何雪霞，胡笑涛，王文娥，冉 辉，王雪梦，余昭君

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

一氧化二氮(N2O)是大气中主要的温室气体之一，其在100年尺度上的全球增温潜势是CO2的263倍[1]，同时也被证明是消耗臭氧的主要物质[2]，对全球气候变化起到重要作用。自工业革命以来，大气中N2O增加了20%[3]，到2017年，青海瓦里关全球大气本底站监测的N2O平均浓度已经上升至过去80 万a来的最高水平。农田土壤是N2O的主要排放源[4,5]，施肥作为影响农田可持续利用的深刻措施，是影响N2O排放的主要因素，其中氮肥的使用为N2O的排放贡献了60%[6]。研究表明，当氮肥施用量超过作物的需求时，N2O排放量会随N余量的增加呈指数形式急剧增加[7-10]。葡萄是我国陕西关中半湿润区主要的经济作物，当前种植面积在全国葡萄种植面积中跃居第三，在农业经济中具有重要地位。条沟施肥是该地区普遍应用的施肥方式，超过70%的农户施用氮肥量大于350 kg/hm2[11]，严重高于葡萄实际需氮量，这不仅降低氮肥利用率，同时也增加N2O等温室气体的排放，造成一系列严重的环境问题。研究发现，适当降低氮肥施用量对葡萄的产量和品质影响并不显著，因此，在保证葡萄产量与品质的同时，研究葡萄园土壤N2O排放规律对减缓全球气候变暖，推动农业经济绿色可持续发展具有重要意义。

滴灌水肥一体化技术能将水肥均匀、适量、精确地输送到作物根部土壤，保证养分被根系快速吸收，有效提高氮肥利用率，且能通过改变土壤通气性、水分运移及有效氮分布情况影响土壤硝化和反硝化过程[12-14]，从而影响N2O的排放。目前，关于滴灌水肥一体化对关中半湿润区农田N2O的影响研究主要针对玉米、小麦等一年生作物，对于葡萄这一多年生作物农田土壤N2O周年排放特征的研究鲜有报道，并且对滴灌水肥一体化模式下不同施氮量农田土壤N2O排放规律和特征的研究较少。因此，本研究以关中半湿润区葡萄园为研究对象，设置了滴灌水肥一体化模式下不同施氮量处理，以滴灌+不施氮肥作为对照，研究氮肥用量对关中半湿润区葡萄园土壤N2O排放特征的影响及该模式下N2O排放与环境因子的响应关系，以期为指导关中半湿润区葡萄园合理施氮及制定温室气体的减排措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018-2019年在陕西省杨陵示范区唯尔葡萄庄园进行。试验地位于陕西关中平原中部(北纬38°18′，东经108°40′)，海拔521 m。多年平均降雨量635.1 mm，年蒸发量900～1 100 mm。多年平均气温12.9 ℃，年累积日照时数1 900 h，全年>10 ℃有效积温3 800 ℃，属暖温带半湿润半干旱季风气候。土壤类型为黏性黄土，表层(0～20 mm)土壤有机质13.49 g/kg，速效氮34.71 mg/kg，pH为7.34。田间持水量为0.30 cm3/cm3，土壤容重1.43 g/cm3。

1.2 试验设计

供试葡萄品种为“户太8号”。试验设置滴灌水肥一体化技术模式下不施氮(N0)、传统施氮量的2/3(155 kg/hm2,N155)和传统施氮量(232 kg/hm2,N232)3个施氮处理，每个处理3次重复，共9个小区，随机区组排列，试验小区总面积为360 m2(见表1)。试验于2018年11月施用牛粪作为基肥，追肥分别在葡萄新梢生长期、果实膨大期及着色成熟期进行，氮肥种类为尿素(N 46%)，施氮方式为随滴灌施入，滴灌采用一管一行的布置方式，灌水定额根据土壤含水量上下限控制，上限为田间持水量，下限为70%田间持水量，计划湿润层深度50 cm，滴灌湿润比为30%。各处理磷肥、钾肥施用量保持一致，其中磷肥为磷酸二铵(N 21%、P2O553%)，钾肥为硫酸钾(K2O 51%)。具体施肥时间和施肥量见表1，其余田间管理措施按葡萄园常规经验进行。

表1 葡萄园施肥时期和施肥量 kg/hm2

1.3 N2O采集与测定方法

采用静态密闭箱-气相色谱仪法对N2O气体进行采集与分析。采样箱由底座和箱体组成，在试验小区中部埋入不锈钢底座，底座上部铆接凹槽，整个生长季不再移动；采样箱箱体尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，由不锈钢材料制成，外覆隔热材料(泡沫聚苯乙烯)，左侧装有1个用于充分混合箱内气体的小风扇[15]。采集气体时向底座水槽内注满水以保证良好的密封性，连接风扇电源，密封后立即用50 mL注射器从气体采集接口抽取气体，气体样品直接密封于注射器中，每隔10 min取样一次，共取样4次，并同步记录采样时间和箱内温度。作物生育期每隔15 d采样一次，滴灌施肥后第1、3、5、7 d采样；每次20 mm以上日降雨后逐日采样3天；非生育期30 d采样一次。为了便于比较和消除日变化导致的通量差异，采样时间集中在9∶00-11∶00，每次采集气体的同时同步记录气温、5和10 cm深度处地温及0～20 cm深度土壤含水率，每两次气体取样，取一次0～20 cm土壤样品测定硝态氮和铵态氮含量，取样时在底座附近用土钻取三点混合，硝态氮与铵态氮均采用AA3型连续流动分析仪 (德国Bran+Luebbe公司)测量。采集后的气体在24 h内采用气相色谱仪(岛津 GC2010-plus)进行测定分析。

1.4 数据处理与分析

土壤N2O排放通量计算公式为[16]：

(1)

式中：F为N2O的排放通量，μg/(m2·h)；ρ为标准状态下N2O气体的浓度，1.96 g/L；V为采样箱箱体体积，m3；A为箱体覆盖面积，m2；273为绝对零度的摄氏温度，℃；T为采样箱内温度，℃；dc/dt为采样箱内N2O气体浓度变化速率，μL/(L·min)。

矫正系数指日平均排放通量与某一时刻排放通量的比值[17]，一天中各时刻N2O排放通量的矫正系数计算公式为：

(2)

式中：C为矫正系数；i=1,2,…,6，为一天中进行观测的次数，8∶00为第一次观测，每次观测相隔时间为2 h，依次类推；Fa为N2O连续测量结果的日平均排放通量；Fi为第i次观测的N2O排放通量实测值。

采用线性内插法计算N2O累积排放通量，计算公式为：

(3)

式中：M为N2O累积排放量，kg/hm2；F为N2O排放通量，μg/(m2·h)；i为采样次数；t为采样时间，d。

N2O排放系数(因子)是指肥料中的氮素以N2O气体形式损失的氮的百分比(%)，即《IPCC 2006国家温室气体清单指南》中的“emission factor”，其计算方法为：

(4)

式中：E为施肥处理生育期N2O累积排放量；E0为不施肥处理生育期N2O背景累积排放量；N为施入的氮肥总量。

为了与国际保持一致，将土壤体积含水率转化为土壤孔隙含水率(Water-filled Pore Spaces，WFPS)，计算方法[18]为：

(5)

式中：θv为土壤体积含水率，%；BD为土壤容重，g/cm3；2.65为土壤密度，g/cm3。

试验数据经Excel整理后，采用SPSS 20.0统计分析软件进行相关性分析，采用LSD方法对试验数据进行多重比较，采用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理下N2O排放规律

2.1.1 N2O排放通量日变化规律

不同生育期各施氮处理下葡萄园土壤N2O排放通量的日变化特征如图1所示，不同施氮处理下葡萄园土壤N2O排放通量变化趋势基本一致，均呈现多峰的日变化特征。不同生育时期N2O排放日变化存在较大差异，新梢生长期时，8∶00-12∶00，随着土壤温度的上升，各处理N2O排放通量逐渐上升，N155和N232处理在10∶00达到第一个排放峰，N0处理N2O排放通量上升速度较缓，在12∶00达到一天中第一个排放峰。随后均随着地温的升高而逐渐下降。地温在14∶00达到最高，此时N2O排放出现低谷，可能是由于温度过高抑制了土壤微生物的活动，从而降低了N2O的排放通量。随着土壤温度的降低，N232处理N2O排放通量迅速上升，在16∶00达到一天中的最高排放峰109.21 μg/(m2·h)，N155和N0处理则在18∶00达到一天中的最高排放峰，分别为111.34，32.35 μg/(m2·h)，当温度下降到与早晨8:00相近时，各处理N2O排放通量也随之降低至相近水平。果实膨大期各处理N2O第一次排放峰出现在12∶00，16:00时地温达到最高温度31.25 ℃，N232处理N2O排放通量迅速升高，N0处理与N155处理N2O排放通量变化幅度则较小，可能是由于N232处理的底物浓度大，微生物活动更为剧烈。N2O的产生与排放受到诸多环境因素的综合影响，由于6月21日降雨造成了葡萄园土壤水分的变化，土壤温度不再是影响N2O排放的主要因素，但因缺乏土壤水分相关数据，其具体影响机制后续还有待深入研究。着色成熟期N2O通量日变化主要受温度影响，但随土壤温度变化幅度较为平缓。

图1 不同施氮处理N2O排放通量与5 cm地温日变化Fig.1 Diurnal variation of N2O emission flux and ground temperature at 5cm under different nitrogen application treatments

由上述分析可知，不同生育期葡萄园土壤N2O排放通量具有较大的差异性，为了提高观测结果的准确度，应在该生育期内选择一天中最具代表性的时刻进行观测。葡萄不同生育期N2O排放通量矫正系数在一天的分布情况如图2所示，新梢生长期时N2O排放通量的矫正系数在9∶00-11∶00时接近于1，说明在该时段内的N2O排放通量最能代表一天的N2O平均排放通量，即9∶00-11∶00为该地区葡萄新梢生长期温室气体研究中采集N2O气体的最佳时间，同理可得11∶00-13∶00为葡萄果实膨大期和着色成熟期采集N2O气体的最佳时间。

图2 不同生育期N2O排放通量矫正系数日变化Fig.2 Diurnal variation of correction coefficients of N2O emission flux in different growth periods

2.1.2 不同施氮处理下葡萄园N2O季节排放规律

由图3可以看出，不同施氮处理下葡萄园土壤N2O排放通量存在明显的季节变化特征。葡萄萌芽期前各施氮处理下N2O通量呈现平稳排放的趋势，各处理间排放通量无显著差异，均低于25 μg/(m2·h)。201 9年4月中旬后各处理N2O排放通量随着温度的回升逐渐上升。整个生育期内处理间N2O排放通量呈现显著的差异，2019年9月生育期结束后，各处理N2O排放通量逐渐减小至相似水平。

图3 不同施氮处理N2O平均排放通量动态变化Fig.3 Dynamic change of N2O average emission flux under different nitrogen application treatments

葡萄生育期内不同施氮处理下N2O排放通量存在显著差异。整体上，不施氮处理(N0)N2O排放通量变化较为平缓，施氮处理(N155、N232)N2O排放通量变化趋势一致，在整个生育期内出现一次小的排放峰和两次排放高峰。5月1日对葡萄园进行第一次追肥后，N155和N232处理N2O通量出现了第一次短暂的排放峰，最高值分别达到77.13和127.63 μg/(m2·h)，N155处理N2O排放量接近不施肥处理(N0)，这可能和5月4日-5月6日的较大降雨(>20 mm)有关，刚施入土壤中的大量氮素随着水分的渗漏被带走，土壤中供微生物作用产生N2O的底物浓度减少，导致施肥后N2O排放量增长不明显。第二次排放峰出现在果实膨大期追肥后的第3 d(6月8日)，3个处理N2O排放通量分别为438、193、74 μg/(m2·h)，排放峰持续5 d左右，开始逐渐下降，在12 d左右后各施肥处理N2O排放通量开始与不施肥处理相接近。第三次排放高峰出现在着色成熟期施肥后第3 d(7月13日)，N232处理下N2O排放峰值高达669.78 μg/(m2·h)，分别为N155处理和N0处理N2O排放峰值的2.81倍和8.01倍，第9 d后各施氮处理N2O排放量降低至与施肥前水平一致。N0处理下N2O排放通量与施氮处理变化规律相似，可能是由于N0处理同样进行了滴灌灌水，适宜的水分促进了土壤微生物的活性，但由于底物浓度不足，仅出现了3次较小的排放峰。7月29日的大雨过后，土壤水分迅速增加，土壤中残留部分氮素，反硝化反应增强，导致N155处理与N232处理的N2O排放通量在7月30日时出现了小幅度的增加，随后随着生育期的结束N2O排放通量逐渐降低并接近不施氮处理。

2.2 N2O累积排放量与排放系数

表2为2018年9月至2019年10月葡萄园土壤N2O累积排放量，非生育期内N0、N155和N232处理N2O累积排放量仅占全年排放量的38.09%、45.87%和31.82%，说明葡萄生育期为N2O排放的主要时期。不施氮处理下果实膨大期N2O累积排放量最高，占葡萄全生育期N2O累积排放量的34.98%，其次为新梢生长期和着色成熟期，各生育时期N2O累积排放量差异不显著。N155处理和N232处理下3个生育时期N2O累积排放量存在显著性差异，着色成熟期N2O累积排放量占葡萄全生育期N2O累积排放量的比例分别为40.48%和45.75%，说明施氮条件下葡萄着色成熟期为N2O排放的关键时期。

进一步分析表2可得，N2O累积排放量随着施氮量的增加而增加，不同施氮处理之间N2O累积排放量存在显著差异。方差分析结果表明，对于葡萄生长季，除新梢生长期外，N155和N232处理的N2O累积排放量显著高于N0处理，尤其是N232处理，3个生育时期N2O累积排放量分别为不施氮处理的1.34、2.57、3.56倍。葡萄非生育期施氮处理间N2O累积排放量无显著性差异，但仍比N0处理高出1.07～1.12 kg/hm2，可能是由于土壤中还残留部分氮素，继续为土壤微生物的硝化作用与反硝化作用提供反应底物，导致葡萄非生长季N2O的持续排放。生育期与非生育期N2O累积排放量的总和为葡萄园全年N2O累积排放量，不同施氮处理间葡萄园土壤N2O年累积排放量仍具有显著差异，N155与N232处理N2O年累积排放量分别为N0处理的1.7倍、2.3倍，表明氮肥用量的增加促进了葡萄园土壤N2O的排放。N155和N232处理N2O排放系数分别为0.51%、0.79%，说明当提高氮肥用量时，所施入的氮素以N2O形式损失的比例也随之增加。

表2 不同氮肥处理下葡萄园N2O累积排放量Tab.2 Cumulative N2O emissions from vineyards under different nitrogen application treatments

2.3 土壤环境因子对N2O排放通量的影响

表3 N2O排放通量与土壤环境因子的相关系数Tab.3 Correlation coefficient between N2O emission flux and soil environmental factors

3 讨 论

(1)葡萄园N2O日变化规律及最佳观测时间。本研究表明，不同施氮处理下葡萄3个重要生育期N2O排放通量均呈现多峰的变化特征，并随着5 cm地温升到最高时出现排放低谷，这与王乐等[19,20]的研究结果相同。而徐钰等[21]观测设施菜地不同季节N2O排放日变化的结果表明，N2O排放通量呈明显的单峰型日变化规律，且排放峰值一般比气温峰值滞后2 h，邱炜红[22]对菜地土壤温室气体N2O排放特征的研究也发现N2O排放通量在温度最高时达到排放峰。这可能是由于该研究阶段土壤温度达到最高时仍低于30 ℃，当土壤水分变化较小时，N2O排放主要受温度的影响，而这一温度并未对硝化过程产生抑制作用，导致葡萄园土壤N2O排放通量日变化与前人研究结果存在差异。此外，N2O排放通量日变化规律还受到作物种类、天气条件等的综合影响，为确保准确估算葡萄园年度N2O累积排放量，选择具有代表性的观测时间段尤为重要。当前大部分对N2O排放通量的研究中采样时间均固定在9∶00-11∶00[16，23,24]，而N2O排放通量的最适宜的采样时间往往随着作物生育时期的变化而变化，肖万里等[25]研究表明设施菜田土壤N2O排放通量的最佳观测时间在追肥前应保持在8∶00-10∶00，追肥后则保持在9∶00-11∶00；徐钰等[21]研究设施菜地土壤N2O排放规律发现，春季和秋季最佳观测时间分别在21∶00和18∶00-21∶00，夏季和冬季则为16∶00-18∶00和10∶00-次日6∶00。本研究分别选择3个重要生育期典型晴天对N2O通量日变化的观测结果显示，新梢生长期时9∶00-11∶00为最佳观测时间，果实膨大期与着色成熟期11∶00-13∶00为最佳观测时间。N2O季度排放规律表明，将葡萄生育期内对N2O排放贡献最大的时期确定为最佳观测时期，对于估算年度N2O排放具有重要意义。但本研究由于仅选择了典型晴天作为代表，并不能代表雨天和阴天的观测结果，需进一步分析阴天和雨天的N2O排放日变化规律，以提高N2O累积排放通量估算的准确度。

(2)滴灌水肥一体化施氮量对N2O排放的影响。李昊儒等[26]对不同灌溉施肥措施下夏玉米-冬小麦农田温室气体排放的研究表明，滴灌水肥一体化模式与传统灌溉施肥模式下N2O排放量分别为1.2、1.26 kg/hm2，刘巧等[27]人也发现，滴灌水肥一体化条件下葡萄园土壤N2O累积排放量较传统施氮方式相比降低41.3%。在同等施氮水平下，本研究N2O累积排放量与刘巧等人的研究结果一致，这可能是由于滴灌水肥一体化方式改变了水肥在土壤中的分布状况，实现水肥精准输送，促进作物根系对水肥的吸收，从而有效降低土壤N2O排放。

氮肥能增加耕地土壤中的N2O排放，因为它为土壤中微生物活动产生N2O的过程提供了反应基质[28]。一般认为，N2O排放量随着施氮量的增加而显著增加，Guzman-Bustamante 等[29]研究氮肥用量对冬小麦土壤N2O排放的影响，发现0、120、180、240 kg/hm2施氮量下的N2O排放量分别为12.5、18.2、24.1、29.2 kg/hm2，本研究观测结果证明了这一点(图1)，随着施氮量的增加，生育期排放峰出现显著差异。而王旭燕等[30]发现不施氮处理和低施氮处理之间这种上升趋势并不明显，只有当氮素达到最大值210 kg/hm2时N2O排放通量才会显著高于低施氮水平。这与我们新梢生长期时研究结果一致，葡萄在新梢期时N0处理与N155处理下N2O排放量并无显著差异(表2)，N232和其余两个氮肥处理均存在显著性差异，这可能是与氮肥施用量水平范围有关，当氮肥施用量水平较低时，氮肥用量对N2O的排放量影响并不显著。Shcherbak等[31]利用Hoden模型模拟多年生草地氮肥施用量对N2O的影响，结果表明将氮肥施用量从50 kg/hm2降低到不施肥，每公顷的N2O排放量仅降低0.28 kg，但一旦超过一定的范围，排放量就会迅速增加[30,31]，可能是该施氮量下大部分养分被植物有效地吸收利用，仅留下较少的肥料供微生物利用转化为N2O。Mesfin[33]在苹果园的两年试验结果也证明了这一点。

(3)土壤环境因子对N2O排放的影响。土壤N2O的排放受到土壤环境因素的综合影响。土壤温度被认为是影响土壤N2O排放的关键性因素，大量研究表明，农田土壤N2O的排放通量随着土壤温度的变化具有明显的季节变化和昼夜变化特征[35,36]，N2O年排放通量与土壤温度呈现显著相关性[37]，本研究中周年内不同施氮处理N2O排放通量与5 cm地温及10 cm地温均呈现极显著相关性(p<0.01)，这与前人的研究结果一致。也有研究表明，土壤微生物活动存在适宜的温度范围，当土壤温度超过该阈值后，硝化及反硝化过程受到限制，随着温度的升高N2O排放量反而下降[38]。朱兆良等[39]研究发现15～35 ℃是硝化作用微生物活动的适宜温度范围，其中最佳范围为25～35 ℃，当温度低于5 ℃或高于40 ℃时都会抑制硝化作用过程；反硝化微生物所要求的适宜的活动温度为5～75 ℃，最适温度范围为30～67 ℃。本文中不同生育时期晴天时N2O排放日变化结果表明(图1)，当土壤温度在30～35 ℃时，N2O排放量达到一天当中的峰值，超过40 ℃后，N2O排放量呈下降趋势，这与前人的研究结果一致。

土壤含水率对N2O的产生与扩散也有重要的影响，降雨和灌溉事件所引起的土壤水分增加能促进N2O的产生与排放。Granli and Bockman[40]研究认为，尽管土壤中硝化过程与反硝化过程同时发生，当充水孔隙空间(WFPS)在30%～70%之间时，硝化作用可能是N2O排放的主要来源，WFPS在70%～90%，N2O则主要由反硝化作用产生。Wagner-Riddle等[41]研究发现，小麦地N2O排放通量在春季雪融化后达到峰值，这归因于融雪后土壤含水率增加，反硝化作用增强，激发了N2O的产生与排放。本研究结果显示，葡萄生育期不施氮处理N2O排放高峰均出现在滴灌及降雨(>20 mm)后(图3)，各处理N2O排放通量与0～20 cm土壤孔隙含水率呈极显著正相关(p<0.01)，说明灌溉和降雨后土壤含水率的变化是影响葡萄园土壤N2O的产生与排放的重要因素之一。

4 结 论