不同灌溉方式旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶特征

于亚泽,焦 燕*,杨文柱,宋春妮,于俊霞,刘立家,张 婧,刘宇斌 (1.内蒙古自治区环境化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

我国是化肥施用大国,每年施用的化肥达到6000 万t,但大量研究表明,我国农田化肥氮素的利用率只有35%[1-3],其余部分通过进入大气环境或水环境从而污染环境.其中,旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶是两种重要的损失途径,其中土壤N2O 排放占全球总量的60%[4],施入的氮肥大约1%～20%经土壤淋溶进入地下水[5].因此,如何减少N2O 排放及氮素的淋溶成为国内外研究的热点.

近年来,内蒙古地区马铃薯种植面积逐渐增加,播种面积成为全区仅次于玉米的主要作物. 农民在种植马铃薯过程中施入大量氮肥从而引起N2O 排放,灌溉方式也是影响N2O 排放和氮素淋溶的重要条件,不同的灌溉方式会影响土壤理化性质和土壤结构,造成土壤通透性、土壤中微生物活性等发生改变,从而对影响N2O 排放的硝化、反硝化过程及氮素淋溶量产生影响[6-7].有研究表明,滴灌与传统沟灌相比,N2O 累积排放量可以降低30%～40%[8-9],但有学者研究得出,与沟灌相比,由于灌溉频率高有利于形成从而加剧了N2O 的排放[10].且N2O 排放量随施氮量的增加而增加[11-12].氮素淋溶是氮肥损失的另一重要途径,王肖娟等[13],樊兆博等[14]研究得出传统沟灌与滴灌相比氮素损失明显增加,这是由于高灌水量增加了氮素向深层土壤运移的潜力,使地下水环境受到污染[15].滴灌与传统沟灌相比,可以使土壤中水分、养分均匀分布,达到农田局部集中施肥和灌水的效果,肥料的利用率大幅提高,降低了因过量施肥而造成的环境污染问题[16].

目前,国内外研究多集中于施肥量、灌溉方式单因素对N2O 排放和氮素淋溶的影响,且多集中于水田[17-20],对于内蒙古干旱半干旱地区旱田土壤N2O排放及氮素淋失的影响研究较少,本研究通过水肥两因素多水平的交互作用对内蒙古旱田土壤N2O排放及氮素淋溶的研究,探究不同季节N2O 排放特征,不同季节、不同土壤深度氮素淋溶量和分布特征,有助于了解旱田土壤的氮循环机制,为全球缓解温室效应和减少地下水污染提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于内蒙古呼和浩特市郊区马铃薯试验基地(40°45′34″N,111°41′56″E),该地区平均海拔1045.4m,属中温带大陆性季风气候.多年平均气温6.7℃,多年平均降水量 335.2～534.6mm,全年降水主要集中在夏季(7～8 月),占全年降水量的70%以上.年蒸发量2000mm 左右,太阳辐射强,昼夜温差大,年均日照时间多于2629.8h,无霜期134d.灌溉水源为地下水,水质符合灌溉水质标准.土壤类型为栗钙土,其基本理化性质见表1.

表1 试验区土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the experimental area

1.2 试验设计

供试作物马铃薯品种为“克新一号”脱毒原种马铃薯,试验于2018 年和2019 年5～9 月进行.试验设6 个处理,分别为DCK(滴灌无肥)、DD(滴灌+N 500kg/hm2)、DG(滴灌+N 1000kg/hm2)、FCK(沟灌无 肥)、FD(沟灌+N 500kg/hm2)、FG(沟 灌+N 1000kg/hm2),尿素作氮肥,每个处理重复3 次,采用随机区组设计,每个小区种植8 垄马铃薯,垄间距为90cm,垄高30cm,垄长11.2m.播种前施马铃薯专用复合肥(N-P-K:12:19:16) 347kg/hm2作为基肥,滴灌方式6 月开始分次追施尿素,沟灌方式于7 月份追肥,肥料单次施入.

表2 2018 年和2019 年马铃薯生长季灌水管理表Table 2 Water management practices during the growth periods of 2018～2019

整个生长季滴灌、沟灌的灌溉总量分别设置为956 和6167m3/hm2,为防止各处理小区间蹿水、蹿肥,各小区间设置3 条无施肥、灌溉措施的垄进行隔离.滴灌处理下滴灌带平铺于滴灌小区内,出水孔位置位于马铃薯植株附近10cm 处,采用水肥一体化的灌溉方式,于马铃薯播种后灌溉一次,灌水量控制为4.9m3/hm2,追肥期具体灌溉时间见表2,并于收获前10d 停止灌溉.沟灌处理下,灌水方式为垄中大水漫灌,以水到垄顶为准,于马铃薯播种后及7 月中旬各大水灌溉一次,施肥方式为撒施.2018年和2019年整个马铃薯生长季单次灌水量如表2 所示.

1.3 测定项目及方法

1.3.1 N2O 采集和分析 N2O 的采集采用静态密闭箱法,采样箱由顶箱和底座组成,顶箱长宽高分别为50cm,用塑料泡沫包裹箱体外,便于混合气体,在顶箱内部安装小风扇使箱内气体均匀,整个箱体粘满密封条以保证箱体的密封性,顶箱侧面装有温度传感器、气体样品接头以及风扇接头,底座由作物播种后埋入地下.顶箱与底座配合使用,于作物种植前安放于垄上,并保持位置不变.为保证小区内土壤N2O 排放量尽可能均匀,各小区采样箱均放置在小区中央位置,罩住一颗马铃薯苗,并保证每个小区在灌水时水压保持一致.采样前,往底座内注入充足的水以保证顶箱和底座之间的密封性,采样时,将顶箱放置于底座上,然后分别在 0,5,10,15,20min 用100mL 带有三通头的注射器抽取箱内气体80mL 带回实验室用于N2O 浓度的分析.于马铃薯种植一周后进行采样,每周采集一次,采集时间一般为8:00～11:00.注射器中的样品用Agilent 6890 气相色谱仪进行N2O 浓度的测定.

土壤N2O 排放通量计算公式为[21]:

式中:F 为N2O 排放通量,µg/(m2⋅h);H 为采样箱高度,cm; M 为温室气体的摩尔质量,g/mol; dc/dt 为采样箱内N2O 气体含量随时间变化的斜率;T 为采样箱箱内温度,℃; P为采样时大气压,kPa; P0为标准大气压,kPa,P/P0≈1;V0为标准状态下N2O 的摩尔体积,单位为L.

土壤N2O 累积排放量计算公式为[21]:

式中:C 为N2O 累积排放量,kg/hm2;n 为采样次数;Fi、Fi+1分别为第i 次和第i+1 次采样时N2O 排放通量,µg/(m2⋅h); ti+1-ti为2 次采样时间间隔,d.

1.3.2 土壤溶液的采集和测定 在各小区内将负压式土壤溶液提取装置提前 1 个月分别在40cm、80cm 深度埋设,埋设前,用直径为15cm 的土钻钻取土壤后采集 0～20cm 表层土壤测定-N 含量、NH4+-N 含量测定.土壤pH 值取40、80cm 的埋设孔,将提取装置的陶土头放入孔内,通过灌浆使陶土头与土壤紧密接触.播种后,取样前,将土壤溶液提取装置抽取真空,马铃薯溉后进行采集,在灌溉、降雨后连续采集土壤溶液,采集后迅速酸化带回实验室于当天进行分析测定,并在取样当天记录渗漏水量及降雨量. 2018 年为氮素淋溶实验开始第1a,只在DG、FG 埋设土壤溶液提取装置, 2019 年DCK、DD、DG、FCK、FD 和FG 均埋设土壤溶液提取装置. 2018 和2019 年采样分别于8 月8 日和8 月16 日提取不出土壤溶液结束.

水样中硝酸盐氮含量由双波长紫外比色法[22]测定,铵态氮含量由纳氏试剂法[23]进行测定.

土壤溶液氮素累积淋溶量计算公式为[24]:

式中:NL为氮素累积淋溶量,kg/hm2;Ci为第i 次采样时-N或NH4+-N浓度,mg/L;V为土壤溶液体积,L;3.14×10-2为监测区域面积,m2.

1.3.3 土壤样品的采集和测定 2a 马铃薯田土壤样品于马铃薯生长季每月采集一次(5～10 月),每个处理设置3 个平行,按5 点采样法在每个小区采集耕层0～20cm 土壤样品,避光风干后磨碎过2mm 筛进行pH 值、SOC、容重、含水量、采用便携式pH 测定仪器[25]进行测定.土壤中SOC 采用重铬酸钾-油浴加热法[26]进行测定,土壤容重采用环刀法[27]进行测定,土壤含水量采用烘干法[28]进行测定,土壤-N 含量采用紫外分光光度法[29]测定,NH4+-N含量采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法[30]测定.土壤孔隙度由土壤容重和土壤比重求得:

式中:Pt(%)为土壤孔隙度,%,rs为土壤容重,g/cm3;ds为土壤比重,g/cm3.

1.4 数据分析

采用Excel 进行数据处理,SPSS 25.0 进行统计分析和差异显著性检验,作图运用Origin 2018 软件.

2 结果与分析

2.1 降雨与气温

2018 年和2019 年5～9 月的平均降水量变化范围分别为4.14～44.90mm 和3.89～33.12mm,2018、2019 年降水均主要集中在7、8 月份(图1).2a 内日平均气温变化范围分别为13～23℃和13～21℃,气温高峰值多出现在7 月份.

图1 2018 和2019 年日平均气温和降水量变化Fig.1 Changes of daily average temperature and precipitation in 2018 and 2019

2.2 旱田土壤N2O 排放通量季节变化特征

由图2 所示,2 种灌溉方式和不同施肥量处理下N2O 排放通量动态变化趋势一致,在马铃薯整个生长季内,N2O 排放高峰多集中在7、8 月.图2a 表明,2018 年滴灌的N2O 排放通量2 次排放高峰出现在7月18日和8月8日,DD及DG峰值分别为450.2,1266.0 和381, 1104µg/(m2⋅h).图2b 表明,沟灌的排放高峰出现时间与滴灌相同,7 月18 日和8 月8 日FD、FG峰值分别为5191.7,7528.7和1272, 3697µg/(m2⋅h).DG、FG 峰值分别为DD、FD 峰值3 倍左右.由图2c、2d 可知,2019 年滴灌、沟灌排放峰值出现时间与2018 年相似,两次排放峰值出现在7 月26 日和8月9 日,7 月26 日DD、DG、FD 和FG 峰值分别为281, 961.8, 921.35, 1778.25µg/(m2⋅h);8 月9 日峰值分别为485.9, 1098.4, 460.2, 1197.35µg/(m2⋅h).DG、FG峰值分别为DD、FD 峰值2～3 倍.滴灌灌溉方式下排放峰值明显低于沟灌,且N2O 排放通量随施氮量增加而增加.

图2 2018 和2019 年滴灌和沟灌方式下N2O 排放通量变化Fig.2 Changes of N2O emission flux under drip or furrow irrigation in 2018 and 2019

2.3 滴灌和沟灌方式下旱田土壤N2O 累积排放量、排放强度及排放系数

表3 为不同灌溉方式和施氮水平对旱田土壤N2O 排放影响双因素方差分析结果.结果表明,不同灌溉方式、不同施氮水平对旱田土壤N2O 排放影响具有极显著差异(P＜0.01),而灌溉方式和施氮水平的交互作用对 N2O 排放影响无显著差异(P＞0.05).

表3 不同灌溉方式和施氮水平对旱田土壤N2O排放影响双因素方差分析Table 3 ANOVA for N2O emissions from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

滴灌和沟灌下2018、2019 年N2O 累积排放量如图3(a)所示.2018 年和2019 年滴灌和沟灌方式不同施氮量下N2O 累积排放量具有显著差异,N2O 累积排放量都随施氮量的增加而增加,2018 和2019 年DCK、DD、DG N2O 累积排放量分别为1.30, 4.54,11.16kg/hm2和 1.52, 3.79, 9.69kg/hm2,均表现为DG＞DD＞DCK,FCK、FD、FG 分别为 2, 23.79,45.73kg/hm2和2.08, 6.23, 13.93kg/hm2,均表现为FG＞FD＞FCK;沟灌处理下N2O累积排放量显著高于滴灌.2018 和2019 年DCK、DD、DG 分别与FCK、FD、FG 相比降低了35%、80.9%、75.6%和26.7%、66.4%、21.5%.2018 年不同灌溉方式下N2O 累积排放量显著高于2019 年.

图3 不同年度滴灌和沟灌方式下土壤N2O 情况Fig.3 Cumulative N2O emissions and emission intensity from upland soils under drip or furrow irrigation in different years

图3(b)为N2O 排放强度,2018 年DCK、DD、DG、FCK、FD、FG 排放强度分别为0.05, 0.08, 0.19,0.09, 0.61, 1.17kg N/t,2019 年分别为0.06, 0.07, 0.17,0.10, 0.18, 0.39kg N/t,同一灌溉方式不同施肥处理之间N2O 排放强度存在显著差异(P＜0.05). DCK、DD、DG 与FCK、FD、FG 相比N2O 排放强度分别减少了44.4%、86.9%、83.8%和40%、61.1%、56.4% .两种灌溉方式下,2018年和2019年各个处理N2O 排放强度年际差异与累积排放量变化趋势一致,均为滴灌方式下N2O 排放强度小于沟灌,随施氮量增加N2O 排放强度增加,2018 年N2O 排放强度高于2019 年.

从N2O 排放系数来看,不同施氮量、不同灌溉方式之间存在显著差异(P＜0.05),2018、2019 年DD、DG 排放系数分别为0.65%、0.99%和0.45%、0.82%,均低于IPCC 默认值1%,FD、FG 排放系数分别为4.36%、4.37%和0.83%、1.19%,除2019 年FD 处理外均高于IPCC 默认值1%,2019 年各处理N2O 排放系数明显低于2018 年,滴灌与沟灌相比有效降低了N2O 排放系数.

2.4 滴灌和沟灌方式旱田土壤氮素淋溶量变化

图4 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NO3--N 浓度Fig.4 NO3--N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

图4c、d 表明,除FD40外,DCK、DD、FCK 和FD不同深度土壤溶液NO3--N浓度均表现为随时间的变化而降低且滴灌处理下低于沟灌处理:DCK ＜FCK, DD＜ FD,40cm 和80cm 土壤溶液浓度变化范围分别为0.07～1.82, 0.06～5.53, 0.05～4.81, 3.56～5.8和0.02～1.76, 0.01～3.92, 0～4.29, 0.32～4.55mg/L.

图5 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NH4+-N 浓度Fig.5 NH4+-N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

图5 表明,滴灌和沟灌下不同深度土壤溶液NH4+-N 浓度变化趋势一致,均随时间的变化逐渐降低.由图5(a)、(b)可知,2018 和2019 年整个采样期DG 40cm 和80cm 土壤溶液浓度变化范围分别 为 0.10～1.26,0.06～1.1 和 0.05～0.70, 0.03～0.45mg/L, FG 分别为 0.11～3.53, 0.06～1.56 和0.22～11.22, 0.03～6.85mg/L.两年内DG、FG 40cm深度铵态氮浓度均大于80cm 深度处浓度,滴灌方式较沟灌均降低了铵态氮浓度.图5c、d 表明,在整个采样期,DCK、DD 不同深度NH4+-N 浓度始终维持在较低水平,在40 和80cm 土壤溶液浓度变化范围分别为0.03～0.45, 0.02～0.38 和0.02～0.62, 0.04～0.58mg/L;而FCK、FD 较DCK、DD而言NH4+-N 较高,在40 和80cm 土壤溶液浓度变化范围分别为 0.33～0.90, 0.05～0.39,和 0.51～3.20, 0.19～3.05mg/L.

2.5 不同灌溉方式下旱田土壤氮素累积淋溶量

如表4 所示,不同灌溉方式、不同施氮水平及灌溉方式和施氮水平的交互作用对旱田土壤氮素淋溶量影响均具有极显著差异(P＜0.01).由图6 可以看出,2018 和2019 年滴灌和沟灌方式下土壤溶液氮素累积淋溶量具有明显差异(P＜0.01),且不同土壤深度氮素淋溶量也具有显著差异(P＜0.01),两种灌溉方式下-N 氮素淋溶量占主导作用NH4+-N 始终处于较低水平.由图6a 可以看出,2018 年DG40、DG80、FG40、FG80累积淋溶量分别为33.34, 5.14, 52.88,13.93kg/hm2,其中,以NO3--N 形式淋溶占总累计淋溶量分别为89.86%、81.52%、87.52%、95.05%,DG 与FG 相比,以NO3--N 形式在40cm 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分别降低了35.26%和68.35%,以NH4+-N形式分别降低了48.79%和27.37%;由图6b 可以看出,2019 年滴灌同样有效降低了氮素淋溶量,DG40、DG80、FG40、FG80累积淋溶量分别为9.05, 3.43, 53.29,28.4kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占总累积淋溶量分别为90.94%、92.71%、68.17%、84.82%,在40cm 和80cm 深度NO3--N 和NH4+-N 形式分别降低了77.35%、95.17%和86.80%、94.20%.2019 年与2018年相比氮素淋溶量有所降低.图6(c)、(d)表明,DCK、FCK 无机氮淋溶量无显著差异(P＜0.05),而DD 与FD具有显著差异(P＜0.01),2019 年DCK40、DCK80、FCK40、FCK80、DD40、DD80、FD40、FD80累积淋溶量分别为4.33, 1.73, 5.31, 2.57, 4.62, 1.26, 10.47,2.57kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占总累积淋溶量范围为74.32%～89.02%,DD 与FD 相比,以NO3--N 形式在40 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分别降低了57.64%和 54.93%,以 NH4+-N 形式分别降低了46.34%和32.8%.两种灌溉方式下,累积淋溶量随施氮量的增加而增加,滴灌无机氮累积淋溶量明显低于沟灌,且40cm 深度土壤溶液累积淋溶量低于80cm.

表4 不同灌溉方式和施氮水平对旱田土壤氮素淋溶量影响双因素方差分析结果Table 4 ANOVA for nitrogen leaching from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

图6 2018 和2019 年滴灌和沟灌方式下不同深度无机氮累积淋溶量Fig.6 Cumulative leaching amount of inorganic nitrogen from different soil profiles under drip or furrow irrigation in two years

2.6 滴灌和沟灌方式下N2O 排放影响因素

本研究选取了可能影响N2O 排放的9 个环境因子(pH 值、SOC、孔隙度、容重、含水量、降水频率、灌水频率、NO3--N 和NH4+-N)对其进行主成分分析,如图7 所示,根据特征值大于1 的原则选取了影响旱田土壤N2O 排放的有两类主要因子,累积贡献比达到87.32%,其中主成分1 贡献比为59.66%,主成分2 贡献比为27.66%.由图7 可知,主成分1 与NO3--N、含水量、降水频率和孔隙度具有正相关性,相关系数分别为0.689、0.284、0.596 和0.296,与pH值、SOC、容重、灌水频率和NH4+-N 呈负相关,相关系数分别为-0.429、-0.239、-0.351、-0.446 和-0.245;主成分2 与NH4+-N、SOC、降水频率、灌水频率和含水量呈正相关,相关系数分别为0.269、0.622、0.183、0.258 和0.518;与pH 值、容重、NO3--N和孔隙度呈负相关,相关系数分别为0.092、-0.461、-0.122 和-0.189.其中,NO3--N 和降水频率在主成分1 上的投影长于其他环境因子,说明NO3--N 含量和降水频率是影响N2O 排放的主要因素,其他环境因子投影长度比较短,说明其对土壤N2O 排放贡献低于NO3--N 含量和降水频率.

图7 环境因子对N2O 排放影响的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrous oxide emission

2.7 滴灌和沟灌方式下氮素淋溶量影响因素

本研究选取了土壤pH 值、SOC、容重、含水量、孔隙度、NO3--N、NH4+-N、灌水频率和降水频率9 个可能影响氮素淋溶量的因子作主成分分析,结果如图8 所示.影响旱田土壤氮素淋溶量的有两类主要因子,累积贡献比达到81.40%,其中主因子1贡献比为53.20%,主因子2 贡献比为28.20%.主成分1 与孔隙度、NO3--N、NH4+-N、及降水频率呈正相关,相关系数分别为0.152、0.598、0.146 和0.697,与pH 值、SOC、容重、含水量和灌水频率呈负相关,相关系数分别为-0.421、-0.235、-0.289、-0.411和-0.729;主成分2 与pH 值、SOC、孔隙度、NH4+-N呈正相关, 相关系数分别为0.127、0.591、0.579 和0.086,与容重、含水量、NO3--N、降水频率和灌水频率呈负相关,相关系数分别为-0.529、-0.198、-0.402、-0.177 和-0.188.降水频率和灌水频率在主成分1 上的投影长于其他环境因子,说明其为影响氮素淋溶量的主要因素,其他因子投影长度比较短,说明其对旱田土壤氮素淋溶量贡献低于降水频率和灌水频率.

图8 环境因子对氮素淋溶量影响的主成分分析Fig.8 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrogen leaching amounts

3 讨论

3.1 灌溉方式对N2O 排放的影响

N2O 排放被土壤发生的硝化反应和反硝化反应所影响,而土壤的硝化、反硝化会由于不同的灌溉方式引起土壤理化性质的变化而改变[31].目前,关于滴灌和沟灌方式N2O 排放研究结论不一致.有研究表明,由于沟灌与滴灌相比,土壤孔隙含水率更高,会产生抑制反硝化反应的环境,使其排放的N2O 较滴灌相比减少[32];也有研究表明,滴灌方式下N2O 排放有效减少是由于硝化反应起主导作用[33],而反硝化反应主要发生在沟灌方式下,从而促进了N2O 排放.本研究表明,在施氮量相同条件下,滴灌有效降低了N2O 排放量,且在整个马铃薯生长季排放高峰主要集中在7、8 月,研究结果与Liu[34]等研究结果一致,这可能是由于滴灌方式下土壤含水量低于沟灌(图9),反硝化反应被抑制,从而减少了N2O 的排放,而排放高峰主要出现在7、8 月可能是由于内蒙古地区属于半干旱地区,全年降水主要集中在7、8 月,降水后,土壤表面湿润,土壤含水量显著增加,微生物活性加强,加速了土壤有机质的矿化,而NH4+作为硝化反应的反应底物,NO3-作为反硝化反应的反应底物[35],且内蒙古地区全年高温天气集中于7、8 月,高温高湿的土壤环境促进了反硝化反应进行从而增加了N2O 排放量.

图9 2018 年和2019 年土壤体积含水量变化Fig.9 Changes of soil volume water content in 2018～2019

Khalil 等[36],郝庆菊等[37]和黄树辉等[38]研究表明,我国南方水稻田释放N2O 量很少, N2O 平均排放通量范围为0～116.5µg/(m2⋅h),远低于本研究旱田土壤N2O平均排放通量,水稻田释放N2O 较少是因厌氧条件下N2O 最终变成N2后才排入大气,而旱田土壤N2O 排放量大是因为受灌溉方式、温度、降雨等条件的影响,土壤微生物活性增强加速反硝化反应进行.

2a 内滴灌方式下不同施氮处理N2O 排放系数为0.45%～0.99%,均小于IPCC 推荐的农田N2O 排放系数1%,沟灌方式下除2019 年低肥处理均大于IPCC 推荐的农田N2O 排放系数1%.不同的学者关于N2O 排放系数有不同的研究结果,谢立勇[40]研究得出N2O 排放系数为0.23%～0.57%,也有一些学者的研究结果高于本文结果,Ding[41]研究得出N2O 排放系数为8.6%,远远大于本实验结果.由上可知,本试验排放系数处于中等水平,高施氮量、降雨量以及高温天气综合作用, N2O 排放总量增多导致N2O 排放系数大于IPCC 推荐的农田N2O 排放系数1%,

滴灌方式下排放系数小可能是因为水肥一体化的灌溉模式使马铃薯对氮素更高效的吸收.还有报道指出,同样施肥处理下质地偏砂的土壤N2O 排放量或排放系数较高[42],本文研究区域土壤为砂壤土,这也可能为N2O 排放系数大的一个原因.

本文通过主成分分析得出影响N2O 排放的主导环境因子为土壤NO3--N 含量和降水频率,土壤降水频率和N2O 排放呈显著正相关,这与前人的研究一致.Bateman 等[43]的研究表明,降水后土壤硝化反硝化作用会由于土壤通气性改变和矿质氮底物增加而导致N2O 排放量大幅度增加;同样,Bateman 等[43]和Davidson 等[44]和Zhang 等[45]的研究指出,在降水频率较低时,N2O排放量很少,随着降水频率的增加,N2O排放呈现逐渐增强的趋势.这一现象的出现可能是由于随降水频率增加土壤含水量增大,导致土壤中O2含量急剧下降增强了反硝化作用,从而使N2O 排放量明显增加.姜珊珊等[46]的研究表明,在施肥处理的土壤上N2O 排放与硝态氮浓度有明显的相关性,姚志生等[47]的研究也表明,硝态氮浓度与N2O 排放具有较明显的相关性,本文中,土壤NO3--N 含量也与N2O 排放呈现正相关关系,这与前人的研究结果一致.

3.2 不同灌溉方式下降水对氮素淋溶影响

氮素淋溶是农田用于作物生长施入的氮肥的一个重要损失途径,灌溉、降雨、施肥是影响氮素淋溶的重要因素[48].本文结果为在整个采样周期土壤溶液硝态氮、铵态氮浓度均呈现逐渐降低的趋势,且随施氮量的增加浓度逐渐升高,以NO3--N 形式淋溶为主,这是因为过高的施氮量,使硝酸根离子过多的残留在土壤而导致硝酸盐的大量淋失,这与王百群[49]研究结果一致.本研究表明,灌溉方式相同的条件下,氮素淋溶量随土壤深度的增加而减少,这与孙震[50]的研究结果一致,这可能是由于氮素随土壤溶液向下运移的过程中土壤胶体具有吸附作用,将无机氮吸附在土壤中从而使深层土壤溶液氮素淋溶量降低.灌溉方式的不同也会引起氮素淋溶量的差异.Yu 等[51]的研究发现,节水灌溉(滴灌)较传统灌溉(沟灌)相比可有效减少氮素淋溶量,这可能是由于滴灌方式下灌水强度小使水分向下运移的能力减弱,本文试验结果对此进行了印证,得出结论也是滴灌方式下氮素淋溶量显著低于沟灌.本文与水田[52]相比氮素淋溶量较低,这可能是因为稻田采用淹水灌溉模式,灌水量大导致收集到的淋溶液体积大幅度增加且氮肥随灌溉水向下运移的量增加.降雨是影响氮素淋溶的一个重要因素,2019 年氮素淋溶量低于2018 年,这是因为2018 年内蒙古地区频繁降水,而2019 年降水频率、降水量明显低于2018 年.降雨后,土壤中氮素大部分以无机氮(主要为硝酸盐氮、铵态氮)形式淋溶[53],且硝酸盐氮占主导作用,氮素淋溶后土壤溶液中硝酸盐氮浓度明显高于铵态氮浓度,本文得出了一致的结论,这是因为土壤胶体具有吸附作用,铵态氮容易被土壤胶体吸收而硝酸盐氮在降雨后容易随土壤溶液运移不易被吸收.

4 结论

4.1 不同灌溉方式、不同施氮量对N2O 排放和氮素淋溶量具有极显著影响,滴灌与沟灌相比可有效降低N2O 排放;同一灌溉方式下,N2O 排放量随施氮量的增加而增加;土壤NO3--N 含量、降水频率是影响N2O 排放的主要环境因素.

4.2 以无机氮形式淋溶的氮素以NO3--N形式为主,滴灌与沟灌相比可明显降低旱田土壤氮素淋溶量,随土壤深度的增加淋溶量减少,2019 年氮素淋溶量低于2018 年;降水频率和灌水频率是影响氮素淋溶量的主要环境因素.

4.3 节水灌溉(滴灌)与传统灌溉(沟灌)相比,有效减少N2O 排放和氮素淋溶量,提高肥料利用率的同时减少了对环境的污染.