张丽媛^,, 吕金东, 石欣悦, 虞娜^,, 邹洪涛, 张玉玲, 张玉龙沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室,沈阳110866

Effects of Irrigation Regimes on N₂O and NO Emissions from Greenhouse Soil

ZHANG LiYuan^,, Lü JinDong, SHI XinYue, YU Na^,, ZOU HongTao, ZHANG YuLing, ZHANG YuLongCollege of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Northeast China), Ministry of Agriculture and Rural Affairs/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

通讯作者: 虞娜,E-mail：sausoilyn@syau.edu.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-05-22接受日期:2020-06-28网络出版日期:2021-03-01

基金资助:

国家自然科学基金项目.41401322 国家重点研发计划项目.2016YFD0300807

Received:2020-05-22Accepted:2020-06-28Online:2021-03-01
作者简介 About authors
张丽媛,E-mail：zhangliyuan1027@163.com









摘要
【目的】合理灌溉是设施生产控制N₂O和NO排放,提高氮肥利用率的有效措施。研究不同灌水下限设施土壤N₂O和NO排放动态与土壤水分、无机氮和可溶性有机氮关系,分析N₂O和NO排放特征及影响因素,以期为N₂O、NO减排和设施土壤灌溉管理提供科学依据。【方法】基于连续7年的设施土壤不同灌溉下限的田间定位试验,以番茄为供试作物,设4个土壤水吸力处理,分别为25 kPa（W₁）、35 kPa（W₂）、45 kPa（W₃）和55 kPa（W₄）。采用密闭静态箱-气相色谱和氮氧化物分析仪法,分别对番茄生长季的N₂O和NO进行田间原位同步观测。【结果】番茄生长季不同灌水下限处理土壤N₂O和NO排放通量分别为 -34.46—1 671.78 μg N·m^-2·h^-1和6.83—269.89 μg N·m^-2·h^-1,二者排放峰值期同步且主要发生在施肥和灌溉后,各处理NO/N₂O均小于1。土壤N₂O和NO累积排放量分别为W₂和W₁处理最低（P <0.01）,各处理N₂O+NO总累积排放量表现为W₄处理>W₃处理>W₁处理>W₂处理。W₂处理番茄产量较W₁、W₃和W₄处理分别增加84%、32.4%和12%。单位产量N₂O+NO排放量表现为W₄处理最高（P <0.01）,W₂处理最低。各处理施肥和收获后土壤无机氮和可溶性有机氮含量的重复测量方差分析表明,除灌水下限和观测时间交互对亚硝态氮含量影响不显著外,灌水下限和观测时间及二者交互效应对土壤无机氮和可溶性有机氮均有极显著影响（P <0.01）。冗余分析和相关分析表明,NO₂^--N、NH₄⁺-N和土壤孔隙含水量（WFPS）可分别解释设施土壤N₂O和NO变异的55%、32.5%和20.7%,均是极显著影响不同灌溉下限N₂O和NO排放的主要影响因素。【结论】综合考虑产量和N₂O、NO减排效应,灌水下限35 kPa的W₂处理为本试验最适宜的灌溉管理措施。
关键词： 灌溉下限;设施土壤;N₂O排放;NO排放

Abstract
【Objective】 Reasonable irrigation in greenhouse is an effective measure to control N₂O and NO emissions and to improve utilization rate of nitrogen fertilizer. In order to provide a scientific basis for N₂O and NO emission reduction and soil irrigation management in greenhouse, the dynamics of soil N₂O and NO emissions under different irrigation regimes and its relationship with soil moisture and inorganic nitrogen and soluble organic nitrogen were studied, and the N₂O and NO emissions characteristics and its influencing factors were also analyzed.【Method】A seven-year long term field experiment was conducted in greenhouse, tomatoes were used as the experimental crop, and four irrigation regimes were conducted to control lower irrigation limits of 25 kPa (W₁), 35 kPa (W₂), 45 kPa (W₃) and 55 kPa (W₄), respectively. The N₂O and NO emission were monitored in-situ simultaneously by using closed static chamber-gas chromatography and NO_x analyzer, respectively. 【Result】 The soil N₂O and NO emission fluxes of different irrigation regimes varied between -34.46-1 671.78 μg N·m^-2·h^-1and 6.83-269.89 μg N·m^-2·h^-1 in tomato growing season, respectively. The peak periods of N₂O and NO emissions were synchronous and mainly occurred after fertilization and irrigation, and NO/N₂O was less than 1 for each treatment. The cumulative soil N₂O and NO emissions were the lowest under W₂ and W₁ treatments (P <0.01) respectively, and the total N₂O+NO emissions for each treatment were W₄ >W₃ >W₁ >W₂. Compared with W₁, W₃ and W₄ treatments, tomato yields under W₂ treatment was increased by 84%, 32.4% and 12%, respectively. The yield-scaled N₂O+NO emissions was the highest under W₄ treatment and the lowest under W₂ treatment (P <0.01). Repeated measurements anova of soil inorganic nitrogen and soluble organic nitrogen after fertilizations and harvest showed that except for the interaction of irrigation regime and measure time had no significant effect on the nitrite content, irrigation regimes, measure time and their interaction had a significant effect on soil inorganic nitrogen and soluble organic nitrogen (P <0.01). Redundancy and correlation analysis indicated that NO₂^--N, NH₄⁺-N and WFPS could explain 55%, 32.5% and 20.7% variations of N₂O and NO for greenhouse soil, which were the main influencing factors that affected N₂O and NO emissions very significantly under different irrigation regimes.【Conclusion】Comprehensive consideration of yield, N₂O and NO emission reduction effect, W₂ treatment with irrigation lower limit of 35 kPa was the most appropriate irrigation management measurement for this experiment condition.
Keywords：irrigation low limits;greenhouse soil;N₂O emission;NO emission


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张丽媛, 吕金东, 石欣悦, 虞娜, 邹洪涛, 张玉玲, 张玉龙. 灌溉下限对设施土壤N₂O和NO排放特征的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(5): 992-1002 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.011
ZHANG LiYuan, Lü JinDong, SHI XinYue, YU Na, ZOU HongTao, ZHANG YuLing, ZHANG YuLong. Effects of Irrigation Regimes on N₂O and NO Emissions from Greenhouse Soil[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(5): 992-1002 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.011


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0 引言

【研究意义】N₂O和NO是土壤气态氮损失的主要途径,对全球气候变暖和臭氧层破坏有着重要影响^[1]。N₂O是全球第三大温室气体,其百年的增温潜势（global warming potential）约为CO₂的300倍^[2]。NO参与复杂的光化学反应,其催化形成对流层的臭氧进而导致间接温室效应^[3]。农田土壤是N₂O和NO排放的主要来源^[4],而设施土壤N₂O排放占农田排放量的20%^[5]。我国设施菜地普遍具有高额灌水施肥的特点,这造成氮素以硝态氮淋溶和N₂O、NO、NH₃和N₂的气态形式损失。随着设施生产面积的不断扩大,N₂O和NO排放导致的氮损失越来越引起关注。在土壤氮生物地球化学循环中,N₂O和NO是硝化和反硝化过程损失的主要成分,而水分是影响这些氮转化过程的重要因子,直接制约着N₂O和NO的消长。因此,探究不同灌水对设施土壤N₂O和NO排放规律的影响,对设施土壤合理灌溉、减少N₂O和NO排放具有重要意义。【前人研究进展】目前关于农田土壤N₂O和NO排放同步观测的研究主要集中在灌水、施肥、添加硝化抑制剂和生物炭改良等方面,有机无机肥配施、添加硝化抑制剂和生物炭肥料可显著降低N₂O和NO排放^{[6,7,8,9,10,11]}。水分通过影响土壤中O₂的扩散而间接地影响土壤中微生物的活性及其主导的硝化和反硝化氮素转化过程,直接决定着无机氮形态（NO₃^--N和NH₄⁺-N）^[12,13,14],进而调控土壤N₂O和NO排放。灌溉是设施生产中土壤水分补充的唯一来源,与常规灌溉相比,采用滴灌施肥^[15,16,17]、加气^[18]和减量灌溉^[19,20]可在保证作物产量的同时,显著减少设施土壤N₂O 和 NO 排放。沟灌土壤N₂O通量显著高于滴灌和地下灌溉^[21]。土壤孔隙含水量（WFPS）是影响N₂O和NO排放的重要因子^[22],当WFPS在30%—60%,NO是土壤气态氮排放主要成分;63%WFPS时,N₂O/NO接近于1;WFPS>65%时,土壤有利于反硝化反应发生,以N₂O排放为主^[23,24]。灌水下限30 kPa时,设施土壤N₂O排放通量最低,分别较灌水下限20 kPa和40 kPa低8%和36%^[25]。【本研究切入点】目前,关于灌水对N₂O和NO排放的研究主要集中在灌溉方式或灌溉量方面,不同灌溉下限对设施土壤N₂O和NO同步排放的研究鲜有报道,关于其影响因素的研究还需进一步加强。【拟解决的关键问题】本试验基于连续7年设施番茄田间不同灌溉下限的定位试验,研究设施土壤N₂O、NO同步排放特征及其影响因素,旨在寻求设施土壤适宜的灌水下限,为设施土壤灌溉管理、N₂O和NO减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验始于2012年,在沈阳农业大学设施生产试验基地内进行（41°49′N,123°34′E）,每年4—8月进行番茄种植,其余时间土地休耕。本研究在2019年进行,供试土壤为棕壤,供试作物为番茄。2012年春季试验开始前0—20 cm土层基本理化性质如表1所示。

Table 1
表1
表12012年试验开始前土壤基本理化性质
Table 1Soil basic physiochemical properties before the experiment in 2012

有机质 Organic matter (g·kg-1)	全氮 Total N (g·kg-1)	碱解氮 Available N (mg·kg-1)	速效磷 Available P (mg·kg-1)	速效钾 Available K (mg·kg-1)	容重 Bulk density (g·cm-3)	pH
10.9	1.4	57.8	25.2	90.2	1.51	7.0

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1.2 试验设计

设施田间试验设4个不同灌溉下限处理,其对应的土壤水吸力分别为25 kPa（W₁）、35 kPa（W₂）、45 kPa（W₃）和55 kPa（W₄）,灌溉上限均为土壤田间持水量（6.3 kPa）。试验小区在始建前,用埋深60 cm的塑料布做防渗透隔离处理,防止小区间水分、养分的运移,小区面积2.5 m²,设4次重复。每个小区种植番茄16株,番茄栽植行距平均50 cm,株距30 cm,保留四穗后打顶。

各处理肥料种类和用量一致,有机肥（膨化鸡粪26.4 t·hm^-2）、尿素（300 kg N·hm^-2）、过磷酸钙（220 kg P₂O₅·hm^-2）和硫酸钾（300 kg K₂O·hm^-2）。定植前,各小区统一施用有机肥和过磷酸钙作基肥。氮、钾肥分3次在定植前、第一和第二穗果膨大期等量施入。番茄从移栽到收获历时101 d,两次追肥时间分别为定植后第48天和第71天。

灌溉采用膜下滴灌方式进行灌溉,在定植后距植株5 cm左右铺设滴灌带,然后覆盖地膜。番茄定植后相继滴灌定植和缓苗水后,进行水分处理。为确定灌溉时间和灌溉量,各小区埋设张力计和TDR探头指示土壤水吸力变化。灌水下限土壤含水量由设计土壤吸力值算出,即当清晨8：00—8：30的20 cm土层张力计读数达到灌溉下限土壤吸力值时,依据实测值,使用水分特征曲线θ=0.5205[1+(6382.43h)^11.501]^-0.0094 （r=0.995,P<0.01）计算土壤体积含水量。其中,h：土壤水吸力（kPa）,θ：土壤体积含水量（cm³·cm^-3）。然后以公式（1）进行小区单次灌溉量计算：

（1）Q=（Q_f-Q₁）×H×R×S
式中：Q是一次灌水水量（m³）,Q_f和Q_l分别是灌水上限和下限土壤含水量（m³·m^-3）,H是计划湿润层厚度（m）,取H=0.3 m;R是土壤湿润比,取R=0.5;S是小区面积（m²）。本试验各处理生育期灌水量见表2。定植时各处理灌溉量相同,定植后第14天开始第一次灌溉,各处理平均灌溉间隔天数为3.5 d（W₁）、4.4 d（W₂）、5.3 d（W₃）、6.3 d（W₄）。

Table 2
表2
表2不同灌溉下限处理灌水次数、总灌水量和平均单次灌水量
Table 2Irrigation frequency, total irrigation amount and average single irrigation amount under different irrigation regimes

处理 Treatment	灌水次数 Irrigation time	总灌水量 Total irrigation amount (m3·hm-2)	平均单次灌水量 Average single irrigation amount (m3·hm-2)
W1	29	2957.2	102.0
W2	23	2543.8	110.6
W3	19	2274.0	119.7
W4	16	2102.0	131.4

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1.3 样品采集与分析

气体样品于2019年设施番茄定位试验定植后第2天开始采集,收获当天采集最后一次,共采样18次,采样间隔为6 d,施肥后增加观测一次,随机从各处理的重复中选择3个固定位点采气。采用静态箱法进行气体采集,箱体由PVC材料制成,定植前将静态箱底座（40 cm×40 cm×10 cm）埋入作物两株之间且箱体内无植株,底座埋入土壤深度为5 cm,底座外侧带有水槽。气体采集时,将40 cm×40 cm×40 cm箱体罩于底座上,水槽灌水密封。静态箱顶端装有温度计测定箱内温度,气泵连接气袋进行采气。当气体采集和灌水同一天时,先进行灌水,后进行气体采集。采样在上午8：00—11：00完成,分别在密闭后0、10、30 min各采集一次,同时记录箱内温度,每次分别抽取40 mL和1 000 mL气体置两个气袋中密闭带回实验室分别观测N₂O和NO。采用Agilent 7890B气相色谱仪及电子捕获检测器（ECD）测定N₂O含量和42i型NO-NO₂ -NO_x分析仪（Thermo Environmental Instruments Inc., USA）测定NO含量。

土壤样品的采样（除第2次未采样）与气体同步采集,采集表层（0—10 cm）土壤。每个静态箱底座内多点采集土样混匀装密封袋,冰柜保存备用。测试前,解冻鲜样,烘干法测定含水量。土壤无机氮和可溶性有机氮采用0.01 mol·L^-1 CaCl₂浸提,可溶性总氮（STN）采用碱性过硫酸钾氧化,NO₃^--N、NH₄⁺-N和NO₂^--N采用AA3自动分析仪测定（Seal Analytical,USA）,滤液中可溶性总氮与矿质氮（NO₃^--N+NH₄⁺-N+ NO₂^--N）之差即为土壤可溶性有机氮（SON）。

1.4 数据分析

静态箱内气体的排放通量采用公式（2）计算：

（2）$F=\rho \times h \times \frac{\mathrm{d} c}{\mathrm{~d} t} \times \frac{273}{273+T} \times k$
式中,F是N₂O或NO的排放通量（μg N·m^-2·h^-1）,ρ是标准状态下气体密度（N₂O-N：1.25 kg·m^-3;NO-N：0.625 kg·m^-3）,h是密闭箱净高度（m）,dc/dt是采样箱内N₂O或NO浓度变化率（μL·L^-1min^-1）,T是采样过程中箱内空气平均温度（℃）,k是时间转换系数（60 min·h^-1）。由于箱内气体压强几乎不变,对N₂O和NO的影响可忽略,因此计算时不考虑压强影响。

生长季累积N₂O或NO排放量采用公式（3）计算：

（3）$ CF=\sum_{i=1}^{n}\left(\frac{F_{i+1}+F_{i}}{2}\right) \times\left(t_{i+1}-t_{i}\right) \times 24 \times f$
式中,CF是累积N₂O或NO排放量（N₂O、NO：kg N·hm^-2）,F是第i次N₂O或NO排放通量（单位同上）,24是每小时排放量换算为每天排放量的转换系数,（t_i+1-t_i）是连续两次测定的间隔天数,n是观测的总次数,f是单位换算系数（10^-5）。

单位产量N₂O+NO累积排放量采用公式（4）计算：

（4） $Y-S_{\left(\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{NO}\right)}=\frac{C F \times 1000}{Y}$
式中,Y-S_(N2O+NO)是单位产量N₂O+NO累积排放量（Yield-scaled N₂O+NO intensity）（g·kg^-1）,CF是N₂O+NO总累积排放量（kg N·hm^-2）,Y是番茄产量（kg·hm^-2）,1000是单位换算系数。

土壤孔隙含水量（water-filled pore spaces,WFPS）（%）,如公式（5）：

（5）$WFPS=Q_{w} \frac{\rho}{1-\rho / 2.65}$
式中Q_w是土壤质量含水量（%）;ρ是土壤容重（g·cm^-3）;2.65是土壤密度（g·cm^-3）。采用DPS 7.05进行单因素完全随机分析和SPSS 21.0进行重复测量方差分析和Pearson相关分析, 利用LSD法进行差异显著性检验,Canoco 5.0进行冗余分析（RDA）。Origin9.3进行制图,图表中数据均为平均值±标准误。

2 结果

2.1 不同灌溉下限设施土壤N₂O排放特征

不同灌水下限番茄生长季土壤N₂O排放通量和累积量动态变化如图1所示。由图1-a可知,整个番茄生长季各处理土壤N₂O排放通量变化趋势基本一致,其变化范围为-34.46—1 671.78 μg N·m^-2·h^-1,在第47天出现负值,表现为N₂O的吸收。在定植后第2天,各处理N₂O排放表现为最大排放峰,W₄极显著高于其余处理,其他灌水下限之间差异不显著。随后各处理排放表现为降低的变化,在第一、二次追肥和番茄收获结束表现出三次排放次高峰。第一、二次追肥后,各处理N₂O排放均表现为W₃>W₁>W₂>W₄,W₃处理极显著高于其他处理（P<0.01）。第一次追肥后W₁极显著高于W₂和W₄处理,W₂与W₄处理间差异不显著;第二次施肥后W₁显著高于W₂与W₄处理,后二者间差异不显著。番茄收获结束前各处理N₂O排放表现为极显著差异,依次为：W₁>W₃>W₂>W₄（P<0.01）。由图1-b可知,整个生长季不同灌水下限累积N₂O排放量总体表现为W₄>W₃>W₁>W₂,W₄处理在整个生长季均明显高于其余处理。从定植后1—26 d及26—101 d排放累积量表现出分段的线性变化,为此分前期后期研究分段的线性斜率,其表征了单位时间内累积量的变化即排放速率大小,结果表明前期排放速率为第二阶段的3.88—6.95倍。各处理排放速率表现为,前期W₄处理速率最大,W₃和W₁接近,后期W₃处理最大,W₂处理在整个观测期均最小的变化特点。

图1

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图1不同灌溉下限N₂O排放通量和累积量动态变化（箭头表示施肥）

Fig. 1Dynamic of flux and cumulative of N₂O emissions under different irrigation regimes (Arrows for fertilization)

2.2 不同灌溉下限设施土壤NO排放特征

不同灌水下限番茄生长季土壤NO排放通量和累积量动态变化如图2所示。由图2-a可知,NO排放通量与N₂O表现出类似规律,其通量在6.83—269.89 μg N·m^-2·h^-1之间变化。番茄定植后20 d内,土壤NO的排放通量呈波动变化,最大峰值（269.89 μg N·m^-2·h^-1）为定植后13 d W₄处理,之后NO的排放通量维持在相对较低且稳定的排放水平。两次追肥后又出现阶段性峰值,分别为33.06和56.14 μg N·m^-2·h^-1,二者均显著低于定植初期NO的排放峰值。番茄生长期内,除W₃处理NO排放通量的变异为中等变异外,其余处理均为强变异（其变异系数大于1）。由图2-b可见,整个生长季不同灌水下限累积NO排放量总体表现为W₄>W₂≈W₃>W₁,W₄处理最高,其分段线性斜率最大。生长季前期和后期,均表现为随着灌水下限降低,其排放速率减小的变化特征,其前期速率为后期的3.61—6.87倍,后期W₁、W₂和W₃之间排放速率接近。

图2

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图2不同灌溉下限NO排放通量和累积量动态变化（箭头表示施肥）

Fig. 2Dynamic of flux and cumulative of NO emissions under different irrigation regimes (Arrows for fertilization)

2.3 灌溉下限对番茄产量及NO/N₂O排放比的特征

表3为不同灌水下限番茄产量及NO/N₂O排放比的特征。不同灌水下限番茄产量整体间差异达极显著水平,以W₂处理产量最高,分别比W₁、W₃和W₄高84.0%、32.4%和12.0%,除W₃和W₄之间为5%显著水平外,其余任意两个处理间均为1%极显著差异。W₄处理N₂O+NO总累积排放量最高,与其他处理存在极显著差异（P<0.01）,W₄处理分别比W₁、W₂、W₃高64.2%、78.3%、45.8%,W₂处理其总累积量最低且仅与W₁显著差异（P<0.05）,其余差异为极显著（P<0.01）。不同灌溉下限单位产量N₂O+NO累积排放量的变化表现为W₄处理最高,与W₁差异不显著,与其余处理差异极显著,以W₂处理最低。各处理NO/N₂O均小于1,且不同灌水下限间存在极显著差异（P<0.01）,表现为W₂>W₄>W₃>W₁处理的变化特征。

Table 3
表3
表3不同灌水下限番茄产量及土壤NO和N₂O的排放参数
Table 3Tomato yield and NO and N₂O emission indexes from soil under different irrigation regimes

处理 Treatment	番茄产量 Tomato yield (×103 kg·hm-2)	N2O+NO总累积排放量 N2O+NO total cumulative emissions (kg N·hm-2)	单位产量N2O+NO排放 Yield-scaled N2O+NO (×10-3g·kg-1)	NO/N2O
W1	40.38±1.04dC	1.90±0.01cC	47.01±1.49aA	0.49±0.01dD
W2	74.31±1.55aA	1.75±0.03dC	23.60±0.65cC	0.89±0.01aA
W3	56.13±2.81cB	2.14±0.04bB	38.32±1.54bB	0.65±0.01cC
W4	66.34±2.91bAB	3.12±0.04aA	47.15±1.83aA	0.74±0.01bB

平均值±标准误,同一列不同小、大写字母分别表示处理间差异显著和极显著（P<0.05和P<0.01）
Means ± standard error, different lowercase and uppercase letters in the same column show significance at 5% and 1% level, respectively

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2.4 不同灌溉下限设施土壤N₂O和NO排放的影响因素

2.4.1 土壤孔隙含水量（WFPS）的动态变化 图3为不同灌水下限WFPS的动态变化,整个番茄生长季在30%—92%范围变化。定植初始土壤水分统一控制,土壤孔隙含水量接近饱和,各处理WFPS均较高且差异较小。在第14天开始水分处理以后,各处理随灌溉和水分消耗呈起伏变化,W₁和W₂处理的WFPS以50%—75%居多,而W₃和W₄处理的WFPS以30%—50%变化为主。不同灌溉下限平均WFPS表现为随灌水下限增加而降低,W₁处理最高。与W₁处理相比,W₂、W₃和W₄处理分别降低10.1%、23.5%和26.8%,且W₃和W₄差异不显著。生长季各处理WFPS的变异表现为随灌水下限增加而增加的特点,均为中等变异（0.1<C.V.<1）。

图3

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图3不同灌水下限土壤孔隙含水量（WFPS）的动态变化

Fig. 3Dynamic changes of soil water filled pore space under different irrigation regimes



2.4.2 设施土壤无机氮和可溶性有机氮含量变化 不同灌水下限土壤无机氮和可溶性有机氮含量如图4所示,总体上土壤无机氮和可溶性有机氮含量从高到低依次为硝态氮、可溶性有机氮、铵态氮及亚硝态氮。土壤硝态氮和可溶性有机氮作为土壤可溶性氮的主要成分,在番茄生长季波动较为频繁。土壤亚硝态氮在定植初期达到峰值（4.3 mg·kg^-1）,随后逐渐降低,土壤铵态氮与气体排放规律相似。考虑到尿素转化,对各处理基肥和追肥后10—13 d及收获结束后4次土壤无机氮和可溶性有机氮进行重复测量方差分析,结果表明除灌水下限和观测时间交互对亚硝态氮含量差异不显著外,灌水下限、观测时间及二者交互作用对土壤无机氮和可溶性有机氮均有极显著影响（P<0.01）。不同灌水下限亚硝态氮含量表现为随灌水下限增加而降低,W₁极显著地高于W₃和W₄,W₁和W₂差异显著。灌水下限对铵态氮含量表现为W₂>W₁>W₄>W₃,仅W₁、W₂和W₃差异显著。灌水下限对硝态氮含量表现为W₄>W₃>W₂>W₁,各水平之间差异极显著。灌水下限对可溶性有机氮含量表现为W₃>W₄>W₁>W₂处理,除W₁和W₄差异显著,其余均为极显著差异。

图4

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图4不同灌水下限土壤无机氮和可溶性有机氮含量

Fig. 4The soil inorganic nitrogen and soluble organic nitrogen content under different irrigation regimes

2.5 设施土壤N₂O、NO排放量与各影响因素间关系

对不同灌溉下限设施土壤N₂O、NO排放通量、无机氮、可溶性有机氮及WFPS进行相关分析,如表4所示。结果表明,N₂O、NO、铵态氮、亚硝态氮和WFPS各指标间任意二者均呈极显著正相关（P<0.01）。可溶性总氮与硝态氮和可溶性有机氮呈极显著正相关（P<0.01）。WFPS与STN、SON和硝态氮均为极显著负相关（P<0.01）。

Table 4
表4
表4不同灌溉下限土壤N₂O、NO与无机氮、可溶性有机氮及孔隙含水量的相关分析
Table 4Correlation analysis of soil N₂O, NO, inorganic nitrogen, soluble organic nitrogen and WFPS under different irrigation regimes

项目 Item	N2O	NO	铵态氮 NH4+-N	硝态氮 NO3--N	亚硝态氮 NO2--N	可溶性总氮STN	可溶性有机氮SON	WFPS
N2O	1	0.696**	0.619**	-0.036ns	0.884**	-0.050ns	-0.093ns	0.415**
NO		1	0.509**	-0.051ns	0.622**	-0.136ns	-0.168ns	0.435**
NH4+-N			1	0.213ns	0.577**	0.119ns	-0.146ns	0.319**
NO3--N				1	-0.086ns	0.696**	0.008ns	-0.472**
NO2--N					1	-0.168ns	-0.189ns	0.474**
STN						1	0.688**	-0.602**
SON							1	-0.399**
WFPS								1

* 表示显著相关(P<0.05);**表示极显著相关(P<0.01); ns表示无显著差异,n=68
Asterisks indicated 0.05 level significances (*P<0.05) and 0.01 level significances (**P<0.01); ns indicated no significant difference; n=68

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图5为土壤无机氮、可溶性有机氮、WFPS与两种气体排放量的冗余分析（RDA）,用以阐明各因子对N₂O和NO排放的影响程度。由图5可见,土壤无机氮和可溶性有机氮含量及WFPS对土壤N₂O和NO排放的变异程度在第一轴（Axis 1）和第二轴（Axis 2）的解释量分别达到60.83%和3.2%,即前两轴累计解释N₂O和NO排放量变异的64.03%,且主要以第一轴主导,N₂O和NO在第一轴上具有相似的载荷。蒙特卡洛检验表明,第一轴（F=306.0,P=0.002）和所有轴的总和（F=58.5,P=0.02）差异极显著。蒙特卡洛检验排序后表明,影响气体排放的影响程度由大到小依次为亚硝态氮、铵态氮和WFPS。亚硝态氮、铵态氮和WFPS均与N₂O、NO呈极显著正相关（P<0.01）,对土壤N₂O和NO排放差异性大小的解释率分别为55%、32.5%和20.7%,这与Pearson相关分析结果基本一致。

图5

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图5土壤N₂O和NO与其影响因素的冗余分析

Fig. 5Redundancy analysis of soil N₂O and NO and its influencing factor

3 讨论

3.1 灌水下限对设施土壤N₂O和NO排放的影响

土壤含水量调节着土壤通气性及含氧量的动态变化,进而调控着土壤微生物的硝化和反硝化过程^[26],当土壤含水量较高时,O₂含量快速下降导致反硝化产生的N₂O和NO的大量排放^[27]。本研究中,N₂O和NO峰值出现在基肥施用后1—2 d,这与已有研究结果一致^[28,29]。定植后基肥施入大量的氮肥和有机肥,为微生物活动提供了充足的营养条件。同时,充足的缓苗水灌溉使得此时期土壤含水量较高（WFPS接近饱和）,从而有利于土壤的硝化-反硝化作用。W₄处理累积N₂O和NO排放量最高,与其他3个处理存在极显著差异。这可能是W₄处理灌水下限较高,总灌水量较其他处理分别降低7%—29%,灌水时间间隔较大,单次灌水量大,导致W₄处理存在明显的干湿交替过程。与其他常处于湿润的土壤相比,频繁地干湿交替促进了土壤中硝化作用和反硝化作用交替循环进行^[30],这与ZHOU等^[31]的研究结果一致。W₁处理累积NO排放最低,极显著低于W₂和W₃处理（P<0.01）,这是因为NO主要源于自养和异养硝化细菌参与的硝化过程^[32],而W₁处理灌水充足,土壤长期处于湿润状态,土壤可能以反硝化作用为主。上述结果与ABALOS等^[33]研究结果一致,与低频灌水相比,高频灌水可以减少NO的排放。W₂处理的单位产量N₂O+NO排放量极显著低于其他处理（P<0.01）,在保证产量的同时减少了N₂O和NO的排放。整个番茄生长季累积N₂O排放量高于NO,各处理NO/N₂O均小于1,其表明N₂O和NO可能以反硝化排放为主^[34,35]。

3.2 设施土壤NO、N₂O排放与土壤可溶性总氮、WFPS的关系

土壤的氮素形态和WFPS是影响N₂O和NO的重要因素^[36]。如表4和图5所示,本研究WFPS与N₂O和NO呈极显著正相关（P<0.01）,这与陈慧等研究基本一致^[37]。前人研究表明,在土壤由干变湿过程中,WFPS低于一定阈值时,土壤N₂O通量随土壤WFPS的增加呈指数增长,当WFPS大于60%时达到最大,而后随土壤WFPS的减少而下降^[38]。LIU等^[39]研究发现土壤WFPS在35%—55%时有利于NO和N₂O同时产生。本研究开始水分控制后,W₁和W₂处理的WFPS多处于50%—75%,W₃和W₄处理的WFPS多处于30%—50%。W₃和W₄处理较W₁和W₂处理土壤具有充足的氧气,土壤处于有氧条件,微生物活动旺盛,且土壤WFPS<60%,N₂O和NO随土壤WFPS的增加而升高。铵态氮和硝态氮作为硝化和反硝化作用的底物,直接影响N₂O和NO的产生,本研究W₄处理表层土壤平均NO₃^--N含量高于其余3个处理,表现为W₃和W₄处理的N₂O排放量高于W₁和W₂处理。同时,W₁和W₂分别是W₃和W₄两个处理平均总灌水量的1.35和1.16倍,这可能与灌水量越多引起土壤氮素向下淋溶损失增多^[40],而以气态形式损失减少有关。此外,W₄和W₃的高累积排放量还可能和N₂O和NO产生的途径有关。WOLF等^[41]研究发现土壤硝化和反硝化作用可以同时发生,这两个过程的贡献主要受含水量的影响。颜青等^[42]表明N₂O的产生途径除生物学硝化和反硝化过程外,还可能通过高氮还原和羟胺分解的化学反硝化过程产生。相关分析表明,铵态氮、亚硝态氮含量均与N₂O和NO排放存在极显著正相关（P<0.01）,而硝态氮与N₂O和NO排放无相关性。冗余分析也表明,亚硝态氮和铵态氮是解释N₂O和NO变异的主要因子,这均表明土壤N₂O和NO排放以硝化作用为主。土壤亚硝态氮含量较低,这与亚硝态氮作为硝化作用中氨氧化过程的中间产物,在有氧的条件下易转化为NO₃^--N^[43],而在厌氧条件下转化为NO进一步产生N₂O有关^[44],因此其不易在土壤中积累^[45]。

4 结论

4.1 番茄生长季土壤N₂O和NO排放高峰同步,且集中出现在施肥和灌溉后,表现为N₂O高于NO排放量,其累积排放量分别为灌水下限35 kPa和25 kPa处理最低,NO+N₂O累积排放量以35 kPa处理最低。

4.2 NO₂^--N、NH₄⁺-N和WFPS对不同灌水下限处理土壤N₂O和NO排放差异的影响效应依次递减,三者均与 N₂O和NO排放呈极显著正相关。

4.3 番茄生长季灌水下限35 kPa处理比其他灌水下限处理增产12%—84%,且单位产量N₂O+NO排放量最低。综合考虑N₂O、NO减排及番茄增产效果,灌水下限35 kPa为最适宜的水分管理措施。

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