第35卷 第11期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 95 水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛(wèi)，劉 鑫，臧 明 （華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院/水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046） 摘 要：為了解水肥氣耦合滴灌下不同水肥氣調(diào)控措施對土壤N2O排放的影響，該研究設(shè)置施氮量（低氮和常氮）、摻氣量（不摻氣和循環(huán)曝氣處理）和灌水量（低濕度和高濕度處理）3因素2水平完全隨機(jī)試驗(yàn)，通過靜態(tài)箱-氣相色譜法、qPCR技術(shù)和結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)研究了不同水肥氣組合方案下溫室番茄地土壤N2O排放特征及其與相關(guān)影響因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明，水肥氣耦合滴灌下N2O排放峰值出現(xiàn)在施氮后2 d內(nèi)，其余時(shí)期N2O排放通量較低且變幅較小。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可增加土壤N2O排放通量和排放總量。其中，高濕度條件下N2O排放總量較低濕度平均增加了30.14%，曝氣條件下N2O排放總量較對照平均增加了35.16%，常氮條件下N2O排放總量較低氮平均增加了33.83%。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可提高溫室番茄的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力。土壤NH4+-N和NO3-N含量對N2O排放的總效應(yīng)為0.60和0.79，是影響水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導(dǎo)因子。綜合考慮作物產(chǎn)量、N2O排放總量和氮肥偏生產(chǎn)力，常氮曝氣低濕度處理是適宜的水肥氣耦合滴灌方案。 關(guān)鍵詞：肥料；灌溉；排放控制；N2O排放；影響因素；結(jié)構(gòu)方程模型 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 中圖分類號：S275.6; S365 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2019)-11-0095-10 雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛(wèi)，劉 鑫，臧 明. 水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：95104. 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 irrigationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 95104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http:/www.tcsae.org 0 引 言 氧化亞氮（nitrous oxide，N2O）是大氣中重要的溫室氣體，因增溫效應(yīng)巨大、滯留大氣時(shí)間長、破壞大氣臭氧層，受到各國學(xué)者的關(guān)注1。農(nóng)業(yè)N2O排放量約占全球人為排放量的70%2，中國80%人為排放的N2O排放來源于農(nóng)田土壤3。設(shè)施菜地因具有氮肥用量大、復(fù)種指數(shù)高及灌溉頻繁等特點(diǎn)，導(dǎo)致N2O大量排放4。灌溉施肥是影響農(nóng)田水分、氮素和氧氣含量以及土壤N2O排放的重要措施5。水肥氣耦合滴灌是在水肥耦合和曝氣灌溉基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型灌溉技術(shù)，可提高土壤氧氣含量，緩解根區(qū)缺氧狀況，增大土壤呼吸，適時(shí)適量地補(bǔ)充土壤水分養(yǎng)分，促進(jìn)植株生長，提高產(chǎn)量及水肥利用效率6。 土壤N2O排放主要受土壤微生物所驅(qū)動的硝化作用和反硝化作用控制7。農(nóng)田硝化和反硝化作用受到土壤微生物、土壤水分、養(yǎng)分和氧氣含量等諸多因素的影響，而土壤水分、氮素和氧氣含量不僅影響著微生物種類和數(shù)量，還影響N2O的排放8。目前關(guān)于農(nóng)田土壤N2O排收稿日期：2018-11-15 修訂日期：2019-05-25 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（U1504512，51779093，51709110）、河南省科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（174100510021）和中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（194200510008） 作者簡介：雷宏軍，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：hj_lei2002163.com 放特征及影響因素的研究已有諸多報(bào)道，如宋亞娜等9發(fā)現(xiàn)施氮量的增加促進(jìn)了稻田N2O的排放及細(xì)菌群落多樣性的增加；鄭欠等10發(fā)現(xiàn)土壤含水量增大增加了N2O排放；陳慧等11研究表明，加氣灌溉促進(jìn)了土壤N2O排放。上述研究揭示了水、肥、氣等調(diào)控下農(nóng)田N2O的排放特征，但水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放特征、作用機(jī)制及適宜的調(diào)控參數(shù)尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。 研究表明，土壤化學(xué)特性和微生物群落結(jié)構(gòu)是決定土壤N2O排放的內(nèi)在驅(qū)動因素12，因此，從土壤環(huán)境因子、硝化反硝化微生物對農(nóng)業(yè)措施的響應(yīng)關(guān)系入手揭示水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放的作用機(jī)制有重要意義。本研究設(shè)置了施氮量、摻氣量和灌水量3因素2水平組合方案試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了水肥氣耦合滴灌對土壤微生物、土壤理化指標(biāo)響應(yīng)及農(nóng)田土壤N2O排放的影響，并分析了水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導(dǎo)影響因素及其作用機(jī)制，為設(shè)施菜地土壤N2O減排調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)場地概況 試驗(yàn)于2017年9月27日2018年1月28日在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)場現(xiàn)代化溫室中進(jìn)行（34475.91N，1134720.15E）。該地屬溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3 ，7月份最熱，月平均氣溫27.3 ，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 96 1月份最冷，月平均氣溫0.1 ，無霜期200 d，全年日照時(shí)數(shù)約2 400 h。作物生育期平均氣溫和相對濕度動態(tài)列于圖1。 圖1 溫室番茄生育期平均氣溫和相對濕度（RH）動態(tài) Fig.1 Air temperature and relative humidity (RH) dynamics during greenhouse growing cropping season 1.2 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)中供試土壤的砂粒（0.022 mm）、粉粒（0.0020.02 mm）、黏粒（1020、2030和3040 cm的土壤容重分別為1.26、1.48、1.50、1.55 g/cm3。剖面土壤質(zhì)地均勻，表層土壤pH值6.5，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.62 g/kg，土壤全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.81、0.79和30.38 g/kg，田間持水率（質(zhì)量含水率）28.0%。供試番茄品種為“金鵬8號”。 1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置施氮量、摻氣量、灌水量3因素2水平完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理，4次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)列于表1。 表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 Experimental design 處理 Treatment 施氮量 Nitrogen amount/ (kghm-2) 摻氣比例 Air void fraction/% 灌水量 Irrigation volume/mm N1CW1 135 0 82.37 N1AW1 135 15 82.37 N1CW2 135 0 123.71 N1AW1 135 15 123.71 N2CW1 180 0 82.37 N2AW1 180 15 82.37 N2CW2 180 0 123.71 N2AW2 180 15 123.71 注：N1、N2分別為低氮和常氮用量，C、A分別為對照和曝氣處理，W1、W2分別為低濕度和高濕度灌溉處理，下同。 Note: N1, N2 are the low and normal nitrogen application rate. C, A are the non-aerated and continuous aerated treatment. W1, W2 are the watering amount with low and high soil humidity management, the same as below. 試驗(yàn)中共32個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長2 m，寬1 m。于小區(qū)內(nèi)起壟進(jìn)行番茄種植，壟高10 cm，每壟移植5株，株距33 cm。研究中利用水肥氣耦合滴灌裝置進(jìn)行曝氣，采用非壓力補(bǔ)償型滴灌帶進(jìn)行輸水，型號為JOHN DEERE，直徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭設(shè)計(jì)流量1.2 L/h，滴頭間距33 cm，埋深15 cm。植株距滴頭10 cm，平行于滴灌帶種植。 1.4 試驗(yàn)管理 番茄于4葉1心至5葉1心進(jìn)行移植。移植當(dāng)天澆透底水，移植后10 d覆膜，株高3040 cm時(shí)進(jìn)行吊蔓，三穗果時(shí)打頂。番茄全生育期共計(jì)124 d，生育期劃分詳見表2。 表2 番茄生育期劃分 Table 2 Duration of tomato growth period 生育期 Growth stage 起止時(shí)間 Start and end date 移栽后時(shí)期 Duration/d 苗期Seedling stage 2017-09-272017-10-23 127 開花坐果期 Blooming and setting stage 2017-10-242017-11-18 2853 果實(shí)膨大期 Fruit expanding stage 2017-11-192017-12-16 5481 成熟期Maturing stage 2017-12-172017-01-28 82124 供試肥料為高鉀型水溶性肥，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、脲態(tài)氮、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、1%、7%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施樂多，中國康拓肥料有限公司）。番茄移栽前未施基肥，于番茄移栽后的44和65 d進(jìn)行追肥，施肥比例為1:1。利用施肥器將水溶肥摻入水流，在儲水罐中循環(huán)混勻后進(jìn)行施肥。對照地下滴灌處理利用首部供水裝置進(jìn)行供水；曝氣地下滴灌處理利用文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 684，美國Mazzei Corp公司）進(jìn)行曝氣：當(dāng)水流經(jīng)過文丘里空氣射流器時(shí)，因涌流而致橫截面積變小流速上升，因而壓力減小產(chǎn)生負(fù)壓，吸入承壓罐體上方的空氣，進(jìn)行曝氣。試驗(yàn)中利用儲水管路、循環(huán)泵、文丘里空氣射流器等設(shè)備制得摻氣比率約為15%的摻氣水（曝氣20 min），通過地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌水13。各小區(qū)供水系統(tǒng)獨(dú)立，供水壓力為0.10 MPa，采用滴水計(jì)量器計(jì)量灌水量。試驗(yàn)中灌水下限根據(jù)距離植株徑向10 cm、縱向10 cm埋深處的張力計(jì)（12型分體式張力計(jì)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所）確定：當(dāng)土壤基質(zhì)勢下降至30 kPa時(shí)開始灌溉。灌水量根據(jù)式（1）計(jì)算11 P PW A E K （1） 式中W為各處理每次的灌水量，mm；A為小區(qū)控制面積，2 m2；EP為1個(gè)灌水周期內(nèi)蒸發(fā)皿（型號為601）的蒸發(fā)量，mm；KP為蒸發(fā)皿系數(shù)，取值0.6和0.9，分別表示低濕度處理W1，高濕度處理W214。灌溉時(shí)間及灌水量見表3。 1.5 樣品采集與測定方法 1.5.1 氣體N2O樣品采集與分析 試驗(yàn)中利用靜態(tài)箱采集氣體樣品，箱體及底座均采用壁厚6 mm的圓柱形中空PVC管制成，內(nèi)徑15 cm，高度10 cm。隨機(jī)選擇2株番茄間進(jìn)行靜態(tài)箱底座的埋設(shè)，每個(gè)處理隨機(jī)選擇3個(gè)小區(qū)進(jìn)行氣體的監(jiān)測。埋設(shè)時(shí)將靜態(tài)箱底座的一半嵌入土壤，非采氣時(shí)間用圓形地膜遮蓋，采氣時(shí)間移去地膜，蓋上箱體并用橡皮圈密封。研究中分別于移植后35、36、43、47、48、57、61、66、第11期 雷宏軍等：水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 97 67、69、74、82、89、95 d進(jìn)行采氣。采樣時(shí)間分別于蓋上箱體的0、10、20和30 min利用帶三通閥的50 mL注射器進(jìn)行氣體采集，每次取氣35 mL，其中5 mL用于潤洗，其余30 mL注入12 mL具塞樣品瓶中。采集的氣體樣品1周內(nèi)利用氣相色譜儀（GC-2010Plus，日本島津公司）分析N2O濃度。去除奇異點(diǎn)，保證樣品濃度值與時(shí)間的線性回歸決定系數(shù)R20.85。氣體采集的同時(shí)，利用安插在箱體內(nèi)的溫度計(jì)測量箱內(nèi)溫度。依據(jù)公式（2）計(jì)算土壤N2O排放通量15。 273 d273 dcF h T t （2） 式中F為土壤N2O排放通量，mg/(m2h)；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，g/cm3；h為箱體高度，m；dc/dt 為氣體濃度變化率，mg/(m3h)；T為箱體內(nèi)氣溫，。 表3 作物生育期內(nèi)灌水量 Table 3 Irrigation volume during crop growing season 灌水量 Irrigation water volume/mm 灌溉時(shí)間 Irrigation time 移植后天數(shù) Days after transplanting/d W1 W2 2017-10-17 21 4.80 7.20 2017-10-24 28 5.04 7.56 2017-10-30 34 5.64 8.46 2017-11-9 44 9.36 14.04 2017-11-15 50 5.04 7.56 2017-11-21 56 3.90 5.85 2017-11-25 60 5.04 7.56 2017-11-30 65 4.08 6.12 2017-12-8 73 6.90 10.35 2017-12-15 80 5.94 8.91 2017-12-22 87 5.67 8.50 2017-12-28 93 5.27 7.90 2018-01-5 101 6.93 10.40 2018-01-13 109 6.27 9.40 2018-01-21 117 2.50 3.90 合計(jì)In total - 82.37 123.71 溫室番茄地土壤N2O累積排放量依據(jù)式（3）計(jì)算 12 TOt 11NO ( ) 24 102n i i i iiF F t t （3） 式中N2OTot表示作物生育期內(nèi)土壤N2O排放總量，g/hm2；i表示生育期氣樣采集次序；n為生育期內(nèi)氣體采集的總次數(shù)；F為N2O排放通量，mg/(m2h)；t為移植天數(shù)，d；10為單位換算系數(shù)。 分批收獲番茄果實(shí)，利用精度為0.01 g的天平測定番茄產(chǎn)量。單位產(chǎn)量N2O累積排放量見式（4）15 2 2 TotNO NO_Y S Y （4） 式中 2NO_Y S 為單位產(chǎn)量N2O排放量（yield-scaled N2O emission），g/kg；Y為作物產(chǎn)量，t/hm2。 氮肥偏生產(chǎn)力依據(jù)式（5）計(jì)算16 N 1000PFP YN （5） 式中 PFPN 為氮肥偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor productivity），kg/kg；N為不同處理小區(qū)施氮量，kg/hm2。 1.5.2 土壤物理、化學(xué)指標(biāo)的測定 土壤N2O排放通量主要由表層土擴(kuò)散排放，土層較深時(shí)，氣體擴(kuò)散受阻。因此土壤礦質(zhì)氮選取010 cm土層測定，土壤溫度選擇土深10 cm處測定17。利用氧化還原電位測量儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國）測定土壤氧化還原電位（oxidation-reduction potential，Eh）和氧氣擴(kuò)散速率（oxygen diffusion rate，ODR）。預(yù)試驗(yàn)研究表明，探頭20 cm時(shí)，不同處理的Eh和ODR差異顯著，而探頭低于20 cm時(shí)，兩者無顯著差異，故研究中選擇20 cm進(jìn)行Eh和ODR探頭的埋設(shè)。利用土壤濕度記錄儀（FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司）測定土深10 cm處土壤濕度。FDS-100水分傳感器埋設(shè)于布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中間。土壤充水孔隙度依據(jù)式（6）計(jì)算15。 WFPS (1 / )m bb s （6） 式中WFPS為充水孔隙度（water-filled pore space），%；m為土壤質(zhì)量含水率，%；b為土壤容重，g/cm3；s為土粒密度，取值2.65 g/cm3。 試驗(yàn)中于施肥前后及生育期末進(jìn)行土壤樣品的采集，采集時(shí)間為移植后36、47、61、66和120 d。測定礦質(zhì)氮的取土深度為010 cm，每個(gè)小區(qū)各設(shè)1個(gè)取土位置，取土位置為未布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中央，取土后將取土造成的坑洞填平。取樣后將樣品立即放于4 冰箱保存13 d后待測18。利用2 mol/L KCL溶液浸提土樣，土壤硝態(tài)氮利用紫外分光光度法測定，土壤銨態(tài)氮利用靛酚藍(lán)比色法測定。土壤礦質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)式（7）計(jì)算15。 1000 C VM W （7） 式中M為礦質(zhì)氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；C為樣品礦質(zhì)氮濃度，mg/L；V為樣品提取液體積，0.05 L；W為樣品質(zhì)量，5.00 g。 1.5.3 土壤硝化與反硝化微生物DNA提取和qPCR分析 番茄果實(shí)膨大期土壤N2O排放通量較大，因此在果實(shí)膨大期（移植后77 d）采集土壤樣品（010 cm）11，測定微生物取土位置為每個(gè)小區(qū)中部未布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中央處。土樣經(jīng)液氮冷凍后，置于冷凍干燥機(jī)（Neocoole，日本雅馬拓科技公司）干燥，于無菌碾缽中碾磨成粉末狀，去除動植物殘?bào)w等雜質(zhì)，裝入無菌離心管，置于70 冰箱保存。硝化反應(yīng)中銨態(tài)氮通過亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，其中由銨態(tài)氮氧化成亞硝酸鹽是硝化反應(yīng)的限速步驟，由氨氧化細(xì)菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）催化完成19。硝酸鹽還原酶控制著反硝化作用的第一步，硝酸鹽還原酶基因（nitrite reductase，narG）是農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 98 對應(yīng)的編碼基因；氧化亞氮還原酶控制著反硝化作用的最后一步，氧化亞氮還原酶基因（nitrous oxide reductase，nosZ）是編碼此酶的唯一基因19-20。依據(jù)文獻(xiàn)19方法測定AOA、AOB和nosZ，依據(jù)文獻(xiàn)21方法測定narG。 1.6 數(shù)據(jù)處理 使用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖；用SPSS 18.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析；利用AMOS 22.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析。 2 結(jié)果與分析 2.1 水肥氣耦合滴灌下N2O排放特征 圖2列出了不同處理下番茄地土壤N2O排放動態(tài)，施肥后土壤N2O排放通量出現(xiàn)短暫峰值，其余時(shí)期各處理N2O排放通量較低。 a. N1處理 a. N1 treatment b. N2處理 b. N2 treatment 注：代表灌水事件，下同。 Note: represents irrigation events, same as below. 圖2 不同處理下番茄地土壤N2O排放動態(tài) 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為163.69 g/(m2h)（N2AW2處理），較處理N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高188.78%、111.27%、106.93%、45.45%、87.24%、55.37%、59.50%。試驗(yàn)加密監(jiān)測了第二次灌水施肥周期內(nèi)土壤N2O排放動態(tài)。施肥后各處理土壤N2O排放通量峰值出現(xiàn)時(shí)間略有差異。低濕度處理N2O排放通量峰值出現(xiàn)在灌水后1 d，其余處理出現(xiàn)在灌水后2 d。施氮量、摻氣量和灌水量的增加均導(dǎo)致N2O排放通量峰值提高和排放峰出現(xiàn)時(shí)間延后。不同處理土壤N2O排放通量次峰值最大值為132.69 g/(m2h)（N2AW2），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高165.24%、96.27%、97.45%、86.67%、79.41%、10.48%和45.50%。 番茄不同生育階段土壤N2O排放量見表4。 表4 溫室番茄不同生育階段土壤N2O排放量 Table 4 N2O emission from soils at different growth stages under greenhouse tomato cropping stage ghm-2 處理 Treatment 苗期 Seedling stage 開花坐果期 Blooming and setting stage 果實(shí)膨大期 Fruit expanding stage 成熟期 Mature stage N2O排放總量 Total N2O emissions N1CW1 / 104.6016.34e 149.479.56d 22.320.69e 261.9622.73d N1AW1 / 151.953.47d 237.2813.16c 24.422.89de 391.248.16c N1CW2 / 160.3615.50cd 206.0611.16c 25.904.98de 369.1215.53c N1AW2 / 213.3811.05b 282.356.38b 28.191.37cd 493.619.54b N2CW1 / 149.7317.10d 235.8015.21c 25.281.03de 387.3330.21c N2AW1 / 185.6525.82bc 310.9525.46b 31.162.08bc 499.6741.99b N2CW2 / 188.9028.66bc 294.4916.31b 33.732.99ab 488.9736.19b N2AW2 / 261.5321.04a 390.3150.28a 37.170.64a 652.7958.87a 施氮量N / 25.33* 92.87* 41.95* 94.29* 摻氣量O / 45.71* 82.08* 11.24*s 100.69* 灌水量W / 56.49* 42.01* 28.41* 77.29* NO / 0.07ns 0.03ns 1.45ns 1.18ns NW / 0.01ns 0.97 ns 3.03 ns 0.73ns OW / 1.88 ns 0.06 ns 0.30 ns 0.78ns NOW / 1.01ns 0.76 ns 0.41 ns 1.14ns 注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示P=0.05水平存在顯著性差異，*和*分別表示P=0.05和P=0.01水平存在顯著性差異，ns表示P=0.05水平不存在顯著性差異，下同。 Note The different letters at same column indicate significant differences at the level of P=0.05, * and * respectively indicate that there is a significant difference at P=0.05 and P=0.01 levels, while ns indicates that there is no significant difference at P=0.05 level, the same as below. 表4列出了番茄不同生育階段土壤N2O排放量。由于N2O的排放總量和排放峰值與施肥密切相關(guān)。已有研究表明N2O的排放峰值和總量與施肥密切相關(guān)，峰值均出現(xiàn)在施肥后且具有較大占比22-23，因此本研究在番茄移栽前和苗期均未進(jìn)行施肥，苗期N2O排放量對全生育期排放總量的影響較小。施氮量增大增加了土壤N2O排放總量，N2水平下，處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較N1水平下各相應(yīng)處理分別增大47.86%、27.71%、32.47%和32.25%（P0.05），故N2條件下N2O排放總量較N1平均增加33.83%；摻氣處理增加了土壤N2O排放總量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的N2O排放總量較相應(yīng)的不摻氣對照處理增加了49.35%和33.74%（P0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的N2O排放總量較相應(yīng)的不摻氣對照處理增加了29.00%和33.50%（P0.05），故曝氣條件下N2O排放總量較不摻氣對照平均增加35.16%；灌水量的增加增大了土壤N2O排放總量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、第11期 雷宏軍等：水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 99 N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較W1水平下各相應(yīng)處理增加了40.90%、26.17%、26.24%和30.64%（P0.05），故W2條件下N2O排放總量較W1平均增加30.14%。由土壤N2O排放總量的交互作用分析知：灌水量、摻氣量和施氮量的3因素交互作用和兩兩交互作用都不顯著。綜上，就土壤N2O排放總量而言，摻氣量對土壤N2O排放總量的影響高于施氮量。不同處理土壤N2O階段排放量表現(xiàn)為番茄成熟期最小；開花坐果期次之；果實(shí)膨大期最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余2個(gè)生育階段。 不同水肥氣組合方案下單位產(chǎn)量N2O累積排放定額及氮肥偏生產(chǎn)力見表5。表5表明，施氮量的增加提高了作物產(chǎn)量，N2水平下處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的產(chǎn)量較N1水平下各相應(yīng)處理分別增加35.24%、44.98%、38.87%和44.39%（P0.05）；曝氣處理提高了番茄產(chǎn)量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的產(chǎn)量較相應(yīng)對照處理增加了19.79%和19.34%（P0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的產(chǎn)量較相應(yīng)對照處理增加了28.42%和24.08%（P0.05）；灌水量的增多提高了番茄產(chǎn)量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的番茄產(chǎn)量較W1水平下各相應(yīng)處理增加了40.66%、40.13%、44.43%和39.55%（P0.05）。 表5 水肥氣耦合滴灌番茄地單位產(chǎn)量N2O排放定額及 氮肥偏生產(chǎn)力 Table 5 Yield-scaled N2O emission and nitrogen partial productivity of tomato soil under water, fertilizer and air coupled irrigation 處理 Treatment 產(chǎn)量 Yield/(thm-2) 單位產(chǎn)量 N2O排放定額 Yield-scaled N2O emission/(mgkg-1) 氮肥偏生產(chǎn)力 Nitrogen partial factor productivity/(kgkg-1) N1CW1 16.291.01f 16.131.79bc 120.647.49d N1AW1 19.510.70e 20.060.44a 144.525.21e N1CW2 22.910.59d 16.131.09bc 169.704.39c N1AW2 27.340.52c 18.060.37ab 202.523.86b N2CW1 22.030.27d 17.571.16bc 122.371.53f N2AW1 28.290.41c 17.681.67bc 157.152.27d N2CW2 31.811.18b 15.401.58c 176.756.54c N2AW2 39.471.04a 16.561.82bc 219.315.78a 施氮量N 781.26* 2.05ns 21.75* 摻氣量O 287.61* 10.35* 267.76* 灌水量W 775.54* 5.72* 745.07* NO 24.27* 4.32ns 6.35* NW 26.230* 0.34ns 1.34ns OW 4.20ns 0.18ns 4.17ns NOW 0.02ns 1.91ns 0.02ns 單位產(chǎn)量 N2O 排放定額最小為 20.29 mg/kg（N2CW1），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW2、N2AW1、N2CW1和N2AW2減小12.13%、28.76%、18.37%、37.11%、19.26%、12.23%和27.88%。曝氣處理增加了單位產(chǎn)量N2O排放定額，N1AW1處理單位產(chǎn)量N2O排放定額較N1CW1處理增加24.36%（P0.05）。曝氣處理提高了番茄氮肥偏生產(chǎn)力，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的氮肥偏生產(chǎn)力較相應(yīng)對照處理增加了19.78%和19.34%（P0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的氮肥偏生產(chǎn)力較相應(yīng)對照處理增加了28.42%和24.08%（P0.05）。 2.2 土壤物理化學(xué)因子分析 土壤濕度、溫度、氧化還原電位（Eh）、氧氣擴(kuò)散速率（ODR）、NO3-N、NH4+-N的動態(tài)變化如圖3所示。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)研究，不同施氮水平對土壤充水孔隙度、土壤溫度、氧化還原電位和氧擴(kuò)散速率無顯著影響，故試驗(yàn)中僅選擇N2施肥水平進(jìn)行測定。圖3a顯示，不同處理土壤充水孔隙度變化趨勢基本一致，灌水后土壤充水孔隙度迅速上升至峰值，峰值時(shí)高濕度處理土壤充水孔隙度高于低濕度處理，之后隨著時(shí)間的推移2種灌水量的土壤充水孔隙度逐漸接近。低濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對照處理平均降低了1.34%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對照處理平均降低了7.45%。不摻氣處理下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了12.63%；曝氣灌溉下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了6.12%。 整個(gè)生育期土壤溫度在13.025.7 范圍內(nèi)波動，不同處理土壤溫度變化幅度較?。▓D3 b）。一個(gè)灌水周期內(nèi)氧化還原電位呈現(xiàn)灌水后先下降后上升的趨勢，上升和下降階段均持續(xù)1 d左右，其余時(shí)間各處理氧化還原電位波動較小（圖3c）。低濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對照處理平均增大了3.22%；高濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對照處理平均增大了36.41%。對照灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均降低了7.91 %；曝氣灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均增大了23.29%。 ODR與Eh的變化趨勢基本一致，但灌水后氧氣擴(kuò)散速率上升和下降階段持續(xù)時(shí)間較長（圖3d）。低濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對照灌溉處理平均增大了7.70%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對照處理平均增大了29.23%。不摻氣處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均降低了5.81%；曝氣灌溉處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均增大了12.60%。 番茄生長季內(nèi)，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，在0.574.45 mg/kg范圍內(nèi)變化。土壤無機(jī)氮中硝態(tài)氮占比較大，且不同灌水量處理土壤硝態(tài)氮含量與施肥及N2O排放有關(guān)，低濕度處理土壤硝態(tài)氮含量及N2O排放均低于高濕度處理（P0.05），施肥后土壤硝態(tài)氮含量明顯提升（圖3e）。全生育期土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢與硝態(tài)氮一致，但土壤氨態(tài)氮所占比率較?。▓D3f）。 2.3 番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度 溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度見表6。增加灌水量，N2CW2處理溫室番茄地AOB基因豐度呈上升趨勢，增大81.80%（P0.05）；處理N2AW2溫室番茄地nosZ基因豐度差異不顯著；與對應(yīng)不摻氣對照相比，曝氣灌溉N2AW1處理增溫室番茄地AOA數(shù)量差異不顯著。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 100 圖3 溫室番茄地土壤濕度（WFPS）、溫度、氧氣擴(kuò)散速率、氧化還原電位(Eh)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮?jiǎng)討B(tài) Fig.3 Water filled pore spaces (WFPS), temperature, oxygen diffusion rate, oxidation-reduction potential (Eh), nitrate and ammonium dynamics in soils under greenhouse tomato cropping system 表6 溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度 Table 6 Soil functional gene abundance of nitrifying and denitrifying microorganisms under greenhouse tomato cropping system 處理 Treatment AOA/ (105 copiesg-1) AOB/ (103 copiesg-1) narG/ (105 copiesg-1) nosZ/ (104 copiesg-1) N2CW1 3.751.03a 7.301.94b 9.933.63a 3.140.77a N2AW1 3.860.93a 6.280.96b 8.362.74a 1.740.32a N2CW2 2.980.13a 13.274.96a 7.941.04a 2.590.30a N2AW2 2.720.59a 4.751.90b 6.771.40a 1.770.25a 摻氣量O 1.816ns 8.922* 0.001ns 15.141* 灌水量W 8.538* 4.419ns 0.524ns 0.353ns OW 0.258ns 6.012* 0.279ns 1.558ns 注：AOA為氨氧化古菌；AOB為氨氧化細(xì)菌； narG 為硝酸鹽還原酶基因；nosZ為氧化亞氮還原酶基因。 Note: AOA is ammonia-oxidizing archaea; AOB is ammonia- oxidizing bacteria; narG is nitrite reductase; nosZ is nitrous oxide reductase. 2.4 結(jié)構(gòu)方程模型分析 圖4給出了土壤N2O排放影響因素的結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果。 注：WFPS、ODR、NH4+、NO3-、Ts分別表示土壤充水孔隙度、氧氣擴(kuò)散速率、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和土壤溫度。 Note: WFPS, ODR, NH4+, NO3-