郭樹芳，齊玉春，羅小玲，劉長(zhǎng)勇，彭琴，閆鐘清，董云社*

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100101；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，新疆石河子　832000）

滴灌對(duì)干旱區(qū)春小麥田土壤CO2、N2O排放及綜合增溫潛勢(shì)的影響

郭樹芳1，齊玉春1，羅小玲2，劉長(zhǎng)勇2，彭琴1，閆鐘清1，董云社1*

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，新疆石河子832000）

對(duì)比新疆干旱區(qū)滴灌和傳統(tǒng)灌溉對(duì)春小麥田土壤CO2和N2O排放通量及綜合增溫潛勢(shì)的影響差異，旨在為該區(qū)有利于農(nóng)田溫室氣體減排的農(nóng)業(yè)管理措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。在春小麥田中，設(shè)置滴灌和漫灌兩種灌溉方式（其中滴灌包含滴灌管間和滴灌管上2個(gè)不同的空間處理），利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)兩種灌溉方式下不同處理的土壤CO2及N2O排放通量及影響因素進(jìn)行了測(cè)定和分析。結(jié)果表明：在春小麥生長(zhǎng)季，滴灌方式下土壤CO2排放通量均值比漫灌減少了35.76%。滴灌管間和滴灌管上兩個(gè)處理的土壤CO2排放通量無(wú)顯著差異，均值分別為906.28、838.25 mg·m-2·h-1，但均與漫灌處理有顯著性差異（P＜0.05）。滴灌方式下土壤N2O排放通量達(dá)74.81滋g·m-2·h-1，比漫灌增加25.87%。滴灌管間和滴灌管上處理土壤N2O平均排放通量均高于漫灌，分別為85.76、63.62滋g·m-2·h-1，3個(gè)處理間均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。滴灌和漫灌方式下土壤CO2累積排放量分別為2 188.68、3 180.91 g·m-2，土壤N2O累積排放量分別為188.62、160.60 mg·m-2，滴灌方式下春小麥田土壤CO2和N2O的綜合增溫潛勢(shì)比漫灌減少983.55 g CO2·m-2。相關(guān)性分析表明，滴灌管間處理土壤CO2排放通量與大氣溫度及5、10 cm地溫的相關(guān)性均達(dá)顯著水平（P＜0.05），與10～20 cm層土壤微生物量碳呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）；漫灌方式下，0～10 cm和10～20 cm層土壤水分顯著影響土壤N2O排放通量（P＜0.05）；滴灌方式下滴灌管上處理的0～10 cm層土壤水分與土壤N2O排放通量顯著相關(guān)（P＜0.05），滴灌管間處理的10～20 cm層土壤含量是影響N2O排放通量的顯著因素（P＜0.05）。

滴灌；春小麥；CO2排放；N2O排放；全球增溫潛勢(shì)

郭樹芳，齊玉春，羅小玲，等.滴灌對(duì)干旱區(qū)春小麥田土壤CO2、N2O排放及綜合增溫潛勢(shì)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（4）：792-800.

GUO Shu-fang，QI Yu-chun，LUO Xiao-ling，et al.Effects of drip irrigation on soil CO2and N2O emissions and their global warming potentials of spring wheat field in arid region［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：792-800.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源，人類活動(dòng)造成的溫室氣體排放中13.5%來(lái)源于農(nóng)田［1］。農(nóng)業(yè)溫室氣體減排已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外全球變化領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)［2］，是減緩氣候變化的重要途徑之一［3］。灌溉是一項(xiàng)重要的農(nóng)田管理措施，不同灌溉方式能夠改變土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物組成及含量、根系生物量等發(fā)生改變，進(jìn)而帶來(lái)土壤呼吸的變化［4-5］。與此同時(shí)，盡管土壤硝化和反硝化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，但不同灌溉系統(tǒng)中由于水分含量的不同，總是產(chǎn)生有利于其中一個(gè)反應(yīng)的入件［6］，因此灌溉與否以及灌溉方式的變化也會(huì)帶來(lái)土壤N2O排放通量的較大差異。

滴灌是近用發(fā)展起來(lái)的一種新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)。在水資源日益短缺的新疆干旱區(qū)，滴灌節(jié)水技術(shù)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。2008用以前，新疆干旱區(qū)春小麥灌溉基本上是沿用傳統(tǒng)的地面灌溉方式，2008用以來(lái)，滴灌灌溉方式得到大力推廣［7-8］，2009用僅新疆北疆滴灌小麥種植面積就已超過(guò)了3.5×104hm2［9］。滴灌技術(shù)的快速發(fā)展勢(shì)必會(huì)帶來(lái)農(nóng)田土壤溫室氣體排放貢獻(xiàn)的變化。在這種背景下，加強(qiáng)滴灌對(duì)干旱區(qū)春小麥田土壤CO2與N2O排放規(guī)律及其綜合增溫潛勢(shì)的影響研究對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用后所帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)具有重要的科學(xué)意義。

目前，國(guó)外關(guān)于滴灌農(nóng)田溫室氣體的研究主要集中在番茄和甜瓜田上，研究認(rèn)為，與溝灌相比，滴灌顯著降低了土壤N2O排放通量，而對(duì)CO2排放通量的研究則較少［6，10-11］。國(guó)內(nèi)雖然已有少量蔬菜田和干旱區(qū)膜滴灌入件下棉田土壤CO2與N2O排放通量的試驗(yàn)研究［12-14］，但目前的研究基本上是針對(duì)不同氣體分別進(jìn)行的，對(duì)CO2與N2O的綜合研究還很少［10］。單獨(dú)的某一溫室氣體排放的減少可能增加另一種溫室氣體排放，因此從不同溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)上研究溫室氣體減排調(diào)控措施更具實(shí)際意義。由于國(guó)內(nèi)對(duì)滴灌與傳統(tǒng)灌溉方式下春小麥田土壤CO2與N2O排放通量的對(duì)比研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道，本研究在我國(guó)西北干旱區(qū)選擇春小麥田為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了滴灌和漫灌方式下春小麥田土壤CO2與N2O排放通量的差異，分析了滴灌方式對(duì)土壤CO2與N2O排放通量的影響及影響因素，以期為評(píng)價(jià)滴灌對(duì)農(nóng)田溫室氣體減排的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

選擇新疆維吾爾自治區(qū)石河子市新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所試驗(yàn)田為研究區(qū)域（N44毅18憶16義，E85毅59憶37義），于2014用4月至7月春小麥生長(zhǎng)季開(kāi)展試驗(yàn)。該試驗(yàn)區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，全用平均氣溫7～8益，逸0益的活動(dòng)積溫為4023～4118益，逸10益的活動(dòng)積溫為3570～3729益，用降水量為125.0～207.7 mm，用日照時(shí)數(shù)為2721～2818 h。試驗(yàn)地土壤為粘壤土，0～20 cm層土壤pH為9.19～9.28，有機(jī)碳含量為8.38～9.77 g·kg-1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置滴灌（DI）和漫灌（FI）兩種灌溉方式，試驗(yàn)區(qū)面積均為50 m×40 m。滴灌方式下設(shè)置滴灌管上（OP）和滴灌管間（BP）2個(gè)處理，在滴灌管上位置進(jìn)行氣體樣品采集時(shí)將滴管拉離采樣點(diǎn)，采樣后將其歸位。漫灌試驗(yàn)區(qū)設(shè)1個(gè)處理，均勻隨機(jī)設(shè)置采樣點(diǎn)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

滴灌試驗(yàn)區(qū)為無(wú)膜滴灌，60 cm等間距配置，采用1管4行種植模式，肥料溶解于灌溉水中隨水滴入農(nóng)田，灌溉水量與當(dāng)?shù)氐喂喙喔人恳恢?。漫灌時(shí)間及施肥情況與滴灌一致，漫灌水量與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)漫灌灌溉一致。全生育期共灌溉7次，日期分別為4月12日、4月27日、5月16日、5月23日、5月29日、6月11日和6月28日，施肥情況見(jiàn)表1。滴灌與漫灌試驗(yàn)區(qū)小麥播種量均為36～40 kg·hm-2，行距15 cm。前茬作物為棉花，春小麥于2014用4月4日播種，7月20日收獲，其他農(nóng)業(yè)管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1　滴灌和漫灌灌溉方式下農(nóng)田施肥情況（kg·hm-2）Table 1　Fertilization under drip and flood irrigation（kg·hm-2）

1.3觀測(cè)指標(biāo)和方法

1.3.1土壤CO2和N2O排放通量

（1）氣體樣品采集

CO2和N2O的通量觀測(cè)采用靜態(tài)暗箱法，采樣箱用8 mm厚黑色不透明的有機(jī)玻璃制成，目的在于避免觀測(cè)過(guò)程中光合作用消耗CO2的影響，其底面積為30 cm×30 cm，高度為40 cm。采集氣體前需提前1 d割除小麥地上部分，并將帶槽的采樣底座埋入采樣小區(qū)地下3～5 cm，靜置以減少人為活動(dòng)對(duì)測(cè)定區(qū)域的擾動(dòng)。采樣箱箱蓋裝有小風(fēng)扇、溫度計(jì)和采氣三通閥。測(cè)定時(shí)，將采樣箱放置到底座凹槽內(nèi)，并用水密封，采氣時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)三通氣閥，利用醫(yī)用注射器抽取箱內(nèi)氣體存入采樣氣袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

每次采樣共9個(gè)采樣箱（3個(gè)處理×3個(gè)重復(fù)），每個(gè)采樣點(diǎn)面積約為40 cm×40 cm，相鄰采樣點(diǎn)間距約2 m。因?yàn)闅怏w采集完畢后需原位采集土樣，且考慮到如固定樣點(diǎn)位置，該位置長(zhǎng)期無(wú)植被覆蓋將較實(shí)際偏離較大等原因，測(cè)定期間采樣點(diǎn)位置并不是固定在原地，每次采樣重新布設(shè)底座，相較前一個(gè)樣點(diǎn)移動(dòng)距離約為2 m。采樣間隔為10～15 d，如遇下雨天氣則適當(dāng)調(diào)整，每次采樣均選擇在上午的9：00—11：00之間，觀測(cè)持續(xù)時(shí)間為30 min，每間隔10 min抽取觀測(cè)箱內(nèi)氣體一次，取樣時(shí)間分別為扣箱后0、10、20、30 min，并記下氣樣采集時(shí)箱內(nèi)溫度以及觀測(cè)前后的大氣溫度（T-air）、大氣壓力以及地表溫度（T-0 cm）、5 cm地溫（T-5 cm）及10 cm地溫（T-10 cm）等。地溫采用TH-212便攜式溫度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)定。

（2）氣體樣品測(cè)定

利用LI-COR6252型CO2紅外線分析儀（LICOR Inc.，Lincoln，NE，USA）測(cè)定氣樣的CO2濃度，惠普5890II型氣相色譜儀（Hewlett-Packard 7890，Germany）測(cè)定氣樣的N2O濃度。N2O與CO2氣體通量的計(jì)算公式均為：

式中：F為氣體通量，mg·m-2·h-1；V為觀測(cè)箱的容積，m3；A為觀測(cè)時(shí)包圍的土壤面積，m2；D為箱內(nèi)氣體的密度，mol·m-3；n為CO2的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；v為氣體體積，m3；P為箱內(nèi)氣壓，Pa；T為箱內(nèi)氣溫，K；R為氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1；駐m/駐t為氣體在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)濃度隨時(shí)間變化的直線斜率；h為觀測(cè)箱高度，m。

1.3.2土壤指標(biāo)

在氣體樣品采集完畢后，用土鉆采集底座框中的土壤樣品，取樣深度為耕層0～20 cm，分0～10 cm和10～20 cm兩層采集。主要測(cè)定項(xiàng)目：土壤水分（SW）、土壤微生物量碳（MBC）、土壤可溶性碳（DOC）、土壤礦質(zhì)氮（和）。

土壤含水量利用烘干法測(cè)定，DOC含量采用超純水浸提-TOC分析儀法測(cè)定（Vario TOC Cube，Elementar，Germany），MBC含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提-TOC分析儀法測(cè)定，和含量為新鮮土樣經(jīng)2 mol·L-1CaCl2浸提后利用連續(xù)式流動(dòng)分析儀測(cè)定（Braun and L俟bbe，Norderstedt，Germany）。

1.4數(shù)據(jù)分析

將滴灌管上和滴灌管間處理的氣體通量平均值作為滴灌土壤氣體通量的日均通量值。以觀測(cè)值作為日均值，采用線性內(nèi)插法，通過(guò)Matlab 7計(jì)算生長(zhǎng)季累積排放量。利用SPSS 17軟件的One-way ANOVA比較處理間氣體通量的差異顯著性，Person相關(guān)系數(shù)分析氣體排放通量與影響因素間的相關(guān)性。文中圖表采用Origin 8.5和Excel 2007繪制。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤CO2排放通量

漫灌與滴灌方式下土壤CO2排放通量具有相似的季節(jié)變化特征，見(jiàn)圖1a。小麥播種后，土壤CO2通量逐漸升高，至小麥乳熟期達(dá)到峰值，滴灌和漫灌處理土壤CO2通量的峰值分別為1 348.20、2 273.01 mg· m-2·h-1，之后開(kāi)始下降直至小麥成熟收獲。滴灌和漫灌土壤CO2排放通量的分布范圍分別在126.73～1 758.75 mg·m-2·h-1和253.77～3 283.33 mg·m-2·h-1之間，滴灌土壤CO2平均排放通量為870.10 mg·m-2·h-1，比漫灌減少了35.76%。滴灌與漫灌兩種灌溉方式下CO2排放通量具有顯著性差異（P＜0.05），特別在抽穗期-成熟收獲期，滴灌麥田土壤呼吸速率小于漫灌，差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。

滴灌方式下不同空間位置土壤CO2排放通量處理間差異不顯著（圖2a）。滴灌管間和滴灌管上處理土壤CO2排放通量均值分別為906.28、838.25 mg· m-2·h-1，而滴灌管間及滴灌管上均與漫灌處理具有顯著性差異（P＜0.05）。

圖1　滴灌和漫灌方式下土壤CO2排放通量及N2O排放通量分布Figure 1　Distribution of CO2and N2O emissions under drip and flood irrigation

圖2　滴灌方式下土壤CO2排放通量和N2O排放通量的空間分布Figure 2　Spatial distribution of soil CO2and N2O emissions under drip irrigation

2.2土壤N2O排放通量

在春小麥生長(zhǎng)季，滴灌和漫灌方式下土壤N2O排放通量均在成熟期具有一個(gè)明顯的峰值，且比CO2排放通量峰值出現(xiàn)得晚，分別為299.14、159.58滋g·m-2· h-1（圖1b）。滴灌和漫灌方式下各小區(qū)土壤N2O排放通量的變化范圍分別為13.33～611.90滋g·m-2·h-1和17.09～248.76滋g·m-2·h-1，兩種灌溉方式下土壤N2O排放通量并無(wú)顯著差異。在春小麥乳熟期之前，漫灌處理土壤N2O排放通量大于滴灌，平均值分別為48.76、39.04滋g·m-2·h-1；而對(duì)整個(gè)春小麥生長(zhǎng)季而言，滴灌處理土壤N2O排放通量平均值為74.81滋g· m-2·h-1，比漫灌增加了25.87%。滴灌和漫灌方式下土壤N2O排放峰值對(duì)總排放的貢獻(xiàn)率分別達(dá)38.35%和57.12%。可見(jiàn)，在干旱區(qū)春小麥田中土壤N2O排放高峰期在整個(gè)生長(zhǎng)季土壤N2O排放中的貢獻(xiàn)較大，且滴灌方式下貢獻(xiàn)率大于漫灌。

滴灌方式下不同空間位置土壤N2O通量見(jiàn)圖2b。在春小麥乳熟期之前滴灌管間和滴灌管上處理土壤N2O平均排放通量分別為36.73、40.91滋g·m-2·h-1；而整個(gè)春小麥生長(zhǎng)季滴灌管間處理土壤N2O平均排放通量為85.76滋g·m-2·h-1，比滴灌管上處理增加了34.80%，處理間無(wú)顯著性差異。

2.3土壤CO2和N2O累積排放量及綜合增溫潛勢(shì)

在干旱區(qū)春小麥生長(zhǎng)季，滴灌與漫灌方式下土壤CO2累積排放量分別為2 188.68、3 180.91 g·m-2，滴灌方式顯著降低了春小麥田的土壤CO2排放量；而滴灌與漫灌方式下土壤N2O累積排放量分別為188.62、160.60 mg·m-2，即滴灌處理土壤N2O累積排放量比漫灌增加了17.45%（表2）。

通常用增溫潛勢(shì)GWPs（CO2的GWPs值為1）來(lái)表示相同質(zhì)量的不同溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)增加的相對(duì)輻射效應(yīng)。對(duì)于100 a時(shí)間尺度的氣候變化，設(shè)CO2的GWPs為1，則N2O氣體的GWPs為310［15］。從表2可以看出，滴灌入件下土壤CO2和N2O排放的溫室效應(yīng)總和約比漫灌減少了983.55 g CO2·m-2，降幅達(dá)30.44%，即滴灌降低了春小麥田土壤CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢(shì)。

表2　滴灌和漫灌條件下CO2和N2O累積排放量及其綜合增溫潛勢(shì)Table 2　Cumulative emissions and GWPs of CO2and N2O under drip and flood irrigation

2.4土壤水分與MBC、DOC、礦質(zhì)氮含量

在春小麥生長(zhǎng)季，土壤水分含量先升高，至成熟期達(dá)到峰值，之后逐漸降低，見(jiàn)圖3。從整個(gè)生長(zhǎng)季來(lái)看，漫灌處理0～10 cm和10～20 cm層土壤水分含量的平均值分別為14.94%和16.25%，滴灌處理0～10 cm和10～20 cm層土壤水分含量的平均值分別為13.36%和14.83%。0～10 cm和10～20 cm層土壤水分均值均表現(xiàn)為漫灌＞滴灌管間＞滴灌管上。

圖3　滴灌和漫灌方式下土壤水分含量變化Figure 3　Variations of soil water content under drip and flood irrigation

對(duì)春小麥生長(zhǎng)季土壤MBC、DOC和礦質(zhì)氮的多次測(cè)定值進(jìn)行平均，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，滴灌試驗(yàn)區(qū)0～10 cm土層MBC含量均值略高于10～20 cm土層，而漫灌試驗(yàn)區(qū)0～10 cm土層MBC平均值則低于10～20 cm，不同處理間土壤MBC含量生長(zhǎng)季均值表現(xiàn)為滴灌管上＞漫灌＞滴灌管間。滴灌管間、滴灌管上和漫灌處理的10～20 cm土層DOC含量平均值約比0～10 cm土層分別高11.5%、4.9%和5.9%，各層土壤DOC含量均表現(xiàn)為漫灌＞滴灌。對(duì)于不同處理土壤硝態(tài)氮含量，滴灌試驗(yàn)區(qū)10～20 cm土壤高于0～10 cm層土壤，而漫灌試驗(yàn)區(qū)則相反。對(duì)比可知，滴灌管間0～10 cm和10～20 cm層土壤含量分別比漫灌高9.7%和37.7%，滴灌管上0～10 cm和10～20 cm層土壤含量分別比漫灌高3.4%和40.2%，均表現(xiàn)為滴灌＞漫灌，且滴灌試驗(yàn)區(qū)10～20 cm土壤含量較漫灌增加更為明顯。土壤含量則表現(xiàn)為滴灌管間＞漫灌＞滴灌管上，且10～20 cm土層高于0～10 cm土層，其中，滴灌管間0～10 cm與10～20 cm土層含量分別比漫灌高29.2%和7.5%，而滴灌管上0～10 cm和10～20 cm土層NH+4-N含量則分別比漫灌低7.0%和13.3%。

表3　滴灌和漫灌條件下土壤MBC、DOC、NO-3-N和含量Table 3　Concentrations of soil MBC，DOC，andunder drip and flood irrigation

表3　滴灌和漫灌條件下土壤MBC、DOC、NO-3-N和含量Table 3　Concentrations of soil MBC，DOC，andunder drip and flood irrigation

BPOP MBC0～10132.25依16.65166.44依36.43141.22依24.89 10～20131.49依16.68164.34依30.92156.66依14.23 DOC0～1043.38依7.3545.29依2.7948.84依2.99 10～2048.37依3.0047.52依3.8651.74依4.700～106.78依0.896.39依1.046.18依0.98 10～207.70依1.057.84依1.045.59依0.90 NH+4-N0～102.21依0.191.59依0.151.71依0.14 10～202.59依0.381.80依0.172.04依0.16指標(biāo)Factor土層Soil layer/cm滴灌Drip irrigation/mg·kg-1漫灌/mg·kg-1Flood irrigation

2.5環(huán)境因子對(duì)土壤CO2和N2O排放通量的影響分析

相關(guān)分析表明（表4），滴灌管間處理土壤CO2排放通量與大氣溫度及5、10 cm地溫均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），與10～20 cm層土壤微生物量碳呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。漫灌方式下，0～10 cm和10～20 cm土壤水分均與N2O排放通量顯著正相關(guān)（P＜0.05），而滴灌方式下僅滴灌管上處理的0～10 cm土壤水分與N2O排放通量顯著正相關(guān)（P＜0.05），其他土壤水分與N2O排放通量相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，但相關(guān)系數(shù)較高（R為0.695～0.740，P＞0.05）；滴灌管間處理10～20 cm土層含量與N2O排放通量顯著正相關(guān)（P＜0.05）。除上述因子外，其他環(huán)境因子與土壤CO2和N2O排放通量相關(guān)性均不顯著。

表4　滴灌和漫灌條件下土壤CO2和N2O排放通量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Table 4　Correlation coefficients between soil CO2and N2O emissions and environmental factors under drip and flood irrigation

3　討論

3.1灌溉對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放的影響

對(duì)于不同灌溉方式對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放通量的影響，牛海生等［16］對(duì)干旱區(qū)冬小麥田進(jìn)行了研究，認(rèn)為滴灌麥田的土壤碳排放總量比漫灌麥田高11.43%，滴灌比漫灌更有利于冬小麥田的土壤呼吸；張前兵等［17-18］對(duì)干旱區(qū)棉田土壤呼吸的研究結(jié)果也表明，膜下滴灌和漫灌方式下灌溉頻率和灌溉量的不同造成土壤含水量變化和灌溉強(qiáng)度均有所差異，滴灌入件下土壤結(jié)構(gòu)破壞程度小，土壤微生物和根系活動(dòng)增強(qiáng)，而漫灌入件下土壤O2的擴(kuò)散受到限制，因此膜下滴灌明顯大于漫灌。上述兩個(gè)研究結(jié)果與本研究對(duì)春小麥田土壤CO2排放通量結(jié)果有所差異。而李志國(guó)等［19］則認(rèn)為覆膜滴灌處理棉田用土壤異氧呼吸通量明顯小于無(wú)膜漫灌，可能與地膜阻隔了土壤氣體向大氣的擴(kuò)散及地膜的保水功能有關(guān)，且覆膜滴灌土壤水分含量高降低了干濕交替引起的CO2排放，與本文的研究結(jié)果一致。

本研究中，小區(qū)域范圍內(nèi)滴灌和漫灌兩種灌溉方式下土壤溫度差異小，同時(shí)，由于沒(méi)有覆膜的影響，滴灌并未明顯增加土壤水分含量，相反滴灌入件下土壤水分含量還小于漫灌。漫灌入件下土壤CO2排放通量高于滴灌，可能是因?yàn)橥寥篮粑臏囟刃?yīng)在一定的水分含量范圍內(nèi)隨土壤水分含量的增加而升高［20］，在水分作為限制因子的干旱半干旱區(qū)，水分和溫度共同影響土壤CO2排放通量［21-22］。本研究春小麥在抽穗期-成熟收獲期，滴灌方式下土壤呼吸速率顯著高于漫灌（P＜0.01），與滴灌0～10 cm層土壤微生物量碳含量比漫灌高38.09%一致。韓琳等［23］的研究也認(rèn)為滴灌單次灌水量小，適宜的土壤水分有利于微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而有利于微生物生物量碳的增加。在一定的溫度范圍內(nèi)微生物活性增強(qiáng)，會(huì)加速土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而增強(qiáng)作物根系和土壤呼吸［24］。

3.2灌溉對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響

滴灌和漫灌方式下土壤水分的不同分布形式直接影響了土壤的硝化和反硝化反應(yīng)，這兩種反應(yīng)是土壤中氮氧化物產(chǎn)生的主要途徑。國(guó)內(nèi)主要是關(guān)于滴灌棉田和菜地N2O排放通量的研究，認(rèn)為與溝灌或漫灌相比，覆膜滴灌降低了棉田的N2O排放量［14，25］，與常規(guī)肥水管理相比，滴灌也降低了蔬菜地土壤N2O排放通量［26］。國(guó)外有少量關(guān)于滴灌和溝灌入件下番茄田和瓜田N2O排放通量的研究，S佗nchez-Mart侏n等［11］認(rèn)為，滴灌濕潤(rùn)區(qū)土壤的硝化反應(yīng)比反硝化反應(yīng)更有利，降低了氮氧化物的排放，而溝灌區(qū)由于較高比例的厭氧微生物而更有利于土壤反硝化反應(yīng)，與溝灌相比，滴灌降低了70%的N2O排放量，與滴灌造成的低強(qiáng)度灌水和土壤水分分布有關(guān)。S佗nchez-Mart侏n等［6］也認(rèn)為，與溝灌相比，滴灌減少了甜瓜田土壤N2O的排放和反硝化速率。本研究中春小麥乳熟期之前，土壤水分含量呈增加趨勢(shì)，且漫灌方式下土壤水分高于滴灌，反硝化作用隨著水分含量的增加而加強(qiáng)，N2O排放通量也隨之增加［27-29］，因此表現(xiàn)為滴灌方式下土壤N2O排放通量小于漫灌。

對(duì)整個(gè)生長(zhǎng)季土壤N2O與各環(huán)境因子進(jìn)行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，滴灌和漫灌方式下，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量對(duì)土壤N2O排放通量影響顯著。滴灌方式下土壤總礦質(zhì)氮含量高于漫灌，與Sun等［30］的研究結(jié)果一致，即滴灌減少了氮的淋失。因此就整個(gè)生長(zhǎng)季而言，滴灌方式下土壤N2O排放通量高于漫灌，可能與滴灌方式下土壤礦質(zhì)氮底物的增加有關(guān)。Li等［31］研究認(rèn)為滴灌后土壤硝態(tài)氮在濕潤(rùn)區(qū)邊緣累積，戴翠榮等［32］研究認(rèn)為，水平方向上土壤銨態(tài)氮隨滴灌水?dāng)U散，濕潤(rùn)區(qū)外緣銨態(tài)氮含量高于濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)部，與本研究滴灌管間土壤礦質(zhì)氮含量高于滴灌管上處理一致，進(jìn)而導(dǎo)致滴灌管間土壤N2O排放通量高于滴灌管上。在節(jié)水灌溉入件下，土壤干濕交替頻繁，有利于改善土壤的通氣性，增加土壤的有效氧，使得其表層具有良好的通氣性，有利于硝化-反硝化進(jìn)行，從而產(chǎn)生大量的N2O［33］。另外，干濕交替產(chǎn)生的頻繁脈沖影響了灌溉期土壤速效氮的轉(zhuǎn)化，增加了灌溉期間氮氧化物的排放［11］。在春小麥生長(zhǎng)季，滴灌和漫灌方式下土壤N2O排放量受排放峰值的影響較大，因而在N2O排放高峰期，在滴灌處理中實(shí)施其他能減少N2O排放通量的措施有助于減緩春小麥生長(zhǎng)季滴灌田N2O排放。

由于不同管理措施對(duì)大氣溫室效應(yīng)的最終影響還取決于生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳氮平衡，在今后的研究中，綜合作物、土壤對(duì)碳/氮元素的吸收與固定以及土壤的碳/氮?dú)鈶B(tài)損失等開(kāi)展同期研究，進(jìn)而對(duì)滴灌造成的生態(tài)系統(tǒng)碳/氮收支的變化進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，將對(duì)區(qū)域農(nóng)田溫室氣體減排措施的制定具有更為重要的指導(dǎo)意義。

4　結(jié)論

（1）在春小麥生長(zhǎng)季，滴灌處理土壤CO2排放通量均值比漫灌減少了35.76%。滴灌管間處理土壤CO2平均排放通量高于滴灌管上，處理間差異不顯著。滴灌管間、滴灌管上均與漫灌處理有顯著性差異（P＜0.05）。

（2）對(duì)整個(gè)春小麥生長(zhǎng)季而言，滴灌方式下土壤N2O排放通量比漫灌增加25.87%。滴灌管間處理土壤N2O排放通量均值比滴灌管上處理增加了34.80%，處理間無(wú)顯著性差異。

（3）干旱區(qū)春小麥田由漫灌轉(zhuǎn)變?yōu)榈喂嗪?，土壤CO2和N2O的綜合溫室效應(yīng)減小。

（4）滴灌方式下，滴灌管間處理10～20 cm土層MBC含量對(duì)土壤CO2排放通量影響顯著（P＜0.01），滴灌管上處理0～10 cm層土壤水分和DOC含量、滴灌管間處理土壤銨態(tài)氮含量是顯著影響土壤N2O排放通量的因素（P＜0.05）。在漫灌方式下，土壤N2O排放通量受10～20 cm層土壤水分與硝態(tài)氮含量的顯著影響（P＜0.05）。

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Effects of drip irrigation on soil CO2and N2O emissions and their global warming potentials of spring wheat field in arid region

GUO Shu-fang1，QI Yu-chun1，LUO Xiao-ling2，LIU Chang-yong2，PENG Qin1，YAN Zhong-qing1，DONG Yun-she1*
（1.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；2.Food Quality Supervision and Testing Center of Ministry of Agriculture，Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Science，Shihezi 832000，China）

Drip irrigation is a new water-saving irrigation technique and is widely applied in arid region in Xinjiang.However，there is little information available about its effects on greenhouse gas emissions.In this study，a field experiment was conducted to compare the effects of both drip irrigation and conventional flood irrigation on soil CO2and N2O emissions during the spring wheat growing season using static closechamber method.Under drip irrigation，gas sampling was performed at between the pipes（BP）and on the pipe（OP）.Results showed that：average CO2emissions under drip irrigation was 35.76%lower than that under flood irrigation during the spring wheat growing season，with significant difference.Average CO2emissions from BP and OP were 906.28 and 838.25 mg·m-2·h-1，respectively.No differences were found between them.N2O emissions under drip irrigation was 74.81滋g·m-2·h-1or 25.87%higher than that under flood irrigation.Average N2O emissions from OP and BP were 85.76 and 63.62滋g·m-2·h-1，respectively.However there was no significant difference between drip and flood irrigation systems（P＞0.05）.Cumulative emissions under drip and flood irrigations were respectively 2 188.68 and 3 180.91 g·m-2for CO2，and 188.62 and 160.60 mg·m-2for N2O.The global warming potentials of CO2and N2O under drip irrigation was 983.55 g CO2·m-2lower than that under flood irrigation.Significant correlations were observed between soil CO2emissions from BP and air temperature，soil temperature at 5 cm and 10 cm depth（P＜0.05）and soil microbial biomass carbon at 10～20 cm depth（P＜0.05），and also between soil N2O emissions under flood irrigation and soil water content at 0～10 cm and 10～20 cm depth（P＜0.05）.Soil N2O emissions from OP were significantly correlated with soil water content at 0～10 cm depth（P＜0.05）and that from BP were significantly correlated with soilat 10～20 cm depth.

drip irrigation；spring wheat；CO2emission；N2O emission；global warming potentials（GWPs）

X511

A

1672-2043（2016）04-0792-09

10.11654/jaes.2016.04.025

2015-11-15

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203012-6）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41373084，41330528，41203054，41573131）

郭樹芳（1986—），女，河南林州人，博士研究生，研究方向?yàn)殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)。E-mail：guosf.12b@igsnrr.ac.cn

董云社E-mail：dongys@igsnrr.ac.cn