張傳更，高 陽(yáng)，王廣帥，李 雙

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

在全球氣候變化背景下，干旱、極端降雨事件和人類活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤頻繁的經(jīng)歷干旱和再濕潤(rùn)過程[1]。干濕交替能夠改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的水分、養(yǎng)分狀況和土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤的碳氮循環(huán)過程和土壤溫室氣體的排放[2-3]。人類活動(dòng)造成的溫室氣體排放中14%來源于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放的溫室氣體就全球升溫潛勢(shì)（GWP）標(biāo)準(zhǔn)下的貢獻(xiàn)率達(dá)到22%[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的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)，是減緩氣候變化的重要途徑之一[5-6]。近年來，水肥一體化節(jié)水灌溉作為一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，而如何通過科學(xué)的水肥灌溉措施來降低農(nóng)田溫室氣體排放是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

水肥一體化會(huì)使農(nóng)田土壤經(jīng)歷更為頻繁的干濕交替循環(huán)，尤其是在干旱/半干旱地區(qū)。而諸多研究表明，干濕交替能加速土壤碳氮的釋放，主要表現(xiàn)為以溫室氣體（如CO2和N2O）排放和以礦化形態(tài)（如和）從土壤中淋失[7-8]。賀云龍等[9]和Huygens等[2]認(rèn)為干旱土壤濕潤(rùn)后，土壤CO2和N2O釋放量會(huì)激增，而隨著濕潤(rùn)土壤再干旱，釋放速率急速下降[2，9]。歐陽(yáng)揚(yáng)等發(fā)現(xiàn)干旱土壤再濕潤(rùn)對(duì)CO2的釋放有相似的激發(fā)效應(yīng)[10]。Fraser等在研究干濕交替對(duì)農(nóng)田土壤的影響試驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了干旱土壤再濕潤(rùn)可以激發(fā)CO2的釋放[11]。近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤遭受干濕交替的研究逐步深入，涉及到中度、輕度和重度干旱等因素，不同類型土壤酶活性對(duì)干濕交替的響應(yīng)機(jī)制等研究[12-13]；然而，土壤中氮礦化機(jī)制對(duì)干濕交替的響應(yīng)機(jī)制仍不清晰[14]，更少涉及到農(nóng)田土壤氮循環(huán)的研究。此外，已有的干濕交替研究更多地關(guān)注單一因素的作用，而非多因子交互作用[15]。土壤中的碳氮并不是孤立存在的，在各種外界環(huán)境改變的狀態(tài)下，干濕交替條件下碳的響應(yīng)往往是伴隨著其他元素的變化而一起變化。因此，深入探討干濕交替與其他因子耦合對(duì)碳氮轉(zhuǎn)化的影響是十分必要的。本文以潮土為研究對(duì)象，通過進(jìn)行干濕交替與外加氮源下農(nóng)田土壤的碳氮?jiǎng)討B(tài)變化和溫室氣體（CO2和N2O）排放的研究，為制定科學(xué)的水氮管理措施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體減排措施提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣分別取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院七里營(yíng)綜合試驗(yàn)基地（35°08′N，113°45′E，海拔81 m）和河南省沁陽(yáng)市廣利灌區(qū)（35°40′N，112°55′E，海拔150 m），兩地都位于半干旱、半濕潤(rùn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。七里營(yíng)試驗(yàn)區(qū)的潮土起源于黃河沖積沉積物，屬于典型的堿性砂壤土；廣利灌區(qū)的潮土屬于典型的堿性黏壤土，質(zhì)地黏重，耕性差，通氣透水性差。使用直徑4 cm的土鉆采集上層0～40 cm深度的土樣，隨機(jī)取60鉆后混合。一部分土樣（約3 kg）裝入自封袋，然后立即放入裝有冰塊的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室在4℃下保存；剩余的土壤裝入布袋帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除植物殘?bào)w和石塊，用靜電吸附去除細(xì)小的植物須根，風(fēng)干后過4 mm篩備用。另一部分用于培養(yǎng)試驗(yàn)和測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院七里營(yíng)試驗(yàn)基地的人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。稱取相當(dāng)于100 g烘干質(zhì)量的風(fēng)干土分別按密度1.51、1.48 g·cm-3填裝于500 mL塑料瓶中，蓋子上鉆有一個(gè)小孔，利于注射器采集氣體樣品；用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至土壤持水量的70%，置于25℃下培養(yǎng)7 d（平衡培養(yǎng)）以恢復(fù)土壤生化性質(zhì)，之后開始干濕交替培養(yǎng)試驗(yàn)。本試驗(yàn)設(shè)置氮濃度和干濕循環(huán)兩個(gè)因素，其中干濕循環(huán)頻率設(shè)4個(gè)水平，分別為0（即恒濕，作為對(duì)照）、2、6、12。干旱是指使土壤干燥到35%土壤持水量（WHC），濕潤(rùn)期指的是土壤濕度維持在70%WHC，培養(yǎng)過程中喪失的水分通過稱量來補(bǔ)充。干濕循環(huán)和試驗(yàn)流程詳見圖1。

同一干濕頻率中，一個(gè)處理不加氮，另一個(gè)處理加氮（采用含氮量為46.67%的尿素）。砂壤土中對(duì)應(yīng)干濕頻率添加的外源氮濃度分別為4、15、5、2.5 g·L-1（N）；黏壤土中對(duì)應(yīng)干濕頻率添加的外源氮濃度分別為5、12、4、2 g·L-1（N）。同一土壤培養(yǎng)試驗(yàn)共有8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。外加氮頻率和溶液濃度見表2。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties

圖1 土壤干濕循環(huán)、取樣時(shí)間和試驗(yàn)流程示意圖Figure 1 Schematic of the drying-rewetting cycles and sampling times and testing flow

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH值用酸度計(jì)測(cè)定，土壤全氮含量用凱氏定氮法測(cè)定，土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測(cè)定，土壤粒徑分布采用激光粒度儀（Mastersizer 2000）測(cè)定[16]；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法[17]測(cè)定；土壤持水量（WHC）和土壤容重采用Fierer和Schimel的方法測(cè)定[7]。

第一次和最后一次循環(huán)濕潤(rùn)期結(jié)束時(shí)，采集土壤樣品，一部分用于測(cè)定和（新鮮土樣置于4℃冰箱保存），一部分測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳。取10 g新鮮土壤樣品放入50 ml三角瓶中，加入50 mL的濃度為2 mol·L-1的KCl溶液（優(yōu)級(jí)純GR），室溫下將混合液振蕩15 min（200 r·min-1），提取上清液用于和含量分析，使用AA3-HR連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國(guó)，Seal Analgtical）測(cè)定土壤中和含量。稱取10 g（干土質(zhì)量）新鮮土樣，放入150 mL的離心管中，加入50 mL去離子水，常溫下以250 r·min-1振蕩60 min，之后，在3000 r·min-1下離心10 min，取上部懸浮液過0.45 μm微孔濾膜，用Vario TOC-CUBE有機(jī)C分析儀（德國(guó)，Elementar）測(cè)定浸提的上清液中的可溶性有機(jī)碳含量，即為可溶性有機(jī)碳含量[18]。

1.3.3 CO2和N2O排放量測(cè)定

在每一次濕潤(rùn)開始和結(jié)束（濕潤(rùn)階段培養(yǎng)瓶完全密封）使用注射器（30 mL）抽取培養(yǎng)裝置內(nèi)的氣體樣品，采用氣相色譜儀器（GC-2010 plus，日本島津）測(cè)定土壤CO2和N2O的排放量，并參照Lang等的CO2和N2O排放的數(shù)學(xué)模型[19]，通過公式（1）計(jì)算：

式中：F為溫室氣體排放速率：CO2（mg CO2-C·g-1·d-1）和N2O（μg N2O-N·kg-1·d-1）；V是培養(yǎng)瓶上部空間體積，L；C1和C2分別代表土樣和空白培養(yǎng)瓶中溫室氣體濃度，mg·kg-1；T是培養(yǎng)溫度（25℃）；M代表溫室氣體分子量（CO2-C為12，N2O-N為28）；W代表土樣質(zhì)量（干），g；t代表培養(yǎng)瓶密封時(shí)間，d。

表2 氮溶液濃度和添加頻率Table 2 Concentration and frequency of nitrogen addition

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007及Origin 8.5做圖；利用DPS12.50軟件不同處理間的差異進(jìn)行方差分析，差異顯著性水平（P＜0.05）通過最小顯著差數(shù)法（LSD）進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2釋放規(guī)律

2.1.1 每個(gè)再濕潤(rùn)階段CO2釋放速率的動(dòng)態(tài)變化

砂壤土和黏壤土干濕循環(huán)各處理的CO2釋放速率都高于與之對(duì)應(yīng)的恒濕組（圖2）。在砂壤土和黏壤土處理中，12循環(huán)處理的CO2釋放速率的變化趨勢(shì)與恒濕處理相似，都是在培養(yǎng)的前30 d有明顯的下降趨勢(shì)，然后趨于平穩(wěn)。而在砂壤土加氮處理中，12循環(huán)-N與恒濕-N處理的CO2釋放速率在整個(gè)培養(yǎng)周期呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；在砂壤土加氮處理中，12循環(huán)-N與恒濕-N處理的CO2釋放速率在整個(gè)培養(yǎng)末期趨于平穩(wěn)。

圖2 干濕交替下每個(gè)再濕潤(rùn)階段CO2釋放速率變化Figure 2 Dynamics of soil CO2release rate during each re-wetting phrase of drying-wetting cycles

從總體分析，干濕循環(huán)中干旱期越長(zhǎng)，再濕潤(rùn)階段CO2的釋放速率越大。通過對(duì)同一種土壤第一次和最后一次CO2的釋放速率進(jìn)行差異性分析（表3），外源N的恒濕和干濕組處理的CO2釋放速率都高于與之對(duì)應(yīng)未加氮的恒濕和干濕組處理（圖2）。相同處理下，第一次循環(huán)砂壤土和黏壤土的CO2釋放速率之間差異顯著，并且第一次循環(huán)砂壤土的CO2釋放速率顯著高于黏壤土（表3）；最后一次砂壤土的CO2釋放速率同樣高于黏壤土。兩種農(nóng)田土壤中砂壤土的CO2釋放速率顯著高于黏壤土，說明砂壤土CO2釋放變化對(duì)干濕交替的響應(yīng)更為強(qiáng)烈（圖2）?？傊?種不同農(nóng)田土壤CO2釋放速率的變化模式一致。

兩種農(nóng)田土壤，雖然添加氮都促進(jìn)了CO2的釋放，但添加氮對(duì)砂壤土CO2的釋放激發(fā)效應(yīng)要比黏壤土強(qiáng)烈。在黏壤土中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的CO2平均釋放速率分別比未加氮源處理的CO2平均釋放速率提高了37.14%、41.12%、48.33%和23.29%；在砂壤土中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的CO2平均釋放速率分別比未加氮源處理的CO2的平均釋放速率提高了45.62%、47.66%、73.36%和49.30%。在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長(zhǎng)（2循環(huán)組），外加N源對(duì)土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)。

2.1.2 干濕交替對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）的影響

本試驗(yàn)條件下，砂壤土和黏壤土各處理在最后一次循環(huán)時(shí)的DOC含量相比于初始和第一次循環(huán)顯著增加，并且從表4看出，砂壤土各處理的DOC含量在整體上都略高于黏壤土，表明砂壤土中難溶性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOC速率更高些，砂壤土對(duì)干濕交替響應(yīng)的更為強(qiáng)烈。砂壤土和黏壤土中的各12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N等處理DOC含量都低于對(duì)應(yīng)的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕等處理，說明外加N源能加速DOC的消耗。在最后一次循環(huán)時(shí)，砂壤土和黏壤土的2循環(huán)處理的DOC含量最高，2循環(huán)-N處理的DOC含量次之；最后一次循環(huán)時(shí)，砂壤土6循環(huán)處理和恒濕處理之間差異不顯著，砂壤土6循環(huán)-N處理和恒濕-N處理之間同樣差異不顯著，兩處理組中的DOC含量非常接近；最后一次循環(huán)時(shí)，黏壤土6循環(huán)處理與恒濕處理之間差異不顯著，6循環(huán)-N處理DOC含量顯著高于恒濕-N處理。

2.2 N2O的釋放

2.2.1 每個(gè)再濕潤(rùn)階段N2O釋放速率的動(dòng)態(tài)變化

砂壤土和黏壤土在首次和最后一次循環(huán)時(shí)各處理的N2O釋放速率之間的差異顯著，并且加氮各處理的N2O釋放速率顯著高于未加氮處理（圖3，表5）；在砂壤土和黏壤土中，外加N源提高了恒濕和干濕組處理的N2O釋放速率。砂壤土和黏壤土的干濕交替處理N2O釋放速率都高于與之對(duì)應(yīng)的恒濕組（圖3）。在砂壤土和黏壤土中，對(duì)比各恒濕組和干濕組處理，發(fā)現(xiàn)除了2循環(huán)-N和2循環(huán)處理外，其他處理的N2O釋放速率均呈現(xiàn)逐漸較少的趨勢(shì)。在砂壤土和黏壤土中，12循環(huán)處理的N2O釋放速率在培養(yǎng)的前30 d有明顯的下降趨勢(shì)，然后趨于平穩(wěn)，并在培養(yǎng)后期，12循環(huán)處理的N2O釋放速率的變化趨勢(shì)與恒濕處理一致。在砂壤土和黏壤土中，12循環(huán)-N處理的N2O釋放速率則與6循環(huán)處理的變化趨勢(shì)較相似。

表3 各處理土壤CO2釋放速率的變化（mg C-CO2·g-1soil·d-1）Table 3 Variations of CO2release rate from the two soils in different treatments（mg C-CO2·g-1soil·d-1）

表4 各處理土壤可溶性有機(jī)碳的變化（mg·kg-1）Table 4 Variations of dissolved organic carbon in the two soils in different treatments（mg·kg-1）

圖3 干濕交替下每個(gè)濕潤(rùn)階段N2O釋放速率Figure 3 Dynamics of soil N2O release rate during each re-wetting phrase of drying-wetting cycles

在培養(yǎng)前期，砂壤土和黏壤土中干濕循環(huán)中干旱期越短，再濕潤(rùn)階段N2O的釋放速率越大；在培養(yǎng)后期，砂壤土和黏壤土中各處理的N2O釋放速率變化與對(duì)應(yīng)各處理的CO2釋放規(guī)律一致，釋放速率都是隨著干旱期增長(zhǎng)而增加。相同處理下，第一次循環(huán)時(shí)砂壤土和黏壤土中除了2循環(huán)-N外各處理的N2O釋放速率之間差異顯著（表3），最后一次循環(huán)時(shí)砂壤土和黏壤土中除了12循環(huán)外各處理的N2O釋放速率之間的差異顯著（表3）?？傮w來看，黏壤土的N2O釋放速率低于與之相同處理的砂壤土N2O釋放速率。

表5 各處理土壤N2O釋放速率的變化（mg N-N2O·kg-1soil·d-1）Table 5 Variations of N2O release rate from the two soils in different treatments（mg N-N2O·kg-1soil·d-1）

兩種農(nóng)田土壤中，相比于黏壤土，在砂壤土中添加氮源更能促進(jìn)N2O的釋放。在黏壤土壤中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的N2O平均釋放速率分別比未加氮源處理的N2O平均釋放速率提高了46.96%、51.48%、60.42% 和58.07%；在砂壤土壤中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的N2O平均釋放速率分別比未加氮源處理的N2O平均釋放速率提高了61.87%、68.27%、70.11%和85.44%。由此可以看出，在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥頻率越高，外加N源對(duì)土壤N2O釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)。

如圖4所示，砂壤土和黏壤土各處理第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)再濕潤(rùn)階段土壤無機(jī)氮（和）含量變化?？傮w來看，砂壤土各處理的第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)無機(jī)氮（和）含量高于黏壤土，說明干濕交替更能加速砂壤土有機(jī)氮的礦化速率，添加的有機(jī)氮在砂壤土中更易被轉(zhuǎn)化；砂壤土和黏壤土中的各12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N等處理無機(jī)氮（和）含量都高于對(duì)應(yīng)的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕等處理。對(duì)比第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)再濕潤(rùn)階段土壤的和含量，可以發(fā)現(xiàn)通過持續(xù)的恒濕處理和多次的干濕循環(huán)處理后，土壤的無機(jī)氮含量都有所增加，12循環(huán)組處理無機(jī)氮含量（和）增加最為顯著。在12循環(huán)、6循環(huán)和2循環(huán)等處理中，砂壤土和黏壤土的無機(jī)氮（和）含量隨著干濕頻率的遞增而增加，表明干濕循環(huán)能顯著增加土壤中氮的礦化速率，并且干濕頻率越高效應(yīng)越顯著；而在12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2-循環(huán)-N處理中，砂壤土和黏壤土的無機(jī)氮（和）含量高于與之對(duì)應(yīng)的未加氮處理，表明外加氮源顯著增加了各處理土壤中無機(jī)氮的含量。

2.3 土壤可溶性有機(jī)碳、無機(jī)氮（和）及 CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系

選取砂壤土和黏壤土整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)每次復(fù)水后各處理的土壤可溶性有機(jī)碳、無機(jī)氮（和）及CO2、N2O釋放速率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。砂壤土的CO2釋放速率與N2O釋放速率、呈極顯著正相關(guān)，而與可溶性有機(jī)碳和呈顯著相關(guān)性；黏壤土的CO2釋放速率與N2O釋放速率、呈極顯著正相關(guān)，與可溶性有機(jī)碳呈顯著相關(guān)性。砂壤土和黏壤土的N2O釋放速率都與、顯著正相關(guān)。

2.4 CO2和N2O釋放積累總量

圖4干濕交替對(duì)土壤無機(jī)氮（NO-3和NH+4）的影響Figure 4 Effects of drying-wetting treatments on soil inorganic nitrogen（NO-3and NH+4）content

圖5 為干濕循環(huán)和恒濕對(duì)照處理在整個(gè)試驗(yàn)培養(yǎng)周期內(nèi)的土壤CO2和N2O釋放的積累量。砂壤土和黏壤土的加氮各處理的CO2和N2O釋放的積累量都高于未加氮處理，總體呈現(xiàn)恒濕-N處理＞12循環(huán)-N＞恒濕＞6循環(huán)-N＞12循環(huán)＞6循環(huán)＞2循環(huán)-N＞2循環(huán)，而且砂壤土的CO2和N2O釋放積累量增加最為顯著。在砂壤土中，恒濕對(duì)照的土壤CO2釋放的積累量492.54 μg C-CO2·g-1土與之對(duì)應(yīng)的12-循環(huán)的積累量為376.10 μg C-CO2·g-1土，增加了30.96%；恒濕-N對(duì)照的土壤CO2釋放的積累量為706.56 μg C-CO2·g-1土與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)-N的積累量為532.23 μg C-CO2·g土，增加了32.75%。砂壤土中，恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的恒濕處理的積累量增加了43.45%；12循環(huán)-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)的積累量增加了41.51%。在黏壤土中，恒濕對(duì)照的土壤CO2釋放的積累量410.36 μg CCO2·g-1土與之對(duì)應(yīng)的12-循環(huán)的積累量為320.84 μg C-CO2·g-1土，增加了27.90%；恒濕-N對(duì)照的土壤CO2釋放的積累量為 508.39 μg C-CO2·g-1土，與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)-N的積累量為444.24 μg C-CO2·g-1土，增加了14.45%；黏壤土中，恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的恒濕處理的積累量410.36 μg C-CO2·g-1土，增加了23.89%；12循環(huán)-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)的積累量增加了38.46%。由圖5可以看出，外加氮處理能夠增加土壤中N2O的釋放總量，其中砂壤土表現(xiàn)得最為顯著，如恒濕-N的土壤N2O釋放的積累量為23.33 μg N-N2O·g-1土，與之對(duì)應(yīng)的恒濕處理的積累量為14.13 μg NNO2·g-1土，增加了65.51%；12循環(huán)-N的土壤N2O釋放的積累量為17.50 μg N-N2O·g-1土，與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)的積累量為 9.95 μg N-NO2·g-1土，增加了75.84%。在黏壤土中，恒濕-N的土壤N2O釋放的積累量 18.36 μg N-NO2·g-1土，與之對(duì)應(yīng)的恒濕處理的積累量為12.81 μg N-NO2·g-1土，增加了 43.33%；12循環(huán)-N的土壤N2O釋放的積累量為15.10 μg N-NO2·g-1土，與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)的積累量為10.09 μg NNO2·g-1土，增加了49.53%。在砂壤土中，恒濕對(duì)照的土壤N2O釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12-循環(huán)的積累量增加了42.01%；恒濕-N對(duì)照的土壤N2O釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)-N的積累量增加了33.31%。在黏壤土中，恒濕對(duì)照的土壤N2O釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12-循環(huán)的積累量增加了26.96%；恒濕-N對(duì)照的土壤N2O釋放的積累量比與之對(duì)應(yīng)的12循環(huán)-N的積累量增加了21.59%。圖中還可以看出，在黏壤土和砂壤土中，6循環(huán)-N的N2O釋放的積累量與12循環(huán)的釋放積累量非常接近。

表6 土壤可溶性有機(jī)碳、無機(jī)氮（和）及CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation of soil dissolved organic carbon and inorganic nitrogen（/）and soil CO2and N2O release rate

表6 土壤可溶性有機(jī)碳、無機(jī)氮（和）及CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation of soil dissolved organic carbon and inorganic nitrogen（/）and soil CO2and N2O release rate

注：*表示在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在P＜0.01水平上顯著相關(guān)。Note：*represent significant correlation among treatments at 0.05 level，**represent significant correlation among treatments at 0.01 level.

NO-3含量NH+4含量砂壤土N2O釋放速率N2O release rate 0.796**1 CO2釋放速率N2O釋放速率可溶性有機(jī)碳DOC NO-3含量NH+4含量CO2釋放速率N2O釋放速率可溶性有機(jī)碳DOC NO-3含量NH+4含量0.748**0.589*0.308 0.729**1 0.628**0.586*0.461 0.748**1 CO2釋放速率CO2release rate 1可溶性有機(jī)碳Dissolved organic carbon 0.568*0.599*1 0.619*0.578*0.407 1黏壤土10.928**1 0.605*0.316 1 0.496 0.601*0.415 1

圖5 土壤CO2/N2O釋放在整個(gè)培養(yǎng)階段的積累量Figure 5 Cumulative CO2and N2O emissions from the two soils in the different drying-wetting treatments

3 討論

3.1 干濕交替對(duì)土壤CO2釋放和有機(jī)碳礦化的影響

干濕交替能夠顯著激發(fā)土壤CO2釋放（圖2）。有研究表明，干旱土壤再濕潤(rùn)后，土壤CO2釋放量能夠激增至原來的2～10倍[20]；隨著濕潤(rùn)土壤再干旱，土壤CO2釋放速率急速降低[21]。本研究中，砂壤土和黏壤土等農(nóng)田土壤中CO2的釋放對(duì)干濕交替的響應(yīng)都表現(xiàn)出類似的激發(fā)現(xiàn)象，并且砂壤土CO2的釋放變化對(duì)干濕交替的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。

砂壤土CO2的釋放速率高于黏壤土，可能是由于砂壤土性質(zhì)則介于砂土與黏土之間，土粒之間孔隙較大，通氣透水性好。有研究表明，當(dāng)黏土顆粒間水分的排出，顆粒之間相互靠攏以及顆粒間距縮短而引起的體積收縮，黏土顆粒集聚[22]，這種結(jié)果增加了難溶性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化被微生物直接利用的難度。干燥土壤再次復(fù)水時(shí)，添加的水會(huì)導(dǎo)致土塊的快速崩潰，把以前形成的干燥裂縫快速閉合[23]，最終導(dǎo)致在土壤濕潤(rùn)階段土壤孔隙封閉，抑制了溫室氣體的排放。因此，本試驗(yàn)條件下同一處理下的砂壤土CO2和N2O釋放積累量增加得最為顯著。但是在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，本研究中砂壤土和黏壤土的CO2和N2O的釋放累積量呈現(xiàn)恒濕-N＞12循環(huán)-N＞恒濕＞6循環(huán)-N＞12循環(huán)＞6循環(huán)＞2循環(huán)-N＞2循環(huán)（圖5）。水分是影響土壤CO2和N2O釋放速率的主要因素之一，隨著濕潤(rùn)土壤再干旱，土壤CO2釋放速率急速降低[24]，因而在整個(gè)試驗(yàn)培養(yǎng)周期內(nèi)，恒濕處理的CO2和N2O釋放速率維持在一個(gè)穩(wěn)定且較高的水平。在本文中，砂壤土恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比對(duì)應(yīng)的恒濕處理的積累量增加了43.45%，12循環(huán)-N的CO2積累量比對(duì)應(yīng)的12循環(huán)增加了41.51%；黏壤土恒濕-N的CO2積累量比對(duì)應(yīng)的恒濕處理增加了23.89%，12循環(huán)-N的積累量比對(duì)應(yīng)的12循環(huán)的積累量增加了38.46%。這些研究結(jié)果均說明外加氮源促進(jìn)了土壤CO2的釋放。

可溶性有機(jī)碳（DOC）雖僅占土壤有機(jī)碳庫(kù)的一小部分，但作為微生物的重要能量來源，其含量直接影響微生物數(shù)量及其活性，并且與溫室氣體排放密切相關(guān)[25-26]。砂壤土和黏壤土的CO2釋放速率都與DOC呈顯著相關(guān)（表3），即DOC含量越高，CO2釋放速率越高。有研究表明，干旱后土壤再濕潤(rùn)會(huì)使得微生物調(diào)節(jié)滲透壓以排出含碳化合物，同時(shí)土壤再濕潤(rùn)后土壤顆粒裂解，裸露出更多的有機(jī)質(zhì)被微生物得以利用，最終導(dǎo)致DOC濃度在短期內(nèi)迅速升高[27]。本試驗(yàn)研究中，砂壤土和黏壤土的12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2循環(huán)-N等處理在第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)時(shí)的DOC含量整體上高于恒濕對(duì)照的，表明12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2循環(huán)-N等處理土壤中難溶性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOC速率更高些，說明干濕交替提高了土壤中碳的礦化速率，并且砂壤土中碳的礦化速率對(duì)干濕交替響應(yīng)的更為顯著。本試驗(yàn)條件下，外加氮源促進(jìn)了CO2的釋放，并且在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長(zhǎng)，外加N源對(duì)土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)。有研究表明，在實(shí)際的生產(chǎn)中，施用化肥氮也可以促進(jìn)農(nóng)田土壤CO2的排放，如李曉密等研究不同施肥下冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田溫室氣體排放時(shí)發(fā)現(xiàn)施氮增加CO2的排放，并且尿素區(qū)＞硝態(tài)氮肥區(qū)[28]；王永生等研究發(fā)現(xiàn)施氮能顯著增加寧夏引黃灌區(qū)稻田CO2的排放[29]。添加氮源能夠促進(jìn)土壤CO2排放的原因在于：N源的添加降低了外源性物質(zhì)的C/N，增加了可礦化態(tài)碳的潛力，加快了微生物量的周轉(zhuǎn)速度，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化過程[30]。從本試驗(yàn)的結(jié)果來看，干濕交替能夠顯著激發(fā)砂壤土和黏壤土中CO2釋放，并且是干濕頻率越高，土壤有機(jī)碳礦化率越高。Borken和王苑等的研究也得出了相似的規(guī)律[31-32]。在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長(zhǎng)，外加N源對(duì)土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)。

3.2 干濕交替對(duì)土壤N2O的釋放和有機(jī)氮礦化的影響

干濕交替使得土壤頻繁的經(jīng)歷干旱和濕潤(rùn)過程，也使得硝化作用和反硝化作用交替進(jìn)行，從而促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生和氮的礦化[33-34]。在本試驗(yàn)條件下，干濕交替能夠顯著激發(fā)土壤N2O的釋放。這與劉學(xué)華和Beare等的研究結(jié)果相似[34-35]。研究表明干濕交替增加了微生物的死亡量并破壞了土壤環(huán)境和有機(jī)物間的相互作用，使得土壤中氮的礦化量增加，而且土壤的硝化和反硝化量顯著高于長(zhǎng)期濕潤(rùn)的土壤[7]；也有研究表明，稻田土壤落干階段的N2O的排放遠(yuǎn)大于田間淹水時(shí)期的N2O排放量。其原因可能是稻田中土壤含水量較高時(shí)（淹水）N2O的排放主要來自于反硝化作用，在落干階段N2O的排放要來自于硝化和反硝化，同時(shí)落干階段微生物更活躍[36]。本文中砂壤土和黏壤土2種農(nóng)田土壤的N2O釋放變化對(duì)干濕交替的響應(yīng)都表現(xiàn)出類似的激發(fā)現(xiàn)象，并且砂壤土中N2O的釋放對(duì)干濕交替的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。培養(yǎng)前期，砂壤土和黏壤土處理的干濕頻率越高其土壤N2O的釋放速率也越高，與歐陽(yáng)揚(yáng)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的的試驗(yàn)結(jié)果相似[10]。有研究表明，氮肥的施用對(duì)農(nóng)田土壤N2O的排放有明顯的促進(jìn)作用[37-38]。在本試驗(yàn)條件下，砂壤土和黏壤土中的12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N處理N2O的釋放速率都高于對(duì)應(yīng)的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕處理。在砂壤土中，恒濕-N的N2O釋放的積累比對(duì)應(yīng)的恒濕處理增加了65.51%，12循環(huán)-N的N2O積累量比對(duì)應(yīng)的12循環(huán)增加了75.84%；在黏壤土中，恒濕-N的N2O釋放積累量比對(duì)應(yīng)的恒濕處理增加了43.33%。這12循環(huán)-N的積累量比對(duì)應(yīng)的12循環(huán)增加了49.53%。這說明外加N源能提高N2O的釋放速率，并且砂壤土增加的最為顯著；并且是干燥期越短、外加N源對(duì)土壤N2O釋放速率的激增效應(yīng)越顯著，分析其原因認(rèn)為：（1）是因?yàn)榻?jīng)過多次的干濕交替后土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，暴露給微生物的有機(jī)質(zhì)會(huì)進(jìn)一步增加，從而增加了土壤養(yǎng)分的生物可利用性[31，39]；（2）是12循環(huán)處理的干旱期最短并不會(huì)導(dǎo)致微生物的大量死亡也不會(huì)抑制微生物的活性[40-41]，也可能和本試驗(yàn)條件下設(shè)置的干燥程度較弱，使得微生物能保持活性且能高效利用土壤中裸露出的有機(jī)質(zhì)和復(fù)水時(shí)所加的N源有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）干濕交替激發(fā)了砂壤土和黏壤土的CO2和N2O的釋放速率；兩種農(nóng)田土壤中CO2和N2O的釋放速率對(duì)干濕交替頻率的響應(yīng)模式相類似；在相同處理下，砂壤土的碳氮礦化速率對(duì)干濕頻率的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。

（2）外加氮源都促進(jìn)了2種農(nóng)田土壤的CO2和N2O釋放量：干燥期越長(zhǎng)，外加N源對(duì)土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)；干燥期越短，外加N源對(duì)土壤N2O釋放速率的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)。

（3）干濕交替增加了砂壤土和黏壤土中可溶性有機(jī)碳和無機(jī)氮（和的含量。在農(nóng)田實(shí)際生產(chǎn)中，高頻干濕循環(huán)導(dǎo)致土壤中可溶性有機(jī)碳和無機(jī)氮（和）的含量增多，增大了無機(jī)氮和）淋失和溫室氣體（CO2和N2O）排放的可能性。