水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析

雷宏军，杨宏光，刘 欢，潘红卫，刘 鑫，臧 明



水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析

雷宏军，杨宏光，刘 欢，潘红卫，刘 鑫，臧 明

（华北水利水电大学水利学院/水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，郑州 450046）

为了解水肥气耦合滴灌下不同水肥气调控措施对土壤N2O排放的影响，该研究设置施氮量（低氮和常氮）、掺气量（不掺气和循环曝气处理）和灌水量（低湿度和高湿度处理）3因素2水平完全随机试验，通过静态箱-气相色谱法、qPCR技术和结构方程模型，系统研究了不同水肥气组合方案下温室番茄地土壤N2O排放特征及其与相关影响因素之间的关系。结果表明，水肥气耦合滴灌下N2O排放峰值出现在施氮后2 d内，其余时期N2O排放通量较低且变幅较小。施氮量、掺气量和灌水量的增加可增加土壤N2O排放通量和排放总量。其中，高湿度条件下N2O排放总量较低湿度平均增加了30.14%，曝气条件下N2O排放总量较对照平均增加了35.16%，常氮条件下N2O排放总量较低氮平均增加了33.83%。施氮量、掺气量和灌水量的增加可提高温室番茄的产量和氮肥偏生产力。土壤NH4+-N和NO3--N含量对N2O排放的总效应为0.60和0.79，是影响水肥气耦合滴灌下土壤N2O排放的主导因子。综合考虑作物产量、N2O排放总量和氮肥偏生产力，常氮曝气低湿度处理是适宜的水肥气耦合滴灌方案。

肥料；灌溉；排放控制；N2O排放；影响因素；结构方程模型

0 引 言

氧化亚氮（nitrous oxide，N2O）是大气中重要的温室气体，因增温效应巨大、滞留大气时间长、破坏大气臭氧层，受到各国学者的关注[1]。农业N2O排放量约占全球人为排放量的70%[2]，中国80%人为排放的N2O排放来源于农田土壤[3]。设施菜地因具有氮肥用量大、复种指数高及灌溉频繁等特点，导致N2O大量排放[4]。灌溉施肥是影响农田水分、氮素和氧气含量以及土壤N2O排放的重要措施[5]。水肥气耦合滴灌是在水肥耦合和曝气灌溉基础上发展而来的一种新型灌溉技术，可提高土壤氧气含量，缓解根区缺氧状况，增大土壤呼吸，适时适量地补充土壤水分养分，促进植株生长，提高产量及水肥利用效率[6]。

土壤N2O排放主要受土壤微生物所驱动的硝化作用和反硝化作用控制[7]。农田硝化和反硝化作用受到土壤微生物、土壤水分、养分和氧气含量等诸多因素的影响，而土壤水分、氮素和氧气含量不仅影响着微生物种类和数量，还影响N2O的排放[8]。目前关于农田土壤N2O排放特征及影响因素的研究已有诸多报道，如宋亚娜等[9]发现施氮量的增加促进了稻田N2O的排放及细菌群落多样性的增加；郑欠等[10]发现土壤含水量增大增加了N2O排放；陈慧等[11]研究表明，加气灌溉促进了土壤N2O排放。上述研究揭示了水、肥、气等调控下农田N2O的排放特征，但水肥气耦合滴灌条件下土壤N2O排放特征、作用机制及适宜的调控参数尚不清楚，有待进一步研究。

研究表明，土壤化学特性和微生物群落结构是决定土壤N2O排放的内在驱动因素[12]，因此，从土壤环境因子、硝化反硝化微生物对农业措施的响应关系入手揭示水肥气耦合滴灌条件下土壤N2O排放的作用机制有重要意义。本研究设置了施氮量、掺气量和灌水量3因素2水平组合方案试验，系统研究了水肥气耦合滴灌对土壤微生物、土壤理化指标响应及农田土壤N2O排放的影响，并分析了水肥气耦合滴灌下土壤N2O排放的主导影响因素及其作用机制，为设施菜地土壤N2O减排调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验场地概况

试验于2017年9月27日－2018年1月28日在华北水利水电大学农业高效用水实验场现代化温室中进行（34°47′5.91″N，113°47′20.15″E）。该地属温带季风气候，多年平均气温14.3 ℃，7月份最热，月平均气温27.3 ℃，1月份最冷，月平均气温0.1 ℃，无霜期200 d，全年日照时数约2 400 h。作物生育期平均气温和相对湿度动态列于图1。

图1 温室番茄生育期平均气温和相对湿度（RH）动态

1.2 试验材料

试验中供试土壤的砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）、黏粒（<0.002 mm）质量分数分别为32.99%、34.03%和32.98%，为黏土。土层0～10、>10～20、>20～30和>30～40 cm的土壤容重分别为1.26、1.48、1.50、1.55 g/cm3。剖面土壤质地均匀，表层土壤pH值6.5，有机质质量分数13.62 g/kg，土壤全氮、全磷和全钾质量分数分别为0.81、0.79和30.38 g/kg，田间持水率（质量含水率）28.0%。供试番茄品种为“金鹏8号”。

1.3 试验设计

试验设置施氮量、掺气量、灌水量3因素2水平完全随机设计，共8个处理，4次重复。试验设计列于表1。

表1 试验设计

注：N1、N2分别为低氮和常氮用量，C、A分别为对照和曝气处理，W1、W2分别为低湿度和高湿度灌溉处理，下同。

Note: N1, N2are the low and normal nitrogen application rate. C, A are the non-aerated and continuous aerated treatment. W1, W2are the watering amount with low and high soil humidity management, the same as below.

试验中共32个小区，每个小区长2 m，宽1 m。于小区内起垄进行番茄种植，垄高10 cm，每垄移植5株，株距33 cm。研究中利用水肥气耦合滴灌装置进行曝气，采用非压力补偿型滴灌带进行输水，型号为JOHN DEERE，直径16 mm，壁厚0.6 mm，滴头设计流量1.2 L/h，滴头间距33 cm，埋深15 cm。植株距滴头10 cm，平行于滴灌带种植。

1.4 试验管理

番茄于4叶1心至5叶1心进行移植。移植当天浇透底水，移植后10 d覆膜，株高30～40 cm时进行吊蔓，三穗果时打顶。番茄全生育期共计124 d，生育期划分详见表2。

表2 番茄生育期划分

供试肥料为高钾型水溶性肥，硝态氮、铵态氮、脲态氮、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的质量分数分别为7%、1%、7%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施乐多，中国康拓肥料有限公司）。番茄移栽前未施基肥，于番茄移栽后的44和65 d进行追肥，施肥比例为1:1。利用施肥器将水溶肥掺入水流，在储水罐中循环混匀后进行施肥。对照地下滴灌处理利用首部供水装置进行供水；曝气地下滴灌处理利用文丘里空气射流器（Mazzei air injector 684，美国Mazzei Corp公司）进行曝气：当水流经过文丘里空气射流器时，因涌流而致横截面积变小流速上升，因而压力减小产生负压，吸入承压罐体上方的空气，进行曝气。试验中利用储水管路、循环泵、文丘里空气射流器等设备制得掺气比率约为15%的掺气水（曝气20 min），通过地下滴灌系统进行灌水[13]。各小区供水系统独立，供水压力为0.10 MPa，采用滴水计量器计量灌水量。试验中灌水下限根据距离植株径向10 cm、纵向10 cm埋深处的张力计（12型分体式张力计，中国农业科学院农田灌溉研究所）确定：当土壤基质势下降至−30 kPa时开始灌溉。灌水量根据式（1）计算[11]

式中为各处理每次的灌水量，mm；为小区控制面积，2 m2；E为1个灌水周期内蒸发皿（型号为601）的蒸发量，mm；K为蒸发皿系数，取值0.6和0.9，分别表示低湿度处理W1，高湿度处理W2[14]。灌溉时间及灌水量见表3。

1.5 样品采集与测定方法

1.5.1气体N2O样品采集与分析

试验中利用静态箱采集气体样品，箱体及底座均采用壁厚6 mm的圆柱形中空PVC管制成，内径15 cm，高度10 cm。随机选择2株番茄间进行静态箱底座的埋设，每个处理随机选择3个小区进行气体的监测。埋设时将静态箱底座的一半嵌入土壤，非采气时间用圆形地膜遮盖，采气时间移去地膜，盖上箱体并用橡皮圈密封。研究中分别于移植后35、36、43、47、48、57、61、66、67、69、74、82、89、95 d进行采气。采样时间分别于盖上箱体的0、10、20和30 min利用带三通阀的50 mL注射器进行气体采集，每次取气35 mL，其中5 mL用于润洗，其余30 mL注入12 mL具塞样品瓶中。采集的气体样品1周内利用气相色谱仪（GC-2010Plus，日本岛津公司）分析N2O浓度。去除奇异点，保证样品浓度值与时间的线性回归决定系数2≥0.85。气体采集的同时，利用安插在箱体内的温度计测量箱内温度。依据公式（2）计算土壤N2O排放通量[15]。

式中为土壤N2O排放通量，mg/(m2·h)；为标准状态下气体密度，g/cm3；为箱体高度，m；d/d为气体浓度变化率，mg/(m3·h)；为箱体内气温，℃。

表3 作物生育期内灌水量

温室番茄地土壤N2O累积排放量依据式（3）计算

式中N2OTot表示作物生育期内土壤N2O排放总量，g/hm2；表示生育期气样采集次序；为生育期内气体采集的总次数；为N2O排放通量，mg/(m2·h)；为移植天数，d；10为单位换算系数。

分批收获番茄果实，利用精度为0.01 g的天平测定番茄产量。单位产量N2O累积排放量见式（4）[15]

氮肥偏生产力依据式（5）计算[16]

式中PFPN为氮肥偏生产力（nitrogen partial factor productivity），kg/kg；为不同处理小区施氮量，kg/hm2。

1.5.2 土壤物理、化学指标的测定

土壤N2O排放通量主要由表层土扩散排放，土层较深时，气体扩散受阻。因此土壤矿质氮选取0～10 cm土层测定，土壤温度选择土深10 cm处测定[17]。利用氧化还原电位测量仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定土壤氧化还原电位（oxidation-reduction potential，Eh）和氧气扩散速率（oxygen diffusion rate，ODR）。预试验研究表明，探头20 cm时，不同处理的Eh和ODR差异显著，而探头低于20 cm时，两者无显著差异，故研究中选择20 cm进行Eh和ODR探头的埋设。利用土壤湿度记录仪（FDS-100，邯郸市清胜电子科技有限公司）测定土深10 cm处土壤湿度。FDS-100水分传感器埋设于布设静态箱的相邻2株作物中间。土壤充水孔隙度依据式（6）计算[15]。

式中WFPS为充水孔隙度（water-filled pore space），%；θ为土壤质量含水率，%；ρ为土壤容重，g/cm3；ρ为土粒密度，取值2.65 g/cm3。

试验中于施肥前后及生育期末进行土壤样品的采集，采集时间为移植后36、47、61、66和120 d。测定矿质氮的取土深度为0～10 cm，每个小区各设1个取土位置，取土位置为未布设静态箱的相邻2株作物中央，取土后将取土造成的坑洞填平。取样后将样品立即放于4 ℃冰箱保存1～3 d后待测[18]。利用2 mol/L KCL溶液浸提土样，土壤硝态氮利用紫外分光光度法测定，土壤铵态氮利用靛酚蓝比色法测定。土壤矿质氮质量分数根据式（7）计算[15]。

式中为矿质氮（硝态氮、铵态氮）质量分数，mg/kg；为样品矿质氮浓度，mg/L；为样品提取液体积，0.05 L；为样品质量，5.00 g。

1.5.3 土壤硝化与反硝化微生物DNA提取和qPCR分析

番茄果实膨大期土壤N2O排放通量较大，因此在果实膨大期（移植后77 d）采集土壤样品（0～10 cm）[11]，测定微生物取土位置为每个小区中部未布设静态箱的相邻2株作物中央处。土样经液氮冷冻后，置于冷冻干燥机（Neocoole，日本雅马拓科技公司）干燥，于无菌碾钵中碾磨成粉末状，去除动植物残体等杂质，装入无菌离心管，置于−70 ℃冰箱保存。硝化反应中铵态氮通过亚硝酸盐转化为硝态氮，其中由铵态氮氧化成亚硝酸盐是硝化反应的限速步骤，由氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）催化完成[19]。硝酸盐还原酶控制着反硝化作用的第一步，硝酸盐还原酶基因（nitrite reductase，）是对应的编码基因；氧化亚氮还原酶控制着反硝化作用的最后一步，氧化亚氮还原酶基因（nitrous oxide reductase，Z）是编码此酶的唯一基因[19-20]。依据文献[19]方法测定AOA、AOB和Z，依据文献[21]方法测定。

1.6 数据处理

使用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和绘图；用SPSS 18.0对试验数据进行方差分析；利用AMOS 22.0进行结构方程模型分析。

2 结果与分析

2.1 水肥气耦合滴灌下N2O排放特征

图2列出了不同处理下番茄地土壤N2O排放动态，施肥后土壤N2O排放通量出现短暂峰值，其余时期各处理N2O排放通量较低。

注：↓代表灌水事件，下同。

Note: ↓ represents irrigation events, same as below.

图2 不同处理下番茄地土壤N2O排放动态

Fig.2 Nitrous oxide emission flux from greenhouse tomato field soil under different treatments

土壤N2O排放通量主峰值最大为163.69g/(m2·h)（N2AW2处理），较处理N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分别高188.78%、111.27%、106.93%、45.45%、87.24%、55.37%、59.50%。试验加密监测了第二次灌水施肥周期内土壤N2O排放动态。施肥后各处理土壤N2O排放通量峰值出现时间略有差异。低湿度处理N2O排放通量峰值出现在灌水后1 d，其余处理出现在灌水后2 d。施氮量、掺气量和灌水量的增加均导致N2O排放通量峰值提高和排放峰出现时间延后。不同处理土壤N2O排放通量次峰值最大值为132.69g/(m2·h)（N2AW2），较N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分别高165.24%、96.27%、97.45%、86.67%、79.41%、10.48%和45.50%。

番茄不同生育阶段土壤N2O排放量见表4。

表4 温室番茄不同生育阶段土壤N2O排放量

注：同列数据后不同小写字母表示=0.05水平存在显著性差异，*和**分别表示=0.05和=0.01水平存在显著性差异，ns表示=0.05水平不存在显著性差异，下同。

Note The different letters at same column indicate significant differences at the level of=0.05, * and ** respectively indicate that there is a significant difference at=0.05 and=0.01 levels, while ns indicates that there is no significant difference at=0.05 level, the same as below.

表4列出了番茄不同生育阶段土壤N2O排放量。由于N2O的排放总量和排放峰值与施肥密切相关。已有研究表明N2O的排放峰值和总量与施肥密切相关，峰值均出现在施肥后且具有较大占比[22-23]，因此本研究在番茄移栽前和苗期均未进行施肥，苗期N2O排放量对全生育期排放总量的影响较小。施氮量增大增加了土壤N2O排放总量，N2水平下，处理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的N2O排放总量较N1水平下各相应处理分别增大47.86%、27.71%、32.47%和32.25%（<0.05），故N2条件下N2O排放总量较N1平均增加33.83%；掺气处理增加了土壤N2O排放总量，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的N2O排放总量较相应的不掺气对照处理增加了49.35%和33.74%（<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的N2O排放总量较相应的不掺气对照处理增加了29.00%和33.50%（<0.05），故曝气条件下N2O排放总量较不掺气对照平均增加35.16%；灌水量的增加增大了土壤N2O排放总量，W2水平下处理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的N2O排放总量较W1水平下各相应处理增加了40.90%、26.17%、26.24%和30.64%（<0.05），故W2条件下N2O排放总量较W1平均增加30.14%。由土壤N2O排放总量的交互作用分析知：灌水量、掺气量和施氮量的3因素交互作用和两两交互作用都不显著。综上，就土壤N2O排放总量而言，掺气量对土壤N2O排放总量的影响高于施氮量。不同处理土壤N2O阶段排放量表现为番茄成熟期最小；开花坐果期次之；果实膨大期最大，远远高于其余2个生育阶段。

不同水肥气组合方案下单位产量N2O累积排放定额及氮肥偏生产力见表5。表5表明，施氮量的增加提高了作物产量，N2水平下处理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的产量较N1水平下各相应处理分别增加35.24%、44.98%、38.87%和44.39%（<0.05）；曝气处理提高了番茄产量，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的产量较相应对照处理增加了19.79%和19.34%（<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的产量较相应对照处理增加了28.42%和24.08%（<0.05）；灌水量的增多提高了番茄产量，W2水平下处理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的番茄产量较W1水平下各相应处理增加了40.66%、40.13%、44.43%和39.55%（<0.05）。

表5 水肥气耦合滴灌番茄地单位产量N2O排放定额及氮肥偏生产力

单位产量N2O排放定额最小为20.29 mg/kg（N2CW1），较N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW2、N2AW1、N2CW1和N2AW2减小12.13%、28.76%、18.37%、37.11%、19.26%、12.23%和27.88%。曝气处理增加了单位产量N2O排放定额，N1AW1处理单位产量N2O排放定额较N1CW1处理增加24.36%（<0.05）。曝气处理提高了番茄氮肥偏生产力，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的氮肥偏生产力较相应对照处理增加了19.78%和19.34%（<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的氮肥偏生产力较相应对照处理增加了28.42%和24.08%（<0.05）。

2.2 土壤物理化学因子分析

土壤湿度、温度、氧化还原电位（Eh）、氧气扩散速率（ODR）、NO3--N、NH4+-N的动态变化如图3所示。经预试验研究，不同施氮水平对土壤充水孔隙度、土壤温度、氧化还原电位和氧扩散速率无显著影响，故试验中仅选择N2施肥水平进行测定。图3a显示，不同处理土壤充水孔隙度变化趋势基本一致，灌水后土壤充水孔隙度迅速上升至峰值，峰值时高湿度处理土壤充水孔隙度高于低湿度处理，之后随着时间的推移2种灌水量的土壤充水孔隙度逐渐接近。低湿度处理下，曝气灌溉处理土壤充水孔隙度平均值较对照处理平均降低了1.34%；高湿度处理下，曝气灌溉处理土壤充水孔隙度平均值较对照处理平均降低了7.45%。不掺气处理下，高湿度处理土壤充水孔隙度均值较低湿度处理平均增大了12.63%；曝气灌溉下，高湿度处理土壤充水孔隙度均值较低湿度处理平均增大了6.12%。

整个生育期土壤温度在13.0～25.7 ℃范围内波动，不同处理土壤温度变化幅度较小（图3 b）。一个灌水周期内氧化还原电位呈现灌水后先下降后上升的趋势，上升和下降阶段均持续1 d左右，其余时间各处理氧化还原电位波动较小（图3c）。低湿度处理下，曝气处理Eh平均值较对照处理平均增大了3.22%；高湿度处理下，曝气处理Eh平均值较对照处理平均增大了36.41%。对照灌溉处理下，高湿度处理Eh平均值较低湿度处理平均降低了7.91 %；曝气灌溉处理下，高湿度处理Eh平均值较低湿度处理平均增大了23.29%。

ODR与Eh的变化趋势基本一致，但灌水后氧气扩散速率上升和下降阶段持续时间较长（图3d）。低湿度处理下，曝气灌溉处理ODR平均值较对照灌溉处理平均增大了7.70%；高湿度处理下，曝气灌溉处理ODR平均值较对照处理平均增大了29.23%。不掺气处理下，高湿度处理ODR平均值较低湿度处理平均降低了5.81%；曝气灌溉处理下，高湿度处理ODR平均值较低湿度处理平均增大了12.60%。

番茄生长季内，土壤铵态氮质量分数均较低，在0.57～4.45 mg/kg范围内变化。土壤无机氮中硝态氮占比较大，且不同灌水量处理土壤硝态氮含量与施肥及N2O排放有关，低湿度处理土壤硝态氮含量及N2O排放均低于高湿度处理（<0.05），施肥后土壤硝态氮含量明显提升（图3e）。全生育期土壤铵态氮含量变化趋势与硝态氮一致，但土壤氨态氮所占比率较小（图3f）。

2.3 番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度

温室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度见表6。增加灌水量，N2CW2处理温室番茄地AOB基因丰度呈上升趋势，增大81.80%（<0.05）；处理N2AW2温室番茄地Z基因丰度差异不显著；与对应不掺气对照相比，曝气灌溉N2AW1处理增温室番茄地AOA数量差异不显著。

图3 温室番茄地土壤湿度（WFPS）、温度、氧气扩散速率、氧化还原电位(Eh)、硝态氮和铵态氮动态

表6 温室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度

注：AOA为氨氧化古菌；AOB为氨氧化细菌；为硝酸盐还原酶基因；为氧化亚氮还原酶基因。

Note: AOA is ammonia-oxidizing archaea; AOB is ammonia- oxidizing bacteria;isnitrite reductase;is nitrous oxide reductase.

2.4 结构方程模型分析

图4给出了土壤N2O排放影响因素的结构方程模型分析结果。

注：WFPSODR、NH4+、NO3-、T分别表示土壤充水孔隙度、氧气扩散速率、铵态氮含量、硝态氮含量和土壤温度。

Note: WFPSODR, NH4+, NO3-,Trepresent water filling porosity, oxygen diffusion rate, ammonium nitrogen content, nitrate nitrogen content, and temperature in soil, respectively.

图4 土壤水肥气热对番茄地土壤N2O排放通量影响的结构方程模型

Fig.4 Structural equation model analysis on influencing factors of soil water, fertilizer, air, and temperature on N2O emission from greenhouse tomato field soil

对土壤N2O排放的影响因素而言，WFPS对N2O排放的总效应为-0.03，ODR对N2O排放的总效应为-0.08，NH4+含量对N2O排放的总效应为0.60，NO3-含量对N2O排放的总效应为0.79，T对N2O排放的总效应为0.02。结果表明，土壤硝态氮和铵态氮是影响温室番茄地土壤N2O排放的主要因素。

3 讨 论

3.1 施氮量、掺气量和灌水量对土壤N2O排放的影响

试验证明施氮量的增加显著增大了土壤N2O排放，这与周龙等[24]研究结论一致。土壤中N2O的产生是在微生物作用下通过硝化作用和反硝化作用完成，其中硝化作用和反硝化作用的底物分别为铵态氮和硝态氮[8]。研究表明施氮不仅为硝化作用和反硝化作用提供充足的底物，同时增加了土壤AOA和AOB基因拷贝数，硝化反应强度增强，土壤N2O排放潜力得到释放[25]。施氮为土壤硝化反应和反硝化反应提供了充足的底物，故施氮后土壤N2O排放通量迅速增大并出现峰值。施氮后大部分矿质氮以无机氮的形态残留于土壤剖面中，矿质氮一部分通过淋溶、NH3挥发、NOx排放等途径损失，一部分被作物吸收利用[26]，土壤硝态氮含量逐渐降低，底物浓度下降造成土壤N2O排放下降[24]。另外，随着蒸腾蒸发作用的进行土壤湿度逐渐下降，也降低了土壤N2O排放，故土壤N2O排放通量出现短暂峰值后迅速下降。试验中滴灌灌水频繁造成灌水对土壤湿度和通气状况的影响持续时间较长，灌水量和掺气量对全生育期土壤N2O排放影响积累，造成灌水量和掺气量对土壤N2O排放总量的影响较大。

水肥气耦合滴灌下掺气量和灌水量的改变影响着土壤通气状况和水分含量。土壤通气状况由水分含量、O2在土壤中扩散的难易程度以及微生物和根系对O2消耗的多寡决定，土壤通气状况与水分含量息息相关[8]。水分影响着土壤通气状况并进一步影响到氧气的有效性和土壤中N2O从产生部位向大气扩散[27]。前人研究发现，在土壤由干变湿过程中，土壤N2O通量随土壤WFPS的增加而上升，在WFPS为70%时达到最大，而后随土壤WFPS的减少而下降[28]，试验中高湿度量处理土壤WPFS处于60%～80%的持续时间更长，因此高湿度量增大了生育期N2O排放总量。当土壤含水量较低时，N2O产生主要来源于硝化过程[29]。曝气滴灌处理的灌溉水流中掺气量大，局部湿润区域内氧气含量高，从而导致土壤铵氮氧化酶活性增大，硝化反应增强，增加了N2O排放。当土壤含水量过高时，土壤中极度缺氧，铵氮氧化酶活性受到抑制，N2O还原酶活性较高，有利于反硝化作用并最终产生N2，但不利于产生中间产物N2O[30]。

3.2 施氮量、掺气量和灌水量对土壤理化特性及微生物的影响

氮肥用量是影响农作物产量的重要因素[24]，施肥后土壤养分状况得到改善。在适宜的时间施肥可以促进氮素由营养器官向生殖器官转移，提高产量[31]。施肥也影响着微生物种群和数量。董艳等[32]研究表明根际微生物数量随施氮量的增加呈现先增大后减小的变化趋势。试验中未测定不同施氮水平下微生物数量，今后仍需进一步研究。

灌水量影响土壤水分状况，适宜的水分状况是微生物生长的基础。Yang等[33]研究表明土壤由干变湿过程中土壤微生物数量增长。灌溉过程中灌溉水逐渐进入土壤孔隙，土壤充水孔隙度持续增大。由于滴灌具有灌水周期短、单次灌水量少的特点，灌水后湿润区整体含水量不至过高，微生物生长的水分环境得到改善，微生物种类和数量增大[34]。灌溉后土壤水分一部分经蒸发、扩散和入渗损失掉，一部分被作物吸收利用，土壤充水孔隙度逐渐降低，微生物生长的水分环境恶化，好氧微生物的繁殖受到抑制，一定程度上造成了灌水周期内土壤N2O排放呈现单峰型曲线。

前人研究证实，曝气灌溉通过向根区输送高掺气比的灌溉水，可有效改善根际土壤通气性[6]。试验中由于灌溉水体驱替土壤孔隙中的空气，导致土壤孔隙中的氧气含量降低，氧化还原能力降低，故Eh和ODR降低。灌水后土壤中的水分经各种途径损失，氧气进入土壤孔隙，此时Eh和ODR呈现上升趋势。上述过程中由于曝气灌溉水中掺气量较大，表现为曝气滴灌处理Eh和ODR值略高于对照处理。根际土壤通气性的改善可促进与硝化作用相关的亚硝化螺菌属，磷、钾代谢相关的假单胞菌属、芽孢杆菌，抑制与反硝化相关的罗尔斯通菌属，有效增加深层土壤的细菌丰度，促进硝化螺旋菌等好氧菌的生长[12]。

3.3 土壤N2O排放与环境因子之间的关系

施氮后土壤氮素在短期内通过微生物的硝化和反硝化作用以N2O的形式损失[35]，故试验中氮素含量变化对于土壤N2O排放的解释度较高，这与前人的研究结果一致[36]。试验中常氮处理提高了氮肥偏生产力，降低了番茄单位产量的N2O排放量，这与周龙等[24]增加施氮量提高了马铃薯单产N2O累积排放量的研究结果相反，可能是由于常氮处理番茄生长潜力大幅提升及作物种类不同有关。

土壤的水分和氧气状况也是影响N2O的产生与排放的重要因素。土壤含水量较低时N2O排放主要取决于其产生过程，其排放主要通过土壤孔隙内的气体介质扩散传输，而水分饱和时，土壤中的N2O排放主要取决于其扩散传输过程，N2O气体扩散系数前者比后者大2~4个数量级[37]，因此施肥后高湿度处理土壤中产生N2O不能及时排出而积蓄起来，导致低湿度处理条件下施肥后土壤N2O排放峰值出现时间早于高湿度处理（低湿度处理峰值出现在灌水后1 d，高湿度处理出现在灌水后2 d）。曝气处理能够有效改善土壤通气性[6]，抑制反硝化过程中N2O被还原成N2[30]，导致N2O的排放量增大，表现为高湿度处理N2O排放较大且高湿度处理下循环曝气处理N2O排放最大。

除上述原因外，农田N2O产生也与土壤微生物种类和数量及土壤温度等因素有关[8,38]。本试验所测4种基因中AOA和AOB基因丰度对N2O排放的贡献较大，可能是由于好氧条件下将铵态氮氧化成硝态氮的硝化作用是低碳旱作农田土壤N2O产生的主要过程[39]，硝化氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌（AOB）控制着硝化反应第一步（氨氧化反应），直接影响了N2O的排放量[20]，而各试验处理土壤硝化作用产生的N2O占比较大所致。至于土壤硝化作用和反硝化作用对土壤N2O排放的贡献仍需进一步研究。

4 结 论

本文进行了水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放及影响因素的研究，得到以下结论：

施氮量、掺气量和灌水量的增大均提升了土壤N2O排放总量。高湿度条件下N2O排放总量较低湿度平均增加了30.14%，曝气条件下N2O排放总量较对照平均增加了35.16%，常氮条件下N2O排放总量较低氮平均增加了33.83%。

土壤NH4+-N和NO3--N含量对N2O排放的总效应为0.60和0.79，是影响水肥气耦合滴灌下土壤N2O排放的主导因子。

土壤N2O排放通量仅在灌水施肥后1~2 d内处于较高水平，其余时期土壤N2O排放通量较小。

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Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigation

Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming

(,450046)

Water-fertilizer-air coupling drip irrigation is a new type of drip irrigation technology, which covers both the advantages of drip fertilization and aerated irrigation. Water-fertilizer-air coupling drip irrigation can effectively improve the root zone hypoxia stress caused by irrigation, harmonize the water and fertilizer conditions needed for crop production, and unlock the gate of high yield potential of crops. We focus on the effects of different combinations of water, fertilizer and air application on soil nitrous oxide (N2O) emission, and thus to provide scientific supports for N2O emission reduction from greenhouse vegetable filed soil and the increase of crop yield as well as nitrogen use efficiency. A total of 3 factors, 2 levels of completely randomized experiment were set up with the three factors and two levels as nitrogen application rate (low and normal nitrogen), aeration rate (non-aeration and continuous aeration) and irrigation amount (low and high soil moisture, 82.37 and 123.71mm), respectively. Through the coupled use of static box gas chromatography, qPCR technology and structural equation model, the relationship between N2O emission from tomato filed soil and its related physical and chemical factors were studied systematically. Results show that water-fertilizer-air coupling irrigation changes soil moisture and soil aeration, and also influences soil N2O emissions. Under low soil moisture treatments, the average ODR (oxygen diffusion rate) of continuously aerated irrigation increases by 7.70% compared with the non-aerated irrigation. While in the high moisture treatments, the average ODR of continuously aerated irrigation increases by 29.23% compared with the non-aerated irrigation treatments. Compared to the low level of irrigation treatment without aeration, the average WFPS (water filled pore space) of the high level of irrigation treatment increases by 12.63%; While under the aeration condition, the average WFPS value of the high level of irrigation treatments increases by 6.12% compared with the low irrigation treatment. The peak N2O emission under water-fertilizer-air coupling irrigation occurs within 2 days after nitrogen application, and the N2O emission flux becomes low and the amplitude is small during the rest of the period. The increases of nitrogen application rate, aeration amount and irrigation amount increase the N2O emission flux and total N2O emission amount from soil. The average N2O emission in the high soil moisture treatment increases by 30.14% compared to the low soil moisture condition. The total N2O emission under aeration treatment increases by 35.16% compared to non-aeration treatment. While the total amount of N2O emissions under normal nitrogen applications increases by 33.83% comparison to the low nitrogen applications. The increase of nitrogen application rate, aeration amount and irrigation amount can increase the yield of greenhouse tomato and the partial productivity of nitrogen fertilizer. The total effects of NH4+-N and NO3--N content on N2O emissions were 0.60 and 0.79, suggesting as the dominant factors affecting soil N2O emissions under water-fertilizer-air coupling irrigation. The yield under the combination of normal nitrogen application level, aeration and high level of irrigation amount is the largest (39.47 t/hm2). The yield-scaled N2O emission under the combination of normal nitrogen application and low irrigation is the lowest (20.06 mg/kg). Considering crop yield, total N2O emission and nitrogen fertilizer partial productivity, the combination of normal nitrogen application, continuous aeration and low soil moisture treatment is an optimal scheme for water-fertilizer-air coupling irrigation.

fertilizer; irrigation; emission control; N2O emission; influencing factors; structural equation model

2018-11-15

2019-05-25

国家自然科学基金（U1504512，51779093，51709110）、河南省科技创新人才项目（174100510021）和中原科技创新领军人才项目（194200510008）

雷宏军，博士，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：hj_lei2002@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011

S275.6; S365

A

1002-6819(2019)-11-0095-10

雷宏军，杨宏光，刘 欢，潘红卫，刘 鑫，臧 明. 水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：95－104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http://www.tcsae.org

Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming. Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 95－104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http://www.tcsae.org