不同灌溉水量对农田生态系统氮素损失及功能微生物的影响

吴林亿王丽丽杜君魏义长王肃龚玲玄万博周其文

(1.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；3.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002)

前言

当前氮素化学肥料施用所造成的农业生产污染，已严重影响自然环境。在目前的技术条件下，氮素肥料无法完全被作物吸收，存在大量流失的情况。我国普遍使用的肥料吸收利用率为30%～40%，在世界范围内属于较低的水准(同时期世界较高的肥料吸收利用率能够达到68%以上)。研究发现，长期进行蔬菜种植尤其是大棚蔬菜种植的区域，若氮元素肥料使用量较大，灌溉量较大，污染则更为严重。

水分和养分是作物生长的必需条件，也是土壤氮循环过程的主要驱动因素，并且有研究表明，作物产量符合报酬递减规律(即作物产量随着灌水水平和施氮量的增加表现出先增加后降低的趋势)。可见漫灌和过量施肥并不是最理想的灌溉方式和施肥方式，反而可能会降低作物产量。但为了追求作物高产，目前仍有大部分农民或者温室蔬菜大棚经营者盲目选择“漫灌+过量施肥”的种植模式，从而导致面源污染日益加剧，土壤、地下水污染和农产品质量问题频发。

水资源作为社会经济发展不可缺少的基础性资源之一，其供需不均衡问题矛盾近年来日益突出。根据2021年度《中国水资源公报》数据显示，2021年，全国用水总量为5920.2亿m3，农业用水为3644.3亿m3，占用水总量的61.5%。其中，耕地实际灌溉用水量为5325m3·hm-2，农田灌溉水有效利用系数为0.568，距离国际先进水平仍有较大差距。据统计，农田灌溉水有效利用系数最高的国家为以色列(0.87)，其次为澳大利亚和俄罗斯(0.8)，阿尔及利亚、英国、美国、西班牙、法国等国家也在0.6以上。近30年，我国耕地灌溉面积呈现稳定增长的趋势，但农业用水量自2013年开始随着耕地灌溉面积的增加而降低。因为水资源供给的有限性以及耕地灌溉面积的增加，我国越来越重视农业水资源的高效利用。为了减轻农业水资源的浪费，节水灌溉成为农业发展的重点。

已有研究大多关注灌溉水量对农田作物产量、氮吸收、氮利用效率和单一方面氮素损失的影响，缺少对不同作物、不同区域、不同灌溉水量的整体性研究，且关于农田系统氮素循环过程及微生物的研究相对较少。本综述通过收集近几年关于不同灌溉水量下农田生态系统氮素损失的文献，系统研究了不同灌溉水量对不同农田系统N2O排放、氨挥发、氮素淋溶及氮循环功能微生物的影响，可为不同灌溉水量下农田系统氮素损失研究的进一步开展提供数据支撑，为我国农田系统的灌溉方案制定提供了理论基础。

1 文献检索

不同灌溉水量对农田生态系统氮素损失的影响是近些年研究的重点，见图1。本综述将关键词“灌溉”与“氧化亚氮”“氮淋溶”“氨挥发”“氮转化微生物”“氨氧化细菌”“氨氧化古菌”“反硝化细菌”相结合，在中国知网(CNKI)及Web of Science数据库上进行文献检索，标题、摘要、出版日期、研究地点没有限制，共筛选出文献578篇。相较于不同灌溉水量对氮素损失的影响，包含微生物相关关键词的出版物较少。

图1 文献检索结果分布图

2 不同灌溉水量对农田氮素损失的影响

2.1 不同灌溉水量对农田N2O排放的影响

由表1可知，相对于淹水灌溉，干湿交替灌溉会增加水稻田24.3%～47.6%的N2O排放。相较于干湿交替灌溉，保持土壤水势在-10kPa，会减少65%的N2O排放。而对于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量会减少15%～51%的N2O排放。对于温室菜田系统，降低25%～50%的灌溉水量会减少19%～57.4%的N2O排放。

表1 不同灌溉水量对农田N2O排放的影响

对于需水量大的露天水稻，冯泽宇[1]通过对比研究稻田的淹水灌溉(3～5cm水层)和节水灌溉(干湿交替)发现，节水灌溉处理使N2O累计排放量增加了47.6%，这归因于节水处理的土壤通透性增加，强化了硝化作用和不完全的反硝化作用，造成N2O大量排放。相较于干湿交替灌溉，根据土壤水势制定灌溉计划(即将土壤剖面顶部15cm的土壤水势保持在-10kPa)可以节省更多的灌溉水量，并且显著减少了65%的N2O排放量[2]。

对于其他需水量少的作物，降低灌溉水量的50%可减少N2O排放量[3]。不同于传统的大水漫灌，一种新的灌溉方式为依据土壤水分蒸发蒸腾量进行灌溉。相较于传统灌溉，轻度亏缺灌溉(90%蒸发蒸腾量，ET)减少了50%的N2O排放；中度亏缺灌溉(69%～80% ET)将N2O排放减少了15%，而极端亏缺灌溉(54%～68%ET)可使N2O排放减少了40%[4]。对干旱半干旱地区旱田土壤，滴灌比沟灌有效降低了N2O排放[5]。对于设施菜田，有研究表明，微润灌溉(减少58.9%的灌溉水量)比传统灌溉降低了57.4%的N2O排放[6]，这与Li等[7]研究结果相似。

目前，关于不同灌溉水量对农田系统N2O排放的研究多集中在露天大田(如水稻)，对设施菜田的研究较少。另外，由图2可知，相较于大水漫灌，干湿交替灌溉会增加水稻田的N2O排放。而基于土壤水势灌溉虽然增加了N2O排放，但是增加量远低于干湿交替灌溉。对于需水量少的大田作物和设施菜田，降低灌溉水量会不同程度地减少N2O排放。

图2 不同灌溉水量对农田N2O排放的影响

2.2 不同灌溉水量对农田氨挥发的影响

由表2可知，相对于淹水灌溉，控制灌溉会减少水稻田3.9%的氨挥发量，而降低淹水深度会使氨挥发量增加。而对于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量会增加氨挥发量。对于温室菜田系统，降低15%～18.7%的灌溉水量会增加46.7%～49.0%的氨挥发量。

表2 不同灌溉水量对农田氨挥发的影响

对于需水量较大的水稻田，Suting等[8]研究结果表明，控制灌溉处理的累计氨挥发量比大水漫灌处理低3.9%。与之相反，将水稻田的淹水深度从5cm降低至3cm和1cm会导致氨挥发量分别增加8.2%和28.0%[9]。这与王磊等[10]研究结果相似。

对于设施菜田，罗伟等[11]研究表明，降低灌溉量将会使黄土高原地区日光温室番茄-西瓜轮作系统氨累计排放量增加了46.7%。这与Wuhan等[12]研究结果类似。

2.3 不同灌溉水量对农田氮素淋溶的影响

由表3可知，相对于淹水灌溉，干湿交替灌溉会减少水稻田9.4%～44%的氮素淋溶。而对于其他需水量少的大田作物，降低21.9%～84.5%的灌溉水量会减少10.2%～97.9%的氮素淋溶。对于设施菜地，降低20%～58.9%的灌溉水量会减少0%～87%的氮素淋溶。

表3 不同灌溉水量对农田氮素淋溶的影响

氮素淋溶是氮肥损失的另一重要途径。对于需水量大的露天水稻，Amin等[14]研究发现，增加灌溉的间隔时间会降低42%～44%的N浸出浓度，这可能是由于延长的干燥过程引起了更好的硝化作用和优先流动路径。与淹灌相比，节水灌溉对稻田渗漏水氮素浓度及各氮素占总氮的比例影响不大，但降低了14.2%的渗漏水量和9.4%的TN淋失量。

对于设施菜田系统，Chen等[15]研究结果表明，减少20%的灌溉水量显著降低了N的淋溶，增加了用水效率，但同时导致茄子产量急剧下降。有研究表明，冬春季设施番茄的最佳灌溉水输入范围为3500～4000m3·hm-2。与常规灌溉相比，这种灌溉模式分别减少了87%和84%的硝酸盐和可溶性有机氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)浸出，同时作物产量仅略有下降(<5%)。这与Li等[7]研究结果相似。

目前，关于不同灌溉水量对农田系统氮素淋溶的研究多集中在露天大田(如水稻)，对设施菜田的研究较少。另外，降低灌溉水量会不同程度地减少农田系统氮素淋溶，见图3。

图3 不同灌溉水量对农田氮素淋溶的影响

3 不同灌溉水量对农田氮素循环功能微生物的影响

冯泽宇[1]在水稻田进行灌溉试验发现，与淹水灌溉处理相比，节水灌溉处理土壤氮循环微生物氨氧化古菌功能基因丰度增加44.6%，氨氧化细菌增加39.1%。与淹水灌溉处理相比，节水灌溉处理稻田土壤反硝化细菌功能基因nirK下降36.4%，nirS下降41.9%，nirZ下降42.3%。

对于设施菜地，曹子敏[16]研究表明，滴灌能够显著增加氨氧化古菌的数量；Rhodanobacter(罗河杆菌属)是对照处理(CK)、农民习惯处理(FP)、滴灌施肥处理(FPD)中的优势菌属，而优化滴灌施肥处理(OFPD)的优势菌属是Pseudomonas(假单胞菌属)；施肥滴灌显著改变了土壤中nirS型反硝化细菌的群落结构；N2O排放量与nirK型反硝化细菌多样性呈显著正相关(R=0.6034，P=0.0452)，与nirS型反硝化细菌多样性影响不显著。蔡树美等[17]研究表明，随着土壤含水量升高，Aeromonas和Flavobac-terium菌属的相对丰度增加，促进土壤固氮过程，有利于稳定土壤碳氮循环。

4 讨论

对于需水量大的水稻，减少灌溉水量将会导致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨挥发降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，总氮素损失降低了0.91～1.65kg·hm-2。对于其他需水量小的作物，减少灌溉水量将会导致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨挥发增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，总氮素损失降低29.39～283.5kg·hm-2。因此，减少灌溉水量可降低农田生态系统氮素损失。

将灌溉方式从传统的漫灌变成干湿交替灌溉虽然提升了水稻田的用水效率，但是同时增加了N2O排放。造成这种情况的原因是干湿交替灌溉通过改变土壤含水量促进了硝化、反硝化进程，进而导致N2O排放量增加。而依据土壤水势灌溉不仅可以节省更多的灌溉水量，同时对于N2O排放具有一定的抑制作用[2]。对于其他需水量少的作物，减少灌溉水量降低了土壤含水量，使土壤反硝化过程被抑制，进而导致N2O排放量减少[5]。

以根系生长土层饱和土壤含水量的60%～80%为基础进行灌溉增加了水稻田施肥后氨挥发峰值，但同时降低了生育期氨挥发总量[8]。原因可能是在水稻生育期高温下，无水层的田面升温较快，从而加剧氨挥发损失。但施肥后几天，控制灌溉稻田逐渐由薄水层变为无水层。NH4+-N随水流向下迁移。表层NH4+浓度降低，从而降低氨挥发损失。与之相反，降低淹水深度增加了水稻田氨挥发量[9]。主要原因是降低淹水深度增加了地表水pH、C(NH4+)/C(H+)比值和C(NH4+)值，从而增加了稻田氨挥发。还有报告称，增加地表水深度和持续时间有助于减少稻田NH3排放[18]。对于其他需水量少的作物，减少灌溉水量都表现出增加农田氨挥发量的趋势。铵在土壤中的扩散依赖于土壤水分，而土壤水分不足限制了NH4+在土壤中的向下移动，为氨挥发提供了更多的底物。高土壤含水量将NH4+运移至低pH区，被固定、吸附到有机和无机土壤胶体或转化为其他形式[19]。

干湿交替灌溉提高了水稻田淋溶液氮素浓度，这是因为节水灌溉条件下灌溉量和田面水深降低，淋溶水量减少导致基质浓度增大[20]。同时，由于田间淋溶水量的大幅削减，氮素淋失也显著降低[13]。而增加灌溉的间隔时间会降低淋溶液氮素浓度，可能由于延长的干燥过程促进了硝化过程[14]。而对于其他作物，减少灌溉量均降低了淋溶水量，且显著增加了土壤剖面中的硝酸盐浓度，进而降低氮素淋失风险。然而当施肥量较少时，降低灌溉水量对氮素淋失的影响较小[6]。

5 结论

近年来，国内外对农田生态系统氮素的有效利用十分关注，并就不同灌溉水量对农田系统氮素损失进行了一系列研究，通过对不同灌溉水量下农田系统氮素损失及氮循环功能微生物的综合分析，得到以下结论。对于需水量大的水稻，减少10.8%～57.8%灌溉水量将会导致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨挥发降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，总氮素损失降低了0.91～1.65kg·hm-2；对于其他需水量小的作物，减少10%～84.5%灌溉水量将会导致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨挥发增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，总氮素损失降低了29.39～283.5kg·hm-2；减少灌溉显著增加了氨氧化细菌(39.1%)和氨氧化古菌(44.6%)基因丰度，降低了反硝化功能基因丰度(36.4%～42.3%)；减少灌溉水量不仅可以节省农业水资源，还可以减少农田生态系统氮素损失，降低农业面源污染风险；目前关于不同灌溉方式下农田氮素淋溶机制的研究较少，今后关于农田氮素损失及微生物的研究方向应当将氮素淋溶与氮循环功能微生物结合起来。