2020, Vol. 41
2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室, 杨凌 712100
, CAI Huan-jie1,2
, CHEN Hui1,2 , SUN Ya-nan1 , LI Liang1,2 , ZHU Yan1,2 , WANG Xiao-yun1
2. Key Laboratory of Agricultural Water and Soil Engineering, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
大气中温室气体浓度呈逐渐递增趋势, 由此导致的全球温度升高和臭氧层破坏已成为全球关注的重要环境问题.N2O是大气中重要的温室气体[1], 不仅会破坏臭氧层[2, 3], 也会导致温室效应, Stocker等[4]指出N2O的增温潜势能达CO2的298倍和CH4的12倍.农田生态系统是全球N2O排放的一个重要来源[5], 据估计10年后全球土壤N2O的排放量将增加35%~60%[6].中国蔬菜产业近年来发展迅猛, 是农田生态系统N2O排放的重要部分, 设施菜地种植面积分别占蔬菜和农作物面积的18%和4.61%[7].设施菜地施肥量高且灌水次数频繁, 被认为是N2O的重要排放源[8].
土壤N2O排放受多种因素共同作用[9], 水肥气是影响土壤N2O排放的主要因子, 土壤WFPS、氮素和溶氧量等改变均会影响土壤N2O排放.陈慧等[10]的研究发现, 土壤含水量增大导致土壤中含氧量改变, 土壤通气性改变, 土壤硝化和反硝化作用条件改变, 影响土壤N2O排放.杜娅丹等[11]的研究发现, 施氮显著增加了土壤N2O排放, 可能由于施氮后土壤中氮底物浓度增加, 微生物活性及数量增多影响土壤硝化反硝化作用.Chen等[12]的研究发现, 加气灌溉导致土壤通气性增强, 促进了土壤N2O排放.目前研究大多揭示了水、肥、气单因子或两因子耦合条件下农田土壤N2O排放特征, 但关于水肥气三者耦合设施菜地土壤N2O排放特征及其影响机制仍不明确, 缺乏系统性的分析.不同施肥量或者相同施肥量, 不同施肥次数和施肥时间, 灌水和加气频率改变均会影响土壤N2O排放.前人研究多集中在水肥对N2O排放的影响, 结合产量与N2O排放研究较少, 本研究结合产量与N2O排放, 提出一种水肥气耦合条件下增产减排措施.
番茄是我国西北部温室主要作物, 具有高产和易盈利性等特点[13].本文以番茄为供试作物, 研究水肥气耦合对番茄产量、土壤N2O排放及土壤特性的影响；分析土壤环境变化与土壤N2O排放的响应关系；优化水肥气组合方案, 结合产量提出适宜的增产减排措施, 以期为设施菜地水肥气管理模式的优化及N2O减排提供支持.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验于2018年4月2日至7月9日在西北农林科技大学日光温室开展(北纬34°20′, 东经108°24′, 海拔高度521 m).土壤类型为塿土, 干容重和田间持水量(体积分数)为1.35 g·cm-3和32.1%, 土壤全氮、全磷和全钾质量分数分别为1.86、1.38和20.23 g·kg-1, 有机质质量分数9.51 g·kg-1, pH值7.65.试验番茄品种为金鹏14-2.试验期间的气象数据由温室内自动气象站(Hobo, Onset Computer Corp, USA)收集, 气象数据见图 1.
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图 1 温室番茄全生育期气温和湿度动态 Fig. 1 Temperature and humidity dynamics during tomato growing cropping season in greenhouses |
番茄定植日期为2018年4月2日(3叶1心至4叶1心).同时将土壤浇透底水, 提高番茄幼苗成活率.为防止水分向外侧渗, 定植后6 d覆上薄膜并用塑料薄膜将垄与垄之间隔开.番茄全生育期时长99 d, 生育期划分为苗期(04-10~04-20)、开花坐果期(04-21~05-11)、果实膨大期(05-12~06-14)和成熟期(06-15~07-09).
本试验于加气条件下设两个灌水水平(0.6 W和1.0 W, 分别代表亏缺40%灌溉和充分灌溉, W代表充分灌水时的灌水量)和3个施氮水平(120、180和240 kg·hm-2, 分别代表低、中和高肥, 以50%F、75%F和F表示, 其中F为当地常规施氮量), 对照处理为不加气充分灌溉50%F、75%F和F.共9个处理(表 1), 各处理3次重复, 灌水方式为地下滴灌, 滴头埋深和间距分别为15 cm和35 cm.各小区种植番茄11株, 番茄株距35 cm.
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表 1 试验处理描述1) Table 1 Description of treatments |
由放置在温室内的E601型蒸发皿测得的蒸发量计算灌水量.采用公式(1)计算：
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式中, W为每次灌溉水量, L；A为每个滴头控制的小区灌溉面积, m2, 本试验中为0.14 m2(0.35 m×0.4 m)[14]；Epan为蒸发皿测定的蒸发量, mm；Kcp为蒸发皿系数1.0.
加气设备采用文丘里计(Mazzei 287型), 安于灌水毛管首部, 进出水口处均安装压力表, 分别位于文丘里前端和毛管末端.调节管道阀门, 控制进出口压力差0.08 MPa, 排气法测定进气量占灌水量的17%[15].
此外, 施肥采用液压比例施肥泵装置控制.本试验中采用基肥和追肥两种方式, 基肥为复合肥料(N-P2O5-K2O, 总养所占分质量分数≥45%, 其中氮、磷、钾质量分数各为15%), 氮肥、磷肥和钾肥各30 kg·hm-2；追肥采用水溶肥(N 12%-P2O5 8%-K2O 40%), 于定植后第26、52、67和82 d进行追肥, 施氮比例为1:2:2:2.各处理先施肥后灌水, 灌水量为总灌水量减去施肥所需水量.灌水施肥方案如表 2所示.
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表 2 番茄生育期灌水施肥量 Table 2 Irrigation and fertilizer amount of growth period for tomato |
1.3 测定指标与方法 1.3.1 土壤N2O采集
气样采集方法为静态暗箱法, 箱体及底座的材料为6 mm厚的聚氯乙烯, 暗箱的长宽高及底座的长宽均为25 cm, 为使取样具有代表性, 静态箱体顶部装有风扇, 使气体搅动均匀.各小区选取中央2株番茄, 将底座插入土壤5 cm深, 非取样时底座覆上方形地膜, 取样时将之移除.气样采集时, 将静态箱置于底座3 cm深的凹槽上, 为防止箱内气体与外部交换, 将凹槽注水密封.定植后5~7 d采集一次, 追肥后气体采集频率提高, 灌水施肥后平均2~3 d采集一次.将三通阀安装于50 mL注射器上, 用于气体采集, 上午10点开始, 每10 min采集一次, 每次取气30 mL, 各小区均采集4次, 并在3 d内进行气体浓度分析.去除奇异点, 保证各小区4个气样浓度值随时间的线性回归系数R2≥0.90.静态暗箱顶部装配好温度计, 采气时读取箱内温度, 以计算各小区气体排放通量.
N2O浓度采用安捷伦气相色谱仪(Agilent Technologies 7890A GC System, 美国)分析测定, 气体排放通量[16]为：
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式中, F为N2O气体排放通量, μg·(m2·h)-1；ρ为标准状态下气体密度, g·cm-3；h为暗箱高度, m；
番茄全生育期土壤N2O累积排放量为：
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式中, R为土壤N2O累积排放量, kg·hm-2；(ti+1-ti)为相邻两次测定间隔天数, d；i为第i次测定；n为测定总次数.
1.3.2 土壤充水孔隙度(water-filled pore space, WFPS%)和土壤温度每次取气同时(除移植后85 d), 利用土钻在小区静态箱附近取0~20 cm土壤, 用烘干法测定土壤含水率, WFPS为：
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式中, θm为土壤质量含水率, %；ρb为土壤容重, g·cm-3; 2.65为土壤密度, g·cm-3.
取土时, 采用曲管式地温计(河北省武强红星仪表厂)同步监测土壤5 cm深度处温度.地温计安插在箱体底座附近.
1.3.3 土壤硝态氮质量分数番茄移植后第2、3、4、5、8、9、11、12、14和16次取气时用土钻采集小区3点土样, 深度至20 cm, 混匀, 用2mol·L-1 KCl浸提, 连续流动分析仪(Auto Analyzer 3AA3, Germany, 0.001AUFS)测定土壤NO3--N含量.土壤NO3--N质量分数计算公式如下：
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式中, M为待测样品硝态氮质量分数(mg·kg-1)；C为待测样品的硝态氮值(mg·L-1)；V为待测样品提取液的体积(0.05 L)；W为待测样品质量(5 g).
1.3.4 土壤氧气含量连接光纤式氧气测量仪(Fiber-Optic Oxygen Meter Firesting O2)和氧气敏感探针(Robust Oxygen Miniprobe), 一周左右测定一次土壤氧气含量[17].
1.3.5 番茄产量和灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency, IWUE)果实成熟后各小区标记5株, 收获时用1/100天平分株称取果实质量, 取平均值作为该处理的单株果重, 并依此计算亩产.灌溉水利用效率计算公式为：
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式中, IWUE为灌溉水利用效率, kg·m-3, Y为作物产量, kg·hm-2, I为灌溉定额, mm.
1.3.6 氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)氮肥利用效率(kg·kg-1)为作物产量和施氮量的比值, 采用如下公式计算[18]：
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式中, N为施氮量, kg·hm-2.
1.3.7 单产N2O累积排放量(yield-scaled N2O intensity, Y-SN2O)单产N2O累积排放量表示为土壤N2O累积排放量与作物产量的比值, 计算公式如下：
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式中, Y-SN2O表示单产N2O累积排放量, g·kg-1.
1.4 数据处理与分析采用SPSS Statistics 22进行数据显著性和相关性分析, 用Origin Pro 2017绘图.
2 结果与分析 2.1 水肥气耦合条件下土壤N2O排放特征整个番茄生长季各处理土壤N2O排放通量变化规律基本一致, 均为施氮后排放通量最高, 其后逐渐降低(图 2).N2O排放通量变化范围为4.5~151.41 μg·(m2·h)-1施肥引起N2O峰值出现, 番茄整个生长季中共出现4次峰值, 分别出现在番茄移植后第28、54、69和84 d.土壤N2O排放通量主峰值出现在番茄移植后第28 d, 以W2F3O处理最高, 为151.41 μg·(m2·h)-1, 较W1F1O、W2F1O、W2F1CK、W1F2O、W2F2O、W2F2CK、W1F3O和W2F3CK处理分别增加了197.1%、165.3%、180.3%、168.7%、113.3%、127.7%、159.1%和115.7%(P < 0.05), 灌水和施肥对峰值影响显著.土壤N2O排放通量次峰值出现在番茄移植后第84 d, 以W2F3O处理最高, 为95.32 μg·(m2·h)-1, 较W1F1O、W2F1O、W2F1CK、W1F2O、W2F2O、W2F2CK、W1F3O和W2F3CK处理分别增加了371.9%、179.6%、168.2%、315.2%、138.3%、161.5%、234.5%和116.8%(P < 0.05), 灌水和施肥对峰值影响显著.番茄移植后第54和69 d峰值的范围为38.33~78.3 μg·(m2·h)-1, 仍以W2F3O处理最高, 但与其他处理差异不显著.
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图 2 水肥气耦合条件下N2O排放通量 Fig. 2 N2O emission fluxes under coupling condition of water, fertilizer, and gas |
相同施氮水平下, 加气充分灌溉(W2O)处理土壤N2O排放通量均值较加气亏缺灌溉(W1O)处理土壤N2O排放通量均值增加了58.1%(P < 0.05).相同灌水水平下, 加气高肥(F3O)处理土壤N2O排放通量均值较加气中肥(F2O)和低肥(F1O)处理土壤N2O排放通量均值分别增加了16.1%和42.9%(P < 0.05), 加气充分灌水(W2O)处理N2O排放通量均值较对照处理(W2CK)增加了10.73%(P>0.05).
番茄生育期内各处理N2O累积排放量在0.59~1.24 kg·hm-2间变化(表 3).施氮量增加N2O累积排放量显著增加(P < 0.05), F3水平下, W1F3O、W2F3O和W2F3CK处理的N2O累积排放量较F2水平下各相应处理分别增大了16.6%、16.2%和7.3%(P < 0.05), 较F1水平下各相应处理分别增大29.2%、53.0%和49.1%(P < 0.05), 故F3水平下N2O累积排放量较F2平均增加13.4%, 较F1平均增加43.8%.充分灌溉较亏缺灌溉N2O累积排放量显著增加(P < 0.05).W2O条件下, F1、F2和F3的N2O累积排放量较W1O条件下各相应处理分别增大了38.5%、64.5%和64.0%(P < 0.05), 平均增加了55.7%.加气处理较不加气处理N2O累积排放量增加, 处理W2F1O和W2F2O的N2O累积排放量较W2F1CK和W2F2CK处理分别增大12.4%、6.4%, 但差异不显著；处理W2F3O的N2O累积排放量较W2F3CK处理N2O累积排放量显著增加15.3%.故W2水平下加气处理N2O累积排放量较不加气处理平均增加11.2%(P < 0.05).各处理整个生育期内土壤N2O各阶段累积排放量情况如下：开花坐果期>果实膨大期>苗期>成熟期, 分别占全生育期土壤N2O总累积排放量的44.8%、28.5%、18.6%和8.4%.番茄苗期, 施肥和加气的单因子及其耦合作用对土壤N2O排放产生显著影响(P < 0.05)；番茄开花坐果期, 灌水和施肥的单因子及其耦合作用对土壤N2O排放产生显著影响(P < 0.05)；番茄果实膨大期, 灌水、施肥和加气的单因子及其水肥耦合作用对土壤N2O排放产生显著影响(P < 0.05)；番茄成熟期, 灌水、施肥和加气的单因子作用对土壤N2O排放影响显著(P < 0.05).全生育期, 灌水、施肥、加气和水肥耦合对土壤N2O排放影响显著(P < 0.05), 对土壤N2O累积排放量的影响表现为:灌水>施氮>加气>水肥耦合.
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表 3 水肥气耦合模式下温室番茄土壤N2O各阶段排放量1)/kg·hm-2 Table 3 N2O emission in different growth stages under the coupling condition of water, fertilizer and gas from greenhouse tomato/kg·hm-2 |
2.2 土壤N2O排放影响因子分析 2.2.1 N2O排放影响因子动态变化
番茄整个生育期土壤温度变化范围为17.7~32.3℃[图 3(a)~3(c)], 变化与大气温度变化相似, 整体呈现升高的趋势(图 1).而移植后第33、54、69和92 d出现下降, 这与气温下降密切相关.此外, 番茄生长季中, 各处理WFPS呈波动性变化且变化趋势一致, 整体呈现逐渐降低的规律(表 4)；这主要由春夏季气温逐渐升高(图 1), 土壤蒸发较大引起.各处理WFPS在29.13%~55.38%范围内变化[图 3(d)~3(f)].土壤NO3--N变化趋势[图 3(g)~3(i)]与N2O排放通量(图 2)趋势较一致；而土壤O2含量与WFPS呈此消彼长的关系, 土壤含水量越高土壤O2含量越低[图 3(j)~3(l)].方差分析表明, 番茄生长季中, 灌水、施肥和加气对土壤5 cm深度处温度均无显著影响(P>0.05).W2O处理的WFPS显著大于W1O处理的WFPS(P < 0.05), 增幅为7.4%；而加气和施氮量对WFPS无显著性影响(P>0.05).番茄整个生育期不同处理NO3--N变化趋势一致, 受施氮时间与作物吸收氮肥的影响, 施肥后NO3--N质量分数明显上升, 施氮量增加土壤NO3--N质量分数显著增加(P < 0.05), F3处理NO3--N质量分数较F2和F1处理分别增加了8.0%和20.7%；灌水和加气对NO3--N质量分数无显著性差异(P>0.05).W1O处理较W2O处理土壤氧气含量增大了2.61%(P < 0.05), 施肥对土壤O2含量无显著影响.充分灌水条件下加气处理较不加气处理土壤氧气含量增大了4.21%(P < 0.05).
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图 3 不同水肥气条件下番茄土壤温度、土壤充水孔隙率、土壤NO3--N质量分数和土壤氧气含量的动态变化 Fig. 3 Dynamic changes of soil water-filled pore space, temperature, nitrate content, and oxygen content in tomato under different water, fertilizer, and aeration conditions |
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表 4 水肥气耦合番茄产量与N2O排放及其相关影响因子1) Table 4 Yield and N2O emission of water, fertilizer, and gas coupled tomato and their related influencing factors |
2.2.2 土壤N2O排放与影响因子间关系
去除施氮灌水后的4次N2O排放通量峰值可知, 土壤N2O排放通量与WFPS呈指数正相关(P < 0.05), 相关系数为0.729, 从回归方程知土壤N2O排放通量随WFPS增大呈指数增长趋势, R2为0.72(图 4).说明土壤水分的变化解释了土壤N2O排放量的72%；土壤N2O排放通量与土壤5 cm深度处温度间呈指数负相关关系, 相关系数达到-0.539, 且函数关系的R2为0.29(图 4), 说明土壤温度的变化解释了土壤N2O排放量的29%；土壤N2O排放通量与土壤NO3--N质量分数间呈指数正相关关系, 相关系数为0.723, 且函数关系的R2为0.80(图 4), 说明土壤质量分数的变化解释了土壤N2O排放量的80%；土壤N2O排放通量与土壤O2体积分数间呈指数正相关关系, 相关系数为0.346, 且函数关系的R2为0.26(图 4), 说明土壤O2体积分数的变化解释了土壤N2O排放量的26%.由图 4综合分析可知, 土壤N2O排放受多种因子影响, 且N2O排放量对NO3--N质量分数相关性最高, 变化最敏感.
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图 4 水肥气耦合不同模式下土壤N2O排放量与WFPS、T、NO3--N和O2的关系 Fig. 4 Relationship between soil N2O emission flux and WFPS, T, NO3--N, and O2 under different modes of water, fertilizer, and gas coupling |
施氮、灌水和加气显著增加番茄产量(P < 0.05, 表 4), F3处理番茄产量较F2和F1处理分别增加了12.5%和30.4%.W2O较W1O处理番茄产量平均增加了29.7%(P < 0.05).W2O较W2CK处理产量增加了10.4%(P < 0.05).
施氮增加IWUE增大, 氮肥利用效率减小.F3处理番茄IWUE较F2和F1处理分别增加了11.1%和30.4%(P < 0.05).F1处理番茄氮肥利用效率平均值分别较F2和F3处理增加了18.5%和53.3%(P < 0.05).W2O较W1O处理IWUE降低了28.5%(P < 0.05), 氮肥利用效率增加了29.9%(P < 0.05)；加气处理较不加气处理番茄IWUE和氮肥利用效率分别增加了10.4%(P < 0.05)和10.0%(P < 0.05).
灌水、施氮和加气对单位产量N2O排放量产生正影响, W2O较W1O处理单产N2O排放量平均增加了18.7%(P < 0.05), F3处理番茄单产N2O排放量平均值较F2处理增加3.9%(P>0.05), 较F1处理增加了9.6%(P < 0.05), W2O处理较W2CK处理番茄单产N2O排放量平均增加但不显著.
番茄产量及N2O排放受各指标影响, 单一指标并不能全面反映番茄产量及N2O排放机制.各指标间既有一定的重叠, 又不可替代, 需要结合相关指标建立番茄产量及N2O排放的综合指标体系, 得出一种增产减排的最佳方案.综合考虑, 本研究采用熵权法进行效果评价, 结果表明(表 4), 指标综合评价从高到低排列顺序为W2F1O>W2F1CK>W2F2O>W1F1O>W2F2CK>W2F3O>W1F2O>W2F3CK>W1F3O.因此, 综合考虑产量、N2O累积排放量、氮肥利用效率、IWUE和单产N2O排放量, 本研究推荐加气低氮充分灌溉处理(W2F1O)为较优的水肥气一体化灌溉方案.
3 讨论 3.1 水肥气耦合对温室番茄土壤N2O排放的影响温室番茄整个生育期N2O平均排放通量和累积排放量分别为27.05~58.19 μg·(m2·h)-1和0.59~1.24 kg·hm-2, 本试验番茄整个生育期出现4次N2O排放高峰, 分别为施基肥和追施氮肥并灌水后, 施基肥后土壤中氮素含量增多, 番茄幼苗时期根系较小, 植株尚未发育成熟, 氮素需求量较少, 土壤中微生物吸收氮素较多.初春温室内温度和湿度较好, 利于土壤硝化反硝化过程的进行, 因此有大量N2O释放, 这与张仲新等[19]的结果相一致；追肥时期为开花坐果期及果实膨大期, 大量的养分于番茄植株生长及果实的膨大中被消耗, 因此降低了土壤氮素以N2O形式排放的损失.施氮增加了硝化反硝化反应底物, 灌水后微生物数量和种类增多, 导致N2O排放增加.雷宏军等[20]的研究发现, 低湿度灌水处理下施肥后N2O排放峰值时间早于高湿度处理.本试验N2O排放峰值出现在灌水施肥后2 d, 由于测定频次不高, 在后期试验增加N2O排放测定频次, 进一步明确N2O排放机制.
灌水影响土壤通气性和氮素的转化, 改变硝化反硝化反应条件, 进而影响土壤N2O的产生和向大气中的扩散[21].本试验中, 充分灌溉较亏缺灌溉显著增加了N2O排放量(表 4), 与前人研究结果一致[22, 23].有研究发现, WFPS低于一定阈值时, 土壤N2O排放通量与WFPS呈正相关, WFPS达到70%时, 土壤N2O排放通量值最大[24]. WFPS较低时硝化细菌活性增强, 硝化作用是土壤N2O排放的主要原因, WFPS较高时反硝化细菌活性增强, 反硝化作用是土壤N2O排放主要原因[25], 试验中WFPS多处于35%~56%, 未超过70%(图 4), 因此土壤N2O排放主要来自硝化反应.土壤含水量低时氧气含量高, 硝化反应活动强, 但N2O作为中间产物产量小, 随灌水水平提高, 反硝化速率加快与硝化反应同时进行, 产生较多N2O.充分灌溉处理土壤WFPS处于40%~60%的时长较亏缺灌溉长, 土壤N2O排放高于亏缺灌溉.本试验只设置两个灌水水平, 均对土壤N2O排放影响呈正相关, 考虑减排在以后的试验中可以设置较多的梯度水平, 进一步研究N2O排放与WFPS的关系.
灌水和施氮是影响N2O排放的重要因素[26], 基质含量影响N2O气体排放, 施氮影响土壤NO3--N含量, 进而影响N2O排放.本研究表明, 土壤N2O累积排放量随氮肥施入量增大而增大, 与杨岩等的结果一致[27], 可能是由于施氮提供了充足的氮源, 引起土壤温度、湿度和NO3--N等的变化, 硝化和反硝化作用增强, N2O累积排放量增大.过量施氮后, 肥料偏生产力降低, 植物不能吸收的氮素进入土壤, 底物浓度增加, 土壤N2O排放增大[28].研究发现, 不施氮和施氮量小时, 温度和湿度影响土壤N2O排放较大, 而施氮量高时对土壤N2O排放影响较大的是无机氮[29], 当施氮量大于作物最大需氮量时, N2O累积排放量与氮肥施用量呈指数正相关[30].因此适当控制氮肥投入, 可以减少N2O的损失.
加气灌溉精准向作物根系附近土壤输送水气混合物, 增强土壤通气性, 缓解了地下滴灌的植物根系缺氧情况[31], 氧气是硝化反应底物之一, 氧气含量减少硝化速率降低, 因此加气灌溉促进土壤N2O排放.本研究发现W2F3O处理土壤N2O累积排放量较W2F3CK土壤N2O累积排放量显著增加15.3%.陈慧等[32]的研究发现, 亏缺灌溉加气较不加气处理显著增加了N2O排放, 充分灌溉加气较不加气处理N2O排放增加不显著.与本试验加气均增加了N2O排放, 产生部分差异的原因可能是本试验水肥气结合, 高施氮为土壤硝化、反硝化作用提供充足的底物, 同时加气可以有效改善土壤通气性, 增加O2含量, 促进与硝化作用相关的微生物繁殖, 因此高施氮后加气处理较不加气处理N2O累积排放量显著增加.
3.2 温室番茄土壤N2O排放与各影响因子之间关系N2O是含氮物质在土壤中进行硝化和反硝化作用的产物[33], N2O排放的主要影响因素包括WFPS、O2和NO3--N等[34].前人研究发现N2O排放与WFPS呈指数或线性相关[35~37], N2O排放峰值WFPS大多出现在60%[38].王改玲等[39]的研究发现WFPS处于20%~40%时, 硝化反应速率随WFPS增大而增大, 且WFPS增大至60%时硝化反应速率降低.本试验中WFPS在29.13%~55.38%变化, N2O排放与WFPS呈指数正相关(P < 0.05, 图 4).土壤温度影响根系呼吸、相关酶和微生物活性, 而较高的土壤温度导致土壤的矿化作用增强[40], 影响N2O排放.大量研究指出N2O排放和温度呈指数正相关[41], 但本试验发现温度和N2O排放通量呈显著负相关(图 4), 主要可能由于土壤N2O排放与温度的关系受施肥和灌水量的影响[42], 试验区域不同, 测定时间不同, 土壤水分含量影响地温的变化, 而且4~7月温室整体呈现上升的趋势, N2O排放整体呈现下降趋势, 因此得出不同结论.施氮后土壤NO3--N含量显著增多, 有利于反硝化速率的提高, 促进N2O排放[43].土壤NO3--N质量分数较低时, N2O排放增加较缓, NO3--N质量分数较高时, N2O排放急剧增加, 可能由于过量的氮源不能被作物有效吸收, 以N2O形式损失, 说明有效地控制氮源可以减少土壤N2O累积排放量.氧气作为硝化反应的控制条件之一, 氧气含量影响土壤微生物数量和酶活性, 酶和微生物影响土壤硝化和反硝化等反应, 影响N2O排放[44].加气灌溉导致土壤中氧气含量显著上升, 利于更多好氧微生物参加硝化过程[45], 土壤中相关微生物活性提高, 土壤N2O排放增多[46].
3.3 水肥气耦合对番茄产量的影响作物产量受水肥气共同影响, 水肥气通过影响根系氧气状态及叶片中的酶[47]等共同影响植株的光合作用, 影响作物产量.本试验灌水显著增加了氮肥利用效率, 降低了水分利用效率, 增加了番茄产量.邢英英等[48]的研究发现灌水水平由0.5增大至1.0, 番茄产量显著增大, 水分利用效率显著减小.可能由于适宜水分条件下有利于提高气孔导度, 利于提高微生物群落稳定性[49], 前人研究表明, 灌水量和施肥量的增加导致番茄产量显著增加, 但灌水施肥量超过一定范围后产量逐渐降低[50], 即氮素与水分用量过高或过低均不利于番茄产量增加.
施肥较灌水对提高番茄的产量和水分利用率影响更强[51].试验中施氮显著提高了番茄产量和水分利用效率, 适量增施氮肥能改善植物养分吸收累积和分配, 促进根系对水分的吸收, 提高植株净光合速率, 增加产量[52].前人研究发现番茄产量与灌水量和施肥量正相关[53], 水肥交互对番茄产量影响显著.王鹏勃等[54]的研究发现综合作物产量、氮肥利用效率等因素, 中肥(51 470 mg)和中水(120 L)处理为最优处理.本试验中充分灌水施氮240 kg·hm-2处理番茄产量最大, 结果不同的原因可能是因为加气、番茄种植品种、施肥方式及土壤性质(有机质、速效钾和pH值)等方面的差异也一定程度影响产量.
加气较不加气处理显著增加了番茄产量, IWUE和NUE增加, 但不显著.加气灌溉对番茄生长和产量主要原因可能是加气灌溉减轻了根区的缺氧状况, 在灌水的同时更有利于根系呼吸, 促进根冠部生长, 提高作物产量.
4 结论(1) 灌水显著增加温室番茄地土壤N2O排放和番茄产量.加气条件下充分灌水较亏缺灌水N2O累积排放量、产量、氮肥利用效率和单产N2O排放量分别增大55.7%、29.7%、29.9%和18.7%(P < 0.05), IWUE降低了28.5%(P < 0.05).
(2) 施肥显著增加温室番茄地土壤N2O排放, F3处理较F2处理番茄产量、IWUE和氮肥利用效率分别增加了12.5%、11.1%和18.5%(P < 0.05), 较F1处理分别增加了30.4%、30.4%和53.3%(P < 0.05).F3处理番茄单产N2O排放量平均值较F2处理增加了3.9%(P>0.05), 较F1处理增加了9.6%(P < 0.05).
(3) 加气显著增加温室番茄地土壤N2O排放, 加气处理较不加气处理N2O累积排放量、产量、IWUE和氮肥利用效率分别增加11.2%、10.4%、10.4%和10.0%(P < 0.05), 单产N2O排放量增加但不显著.
(4) 综合考虑作物N2O累积排放量、产量、肥料偏生产力、IWUE和单产N2O排放量, 结合环境效益与经济效益, 本研究推荐加气低氮充分灌溉为较优的管理模式.
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