膜下滴灌对农田N2O排放影响的研究进展

郑剑波 张有亮 李振华 杨悦 罗新宁

摘要：文章综述了膜下滴灌对农田N2O排放影响的现状，从土壤水分、土壤温度、土壤氮素转化、氮肥施用等方面分析膜下滴灌农田N2O产生和排放的主要影响机制，针对目前研究中存在的N2O排放问题提出建议，为膜下滴灌技术的改进以及N2O温室气体减排提供依据。

关键词：膜下滴灌；农田；N2O排放

中图分类号：S275.6

文献标识码：A

随着社会经济高速发展，环境问题层出不穷，尤其是近年来，冰川融化、海平面上升等问题对人类生存产生了极大的威胁，这种现象的出现主要是由于全球气候变暖所致，而全球变暖源自温室气体的排放，因此对温室气体的研究迫在眉睫。N2O作为温室气体的主要组成之一，其增温效应是CO2的298倍[1]，受到社会各界的广泛关注。随着对温室气体排放研究的开展，越来越多的专家学者将N2O减排作为缓解温室效应的关键。有研究资料显示，农田温室气体排放占据全球总排放量的10%～20%[2]，其中中国农业温室气体排放量占据中国温室气体排放量的15%以上[3]，研究农田N2O排放特征已势在必行。

近年来，对农田N2O排放的研究大多数集中在土壤生物反应、化学反应、耕作手段以及施氮量水平等方面，对影响农田N2O排放的其他因素研究较少[4]。有研究发现，改变农田灌溉模式、灌溉水平，能导致土壤温室气体排放特征产生显著变化，其原因可能是由于不同的灌溉模式影响了土壤水分含量，而土壤水分是影响土壤温室气体排放的关键性因素[5]。滴灌方式通过对作物根部水分和养分供应使作物可以正常生长发育，既能高效节省农田用水，减少农田深层渗透，提高作物水肥利用效率，又可以影响土壤温室气体的排放量。目前，国内外学者对滴灌模式下土壤温度、土壤湿度、土壤水分等研究已经取得了较为可观的进展，但对于膜下滴灌农田N2O排放的研究很少，随着新型滴灌模式的推广，滴灌对农田N2O排放特征的影响研究刻不容缓。

通过查阅和分析大量相关文献，本文较为全面地分析农田土壤N2O的产生机制、影响N2O排放的关键因素等，并提出相应对策，以期为农田N2O减排工作提供理论支持。

1  农田土壤N2O产生机制

农田N2O的主要产生途径为土壤中的生物作用和化学反应，其中生物作用包括硝化作用和反硝化作用，农田土壤N2O主要是通过好氧微生物与厌氧微生物进行硝化作用与反硝化作用产生，其他生物作用的贡献较少[6]。

硝化作用是指通过土壤好氧微生物作用将土壤氮素转化为氧化态氮的过程。这个过程分为两步：先通过亚硝化细菌将NH4+等氧化成NO2-，之后硝化细菌将NO2-氧化成NO3-，同时产生N2O。硝化作用既有自养硝化作用，又有异养硝化作用，而真菌对异养硝化作用反应敏感，因而有学者认为异养硝化作用也可能会导致N2O的排放。相较于自养硝化作用，异养硝化作用在酸化土壤或者温度较高的土壤中仍能正常进行，其过程也会排放出大量N2O。因此，异养硝化作用也是研究的一大重点。

同时，如果在O2含量较低的状态下，硝化作用产生N2O的途径为硝化细菌的反硝化作用。反硝化作用是指在厌氧条件下，通过反硝化细菌将NO3-或NO2-还原成气态氮的过程。有研究发现，在严格的厌氧环境下，氧化亚氮还原酶会将N2O还原成N2，说明N2O是反硝化作用的中间产物之一，N2O在不同的环境条件下，能继续积累或者被还原成N2。

2  影响膜下滴灌农田N2O排放的主要因素

2.1   土壤水分

大量研究证实膜下滴灌方式能有效降低农田N2O排放量。还有学者发现，土壤水分变化频率同样会影响N2O的排放量，土壤干湿交替会导致N2O排放量显著增加。土壤水分控制为农田N2O的减排提供了一条切实可行的道路，如夏仕明等[7]通过研究发现干湿交替灌溉能有效减少稻田温室气体。有学者指出，滴灌时，滴头下方以及滴头周围土壤水分含量明显高于其他位置土壤水分含量，造成较大的土壤水分差异，会形成明显的干湿区域，在田间N2O的排放过程中起到极为重要的作用。在干湿交替过程中，土壤透气性发生改变，影响土壤微生物活性，从而影响N2O的排放过程。董艳芳等[8]研究指出，与常规灌溉相比较，膜下滴灌在保持水稻产量不降低的前提下，降低了稻田N2O的排放强度和增温潜势，证实了干湿交替会通过改变土壤透气性而影响N2O的排放；Li等[9]通过田间试验发现，膜下滴灌棉田N2O排放量与传统无膜棉田相比，降低了约30%，研究表明，膜下滴灌与传统无膜灌溉相比较，会有效降低N2O的排放量。

2.2   土壤温度

在全球气候变暖的大背景下，N2O排放量受到土壤温度的影响加剧。Dobbie和Smith[10]的研究表明，在一定范围内土壤温度越高，N2O排放量越大，二者成正相关关系。在稻麦轮作系统中，N2O排放量与5 cm土层日低温变化呈正态分布，同时当地温在15 ℃～35 ℃时，N2O排放量会显著增加[11]。谢军飞和李玉娥[12]也得出了相同的结论，在15 ℃～35 ℃范围内，硝化细菌处于活跃状态，反硝化细菌适宜温度为5 ℃～75 ℃，与作物生长环境相结合，硝化作用影响比反硝化作用影响更大。王铁良等[13]通过对比沟灌土壤温度、滴灌土壤温度和小管出流土壤温度发现，不同灌溉方式下，土壤温度会有一定差异。Wang等[14]证实，滴灌农田土壤温度明显高于喷灌农田，其原因可能是在膜下滴灌时，水分蒸发受到地膜阻碍，导致地表气温和膜下土壤温度较高。目前，针对土壤温度对N2O排放影响的研究仍未得到一致的结论，需要进行进一步研究。

2.3   土壤有机氮矿化

膜下滴灌改变了土壤水热状况，从而影响了土壤氮素积累与转化过程，土壤微生物硝化反应和反硝化反应离不开土壤硝态氮和铵态氮的支持。Bricklemyer等[15]在2005年的试验中发现，在滴灌条件下，土壤有机氮素会发生明显矿化过程，同时部分氮素也会有损失。Dosskey等[16]在研究中同样发现由于滴灌形成的水分动力学过程，会导致土壤有机质矿化。因此，土壤有机质氮矿化在一定程度上可以反映土壤N2O排放特征。干燥条件下，土壤可溶性有机氮释放速度加快，在土壤干燥條件转化为湿润条件的过程中，N2O的排放量加剧，其原因可能是在滴灌过程中，土壤微生物活性增加，促进了土壤有机质的矿化量[17]。

2.4   土壤硝化作用與反硝化作用

膜下滴灌技术的应用对土壤温度、土壤水分以及土壤有效氮等均产生极大影响，进而对土壤温室气体产生影响。白红英等[18]在研究中发现，可能由于小麦在生长过程中消耗了土壤水分和养分的同时分泌有机物以及C、N等物质，促使土壤微生物进行硝化作用和反硝化作用，最终导致覆盖种植条件下土壤N2O排放量高于裸露地N2O排放量。在水稻地膜覆盖栽培的研究中也同样证实了这一点，在严格的厌氧环境中，覆膜稻田的土壤水分和通气性更有利于N2O的产生和释放[19]。阎佩云等[20]在对覆膜春玉米的研究中发现，地膜覆盖下的玉米农田与未覆盖地膜农田相比，土壤N2O排放量并未增加并且有少量减少，其原因可能是由于地膜覆盖促进了作物生长对矿质氮的吸收，使得作物与土壤微生物竞争氮素，从而限制了N2O的生成。而朱咏莉等[21]在对覆膜小麦农田N2O排放的研究中却得出不同的结论，认为地膜覆盖会增加农田N2O的排放量，地膜覆盖在提高耕层土壤含水量、温度以及硝态氮含量的同时，相对降低了土壤中的O2浓度，促使土壤处于厌氧环境，反硝化作用加剧，导致土壤N2O排放量增加。在众多学者的研究中，均证实地膜覆盖会影响农田N2O排放量，但地膜覆盖是否会导致N2O排放量降低仍有待商榷，需要进一步研究。

2.5   施肥手段

在作物生产过程中，作物产量受土壤肥力的作用显著。盲目大量施用化肥氮来补充作物生长过程中所需的氮素，使得大量氮素进入土壤环境，而作物对氮素利用量远低于施用量，导致土壤中氮素滞留，再加上其他环境因素的影响，使得农田系统氮素冗余，最终导致N2O排放量剧增。在早期研究中，Shcherbak等[22]也证明了N2O排放量会随施氮量的增加呈指数增长趋势。近年来，有学者在对覆膜水稻尿素氮处理中发现，深施尿素会显著降低N2O排放量，在常规淹水水稻生产中，土壤尿素氮深施处理也得到相同的结论，分析其原因可能是因为尿素深施后，减少了土壤硝化反应和反硝化反应所需的底物，同时，施用高效氮肥也会显著降低土壤N2O排放量。Liu等[23]学者在通过对比控释尿素与尿素、硫酸铵、硝酸铵钙对N2O排放的影响中发现，控释尿素与其他几种氮肥相比，土壤N2O排放系数显著下降。

3  减排措施

3.1   改善施肥手段

氮肥是影响农田N2O排放量的主要原因之一。中国地域面积广、天气多变，使得中国各区域的种植作物、施肥量等也随之产生一定的变化。因此，寻找最适宜各地区的作物施肥量是众所周知的最简捷的N2O减排措施。科学施肥要在保证作物产量的同时，协调施肥量、肥料种类、施肥时期和施肥位置，通过改变肥料配比、种植模式和肥料分施等农田管理措施来控制农田N2O排放量。

3.2   调节土壤环境

根据不同作物适宜生长环境，通过滴灌强度、滴灌频率、覆膜厚度等方式改变土壤温度、土壤水分，调整土壤干湿交替状态时间，通过对土壤微生物活性的影响来作用于土壤硝化和反硝化反应，从而得到N2O减排效益。

4  展 望

随着全球对农田温室气体的深入研究，对农田土壤N2O排放的研究也随后展开，影响农田N2O排放的因素受到国内外学者的广泛关注，逐渐成为研究热点，由研究最初的单因素影响到后来的多因素综合作用，研究内容不断丰富，研究手段层次多样，目前已取得较好的成果，为农田N2O减排奠定了深厚基础。但笔者认为目前国内外对于不同地区农田N2O排放的研究内容以及研究深度仍未能达到减排增产的效益，因此笔者认为还需加强对以下内容的研究：（1）在研究滴灌农田N2O产生机制的基础上，结合各地区农田耕作特性，研究不同耕作条件下N2O排放特征，尤其是在大面积种植区域要开展深入研究；（2）将各地区土壤理化性质与N2O排放相结合进行研究，如不同地区土壤盐碱性、土壤温度、土壤湿度对N2O排放的具体作用等；（3）中国南北方气温差异较大，作物种植多样，应加强对不同作物种植区N2O排放特征影响的研究，探索有利于不同作物的减排增产种植模式；（4）通过对滴灌农田N2O排放研究，制订高效的节能减排农业管理措施。

参考文献

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