水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析.pdf

第35卷 第11期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 95 水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析 雷宏军，杨宏光，刘 欢，潘红卫，刘 鑫，臧 明 （华北水利水电大学水利学院/水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，郑州 450046） 摘 要：为了解水肥气耦合滴灌下不同水肥气调控措施对土壤N2O排放的影响，该研究设置施氮量（低氮和常氮）、掺气量（不掺气和循环曝气处理）和灌水量（低湿度和高湿度处理）3因素2水平完全随机试验，通过静态箱-气相色谱法、qPCR技术和结构方程模型，系统研究了不同水肥气组合方案下温室番茄地土壤N2O排放特征及其与相关影响因素之间的关系。结果表明，水肥气耦合滴灌下N2O排放峰值出现在施氮后2 d内，其余时期N2O排放通量较低且变幅较小。施氮量、掺气量和灌水量的增加可增加土壤N2O排放通量和排放总量。其中，高湿度条件下N2O排放总量较低湿度平均增加了30.14%，曝气条件下N2O排放总量较对照平均增加了35.16%，常氮条件下N2O排放总量较低氮平均增加了33.83%。施氮量、掺气量和灌水量的增加可提高温室番茄的产量和氮肥偏生产力。土壤NH4+-N和NO3-N含量对N2O排放的总效应为0.60和0.79，是影响水肥气耦合滴灌下土壤N2O排放的主导因子。综合考虑作物产量、N2O排放总量和氮肥偏生产力，常氮曝气低湿度处理是适宜的水肥气耦合滴灌方案。 关键词：肥料；灌溉；排放控制；N2O排放；影响因素；结构方程模型 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 中图分类号：S275.6; S365 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-11-0095-10 雷宏军，杨宏光，刘 欢，潘红卫，刘 鑫，臧 明. 水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析J. 农业工程学报，2019，35(11)：95104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http:/www.tcsae.org Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming. Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 95104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http:/www.tcsae.org 0 引 言 氧化亚氮（nitrous oxide，N2O）是大气中重要的温室气体，因增温效应巨大、滞留大气时间长、破坏大气臭氧层，受到各国学者的关注1。农业N2O排放量约占全球人为排放量的70%2，中国80%人为排放的N2O排放来源于农田土壤3。设施菜地因具有氮肥用量大、复种指数高及灌溉频繁等特点，导致N2O大量排放4。灌溉施肥是影响农田水分、氮素和氧气含量以及土壤N2O排放的重要措施5。水肥气耦合滴灌是在水肥耦合和曝气灌溉基础上发展而来的一种新型灌溉技术，可提高土壤氧气含量，缓解根区缺氧状况，增大土壤呼吸，适时适量地补充土壤水分养分，促进植株生长，提高产量及水肥利用效率6。 土壤N2O排放主要受土壤微生物所驱动的硝化作用和反硝化作用控制7。农田硝化和反硝化作用受到土壤微生物、土壤水分、养分和氧气含量等诸多因素的影响，而土壤水分、氮素和氧气含量不仅影响着微生物种类和数量，还影响N2O的排放8。目前关于农田土壤N2O排收稿日期：2018-11-15 修订日期：2019-05-25 基金项目：国家自然科学基金（U1504512，51779093，51709110）、河南省科技创新人才项目（174100510021）和中原科技创新领军人才项目（194200510008） 作者简介：雷宏军，博士，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：hj_lei2002163.com 放特征及影响因素的研究已有诸多报道，如宋亚娜等9发现施氮量的增加促进了稻田N2O的排放及细菌群落多样性的增加；郑欠等10发现土壤含水量增大增加了N2O排放；陈慧等11研究表明，加气灌溉促进了土壤N2O排放。上述研究揭示了水、肥、气等调控下农田N2O的排放特征，但水肥气耦合滴灌条件下土壤N2O排放特征、作用机制及适宜的调控参数尚不清楚，有待进一步研究。 研究表明，土壤化学特性和微生物群落结构是决定土壤N2O排放的内在驱动因素12，因此，从土壤环境因子、硝化反硝化微生物对农业措施的响应关系入手揭示水肥气耦合滴灌条件下土壤N2O排放的作用机制有重要意义。本研究设置了施氮量、掺气量和灌水量3因素2水平组合方案试验，系统研究了水肥气耦合滴灌对土壤微生物、土壤理化指标响应及农田土壤N2O排放的影响，并分析了水肥气耦合滴灌下土壤N2O排放的主导影响因素及其作用机制，为设施菜地土壤N2O减排调控提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验场地概况 试验于2017年9月27日2018年1月28日在华北水利水电大学农业高效用水实验场现代化温室中进行（34°475.91N，113°4720.15E）。该地属温带季风气候，多年平均气温14.3 ，7月份最热，月平均气温27.3 ，农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 96 1月份最冷，月平均气温0.1 ，无霜期200 d，全年日照时数约2 400 h。作物生育期平均气温和相对湿度动态列于图1。 图1 温室番茄生育期平均气温和相对湿度（RH）动态 Fig.1 Air temperature and relative humidity (RH) dynamics during greenhouse growing cropping season 1.2 试验材料 试验中供试土壤的砂粒（0.022 mm）、粉粒（0.0020.02 mm）、黏粒（1020、>2030和>3040 cm的土壤容重分别为1.26、1.48、1.50、1.55 g/cm3。剖面土壤质地均匀，表层土壤pH值6.5，有机质质量分数13.62 g/kg，土壤全氮、全磷和全钾质量分数分别为0.81、0.79和30.38 g/kg，田间持水率（质量含水率）28.0%。供试番茄品种为“金鹏8号”。 1.3 试验设计 试验设置施氮量、掺气量、灌水量3因素2水平完全随机设计，共8个处理，4次重复。试验设计列于表1。 表1 试验设计 Table 1 Experimental design 处理 Treatment 施氮量 Nitrogen amount/ (kg·hm-2) 掺气比例 Air void fraction/% 灌水量 Irrigation volume/mm N1CW1 135 0 82.37 N1AW1 135 15 82.37 N1CW2 135 0 123.71 N1AW1 135 15 123.71 N2CW1 180 0 82.37 N2AW1 180 15 82.37 N2CW2 180 0 123.71 N2AW2 180 15 123.71 注：N1、N2分别为低氮和常氮用量，C、A分别为对照和曝气处理，W1、W2分别为低湿度和高湿度灌溉处理，下同。 Note: N1, N2 are the low and normal nitrogen application rate. C, A are the non-aerated and continuous aerated treatment. W1, W2 are the watering amount with low and high soil humidity management, the same as below. 试验中共32个小区，每个小区长2 m，宽1 m。于小区内起垄进行番茄种植，垄高10 cm，每垄移植5株，株距33 cm。研究中利用水肥气耦合滴灌装置进行曝气，采用非压力补偿型滴灌带进行输水，型号为JOHN DEERE，直径16 mm，壁厚0.6 mm，滴头设计流量1.2 L/h，滴头间距33 cm，埋深15 cm。植株距滴头10 cm，平行于滴灌带种植。 1.4 试验管理 番茄于4叶1心至5叶1心进行移植。移植当天浇透底水，移植后10 d覆膜，株高3040 cm时进行吊蔓，三穗果时打顶。番茄全生育期共计124 d，生育期划分详见表2。 表2 番茄生育期划分 Table 2 Duration of tomato growth period 生育期 Growth stage 起止时间 Start and end date 移栽后时期 Duration/d 苗期Seedling stage 2017-09-272017-10-23 127 开花坐果期 Blooming and setting stage 2017-10-242017-11-18 2853 果实膨大期 Fruit expanding stage 2017-11-192017-12-16 5481 成熟期Maturing stage 2017-12-172017-01-28 82124 供试肥料为高钾型水溶性肥，硝态氮、铵态氮、脲态氮、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的质量分数分别为7%、1%、7%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施乐多，中国康拓肥料有限公司）。番茄移栽前未施基肥，于番茄移栽后的44和65 d进行追肥，施肥比例为1:1。利用施肥器将水溶肥掺入水流，在储水罐中循环混匀后进行施肥。对照地下滴灌处理利用首部供水装置进行供水；曝气地下滴灌处理利用文丘里空气射流器（Mazzei air injector 684，美国Mazzei Corp公司）进行曝气：当水流经过文丘里空气射流器时，因涌流而致横截面积变小流速上升，因而压力减小产生负压，吸入承压罐体上方的空气，进行曝气。试验中利用储水管路、循环泵、文丘里空气射流器等设备制得掺气比率约为15%的掺气水（曝气20 min），通过地下滴灌系统进行灌水13。各小区供水系统独立，供水压力为0.10 MPa，采用滴水计量器计量灌水量。试验中灌水下限根据距离植株径向10 cm、纵向10 cm埋深处的张力计（12型分体式张力计，中国农业科学院农田灌溉研究所）确定：当土壤基质势下降至30 kPa时开始灌溉。灌水量根据式（1）计算11 P PW A E K （1） 式中W为各处理每次的灌水量，mm；A为小区控制面积，2 m2；EP为1个灌水周期内蒸发皿（型号为601）的蒸发量，mm；KP为蒸发皿系数，取值0.6和0.9，分别表示低湿度处理W1，高湿度处理W214。灌溉时间及灌水量见表3。 1.5 样品采集与测定方法 1.5.1 气体N2O样品采集与分析 试验中利用静态箱采集气体样品，箱体及底座均采用壁厚6 mm的圆柱形中空PVC管制成，内径15 cm，高度10 cm。随机选择2株番茄间进行静态箱底座的埋设，每个处理随机选择3个小区进行气体的监测。埋设时将静态箱底座的一半嵌入土壤，非采气时间用圆形地膜遮盖，采气时间移去地膜，盖上箱体并用橡皮圈密封。研究中分别于移植后35、36、43、47、48、57、61、66、第11期 雷宏军等：水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析 97 67、69、74、82、89、95 d进行采气。采样时间分别于盖上箱体的0、10、20和30 min利用带三通阀的50 mL注射器进行气体采集，每次取气35 mL，其中5 mL用于润洗，其余30 mL注入12 mL具塞样品瓶中。采集的气体样品1周内利用气相色谱仪（GC-2010Plus，日本岛津公司）分析N2O浓度。去除奇异点，保证样品浓度值与时间的线性回归决定系数R20.85。气体采集的同时，利用安插在箱体内的温度计测量箱内温度。依据公式（2）计算土壤N2O排放通量15。 273 d273 dcF h T t （2） 式中F为土壤N2O排放通量，mg/(m2·h)；为标准状态下气体密度，g/cm3；h为箱体高度，m；dc/dt 为气体浓度变化率，mg/(m3·h)；T为箱体内气温，。 表3 作物生育期内灌水量 Table 3 Irrigation volume during crop growing season 灌水量 Irrigation water volume/mm 灌溉时间 Irrigation time 移植后天数 Days after transplanting/d W1 W2 2017-10-17 21 4.80 7.20 2017-10-24 28 5.04 7.56 2017-10-30 34 5.64 8.46 2017-11-9 44 9.36 14.04 2017-11-15 50 5.04 7.56 2017-11-21 56 3.90 5.85 2017-11-25 60 5.04 7.56 2017-11-30 65 4.08 6.12 2017-12-8 73 6.90 10.35 2017-12-15 80 5.94 8.91 2017-12-22 87 5.67 8.50 2017-12-28 93 5.27 7.90 2018-01-5 101 6.93 10.40 2018-01-13 109 6.27 9.40 2018-01-21 117 2.50 3.90 合计In total - 82.37 123.71 温室番茄地土壤N2O累积排放量依据式（3）计算 12 TOt 11NO ( ) 24 102n i i i iiF F t t （3） 式中N2OTot表示作物生育期内土壤N2O排放总量，g/hm2；i表示生育期气样采集次序；n为生育期内气体采集的总次数；F为N2O排放通量，mg/(m2·h)；t为移植天数，d；10为单位换算系数。 分批收获番茄果实，利用精度为0.01 g的天平测定番茄产量。单位产量N2O累积排放量见式（4）15 2 2 TotNO NO_Y S Y （4） 式中 2NO_Y S 为单位产量N2O排放量（yield-scaled N2O emission），g/kg；Y为作物产量，t/hm2。 氮肥偏生产力依据式（5）计算16 N 1000PFP YN （5） 式中 PFPN 为氮肥偏生产力（nitrogen partial factor productivity），kg/kg；N为不同处理小区施氮量，kg/hm2。 1.5.2 土壤物理、化学指标的测定 土壤N2O排放通量主要由表层土扩散排放，土层较深时，气体扩散受阻。因此土壤矿质氮选取010 cm土层测定，土壤温度选择土深10 cm处测定17。利用氧化还原电位测量仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定土壤氧化还原电位（oxidation-reduction potential，Eh）和氧气扩散速率（oxygen diffusion rate，ODR）。预试验研究表明，探头20 cm时，不同处理的Eh和ODR差异显著，而探头低于20 cm时，两者无显著差异，故研究中选择20 cm进行Eh和ODR探头的埋设。利用土壤湿度记录仪（FDS-100，邯郸市清胜电子科技有限公司）测定土深10 cm处土壤湿度。FDS-100水分传感器埋设于布设静态箱的相邻2株作物中间。土壤充水孔隙度依据式（6）计算15。 WFPS (1 / )m bb s （6） 式中WFPS为充水孔隙度（water-filled pore space），%；m为土壤质量含水率，%；b为土壤容重，g/cm3；s为土粒密度，取值2.65 g/cm3。 试验中于施肥前后及生育期末进行土壤样品的采集，采集时间为移植后36、47、61、66和120 d。测定矿质氮的取土深度为010 cm，每个小区各设1个取土位置，取土位置为未布设静态箱的相邻2株作物中央，取土后将取土造成的坑洞填平。取样后将样品立即放于4 冰箱保存13 d后待测18。利用2 mol/L KCL溶液浸提土样，土壤硝态氮利用紫外分光光度法测定，土壤铵态氮利用靛酚蓝比色法测定。土壤矿质氮质量分数根据式（7）计算15。 1000 C VM W （7） 式中M为矿质氮（硝态氮、铵态氮）质量分数，mg/kg；C为样品矿质氮浓度，mg/L；V为样品提取液体积，0.05 L；W为样品质量，5.00 g。 1.5.3 土壤硝化与反硝化微生物DNA提取和qPCR分析 番茄果实膨大期土壤N2O排放通量较大，因此在果实膨大期（移植后77 d）采集土壤样品（010 cm）11，测定微生物取土位置为每个小区中部未布设静态箱的相邻2株作物中央处。土样经液氮冷冻后，置于冷冻干燥机（Neocoole，日本雅马拓科技公司）干燥，于无菌碾钵中碾磨成粉末状，去除动植物残体等杂质，装入无菌离心管，置于70 冰箱保存。硝化反应中铵态氮通过亚硝酸盐转化为硝态氮，其中由铵态氮氧化成亚硝酸盐是硝化反应的限速步骤，由氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）催化完成19。硝酸盐还原酶控制着反硝化作用的第一步，硝酸盐还原酶基因（nitrite reductase，narG）是农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 98 对应的编码基因；氧化亚氮还原酶控制着反硝化作用的最后一步，氧化亚氮还原酶基因（nitrous oxide reductase，nosZ）是编码此酶的唯一基因19-20。依据文献19方法测定AOA、AOB和nosZ，依据文献21方法测定narG。 1.6 数据处理 使用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理和绘图；用SPSS 18.0对试验数据进行方差分析；利用AMOS 22.0进行结构方程模型分析。 2 结果与分析 2.1 水肥气耦合滴灌下N2O排放特征 图2列出了不同处理下番茄地土壤N2O排放动态，施肥后土壤N2O排放通量出现短暂峰值，其余时期各处理N2O排放通量较低。 a. N1处理 a. N1 treatment b. N2处理 b. N2 treatment 注：代表灌水事件，下同。 Note: represents irrigation events, same as below. 图2 不同处理下番茄地土壤N2O排放动态 Fig.2 Nitrous oxide emission flux from greenhouse tomato field soil under different treatments 土壤N2O排放通量主峰值最大为163.69 g/(m2·h)（N2AW2处理），较处理N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分别高188.78%、111.27%、106.93%、45.45%、87.24%、55.37%、59.50%。试验加密监测了第二次灌水施肥周期内土壤N2O排放动态。施肥后各处理土壤N2O排放通量峰值出现时间略有差异。低湿度处理N2O排放通量峰值出现在灌水后1 d，其余处理出现在灌水后2 d。施氮量、掺气量和灌水量的增加均导致N2O排放通量峰值提高和排放峰出现时间延后。不同处理土壤N2O排放通量次峰值最大值为132.69 g/(m2·h)（N2AW2），较N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分别高165.24%、96.27%、97.45%、86.67%、79.41%、10.48%和45.50%。 番茄不同生育阶段土壤N2O排放量见表4。 表4 温室番茄不同生育阶段土壤N2O排放量 Table 4 N2O emission from soils at different growth stages under greenhouse tomato cropping stage g·hm-2 处理 Treatment 苗期 Seedling stage 开花坐果期 Blooming and setting stage 果实膨大期 Fruit expanding stage 成熟期 Mature stage N2O排放总量 Total N2O emissions N1CW1 / 104.60±16.34e 149.47±9.56d 22.32±0.69e 261.96±22.73d N1AW1 / 151.95±3.47d 237.28±13.16c 24.42±2.89de 391.24±8.16c N1CW2 / 160.36±15.50cd 206.06±11.16c 25.90±4.98de 369.12±15.53c N1AW2 / 213.38±11.05b 282.35±6.38b 28.19±1.37cd 493.61±9.54b N2CW1 / 149.73±17.10d 235.80±15.21c 25.28±1.03de 387.33±30.21c N2AW1 / 185.65±25.82bc 310.95±25.46b 31.16±2.08bc 499.67±41.99b N2CW2 / 188.90±28.66bc 294.49±16.31b 33.73±2.99ab 488.97±36.19b N2AW2 / 261.53±21.04a 390.31±50.28a 37.17±0.64a 652.79±58.87a 施氮量N / 25.33* 92.87* 41.95* 94.29* 掺气量O / 45.71* 82.08* 11.24*s 100.69* 灌水量W / 56.49* 42.01* 28.41* 77.29* N×O / 0.07ns 0.03ns 1.45ns 1.18ns N×W / 0.01ns 0.97 ns 3.03 ns 0.73ns O×W / 1.88 ns 0.06 ns 0.30 ns 0.78ns N×O×W / 1.01ns 0.76 ns 0.41 ns 1.14ns 注：同列数据后不同小写字母表示P=0.05水平存在显著性差异，*和*分别表示P=0.05和P=0.01水平存在显著性差异，ns表示P=0.05水平不存在显著性差异，下同。 Note The different letters at same column indicate significant differences at the level of P=0.05, * and * respectively indicate that there is a significant difference at P=0.05 and P=0.01 levels, while ns indicates that there is no significant difference at P=0.05 level, the same as below. 表4列出了番茄不同生育阶段土壤N2O排放量。由于N2O的排放总量和排放峰值与施肥密切相关。已有研究表明N2O的排放峰值和总量与施肥密切相关，峰值均出现在施肥后且具有较大占比22-23，因此本研究在番茄移栽前和苗期均未进行施肥，苗期N2O排放量对全生育期排放总量的影响较小。施氮量增大增加了土壤N2O排放总量，N2水平下，处理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的N2O排放总量较N1水平下各相应处理分别增大47.86%、27.71%、32.47%和32.25%（P<0.05），故N2条件下N2O排放总量较N1平均增加33.83%；掺气处理增加了土壤N2O排放总量，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的N2O排放总量较相应的不掺气对照处理增加了49.35%和33.74%（P<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的N2O排放总量较相应的不掺气对照处理增加了29.00%和33.50%（P<0.05），故曝气条件下N2O排放总量较不掺气对照平均增加35.16%；灌水量的增加增大了土壤N2O排放总量，W2水平下处理N1CW2、N1AW2、第11期 雷宏军等：水肥气耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影响因素分析 99 N2CW2和N2AW2的N2O排放总量较W1水平下各相应处理增加了40.90%、26.17%、26.24%和30.64%（P<0.05），故W2条件下N2O排放总量较W1平均增加30.14%。由土壤N2O排放总量的交互作用分析知：灌水量、掺气量和施氮量的3因素交互作用和两两交互作用都不显著。综上，就土壤N2O排放总量而言，掺气量对土壤N2O排放总量的影响高于施氮量。不同处理土壤N2O阶段排放量表现为番茄成熟期最小；开花坐果期次之；果实膨大期最大，远远高于其余2个生育阶段。 不同水肥气组合方案下单位产量N2O累积排放定额及氮肥偏生产力见表5。表5表明，施氮量的增加提高了作物产量，N2水平下处理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的产量较N1水平下各相应处理分别增加35.24%、44.98%、38.87%和44.39%（P<0.05）；曝气处理提高了番茄产量，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的产量较相应对照处理增加了19.79%和19.34%（P<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的产量较相应对照处理增加了28.42%和24.08%（P<0.05）；灌水量的增多提高了番茄产量，W2水平下处理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的番茄产量较W1水平下各相应处理增加了40.66%、40.13%、44.43%和39.55%（P<0.05）。 表5 水肥气耦合滴灌番茄地单位产量N2O排放定额及 氮肥偏生产力 Table 5 Yield-scaled N2O emission and nitrogen partial productivity of tomato soil under water, fertilizer and air coupled irrigation 处理 Treatment 产量 Yield/(t·hm-2) 单位产量 N2O排放定额 Yield-scaled N2O emission/(mg·kg-1) 氮肥偏生产力 Nitrogen partial factor productivity/(kg·kg-1) N1CW1 16.29±1.01f 16.13±1.79bc 120.64±7.49d N1AW1 19.51±0.70e 20.06±0.44a 144.52±5.21e N1CW2 22.91±0.59d 16.13±1.09bc 169.70±4.39c N1AW2 27.34±0.52c 18.06±0.37ab 202.52±3.86b N2CW1 22.03±0.27d 17.57±1.16bc 122.37±1.53f N2AW1 28.29±0.41c 17.68±1.67bc 157.15±2.27d N2CW2 31.81±1.18b 15.40±1.58c 176.75±6.54c N2AW2 39.47±1.04a 16.56±1.82bc 219.31±5.78a 施氮量N 781.26* 2.05ns 21.75* 掺气量O 287.61* 10.35* 267.76* 灌水量W 775.54* 5.72* 745.07* N×O 24.27* 4.32ns 6.35* N×W 26.230* 0.34ns 1.34ns O×W 4.20ns 0.18ns 4.17ns N×O×W 0.02ns 1.91ns 0.02ns 单位产量 N2O 排放定额最小为 20.29 mg/kg（N2CW1），较N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW2、N2AW1、N2CW1和N2AW2减小12.13%、28.76%、18.37%、37.11%、19.26%、12.23%和27.88%。曝气处理增加了单位产量N2O排放定额，N1AW1处理单位产量N2O排放定额较N1CW1处理增加24.36%（P<0.05）。曝气处理提高了番茄氮肥偏生产力，N1水平下处理N1AW1和N1AW2的氮肥偏生产力较相应对照处理增加了19.78%和19.34%（P<0.05），N2水平下处理N2AW1和N2AW2的氮肥偏生产力较相应对照处理增加了28.42%和24.08%（P<0.05）。 2.2 土壤物理化学因子分析 土壤湿度、温度、氧化还原电位（Eh）、氧气扩散速率（ODR）、NO3-N、NH4+-N的动态变化如图3所示。经预试验研究，不同施氮水平对土壤充水孔隙度、土壤温度、氧化还原电位和氧扩散速率无显著影响，故试验中仅选择N2施肥水平进行测定。图3a显示，不同处理土壤充水孔隙度变化趋势基本一致，灌水后土壤充水孔隙度迅速上升至峰值，峰值时高湿度处理土壤充水孔隙度高于低湿度处理，之后随着时间的推移2种灌水量的土壤充水孔隙度逐渐接近。低湿度处理下，曝气灌溉处理土壤充水孔隙度平均值较对照处理平均降低了1.34%；高湿度处理下，曝气灌溉处理土壤充水孔隙度平均值较对照处理平均降低了7.45%。不掺气处理下，高湿度处理土壤充水孔隙度均值较低湿度处理平均增大了12.63%；曝气灌溉下，高湿度处理土壤充水孔隙度均值较低湿度处理平均增大了6.12%。 整个生育期土壤温度在13.025.7 范围内波动，不同处理土壤温度变化幅度较小（图3 b）。一个灌水周期内氧化还原电位呈现灌水后先下降后上升的趋势，上升和下降阶段均持续1 d左右，其余时间各处理氧化还原电位波动较小（图3c）。低湿度处理下，曝气处理Eh平均值较对照处理平均增大了3.22%；高湿度处理下，曝气处理Eh平均值较对照处理平均增大了36.41%。对照灌溉处理下，高湿度处理Eh平均值较低湿度处理平均降低了7.91 %；曝气灌溉处理下，高湿度处理Eh平均值较低湿度处理平均增大了23.29%。 ODR与Eh的变化趋势基本一致，但灌水后氧气扩散速率上升和下降阶段持续时间较长（图3d）。低湿度处理下，曝气灌溉处理ODR平均值较对照灌溉处理平均增大了7.70%；高湿度处理下，曝气灌溉处理ODR平均值较对照处理平均增大了29.23%。不掺气处理下，高湿度处理ODR平均值较低湿度处理平均降低了5.81%；曝气灌溉处理下，高湿度处理ODR平均值较低湿度处理平均增大了12.60%。 番茄生长季内，土壤铵态氮质量分数均较低，在0.574.45 mg/kg范围内变化。土壤无机氮中硝态氮占比较大，且不同灌水量处理土壤硝态氮含量与施肥及N2O排放有关，低湿度处理土壤硝态氮含量及N2O排放均低于高湿度处理（P<0.05），施肥后土壤硝态氮含量明显提升（图3e）。全生育期土壤铵态氮含量变化趋势与硝态氮一致，但土壤氨态氮所占比率较小（图3f）。 2.3 番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度 温室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度见表6。增加灌水量，N2CW2处理温室番茄地AOB基因丰度呈上升趋势，增大81.80%（P<0.05）；处理N2AW2温室番茄地nosZ基因丰度差异不显著；与对应不掺气对照相比，曝气灌溉N2AW1处理增温室番茄地AOA数量差异不显著。 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 100 图3 温室番茄地土壤湿度（WFPS）、温度、氧气扩散速率、氧化还原电位(Eh)、硝态氮和铵态氮动态 Fig.3 Water filled pore spaces (WFPS), temperature, oxygen diffusion rate, oxidation-reduction potential (Eh), nitrate and ammonium dynamics in soils under greenhouse tomato cropping system 表6 温室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因丰度 Table 6 Soil functional gene abundance of nitrifying and denitrifying microorganisms under greenhouse tomato cropping system 处理 Treatment AOA/ (105 copies·g-1) AOB/ (103 copies·g-1) narG/ (105 copies·g-1) nosZ/ (104 copies·g-1) N2CW1 3.75±1.03a 7.30±1.94b 9.93±3.63a 3.14±0.77a N2AW1 3.86±0.93a 6.28±0.96b 8.36±2.74a 1.74±0.32a N2CW2 2.98±0.13a 13.27±4.96a 7.94±1.04a 2.59±0.30a N2AW2 2.72±0.59a 4.75±1.90b 6.77±1.40a 1.77±0.25a 掺气量O 1.816ns 8.922* 0.001ns 15.141* 灌水量W 8.538* 4.419ns 0.524ns 0.353ns O×W 0.258ns 6.012* 0.279ns 1.558ns 注：AOA为氨氧化古菌；AOB为氨氧化细菌； narG 为硝酸盐还原酶基因；nosZ为氧化亚氮还原酶基因。 Note: AOA is ammonia-oxidizing archaea; AOB is ammonia- oxidizing bacteria; narG is nitrite reductase; nosZ is nitrous oxide reductase. 2.4 结构方程模型分析 图4给出了土壤N2O排放影响因素的结构方程模型分析结果。 注：WFPS、ODR、NH4+、NO3-、Ts分别表示土壤充水孔隙度、氧气扩散速率、铵态氮含量、硝态氮含量和土壤温度。 Note: WFPS, ODR, NH4+, NO3-