吳林億王麗麗杜君魏義長王肅龔玲玄萬博周其文

(1.華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002)

前言

當(dāng)前氮素化學(xué)肥料施用所造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染，已嚴(yán)重影響自然環(huán)境。在目前的技術(shù)條件下，氮素肥料無法完全被作物吸收，存在大量流失的情況。我國普遍使用的肥料吸收利用率為30%～40%，在世界范圍內(nèi)屬于較低的水準(zhǔn)(同時(shí)期世界較高的肥料吸收利用率能夠達(dá)到68%以上)。研究發(fā)現(xiàn)，長期進(jìn)行蔬菜種植尤其是大棚蔬菜種植的區(qū)域，若氮元素肥料使用量較大，灌溉量較大，污染則更為嚴(yán)重。

水分和養(yǎng)分是作物生長的必需條件，也是土壤氮循環(huán)過程的主要驅(qū)動(dòng)因素，并且有研究表明，作物產(chǎn)量符合報(bào)酬遞減規(guī)律(即作物產(chǎn)量隨著灌水水平和施氮量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢)?？梢娐嗪瓦^量施肥并不是最理想的灌溉方式和施肥方式，反而可能會(huì)降低作物產(chǎn)量。但為了追求作物高產(chǎn)，目前仍有大部分農(nóng)民或者溫室蔬菜大棚經(jīng)營者盲目選擇“漫灌+過量施肥”的種植模式，從而導(dǎo)致面源污染日益加劇，土壤、地下水污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題頻發(fā)。

水資源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)性資源之一，其供需不均衡問題矛盾近年來日益突出。根據(jù)2021年度《中國水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2021年，全國用水總量為5920.2億m3，農(nóng)業(yè)用水為3644.3億m3，占用水總量的61.5%。其中，耕地實(shí)際灌溉用水量為5325m3·hm-2，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.568，距離國際先進(jìn)水平仍有較大差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)最高的國家為以色列(0.87)，其次為澳大利亞和俄羅斯(0.8)，阿爾及利亞、英國、美國、西班牙、法國等國家也在0.6以上。近30年，我國耕地灌溉面積呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，但農(nóng)業(yè)用水量自2013年開始隨著耕地灌溉面積的增加而降低。因?yàn)樗Y源供給的有限性以及耕地灌溉面積的增加，我國越來越重視農(nóng)業(yè)水資源的高效利用。為了減輕農(nóng)業(yè)水資源的浪費(fèi)，節(jié)水灌溉成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

已有研究大多關(guān)注灌溉水量對農(nóng)田作物產(chǎn)量、氮吸收、氮利用效率和單一方面氮素?fù)p失的影響，缺少對不同作物、不同區(qū)域、不同灌溉水量的整體性研究，且關(guān)于農(nóng)田系統(tǒng)氮素循環(huán)過程及微生物的研究相對較少。本綜述通過收集近幾年關(guān)于不同灌溉水量下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失的文獻(xiàn)，系統(tǒng)研究了不同灌溉水量對不同農(nóng)田系統(tǒng)N2O排放、氨揮發(fā)、氮素淋溶及氮循環(huán)功能微生物的影響，可為不同灌溉水量下農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失研究的進(jìn)一步開展提供數(shù)據(jù)支撐，為我國農(nóng)田系統(tǒng)的灌溉方案制定提供了理論基礎(chǔ)。

1 文獻(xiàn)檢索

不同灌溉水量對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失的影響是近些年研究的重點(diǎn)，見圖1。本綜述將關(guān)鍵詞“灌溉”與“氧化亞氮”“氮淋溶”“氨揮發(fā)”“氮轉(zhuǎn)化微生物”“氨氧化細(xì)菌”“氨氧化古菌”“反硝化細(xì)菌”相結(jié)合，在中國知網(wǎng)(CNKI)及Web of Science數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，標(biāo)題、摘要、出版日期、研究地點(diǎn)沒有限制，共篩選出文獻(xiàn)578篇。相較于不同灌溉水量對氮素?fù)p失的影響，包含微生物相關(guān)關(guān)鍵詞的出版物較少。

圖1 文獻(xiàn)檢索結(jié)果分布圖

2 不同灌溉水量對農(nóng)田氮素?fù)p失的影響

2.1 不同灌溉水量對農(nóng)田N2O排放的影響

由表1可知，相對于淹水灌溉，干濕交替灌溉會(huì)增加水稻田24.3%～47.6%的N2O排放。相較于干濕交替灌溉，保持土壤水勢在-10kPa，會(huì)減少65%的N2O排放。而對于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量會(huì)減少15%～51%的N2O排放。對于溫室菜田系統(tǒng)，降低25%～50%的灌溉水量會(huì)減少19%～57.4%的N2O排放。

表1 不同灌溉水量對農(nóng)田N2O排放的影響

對于需水量大的露天水稻，馮澤宇[1]通過對比研究稻田的淹水灌溉(3～5cm水層)和節(jié)水灌溉(干濕交替)發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉處理使N2O累計(jì)排放量增加了47.6%，這歸因于節(jié)水處理的土壤通透性增加，強(qiáng)化了硝化作用和不完全的反硝化作用，造成N2O大量排放。相較于干濕交替灌溉，根據(jù)土壤水勢制定灌溉計(jì)劃(即將土壤剖面頂部15cm的土壤水勢保持在-10kPa)可以節(jié)省更多的灌溉水量，并且顯著減少了65%的N2O排放量[2]。

對于其他需水量少的作物，降低灌溉水量的50%可減少N2O排放量[3]。不同于傳統(tǒng)的大水漫灌，一種新的灌溉方式為依據(jù)土壤水分蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行灌溉。相較于傳統(tǒng)灌溉，輕度虧缺灌溉(90%蒸發(fā)蒸騰量，ET)減少了50%的N2O排放；中度虧缺灌溉(69%～80% ET)將N2O排放減少了15%，而極端虧缺灌溉(54%～68%ET)可使N2O排放減少了40%[4]。對干旱半干旱地區(qū)旱田土壤，滴灌比溝灌有效降低了N2O排放[5]。對于設(shè)施菜田，有研究表明，微潤灌溉(減少58.9%的灌溉水量)比傳統(tǒng)灌溉降低了57.4%的N2O排放[6]，這與Li等[7]研究結(jié)果相似。

目前，關(guān)于不同灌溉水量對農(nóng)田系統(tǒng)N2O排放的研究多集中在露天大田(如水稻)，對設(shè)施菜田的研究較少。另外，由圖2可知，相較于大水漫灌，干濕交替灌溉會(huì)增加水稻田的N2O排放。而基于土壤水勢灌溉雖然增加了N2O排放，但是增加量遠(yuǎn)低于干濕交替灌溉。對于需水量少的大田作物和設(shè)施菜田，降低灌溉水量會(huì)不同程度地減少N2O排放。

圖2 不同灌溉水量對農(nóng)田N2O排放的影響

2.2 不同灌溉水量對農(nóng)田氨揮發(fā)的影響

由表2可知，相對于淹水灌溉，控制灌溉會(huì)減少水稻田3.9%的氨揮發(fā)量，而降低淹水深度會(huì)使氨揮發(fā)量增加。而對于其他需水量少的大田作物，降低25%～50%的灌溉水量會(huì)增加氨揮發(fā)量。對于溫室菜田系統(tǒng)，降低15%～18.7%的灌溉水量會(huì)增加46.7%～49.0%的氨揮發(fā)量。

表2 不同灌溉水量對農(nóng)田氨揮發(fā)的影響

對于需水量較大的水稻田，Suting等[8]研究結(jié)果表明，控制灌溉處理的累計(jì)氨揮發(fā)量比大水漫灌處理低3.9%。與之相反，將水稻田的淹水深度從5cm降低至3cm和1cm會(huì)導(dǎo)致氨揮發(fā)量分別增加8.2%和28.0%[9]。這與王磊等[10]研究結(jié)果相似。

對于設(shè)施菜田，羅偉等[11]研究表明，降低灌溉量將會(huì)使黃土高原地區(qū)日光溫室番茄-西瓜輪作系統(tǒng)氨累計(jì)排放量增加了46.7%。這與Wuhan等[12]研究結(jié)果類似。

2.3 不同灌溉水量對農(nóng)田氮素淋溶的影響

由表3可知，相對于淹水灌溉，干濕交替灌溉會(huì)減少水稻田9.4%～44%的氮素淋溶。而對于其他需水量少的大田作物，降低21.9%～84.5%的灌溉水量會(huì)減少10.2%～97.9%的氮素淋溶。對于設(shè)施菜地，降低20%～58.9%的灌溉水量會(huì)減少0%～87%的氮素淋溶。

表3 不同灌溉水量對農(nóng)田氮素淋溶的影響

氮素淋溶是氮肥損失的另一重要途徑。對于需水量大的露天水稻，Amin等[14]研究發(fā)現(xiàn)，增加灌溉的間隔時(shí)間會(huì)降低42%～44%的N浸出濃度，這可能是由于延長的干燥過程引起了更好的硝化作用和優(yōu)先流動(dòng)路徑。與淹灌相比，節(jié)水灌溉對稻田滲漏水氮素濃度及各氮素占總氮的比例影響不大，但降低了14.2%的滲漏水量和9.4%的TN淋失量。

對于設(shè)施菜田系統(tǒng)，Chen等[15]研究結(jié)果表明，減少20%的灌溉水量顯著降低了N的淋溶，增加了用水效率，但同時(shí)導(dǎo)致茄子產(chǎn)量急劇下降。有研究表明，冬春季設(shè)施番茄的最佳灌溉水輸入范圍為3500～4000m3·hm-2。與常規(guī)灌溉相比，這種灌溉模式分別減少了87%和84%的硝酸鹽和可溶性有機(jī)氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)浸出，同時(shí)作物產(chǎn)量僅略有下降(<5%)。這與Li等[7]研究結(jié)果相似。

目前，關(guān)于不同灌溉水量對農(nóng)田系統(tǒng)氮素淋溶的研究多集中在露天大田(如水稻)，對設(shè)施菜田的研究較少。另外，降低灌溉水量會(huì)不同程度地減少農(nóng)田系統(tǒng)氮素淋溶，見圖3。

圖3 不同灌溉水量對農(nóng)田氮素淋溶的影響

3 不同灌溉水量對農(nóng)田氮素循環(huán)功能微生物的影響

馮澤宇[1]在水稻田進(jìn)行灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與淹水灌溉處理相比，節(jié)水灌溉處理土壤氮循環(huán)微生物氨氧化古菌功能基因豐度增加44.6%，氨氧化細(xì)菌增加39.1%。與淹水灌溉處理相比，節(jié)水灌溉處理稻田土壤反硝化細(xì)菌功能基因nirK下降36.4%，nirS下降41.9%，nirZ下降42.3%。

對于設(shè)施菜地，曹子敏[16]研究表明，滴灌能夠顯著增加氨氧化古菌的數(shù)量；Rhodanobacter(羅河桿菌屬)是對照處理(CK)、農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)、滴灌施肥處理(FPD)中的優(yōu)勢菌屬，而優(yōu)化滴灌施肥處理(OFPD)的優(yōu)勢菌屬是Pseudomonas(假單胞菌屬)；施肥滴灌顯著改變了土壤中nirS型反硝化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)；N2O排放量與nirK型反硝化細(xì)菌多樣性呈顯著正相關(guān)(R=0.6034，P=0.0452)，與nirS型反硝化細(xì)菌多樣性影響不顯著。蔡樹美等[17]研究表明，隨著土壤含水量升高，Aeromonas和Flavobac-terium菌屬的相對豐度增加，促進(jìn)土壤固氮過程，有利于穩(wěn)定土壤碳氮循環(huán)。

4 討論

對于需水量大的水稻，減少灌溉水量將會(huì)導(dǎo)致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨揮發(fā)降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，總氮素?fù)p失降低了0.91～1.65kg·hm-2。對于其他需水量小的作物，減少灌溉水量將會(huì)導(dǎo)致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨揮發(fā)增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，總氮素?fù)p失降低29.39～283.5kg·hm-2。因此，減少灌溉水量可降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失。

將灌溉方式從傳統(tǒng)的漫灌變成干濕交替灌溉雖然提升了水稻田的用水效率，但是同時(shí)增加了N2O排放。造成這種情況的原因是干濕交替灌溉通過改變土壤含水量促進(jìn)了硝化、反硝化進(jìn)程，進(jìn)而導(dǎo)致N2O排放量增加。而依據(jù)土壤水勢灌溉不僅可以節(jié)省更多的灌溉水量，同時(shí)對于N2O排放具有一定的抑制作用[2]。對于其他需水量少的作物，減少灌溉水量降低了土壤含水量，使土壤反硝化過程被抑制，進(jìn)而導(dǎo)致N2O排放量減少[5]。

以根系生長土層飽和土壤含水量的60%～80%為基礎(chǔ)進(jìn)行灌溉增加了水稻田施肥后氨揮發(fā)峰值，但同時(shí)降低了生育期氨揮發(fā)總量[8]。原因可能是在水稻生育期高溫下，無水層的田面升溫較快，從而加劇氨揮發(fā)損失。但施肥后幾天，控制灌溉稻田逐漸由薄水層變?yōu)闊o水層。NH4+-N隨水流向下遷移。表層NH4+濃度降低，從而降低氨揮發(fā)損失。與之相反，降低淹水深度增加了水稻田氨揮發(fā)量[9]。主要原因是降低淹水深度增加了地表水pH、C(NH4+)/C(H+)比值和C(NH4+)值，從而增加了稻田氨揮發(fā)。還有報(bào)告稱，增加地表水深度和持續(xù)時(shí)間有助于減少稻田NH3排放[18]。對于其他需水量少的作物，減少灌溉水量都表現(xiàn)出增加農(nóng)田氨揮發(fā)量的趨勢。銨在土壤中的擴(kuò)散依賴于土壤水分，而土壤水分不足限制了NH4+在土壤中的向下移動(dòng)，為氨揮發(fā)提供了更多的底物。高土壤含水量將NH4+運(yùn)移至低pH區(qū)，被固定、吸附到有機(jī)和無機(jī)土壤膠體或轉(zhuǎn)化為其他形式[19]。

干濕交替灌溉提高了水稻田淋溶液氮素濃度，這是因?yàn)楣?jié)水灌溉條件下灌溉量和田面水深降低，淋溶水量減少導(dǎo)致基質(zhì)濃度增大[20]。同時(shí)，由于田間淋溶水量的大幅削減，氮素淋失也顯著降低[13]。而增加灌溉的間隔時(shí)間會(huì)降低淋溶液氮素濃度，可能由于延長的干燥過程促進(jìn)了硝化過程[14]。而對于其他作物，減少灌溉量均降低了淋溶水量，且顯著增加了土壤剖面中的硝酸鹽濃度，進(jìn)而降低氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)。然而當(dāng)施肥量較少時(shí)，降低灌溉水量對氮素淋失的影響較小[6]。

5 結(jié)論

近年來，國內(nèi)外對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素的有效利用十分關(guān)注，并就不同灌溉水量對農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失進(jìn)行了一系列研究，通過對不同灌溉水量下農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失及氮循環(huán)功能微生物的綜合分析，得到以下結(jié)論。對于需水量大的水稻，減少10.8%～57.8%灌溉水量將會(huì)導(dǎo)致N2O排放增加0.12～11.54kg·hm-2，氨揮發(fā)降低0.05kg·hm-2，氮素淋溶降低1.72～12.4kg·hm-2，總氮素?fù)p失降低了0.91～1.65kg·hm-2；對于其他需水量小的作物，減少10%～84.5%灌溉水量將會(huì)導(dǎo)致N2O排放降低0.02～2.44kg·hm-2，氨揮發(fā)增加0.63～1.94kg·hm-2，氮素淋溶降低30～283kg·hm-2，總氮素?fù)p失降低了29.39～283.5kg·hm-2；減少灌溉顯著增加了氨氧化細(xì)菌(39.1%)和氨氧化古菌(44.6%)基因豐度，降低了反硝化功能基因豐度(36.4%～42.3%)；減少灌溉水量不僅可以節(jié)省農(nóng)業(yè)水資源，還可以減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失，降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)；目前關(guān)于不同灌溉方式下農(nóng)田氮素淋溶機(jī)制的研究較少，今后關(guān)于農(nóng)田氮素?fù)p失及微生物的研究方向應(yīng)當(dāng)將氮素淋溶與氮循環(huán)功能微生物結(jié)合起來。