滴灌水肥一体化配施有机肥对土壤N2O排放与酶活性的影响

2019-11-07奚雅静汪俊玉李银坤武雪萍李晓秀王碧胜李生平宋霄君刘彩彩

中国农业科学 2019年20期

奚雅静，汪俊玉，李银坤，武雪萍，李晓秀，王碧胜，李生平，宋霄君，刘彩彩

奚雅静1,2，汪俊玉1,2，李银坤3，武雪萍2，李晓秀1，王碧胜2，李生平2，宋霄君2，刘彩彩2

（1首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100037；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097）

【】通过在有机肥基础上增施不同量无机氮，研究滴灌水肥一体化条件下温室番茄土壤N2O排放和脲酶（UR）、硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（Ni R）以及羟胺还原酶（Hy R）活性的动态变化，分析各处理土壤N2O排放特征及土壤UR、NR、Ni R和Hy R活性对土壤N2O排放的影响，揭示在滴灌水肥一体化下N2O排放过程机制。试验共设CK（不施氮）、N1（200 kg·hm-2有机氮）、N2（200 kg·hm-2有机氮+ 250kg·hm-2无机氮）、N3（200 kg·hm-2有机氮+ 475 kg·hm-2无机氮）4个处理。采用静态箱-气相色谱法，对番茄生育期内土壤N2O排放、土壤酶活性、土壤温湿度等进行监测。滴灌水肥一体化，各施氮处理均在施肥+灌溉后第1天出现N2O排放高峰，随着时间推移不断下降，不同处理番茄整个生育期N2O排放通量在0.98—1 544.79 μg·m-2·h-1。土壤N2O排放总量差异显著，依次为N3（（7.13±0.11）kg·hm-2）>N2（（4.87±0.21）kg·hm-2）>N1（（2.54±0.17）kg·hm-2）>CK（（1.56±0.23）kg·hm-2），与N3相比，处理N1、N2土壤N2O排放总量分别降低了64.38%、31.70%。番茄生育期内N2O季节排放特征明显，秋季高，冬季低。土壤氮素转化相关酶活性大致随施氮量的升高而增高。土壤N2O排放通量与5 cm土壤温度、0—10 cm土层硝态氮含量、土壤NR活性及土壤Hy R活性均呈极显著正相关（＜0.01）。滴灌水肥一体化下，土壤微生物处于好气环境，土壤N2O主要来自于硝化过程，减少了由反硝化过程所产生的N2O排放。综合考虑番茄产量、品质、N2O排放等因素，推荐北方温室秋冬茬番茄施用200 kg·hm-2有机氮+250 kg·hm-2无机氮，75 kg·hm-2P2O5，450 kg·hm-2K2O较为适宜。

N2O排放；土壤氮素转化相关酶；滴灌水肥一体化；温度；硝态氮；温室番茄

0 引言

【研究意义】N2O是一种重要的痕量温室气体，过去的100年中其全球增温潜势是CO2的310倍[1]。N2O对全球变暖的贡献占全部温室气体总贡献的5%—6%[2]。农田土壤是大气N2O的最主要排放源[3]，对大气总N2O的贡献率高达70%[4]。设施蔬菜地是一个封闭的气候环境，生产上多采用漫灌或沟灌[5-7]的方式，形成了高气温、高水分的内部环境[8]，同时由于长期大量施用化学氮肥造成设施菜地NO3--N大量累积，这就使得以NO3--N为底物的反硝化作用损失成为农田土壤N2O损失的主要途径[9-11]，其损失量占氮素损失总量的30%左右[12]，化肥配施有机肥是减少化肥用量的重要手段。滴灌水肥一体化技术将肥料溶于水，通过滴灌方式将养分直接均匀地施到作物根层[13-14]，减少了土壤NO3--N的累积，进而减少了N2O的排放。在滴灌水肥一体化条件下研究不同施氮处理土壤N2O排放特征及排放量对于指导农民施肥具有重要意义。而土壤中酶的活性是反映土壤生物化学过程的重要指标[15]，土壤排放的N2O主要是在土壤酶的作用下通过硝化和反硝化作用产生的。硝化作用是指微生物在土壤羟胺还原酶（hydroxylamine reductase，Hy R）的作用下将NH3氧化成NO2-或者NO3-的过程，其中间产物会释放出N2O[16-17]，反硝化作用是指微生物将NO3-或NO2-还原成N2O等气体的过程，在此过程中土壤硝酸还原酶（nitrate reductase, NR）、亚硝酸还原酶（nitrite reductase，Ni R）发挥着重要作用[18]。脲酶（urease, UR）能够水解施入土壤中的尿素，从而释放出供作物利用的铵[19]，其活性可以反映土壤供氮能力与水平[20]。研究N2O排放与NR、Ni R、Hy R和UR活性的关系对于揭示N2O排放机制具有重要的环境学和生物学意义。【前人研究进展】农田水分管理、肥料类型、施氮量可以通过影响土壤温湿度、反应底物（NH4+和NO3-）浓度和分布来影响土壤酶活性，进而影响土壤N2O的排放。大量研究表明，滴灌水肥一体化条件下土壤水分养分条件与常规漫灌及沟灌条件下有很大不同[21-22]，由此会影响到土壤氮素转化过程[23]及N2O排放机制和排放量，而目前关于滴灌水肥一体化模式下的N2O排放机制研究还鲜见报道。关于有机无机配施对N2O排放影响的研究很多，但大多集中在不同处理间排放量、排放系数差异以及环境因子对其影响的研究，关于土壤酶对土壤N2O排放过程机制的研究还很少，且结论不一致，方泽涛等[24]得出施氮处理对土壤N2O排放的影响会因土壤酶活性随土壤含水量的变化而产生差异，且土壤N2O排放与Hy R活性呈显著正相关关系，和文祥[25]和陈欢[26]等在研究土壤酶活性对不同施肥模式的响应时发现，化肥配施有机肥可显著提高土壤反硝化酶（NR、Ni R、Hy R）的活性，土壤反硝化酶活性又可作为区分硝化过程和反硝化过程产生的N2O指标[27]。鲁亚楠等[28]研究发现施氮量越高，土壤脲酶活性越高，土壤N2O排放通量越低。而李华等[29]通过分析研究土壤酶活性对稻田氮素转化的影响时则表明抑制脲酶活性是减少N2O排放的重要手段。【本研究切入点】目前关于有机无机配施处理对温室番茄土壤N2O排放影响的研究对象多为漫灌或沟灌方式，对于滴灌水肥一体化下，土壤N2O的排放特征及排放量研究很少，同时土壤NR、Ni R、Hy R和UR活性对N2O排放过程的影响机制鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究依托河北辛集温室番茄田间定位试验，运用静态暗箱-气相色谱法，在滴灌水肥一体化灌溉模式下研究有机肥配施不同量化肥氮处理土壤N2O排放特征、番茄生育期内土壤酶活性的动态变化，探讨土壤硝态氮、铵态氮含量以及土壤温湿度对N2O排放的影响，阐明N2O排放与土壤氮素转化酶活性的关系，揭示滴灌水肥一体化下土壤N2O排放特征与过程机制，以期为温室蔬菜运用合理的水肥管理技术并控制土壤N2O排放提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于河北省辛集市马庄试验站日光温室。该地属暖温带半湿润大陆季风气候，年均气温12.5 ℃，年均降雨量为540 mm。供试日光温室带有保温层、砖制墙体，无水泥柱拱形结构，拱形外表面覆盖0.8 mm聚乙烯棚膜，冬季棚膜上覆盖草帘。温室长为40 m，宽为7.5 m，拱高 2.5 m。供试土壤为壤质潮土，0—100 cm土层土壤基础理化性质见表1，供试番茄品种为荷兰瑞克斯旺1404。番茄定植时间为2016年8月6日，株距0.30 m，行距0.60 m。番茄生长期内除草、打叶、病虫害防治等措施按照无公害蔬菜栽培技术规程进行管理。

1.2 试验设计

试验共设CK（不施氮）、N1（200 kg·hm-2有机氮）、N2（200 kg·hm-2有机氮+ 250 kg·hm-2无机氮）、N3（200kg·hm-2有机氮+ 475 kg·hm-2无机氮）4个处理，每个处理设3次重复。其中200 kg·hm-2有机氮包括100 kg·hm-2商品有机肥氮和100 kg·hm-2小麦秸秆氮。各小区长6 m，宽1.8 m，随机排列，为防止小区之间养分和水分的横向迁移，试验开始前保持原状土，在小区四周开挖宽10 cm、深100 cm的沟槽，放入4 mmPVC板制成的塑料隔断（PVC板衔接处涂PVC胶并用铆钉固定），隔断上缘高出土面5 cm，周围用相应土层的土回填。试验所用氮、磷、钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O516%）和硫酸钾（含K2O 51%）。商品有机肥为金太阳有机肥，含N 1.67%，P2O53.24%，K2O 2.30%，含水量为7.54%。小麦麦秸含N 0.94%，P2O50.23%，K2O 0.79%，含水量为26.23%。全部小麦秸秆、商品有机肥以及20%氮肥、100%磷肥和40%钾肥基施入土，余下肥料分4次平均分别在开花期、果实膨大期、采收盛期、采收末期将肥料溶入灌溉水并随同滴灌水施入土壤。各处理磷肥、钾肥施用量相等。灌溉依据土壤含水量、番茄生育期和天气情况进行调控，控制每个小区灌水量一致，总灌水量在126—135 mm，保持田间持水量70%—100%。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 气体采集及计算 N2O排放通量的测定采用静态暗箱-气相色谱法。在每次灌水施肥前1 天及灌水施肥后第1、2、3、4、5、7和9 天采集气样，具体采样时间为每天上午9：30—10：20。取样箱取样时用带有三通阀的注射器，分别在0、17、34 min抽取经过搅拌的气样35 mL注入到已备好的12 mL真空玻璃瓶中。

气体样品采用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析，采用电子捕获检测器（ECD）分析N2O浓度，气相色谱仪在每次测试时使用国家标准计量中心的标准气体进行标定，N2O测定的相对误差控制在2%以内，N2O 排放通量的计算公式为：

F =ρ×H×( Δc /Δt)×273 /( 273 + T)

式中，F为N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ为N2O标准状态下的密度（1.964 kg·m-3）；H为取样箱高度（m）；Δc /Δt 为单位时间静态箱内的N2O气体浓度变化率（mL·m-3·h-1）；T为测定时箱体内的平均温度（℃）。

表1 供试温室基础土壤理化性质

N2O排放总量计算公式为：

T=∑[(Fi+1+Fi)/2]×(Di+1-Di)×24/1000

式中，T为N2O季节排放总量（mg·m-2）；Fi和 Fi+1为分别第 i 和 i+1 次采样时N2O平均排放通量（μg·m-2·h-1）；Di和 Di+1分别为第i和i+1次采样时间（d）；N2O排放总量是将3次重复的各次观测值按时间间隔加权平均后再进行平均化处理。

IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）将同期内由化肥氮施用引起的N2O-N排放量占总施氮量的百分比定义为N2O排放系数，并建议化肥氮的N2O排放系数为1%。计算公式为：

EF=（EF-EC）/N×100

式中，EF和EC分别为施氮和不施氮处理作物生长季N2O排放总量（kg·hm-2）；N为当季施氮肥量（kg·hm-2）。

采样的同时用 TPM-10数字温度计测定箱内温度，TP101电子数显温度计测定土壤温度，并用SU-LB土壤水分速测仪测定5 cm土层土壤体积含水量，因仪器测得含水量与实际重量含水量存在差异，故在不同10个区域分别用用重量法测定含水量及水分速测仪测定含水量，用两组数据拟合得到一个方程来校正仪器的参数。大气平均温度采用当地气象数据。

土壤饱和含水量（%）=土壤孔隙度（%）/（100×土壤容重）×100；

土壤孔隙度=（1-土壤容重/土壤密度）×100%，土壤密度取2.65 g·cm-3。

1.3.2 表层土样的采集在基肥、灌水以及4次追肥后的第1、3、5、7、9天，在各小区番茄行间随机选取3点，采集0—10 cm表层土样混匀，土样采用2 mol·L-1的KCl浸提，浸提液中的铵态氮与硝态氮用Smartchem化学分析仪测定；基肥（定植期）、单独灌水（苗期）以及4次追肥（开花期、果实膨大期、采收盛期、采收末期）后第2天，采集番茄行间0—10 cm表层土样，测定土壤酶活性。土壤UR活性、NR活性和Ni R活性按照关松荫[30]提出的方法测定，参照史云峰等[31]测定土壤Hy R活性。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行图表的制作以及处理数据，不同处理间的差异显著性使用最小显著差异法（LSD）进行检验。用SPSS19.0软件采用Pearson法进行相关分析。

2 结果

2.1 番茄生育期内土壤温湿度及无机氮含量的动态变化

2.1.1 土壤温湿度的动态变化本试验在观测期内土壤表层（0—5 cm）温度随季节变化明显（图1），秋季8、9月份温度在19.59—32.34 ℃，平均温度为21.57 ℃；而冬季第3次（采收盛期）追肥和第4次（采收末期）追肥11月、12月温度在10—16 ℃，平均温度为11.27 ℃。

图中箭头代表施肥。下同 The arrows in the figure represent fertilization. The same as below

滴灌水肥一体化条件下，各处理灌水量相同，观测期间各处理水分变化动态基本一致，均呈上升趋势，处理间含水量也无明显差异（图1），土壤表层含水量范围为12.10%—31.64%。求得土壤表层饱和含水量为36.34%，各处理均未超过饱和含水量。

2.1.2 土壤无机氮含量的动态变化土壤中无机氮作为硝化和反硝化的底物显著影响土壤中的酶活性以及N2O的排放。由图2-a可知，在番茄整个生育期内，土壤表层硝态氮含量在3.94—420.83 mg·kg-1之间。氮肥基施阶段，各施肥处理0—10 cm土层硝态氮含量均在施肥后第1天达到最高值，峰值之后各处理硝态氮含量明显下降；各处理0—10 cm土层硝态氮含量差异显著，以处理N3含量最高；基肥后第7天单独灌水，各处理土壤表层硝态氮持续下降。追肥阶段，处理CK、N1、N2、N3土壤表层硝态氮含量范围分别为3.94—35.06、15.08—87.44、87.69—258、148.94— 337.25 mg·kg-1，至采样最后一天，处理N1、N2、N3土壤硝态氮含量是CK的3.83、42.93、48.68倍。可见，施氮量越高，土壤表层硝态氮累积量越高。

由图2-b 可知，在番茄整个生育期内，土壤表层铵态氮含量在1.7—8.2 mg·kg-1之间，基本为N3处理>N2处理>N1处理>CK处理。本试验中0—10 cm土层中铵态氮含量与硝态氮含量变化趋势基本一致，均在施肥后第1天达到最高，以处理N3含量最高，随着时间的推移不断下降；至采样最后一天各施肥处理铵态氮含量比CK高1.6—2.1倍。

图2 0—10 cm土层无机氮含量动态变化

2.2 土壤酶活性动态变化

由图3-a可知，在番茄整个生长季，各处理土壤UR活性变化基本一致，均先升高后降低，各处理UR活性在番茄生长旺盛期（开花期到采收盛期）维持在较高水平，而至采收盛期土壤UR活性达到最大值，处理CK、N1、N2、N3的土壤UR活性依次为2.13、 3.34、4.59、6.21 mg·g-1·d-1，与CK相比，N1、N2、N3分别提高了57.13%、116.37%、192.93%，各处理差异显著（＜0.05）；在采收末期土壤UR活性最低，各施肥处理土壤UR活性差异不显著。番茄由定植期到采收盛期，处理N3土壤UR活性均大于处理N2，而至采收末期追肥后，土壤UR活性表现为处理N2大于处理N3，且采收末期处理N3土壤UR活性较采收盛期降低了66.34%。可见，过量施氮反而会抑制土壤UR活性。

由图3-b可知，在番茄整个生长季，各处理土壤NR活性以定植期、开花期和果实膨大期维持在较高水平，苗期次之，采收盛期和采收末期最低，土壤NR活性与N2O排放通量有相同的趋势。各处理NR活性均在开花期出现活性高峰，CK、N1、N2、N3处理土壤NR活性依次为0.23、0.38、0.53、0.63 mg·g-1·d-1，各处理间差异显著，番茄整个生育期内均以处理N3土壤NR活性最大，在采收末期，处理N1土壤NR活性接近于CK水平。

由图3-c可知，在番茄整个生长季，土壤Ni R活性呈现先升高后降低的趋势，以采收盛期活性最高，处理CK、N1、N2、N3土壤亚硝酸酶活性分别为0.48、1.16、1.48、2.10 mg·g-1·d-1。全生育期内土壤Ni R活性均以处理N3最高，处理N1和处理N2间土壤Ni R活性差异不显著。

由图3-d可知，各施肥处理番茄土壤Hy R活性在定植期最高，处理N1、N2、N3分别为1.62、2.04、2.07 mg·g-1·d-1，而全生育期内处理CK土壤Hy R活性变化不显著，始终保持在0.44—0.68 mg·g-1·d-1。追肥阶段开花期和采收末期处理N2、N3土壤Hy R活性差异显著，其余生育时期无明显差异，均保持在较高水平，而处理N1在苗期和开花期与处理CK差异性不显著。

2.3 土壤N2O排放通量动态变化

在基肥阶段，各处理土壤N2O排放通量的变化趋势基本一致（图4），N2O排放通量峰值在施肥后第1天出现，随着时间延长呈显著下降趋势。各处理在基肥后第1天的N2O排放通量具有显著性差异（＜0.05），与处理CK相比，处理N1、N2和N3的土壤N2O排放通量分别增加了72.37%、213.22%和267.08%；相比处理N3，处理N2的N2O排放通量降低了97.81%，说明减少无机氮基施可以显著降低土壤N2O排放通量。在此阶段，处理CK、N1、N2、N3的N2O排放通量变化范围分别为0.39—420.83、13.50—725.40、17.08—1318.10、28.05— 1544.79 μg·m-2·h-1。

图4显示了番茄追肥阶段各处理土壤N2O排放通量在追肥前1 d及施肥后9 d内的动态变化。与追肥前1 d相比，在1—4次追肥后1 d处理 CK、N1、N2、N3的土壤 N2O 排放通量增长了14.78—283.82 μg·m-2·h-1，追肥均显著提高了不同生育时期内土壤N2O排放通量。各处理N2O排放均在滴灌追肥后第1天出现排放高峰，但明显低于基肥阶段，随时间推移逐渐下降，并在第9天时趋于稳定，处理间也无显著性差异。随着番茄生育时期的推进，各处理土壤N2O排放峰值也有下降趋势，其中处理N2与N3在第一次追肥后的N2O排放峰值为205.10与370.10 μg·m-2·h-1，而在第4次追肥后的N2O排放峰值为178.54与247.51 μg·m-2·h-1，峰值分别降低了12.95%与33.12%。

2.4 土壤N2O排放总量及排放系数

试验期间土壤N2O排放总量、排放系数均随施氮量的增加而增加，且不同处理间的N2O排放总量存在显著性差异（表2）。与处理N3相比，处理N2的N2O排放总量降低31.70%（＜0.05），排放系数降低6.74%。可见，滴灌施肥条件下减少无机氮投入可显著降低N2O排放总量。

表2 土壤N2O排放总量及排放系数

同一列不同字母表示处理间差异显著（＜0.05）

Different letters in the same column among the treatments mean significant difference (＜0.05)

图中相同生育期不同字母表示处理间差异显著（P＜0.05）

图4 番茄生育期内土壤N2O排放通量动态变化

2.5 环境因子与N2O排放通量间关系

土壤N2O排放通量与环境因子及无机氮含量的相关分析表明（表3），0—5 cm深度土壤温度与处理N1、N2和N3的土壤N2O排放通量呈现极显著的正相关关系（＜0.01），而处理CK与土壤温度无显著相关关系。对各处理的N2O排放通量与土壤重量含水量的相关分析表明，不同处理的土壤含水量对N2O排放通量影响不显著。此外，土壤无机氮作为硝化作用和反硝化作用的底物，其含量也影响着N2O的排放，本研究中除CK处理外，0—10 cm土层硝态氮含量均与各处理N2O排放通量都有极显著相关（＜0.01），而只有处理N3的土壤N2O排放通量与0—10 cm土层铵态氮含量达到极显著相关。

表3 土壤N2O排放通量与环境因子及无机氮含量的相关分析

* 和**分别表示显著和极显著相关。下同 * and ** indicate significant and extremely significant correlation, respectively. The same as below

2.6 土壤氮素转化酶活性与N2O排放通量间关系

将番茄6个生育时期土壤反硝化酶活性与采集田间土样当天的N2O排放通量进行相关性分析，结果见表4。土壤N2O排放通量与土壤NR和Hy R活性之间呈极显著正相关，相关系数分别为0.516和0.757，土壤N2O排放通量与土壤UR和Ni R活性之间的相关性不显著。将6个生育时期内4种土壤氮素转化酶活性进行相关分析表明，土壤UR活性、土壤NR活性、Ni R活性以及Hy R活性两两之间均呈极显著相关（＜0.01），说明各土壤氮素转化酶活性之间存在极显著的正相关关系。

表4 土壤氮素转化酶活性与N2O排放通量的相关分析

3 讨论

3.1 滴灌水肥一体化条件下土壤N2O排放及影响因素分析

试验地地形、环境因素、肥料类型、施肥量及施肥方式都会影响土壤N2O的排放，本试验条件下，秋冬茬番茄各生育时期土壤N2O排放通量变化趋势基本一致，均在施肥后的第1天出现峰值，且施氮量越大，峰值越大，可见，施肥是影响土壤N2O排放的主要因素，施用氮肥能显著促进土壤N2O的排放[32-33]。土壤微生物参与下的硝化与反硝化过程是生成N2O的主要途径[34]，施氮引起N2O排放量升高是因为增加了土壤硝化和反硝化作用底物即铵态氮及硝态氮[35-37]。土壤表层中硝态氮含量随氮肥施用量的增加显著升高，土壤硝态氮既能促进反硝化速率，又可抑制N2O还原为N2，在本试验中施氮条件下土壤表层硝态氮含量与N2O排放量呈极显著正相关（＜0.01），可见硝态氮含量是影响土壤N2O排放的重要因素，长期过量施氮肥会造成大量的硝态氮积累，造成土壤N2O大量排放。土壤表层中铵态氮含量也随氮肥施用量的增加显著升高，但由于温室菜地高含水量铵态氮快速转化为硝态氮，只有处理N3土壤表层中铵态氮含量与N2O排放量达到了极显著正相关（＜0.01）。根据已发文献[38]结果表明处理N2番茄产量及品质也最高。

各处理番茄滴灌追肥阶段土壤N2O排放总量均低于基肥阶段，且以处理N3排放总量最大，主要由于滴灌追肥可将肥料施在根部，减少氮素损失，显著提高肥料利用率[39]，在有机氮与无机氮配施总量为450 kg·hm-2条件下，本试验采用滴灌水肥一体化灌溉模式比其他研究中采用漫灌模式土壤N2O排放总量降低了50%[40]。郝小雨等[40]对设施菜田N2O排放规律的研究也表明N2O排放的最大值出现在施肥灌水后第1 天，陈海燕[41]、张婧[42]等在京郊地区采取漫灌和冲灌的灌水方式对番茄地土壤N2O排放的研究得出，N2O排放峰出现在施肥后3—4 d，单独灌水后2—3 d，而本试验中单独灌水并未引起土壤N2O排放的高峰，原因是含水量主要通过改变氧环境而影响N2O的产生，当含水量在饱和含水量以下时，微生物处于好气环境中，有利于硝化作用的进行，N2O主要来自硝化反应；当含水量超过饱和含水量时，使系统易形成厌氧环境，有利于反硝化作用产生N2O[43]。说明微生物处于嫌气条件，土壤N2O排放主要来自于反硝化作用[42]。传统的设施菜地多采用漫灌和冲灌的方式，需要大量的灌溉水，但灌溉水的利用率却非常低，灌水不均匀，容易造成肥料的流失，且作物长期处于水量过多的状态，造成土壤无氧环境，使得土壤N2O主要来自于反硝化过程，郑欠等[44]研究得出在一定范围内，含水量升高会使反硝化作用增强。丁洪等[45]也得出，漫灌条件下，设施菜地N2O排放与反硝化活性的变化是同步的。而本试验采用滴灌水肥一体化技术，很好的保持了土壤含水量，由图1可知，番茄生育期内土壤含水量在12.10%—31.64%之间，土壤表层饱和含水量为36.34%，各处理均未超过饱和含水量，使土壤处于有氧环境，微生物处于好气条件，为土壤硝化作用提供了很好的环境，土壤N2O主要来自于硝化过程，而减少了由反硝化过程所产生的N2O损失。王艳丽等[46]也得出在水肥一体化条件下设施菜地土壤含水量小于40%时，土壤N2O主要来自于硝化作用。

设施菜地高温、高湿的特点为土壤中硝化和反硝化作用的进行提供了重要的条件，由此引起N2O的大量排放[47]。土壤温度是影响硝化和反硝化微生物活性的重要因素，温度的变化会影响土壤N2O的排放过程和排放量。有研究指出，促进硝化过程的微生物其活性最大的适宜温度在15—35℃之间，反硝化微生物活性最大的适宜温度在5—75℃之间[48]，本试验中秋季平均温度为21.57℃，冬季平均温度为11.27℃。温度低不利于硝化和反硝化微生物的活动，土壤温度升高，土壤的呼吸强度增大，促进反硝化过程中N2O的形成与释放[49]，但土壤N2O排放对温度的依赖关系随不同灌水和施氮水平而不同[50]。本试验中土壤N2O排放量与土壤含水量无显著相关，与5 cm土温均呈极显著相关，故本研究中N2O排放存在明显的季节性变化规律，相同追施氮量下，秋季土壤N2O排放量较高，冬季相对较低，正是温度影响所致。徐文彬等[51]研究也得出土壤排放通量季节变化与温度间呈正相关关系，且N2O排放发生的频率随温度的变化呈正态分布，郑循华等[52]得出67%的N2O排放量都集中在15—25℃温度范围内，与本研究结果一致。

3.2 滴灌水肥一体化条件下土壤酶活性与土壤N2O排放的关系

土壤酶参与土壤中重要的生物化学循环、有机质及矿物质的转化过程[53]，土壤中生命体内氧化还原反应、化合物水解等许多重要的生物化学反应都是在酶的催化下进行的[54-55]。土壤UR活性的提高对于土壤中稳定性较高的有机态氮向无机态氮的转化具有重要意义[56]，可以改善土壤向植物提供氮素养分的状况，增强土壤供氮能力[57]。王树起[58]、褚素贞[59]、肖新[60]等人的研究得出硝化和反硝化作用的底物浓度对UR活性有很大影响，夏雪[61]在研究施氮水平对土酶活性的影响发现低量和中量氮肥可以增加脲酶活性。白红英等[62]研究得出氮素一次性大量投入显著提高脲酶活性，势必增加土壤中N2O的排放。而本研究中采集土样当天土壤N2O排放通量与土壤UR活性未达到显著相关，主要是由于本试验中肥料分基施和追施两个阶段，单次施肥量小，且滴灌追肥能将养分送至植物根部，土壤含水量较低，土壤脲酶活性变化不大，故对土壤N2O排放的影响不显著。

NR、Ni R及Hy R是土壤硝化与反硝化作用中的3种关键性还原酶，其活性大小体现了土壤硝化反硝化能力的强弱[63]。本研究中土壤NR及土壤Ni R活性均以处理N3最高。而土壤Hy R除定植期外，其余生育时期内同一处理间差异不显著，主要是由于羟胺（NH2OH）在土壤中含量极少，只是N转化过程中存在时间极短的两种中间产物[64]。在嫌气条件下，Ni R为催化反硝化过程的NO2-转化为N2O的酶[65]，而Hy R将羟氨转化为N2O[66]；但在好气情况下，Ni R催化土壤中NO2-转化为NH2OH，Hy R的催化作用可将羟胺转化为亚硝酸盐和N2O。本试验在滴灌水肥一体化条件下，控制了土壤含水量，使微生物处于好气条件，且本试验中土壤Hy R、NR活性与采样当天土壤N2O排放通量显著相关，而土壤Ni R活性与N2O排放通量未达到显著相关，说明经NR催化形成的NO2-主要在Ni R的作用下继续还原成了NH2OH，经过Hy R的催化作用产生了N2O。由此也说明在滴灌水肥一体化条件下，土壤N2O主要是由硝化过程产生的，而减少了土壤反硝化过程所产生的N2O。

4 结论

温室滴灌水肥一体化条件下，不同施氮处理土壤N2O排放均在氮肥基施及追肥后第1天达到峰值，施氮量越高，峰值越高，排放总量越大。番茄生育期土壤N2O存在明显的季节排放特征，秋季高，冬季低。硝态氮含量与N2O排放量呈极显著相关，长期过量施氮肥会造成大量的硝态氮积累，从而引起土壤N2O大量排放。综合考虑番茄产量品质与环境效应[14,38]，推荐北方温室番茄秋冬茬施用200 kg·hm-2有机氮+250 kg·hm-2无机氮，P2O575 kg·hm-2，K2O 450 kg·hm-2。

在滴灌水肥一体化条件下土壤氮素转化酶活性随施氮量的升高而增高，土壤硝酸还原酶与羟胺还原酶活性显著影响土壤N2O的排放，温室滴灌水肥一体化土壤的N2O排放主要来自于硝化过程，减少了由反硝化过程所产生的N2O排放量。

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Effects of Drip irrigation Water and Fertilizer Integration Combined with Organic Fertilizers on Soil N2O Emission and Enzyme Activity

XI YaJing1,2, WANG JunYu1,2,LI YinKun3, WU XuePing2, LI XiaoXiu1, WANG BiSheng2, LI ShengPing2, SONG XiaoJun2, LIU CaiCai2

(1College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100037;2Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Beijing 100081;3Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097)

【】This paper mainly studied the dynamic changes of soil N2O emission and the activities of urease (UR), nitrate reductase (NR), nitrite reductase (Ni R) and hydroxylamine reductase (Hy R) under the condition of drip irrigation water and fertilizer integration by applying different amounts of inorganic nitrogen to organic nitrogen, and analyzed the soil N2O emission characteristics of every treatment and the effects of soil UR, NR, Ni R and Hy R activities on soil N2O emissions, the purpose of this research was to reveal the influence mechanism of N2O emission process under the integration of drip irrigation water and fertilizer.【】The treatments consisted of CK (no nitrogen application), N1 (200 kg·hm-2organic nitrogen), N2 (200 kg·hm-2organic nitrogen + 250 kg·hm-2inorganic nitrogen), and N3 (200 kg·hm-2organic nitrogen + 475 kg·hm-2inorganic nitrogen). Using static-chamber method, the soil N2O emission, enzyme activity, soil temperature and humidity during the growth period of tomato were monitored.【】The integration of water and fertilizer in drip irrigation showed that the N2O emission peak of every treatment appeared at the first day after fertilization + irrigation, and decreased continuously with the passage of time. The N2O emission flux range under different treatments was 0.98-1544.79 μg·m-2·h-1. The total N2O emissions during the growth period of tomato under different treatments had significant differences among each treatment, which were N3 ((7.13±0.11) kg·hm-2) >N2 ((4.87±0.21) kg·hm-2) >N1 ((2.54±0.17) kg·hm-2) >CK ((1.56±0.23) kg·hm-2). Compared with N3, the total soil N2O emissions from N1 and N2 decreased by 64.38% and 31.70%, respectively. During the growth period of tomato, the characteristics of seasonal emission of N2O changed obviously, which revealed high in autumn and low in winter. The activity of soil nitrogen-related enzymes increased with the increase of nitrogen application rate. The soil N2O flux was positively correlated with 5 cm soil temperature, 0-10 cm soil nitrate nitrogen content, soil NR activity and soil Hy R activity (＜0.01).【】Under the integration of drip irrigation and water and fertilizer, soil N2O mainly came from the nitrification process, which reduced the N2O emissions generated by the denitrification process. Considering the factors such as tomato yield, quality and N2O emission, it was recommended to apply 200 kg·hm-2organic nitrogen +250 kg·hm-2inorganic nitrogen, 75 kg·hm-2P2O5and 450 kg·hm-2K2O in northern greenhouse autumn-winter tomato.

N2O emissions; soil nitrogen invertase; drip irrigation water and fertilizer integration; temperature; nitrate nitrogen; greenhouse tomato

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.012