陳　慧　李　亮　蔡煥杰　朱　艷　王云霏　徐家屯

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；2.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；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

因此，本文以溫室番茄地土壤為試驗材料,研究不同加氣和灌水量對番茄地土壤N2O氣體排放、水分、溫度、硝化細菌、反硝化細菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量的影響。以期揭示加氣灌溉及不同灌水量下土壤N2O氣體排放對土壤硝化細菌、反硝化細菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量的響應，為深入研究硝化細菌和反硝化細菌在設施菜地氮素循環(huán)中的作用奠定基礎。

1　材料與方法

1.1　試驗區(qū)概況

試驗于2016年8—12月在西北農(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的日光溫室內(nèi)進行(北緯34°20′，東經(jīng)108°24′，海拔高度為521 m)，年均日照時數(shù)為2 163.8 h，無霜期為210 d。溫室內(nèi)土壤類型為塿土，質(zhì)地為粘壤土，表層土壤容重為1.35 g/m3，田間持水率(質(zhì)量含水率)為23.8%，有機碳質(zhì)量比為9.51 g/kg，總氮質(zhì)量比為1.86 g/kg，總磷質(zhì)量比為1.40 g/kg，總鉀質(zhì)量比為20.22 g/kg，pH值為7.65，砂粒(0.05～1.00 mm)占26.0%，粉粒(0.005～0.05 mm)占33.0%，黏粒(0～0.005 mm)占41.0%。

1.2　試驗設計

研究表明，土壤田間最大持水率的60%為日光溫室番茄栽培的適宜灌水下限[20]。適時灌溉的方法包括固定灌水時間間隔、固定水分虧缺和固定蒸發(fā)量[21]，本文采用固定灌水時間間隔方法，灌水周期為3～4 d灌1次[7]，保證作物不受水分脅迫且呈現(xiàn)正常的生長狀況。試驗設置0.6W、0.8W和1.0W3個灌水定額，其中W代表充分供水的灌水量，由安置在溫室內(nèi)的E601型蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量確定，計算方法見文獻[9,22]；每個灌水定額又設置加氣和不加氣處理，共計6個處理，如表1所示。每個處理設置3個重復，1壟作為一個重復布設于田間，共計18壟，采用完全隨機設計。每壟3.2 m2(4.0 m×0.8 m)，種11株番茄(品種為“金鵬10號”)，株距35 cm[7]。灌水方式采用地下滴灌，滴灌帶埋深15 cm，滴頭間距35 cm；移苗后于8月23日在壟上覆膜。利用文丘里計(Mazzei 287型，美國)作為加氣設備進行加氣。設備安裝在灌水毛管的首端，在進水口和毛管末端都裝有壓力表，灌水時通過水泵形成加壓灌溉水，同時調(diào)節(jié)灌水總管道末端調(diào)節(jié)閥，保證進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，由排氣法得到進氣量約占灌溉水量的17%[7]。

表1　試驗設計方案Tab.1　Experimental design

注：√表示加氣。

番茄幼苗于2016年8月17日定植，此時幼苗處于3葉1心至4葉1心；于2016年12月31日收獲。為了保證幼苗的成活，番茄移植當天及8月20日對土壤澆透底水。此外，試驗施肥只施基肥，施有機肥料(N-P2O5-K2O含量大于等于10%；有機質(zhì)含量大于等于45%)與復混肥料(總養(yǎng)分大于等于45%，其中氮、磷、鉀各含15%)。

1.3　測定指標及方法

土壤N2O氣樣采用靜態(tài)暗箱法采集[9]，采樣箱由箱體和底座構(gòu)成。箱體由6 mm厚的聚氯乙烯(PVC)材料制成，長、寬和高各為25 cm。箱體外表面用海綿與錫箔紙包裹，頂部安裝有攪拌空氣的小風扇，使取樣具有代表性。靜態(tài)箱底座(25 cm×25 cm)在番茄移植當天埋設于每壟中央2棵幼苗之間[22]，底座嵌入土壤5 cm深，作為采樣點，直到番茄收獲；番茄生育期內(nèi)進行人工除雜草。此外，底座上端附有大約3 cm深的凹槽，用以放置靜態(tài)箱箱體，取樣時注水密封以隔絕箱外環(huán)境[22]。氣體采樣從移苗后第7天開始，除去9月5日、9月24日及9月29日這3個點，番茄生育前期每隔5～7 d采集1次氣樣；番茄生育后期平均每隔8 d采集1次氣樣。氣體取樣時間分別在10：00、10：10、10：20和10：30利用帶有三通閥的50 mL注射器進行4次氣體采集，每次取氣30 mL，并在當天進行濃度分析。去除奇異點，使4個樣品濃度測量值隨時間的線性回歸系數(shù)R2≥0.90。

N2O濃度采用安捷倫氣相色譜儀分析儀測定(AgilentTechnologies 7890A GC System，美國)，氣體排放通量計算公式[9]為

(1)

式中F——N2O氣體排放通量，μg/(m2·h)

ρ——標準狀態(tài)下氣體密度，g/cm3

h——箱體高度，m

T——箱內(nèi)溫度，℃

硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量，采用最大或然數(shù)計數(shù)法(MPN)測定，利用硝化和反硝化細菌培養(yǎng)基，均在30℃條件下培養(yǎng)14 d。其中硝化細菌的培養(yǎng)基成分有：NaH2PO40.25 g、K2HPO40.75 g、MgSO4·7H2O 0.03 g、MnSO4·4H2O 0.01 g、Na2CO31.0 g和NaNO31.0 g；反硝化細菌的培養(yǎng)基成分有：檸檬酸鈉 5 g，KH2PO41 g，K2HPO41 g、MgSO4·7H2O 0.2 g。

1.4　數(shù)據(jù)處理分析

用OriginPro 8.5繪圖；采用SPSS Statistics 22.0數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析和相關(guān)性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同灌溉方式下土壤N2O排放的變化規(guī)律

如圖1a所示，不同加氣灌溉及灌水量處理下土壤N2O排放通量表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。25 d前，土壤N2O排放通量呈下降的趨勢；之后，N2O氣體維持在相對較低且穩(wěn)定的排放水平。處理間對比顯示，番茄生育期絕大多數(shù)時間內(nèi)，不同灌水定額加氣處理的土壤N2O排放通量高于對應不加氣處理；且高灌水處理土壤N2O排放通量高于低灌水處理。AI0.6、CK0.6、AI0.8、CK0.8、AI1.0和CK1.0處理土壤N2O排放通量分別在7.25～21.72 μg/(m2·h)、8.01～20.89 μg/(m2·h)、7.51～20.62 μg/(m2·h)、7.55～21.99 μg/(m2·h)、7.86～23.10 μg/(m2·h)和6.88～20.24 μg/(m2·h)之間變化。

各處理土壤N2O累積排放量在番茄整個生育期內(nèi)不斷增加(圖1b)，說明土壤作為N2O氣體排放源，在不斷地釋放氣體。0.6W、0.8W和1.0W3個灌水定額下，加氣較不加氣處理分別增加了2.7%、1.5%和10.1%的土壤N2O累積排放量，平均增加4.7%。此外，CK0.6、CK0.8和CK1.0處理土壤N2O排放量分別為0.315、0.321、0.324 kg/hm2。即隨著灌水量增加，土壤N2O累積排放量在增加，平均增幅1.9%。方差分析表明，加氣或灌水單因素對土壤N2O排放產(chǎn)生影響，但不顯著(加氣：P=0.067；灌水：P=0.156)；且加氣和灌水的交互作用對土壤N2O排放影響也未達到顯著水平(P=0.820，表2)。

圖1　不同灌溉處理土壤N2O排放通量和土壤N2O累積排放量的變化規(guī)律Fig.1　Changing patterns of soil N2O fluxes and cumulative N2O emissions under different irrigation modes

表2　番茄全生育期土壤N2O累積排放量以及土壤充水孔隙率、溫度、硝化細菌數(shù)量、反硝化細菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量均值Tab.2　Cumulative N2O emissions and mean values of WFPS, soil temperature, nitrifying bacteria, denitrifying bacteria and nitrate content throughout whole growth period of tomato

注：同一列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2　影響土壤N2O排放的環(huán)境因子

2.2.1土壤水分和溫度

隨著時間推移，由于土壤蒸發(fā)及番茄生長消耗，各處理WFPS總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；且處理間的差異不明顯(P>0.05，圖2a)。AI0.6、CK0.6、AI0.8、CK0.8、AI1.0和CK1.0處理WFPS分別在40.1%～62.4%、39.7%～64.4%、42.1%～60.7%、42.0%～64.6%、40.6%～61.8%和41.2%～62.3%之間變化，平均WFPS分別為49.9%、48.8%、50.1%、49.5%、50.1%和49.6%。此外，受大氣溫度和土壤水分的影響[24]，隨著番茄移植后天數(shù)增加，不同灌溉處理的土壤溫度大體呈現(xiàn)下降的趨勢(圖2b)。各處理土壤溫度分別在7.27～30.2℃、8.47～30.5℃、8.0～30.5℃、9.0～30.3℃、7.5～29.3℃和9.0～30.0℃范圍變化，平均溫度分別為17.2、17.7、17.3、17.8、17.3、18.0℃。相關(guān)性分析表明(表3)，不同灌溉處理土壤水分與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.000)；土壤N2O排放通量與土壤水分和土壤溫度也均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖2　不同灌溉處理0～20 cm土壤充水孔隙率、5 cm土壤溫度與距離地面1.5 m高處空氣溫度的變化規(guī)律Fig.2　Changing patterns of WFPS in 0～20 cm depth, soil temperature at a depth of 5 cm and air temperature in distance of 1.5 m high from ground under different irrigation modes

2.2.2不同灌溉方式下土壤硝化細菌數(shù)量變化規(guī)律

由圖3可知，不同加氣和灌水量在番茄不同生育期對土壤硝化細菌數(shù)量影響不同。AI0.6、CK0.6、AI0.8、CK0.8、AI1.0和CK1.0處理土壤硝化細菌數(shù)量分別在2.185×103～3.910×103個/g、2.159×103～3.377×103個/g、2.290×103～3.335×103個/g、1.414×103～3.715×103個/g、2.380×103～3.840×103個/g和2.207×103～3.850×103個/g之間變化。對比番茄整個生育期土壤硝化細菌數(shù)量均值可以發(fā)現(xiàn)(表2)，不同灌水定額的加氣處理較不加氣處理增加了土壤硝化細菌數(shù)量，0.6W、0.8W和1.0W3個灌水定額分別增加了2.4%、1.1%和2.8%，增幅均未達到顯著水平(P>0.05)。此外，番茄整個生育期土壤硝化細菌數(shù)量均值隨著灌水量增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，由小到大為CK0.6、CK0.8、CK1.0。相關(guān)性分析可知(表3)，土壤N2O排放通量與硝化細菌數(shù)量呈負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

2.2.3不同灌溉方式下土壤反硝化細菌數(shù)量變化規(guī)律

不同灌溉處理土壤反硝化細菌數(shù)量在番茄整個生育期內(nèi)總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(圖4)。

表3　土壤N2O排放通量、WFPS、溫度、硝化細菌數(shù)量、反硝化細菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量的相關(guān)系數(shù)Tab.3　Correlation coefficient among soil N2O fluxes, WFPS, soil temperature, nitrifying bacteria, denitrifying bacteria and nitrate content

注：*表示相關(guān)性達到P<0.05，** 表示相關(guān)性達到P<0.01。

圖3　不同灌溉處理土壤硝化細菌數(shù)量變化規(guī)律Fig.3　Changing pattern of nitrifying bacteria under different irrigation modes

圖4　不同灌溉處理土壤反硝化細菌數(shù)量變化規(guī)律Fig.4　Changing pattern of denitrifying bacteria under different irrigation modes

AI0.6、CK0.6、AI0.8、CK0.8、AI1.0和CK1.0處理土壤反硝化細菌數(shù)量分別在4.67×102～2.323×103個/g、3.32×102～2.10×103個/g、4.03×102～2.295×103個/g、4.28×102～1.615×103個/g、5.31×102～1.740×103個/g和7.27×102～1.418×103個/g之間變化。對比番茄整個生育期土壤反硝化細菌數(shù)量均值可以發(fā)現(xiàn)(表2)，不同灌水定額的加氣處理較不加氣處理減小了土壤反硝化細菌數(shù)量，0.6W、0.8W和1.0W3個灌水定額分別減小了13.7%、4.7%和10.6%，降幅均未達到顯著水平(P>0.05)。此外，番茄整個生育期土壤反硝化細菌數(shù)量均值隨著灌水量增加呈現(xiàn)增加的趨勢，由小到大為CK0.6、CK0.8、CK1.0。相關(guān)性分析得出(表3)，土壤N2O排放通量與土壤反硝化細菌數(shù)量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；反硝化細菌數(shù)量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與WFPS也呈正相關(guān)關(guān)系，且加氣條件下相關(guān)性顯著(P<0.05)。

2.2.4不同灌溉方式下土壤硝態(tài)氮含量變化規(guī)律

不同灌溉處理0～20 cm深度層土壤硝態(tài)氮含量在番茄整個生育期內(nèi)呈波動性變化，且保持在較高水平；加氣和灌水處理對不同時期土壤硝態(tài)氮含量影響不同(圖5)。由表2可知，不同灌水定額的加氣處理較不加氣處理增加了番茄整個生育期的土壤硝態(tài)氮含量，但不明顯(P>0.05)；且隨著灌水量增加，土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為增加的趨勢，由小到大為CK0.6、CK0.8、CK1.0。方差分析表明，加氣和灌水的交互作用對土壤硝態(tài)氮含量影響不明顯(P>0.05)。此外，相關(guān)分析可知(表3)，土壤硝態(tài)氮含量與WFPS和土壤溫度呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤N2O排放通量與土壤硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

圖5　不同灌溉處理土壤硝態(tài)氮含量變化規(guī)律Fig.5　Changing pattern of nitrate content under different irrigation modes

3　討論

3.1　加氣灌溉及不同灌水量對土壤N2O排放的影響

番茄生育前期，不同處理土壤N2O排放通量呈下降的趨勢，25 d后N2O氣體維持在較低且穩(wěn)定的排放水平(圖1a)。該現(xiàn)象在前人研究中也有出現(xiàn)[25-26]，如徐鈺等[25]和ZHANG等[26]指出設施菜地N2O排放呈“脈沖式”變化規(guī)律，峰值出現(xiàn)在施肥并灌溉后的一段時間內(nèi)。導致這種現(xiàn)象的原因有2點：①番茄生育前期供N2O氣體產(chǎn)生的基質(zhì)較多，而植物對氮素吸收量小，大部分氮源被微生物利用，加之緩苗期大量灌水造成土壤濕潤，利于氣體排放。②番茄生育后期植株生長對氮素吸收量增大，土壤微生物可利用氮源減小[25]，造成氣體排放逐漸下降并維持在較低排放水平。

加氣灌溉通過向作物根區(qū)輸送O2，已被證實能改善土壤通氣性[5-7]，勢必改變了硝化和反硝化反應條件，進而影響土壤N2O產(chǎn)生和排放。本研究中，不同灌水定額的加氣處理均較不加氣處理增加了土壤N2O排放(圖1、表2)，這與先前研究的結(jié)論一致[9-10]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能原因是，由加氣灌溉引起的土壤O2含量增加[7]，抑制N2O向N2轉(zhuǎn)化[9]；此外，PAN等[16]指出間歇性曝氣將使硝化和反硝化反應同時發(fā)生。以上皆證明了加氣促進土壤N2O排放。

灌水對土壤通氣性和氮素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，進而影響土壤N2O產(chǎn)生和排放[27-28]。本試驗中，土壤N2O排放量隨灌水量增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(表2)，這與不少研究學者的結(jié)論一致[29-30]。例如，TRUJILLO-TAPIA等[29]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)100%田間持水率(Water holding capacity，WHC)處理的土壤N2O排放至少是40%WHC處理的40倍；PONCE-MENDOZA等[30]指出高灌水處理(100%WHC)土壤N2O排放量是低灌水處理(40%WHC)的32倍。其主要由于土壤含水率增加將引起硝化細菌脫氮和反硝化作用[31]，進而產(chǎn)生較高的N2O氣體排放。

3.2　加氣灌溉及不同灌水量對土壤硝化和反硝化細菌的影響

曝氣不僅影響硝化細菌的代時，還將影響微生物的生長繁殖速度[32]，進而對硝化細菌數(shù)量產(chǎn)生影響。土壤中O2含量的改變直接影響反硝化酶的合成及其活動[33-34]，從而對反硝化作用產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，加氣總體增加了土壤硝化細菌數(shù)量，但減小了反硝化細菌數(shù)量(表2)，這與一些研究結(jié)果相似。比如，F(xiàn)AN等[15]和PAN等[16]研究發(fā)現(xiàn)O2含量增加使得硝化細菌活性增加。但PAN等[16]指出間歇曝氣增加了反硝化細菌活性，這與本文結(jié)果不同。產(chǎn)生差異的可能原因是本試驗是在田間進行，由于土壤本身性質(zhì)，由動物引起的土壤差異不足以引起微生物活性產(chǎn)生明顯的變化[35]，這異于地下污水入滲系統(tǒng)[16]。加氣灌溉增加土壤硝化細菌數(shù)量，這可能由于硝化細菌的碳源是CO2[32]，而加氣灌溉已被證實能增加土壤CO2排放[5,22]。

多數(shù)研究認為，在田間持水率的50%～60%時，土壤中的硝化作用最為旺盛[13]；當土壤含水率為田間持水率的80%或40%時均會對硝化反應產(chǎn)生抑制作用[12]。張光亞等[36]研究發(fā)現(xiàn)，灌水處理硝化細菌數(shù)量是未灌水處理的22.6%，反硝化細菌數(shù)量卻是未灌水處理的5.2倍。本試驗中，番茄全生育期土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量均值均隨著灌水量增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(表2)。而賈正茂等[37]指出，隨著灌水量的增加，土壤總硝化速率呈先減小后增加的趨勢；反硝化速率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。韓冰等[38]指出設施土壤反硝化細菌豐度隨灌水量增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，由小到大為滴灌、滲灌、溝灌。白保勛等[18]得出土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量均隨著灌水量增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。產(chǎn)生差異的可能原因是由于作物種類、種植環(huán)境及灌水方式等不同引起的。

3.3　土壤N2O排放對WFPS、溫度、硝化/反硝化細菌數(shù)量和的響應

土壤中水分的分布影響溶質(zhì)的遷移，影響土壤無機氮濃度的分布及其對微生物的有效性，從而對土壤N2O氣體產(chǎn)生影響[39]。溫度不僅影響土壤微生物的活性和生化反應速率，還影響著調(diào)節(jié)土壤中N2O傳輸速率的物理化學參數(shù)。本試驗中，不同處理土壤N2O排放通量與WFPS和土壤溫度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，表3)，這與一些研究學者的結(jié)論一致[26, 38, 40-42]。例如，ZHANG等[26]指出菜地土壤N2O排放通量與WFPS(R=0.180)和溫度(R=0.289)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。韓冰等[38]得出設施番茄地土壤N2O排放與土壤濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。王艷麗等[40]指出黃瓜生長季中不同處理土壤N2O排放通量與WFPS 之間呈顯著正相關(guān)，芹菜生長季中不同處理土壤N2O排放通量與土壤5 cm溫度呈顯著正相關(guān)，且均可以用對數(shù)方程進行擬合。WESLIEN等[42]指出胡蘿卜種植系統(tǒng)中土壤N2O排放通量與WFPS呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.50) 。可見，不同管理措施下土壤水分和土壤溫度是影響N2O排放的主要因素。

土壤N2O排放通量與硝化和反硝化細菌數(shù)量均呈負相關(guān)關(guān)系(表3)。而XU等[43]得出菜地土壤N2O排放通量與氨氧化細菌(AOB)、反硝化細菌nirK和nirS豐度呈正相關(guān)，與反硝化細菌nosZ豐度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。韓冰等[38]指出設施番茄地土壤N2O排放與反硝化細菌nosZ豐度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。產(chǎn)生差異的可能原因是試驗處理及種植環(huán)境等不同所致。

4　結(jié)論

(1)與不加氣處理相比，加氣處理土壤N2O排放量平均增加了4.7%；且隨著灌水量增加土壤N2O排放也在增加，平均增加了1.9%，但處理間差異性均未達到顯著水平(P>0.05)。

(2)灌水和加氣對溫室番茄地土壤氮素轉(zhuǎn)化細菌數(shù)量有一定影響。向土壤中通氣總體增加了土壤硝化細菌數(shù)量，但減小了反硝化細菌數(shù)量(P>0.05)。隨著灌水量增加，土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量均逐漸增加(P>0.05)。

(3)土壤N2O排放通量與土壤硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量均呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，且與土壤反硝化細菌數(shù)量達到極顯著關(guān)系(P<0.01)。

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