不同灌溉方式对陕北沙区马铃薯农田土壤N2O排放的影响

刘远超，刘梦圆，赵殿峰，王 雯

(1.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000;2.榆林市种业工作站，陕西 榆林 719000)

N2O是重要的温室气体，其单分子的辐射增温潜能是CO2的296倍[1]。农业系统是温室气体排放的重要来源[2]，农田土壤向大气排放的N2O约占全球人为排放总量的50%左右[3]。研究显示，灌溉、施肥等农作措施对土壤N2O排放有重要影响[4]。已有研究显示，不同灌溉方式对土壤水热状况有显著影响，而土壤水分和温度是改变硝化和反硝化作用活性的重要因子，因而不同灌溉方式下土壤N2O的排放量存在差异。

陕北沙区位于黄土高原和毛乌素沙漠南缘交界处，地貌属于风沙草滩区，气候类型属于干旱半干旱气候。土壤主要为风沙土，土层疏松，钾素含量丰富，土地平坦，便于灌溉，是我国马铃薯适生区。该地区马铃薯常年种植面积超过20万hm2，占榆林市粮食作物面积的1/3。马铃薯生长发育过程中需要消耗的水资源较多，榆林沙区农业水资源短缺，水资源利用率较低，节水灌溉就成为马铃薯绿色高效栽培的一项重要保障措施，近年来马铃薯节水灌溉面积逐年增加。研究显示，不同灌溉方式对农田土壤N2O排放通量的影响存在差异。漫灌方式下土壤水分高于滴灌，反硝化作用随着水分含量的增加而加强，N2O排放通量也随之增加，因此滴灌方式下土壤N2O排放通量较漫灌低25.87%[5]。并且，土壤含水量调节着土壤含氧量的变化，氧气含量是微生物硝化和反硝化过程的调控因子之一。在漫灌条件下，土壤含水量较高，氧气含量快速下降导致反硝化产生大量N2O，因此，漫灌条件下N2O的排放量较滴灌高30%～40%[6-10]。前人研究显示，增温能够促进N2O排放。土壤温度的增加影响土壤湿度、透气性等，并促进硝化作用、抑制反硝化作用的进行。同时土壤温度也能影响植物的生长，进而改变土壤中无机氮、活性碳的含量和硝化作用底物的输入，促进N2O的排放[11]。Li等采用Meta分析方法进行综合分析表明，增温使N2O的排放量增加了33%左右[12]。研究表明，土壤N2O排放量与土壤水分、温度等环境因子的关系密切。研究显示，土壤含水量和土壤温度对土壤N2O的排放均呈显著性相关。旱地农田N2O排放与土壤含水量呈显著正相关关系，与土壤温度呈负相关关系[13]。

有关不同灌溉方式对农田土壤N2O排放影响的研究主要集中在水稻[4]、小麦[13]、玉米[14]、棉花[15]等作物，马铃薯的相关研究少见报道。陕北沙区马铃薯生产中滴灌等节水灌溉方式使用面积日益增加，因此，开展不同灌溉方式对马铃薯农田土壤N2O排放影响的研究，对于明确马铃薯农田土壤N2O排放内在机理，实现马铃薯农田土壤减排增汇，促进陕北沙区农业绿色可持续发展具有重要意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验地概况

试验点位于榆林市农业科技示范园区(北纬N38°23′、东经E109°47′)，海拔1 080 m。地貌属于毛乌素沙漠南缘风沙草滩区，试验区的气候类型属于干旱半干旱气候，它的特点是春季干燥多风，夏季炎热短促，秋季多雨，冬季干冷且漫长。年平均降水量350～400 mm、年蒸发量相对较高(约为1 900 mm)、年平均气温约为8.5 ℃，≥10 ℃积温为3 000～3 300 ℃，年总辐射6.07×107J·m-2，无霜期为167 d。供试土壤质地以风沙土和砂壤土为主，0～20 cm土层的容重为1.5 g·cm-3，土壤肥力水平中等。

1.2 试验设计

本试验以中薯品种“紫花白”为试验材料。试验于2017年5月20日播种，9月7日收获，全生育期约为105 d。

本试验采用随机区组设计方式，对马铃薯“紫花白”品种进行单元小区种植，小区面积3 m×7 m。试验设漫灌(CK)、露地滴灌(DG)、膜下滴灌(MG)、沟灌(GA)、交替隔沟灌(JG)5个处理，每个处理3个重复共15个小区。株距为22 cm，播种3 800株/亩，播种深度为8～10 cm。不同处理种植模式见表1。

表1 不同处理的种植模式

采用水肥一体化模式进行栽培，将肥料溶解于灌溉水中随水灌入农田，5种灌溉方式的灌溉水量与当地常规灌溉水量保持一致，且5种灌溉方式的漫灌施肥时间及施肥情况均相同。底肥施CON2H4(120 kg·hm-2)，(NH4)2HPO4(225 kg·hm-2)，K2SO4(225 kg·hm-2)，混匀后在耕地时深翻入土壤。在块茎形成期至成熟期随灌水追施尿素4次，每次追施量为50 kg·hm-2。全生育期共灌溉4次，日期分别为6月15日、7月10日、7月26日和8月5日(表3)。在不同生育期针对每个小区进行气体试样的采集以及观测指标的测定。马铃薯生育期总灌水量见表2。

表2 不同灌溉方式的灌溉量(m3·hm-2)

表3 不同生育期的施肥量(kg·hm-2)

1.3 观测指标及方法

1.3.1 气体样品的采集与观测

用采样静态箱(Y-03，筒型箱)在马铃薯不同生育期进行田间土壤气样的收集，并使用气相色谱仪(Agilent-6890A，Agilent ，USA)进行气体N2O通量的测定分析。采样静态箱(Y-03，筒型箱)的基座安装在垄上的作物旁。每个采样点面积约为30 cm×60 cm，相邻采样点间距约2 m。采样时间间隔为15 d，如遇阴雨天气可适当调整，每次采样均选择在北京时间上午9∶00～11∶00之间，观测持续时间为30 min，将气体样品放入采样袋中保存。将采回的气体样品用安捷伦6890A型气相色谱仪测定N2O气样的通量。ECD检测器分析N2O浓度，N2O气体通量的计算公式见文献[16]。

1.3.2 土壤水分测定

在气体样品采集完毕后，用土钻采集底座框中的土壤样品，使用烘干称重标准法测定得出土壤重量含水量，之后进行马铃薯农田土壤含水量(WFPS)的公式计算见文献[8]。

1.3.3 土壤温度测定

马铃薯农田土壤温度的测定使用曲管地温计，定位监测5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm地温变化，从马铃薯播种时开始观测，每隔15天观测一次，观测时间段为北京时间上午9∶00-11∶00，与土壤水分观测时间保持一致，直至马铃薯收获。

1.4 数据处理与统计分析

采用SPSS 23.0软件进行统计分析，用单因素方差分析进行不同处理间数据的差异显著性检验，两两平均数的多重比较采用LSD法(p<0.05)，土壤N2O排放量同环境因子的相关分析采用Person相关分析法。运用Excel 2013和OriginPro 9.1软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下农田土壤N2O变化特征

在整个生育期，土壤N2O的日排放量表现为初期低，中期高，后期逐步下降的趋势(图1)。不同处理间土壤N2O日平均排放量表现为GA>CK>DG>MG>JG。GA处理的N2O日排放量较其他处理高16.47%～89.53%，JG处理的N2O日排放均值较其他处理低21.43%～47.24%，MG处理较DG处理的N2O日排放均值低12.22%。

图1 不同灌溉方式下N2O排放通量季节变化

2.2 不同灌溉方式下土壤N2O累积排放量

由图2可得，在马铃薯各生育期，不同灌溉方式的N2O累积排放量存在差异(p<0.05)。在块茎形成期不同处理之间的N2O累积排放量差异显著(p<0.05)，JG、MG处理的N2O累积排放量较其他处理低27.93%～74.30%，MG处理的N2O累积排放量较JG、DG处理分别低高92.82%、27.93%。由图3可见，不同灌溉方式下土壤N2O总排放量呈显著差异(p<0.05)，表现为：GA>CK>DG>MG>JG，JG、MG处理的N2O总排放量显著低于其他处理10.94%～47.20%，MG处理的N2O总排放量显著高于JG处理27.23%、低于DG处理42.83%。

图2 不同处理的不同生育期N2O累积排放量

图3 不同处理的土壤N2O总排放量

2.3 不同灌溉方式下土壤环境因子变化

2.3.1 不同灌溉方式对土壤含水量的影响

在研究作物土壤温室气体排放机制时，土壤孔隙含水量(WFPS)是影响N2O排放能力的重要指标之一。由图4可知，0～80 cm土层的平均WFPS表现为MG>DG>GA>CK>JG，且随着土层加深WFPS值呈上升趋势。在整个生育期MG、DG处理的WFPS值较其他处理高0.37%～46.51%，且MG处理的WFPS值较DG处理高0.81%～13.77%；JG处理的WFPS值最低。研究还发现，在块茎形成期土壤0～80 cm土层的平均WFPS较苗期降低11.52%。

图4 不同处理下0～80 cm土层WFPS值的变化

2.3.2 不同灌溉方式对土壤温度的影响

由图5可知，不同的灌溉方式下土壤温度存在差异。在整个生育期，不同处理下各土层的土壤温度均呈现前期低、中期高、后期逐渐降低的趋势，且随着土层加深，土壤温度逐渐下降。0～20 cm土层的平均土壤温度表现为：MG>GA>CK>DG>JG，MG处理的土壤平均温度较其他处理高1.46 ℃～5.38 ℃，JG较DG处理低3.44 ℃。且随着土层加深各处理间温度变化差距减小。

图5 不同灌溉方式对土壤温度的影响

2.3.3 不同灌溉方式对马铃薯叶片净光合速率与产量的影响

在整个生育期中，马铃薯叶片净光合速率与表现为MG>DG>GA>CK>JG(图6)。除苗期外，MG处理的Pn值显著高于其他处理9.25%～63.71%，JG处理较其他处理低18.30%～38.92%，DG较MG低8.47%。马铃薯产量的变化趋势与净光合速率基本一致(图7)，MG和DG处理的产量较其他处理高8.28%～44.67%，且显著高于JG和CK处理(p<0.05)，MG处理较DG处理略高3.37%。

图6 不同处理的不同生育期净光合速率

图7 不同处理的马铃薯产量

3 讨论与结论

目前，陕北沙区马铃薯生产中滴灌等节水灌溉方式使用面积日益增加，针对灌溉条件下马铃薯农田土壤N2O排放影响的研究少见报道，其内在机理尚不清楚的问题，本研究开展不同灌溉方式对马铃薯农田土壤N2O排放影响的研究，旨在筛选出有助于固碳减排的最优灌溉方式。

3.1 不同灌溉方式对马铃薯农田土壤N2O排放的影响

本文研究表明，不同灌溉方式下土壤N2O总排放量差异显著(p<0.05)。研究显示，土壤温度和水分影响N2O排放的重要环境因子[16-18]，本研究中，不同灌溉方式下土壤水热状况存在差异，因而直接或间接影响N2O排放量。GA和CK处理下，土壤WFFS为42.83%～63.02%，据报道，土壤中WFPS为35%～60%时，硝化和反硝化作用产生较多的N2O[19]；并且，GA和CK处理下，土壤温度较高(11.2 ℃～31.1 ℃)，有研究表明，在15 ℃～35 ℃的温度范围内，土壤中的硝化和反硝化作用随着温度升高10摄氏度而增加一倍[20]，因此GA和CK处理有助于增强土壤中硝化反硝化微生物的活性，N2O排放量高于其他处理。MG处理下，土壤含水量最高(WFFS为54.15%～68.09%)，较高的土壤水分可能使土壤处于局部厌氧状态，促使土壤中产生的N2O进一步还原为N2[21]，此外也可能是MG处理下，地膜的阻隔作用，阻碍了土壤中N2O向大气的排放[22]。DG处理下土壤温度较低(8.9 ℃～23.7 ℃)，在一定程度上限制了硝化和反硝化微生物活性，抑制了土壤N2O的排放。JG处理下土壤温度(11.2 ℃～31.1 ℃)和水分(WFFS为54.15%～68.09%)最低，硝化和反硝化微生物活性较弱，N2O排放量最低。

3.2 不同灌溉方式对马铃薯光合速率及产量的影响

不同灌溉处理下马铃薯光合速率及产量存在差异，MG和DG处理的叶片光合速率和产量均高于其他处理，且显著高于JG、CK处理(p<0.05)。滴灌处理下，水分通过滴头均匀输送到根系附近，土壤含水量最高，有助于提高马铃薯植株光合能力，增加马铃薯产量[23]。并且，与漫灌相比，膜下滴灌对于提高表层温度、减少水分蒸发与改善土壤养分状况具有重要作用[24-26]。JG处理下土壤水分和温度均低于其他处理，不利的土壤环境削弱马铃薯光合能力，降低产量。综上所述，膜下滴灌可减少N2O排放量，提高马铃薯产量，其固碳减排能力最强，为陕北沙区马铃薯农田绿色高效栽培的最优灌溉方式。