加气灌溉水氮互作对温室芹菜地N2O排放的影响

杜娅丹，张 倩，崔冰晶，谷晓博，牛文全,3※（. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 7200；2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 7200；3. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 7200）

加气灌溉水氮互作对温室芹菜地N2O排放的影响

杜娅丹1,2，张 倩1,2，崔冰晶1,2，谷晓博1，牛文全1,2,3※
（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100；3. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100）

为揭示加气条件下不同灌溉和施氮量对设施菜地N2O排放的影响，提出有效的N2O减排措施，该研究以温室芹菜为例，设置充分灌溉（1.0 Ep，I1；Ep为2次灌水间隔内Φ20 cm标准蒸发皿的累计蒸发量）和亏缺灌溉（0.75 Ep，I2）2个灌溉水平和0（N0）、150（N150）、200（N200）、250 kg/hm2（N250）4个施氮水平，采用静态箱-气相色谱法对各处理土壤N2O的排放进行监测，并分析不同灌溉和氮肥水平下土壤温度、湿度、矿质氮（NH+4-N和NO-3-N）、硝化细菌和反硝化细菌的变化，以及对土壤N2O排放的影响。结果表明：充分灌水温室芹菜地N2O排放显著（P＜0.05）高于亏缺灌溉；施氮显著（P＜0.05）增加了土壤N2O排放，N150、N200和N250处理的N2O累积排放量分别是N0处理的2.30、4.14和7.15倍。设施芹菜地N2O排放与土壤温度、湿度和硝态氮含量呈指数相关关系（P＜0.01），与硝化细菌和反硝化细菌数量呈线性相关关系（P＜0.01），而与土壤铵态氮没有显著相关关系。灌水和施氮提高芹菜产量的同时，显著增强了土壤N2O排放。综合考虑产量和温室效应，施氮量150 kg/hm2、亏缺灌溉为较佳的管理模式。该研究为设施菜地N2O减排及确定合理的水氮投入量提供参考。

土壤；温室气体；排放控制；N2O排放；灌水；氮

0 引 言

全球变暖和臭氧层破坏是当今两大备受关注的环境问题，氧化亚氮（N2O）是破坏臭氧层的最重要因子之一，N2O潜在增温作用约是CO2的298倍[1]。据报道，大气中的N2O浓度正以每年0.2%～0.3%的速度增加[2]，农田生态系统是全球N2O排放的一个重要来源[3]，全球农业每年N2O的排放量可达到3.8×106～6.8×106t，占全球N2O排放总量的25%～39%[4]。中国年化肥消耗量从1980年的9.34×106t增加到2009年的22.97×106t，超过了世界年化肥施用量的1/5。此外，中国的蔬菜种植面积从1995年的9.5×106hm2增加到2010年的18.4×106hm2，且蔬菜种植氮肥使用量约为628.05 kg/hm2，远高于粮食作物的氮肥使用量314.4 kg/hm2。菜地N2O排放是农田生态系统的重要排放源，设施蔬菜约占中国总蔬菜面积的27%[5]。设施蔬菜一般施肥量大和灌溉频繁，而灌溉和施肥是影响土壤N2O排放的重要因素[6]，显著影响土壤N2O的排放量[7]，设施蔬菜施氮量和灌溉量分别是大田作物的4.5～10倍[8]和4～7倍[9]，由此造成的设施蔬菜地N2O的排放量是大田作物的1.5～3.5倍[10]。因此，研究设施菜地N2O排放量的减控管理措施对全球温室气体减排具有重要意义。

研究表明，土壤N2O排放具有很大的变异性[11]。影响N2O排放的因素可分为两组：环境因素（气温、降雨、光照和土壤固有属性等）和人为因素（种植作物、农药、施肥、灌溉和耕作等）[12-13]。其中施肥和灌溉是影响土壤N2O排放最主要的调控因子，两者通过对土壤湿度、温度、土壤矿质氮含量和微生物群落等的影响进而改变土壤N2O排放。李银坤等[14]和张婧等[15]研究发现施氮增加土壤硝态氮含量进而促进土壤N2O急剧增加，减少氮肥投入和添加硝化抑制剂是减少设施菜地N2O排放的有效措施。土壤水分状况是影响植株对土壤中氮肥的吸收利用的重要因素之一，这就使得土壤中水分状况和氮素转化过程同时影响土壤中N2O的生成量。杨岩等[16]和王孟雪等[17]通过对不同灌水量和灌水方式的试验得出降低灌溉水量、采取控制灌溉和浅显灌水方式可显著降低土壤N2O排放量。土壤N2O排放主要是在硝化和反硝化作用下产生的，受土壤通气性影响显著[18]。加气灌溉提高了土壤氧气含量，势必改变土壤N2O的产生和排放。目前相关研究多集中于加气灌溉能提高作物产量、改善品质与提高水分利用效率[19]，但加气灌溉条件下水氮互作对设施蔬菜温室气体排放的影响还未见报道，尤其土壤环境变化对N2O排放的影响缺乏系统的分析。

芹菜（Apium graveolens L.）为伞形科植物，含有丰富的营养成分，是世界各地普遍种植的主要蔬菜之一[20]。本文以设施芹菜为对象，研究加气灌溉水氮互作对土壤特性（温度、湿度、硝态氮和铵态氮）和有关土壤氮转换微生物（硝化细菌和反硝化细菌）的影响，并对土壤环境变化与N2O排放间的关系进行分析，进而为设施菜地N2O减排及合理的水氮投入提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年10月1日至12月15日在陕西杨凌温室大棚内进行，大棚长108 m，宽8 m，东西走向。试验地点位于34°17′N，108°02′E，海拔高度521 m，年均日照时数2 163.8 h，无霜期210 d，属半湿润易旱区。温室大棚内土壤为塿土，土壤容重1.35 g/cm3，田间持水率为28.17%（质量含水率），pH值7.82，土壤孔隙度49.38%。土壤颗粒组成：砂砾（0.02～2 mm）质量分数25.4%，粉粒（0.002～0.02 mm）质量分数44.1%，黏粒（＜0.002 mm）质量分数30.5%，基本养分状况为：有机质16.48 g/kg、全氮0.96 g/kg、全磷0.36 g/kg、全钾10.4 g/kg，土壤肥力较均一。

温室芹菜生育期内，日均太阳辐射和光合有效辐射的变化趋势基本相同，而日均气温和相对湿度的变化趋势基本相反（图1），且日均太阳辐射、光合有效辐射、气温和相对湿度分别在0.6～143.5 W/m2、1.2～292.1 μE、8.5～24.9 °C和73.5%～100%之间波动。

图1 温室芹菜生育期内的日均太阳辐射、光合有效辐射、气温和相对湿度Fig.1 Daily mean solar radiation (SR), photosynthetically active radiation (PAR), air temperature (T) and relative humidity (RH) during growing season of greenhouse celery

1.2 试验材料与设计

供试芹菜品种为“皇后”，采用穴盘育苗，当幼苗高10 cm左右，有4～5片叶时进行定植；供试氮、磷和钾肥分别为尿素（N质量分数≥46%）、生物磷肥（P2O5质量分数≥16%）和农业用硫酸钾（K2O质量分数≥51%）。试验设灌水和施氮2个因素，灌水量以2次灌水间隔内Φ20 cm标准蒸发皿的累计蒸发量Ep为基数，设充分灌溉（1.0 Ep，I1）和亏缺灌溉（0.75 Ep，I2）2个灌溉水平；施氮量设0（N0）、150（N150）、200（N200）和250（N250）kg/hm24个水平，试验共8个处理，均进行加气灌溉，每个处理5个重复。

每个小区长5.5 m，宽0.5 m，小区间隔0.5 m，芹菜于2016年10月1日以行距和株距均约10 cm进行定植。定植前（9月30日）在各小区正中铺设1条地下滴灌带（直径16 mm，滴头间距30 cm），埋深10 cm，并基施40%的氮肥、150 kg/hm2的磷肥和200 kg/hm2的钾肥，灌定植水30 mm，定植后覆上薄膜。将气泵（上海宝欧机电有限公司/3.0 HP）与干管相连进行加气，在每条支管首端均安装一个阀门，便于独立控制各小区灌水量和加气量。整个生育期每2 d加气1次，每次各小区加气量134.9 L，按气泵技术参数换算为相应的加气时间，通过时间对每个小区加气量进行控制，气泵压力设定为0.7 MPa[21]。定植后，温室芹菜生育期分别于10月10日、10月23日、11月3日、11月13日、11月26日和12月7日灌水6次，并于11月3日和11月26日的2次灌水过程中将剩余的氮肥平均施入各相应施氮小区，充分灌溉和亏缺灌溉处理的总灌水量分别为64.0和48.0 mm，温室芹菜于12月15日全部收获，生育期共75 d。

1.3 测定项目与方法

采用静态箱原位采集气样，箱体用6 mm厚的聚氯乙烯制成，长、宽和高分别为30、30和55 cm，箱体外表面用海绵与锡箔纸包裹，箱体顶部安装有搅拌空气的小风扇。静态箱底座在芹菜定植当天埋设于小区中央，底座上端由大约3 cm深的凹槽构成用以放置静态箱箱体，取样时注水密封。定植后每7 d左右采集一次，并于11月3日灌水追氮后连续监测3 d。每次取样分别在当天的10∶00、10∶10、10∶20和10∶30利用带有三通阀的50 mL注射器进行4次气体采集，每次取样40 mL，并在当天测定其浓度。去除奇异点，使样品浓度测量值随时间的线性回归系数R2≥0.85。

采气的同时，用安插在箱体顶部的水银温度计测量箱内温度；用曲管地温计测定箱体周围20 cm土层的温度；打土钻测定0～20 cm土层的质量含水量，然后计算出土壤充水孔隙率（water filled pore space, WFPS）[22]；取0～20 cm新鲜土样，经风干后混匀过2 mm筛，称取5 g风干土样，用50 mL的氯化钾溶液（2 mol/L）浸提振荡0.5 h 后过滤，用连续流动分析仪（Auto Analyzer 3 AA3，Germany，0.001AUFS）直接测定土壤硝态氮和铵态氮含量[23]；并于第1、3、5、9和11次采气时，用土钻在箱体周围均匀取样3次，深度至20 cm，充分混匀后，用稀释培养计数法测定0～20 cm土层土壤的硝化细菌和反硝化细菌数量[24]。参照周龙等[25]方法计算土壤N2O排放系数和单位产量N2O累积排放量。在芹菜全部收获打捆后，用电子秤（精确到g）分别测定各小区芹菜的产量。

土壤硝态氮（铵态氮）质量分数：

式中M为硝态氮（铵态氮）质量分数（mg/kg）；C为样品测定的硝态氮（铵态氮）值（mg/L）；V为样品提取液的体积（0.05 L）；W为样品质量（5g）。

N2O排放通量[18]为：

式中F为N2O排放通量（μg/(m2·h)）；ρ为标准状态下N2O气体密度（kg/m3）；h为箱体高度（m）；dc/dt为气体浓度变化率（μL/(L·h)）；T为箱内温度（K）。

土壤孔隙含水率（water-filled pore spaces, WFPS, %）

式中W1为土壤质量含水率，%；r为土壤容重，g/cm3；2.65为土壤密度，g/cm3。

氮素以N2O排放量占施肥量的比例计为N2O排放系数。

式中f为N2O排放系数；b为生育期施氮处理N2O累积排放量，kg/hm2；b0为不施氮处理生育期N2O累积排放量，kg/hm2；N为小区施肥量，kg/hm2。

单产N2O累积排放量（yield-scaled N2O intensity，Y-SN2O）：

式中Y-SN2O为单产N2O累积排放量，g/kg，Y为作物产量，t/hm2。

氮肥利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）：

式中N为不同处理小区施氮量，kg/hm2。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2010软件处理试验数据；PASW Statistics 18.0软件进行方差分析和相关性分析，多重比较采用Duncan新复极差法，显著性水平为α=0.05；OriginPro 8.5软件作图并求各处理N2O的累积排放量。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对芹菜产量和N2O排放的影响

整个芹菜生长季，加气灌溉不同水氮处理下温室芹菜地N2O排放通量呈波动变化，除定植后34和57 d外，其他时期的N2O排放通量均维持在较低水平（图2）。相同施氮水平下，充分灌溉处理（I1）下土壤N2O排放通量均高于亏缺灌溉处理（I2），I1处理土壤N2O排放通量的平均值比I2处理高33.7%。相同灌水水平下，高施氮量处理下土壤N2O排放通量均高于低施氮量处理，且在定植后34 d和57 d时差异性显著（P＜0.05），其他时期差异性不显著（P＞0.05）。N250处理土壤N2O排放通量的平均值分别是N200、N150和N0处理1.9、3.7和9.5倍。定植34 d和57 d灌水且施氮后，土壤N2O排放通量出现明显峰值，统计分析表明，灌水与施氮耦合对土壤N2O排放通量的影响达显著水平（P＜0.05）。

图2 加气灌溉不同水氮水平对温室芹菜地土壤N2O排放通量的影响Fig.2 N2O emissions flux of greenhouse celery from soil applied with different water and nitrogen levels under aerated irrigation

不同氮肥处理下土壤累积N2O排放量在0.88～6.56 kg/hm2之间（表1），随着施氮量的增加，累积N2O排放量显著增加（P＜0.05），N150、N200和N250处理的累积排放量平均值分别是N0处理的2.30、4.14和7.15倍，施氮显著增加了氮素以N2O形式损失的比例；其次，充分灌水累积N2O排放量平均值是亏缺灌水的1.27倍（P＜0.01），表明较高的土壤含水量促进了土壤N2O的排放。N150、N200和N250处理土壤N2O排放系数平均值分别为0.73%、1.36%和2.28%，充分灌水（I1）较亏缺灌水（I2）降低了N2O排放系数。同时，随施氮量的增加，芹菜产量呈现先上升后下降，N200处理产量平均值最大为205.65 t/hm2，且N200和N250处理间差异不显著（P＞0.05）；充分灌水（I1）较亏缺灌溉（I2）产量平均值增加了10.29%。尽管施氮和灌水增加了芹菜产量，但单产N2O排放量也显著增加，表明高水高氮水平下，生产1 kg芹菜将损失更多的氮素，所付出的环境代价更大。

氮肥利用效率随施氮量的增加显著下降，N150、N200和N250处理平均值分别为1.14、1.03和0.78；而充分灌溉和亏缺灌溉间氮肥利用效率差异不显著（P＞0.05）。灌水施氮提高芹菜产量的同时也导致N2O排放增加，当芹菜产量达到最大时，继续施氮芹菜不再增产，但其N2O排放量继续增加；相同施氮量下，与亏缺灌水（I2）相比，充分灌水（I1）产量增加了10.29%，但其累积N2O排放量平均值和单产N2O累积排放量平均值也分别增加了27.87%和19.22%。因此获得高产低排放不现实，需要综合考虑产量和N2O排放量。从表1可以看出，当施氮量为150 kg/hm2，N150处理排放系数最接近1%（IPCC 报道农田生态系统平均N2O排放系数）[26]，产量较最高产量下降了17.07%。当施氮量为200 kg/hm2时，产量达到最大，但排放系数达到1.36%（超过了1%）。因而，该试验地兼顾产量和累积N2O排放的基础上，采用节水灌溉I2处理，环保施氮量可在150 kg/hm2的基础上有所增加，但需低于200 kg/hm2。

表1 加气灌溉下水氮互作芹菜土壤N2O排放及其相关影响因子Table 1 Effects of water and nitrogen coupling on soil N2O emission and other important factors under aerated irrigation

2.2 芹菜地N2O排放的影响因素

不同水分和施氮处理对温室芹菜地土壤硝化细菌和反硝化细菌的数量有显著影响。相同灌溉水平下，硝化细菌和反硝化细菌均随氮肥水平的增加而上升。相同施氮量下，充分灌溉（I1）土壤硝化细菌和反硝化细菌的数量显著（P＜0.05）高于亏缺灌溉处理（I2）。

整个生长季，土壤铵态氮质量分数均较低，在0.57～4.45 mg/kg范围内变化。除生育初期和灌水施肥后土壤铵态氮质量分数较高外，其他时期土壤铵态氮质量分数大部分都低于1mg/kg。整个生育期土壤无机氮中硝态氮占比较大，不同处理土壤硝态氮变化趋势一致，明显受施氮时间和作物氮肥吸收的影响，施肥后土壤硝态氮质量分数明显上升，随着生育期的推移逐渐降低。N0、N150、N200和N250处理土壤硝态氮质量分数平均为11.44、20.79、24.22和30.01 mg/kg，表明施氮量显著增加了土壤硝态氮的含量。相同施氮量下，亏缺灌溉（I2）土壤硝态氮质量分数明显（P＜0.05）高于充分灌水（I1）处理。

2.3 温室土壤N2O排放量与各影响因素间的关系

由图4可知，土壤N2O排放量与土壤温度、土壤水分含量和硝态氮质量分数均呈指数函数关系。说明土壤温度、水分含量和硝态氮质量分数较低时，土壤N2O排放量缓慢增加，当以上3个环境因子超过某一范围时，土壤N2O排放量急剧增加。相关分析发现，土壤N2O排放量与土壤温度、水分和硝态氮质量分数存在极显著相关关系（P＜0.01），决定系数分别达0.13、0.20和0.73，说明土壤温度和水分的变化分别解释了N2O排放量变化的13%和20%，而土壤硝态氮质量分数的变化可以解释N2O排放通量73%的变化。由此可见，土壤温度、土壤水分含量和硝态氮质量分数是影响日光温室土壤 N2O排放的重要环境因素。土壤N2O排放量与铵态氮质量分数不存在显著相关关系。

硝化细菌和反硝化细菌是影响土壤N2O排放的两种关键微生物。如图4，土壤N2O排放量随着土壤硝化细菌和反硝化细菌数量的增加而线性增加，相关分析发现土壤N2O排放量与两者均呈极显著正相关关系（P＜0.01），且与反硝化细菌的相关性高于硝化细菌，决定系数分别为0.39和0.81，表明硝化细菌的变化解释了土壤N2O排放通量39%的变化，而反硝化细菌解释了N2O排放通量变化的81%。

图3 不同水氮条件下芹菜土壤湿度、温度、硝化细菌、反硝化细菌、硝态氮和铵态氮动态变化（0 ～ 20cm）Fig.3 Dynamics of soil water filled pore spaces，temperature, nitrifier, denitrifier, nitrate and ammonium content during growing period of celery in 20 cm soil layer

图4 水氮耦合下土壤N2O排放量与土壤温度、湿度、-N、-N、硝化细菌和反硝化细菌的关系Fig.4 Relationship between soil N2O emission and soil temperature, soil water-filled pore space, nitrate, ammonium, nitrifier and denitrifier

3 讨 论

本研究中，加气滴灌土壤累积N2O排放量远高于常规灌水方式下土壤N2O排放量[16,25]，表明加气灌溉方式促进了设施菜地温室气体排放。加气灌溉是一种节水、节肥、高效的灌水方式，本研究为明确加气滴灌条件下温室气体排放的分布特征，更精确的估算加气滴灌条件下设施菜地的温室气体排放总量提供了理论依据。施肥和灌溉是影响土壤N2O排放的重要影响因子，也是最有效的调控措施[27]。本研究中，施肥灌溉显著增加了芹菜地土壤N2O累积排放量（表1），可能是由于水肥两因子的耦合作用对土壤氮肥转换特性和微生物数量的影响造成的。相同施氮水平下，充分灌水（I1）土壤N2O排放高于亏缺灌水（I2），这与陈慧等[18]研究结果相似，表明较高的土壤湿度形成的厌氧环境促进了土壤反硝化作用的进行，增加了土壤N2O的排放；相同灌溉水平下，随施氮量的增加土壤N2O排放显著（P＜0.05）增加，即N0处理N2O排放量最低，增加施氮量土壤N2O排放加倍增加（表1），说明高施氮量是温室芹菜地土壤N2O排放增加的重要原因[14,17,24,28]。Wang等[29]在对设施菜地研究中指出，氮肥的应用解释了N2O排放量52%的变化。Yan等[30]指出氮肥投入分别解释了2011年和2012年蔬菜地土壤N2O排放量变化的78%和81%。本研究中施氮量解释了土壤N2O排放量变化的79%。

温室芹菜整个生育期内土壤N2O平均排放通量和累积N2O排放量分别为6.8～114.8 μg/(m2·h)和0.42～7.06 kg/hm2，这些结果远高于大田试验土壤N2O平均排放量[31]，可能是由于设施菜地比大田作物具备更好的水热条件和更高的氮肥投入[15]导致了较高的N2O排放。此外，当施氮量为200 kg/hm2时芹菜产量达到最大，施氮量为150 kg/hm2时芹菜产量虽然下降了17.07%，但N2O累积排放量下降了44.51%；与亏缺灌水（I2）相比，充分灌水（I1）产量增加了10.29%，但其累计N2O排放量和单产N2O累积排放量也增加了27.08%和15.44%。综合考虑产量和N2O减排的基础上，I2N150处理是温室芹菜较优的水氮供应模式。

土壤N2O排放可分为直接和间接排放，直接排放主要产生于土壤硝化与反硝化过程，是复杂生化反应的中间产物；而间接排放则主要是以NH3、NOx形态挥发后通过大气沉降回到农田再排放和通过淋失径流再排放。全球约70%的N2O源自土壤硝化与反硝化过程。灌水和施肥能够影响土壤的微环境和硝化-反硝化过程，进而影响了土壤N2O排放。本文研究中，亏缺灌溉减少了土壤N2O排放（图2），可能是由于增加了土壤孔隙度和O2的扩散能力，不利于土壤反硝化作用的进行，或者是较低的土壤湿度抑制了土壤潜在微生物的生长[32-33]。生育前期较低的土壤温度（15.09～17.36 ℃）没有引起N2O的突增，与低温限制了土壤微生物活性有关，不利于土壤硝化和反硝化作用的进行。土壤温度增加促进了土壤N2O排放，可能是由于增加了土壤呼吸，由此造成的厌氧环境促进了土壤反硝化作用的进行，或者是提高了土壤的矿化速率，基质可利用性的提高增加了土壤N2O排放[32,34]。大量研究结果指出，土壤N2O排放与土壤温度和孔隙含水率呈指数关系[18,35-36]，这与本文研究结果一致。

土壤NO3--N质量分数随着施氮量的增加而显著提高（图3），土壤N含量既能促进土壤的反硝化速率，又可抑制N2O还原为N2，其与土壤N2O排放量呈极显著（P＜0.01）指数相关关系（图4）。表明土壤N质量分数较低时，土壤N2O排放增加缓慢，超过一定浓度时，土壤N2O排放量将会急剧增加[37]。原因可能是由于过量施氮后，降低了作物对氮素的吸收利用效率，多余的氮素残留在土壤当中，增加了土壤硝化和反硝化作用底物[38-39]。此外，从图2和图3可以看出，芹菜生育前期各处理的土壤 NH4+-N含量均处于较高水平，但前期N2O排放量并不高，而此阶段土壤-N含量处于较低水平。定植后34 d和57 d追肥后土壤-N含量出现峰值，此阶段N2O排放也出现高峰，说明土壤-N含量对土壤N2O排放有明显的影响，这与已有研究相一致[15-16]。因此，可以通过降低土壤-N含量来减少土壤N2O排放。实际生产中，通过调整施氮次数和施氮时间来减少土壤N2O的排放。

土壤中硝化细菌和反硝化细菌的数量对土壤N2O的排放具有重要影响[40]。分析N2O排放的峰值发现：灌水且施肥后土壤N2O排放显著高于仅灌水土壤N2O排放量，可能是由于灌水且施肥后使得土壤水分和氮底物增加，土壤硝化细菌和反硝化细菌数量也出现明显的上升趋势（图3），土壤发生了较强的硝化-反硝化作用，使得土壤N2O排放量较高。仅灌水土壤-N含量下降，由于氮源不足而限制了土壤的硝化-反硝化作用，表现为土壤硝化细菌和反硝化细菌数量降低（图3），从而显著降低了土壤N2O排放。当施氮超过150 kg/hm2且进行充分灌溉时，土壤硝化细菌和反硝化细菌数量急剧增加，N2O排放通量也快速增加（图2和图3）。相关分析发现，土壤N2O排放随着化细菌和反硝化细菌数量增加而增加（P＜0.01），因此提高灌水施氮水平促进了土壤N2O排放。实际生产中，可以通过控制施氮和灌溉水平来减少温室气体的排放。

4 结 论

1）相同施氮量下，充分灌水温室芹菜地土壤N2O排放量显著（P＜0.05）高于亏缺灌溉；相同灌溉水平下，增施氮肥土壤 N2O排放量显著（P＜0.05）增加，与不施氮相比，施氮量150 kg/hm2、200 kg/hm2和250 kg/hm2处理的N2O累积排放量分别增加了2.30、4.14和7.15倍。

2）该试验地施氮量不宜超过150 kg/hm2，宜选用亏缺灌溉，可兼顾试验区芹菜产量，同时有效降低土壤N2O排放。

3）土壤N2O排放与土壤温度、湿度和硝态氮含量呈指数相关关系（P＜0.01），与硝化细菌和反硝化细菌数量呈线性相关关系（P＜0.01），而与土壤铵态氮没有显著相关关系，在研究温室气体减排时要考虑多种因素的综合分析。

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Effects of water and nitrogen coupling on soil N2O emission characteristics of greenhouse celery field under aerated irrigation

Du Yadan1,2, Zhang Qian1,2, Cui Bingjing1,2, Gu Xiaobo1, Niu Wenquan1,2,3※
(1. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water Saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institution of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

The global warming potential of nitrous oxide (N2O) is 298 times that of carbon dioxide (CO2), and N2O degrades stratospheric ozone. Agriculture N2O emission accounts for 59% of anthropogenic N2O emission. Microbial nitrification and denitrification are the major pathways of N2O production in soils. Synthetic fertilizers application in China is still the main way in agricultural production, so the increase of N2O emissions might be inevitable. The annual synthetic nitrogen (N) fertilizer consumption in China increased from 9.34×106t in 1980 to 22.97×106t in 2009, and it accounted for more than one fifth of the total world consumption in 2007. The harvest area of vegetable crops rose from 9.5×106hm2in 1995 to 18.4×106hm2in 2010 in China and is still increasing. The fertilization rate for vegetable crops in China was 628.05 kg/hm2, nearly 2 times that for cereal crops (314.4 kg/hm2) in 2006, of which N fertilizer occupied the largest share. The rough estimation showed that N2O emissions from vegetable fields accounted for 20% of the total direct N2O emission and N emission accounted for 17% of total N consumption nationally. Besides, agricultural practices such as irrigation and aeration potentially affect N2O emission from soils through influencing soil physical and chemical characteristics to constrain soil microbial processes. However, the microbial pathways of N2O production after N application and irrigation input in aerated condition are not well known. In order to reveal the effects of water and nitrogen coupling on soil N2O emission characteristics under aerated irrigation, and further put forward effective reduction measures, a field experiment with celery was conducted in greenhouse in Yangling District of Shaanxi Province. The experiment adopted 2 irrigation levels (I1: full irrigation, 1.0 Ep; I2: deficit irrigation, 0.75 Ep. Ep is the cumulative evaporation from a 20 cm diameter pan between 2 irrigations) and 4 N levels (N0: 0 kg/hm2; N150: 150 kg/hm2; N200: 200 kg/hm2; N250: 250 kg/hm2), and 8 treatments in total. In the present study, the effects of irrigation levels, nitrogen application amount, soil temperature and moisture, quantities of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria on soil N2O emission were also analyzed. The results showed that the N2O emission from the full irrigation treatment was significantly higher than the deficit irrigation treatment. Nitrogen increased the cumulative N2O emission significantly under the same irrigation level. The cumulative N2O emissions of N150, N200 and N250 treatments were 2.30, 4.14 and 7.15 times that of N0 treatment in the whole growing season of celery, respectively. The correlation analysis showed that the significant exponential relationships existed between soil N2O emission and soil temperature, water filled pore space (WFPS%), and nitrate content. And the significant positive relationship was observed between soil N2O emission and nitrifier and denitrifier. There was no relationship between soil N2O emission and soil ammonium content. Irrigation and fertilization were contributed to the improvement of crop yield, but the soil N2O emission was also significantly increased. Therefore, the combination of N application amount of 150 kg/hm2and deficit irrigation was the best coupled mode of water and nitrogen to increase celery yield and reduce N2O emission among the 4 treatments. It should be heavily emphasized in future in the Northwest China. The results can provide valuable information for the selection of water-saving and nitrogen-saving method in Northwestern region.

soil; greenhouse gas; emission control; N2O emission; irrigation; nitrogen

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.017

S275

A

1002-6819(2017)-16-0127-08

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.017 http://www.tcsae.org

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doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.017 http://www.tcsae.org

2017-05-13

2017-08-07

“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFC0400202）；国家自然科学基金项目（51679205）

杜娅丹，女，博士生，主要从事节水灌溉理论与技术研究，

Email：dyd123027@163.com

※通信作者：牛文全，男，研究员，博士生导师，主要从事水土资源高效利用与节水灌溉技术研究，Email：nwq@nwafu.edu.cn