%[2]，其中中國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占據(jù)中國(guó)溫室氣體排放量的15%以上[3]，研究農(nóng)田N2O排放特征已勢(shì)在必行。

近年來(lái)，對(duì)農(nóng)田N2O排放的研究大多數(shù)集中在土壤生物反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、耕作手段以及施氮量水平等方面，對(duì)影響農(nóng)田N2O排放的其他因素研究較少[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，改變農(nóng)田灌溉模式、灌溉水平，能導(dǎo)致土壤溫室氣體排放特征產(chǎn)生顯著變化，其原因可能是由于不同的灌溉模式影響了土壤水分含量，而土壤水分是影響土壤溫室氣體排放的關(guān)鍵性因素[5]。滴灌方式通過(guò)對(duì)作物根部水分和養(yǎng)分供應(yīng)使作物可以正常生長(zhǎng)發(fā)育，既能高效節(jié)省農(nóng)田用水，減少農(nóng)田深層滲透，提高作物水肥利用效率，又可以影響土壤溫室氣體的排放量。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滴灌模式下土壤溫度、土壤濕度、土壤水分等研究已經(jīng)取得了較為可觀的進(jìn)展，但對(duì)于膜下滴灌農(nóng)田N2O排放的研究很少，隨著新型滴灌模式的推廣，滴灌對(duì)農(nóng)田N2O排放特征的影響研究刻不容緩。

通過(guò)查閱和分析大量相關(guān)文獻(xiàn)，本文較為全面地分析農(nóng)田土壤N2O的產(chǎn)生機(jī)制、影響N2O排放的關(guān)鍵因素等，并提出相應(yīng)對(duì)策，以期為農(nóng)田N2O減排工作提供理論支持。

1? 農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生機(jī)制

農(nóng)田N2O的主要產(chǎn)生途徑為土壤中的生物作用和化學(xué)反應(yīng)，其中生物作用包括硝化作用和反硝化作用，農(nóng)田土壤N2O主要是通過(guò)好氧微生物與厭氧微生物進(jìn)行硝化作用與反硝化作用產(chǎn)生，其他生物作用的貢獻(xiàn)較少[6]。

硝化作用是指通過(guò)土壤好氧微生物作用將土壤氮素轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)氮的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程分為兩步：先通過(guò)亞硝化細(xì)菌將NH4+等氧化成NO2-，之后硝化細(xì)菌將NO2-氧化成NO3-，同時(shí)產(chǎn)生N2O。硝化作用既有自養(yǎng)硝化作用，又有異養(yǎng)硝化作用，而真菌對(duì)異養(yǎng)硝化作用反應(yīng)敏感，因而有學(xué)者認(rèn)為異養(yǎng)硝化作用也可能會(huì)導(dǎo)致N2O的排放。相較于自養(yǎng)硝化作用，異養(yǎng)硝化作用在酸化土壤或者溫度較高的土壤中仍能正常進(jìn)行，其過(guò)程也會(huì)排放出大量N2O。因此，異養(yǎng)硝化作用也是研究的一大重點(diǎn)。

同時(shí)，如果在O2含量較低的狀態(tài)下，硝化作用產(chǎn)生N2O的途徑為硝化細(xì)菌的反硝化作用。反硝化作用是指在厭氧條件下，通過(guò)反硝化細(xì)菌將NO3-或NO2-還原成氣態(tài)氮的過(guò)程。有研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格的厭氧環(huán)境下，氧化亞氮還原酶會(huì)將N2O還原成N2，說(shuō)明N2O是反硝化作用的中間產(chǎn)物之一，N2O在不同的環(huán)境條件下，能繼續(xù)積累或者被還原成N2。

2? 影響膜下滴灌農(nóng)田N2O排放的主要因素

2.1? ?土壤水分

大量研究證實(shí)膜下滴灌方式能有效降低農(nóng)田N2O排放量。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，土壤水分變化頻率同樣會(huì)影響N2O的排放量，土壤干濕交替會(huì)導(dǎo)致N2O排放量顯著增加。土壤水分控制為農(nóng)田N2O的減排提供了一條切實(shí)可行的道路，如夏仕明等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)干濕交替灌溉能有效減少稻田溫室氣體。有學(xué)者指出，滴灌時(shí)，滴頭下方以及滴頭周圍土壤水分含量明顯高于其他位置土壤水分含量，造成較大的土壤水分差異，會(huì)形成明顯的干濕區(qū)域，在田間N2O的排放過(guò)程中起到極為重要的作用。在干濕交替過(guò)程中，土壤透氣性發(fā)生改變，影響土壤微生物活性，從而影響N2O的排放過(guò)程。董艷芳等[8]研究指出，與常規(guī)灌溉相比較，膜下滴灌在保持水稻產(chǎn)量不降低的前提下，降低了稻田N2O的排放強(qiáng)度和增溫潛勢(shì)，證實(shí)了干濕交替會(huì)通過(guò)改變土壤透氣性而影響N2O的排放；Li等[9]通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌棉田N2O排放量與傳統(tǒng)無(wú)膜棉田相比，降低了約30%，研究表明，膜下滴灌與傳統(tǒng)無(wú)膜灌溉相比較，會(huì)有效降低N2O的排放量。

2.2? ?土壤溫度

在全球氣候變暖的大背景下，N2O排放量受到土壤溫度的影響加劇。Dobbie和Smith[10]的研究表明，在一定范圍內(nèi)土壤溫度越高，N2O排放量越大，二者成正相關(guān)關(guān)系。在稻麥輪作系統(tǒng)中，N2O排放量與5 cm土層日低溫變化呈正態(tài)分布，同時(shí)當(dāng)?shù)販卦?5 ℃～35 ℃時(shí)，N2O排放量會(huì)顯著增加[11]。謝軍飛和李玉娥[12]也得出了相同的結(jié)論，在15 ℃～35 ℃范圍內(nèi)，硝化細(xì)菌處于活躍狀態(tài)，反硝化細(xì)菌適宜溫度為5 ℃～75 ℃，與作物生長(zhǎng)環(huán)境相結(jié)合，硝化作用影響比反硝化作用影響更大。王鐵良等[13]通過(guò)對(duì)比溝灌土壤溫度、滴灌土壤溫度和小管出流土壤溫度發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式下，土壤溫度會(huì)有一定差異。Wang等[14]證實(shí)，滴灌農(nóng)田土壤溫度明顯高于噴灌農(nóng)田，其原因可能是在膜下滴灌時(shí)，水分蒸發(fā)受到地膜阻礙，導(dǎo)致地表氣溫和膜下土壤溫度較高。目前，針對(duì)土壤溫度對(duì)N2O排放影響的研究仍未得到一致的結(jié)論，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.3? ?土壤有機(jī)氮礦化

膜下滴灌改變了土壤水熱狀況，從而影響了土壤氮素積累與轉(zhuǎn)化過(guò)程，土壤微生物硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)離不開土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的支持。Bricklemyer等[15]在2005年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在滴灌條件下，土壤有機(jī)氮素會(huì)發(fā)生明顯礦化過(guò)程，同時(shí)部分氮素也會(huì)有損失。Dosskey等[16]在研究中同樣發(fā)現(xiàn)由于滴灌形成的水分動(dòng)力學(xué)過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)礦化。因此，土壤有機(jī)質(zhì)氮礦化在一定程度上可以反映土壤N2O排放特征。干燥條件下，土壤可溶性有機(jī)氮釋放速度加快，在土壤干燥條件轉(zhuǎn)化為濕潤(rùn)條件的過(guò)程中，N2O的排放量加劇，其原因可能是在滴灌過(guò)程中，土壤微生物活性增加，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化量[17]。

2.4? ?土壤硝化作用與反硝化作用

膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用對(duì)土壤溫度、土壤水分以及土壤有效氮等均產(chǎn)生極大影響，進(jìn)而對(duì)土壤溫室氣體產(chǎn)生影響。白紅英等[18]在研究中發(fā)現(xiàn)，可能由于小麥在生長(zhǎng)過(guò)程中消耗了土壤水分和養(yǎng)分的同時(shí)分泌有機(jī)物以及C、N等物質(zhì)，促使土壤微生物進(jìn)行硝化作用和反硝化作用，最終導(dǎo)致覆蓋種植條件下土壤N2O排放量高于裸露地N2O排放量。在水稻地膜覆蓋栽培的研究中也同樣證實(shí)了這一點(diǎn)，在嚴(yán)格的厭氧環(huán)境中，覆膜稻田的土壤水分和通氣性更有利于N2O的產(chǎn)生和釋放[19]。閻佩云等[20]在對(duì)覆膜春玉米的研究中發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋下的玉米農(nóng)田與未覆蓋地膜農(nóng)田相比，土壤N2O排放量并未增加并且有少量減少，其原因可能是由于地膜覆蓋促進(jìn)了作物生長(zhǎng)對(duì)礦質(zhì)氮的吸收，使得作物與土壤微生物競(jìng)爭(zhēng)氮素，從而限制了N2O的生成。而朱詠莉等[21]在對(duì)覆膜小麥農(nóng)田N2O排放的研究中卻得出不同的結(jié)論，認(rèn)為地膜覆蓋會(huì)增加農(nóng)田N2O的排放量，地膜覆蓋在提高耕層土壤含水量、溫度以及硝態(tài)氮含量的同時(shí)，相對(duì)降低了土壤中的O2濃度，促使土壤處于厭氧環(huán)境，反硝化作用加劇，導(dǎo)致土壤N2O排放量增加。在眾多學(xué)者的研究中，均證實(shí)地膜覆蓋會(huì)影響農(nóng)田N2O排放量，但地膜覆蓋是否會(huì)導(dǎo)致N2O排放量降低仍有待商榷，需要進(jìn)一步研究。

2.5? ?施肥手段

在作物生產(chǎn)過(guò)程中，作物產(chǎn)量受土壤肥力的作用顯著。盲目大量施用化肥氮來(lái)補(bǔ)充作物生長(zhǎng)過(guò)程中所需的氮素，使得大量氮素進(jìn)入土壤環(huán)境，而作物對(duì)氮素利用量遠(yuǎn)低于施用量，導(dǎo)致土壤中氮素滯留，再加上其他環(huán)境因素的影響，使得農(nóng)田系統(tǒng)氮素冗余，最終導(dǎo)致N2O排放量劇增。在早期研究中，Shcherbak等[22]也證明了N2O排放量會(huì)隨施氮量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。近年來(lái)，有學(xué)者在對(duì)覆膜水稻尿素氮處理中發(fā)現(xiàn)，深施尿素會(huì)顯著降低N2O排放量，在常規(guī)淹水水稻生產(chǎn)中，土壤尿素氮深施處理也得到相同的結(jié)論，分析其原因可能是因?yàn)槟蛩厣钍┖?，減少了土壤硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所需的底物，同時(shí)，施用高效氮肥也會(huì)顯著降低土壤N2O排放量。Liu等[23]學(xué)者在通過(guò)對(duì)比控釋尿素與尿素、硫酸銨、硝酸銨鈣對(duì)N2O排放的影響中發(fā)現(xiàn)，控釋尿素與其他幾種氮肥相比，土壤N2O排放系數(shù)顯著下降。

3? 減排措施

3.1? ?改善施肥手段

氮肥是影響農(nóng)田N2O排放量的主要原因之一。中國(guó)地域面積廣、天氣多變，使得中國(guó)各區(qū)域的種植作物、施肥量等也隨之產(chǎn)生一定的變化。因此，尋找最適宜各地區(qū)的作物施肥量是眾所周知的最簡(jiǎn)捷的N2O減排措施?？茖W(xué)施肥要在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)，協(xié)調(diào)施肥量、肥料種類、施肥時(shí)期和施肥位置，通過(guò)改變肥料配比、種植模式和肥料分施等農(nóng)田管理措施來(lái)控制農(nóng)田N2O排放量。

3.2? ?調(diào)節(jié)土壤環(huán)境

根據(jù)不同作物適宜生長(zhǎng)環(huán)境，通過(guò)滴灌強(qiáng)度、滴灌頻率、覆膜厚度等方式改變土壤溫度、土壤水分，調(diào)整土壤干濕交替狀態(tài)時(shí)間，通過(guò)對(duì)土壤微生物活性的影響來(lái)作用于土壤硝化和反硝化反應(yīng)，從而得到N2O減排效益。

4? 展 望

隨著全球?qū)r(nóng)田溫室氣體的深入研究，對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的研究也隨后展開，影響農(nóng)田N2O排放的因素受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，逐漸成為研究熱點(diǎn)，由研究最初的單因素影響到后來(lái)的多因素綜合作用，研究?jī)?nèi)容不斷豐富，研究手段層次多樣，目前已取得較好的成果，為農(nóng)田N2O減排奠定了深厚基礎(chǔ)。但筆者認(rèn)為目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于不同地區(qū)農(nóng)田N2O排放的研究?jī)?nèi)容以及研究深度仍未能達(dá)到減排增產(chǎn)的效益，因此筆者認(rèn)為還需加強(qiáng)對(duì)以下內(nèi)容的研究：（1）在研究滴灌農(nóng)田N2O產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合各地區(qū)農(nóng)田耕作特性，研究不同耕作條件下N2O排放特征，尤其是在大面積種植區(qū)域要開展深入研究；（2）將各地區(qū)土壤理化性質(zhì)與N2O排放相結(jié)合進(jìn)行研究，如不同地區(qū)土壤鹽堿性、土壤溫度、土壤濕度對(duì)N2O排放的具體作用等；（3）中國(guó)南北方氣溫差異較大，作物種植多樣，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同作物種植區(qū)N2O排放特征影響的研究，探索有利于不同作物的減排增產(chǎn)種植模式；（4）通過(guò)對(duì)滴灌農(nóng)田N2O排放研究，制訂高效的節(jié)能減排農(nóng)業(yè)管理措施。

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