滴灌對(duì)農(nóng)田N2O排放影響的研究進(jìn)展

周 爽，王廣帥，高 陽，江曉慧，李歡歡，張俊鵬，張靜祎

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所 農(nóng)業(yè)部作物需水過程與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引 言

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change)發(fā)布的第五次評(píng)估報(bào)告指出，以溫室氣體排放增加為主要原因的全球氣候變暖正愈演愈烈。因氣候變暖而引起的積雪和冰量不斷減少以及海平面不斷上升，將對(duì)人類未來的生活、生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。氧化亞氮(N2O)作為主要的溫室氣體之一，其全球增溫潛勢(shì)是CO2的265倍[1]，在全球氣候變化中起著極其重要的作用，因此受到世界范圍的廣泛關(guān)注[2,3]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，其溫室氣體排放量占全球總排放量的1/5[4]。目前有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的研究，主要集中在秸稈還田、施肥、地膜覆蓋、耕作等農(nóng)田管理措施的影響方面[5-8]，對(duì)其他因素的影響研究相對(duì)較少。灌溉是一項(xiàng)重要的農(nóng)田水分狀況調(diào)控措施，而水分則是土壤溫室氣體排放與吸收的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，因此灌溉模式的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放強(qiáng)度產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[9-12]。傳統(tǒng)的畦灌方式，由于供水模式和灌溉水量等不盡合理，一定程度上加劇了土壤N2O的排放[13]。滴灌作為一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有灌水定額小、灌溉水利用效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在世界上(特別是干旱半干旱地區(qū))很多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于滴灌技術(shù)應(yīng)用后的環(huán)境效應(yīng)，以往的研究多集中在對(duì)土壤鹽分運(yùn)移、水分分布及水肥耦合作用等方面[14-15]，較少關(guān)注其對(duì)溫室氣體排放的影響。隨著滴灌技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛，極有必要深入開展滴灌技術(shù)對(duì)N2O排放影響的研究。

國(guó)內(nèi)外越來越多的學(xué)者開始關(guān)注如何在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，盡可能地減少溫室氣體排放這一科學(xué)問題。滴灌作為一項(xiàng)高效節(jié)水措施，其對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響也必然會(huì)作用于溫室氣體的產(chǎn)生、運(yùn)輸及排放過程。通過系統(tǒng)的檢索和分析相關(guān)的文獻(xiàn)資料，本文較為全面的綜合分析了滴灌對(duì)土壤N2O排放的影響及作用機(jī)理，討論了目前有關(guān)滴灌下N2O排放研究存在的一些問題(如目前有關(guān)溫室氣體排放的空間異質(zhì)性和多種溫室氣體的同步定量研究等方面仍存在一些不足)，以期為農(nóng)業(yè)溫室氣體N2O的綜合控制及減緩提供有價(jià)值的線索。

1 土壤N2O的產(chǎn)生機(jī)制

2 滴灌對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響

滴灌通過管道和滴頭系統(tǒng)將水緩慢地灌在作物根部，僅濕潤(rùn)根部附近的土壤，能夠減少棵間土壤蒸發(fā)損失、避免發(fā)生地表徑流和深層滲漏。張西超等[21]比較不同灌溉方法對(duì)土壤水分和番茄生長(zhǎng)影響發(fā)現(xiàn)，滴灌處理各土層間土壤水分分布均勻，有利于高產(chǎn)、高效、節(jié)水。滴灌條件下土壤大部分處于干燥狀態(tài)，其土壤溫度與其他灌溉方式存在差異，王建東等[22]研究表明滴灌在一定程度上延遲了氣溫對(duì)土壤溫度的影響，具有保溫作用。滴灌有利于土壤有機(jī)氮的礦化，改變土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，從而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過程。Livesley等[23]研究發(fā)現(xiàn)在滴灌農(nóng)田中，頻率干濕交替會(huì)明顯影響灌溉周期內(nèi)土壤速效氮的轉(zhuǎn)化，改變氮氧化物的排放。

相比常規(guī)灌溉技術(shù)，節(jié)水灌溉技術(shù)能夠減緩溫室氣體排放。有研究表明滴灌下土壤水分分布更能抑制反硝化反應(yīng)，使得N2O排放更少[24-25]。Kallenbach等[26]在研究冬季豆類覆蓋種植時(shí)發(fā)現(xiàn)，地表滴灌下土壤N2O排放量顯著低于畦灌。田間試驗(yàn)表明，滴灌棉田N2O排放量比溝灌棉田降低了70%[27]。Wu等[28]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉方式對(duì)全球增溫潛勢(shì)(GWP)影響顯著，相比畦灌菜地，滴灌菜地具有產(chǎn)量和水分利用率高、田間GWP低的特點(diǎn)。Maraseni等[29]研究表明，將蔬菜產(chǎn)地噴灌系統(tǒng)改為滴灌系統(tǒng)，節(jié)省近200 萬L/hm2(52.4%)的灌水量，并可全面減少溫室氣體排放。Sanchez-Martín等[30]通過研究甜瓜土壤N2O也發(fā)現(xiàn)，滴灌減少了甜瓜土壤反硝化速率和N2O的排放。然而，齊玉春等[31]提出，由于滴灌土壤干濕交替頻繁，可能會(huì)產(chǎn)生同時(shí)適宜硝化和反硝化過程的環(huán)境，從而引起顯著的N2O排放。徐華等[32]研究也表明，土壤干濕交替循環(huán)會(huì)產(chǎn)生較高的N2O排放通量?？梢?，滴灌灌水方式對(duì)農(nóng)田N2O排放產(chǎn)生明顯影響，究其原因是滴灌改變了土壤水熱狀況和氮素轉(zhuǎn)化過程。

3 滴灌影響農(nóng)田N2O排放的機(jī)理

3.1 滴灌改變土壤溫度進(jìn)而影響土壤N2O排放

不同灌溉方式會(huì)產(chǎn)生不同的土壤微環(huán)境條件(如土壤濕度和溫度)，滴灌條件下，土壤部分區(qū)域處于干燥狀態(tài)，其水熱狀況與其他灌溉方式明顯不同。王鐵良等[33]對(duì)比溝灌、滴灌和小管出流三種灌溉方式，發(fā)現(xiàn)灌溉方式出水的流態(tài)對(duì)土壤溫度變化具有一定影響。滴灌每次灌水都能使水分均勻分布在根系層內(nèi)，從而明顯減少淺土層土壤蒸發(fā)，使土壤溫度變化幅度較小，能夠提供較為穩(wěn)定的溫度環(huán)境。Wang 等[34]研究表明大豆滴灌處理的土壤溫度顯著高于噴灌處理，促使滴灌處理出苗率更高。

而土壤溫度是影響N2O產(chǎn)生和排放的重要因素。Dobbie等[35]研究表明草地土壤N2O排放量隨溫度升高而急劇增加。Kamp等[36]發(fā)現(xiàn)，在夏季增溫處理的N2O排放速率是非增溫處理的3倍。謝軍飛等[37]認(rèn)為，15～35℃為硝化細(xì)菌活動(dòng)的適宜溫度，5～ 75℃為反硝化細(xì)菌的適宜溫度，土壤溫度對(duì)硝化作用的影響較為顯著。鄭循華等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在稻麥輪作系統(tǒng)中，當(dāng)溫度低于硝化作用的適宜溫度下限15℃或高于上限35℃時(shí)，N2O的產(chǎn)生率顯著降低，并且N2O排放通量發(fā)生的頻率隨表層土(5 cm土層深度)日平均地溫變化呈正態(tài)分布。Liu等[39]認(rèn)為，由于酶活性隨地溫增加呈指數(shù)增加，因此只要N2O產(chǎn)生過程(硝化和反硝化反應(yīng))不因土壤濕度和基質(zhì)有效性太低而受限制，則N2O排放隨地溫的增加呈指數(shù)增加。同時(shí)，溫度的變化還使得N2O排放量的日變化趨勢(shì)較為明顯[34]。

綜上所述，滴灌土壤溫度與其他灌溉方式不同，土壤溫度不僅影響N2O產(chǎn)生的生物學(xué)過程，并且通過對(duì)土壤微生物菌群數(shù)量、結(jié)構(gòu)和活性的影響[40]來調(diào)節(jié)土壤中氣體傳輸速率有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)[41]，進(jìn)而改變土壤N2O的產(chǎn)生量及排放速率[35, 42]。

3.2 滴灌改變土壤濕度進(jìn)而影響N2O排放

土壤水分狀況是影響N2O排放的重要因素之一。滴灌相對(duì)于其他灌水方式，通過頻繁少量地將水施加到作物的根部，精準(zhǔn)地調(diào)控土壤水分，使作物的水分條件始終處于最優(yōu)狀態(tài)，避免了水分過多或虧缺狀況的周期性重復(fù)。Livesley[23]研究表明土壤水分與N2O排放之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。Gucinski研究指出，當(dāng)土壤孔隙含水率<60%時(shí)，土壤環(huán)境有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生，從而促進(jìn)N2O的產(chǎn)生與排放；而當(dāng)土壤孔隙含水率>60%時(shí)，氧氣供應(yīng)減少，在厭氧條件下進(jìn)行的反硝化反應(yīng)成為產(chǎn)生N2O的主要途徑[43]。

鄭循華等[44]在太湖地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田進(jìn)行的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)N2O排放較強(qiáng)烈地受土壤濕度的影響，當(dāng)土壤濕度為84%～86%土壤充水孔隙度(WFPS)時(shí)，N2O的排放量最大。在較低的土壤濕度范圍內(nèi)，N2O排放量與濕度呈正相關(guān)。Ruser[45]認(rèn)為當(dāng)土壤濕度超過60%～70% WFPS時(shí)，反硝化過程產(chǎn)生的N2O排放會(huì)隨土壤含水率的增加而增加。蔡祖聰?shù)萚46]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻土壤N2O排放量隨著土壤水分含量的下降而增加，而半干旱地區(qū)草地土壤N2O排放則隨著水分含量的下降而減少。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)N2O的產(chǎn)生在很大程度上取決于土壤濕度的變化頻率[47]，變化頻率的增加會(huì)造成土壤N2O產(chǎn)量的激增[48]，因?yàn)樵诟蓾窠惶骐A段，硝化作用和反硝化作用都十分強(qiáng)烈。

3.3 滴灌改變土壤氮素轉(zhuǎn)化過程而影響N2O排放

土壤氮素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量和酶活性是發(fā)生硝化反硝化反應(yīng)的重要條件，對(duì)N2O排放有著不可忽視的影響。陳玲等[55]認(rèn)為土壤N2O排放主要取決于土壤細(xì)菌數(shù)量的變化。滴灌條件下土壤水熱環(huán)境較為適宜，有利于土壤微生物生長(zhǎng)和酶活性的提高。陳寧等[56]研究不同灌溉方式對(duì)茄子土壤微生物和酶的影響，結(jié)果表明滴灌土壤細(xì)菌和放線菌的數(shù)量、脲酶活性顯著比畦灌高。Li等[57]提出交替灌溉濕潤(rùn)區(qū)土壤脲酶活性較高。顯見，滴灌改變了土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和微生物量以及氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性，不可避免的會(huì)影響N2O排放過程。

4 問題與展望

滴灌作為一種重要的節(jié)水灌溉方式，目前已在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。隨著農(nóng)業(yè)水資源短缺現(xiàn)象的不斷加劇和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)期滴灌在未來還會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用和更加快速的發(fā)展，因此深入研究這種灌溉方式對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，有助于明確和掌握滴灌條件下土壤溫室氣體排放規(guī)律，對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室氣體有效控制具有極為重要的意義。文獻(xiàn)綜述顯示，國(guó)內(nèi)外有關(guān)滴灌農(nóng)田溫室氣體N2O排放的研究已有很多，并取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。

(1)與傳統(tǒng)灌溉方式相比，滴灌方式是土壤局部灌溉，而土壤干燥區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)溫室氣體排放通量通常會(huì)存在顯著差異，目前對(duì)于滴灌條件下溫室氣體排放的空間異質(zhì)性研究在數(shù)量和深度上都明顯不足。

(2)滴灌對(duì)不同種類溫室氣體的影響存在較大差異，有時(shí)甚至存在相反的效應(yīng)。文獻(xiàn)檢索顯示，滴灌條件下農(nóng)田多種溫室氣體的同步定量研究工作開展得還十分有限。

(3)有關(guān)滴灌對(duì)溫室氣體N2O排放影響的研究，目前大多停留在對(duì)N2O氣體通量變化特征與變化規(guī)律的描述上，對(duì)滴灌影響N2O排放的微生物學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制和環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面的研究相對(duì)較少，深度也明顯不足。

未來，在相關(guān)領(lǐng)域的研究中應(yīng)加強(qiáng)滴灌條件下溫室氣體排放的空間分布特征和變化規(guī)律的研究，加強(qiáng)滴灌技術(shù)應(yīng)用對(duì)多種溫室氣體綜合效應(yīng)變化的長(zhǎng)期研究，以及與傳統(tǒng)灌溉方式影響效應(yīng)差異的比較研究與定量評(píng)價(jià)，并不斷拓寬研究方法，開展更全面的作用機(jī)理與控制措施研究，從而為區(qū)域農(nóng)田溫室氣體減排措施的制定提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

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