基于APSIM 模型不同水氮處理下N2O 的排放研究

馬晨光 ，蔡煥杰 *，盧亞軍

（1.西北農(nóng)林科技大學 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

【研究意義】N2O 是主要的溫室效應(yīng)氣體，自1750 年以來，大氣中的N2O 質(zhì)量濃度增加了20%[1]。其中農(nóng)業(yè)活動是N2O 質(zhì)量濃度增加的主要原因之一[2]。在中國溫室氣體排放中農(nóng)業(yè)源排放比例超過15%，其中N2O 排放高達90%[3]。在我國糧食產(chǎn)量保持十一連增的背景下，如何降低資源環(huán)境成本，減少N2O 排放，保證糧食產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是值得研究的科學命題。

中國70%的糧食依靠灌溉農(nóng)業(yè)，截至2017 年農(nóng)業(yè)用水量約占全國總用水量的62.3%[4]，但在全球氣候變暖的前提下，我國農(nóng)業(yè)水資源總量呈下降趨勢，高慶先等[5]預(yù)測表明，截至2030 年我國西北地區(qū)依靠自然降水來緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺是不可能的，所以灌溉仍是保證旱區(qū)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要手段。灌溉在保證產(chǎn)量的同時也是農(nóng)田N2O 排放的關(guān)鍵驅(qū)動因子，在一定變化范圍內(nèi)土壤水分與N2O 排放有顯著相關(guān)性[6]?！狙芯窟M展】水氮處理對農(nóng)田土壤N2O 排放的影響研究較多。一般認為旱地冬小麥-夏玉米在灌溉施肥期、降雨期和凍融交替期等水肥增加時期N2O排放通量會有1～3 次排放峰值[7]。龐軍柱等[8]研究表明，較大的降水會促進N2O 的排放。歐陽揚等[9]研究發(fā)現(xiàn)，增加干濕交替的頻率也可以增大N2O 的累積排放量，且在相同土壤水分條件下土壤由濕變干過程中N2O 的排放要大于土壤由干變濕的過程[10]。除水分外，氮肥的施用也是N2O 排放的關(guān)鍵影響因子，在西北冬小麥-夏玉米輪作地區(qū)的研究表明，當全年施氮量低于800 kg/hm2時，N2O 排放隨施氮量的增加呈線性增長[11]；但也有研究認為當施氮量超過作物所需時，N2O 排放量會呈急劇上升趨勢，而非線性增長[12]。【切入點】由于農(nóng)田N2O 排放量的測定需要較大的經(jīng)濟人力成本，所以使用模型預(yù)測N2O 排放量已成為更多科研工作者的選擇。模型方法已經(jīng)被用來定量評估不同農(nóng)作管理措施下作物生產(chǎn)和相應(yīng)的環(huán)境足跡[11]。在本研究中，通過校準APSIM（The Agricultural Production Systems Simulator）在模擬土壤水分、作物產(chǎn)量及N2O 排放的性能，利用校準后的APSIM 模擬了在不同施氮水平下虧缺灌溉對冬小麥-夏玉米輪作的產(chǎn)量及N2O 排放的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】優(yōu)化施氮量和灌溉方式等管理措施，為保障作物產(chǎn)量，同時為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和溫室氣體減排提供理論支撐和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 APSIM 模型結(jié)構(gòu)

APSIM（Agricultural Production Systems Simulator）是一個綜合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理模型，可用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生物物理學過程。在結(jié)構(gòu)上主要包括作物、土壤和管理模塊。APSIM 可以模擬不同氣候、土壤和管理下的作物生產(chǎn)力，并可用于解決長期的資源管理問題。經(jīng)過試驗驗證，APSIM 模型現(xiàn)已可以模擬農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N2O 的排放[12]，并在中國各地區(qū)得到了驗證[12-13]。APSIM 模型通過模擬硝化與反硝化過程來模擬N2O 排放[13]，最大硝化速率遵循米氏動力學過程，但實際硝化速率受到土壤溫度、水分、pH值等因素的影響，硝化反應(yīng)計算速率如下：

式中：Rnit為實際硝化速率；Kmax為最大硝化速率；NH4+為土壤銨離子質(zhì)量濃度；KNH4+為米氏常數(shù)；f（w）、f（T）、f（pH）分別為土壤水分、溫度和pH 值限制因子。硝化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O 與實際硝化過程氮的總量呈一定比例，該值K2在本文中選定為0.002 3[14]，硝化過程產(chǎn)生的N2O 計算式如下：

式中：Nnit為硝化反應(yīng)速率；K2為硝化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O與實際氮硝化量的比值。

反硝化速率受到土壤活性有機碳、水分、溫度因子影響，其計算式如下：

式中：Rdenit為實際反硝化速率；Kdenit為反硝化常數(shù)；NO3-為土壤硝酸根質(zhì)量濃度；CA為土壤活性有機碳質(zhì)量濃度；f（w）、f（T）分別為土壤水分、溫度限制因子；HUMC和FOMC為來自腐殖質(zhì)和新鮮有機質(zhì)的有機碳。反硝化過程產(chǎn)生的N2O 是通過計算反硝化過程產(chǎn)生的N2和N2O 的比值估算的，本文中N2與N2O 比值選定為10[14]。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗在西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗場（108°04′E，34°18′N，海拔521 m）防雨棚下開展。試驗地屬溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度12.5 ℃，年降水量609 mm，多集中在6—9 月，年均蒸發(fā)量1 500 mm。試驗地土壤為中壤土，1 m 土層田間質(zhì)量持水率為23%～25%，凋萎質(zhì)量含水率為11%～12%，平均干體積質(zhì)量為1.4 g/cm3。

1.3 試驗設(shè)計

分別在冬小麥-夏玉米的4 個生育階段（小麥季為苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期；玉米季為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期）進行灌水，灌溉方式為地面灌溉，冬小麥和夏玉米施肥量一致，均只施基肥，于播種當天混施尿素和磷酸二銨（N：246 kg/hm2、P2O5：270 kg/hm2），灌水量以稱質(zhì)量式蒸滲儀實測蒸散量ET（ET 為全生育期充分灌水小區(qū)內(nèi)的蒸滲儀實測2 次灌水之間的蒸散量）為標準，按100%（充分灌水）、80%（中度水分虧缺）和60%（重度水分虧缺）3 個水平灌水。試驗采用4 因素（生育期）3 水平（灌水水平）的正交試驗設(shè)計，按照多因素不完全實施方案設(shè)計規(guī)則，在L9（34）正交表中選取6 個處理組合，每個處理3 個重復，共18 個測坑，按照隨機區(qū)組排列。

2016—2017 年冬小麥（小偃22）于2017 年10月23 日播種，2017 年6 月5 日收獲；夏玉米（吉祥一號）于2017 年6 月18 日播種，2017 年10 月8 日收獲，冬小麥各處理統(tǒng)一播前灌水45 mm（2016 年10 月20 日），于2016 年12 月31 日、2017 年3 月10 日和4 月17 日灌溉3 次，充分灌水水平灌水量分別為75、67 mm 和85 mm，小麥季總灌水量為272 mm；夏玉米各處理統(tǒng)一于播前（2017 年6 月11 日）和苗期（7 月4 日）分別灌水30 mm，于2017 年7 月19日、8 月4 日、8 月25 日和9 月17 日進行4 次灌溉，充分灌水水平灌水量分別為60、75、90、54 mm，玉米季總灌水量為339 mm，詳見表1。

2017—2018 年冬小麥于2017 年10 月24 日播種，2018 年6 月6 日收獲；夏玉米于2018 年6 月20 日播種，2018 年10 月1 日收獲。冬小麥季各小區(qū)在冬小麥播前（2017 年10 月20 日）均統(tǒng)一灌水45 mm，于2017 年12 月6 日、2018 年3 月13 日、4 月3 日和4 月25 日進行4 次灌溉處理，充分灌水水平的灌水量分別為69、64、84和89 mm，總灌水量為351 mm。夏玉米季各處理播前（2017年6月15 日）灌水45 mm，并進行4 次灌水處理（7 月9 日、7 月26 日、8 月10日和9 月3 日），充分灌水水平的灌水量分別為51、100、107 和100 mm，總灌水量為403 mm。冬小麥-夏玉米輪作不同生育期灌溉處理詳見表2。

表1 2016—2017 年輪作水分處理Table 1 Different irrigation levels for crop rotation during 2016—2017

表2 2017—2018 年輪作水分處理Table 2 Different irrigation levels for crop rotation during 2017—2018

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤溫室氣體采集

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對土壤N2O 氣體進行原位監(jiān)測，靜態(tài)箱由箱體和底座組成，箱體規(guī)格為45 cm×45 cm×45 cm，使用厚6 mm 不透光的聚氯乙烯材料制成，箱體表面使用錫箔紙包裹，防止取樣時因太陽照射導致箱內(nèi)溫度變化，影響觀測結(jié)果。箱體頂部安裝小風扇，在氣體采集時開啟，使箱內(nèi)氣體均勻；底座采用50 cm×50 cm×50 cm 規(guī)格，在播種當天埋入小區(qū)中央，底座內(nèi)不播種作物；氣體采樣時間分別為10:00、10:10、10:20 和10:30 使用帶有三通閥的50 mL 注射器進行采集，每次取樣40 mL，并記錄箱內(nèi)溫度；除冬小麥越冬期外，冬小麥-夏玉米輪作整個生育期7～10 d 采集1 次氣體，在灌水和施肥后加測1 次，氣體采集后立即帶回實驗室用安捷倫氣相色譜儀分析儀測定（Agilent Technologies7890A GC System，America）氣體質(zhì)量濃度。

1.4.2 土壤水分的測定

采用土鉆取0～100 cm 土樣，以10 cm 為1 個土層，將土樣充分混合后用烘干法（105 ℃烘12 h）測定土壤含水率。

1.4.3 產(chǎn)量的測定

小麥季在各處理選取長勢均勻的1 m2小麥，曬干后脫粒，使用烘箱烘至恒質(zhì)量，玉米季在各處理選擇10 株，曬干后脫粒稱質(zhì)量。

1.4.4 氣體排放強度和水分利用效率計算公式

根據(jù)Timothy 等[15]給出的溫室氣體排放強度（GHGI）的計算方法如下，根據(jù)GHGI 值的相對大小判斷各處理的綜合溫室效應(yīng)。

式中：GHGI 為溫室氣體排放強度；TCDE 為CH4和N2O 二者排放量的總CO2當量（kg）；但本文中只考慮N2O 排放量，故此時TCDG 為N2O 排放量（kg）。

水分利用效率計算式如下[16]：

ET 為作物蒸發(fā)蒸騰量，可通過水量平衡計算：

式中：P 為降雨量（mm）；I 為田間灌溉量（mm）；Sinit播前土壤儲水量（mm）；Sfin為收獲后土壤儲水量（mm）；R 為徑流量（mm）；D 為滲漏量（mm）；在本研究中P、R 和D 被忽略。

1.5 APSIM 模型參數(shù)調(diào)試與驗證

本研究模型所使用的土壤數(shù)據(jù)部分來源于田間實測，部分來源于文獻[17-18]。模型使用試錯法調(diào)整參數(shù)；利用遮雨棚下2016—2018 年冬小麥-夏玉米試驗生育期觀測數(shù)據(jù)調(diào)整作物生育期所需積溫、小麥春化指數(shù)、光周期系數(shù)和夏玉米光周期斜率；利用實測小麥、玉米生物量和產(chǎn)量調(diào)整小麥谷粒質(zhì)量、潛在灌漿速率和玉米最大籽粒數(shù)、灌漿速率。驗證后的參數(shù)調(diào)整結(jié)果見表3。

表3 作物參數(shù) Table 3 Derived values of cultivar parameters for crop

采用模擬結(jié)果和實測結(jié)果間的決定系數(shù)（R2）和國際上檢驗?zāi)Ｐ屯ㄓ玫木礁`差方法，用NRMSE歸一化均方根差來度量模擬值與實測值的相對差異程度。一般認為，NRMSE 越小，模擬值與實測值的差異越小，即模型模擬結(jié)果越可靠，NRMSE<0.1 表明模擬結(jié)果極好，0.10.3表示模擬結(jié)果較差，而決定系數(shù)R2越大則表示結(jié)果越好。

1.6 情景模擬設(shè)定

一般認為冬小麥和夏玉米對虧水最敏感的時期分別為抽穗期和抽雄期[20-21]，在2016—2018 年實測試驗中也發(fā)現(xiàn)小麥季和玉米季都在拔節(jié)期充分灌水、抽雄期輕度虧缺的Z3 處理產(chǎn)量下降較少，結(jié)合文獻和試驗設(shè)計如下虧缺灌水方案，即在水分最敏感的抽穗期（小麥）和抽雄期（玉米）不進行水分虧缺。情景設(shè)計以2017—2018 年田間試驗為基礎(chǔ)，假設(shè)未來20 a（2018—2037 年）氣象數(shù)據(jù)與2017—2018 年保持一致，結(jié)果分析中各項數(shù)值皆為20 a 輪作的均值，肥料設(shè)置6 個梯度N50（50 kg/hm2）、N100（100 kg/hm2）、N150（150 kg/hm2）、N200（200 kg/hm2）、N250（250 kg/hm2）和N300（300 kg/hm2），均在小麥和玉米播種時作基肥一次施入，灌溉情景設(shè)計如表4，其他農(nóng)作措施保持不變。

表4 情景設(shè)定下不同水分處理 Table 4 Differentwater treatments under scenario settings

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM 模擬驗證

由表5 可知，產(chǎn)量、土壤水分和N2O 排放量實測值與模擬值決定系數(shù)R2最小值為0.68，NRMSE 最大值為0.19，所以本研究認為APSIM 模型可以較好地模擬關(guān)中地區(qū)不同管理措施下農(nóng)田N2O 氣體排放。Qaisar[21]和劉杰[17]分別驗證了APSIM 模型對關(guān)中地區(qū)作物產(chǎn)量和土壤水分的模擬，故在本文中不再陳列模型對作物產(chǎn)量和土壤水分擬合結(jié)果，僅列出農(nóng)田N2O 排放量擬合情況，見圖1。

圖1 N2O 排放量模擬與實測對比Fig.1 Comparison of APSIM simulated and observed N2O emissions

表5 2016—2018 年輪作產(chǎn)量、土壤水分和 N2O 排放量實測值與模擬值擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of measured and simulated values of crop yield, soil moisture, and N2O emissions from 2016—2018

2.2 情景設(shè)計結(jié)果分析

2.2.1 不同水氮處理下冬小麥產(chǎn)量和N2O 排放特征

由圖2 可知，隨著施氮量的增加，冬小麥季N2O排放量顯著增加，在施氮50、100、150、200、250 kg/hm2和300 kg/hm2水平下，不同虧缺灌溉處理N2O排放量分別在0.12～0.14、0.27～0.29、0.43～0.47、0.69～0.73、0.88～1.0 kg/hm2和1.06～1.23 kg/hm2之間；隨著施氮量的增加，不同虧水處理之間N2O 排放量差距逐漸增大。但在小麥季，同一施氮水平下不同水分處理的N2O 排放量相近，水分處理對小麥季N2O排放的影響較小。

圖2 不同水氮處理下冬小麥產(chǎn)量及N2O 排放量 Fig.2 Winter wheat yield and N2O emissions under different water and nitrogen treatments

在冬小麥季，隨著施氮量的增大產(chǎn)量急速上升，T1 處理和T2 處理在150 kg/hm2水平達到峰值，其余處理皆在施氮量200 kg/hm2水平達到峰值，施氮量200、250、300 kg/hm2水平之間小麥產(chǎn)量無顯著差異；在50 kg/hm2和100 kg/hm2水平下，不同灌水處理之間小麥產(chǎn)量分別在1 390～1 400、3 232～3 295 kg/hm2內(nèi)，各虧水處理之間產(chǎn)量差距很小，這是因為此時產(chǎn)量除受到水分影響外，氮肥也是一個主要制約因素，削弱了水分對產(chǎn)量的影響；隨著施氮量的增加，不同灌溉處理下產(chǎn)量差距也逐漸增大，在施氮量為200 kg/hm2時產(chǎn)量相差最大，CK 產(chǎn)量最大，為6 092 kg/hm2，T1、T2、T3、T4 處理和T5 處理較CK 分別下降了33.7%、20.8%、22%、12.1%和15.1%。在施氮量大于200 kg/hm2的情況下，除充分灌水CK 外，苗期、拔節(jié)期重度虧水的T1 處理產(chǎn)量最低，苗期、拔節(jié)期中度虧水的T4 處理產(chǎn)量最大，T2 處理與T3處理、T4 處理與T5 處理相比，在拔節(jié)期中度虧水的T2 處理和T4 處理略高于在灌漿期中度虧水的T3 處理和T5 處理，這說明相較在灌漿期虧水，在拔節(jié)期虧水更有利于保產(chǎn)。

2.2.2 不同水氮處理下冬小麥N2O 排放強度和水分利用效率變化特征

在冬小麥季，隨著施氮量的增加，N2O 排放強度也隨之增大，在施氮量低于200 kg/hm2時，各虧水處理N2O 排放強度相差較小；但在施氮量高于200 kg/hm2時，各虧水處理N2O 排放強度增長速度明顯增大，主要原因是小麥季產(chǎn)量在施氮量為200 kg/hm2時達到峰值，隨后隨著施氮量的增加，產(chǎn)量未有變化，但N2O 排放隨著施氮量的增加仍處于上升狀態(tài)。在施氮量為200 kg/hm2時，與CK 相比，虧水處理N2O排放強度均有所上升，各水分處理以苗期、拔節(jié)期重度虧水T1 處理N2O 排放強度最大，充分灌水CK 處理排放強度最小，呈現(xiàn)為T1 處理>T3 處理>T2 處理>T5 處理>T4 處理>CK 處理，如圖3（a）。

圖3 冬小麥季不同水氮處理下N2O 排放強度和水分利用效率Fig.3 N2O emission intensity and water use efficiency under different water and nitrogen treatment in wheat season

冬小麥季各水分處理在不同施氮水平下總體趨勢大體相同，即在施氮量在50～150 kg/hm2時，各處理水分利用效率皆隨著施氮量的增長而急劇增長，在施氮量高于200 kg/hm2時水分利用效率基本保持不變。在施氮量為50～100 kg/hm2時，CK 水分利用效率最??；虧水處理水分利用效率均高于CK，此時高水低氮不利于作物產(chǎn)量的形成；但當施氮量增至200、250 kg/hm2和300 kg/hm2時水分利用效率WUE 趨勢一致，此時以CK 最大，T1 處理最小，因為高氮下CK 產(chǎn)量上限高于虧水處理，詳見圖3（b）。

2.2.3 不同水氮處理夏玉米產(chǎn)量和N2O 排放特征

在玉米季，隨著施氮量的增加，不同水分處理N2O 排放量均呈上升趨勢，且不同灌水之間N2O 排放差異也在增大。不同施氮水平下N2O 排放趨勢有所不同。在施氮量為50～200 kg/hm2時，各水分處理N2O排放在0.47～1.87 kg/hm2之間，虧水水分處理N2O排放量與CK 相差較小，部分處理甚至略高于CK，而在施氮量高于200 kg/hm2時，CK 的N2O 排放量高于各虧水處理。

圖4 不同水氮處理下夏玉米產(chǎn)量及N2O 排放量Fig.4 Summer maize yield and N2O emissions under different water and nitrogen treatments

玉米季在施氮量為50 kg/hm2時，CK、T1、T2、T3、T4 和T5 處理產(chǎn)量分別為5 324、5 421、5 402、5 352、5 397 kg/hm2和5 339 kg/hm2。與CK 相比，各虧水處理產(chǎn)量相差較小甚至有所增長，氮肥對作物生長的影響高于水分的影響。在施氮量為100 kg/hm2時，T1、T2 和T3 處理產(chǎn)量皆達到峰值，3 個虧水處理產(chǎn)量相差較小，皆在8 444～8 506 kg/hm2之間；CK、T4 和T5 處理在施氮量為150 kg/hm2時產(chǎn)量達到峰值，CK 最大為9 341 kg/hm2；在施氮量為250 kg/hm2和300 kg/hm2時，各灌水處理產(chǎn)量較200 kg/hm2時均有所下降，因此高氮低水不利于作物生長，詳見圖4。

2.2.4 不同水氮處理下夏玉米N2O 排放強度和水分利用效率變化特征

在玉米季N2O 氣體排放強度規(guī)律與小麥季相似，如圖5（a）。隨著施氮量的增大，不同水分處理N2O排放強度均有所上升，施氮量低于150 kg/hm2時，各虧水處理N2O 排放強度增長速率較緩，因為隨著施氮量的增大，玉米產(chǎn)量也呈上升趨勢；當施氮量高于150 kg/hm2時，N2O 排放強度呈急劇上升趨勢，這是因為施氮量高于150 kg/hm2，玉米產(chǎn)量增長趨勢減弱，而N2O 排放呈急速上升狀態(tài)。

在夏玉米季水分利用效率WUE 規(guī)律與小麥季不同，如圖5（b）。在施氮量低于150 kg/hm2時，除T1處理外的其他處理隨著施氮量的增大，水分利用效率也呈上升趨勢，且虧水處理水分利用率高于充分灌水CK，在施氮量150 kg/hm2時，除T1 處理，其余處理水分利用效率皆達到峰值，CK、T2、T3、T4 處理和T5 處理分別為2.53、2.75、2.67、2.85 和2.76 kg/m3。在施氮量高于150 kg/hm2時，各處理水分利用效率呈下降趨勢。在玉米季施氮量低于150 kg/hm2時，虧缺灌溉可以有效的提升水分利用效率。

圖5 夏玉米季不同水氮處理N2O 排放強度和水分利用效率Fig.5 N2O emission intensity and water use efficiency under different water and nitrogen treatment in maize season

2.2.5 不同水氮處理下冬小麥-夏玉米輪作總產(chǎn)量、WUE 和N2O 排放量及排放強度變化特征

表6 為情景設(shè)計下小麥-玉米輪作總產(chǎn)量、N2O總排放量、N2O 排放強度和水分利用效率。由表6可知，CK、T2、T3、T4 處理和T5 處理在施氮量為150 kg/hm2時產(chǎn)量達到最大，分別為14 325、12 991、12 041、13 707 kg/hm2和13 733 kg/hm2，虧水較多的T1 處理則在100 kg/hm2水平下達到峰值為11 747 kg/hm2；與CK 峰值產(chǎn)量相比，T1、T2、T3、T4 處理和T5 處理峰值產(chǎn)量分別下降了18.0%、14.2%、15.9%、4.1%和4.3%。在50 kg/hm2和100 kg/hm2水平下各水分處理間總產(chǎn)量無顯著差異，因為此時產(chǎn)量還受到氮肥的影響，水分的作用被削弱。N2O 排放量隨施氮量的增大而增加，在施氮量低于200 kg/hm2時不同水分處理之間無顯著差異，在施氮量高于200 kg/hm2時，T1 處理和T2 處理N2O 排放量顯著低于CK。CK、T2、T3、T4 處理和T5 處理在150 kg/hm2水平下WUE 達到峰值，分別為2.14、2.22、2.18、2.37 kg/m3和2.26 kg/m3，T4 處理和T5 處理WUE 相較CK 顯著提高。T1 處理在100 kg/hm2水平達到峰值，為2.12 kg/m3；N2O 排放強度則隨著施氮量的增大而逐步上升，在施氮量低于200 kg/hm2時各水分處理無顯著差異，但在施氮量高于200 kg/hm2時，各虧水處理N2O 排放強度明顯高于CK。

綜合考慮各處理灌水量、施肥量、N2O 排放量和輪作產(chǎn)量，認為每季施氮量在150 kg/hm2最佳，除T1 處理外各水分處理產(chǎn)量和WUE皆在這一施氮量達到峰值，水分處理則以苗期和拔節(jié)期中度虧水的T4處理最佳。

表6 情景設(shè)計下小麥-玉米輪作總產(chǎn)量、N2O 總排放量、N2O 排放強度和水分利用效率Table 6 Wheat-maize rotation yield, N2O emissions, N2O emissions intensity and water use efficiency WUE under scenario design

3 討 論

3.1 不同水氮處理對N2O 排放的影響

土壤N2O 排放的主要來源是土壤微生物的硝化與反硝化作用，而土壤濕度不僅影響硝化反硝化微生物活性，還影響著N2O 在土壤中的運輸與擴散，是影響土壤N2O 形成的關(guān)鍵因素[22-23]。灌溉可以提高土壤孔隙度含水率，創(chuàng)造土壤厭氧環(huán)境，進而使N2O排放量呈指數(shù)增長，一般認為土壤孔隙度含水率WFPS（water filled pore space）在45%～75%范圍內(nèi)最適宜N2O 排放[24-25]。土壤硝化和反硝化的最適溫度分別為15～35 ℃和30～67 ℃[7]。在本研究中，同一施肥水平下，小麥季不同灌水之間N2O 排放相差較小，主要原因為：①受播前灌水的影響，本文中小麥季播種施肥時土壤孔隙度含水率WFPS 在62%，此時土壤孔隙度含水率適宜且底物充足，硝化和反硝化過程同時進行，產(chǎn)生較多的N2O 氣體并通過土壤孔隙順利排放至大氣，而此時各處理間未進行水分處理。②冬小麥季第1次水分處理為苗期灌水（12月06 日），距離播種施肥（10 月23 日）45 d，拔節(jié)期灌水距離播種施肥142 d，而土壤N2O 排放主要集中在施肥+灌溉或灌溉+施肥后2 周內(nèi)[26]，小麥季灌水處理距離播種施肥時間較遠，削弱了灌溉對N2O 排放的影響。③在苗期灌水后1 周內(nèi)大氣平均溫度1.7 ℃，拔節(jié)期灌水后1 周內(nèi)平均溫度11.9 ℃，本研究中小麥苗期和拔節(jié)期灌水時溫度皆不利于硝化與反硝化過程。④為保證產(chǎn)量，本試驗在N2O 排放高峰期（抽穗—灌漿期），也是對水分虧缺敏感期未進行虧水處理，這也導致不同灌水處理之間N2O 排放相差較小。

在玉米季施氮量低于200 kg/hm2時，虧水水分處理N2O 排放量與CK 相差較小，部分處理甚至略大于CK，這可能是隨著輪作年限的延長，施氮量低于200 kg/hm2時虧缺灌溉土壤中氮元素的累積速度高于CK，對N2O 排放的影響也越來越大，削弱了灌水對N2O排放的影響。而在施氮量高于200 kg/hm2時，CK 的N2O 排放量明顯高于T1 處理和T2 處理。這與前人研究結(jié)果一致，在施肥后的灌水對N2O 排放影響最為顯著[28]，在此時進行虧水有利于減排。

3.2 不同水氮處理對產(chǎn)量的影響

施氮量和灌水量對產(chǎn)量的影響有明顯的互補性[27-28]，呂麗華等[29]在華北太行山前平原的試驗表明，在供水條件較好的年份，氮肥對產(chǎn)量的貢獻較大，而在供水條件較差的年份，增施氮肥對增產(chǎn)無效，甚至引起產(chǎn)量的降低，肥效受到較大抑制，供水對產(chǎn)量影響較大；山楠等[30]的研究發(fā)現(xiàn)在冬小麥-夏玉米輪作中，每季施氮200 kg/hm2小麥和玉米產(chǎn)量皆達到峰值，這一結(jié)果稍高于本研究，原因可能是本研究中長期輪作土壤中氮素出現(xiàn)累積，且水分虧缺對氮肥的最佳施用量也產(chǎn)生了影響。此外，在本研究中還發(fā)現(xiàn)，在低氮處理下（施氮量低于150 kg/hm2）玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為充分灌水略低于虧水處理的現(xiàn)象，這可能是在低氮處理下，高水處理不利用肥效的發(fā)揮，劉小剛等[31]的研究也發(fā)現(xiàn)在低氮（120 kg/hm2）高水處理下玉米產(chǎn)量略低于低氮低水。

4 結(jié) 論

1）冬小麥-夏玉米輪作體系最佳施氮量為每季150 kg/hm2，此時除T1 處理外，各處理總產(chǎn)量和水分利用效率皆達到峰值。

2）在單季施氮量不高于200 kg/hm2時，從長遠角度看虧缺灌溉并不能顯著降低土壤N2O 排放，但在高施氮量（250 kg/hm2和300 kg/hm2）情況下，在苗期重度虧水有利于N2O 減排。

3）在施氮量為每季150 kg/hm2時，在苗期和拔節(jié)期中度虧水的T4 處理水分利用效率WUE 顯著高于其他處理，N2O 排放強度與T1 處理外的其他處理并無顯著性差異，所以本研究認為在施氮量為每季150 kg/hm2時T4 處理最佳。