膜下滴灌對農田N2O排放影響的研究進展

鄭劍波 張有亮 李振華 楊悅 羅新寧

摘要：文章綜述了膜下滴灌對農田N2O排放影響的現狀，從土壤水分、土壤溫度、土壤氮素轉化、氮肥施用等方面分析膜下滴灌農田N2O產生和排放的主要影響機制，針對目前研究中存在的N2O排放問題提出建議，為膜下滴灌技術的改進以及N2O溫室氣體減排提供依據。

關鍵詞：膜下滴灌；農田；N2O排放

中圖分類號：S275.6

文獻標識碼：A

隨著社會經濟高速發展，環境問題層出不窮，尤其是近年來，冰川融化、海平面上升等問題對人類生存產生了極大的威脅，這種現象的出現主要是由于全球氣候變暖所致，而全球變暖源自溫室氣體的排放，因此對溫室氣體的研究迫在眉睫。N2O作為溫室氣體的主要組成之一，其增溫效應是CO2的298倍[1]，受到社會各界的廣泛關注。隨著對溫室氣體排放研究的開展，越來越多的專家學者將N2O減排作為緩解溫室效應的關鍵。有研究資料顯示，農田溫室氣體排放占據全球總排放量的10%～20%[2]，其中中國農業溫室氣體排放量占據中國溫室氣體排放量的15%以上[3]，研究農田N2O排放特征已勢在必行。

近年來，對農田N2O排放的研究大多數集中在土壤生物反應、化學反應、耕作手段以及施氮量水平等方面，對影響農田N2O排放的其他因素研究較少[4]。有研究發現，改變農田灌溉模式、灌溉水平，能導致土壤溫室氣體排放特征產生顯著變化，其原因可能是由于不同的灌溉模式影響了土壤水分含量，而土壤水分是影響土壤溫室氣體排放的關鍵性因素[5]。滴灌方式通過對作物根部水分和養分供應使作物可以正常生長發育，既能高效節省農田用水，減少農田深層滲透，提高作物水肥利用效率，又可以影響土壤溫室氣體的排放量。目前，國內外學者對滴灌模式下土壤溫度、土壤濕度、土壤水分等研究已經取得了較為可觀的進展，但對于膜下滴灌農田N2O排放的研究很少，隨著新型滴灌模式的推廣，滴灌對農田N2O排放特征的影響研究刻不容緩。

通過查閱和分析大量相關文獻，本文較為全面地分析農田土壤N2O的產生機制、影響N2O排放的關鍵因素等，并提出相應對策，以期為農田N2O減排工作提供理論支持。

1? 農田土壤N2O產生機制

農田N2O的主要產生途徑為土壤中的生物作用和化學反應，其中生物作用包括硝化作用和反硝化作用，農田土壤N2O主要是通過好氧微生物與厭氧微生物進行硝化作用與反硝化作用產生，其他生物作用的貢獻較少[6]。

硝化作用是指通過土壤好氧微生物作用將土壤氮素轉化為氧化態氮的過程。這個過程分為兩步：先通過亞硝化細菌將NH4+等氧化成NO2-，之后硝化細菌將NO2-氧化成NO3-，同時產生N2O。硝化作用既有自養硝化作用，又有異養硝化作用，而真菌對異養硝化作用反應敏感，因而有學者認為異養硝化作用也可能會導致N2O的排放。相較于自養硝化作用，異養硝化作用在酸化土壤或者溫度較高的土壤中仍能正常進行，其過程也會排放出大量N2O。因此，異養硝化作用也是研究的一大重點。

同時，如果在O2含量較低的狀態下，硝化作用產生N2O的途徑為硝化細菌的反硝化作用。反硝化作用是指在厭氧條件下，通過反硝化細菌將NO3-或NO2-還原成氣態氮的過程。有研究發現，在嚴格的厭氧環境下，氧化亞氮還原酶會將N2O還原成N2，說明N2O是反硝化作用的中間產物之一，N2O在不同的環境條件下，能繼續積累或者被還原成N2。

2? 影響膜下滴灌農田N2O排放的主要因素

2.1? ?土壤水分

大量研究證實膜下滴灌方式能有效降低農田N2O排放量。還有學者發現，土壤水分變化頻率同樣會影響N2O的排放量，土壤干濕交替會導致N2O排放量顯著增加。土壤水分控制為農田N2O的減排提供了一條切實可行的道路，如夏仕明等[7]通過研究發現干濕交替灌溉能有效減少稻田溫室氣體。有學者指出，滴灌時，滴頭下方以及滴頭周圍土壤水分含量明顯高于其他位置土壤水分含量，造成較大的土壤水分差異，會形成明顯的干濕區域，在田間N2O的排放過程中起到極為重要的作用。在干濕交替過程中，土壤透氣性發生改變，影響土壤微生物活性，從而影響N2O的排放過程。董艷芳等[8]研究指出，與常規灌溉相比較，膜下滴灌在保持水稻產量不降低的前提下，降低了稻田N2O的排放強度和增溫潛勢，證實了干濕交替會通過改變土壤透氣性而影響N2O的排放；Li等[9]通過田間試驗發現，膜下滴灌棉田N2O排放量與傳統無膜棉田相比，降低了約30%，研究表明，膜下滴灌與傳統無膜灌溉相比較，會有效降低N2O的排放量。

2.2? ?土壤溫度

在全球氣候變暖的大背景下，N2O排放量受到土壤溫度的影響加劇。Dobbie和Smith[10]的研究表明，在一定范圍內土壤溫度越高，N2O排放量越大，二者成正相關關系。在稻麥輪作系統中，N2O排放量與5 cm土層日低溫變化呈正態分布，同時當地溫在15 ℃～35 ℃時，N2O排放量會顯著增加[11]。謝軍飛和李玉娥[12]也得出了相同的結論，在15 ℃～35 ℃范圍內，硝化細菌處于活躍狀態，反硝化細菌適宜溫度為5 ℃～75 ℃，與作物生長環境相結合，硝化作用影響比反硝化作用影響更大。王鐵良等[13]通過對比溝灌土壤溫度、滴灌土壤溫度和小管出流土壤溫度發現，不同灌溉方式下，土壤溫度會有一定差異。Wang等[14]證實，滴灌農田土壤溫度明顯高于噴灌農田，其原因可能是在膜下滴灌時，水分蒸發受到地膜阻礙，導致地表氣溫和膜下土壤溫度較高。目前，針對土壤溫度對N2O排放影響的研究仍未得到一致的結論，需要進行進一步研究。

2.3? ?土壤有機氮礦化

膜下滴灌改變了土壤水熱狀況，從而影響了土壤氮素積累與轉化過程，土壤微生物硝化反應和反硝化反應離不開土壤硝態氮和銨態氮的支持。Bricklemyer等[15]在2005年的試驗中發現，在滴灌條件下，土壤有機氮素會發生明顯礦化過程，同時部分氮素也會有損失。Dosskey等[16]在研究中同樣發現由于滴灌形成的水分動力學過程，會導致土壤有機質礦化。因此，土壤有機質氮礦化在一定程度上可以反映土壤N2O排放特征。干燥條件下，土壤可溶性有機氮釋放速度加快，在土壤干燥條件轉化為濕潤條件的過程中，N2O的排放量加劇，其原因可能是在滴灌過程中，土壤微生物活性增加，促進了土壤有機質的礦化量[17]。

2.4? ?土壤硝化作用與反硝化作用

膜下滴灌技術的應用對土壤溫度、土壤水分以及土壤有效氮等均產生極大影響，進而對土壤溫室氣體產生影響。白紅英等[18]在研究中發現，可能由于小麥在生長過程中消耗了土壤水分和養分的同時分泌有機物以及C、N等物質，促使土壤微生物進行硝化作用和反硝化作用，最終導致覆蓋種植條件下土壤N2O排放量高于裸露地N2O排放量。在水稻地膜覆蓋栽培的研究中也同樣證實了這一點，在嚴格的厭氧環境中，覆膜稻田的土壤水分和通氣性更有利于N2O的產生和釋放[19]。閻佩云等[20]在對覆膜春玉米的研究中發現，地膜覆蓋下的玉米農田與未覆蓋地膜農田相比，土壤N2O排放量并未增加并且有少量減少，其原因可能是由于地膜覆蓋促進了作物生長對礦質氮的吸收，使得作物與土壤微生物競爭氮素，從而限制了N2O的生成。而朱詠莉等[21]在對覆膜小麥農田N2O排放的研究中卻得出不同的結論，認為地膜覆蓋會增加農田N2O的排放量，地膜覆蓋在提高耕層土壤含水量、溫度以及硝態氮含量的同時，相對降低了土壤中的O2濃度，促使土壤處于厭氧環境，反硝化作用加劇，導致土壤N2O排放量增加。在眾多學者的研究中，均證實地膜覆蓋會影響農田N2O排放量，但地膜覆蓋是否會導致N2O排放量降低仍有待商榷，需要進一步研究。

2.5? ?施肥手段

在作物生產過程中，作物產量受土壤肥力的作用顯著。盲目大量施用化肥氮來補充作物生長過程中所需的氮素，使得大量氮素進入土壤環境，而作物對氮素利用量遠低于施用量，導致土壤中氮素滯留，再加上其他環境因素的影響，使得農田系統氮素冗余，最終導致N2O排放量劇增。在早期研究中，Shcherbak等[22]也證明了N2O排放量會隨施氮量的增加呈指數增長趨勢。近年來，有學者在對覆膜水稻尿素氮處理中發現，深施尿素會顯著降低N2O排放量，在常規淹水水稻生產中，土壤尿素氮深施處理也得到相同的結論，分析其原因可能是因為尿素深施后，減少了土壤硝化反應和反硝化反應所需的底物，同時，施用高效氮肥也會顯著降低土壤N2O排放量。Liu等[23]學者在通過對比控釋尿素與尿素、硫酸銨、硝酸銨鈣對N2O排放的影響中發現，控釋尿素與其他幾種氮肥相比，土壤N2O排放系數顯著下降。

3? 減排措施

3.1? ?改善施肥手段

氮肥是影響農田N2O排放量的主要原因之一。中國地域面積廣、天氣多變，使得中國各區域的種植作物、施肥量等也隨之產生一定的變化。因此，尋找最適宜各地區的作物施肥量是眾所周知的最簡捷的N2O減排措施。科學施肥要在保證作物產量的同時，協調施肥量、肥料種類、施肥時期和施肥位置，通過改變肥料配比、種植模式和肥料分施等農田管理措施來控制農田N2O排放量。

3.2? ?調節土壤環境

根據不同作物適宜生長環境，通過滴灌強度、滴灌頻率、覆膜厚度等方式改變土壤溫度、土壤水分，調整土壤干濕交替狀態時間，通過對土壤微生物活性的影響來作用于土壤硝化和反硝化反應，從而得到N2O減排效益。

4? 展 望

隨著全球對農田溫室氣體的深入研究，對農田土壤N2O排放的研究也隨后展開，影響農田N2O排放的因素受到國內外學者的廣泛關注，逐漸成為研究熱點，由研究最初的單因素影響到后來的多因素綜合作用，研究內容不斷豐富，研究手段層次多樣，目前已取得較好的成果，為農田N2O減排奠定了深厚基礎。但筆者認為目前國內外對于不同地區農田N2O排放的研究內容以及研究深度仍未能達到減排增產的效益，因此筆者認為還需加強對以下內容的研究：（1）在研究滴灌農田N2O產生機制的基礎上，結合各地區農田耕作特性，研究不同耕作條件下N2O排放特征，尤其是在大面積種植區域要開展深入研究；（2）將各地區土壤理化性質與N2O排放相結合進行研究，如不同地區土壤鹽堿性、土壤溫度、土壤濕度對N2O排放的具體作用等；（3）中國南北方氣溫差異較大，作物種植多樣，應加強對不同作物種植區N2O排放特征影響的研究，探索有利于不同作物的減排增產種植模式；（4）通過對滴灌農田N2O排放研究，制訂高效的節能減排農業管理措施。

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