滴灌追氮管理对宿根蔗田土壤氮组分及N2O排放的影响

陈思静 李伏生 农梦玲

摘要： 【目的】研究滴灌追氮管理对宿根蔗田土壤氮组分和N2O 排放的影响，揭示影响土壤N2O 通量的土壤因子。【方法】以二代宿根蔗Saccharum officinarum 为研究对象，在移动防雨棚内进行2 个滴灌灌水量[ 田间持水量的70%～80%（W0.8） 和田间持水量的80%～90%（W0.9）] 及3 种滴灌追氮比例（等氮量250 kg·hm?2，其中，N0 为用作追肥的氮肥全部施用到土壤中，N5 为50% 土施追氮、50% 用滴灌系统施用，N7 为30% 土施追氮、70% 滴灌追氮） 的田间试验。在甘蔗生长的各个时期测定蔗田土壤N2O 通量、pH 和氮组分含量，并分析土壤N2O 通量与土壤pH 和氮组分含量的关系。【结果】土壤N2O 通量在施用氮肥和灌水后2 d 较高，其中，分蘖后期和成熟期W0.9N5 处理的土壤N2O 通量显著低于其他处理。W0.9 条件下，分蘖后期N5 处理的土壤N2O 累积排放量分别比N0 和N7 低47.3% 和11.8%，伸长后期N5 处理的土壤N2O 累积排放量比N7 低21.5%。相同滴灌追氮比例下，土壤硝态氮含量表现为W0.9>W0.8，随着灌水量的增加，土壤硝态氮含量有所增加。在伸长初期和成熟期，W0.8 N5 处理的土壤铵态氮含量比W0.8 N0 高56.4% 和71.8%、比W0.8 N7 高68.5% 和160.3%。在分蘖后期，相同滴灌灌水量下，土壤微生物量氮含量表现为N5>N7>N0，W0.8 和W0.9 两种灌水量下，N5 处理的土壤微生物量氮含量分别较N0 处理高120.0% 和100%。土壤N2O 通量与铵态氮含量之间呈正相关关系（r=0.313），与硝态氮含量之间呈负相关关系（r= ?0.391）。【结论】W0.9N5 处理可以降低土壤N2O 排放，且土壤铵态氮和硝态氮含量影响土壤N2O 通量，即土壤铵态氮含量越高，土壤N2O 通量越高，而土壤硝态氮含量越高，土壤N2O 通量却越低。

关键词： 宿根蔗；滴灌施肥；蔗田土壤；无机氮；N2O 排放

中图分类号： S275.6；S143.1文献标志码： A 文章编号： 1001-411X（2023）02-0230-09

氧化亚氮（N2O） 作为主要温室气体之一，以100 年时间尺度为计，1 kg N2O 的增温潜势是1 kgCO2 的265 倍[1]。农田作为产生N2O 的重要场所，每年全球农田产生的N2O（以N 計） 达到了3.3 Tg，占全球N2O 总排放量的43% 以上[2]，而我国农业活动产生的N2O 更是占到全国总排放量的65.4%[3]。同时，我国农业生产也面临水资源短缺，农业面源污染日趋严重的矛盾和巨大挑战，滴灌施肥技术可减少肥料用量和灌水量，降低土壤硝态氮的累积和N2O 的排放[4]。因此，研究合理的滴灌施肥管理措施对于降低农田N2O 排放和缓解全球变暖有重要意义。

N2O 排放过程是N2O 的产生、转化和传输过程的综合表现，受到灌溉方式、氮肥施用和pH 等的影响[5]。如：滴灌棉田N2O 排放量比沟灌棉田降低70%[5]；随着土壤水分含量的增加，土壤N2O 排放有显著的增加[6]；陈津赛等[7] 发现，土壤N2O 平均通量和累计排放量都受到追氮量的显著影响，且N2O 排放量随着追氮量的增加而增加。氮肥的施入不仅改变了硝化和反硝化进程的底物浓度，还通过改变土壤厌氧程度和反硝化速率影响N2O 的排放[8]。以往关于土壤pH 对N2O 排放的影响，研究结果不一。Shaaban 等[9] 发现，在酸性土壤中添加白云石粉使土壤pH 增加，N2O 排放量减少，而Baggs 等[10]证明，在酸性土壤中pH 的增加会导致土壤矿质N 含量增加，间接增加N2O 排放。

广西蔗区宿根蔗Saccharum officinarum 的种植面积约达到了甘蔗种植面积的50% 以上，降低蔗区农田N2O 排放技术研究具有重要意义。以往研究主要围绕施肥量、有机无机肥配施以及灌溉方式等对农田N2O 排放的影响开展试验，但随着水肥一体化技术推广应用，有关滴灌施肥条件下宿根蔗田土壤N2O 排放特征以及土壤N2O 通量与土壤因子关系的研究报道较少。本研究目的是通过开展滴灌灌水量和滴灌追氮比例的田间试验，测定在甘蔗生长时期的蔗田土壤N2O 通量、pH 和氮组分，分析土壤N2O 通量与土壤pH 和氮组分的关系，揭示影响土壤N2O 通量的土壤因子。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

于2020 年5—12 月在广西大学试验区移动防雨棚中开展了不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例的田间试验。该移动防雨棚通过电控传感器控制棚在降雨时选择避雨，天气晴朗时使作物接受阳光。供试土壤为赤红壤，试验前0～20 cm 耕层土壤的主要理化性质如下：容重1 . 4 0 g · c m ? 3，田间持水量30.3%，pH 6.73，主要营养成分的质量分数为有机质14.33 g·kg?1、碱解氮87.29 mg·kg?1、速效磷98.52mg·kg?1、速效钾192.10 mg·kg?1，供试甘蔗为‘桂糖42 号二代宿根蔗。

1.2 试验方法

试验设2 种滴灌灌水量[ 田间持水量的70%～80%（W0.8） 和80%～90%（W0.9）] 及3 种滴灌追氮比例[ 即：N0 为用作追肥的氮肥全部施用到土壤中（简称土施追氮）；N5 为50% 土施追氮，50% 滴灌系统追施氮肥（简称滴灌追氮）；N7 为30% 土施追氮，70% 滴灌追氮]。试验共6 个处理，每个处理3 个重复，共18 个小区，随机区组排列，各小区面积8.64 m2。各处理纯N 施用量均为50 kg·hm?2，以尿素（N 质量分数为46%） 供应；P2O5 150 kg·hm?2，以钙镁磷肥（P2O5 质量分数为18%） 供应；K2O 200kg·hm?2，以硫酸钾（K2O 质量分数为52%） 供应。钙镁磷肥和硫酸钾均在5 月19 日全部施入土壤中。土施追氮部分的氮肥按照相应的比例在5 月19 日施用到土壤中，滴灌追氮部分的氮肥在分蘖后期（5 月24 日）、伸长初期（7 月19 日）、伸长后期（9 月11 日） 和成熟前期（11 月4 日） 分别以30%、30%、30% 和10% 的比例以滴灌施肥的方式施入。滴灌带放置在甘蔗植株一侧，试验期间用便携式土壤水分测量仪（TRIME-PICO-IPHTDRAZS-100，德国IMKO） 观测土壤含水量，同时每个小区配有水表，用来记录和控制灌溉水量，在成熟期减少灌水次数。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 气体采集与测定 分别在灌水和施用氮肥后第2、7 和14 天用静态箱法采集土壤中排放的N2O 气体。静态箱由不锈钢制成，包括底座和盖箱两部分。底座顶部设置凹形水槽，其边长37 cm，高30 cm，甘蔗行距为90 cm，株距为12.5 cm，种植前做垄作处理，在距离甘蔗植株10 cm 处，将底座埋入地下30 cm，保证水槽露出地面，盖箱为顶部密封的正方形柱体，箱体体积为35 cm× 35 cm× 25 cm，每个静态箱装有温度探头、小风扇（用于气体混合均匀） 和取样端口。采样时间为09：00—11：00，采样时将箱体放至底座上并将底座的凹槽灌水以保证其密封状态，分别于0、10、20 和30 min 时，用注射器取样，将气体样品注入预先抽真空的采样瓶中保存，带回实验室进行测定。

N2O 浓度用Agilent 7890A 气相色谱仪分析，检测器采用电子捕获检测器（ECD）。每次测定时用国家标准计量中心的标准气体标定，N2O 测定的相对误差控制在2% 以内，N2O 通量的计算公式为：

式中：S 为N2O 累计排放量，mg·m?2；Ni 和Ni+1 分别为第i 和i+1 次采样时的N2O 通量，μg·m? 2 ·h? 1；ti 和ti+1 分别为第i 和i+1 次采样时间，d[12]。

1.3.2 土壤采集与测定 分别在分蘖后期（6 月6 日） 、伸长初期（ 7 月2 6 日） 、伸长后期（ 9 月25 日） 和成熟期（11 月18 日） 用不锈钢土钻按5 点法采集0～20 cm 深的耕作层土壤，采集的土壤鲜样去除作物根系、杂草和小石子等，装入低温贮藏箱并迅速运回实验室。部分新鲜土壤样品过1 mm 筛后，用于测定土壤氮组分，剩下土样风干、过筛后，用于土壤pH 的测定。

土壤无机氮（铵态氮、硝态氮） 用氯化钾溶液提取–分光光度法测定[13]，微生物量氮用氯仿熏蒸法提取–分光光度法测定，土壤pH 用电极法测定（水土质量比为2.5∶1.0）[14]。

1.4 数据处理与分析

试验数据用Excel 2016 和SPSS 23.0 软件进行分析。方差分析包括滴灌灌水量和滴灌追氮比例主效应，以及它们之间的交互效应。用Duncans 法对不同处理的平均值进行多重比较。用Spearman 相关性系数（r） 表示土壤N2O 通量与土壤pH 和氮组分之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例对土壤N2O通量的影响

图1 为不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例下土壤N2O 通量的变化情况。各处理宿根蔗田土壤N2O 通量的变化规律基本一致，从分蘖后期到成熟期，土壤N2O 通量总体上逐渐减少。各处理土壤N2O 通量在施用氮肥后第2 天较高，随着时间延长呈下降趋势。土壤N2O 通量在分蘖后期灌水后2 d（6 月2 日）、在伸长期灌水后2 d （7 月3 日） 和追施氮肥后2 d （ 9 月1 3 日） 较高。说明蔗田土壤N2O 前期以排放为主，后期N2O 以消耗为主。7 月21 日N5 的土壤N2O 通量最高， 一方面可能是灌溉水的摄入，干湿交替作用明显导致N2O 的明显排放；另一方面可能是前期氮肥施入土壤后会迅速释放出无机氮（主要是铵态氮），而铵态氮是硝化作用的底物，其浓度上升会促进硝化作用，并影响到中间产物N2O 的排放。

2.2 不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例对土壤N2O累积排放量的影响

由表1 可知，滴灌灌水量仅显著影响伸长初期蔗田土壤N2O 累积排放量，而滴灌追氮比例对除成熟期外的其余3 个时期土壤N2O 累积排放量的影响均显著，除伸长初期外其余3 个时期土壤N2O 累积排放量受到滴灌灌水量和滴灌追氮比例之间交互作用的影响。

由图2 可知，在分蘖后期，滴灌灌水量为田间持水量的70%～80% （W0.8） 时，追氮处理N7 的N2O 累积排放量较N5 低38.5%，滴灌灌水量为田间持水量的80%～90% （W0.9） 时，追氮处理N5 的土壤N2O 累积排放量分别较N0 和N7 低47.3%和1 1 . 8 %。在伸长初期，处理W 0 . 8 N 5 的土壤N2O 累计排放量显著高于其余处理，相同滴灌追氮比例下，土壤N2O 累积排放量表现为滴灌灌水处理W 0 . 8 > W 0 . 9。在伸长后期，滴灌灌水處理W0.8 条件下，处理N7 的土壤N2O 累积排放量分别较N0 和N5 低59.3% 和14.8%；W0.9 条件下，处理N5 的土壤N2O 累积排放量较N7 低21.5%。成熟期时，W0.9 条件下，处理N5 的土壤N2O 累积排放量分别较N0 和N7 低39.5% 和36.0%。

2.3 不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例对土壤氮组分和pH 的影响

由表2 可知，滴灌灌水量对各时期土壤硝态氮含量的影响均显著，滴灌追氮比例对分蘖后期和伸长初期土壤硝态氮含量的影响显著。伸长期土壤硝态氮含量还受到滴灌灌水量和滴灌追氮比例之间交互作用的影响。

相同滴灌追氮比例下，土壤硝态氮含量表现为W0.9>W0.8，随着灌水量的增加，土壤硝态氮含量有所增加。相同滴灌灌水量下，分蘖后期土壤硝态氮含量均表现为N5>N7>N0，其中W0.8 条件下，N 5 和N 7 的土壤硝态氮含量分别较N 0 提高163.9% 和108.3%。在伸长初期，W0.8 条件下的土壤硝态氮含量表现为N7>N5>N0，N7 和N5 的土壤硝态氮含量分别较N 0 高3 6 2 . 2% 和5 9 . 8 % ；W0.9 条件下，N7 土壤硝态氮含量较N0 高86.7%。在伸长后期，N0 条件下土壤硝态氮含量表现为W0.9>W0.8。在成熟期，土壤硝态氮含量较伸长后期有所提高（W0.9N0 除外），但在相同滴灌灌水量下，不同滴灌追氮比例土壤硝态氮含量之间的差异不显著。

由表3 可知，滴灌灌水量及其和滴灌追氮比例之间的交互作用对各时期土壤铵态氮含量的影响均显著，滴灌追氮比例对除分蘖后期外的各时期土壤铵态氮含量的影响显著。土壤铵态氮含量随着生育期的变化呈现逐渐下降的趋势。在分蘖后期，W0.9 条件下N5 的土壤铵态氮含量较N0 和N7 高21.5% 和51.9%。在伸长初期，W0.8 条件下N5 的土壤铵态氮含量比N0 和N7 高56.4% 和68.5%，但是W0.9 条件下各滴灌追氮比例的土壤铵态氮含量之间的差异不显著。伸长后期，各处理的土壤铵态氮含量较分蘖后期和伸长初期有所下降，且在相同滴灌灌水量下，随着施N 比例的增加，土壤铵态氮含量逐渐增加；相同滴灌追氮比例下，土壤铵态氮含量表现为W0.8>W0.9。在成熟期，相同滴灌追氮比例下，土壤铵态氮含量表现为W0.8>W0.9；W0.8 条件下，N5 的土壤铵态氮含量分别较N0 和N7 高71.8%和160.3%。

由表4 可知，滴灌灌水量对伸长初期和成熟期土壤微生物量氮含量的影响显著，而滴灌追氮比例对各时期土壤微生物量氮含量的影响均显著，滴灌灌水量和滴灌追氮比例之间的交互作用对除分蘖后期外的其余时期土壤微生物量氮含量的影响均显著。

在分蘖后期，相同滴灌灌水量下，土壤微生物量氮含量表现为N5>N7>N0，W0.8 条件下，N5 处理的土壤微生物量氮含量分别较N 0 和N 7 高120.1% 和48.3%；W0.9 条件下，N5 处理的土壤微生物量氮含量较N 0 高1 0 0 % 。在伸长初期，W0.8 条件下， N5 的土壤微生物量氮含量较N0 高248.9%。在伸长后期，在相同滴灌灌水量下，土壤微生物量氮含量均表现为N7>N0>N5；相同滴灌追氮比例下，土壤微生物量氮含量整体表现为W0.9>W0.8。在成熟期，土壤微生物量氮含量较其他时期高，相同滴灌追氮比例下，土壤微生物量氮含量整体表现为W0.8>W0.9；在相同滴灌灌水量下，土壤微生物量氮含量整体表现为N0>N5>N7。

由表5 可知，从分蘖后期至成熟期，pH 在6.0～7.2 范围内波动。氮肥施入使pH 有不同程度的变化。在成熟期，W0.8 条件下，随着滴灌追氮比例的增加，土壤pH 增加的趋势更明显，说明滴灌施用氮肥可以减缓土壤酸化。

2.4 不同处理下土壤N2O 通量与土壤氮组分和pH 的相关性

通过Spearman 相关分析发现，土壤N2O 排放通量与土壤铵态氮含量之间呈正相关关系（r=0.313），而与土壤硝态氮含量之间呈负相关关系（r=?0.391），说明土壤铵态氮和硝态氮含量显著影响土壤N2O排放。土壤N2O 排放通量与土壤微生物量氮含量和pH 之间的相关性不显著。

3 讨论与结论

3.1 宿根蔗田土壤N2O 排放特征

宿根蔗田土壤N2O 通量在分蘖后期最大，随着生育时期的推进，N2O 通量逐渐减少，土壤N2O 在分蘖后期、伸长初期和伸长后期以排放为主，成熟期以消耗为主，这主要是因为分蘖后期施用较多的氮肥能保证土壤养分的供应充足；其次，滴灌施用氮肥可将肥料施在根部，减少氮素损失，故分蘖后期土壤N2O 大量排放。还有研究表明，表层土壤温度一旦降到15 ℃ 以下，N2O 通量迅速下降，甚至出现土壤N2O 消耗现象[15]。反硝化微生物适宜活动温度范围为5～75 ℃，其活性随着土壤温度的降低而减弱，从而改变硝化反硝化过程，使得成熟期土壤N2O 通量明显减少。N2O 通量在灌水和施用氮肥后2 d 较高，随着时间的推移，N2O 通量逐渐减少是因为灌水后造成土壤湿润，反硝化作用强于硝化作用，促进土壤N2O 排放；而且干湿交替的过程打乱了土壤环境和有机物之间的相互作用，从而使得土壤有效碳和氮的矿化量增加，增加了土壤N2O 的排放[16]。施用氮肥后N2O 通量增加是因为添加尿素后，氨氧化细菌立即开始生长，氨氧化细菌和氨氧化古菌可以将氨气氧化，并产生N2O[17]。伸长后期土壤N 2O 累积排放量以及排放通量基本为W0.8>W0.9，其原因是土壤含水量较低时，土壤孔隙较大，氧气含量的增加加速了硝化作用[18]，促进了N2O 排放。也有相关的研究证实，当土壤含水率达到70%～80% 时，N2O 排放量最大，此時硝化与反硝化作用均为N2O 产生的重要途径[19]。

3.2 不同滴灌灌水量和滴灌追氮比例对土壤氮组分的影响

在宿根蔗各个生长时期，土壤硝态氮含量受灌水的影响显著，表现为W0.9>W0.8。在土壤水分较高时硝态氮含量较高的原因可能是南宁地处南亚热带地区，在滴灌之后土壤水分蒸发较快，土壤通气性依然较好，导致土壤硝态氮含量增加。张忠学等[20] 研究结果显示，0～60 cm 土层铵态氮含量随灌水量的增加而减小，本研究也发现，在宿根蔗伸长后期和成熟期相同滴灌追氮比例下，土壤铵态氮含量表现为W0.8>W0.9，其原因可能是伸长期和成熟期灌水量在W0.9 条件下更能满足甘蔗对水分的需求，在此灌水量下铵态氮被植物直接吸收利用较多。

土壤无机氮含量的变化因追氮量和追氮时期的不同而异，有研究表明，增加氮肥追施次数可使耕层土壤维持较高的供氮能力，并可减少氮素淋失[21]。本研究中，分蘖后期土壤硝态氮含量表现为N5>N7>N0；伸长初期灌水量W0.8 条件下土壤硝态氮含量表现为N7>N5>N0，N7 的土壤硝态氮含量分别较N0 和N5 高362.2% 和189.3%。在铵态氮上也得出类似的结果，伸长后期随着滴灌追氮比例的增加，土壤铵态氮含量逐渐增加，这是因为铵态氮易被土壤胶体吸附，从而大部分铵态氮保留在表层土壤[22]。此外，滴灌可以减少氮素的渗漏，且有利于土壤有机氮的矿化，增加土壤无机氮含量[23]。

说明滴灌多次追施氮肥有利于铵态氮和硝态氮的累积。此外，成熟期土壤微生物量氮含量除N7 外较伸长后期明显提高，这可能是成熟期根系腐解为土壤微生物提供了丰富的养料，从而提高了土壤微生物量氮含量。

3.3 土壤N2O 通量与土壤无机氮的关系

本试验发现，土壤N2O 通量与土壤铵态氮含量之间的关系呈显著正相关，这与尤昆明等[ 2 4 ] 和Li 等[[25] 的研究结论一致。但赵国胜等[26] 却发现，土壤N2O 通量与土壤铵态氮含量之间的关系呈极显著负相关，与本研究结果不同。以往研究表明，土壤N2O 通量与土壤硝态氮含量之间的关系呈极显著正相关[27-28]，本文的结果与此相悖，其原因可能是作物种类和试验条件不同造成的。

3.4 结论

宿根蔗田土壤N2O 的排放趋势是随着生育期的发展逐渐减少，土壤N2O 通量一般在施用氮肥和灌水后2 d 较高。滴灌灌水量、滴灌追氮比例、滴灌灌水量和滴灌追氮比例之间的交互作用在不同时期影响着土壤硝态氮、铵态氮和微生物量氮含量。合理的滴灌灌水量和滴灌追氮比例可降低土壤N2O 的排放，以灌水量W0.9（田间持水量的80%～90%） 和滴灌追氮比例N5（50% 土施追氮，50% 滴灌追氮） 处理分蘖后期、伸长后期和成熟期的土壤N2O 排放量较低。此外，土壤铵态氮和硝态氮含量显著影响宿根蔗土壤N2O 通量。

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【责任编辑 李晓卉】