滴灌水氮管理对玉米种植土壤无机氮含量和氧化亚氮排放的影响

肖 未，吴庆峰，李伏生

(广西大学农学院,广西 南宁 530005)

氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体之一，其单位质量的增温潜能是二氧化碳的265倍[1]。农田土壤是N2O的主要排放源，农田排放量约占全球N2O排放总量的25%[2]。农田施用氮肥引起的N2O排放占土壤总N2O排放增量的70%[3]。与此同时，农田施肥通常伴随着灌溉，灌溉改变了土壤水分状况，灌水量、灌水方式和灌水频率等措施均会对土壤N2O的排放产生影响[4]。因此，研究合理的水肥管理对降低农田N2O排放有重要意义。

土壤N2O是硝化与反硝化过程的中间产物[5]，无机氮作为硝化和反硝化作用的底物，其含量高低能影响土壤N2O的排放，而土壤无机氮含量则会随施氮水平的提高而提高[6-7]。相对于传统的大水漫灌、沟灌等，滴灌施肥技术能将水肥均匀、适量、精确地输送到作物根部土壤，不仅能有效提高氮肥利用率，还能通过改变土壤通气性、水分运移及有效氮分布情况等，从而影响土壤硝化和反硝化作用[8-9]。前人研究表明，滴灌施肥技术将养分施到作物根层，减少土壤NO3−-N的累积，改变NH4+和NO3−浓度和分布，影响土壤酶活性，从而影响土壤N2O的排放[10]。谢海宽等[11]发现相同氮肥施用量下，滴灌相比常规漫灌在提高作物产量的同时，N2O排放总量减少29.4%～35.1%，而且没有显著的年际差异。于亚泽等[12]研究也发现，N2O排放量随施氮量的增加而增加，滴灌与沟灌相比可有效降低N2O排放。大量研究还表明，滴灌施肥技术下的土壤水分及养分条件与常规漫灌或沟灌的有显著差异[13]，影响了土壤氮素转化过程[14]及N2O排放。

玉米是我国第一大粮食作物，对我国粮食安全有重大意义[15]，且广西是全国玉米生产一年两熟或者三熟的地区之一[16]，因此对种植玉米土壤N2O排放研究有重要意义。当前滴灌施肥的研究主要集中在与传统施肥的比较和不同施氮量等方面，而关于等氮肥用量下滴灌施氮对玉米土壤无机氮含量变化及土壤N2O排放的影响报道较少。因此，本文通过田间试验，研究不同滴灌灌水量和施氮比例对玉米生育时期土壤N2O排放通量和土壤无机氮含量的影响，并分析玉米土壤N2O排放通量和土壤无机氮含量的关系，以获得玉米种植土壤N2O减排的滴灌施肥模式，并揭示不同滴灌灌水量和施氮比例下土壤无机氮含量对土壤N2O排放的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

田间试验在广西大学试验基地(N 22°51′12″，E 108°17′26″)移动防雨棚内进行。该移动棚通风、透光，可以保障作物生长期间自然光照和温度，可通过电控传感器调节移动棚的遮蔽或移开，雨天时根据试验处理选择避雨，非降雨时将移动棚移开。

供试土壤为赤红壤，试验前0～20 cm耕层土壤的主要理化性质如下：容重1.42 g·cm−3(环刀法)，田间持水量24.9%(质量含水量，环刀法)，pH 6.7(水土质量比2.5︰1.0，pH计法)，有机质17.39 g·kg−1(重铬酸钾容量法–外加热法)，全氮1.3 g·kg−1(半微量开氏法)，碱解氮94.52mg·kg−1(NaOH碱解扩散法)，速效磷99.78mg·kg−1[0.05mol·L−1HCl–0.025mol·L−1(1/2 H2SO4)浸提，比色法]，速效钾85.6mg·kg−1(1mol·L−1中性NH4OAc浸提，火焰光度法)。

供试作物为春季玉米和夏季玉米(生食水果玉米)，品种均为农友利–美珍。

1.2 试验方法与管理

试验设3种滴灌灌水量(以下简称灌水量)，W60、W80和W100分别为田间持水量的50%～60%、70%～80%和90%～100%；设2种滴灌施氮比例(以下简称施氮比例)，F55为50%氮肥作基肥土施，50%氮肥作滴灌施肥(苗期30%，拔节期40%，孕穗期30%)，F37为30%氮肥作基肥土施，70%氮肥作滴灌施肥(苗期30%，拔节期40%，孕穗期30%)，试验为完全方案设计，共6个处理，每个处理重复3次，共18个小区，每小区面积8.64m2。小区之间用水泥砖墙(厚25 cm，深120 cm)隔开，做到各处理水分养分不相互渗透。每个小区种植4行玉米，行距60 cm，株距30 cm，靠近各小区边缘的两行，距离小区边缘30 cm。穴播方式进行播种，每穴留苗1株，每行种植12株。本研究共进行2次试验，试验1为春季玉米，试验2为夏季玉米。

各处理肥料施用量一致，N、P2O5和K2O总施用量分别为180、90和180 kg·hm−2。氮肥为尿素(N质量分数为46.2%，重庆建峰化工股份有限公司产品)，磷肥为钙镁磷肥(P2O5质量分数为17%，广西鹿寨万强化肥有限责任公司产品)，钾肥为氯化钾(K2O质量分数为60%，中化化肥有限公司产品)。所有处理磷钾肥均作为基肥，氮肥按照试验设计比例施入基肥和追肥。基肥按穴施方式施入土壤，追肥采用滴灌施肥方式，先将尿素溶入一定量水中，将尿素溶液通过滴灌系统施入土壤。定苗后采用便携式土壤水分测量仪(TRIME-PICO-IPH TDR)观测土壤含水量，确保各处理土壤水分在试验设定范围内。每行玉米摆放一条滴灌带，用水表控制灌水量，不同处理各生育期灌水量见表1。

表1 玉米各生育期不同水肥处理的灌水量1)Table 1 Irrigation amount at each growth stage of maize in different water and fertilizer treatments mm

1.2.1 春季玉米管理于2021年4月9日将作为基肥部分的尿素、钙镁磷肥以及氯化钾施入各试验小区。4月10日播种，每穴播已催芽露白的玉米种子5粒，4月17日出苗，4月20日定苗，每穴留1株。4月23日苗期用滴灌系统施用尿素，5月1日进行第1次培土，5月4日拔节期用滴灌系统施用尿素，5月20日进行第2次中耕培土，5月22日孕穗期用滴灌系统施用尿素，于6月24日收获鲜食玉米。春季玉米生育时期为：苗期4月10—28日；拔节期4月29日—5月19日；抽穗期5月20日—6月8日；成熟期6月9—24日，共76 d。

1.2.2 夏季玉米管理于2021年8月9日将作为基肥部分的尿素、钙镁磷肥以及氯化钾施入各试验小区。8月10日播种，每穴播已催芽露白的玉米种子5粒，8月16日出苗，8月19日定苗，每穴留1株。8月21日苗期用滴灌系统施用尿素，8月28日进行第1次培土，9月1日拔节期用滴灌系统施用尿素，9月18日进行第2次中耕培土，9月19日孕穗期用滴灌系统施用尿素，于10月20日收获鲜食玉米。夏季玉米生育时期为：苗期8月10—26日；拔节期8月27日—9月17日；抽穗期9月18日—10月7日；成熟期10月8—20日，共71 d。

1.3 样品采集和测定

1.3.1 N2O气体收集及测定用静态箱法收集N2O气体，静态箱用不锈钢制成，包括底座和箱盖两部分，底座和箱盖之间用橡胶垫圈密封。底座为正方形，高度30 cm，边长37 cm，带有凹槽，在播种前一周埋入地下30 cm，置于玉米行间，压实底座周围土壤，保证其密封状态。箱盖为顶部密封的正方形柱体，高度25 cm，边长35 cm，每个静态箱装有取样端口、温度探头和小风扇。每个小区放置1个静态箱(玉米行之间中部)，施肥后1、3、5 d采样，不施肥时，间隔7 d采样。采样时间为上午09:00开始，采样时将箱盖放至凹槽处灌满水的底座上，分别于0、10、20和30min用50m L医用注射器(成都市新津事丰医疗器械有限公司)取样。用Agilent 7890A气相色谱仪(美国安捷伦科技公司)中ECD检测器测定样品中的N2O浓度，检测温度为350℃，柱温60℃，氢气流速为40m L·min−1，载气为99.99%高纯氩/甲烷气(95%氩气＋5%甲烷，体积分数)。手动打入气样20m L至ECD检测器中，每组气体样品进样时间为4.45min。

土壤N2O通量是指单位时间内通过单位面积的N2O质量，可根据箱内气体浓度的变化计算得出。计算公式如下[17]：

式中：F为土壤N2O通量，μg·m−2·h−1；P为标准大气压(1.013×105 Pa)；M为N2O气体的摩尔质量分数(44.0 g·mol−1)；H为箱体高度(25 cm)；T为采气时箱体内的平均温度，℃；R为气体常数(8.314 J·mol−1·kg−1)；d c/d t为土壤N2O排放速率，μL·m−3·h−1。

不同生育期N2O排放量(f)是相邻两次气体通量平均值乘以间隔时间，再累加而得。

式中：Fi为第i次所测土壤N2O通量；Fi−1为第i−1次所测土壤N2O通量；t为相邻两次采集气体间隔时间，d；n为同一生育期N2O测定次数。全生育期N2O总排放量为不同生育期N2O排放量之和。

1.3.2 土壤采集及测定每次在滴灌系统施用氮肥第2天(苗期在出苗日采土)，使用不锈钢土钻(直径6 cm)按照5点采样法采集各试验小区0～20 cm耕层土壤，剔除杂草、碎石和根系后，放入对应编号密封袋，带回实验室置于4℃冰箱保存，用于铵态氮、硝态氮和亚硝态氮含量的测定。

土壤无机氮(铵态氮、硝态氮、亚硝态氮)含量用0.01mol·L−1的CaCl2浸提后，采用连续流动化学分析仪AA3(德国Bran + Luebbe公司)测定[18]。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0软件对试验数据进行统计分析。显著性检验用方差分析法，多重比较用Duncanʼs法，用Pearson法分析土壤N2O通量和土壤无机氮含量之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤N2O排放

2.1.1 土壤N2O通量不同处理下春季和夏季玉米生育期内土壤N2O通量的变化见图1。2次试验土壤N2O通量排放高峰均出现在每次灌溉及施肥之后。春季玉米试验中(图1a)，在W60和W80处理下，施肥后N2O通量均表现为施氮比例F37>F55，而在W100处理下，则表现为F37

图1 不同处理下春季和夏季玉米土壤N2O通量的变化Fig.1 Changes of N2O fluxes in spring and summer maize soil under different treatments

夏季玉米试验中(图1b)，在3个水平的灌水量处理下，施肥后N2O通量除苗期表现为施氮比例F37F55。F37处理下，施肥后N2O通量在拔节期和成熟期为W60

2.1.2 土壤N2O累积排放量不同处理对春季和夏季玉米土壤N2O累积排放量的影响见表2。春季玉米试验中，W60处理下除成熟期外，其余时期F37处理的土壤N2O累积排放量显著高于F55；W80处理下，抽穗期F37处理的土壤N2O累积排放量较F55显著高48.3%。施氮比例F37处理下，拔节期W60的土壤N2O累积排放量显著高于W80和W100，分别高48.4%和31.6%；施氮比例F55处理下苗期和抽穗期各水分处理土壤N2O累积排放量均表现为W100>W80>W60。从整个生育期土壤N2O累积排放总量来看，W60F55处理显著低于其他处理，W80F55次之。

表2 不同处理下玉米各生育期土壤N2O累积排放量及方差分析1)Table 2 Cumulative emissions of N2O at each growth stage of maize under different treatments g·hm−2

夏季玉米试验中，W60处理下，拔节期F37土壤N2O累积排放量较F55显著高41.2%，而抽穗期和成熟期则显著低21.6%和25.7%；W80处理下除苗期外，F37土壤N2O累积排放量均显著高于F55；W100处理下，拔节期和成熟期F37土壤N2O累积排放量较F55分别高42.2%和20.1%。施氮比例F37处理下，苗期W80土壤N2O累积排放量较W60显著高21.6%，成熟期W100土壤N2O累积排放量显著高于W60和W80。施氮比例F55处理下，拔节期W100土壤N2O累积排放量显著高于W60和W80，成熟期W80土壤N2O累积排放量显著低于W60和W100。从整个生育期土壤N2O累积排放总量来看，W60F37和W80F55处理的土壤N2O累积排放量均较低。

2.2 土壤无机氮含量

2.2.1 铵态氮含量不同处理对春季玉米和夏季玉米不同生育时期土壤铵态氮含量的影响见表3。总的来看，2季玉米种植土壤铵态氮含量随着玉米生长都表现为先增加再减少，成熟期土壤铵态氮含量相对于苗期有增加。春季玉米试验中，施氮比例F37处理下，4个时期各水分处理的土壤铵态氮含量之间差异显著，均表现为W100> W80> W60；施氮比例F55处理下，除苗期外土壤铵态氮含量与F37规律一致。从水分处理来看，除苗期外，其余时期土壤铵态氮含量均为W100>W80> W60。

表3 不同处理下玉米各生育期土壤铵态氮含量1)Table 3 Soil ammonium nitrogen content at each growth stage of maize under different treatments g·hm−2

夏季玉米试验中，W60处理下，拔节期和抽穗期F55土壤铵态氮含量较F37分别提高16.9%和6.0%；W80处理下，苗期和拔节期F55土壤铵态氮含量较F37分别提高7.6%和4.9%，而抽穗期则相反，F55土壤铵态氮含量较F37低5.2%；W100处理下，拔节期、抽穗期和成熟期F55土壤铵态氮含量较F37分别提高19.7%、8.6%和8.6%，且差异显著。施氮比例F55处理下，各生长期土壤铵态氮含量均表现为W100>W80>W60，且除拔节期F37W80与F37W100以外，差异均显著。施氮比例F37处理下，土壤铵态氮含量变化与F55规律一致，且除拔节期W80与W100以外，差异均显著。

2.2.2 硝态氮含量不同处理对春季玉米和夏季玉米不同生育时期土壤硝态氮含量的影响见表4。春季玉米试验中，W60处理下，抽穗期F55土壤硝态氮含量较F37提高19.1%；W80处理下，苗期和抽穗期F55土壤硝态氮含量较F37分别提高7.0%和52.8%；W100处理下，拔节期和成熟期F37土壤硝态氮含量较F55分别提高37.1%和7.2%。施氮比例F37处理下，不同水分处理土壤硝态氮含量表现为：苗期和拔节期W100>W80>W60，抽穗期W60低于W80和W100，成熟期W100>W60>W80；施氮比例F55处理下，不同水分处理土壤硝态氮含量表现为：苗期W60显著低于W80和W100，拔节期和抽穗期W80高于W100和W60，成熟期W100显著高于W60和W80。

表4 不同处理下玉米各生育期土壤硝态氮含量1)Table 4 Soil nitrate nitrogen content at each growth stage of maize under different treatments g·hm−2

夏季玉米试验中，W60处理下，拔节期、抽穗期和成熟期F55土壤硝态氮含量较F37分别提高17.3%、10.3%和74.6%；W80处理下，苗期和成熟期F55土壤硝态氮含量较F37分别增加40.6%和16.6%；W100处理下，苗期和抽穗期F37土壤硝态氮含量较F55分别提高52.5%和24.6%。施氮比例F37处理下，不同水分处理土壤硝态氮含量表现为：苗期和拔节期W100>W80>W60，抽穗期和成熟期W80>W100>W60。施氮比例F55处理下，不同水分处理土壤硝态氮含量表现为：苗期W80显著高于W60和W100，抽穗期和成熟期W80>W60> W100。

2.2.3 亚硝态氮不同处理对春季和夏季玉米不同生育时期土壤亚硝态氮含量的影响见表5。春季玉米试验中，W60处理下，苗期和拔节期F55土壤亚硝态氮含量较F37分别提高160.6%和107.6%；W80处理下，拔节期F55土壤亚硝态氮含量也显著高于F37；W100处理下，苗期F37土壤亚硝态氮含量较F55增加75.9%。施氮比例F37处理下，苗期W60土壤亚硝态氮含量较W80和W100分别低88.0%和89.3%，拔节期W100土壤亚硝态氮含量较W60和W80分别高284.5%和290.8%；F55处理下，土壤亚硝态氮含量表现为：苗期W80>W100>W60，且差异显著，拔节期W100显著高于W60和W80，抽穗期W100>W60>W80，且差异显著，成熟期W100显著高于W80。

夏季玉米试验中，W60处理下苗期W37土壤亚硝态氮含量显著高于W55，W100处理下成熟期F55土壤亚硝态氮含量较F37高33.1%。施氮比例F37处理下，不同水分处理土壤亚硝态氮含量表现为：苗期W100>W60>W80，拔节期W100>W80>W60，抽穗期和成熟期W100显著高于W60和W80；F55处理下，不同水分处理土壤亚硝态氮含量表现为：苗期、抽穗期和成熟期W100显著高于W60和W80，拔节期W100> W80> W60。

表5 不同处理下玉米各生育期土壤亚硝态氮含量1)Table 5 Soil nitrite nitrogen content at each growth stage of maize under different treatments μg·hm−2

2.3 土壤氧化亚氮通量与无机氮含量的关系

将土壤N2O通量与采集气样当天的土壤无机氮含量进行相关性分析，结果见表6。由表6可以看出，春夏两季玉米土壤N2O通量与土壤硝态氮和亚硝态氮含量之间呈极显著正相关，相关系数分别为0.433～0.579和0.396～0.532，与土壤铵态氮含量之间呈负相关，但相关性不显著。因此，土壤硝态氮和亚硝态氮含量显著影响土壤N2O通量，而土壤铵态氮含量不显著影响土壤N2O通量。

表6 土壤N2O通量与无机氮含量的相关性分析1)Table 6 Correlation analysis of soil N2O flux and inorganic nitrogen content

3 讨论与结论

3.1 土壤N2O排放

土壤N2O的产生是由硝化和反硝化过程共同作用的结果[19]。土壤硝化作用是指在好氧条件下，土壤硝化微生物将铵(NH4+)、氨(NH3)等转化为亚硝酸根(NO2−)或硝酸根(NO3−)等的过程[20]。土壤反硝化作用则是在缺氧条件下，土壤反硝化微生物将NO3−还原为一氧化氮(NO)、N2O与氮气(N2)的过程[21]。本研究中土壤N2O排放高峰均出现在每次滴灌施用氮肥之后，这与土壤硝化和反硝化过程主要依赖于土壤水分以及底物的规律一致[19]。

本研究中，土壤N2O通量在玉米苗期较高，可能原因是氮肥作基肥土施和苗期追肥后，苗期时玉米对氮素利用较少，土壤中无机氮累积，而灌水促进硝化和反硝化作用，从而导致土壤N2O通量增加。土壤N2O通量高峰主要集中在拔节期和抽穗期滴灌施肥后1周内，可能原因是尿素施入土壤后，在1周内会转化为铵态氮，为硝化作用提供了底物，从而有利于硝化过程中N2O的排放，这与刘广深等[22]施肥后土壤N2O排放增加的规律一致。杜娅丹等[23]发现，施氮后土壤中氮浓度增加，从而增强土壤硝化和反硝化作用。从水分处理来看，施用氮肥后W100土壤N2O通量高峰显著高于W60和W80，说明高土壤含水量促进土壤N2O的排放[24]。王艳丽等[25]也发现，土壤水分饱和有利于嫌气环境，而嫌气环境增加反硝化潜势和N2O排放。从施氮比例来看，相同水分处理下，施肥后F55土壤N2O通量高峰低于F37，这可能是不同施氮比例影响了氮肥在不同生育期的分布所致。

从不同施氮比例来看，在相同水分处理下，施氮比例F37与F55处理的土壤N2O累计排放量主要区别在于抽穗期，对于春季玉米试验，W60和W80处理下土壤N2O累计排放量均表现为F37显著高于F55，对夏季玉米试验，W80处理下土壤N2O累计排放量规律一致。此外，W80F55处理2季玉米全生育期土壤N2O总排放量较低，且该处理春季玉米的鲜穗产量为1407.4 kg·hm−2，夏季玉米为2185.2 kg·hm−2，显著高于其他处理(结果未列示)。

3.2 土壤无机氮

本研究中，相同水分处理下，在抽穗期，施氮比例F55土壤铵态氮和硝态氮含量大多显著高于F37，而W80处理下F37土壤亚硝态氮含量显著高于F55。其可能原因是不同施氮比例下，促进作物地下部根系生长程度不同，使氮素吸收效率不同，使土壤细菌繁殖活性不同等，同时，土壤细菌的生长和繁殖也会引起土壤无机氮动态变化[26]。

从不同水分处理来看，成熟期土壤铵态氮含量较苗期高，可能是由于成熟期追肥后导致土壤铵态氮增加，同时酸性土壤中易发生硝态氮异化还原成铵的反应，使硝态氮和亚硝态氮向铵态氮转化[27]。土壤铵态氮含量均表现为W60

3.3 土壤N2O通量和土壤无机氮含量的关系

本试验中，土壤N2O通量与土壤硝态氮和亚硝态氮含量之间呈极显著正相关，说明土壤硝态氮和亚硝态氮含量的变化显著影响土壤N2O的排放，这与马兰等[28]和张艺磊等[29]的研究结果一致。他们也发现，土壤N2O通量与土壤硝态氮和亚硝态氮含量之间呈显著正相关。

3.4 结论

相同施氮比例下，施肥后W100土壤N2O通量高于W60和W80。相同水分处理下，施肥后F55土壤N2O通量高峰低于F37。W80F55处理2季玉米全生育期土壤N2O总排放量较低，且该处理2季玉米鲜穗产量高于其他处理。此外，土壤硝态氮和亚硝态氮含量显著影响土壤N2O通量。特别是在2季玉米苗期和拔节期，土壤硝态氮和亚硝态氮含量越高，土壤进行的硝化与反硝化作用越强烈，导致中间产物土壤N2O排放越多。