农业生态系统是温室气体的重要排放源，人类活动造成的温室气体排放中13.5%来源于农田^[1]。农业温室气体减排已成为当前国内外全球变化领域关注的热点^[2]，是减缓气候变化的重要途径之一^[3]。灌溉是一项重要的农田管理措施，不同灌溉方式能够改变土壤的结构和理化性质，从而使土壤有机质含量、微生物组成及含量、根系生物量等发生改变，进而带来土壤呼吸的变化^{[4, 5]}。与此同时，尽管土壤硝化和反硝化反应同时发生，但不同灌溉系统中由于水分含量的不同，总是产生有利于其中一个反应的条件^[6]，因此灌溉与否以及灌溉方式的变化也会带来土壤N₂O排放通量的较大差异。

滴灌是近年发展起来的一种新兴的农业节水灌溉技术。在水资源日益短缺的新疆干旱区，滴灌节水技术是农业可持续发展的关键。2008年以前，新疆干旱区春小麦灌溉基本上是沿用传统的地面灌溉方式，2008年以来，滴灌灌溉方式得到大力推广^{[7, 8]}，2009年仅新疆北疆滴灌小麦种植面积就已超过了3.5×104 hm^2[9]。滴灌技术的快速发展势必会带来农田土壤温室气体排放贡献的变化。在这种背景下，加强滴灌对干旱区春小麦田土壤CO₂与N₂O排放规律及其综合增温潜势的影响研究对于准确评价节水灌溉技术应用后所带来的环境效应具有重要的科学意义。

目前，国外关于滴灌农田温室气体的研究主要集中在番茄和甜瓜田上，研究认为，与沟灌相比，滴灌显著降低了土壤N₂O排放通量，而对CO₂排放通量的研究则较少^{[6, 10, 11]}。国内虽然已有少量蔬菜田和干旱区膜滴灌条件下棉田土壤CO₂与N₂O排放通量的试验研究^{[12, 13, 14]}，但目前的研究基本上是针对不同气体分别进行的，对CO₂与N₂O的综合研究还很少^[10]。单独的某一温室气体排放的减少可能增加另一种温室气体排放，因此从不同温室气体的综合温室效应上研究温室气体减排调控措施更具实际意义。由于国内对滴灌与传统灌溉方式下春小麦田土壤CO₂与N₂O排放通量的对比研究目前尚未见报道，本研究在我国西北干旱区选择春小麦田为研究对象，通过试验对比研究了滴灌和漫灌方式下春小麦田土壤CO₂与N₂O排放通量的差异，分析了滴灌方式对土壤CO₂与N₂O排放通量的影响及影响因素，以期为评价滴灌对农田温室气体减排的影响提供科学依据。

选择新疆维吾尔自治区石河子市新疆农垦科学院作物所试验田为研究区域(N44°18′16″，E85°59′37″)，于2014年4月至7月春小麦生长季开展试验。该试验区属典型的温带大陆性气候，全年平均气温7～8 ℃，≥0 ℃的活动积温为4023～4118 ℃，≥10 ℃的活动积温为3570～3729 ℃，年降水量为125.0～207.7 mm，年日照时数为2721～2818 h。试验地土壤为粘壤土，0～20 cm层土壤pH为9.19～9.28，有机碳含量为8.38～9.77 g•kg^-1。

试验区设置滴灌(DI)和漫灌(FI)两种灌溉方式，试验区面积均为50 m×40 m。滴灌方式下设置滴灌管上(OP)和滴灌管间(BP)2个处理，在滴灌管上位置进行气体样品采集时将滴管拉离采样点，采样后将其归位。漫灌试验区设1个处理，均匀随机设置采样点。每个处理3个重复。

滴灌试验区为无膜滴灌，60 cm等间距配置，采用1管4行种植模式，肥料溶解于灌溉水中随水滴入农田，灌溉水量与当地滴灌灌溉水量一致。漫灌时间及施肥情况与滴灌一致，漫灌水量与当地常规漫灌灌溉一致。全生育期共灌溉7次，日期分别为4月12日、4月27日、5月16日、5月23日、5月29日、6月11日和6月28日，施肥情况见表 1。滴灌与漫灌试验区小麦播种量均为36～40 kg·hm^-2，行距15 cm。前茬作物为棉花，春小麦于2014年4月4日播种，7月20日收获，其他农业管理措施与当地一致。

表 1 滴灌和漫灌灌溉方式下农田施肥情况(kg·hm^-2) Table 1 Fertilization under drip and flood irrigation(kg·hm^-2)

表选项

(1)气体样品采集

CO₂和N₂O的通量观测采用静态暗箱法，采样箱用8 mm厚黑色不透明的有机玻璃制成，目的在于避免观测过程中光合作用消耗CO₂的影响，其底面积为30 cm×30 cm，高度为40 cm。采集气体前需提前1 d割除小麦地上部分，并将带槽的采样底座埋入采样小区地下3～5 cm，静置以减少人为活动对测定区域的扰动。采样箱箱盖装有小风扇、温度计和采气三通阀。测定时，将采样箱放置到底座凹槽内，并用水密封，采气时通过调节三通气阀，利用医用注射器抽取箱内气体存入采样气袋中，带回实验室分析。

每次采样共9个采样箱(3个处理×3个重复)，每个采样点面积约为40 cm×40 cm，相邻采样点间距约2 m。因为气体采集完毕后需原位采集土样，且考虑到如固定样点位置，该位置长期无植被覆盖将较实际偏离较大等原因，测定期间采样点位置并不是固定在原地，每次采样重新布设底座，相较前一个样点移动距离约为2 m。采样间隔为10～15 d，如遇下雨天气则适当调整，每次采样均选择在上午的9：00—11：00之间，观测持续时间为30 min，每间隔10 min抽取观测箱内气体一次，取样时间分别为扣箱后0、10、20、30 min，并记下气样采集时箱内温度以及观测前后的大气温度(T-air)、大气压力以及地表温度(T-0 cm)、5 cm地温(T-5 cm)及10 cm地温(T-10 cm)等。地温采用TH-212便携式温度测量仪进行测定。

(2)气体样品测定

在气体样品采集完毕后，用土钻采集底座框中的土壤样品，取样深度为耕层0～20 cm，分0～10 cm和10～20 cm两层采集。主要测定项目：土壤水分(SW)、土壤微生物量碳(MBC)、土壤可溶性碳(DOC)、土壤矿质氮(NH₄⁺-N和NO₃^--N)。

土壤含水量利用烘干法测定，DOC含量采用超纯水浸提-TOC分析仪法测定(Vario TOC Cube，Elementar，Germany)，MBC含量采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提-TOC分析仪法测定，NH₄⁺N和NO₃^--N含量为新鲜土样经2 mol·L^-1 CaCl₂浸提后利用连续式流动分析仪测定(Braun and Lübbe，Norderstedt，Germany)。

将滴灌管上和滴灌管间处理的气体通量平均值作为滴灌土壤气体通量的日均通量值。以观测值作为日均值，采用线性内插法，通过Matlab 7计算生长季累积排放量。利用SPSS 17软件的One-way ANOVA比较处理间气体通量的差异显著性，Person相关系数分析气体排放通量与影响因素间的相关性。文中图表采用Origin 8.5和Excel 2007绘制。

漫灌与滴灌方式下土壤CO₂排放通量具有相似的季节变化特征，见图 1a。小麦播种后，土壤CO₂通量逐渐升高，至小麦乳熟期达到峰值，滴灌和漫灌处理土壤CO₂通量的峰值分别为1 348.20、2 273.01 mg·m^-2·h^-1，之后开始下降直至小麦成熟收获。滴灌和漫灌土壤CO₂排放通量的分布范围分别在126.73～1 758.75 mg·m^-2·h^-1和253.77～3 283.33 mg·m^-2·h^-1之间，滴灌土壤CO₂平均排放通量为870.10 mg·m^-2·h^-1，比漫灌减少了35.76%。滴灌与漫灌两种灌溉方式下CO₂排放通量具有显著性差异(P < 0.05)，特别在抽穗期-成熟收获期，滴灌麦田土壤呼吸速率小于漫灌，差异达极显著水平(P < 0.01)。

图 1 滴灌和漫灌方式下土壤CO2排放通量及N2O排放通量分布 Figure 1 Distribution of CO2 and N2O emissions under drip and flood irrigation

图选项

滴灌方式下不同空间位置土壤CO₂排放通量处理间差异不显著(图 2a)。滴灌管间和滴灌管上处理土壤CO₂排放通量均值分别为906.28、838.25 mg·m^-2·h^-1，而滴灌管间及滴灌管上均与漫灌处理具有显著性差异(P < 0.05)。

图 2 滴灌方式下土壤CO2排放通量和N2O排放通量的空间分布 Figure 2 Spatial distribution of soil CO2 and N2O emissions under drip irrigation

图选项

在春小麦生长季，滴灌和漫灌方式下土壤N₂O排放通量均在成熟期具有一个明显的峰值，且比CO₂排放通量峰值出现得晚，分别为299.14、159.58 μg·m^-2·h^-1(图 1b)。滴灌和漫灌方式下各小区土壤N₂O排放通量的变化范围分别为13.33～611.90 μg·m^-2·h^-1和17.09～248.76 μg·m^-2·h^-1，两种灌溉方式下土壤N₂O排放通量并无显著差异。在春小麦乳熟期之前，漫灌处理土壤N₂O排放通量大于滴灌，平均值分别为48.76、39.04 μg·m^-2·h^-1；而对整个春小麦生长季而言，滴灌处理土壤N₂O排放通量平均值为74.81 μg·m^-2·h^-1，比漫灌增加了25.87%。滴灌和漫灌方式下土壤N₂O排放峰值对总排放的贡献率分别达38.35%和57.12%。可见，在干旱区春小麦田中土壤N₂O排放高峰期在整个生长季土壤N₂O排放中的贡献较大，且滴灌方式下贡献率大于漫灌。

滴灌方式下不同空间位置土壤N₂O通量见图 2b。在春小麦乳熟期之前滴灌管间和滴灌管上处理土壤N₂O平均排放通量分别为36.73、40.91 μg·m^-2·h^-1；而整个春小麦生长季滴灌管间处理土壤N₂O平均排放通量为85.76 μg·m^-2·h^-1，比滴灌管上处理增加了34.80%，处理间无显著性差异。

在干旱区春小麦生长季，滴灌与漫灌方式下土壤CO₂累积排放量分别为2 188.68、3 180.91 g·m^-2，滴灌方式显著降低了春小麦田的土壤CO₂排放量；而滴灌与漫灌方式下土壤N₂O累积排放量分别为188.62、160.60 mg·m^-2，即滴灌处理土壤N₂O累积排放量比漫灌增加了17.45%(表 2)。

表 2 滴灌和漫灌条件下CO₂和N₂O累积排放量及其综合增温潜势 Table 2 Cumulative emissions and GWPs of CO₂ and N₂O under drip and flood irrigation

表选项

通常用增温潜势GWPs(CO₂的GWPs值为1)来表示相同质量的不同温室气体对温室效应增加的相对辐射效应。对于100 a时间尺度的气候变化，设CO₂的GWPs为1，则N₂O气体的GWPs为310^[15]。从表 2可以看出，滴灌条件下土壤CO₂和N₂O排放的温室效应总和约比漫灌减少了983.55 g CO₂·m-2，降幅达30.44%，即滴灌降低了春小麦田土壤CO₂和N₂O排放的综合增温潜势。

在春小麦生长季，土壤水分含量先升高，至成熟期达到峰值，之后逐渐降低，见图 3。从整个生长季来看，漫灌处理0～10 cm和10～20 cm层土壤水分含量的平均值分别为14.94%和16.25%，滴灌处理0～10 cm和10～20 cm层土壤水分含量的平均值分别为13.36%和14.83%。0～10 cm和10～20 cm层土壤水分均值均表现为漫灌＞滴灌管间＞滴灌管上。

图 3 滴灌和漫灌方式下土壤水分含量变化 Figure 3 Variations of soil water content under drip and flood irrigation

图选项

对春小麦生长季土壤MBC、DOC和矿质氮的多次测定值进行平均，结果见表 3。从表 3可以看出，滴灌试验区0～10 cm土层MBC含量均值略高于10～20 cm土层，而漫灌试验区0～10 cm土层MBC平均值则低于10～20 cm，不同处理间土壤MBC含量生长季均值表现为滴灌管上>漫灌>滴灌管间。滴灌管间、滴灌管上和漫灌处理的10～20 cm土层DOC含量平均值约比0～10 cm土层分别高11.5%、4.9%和5.9%，各层土壤DOC含量均表现为漫灌>滴灌。对于不同处理土壤硝态氮含量，滴灌试验区10～20 cm土壤高于0～10 cm层土壤，而漫灌试验区则相反。对比可知，滴灌管间0～10 cm和10～20 cm层土壤NO₃^--N含量分别比漫灌高9.7%和37.7%，滴灌管上0～10 cm和10～20 cm层土壤NO₃^--N含量分别比漫灌高3.4%和40.2%，均表现为滴灌>漫灌，且滴灌试验区10～20 cm土壤NO₃^--N含量较漫灌增加更为明显。土壤NH₄⁺N含量则表现为滴灌管间>漫灌>滴灌管上，且10～20 cm土层高于0～10 cm土层，其中，滴灌管间0～10 cm与10～20 cm土层NH₄⁺N含量分别比漫灌高29.2%和7.5%，而滴灌管上0～10 cm和10～20 cm土层NH₄⁺N含量则分别比漫灌低7.0%和13.3%。

表 3 滴灌和漫灌条件下土壤MBC、DOC、NO₃^--N和NH₄⁺N含量 Table 3 Concentrations of soil MBC，DOC，NO₃^--N and NH₄⁺N under drip and flood irrigation

表选项

相关分析表明(表 4)，滴灌管间处理土壤CO₂排放通量与大气温度及5、10 cm地温均呈现显著正相关(P < 0.05)，与10～20 cm层土壤微生物量碳呈极显著负相关(P < 0.01)。漫灌方式下，0～10 cm和10～20 cm土壤水分均与N₂O排放通量显著正相关(P < 0.05)，而滴灌方式下仅滴灌管上处理的0～10 cm土壤水分与N₂O排放通量显著正相关(P < 0.05)，其他土壤水分与N₂O排放通量相关性均未达到显著水平，但相关系数较高(R为0.695～0.740，P>0.05)；滴灌管间处理10～20 cm土层NH₄⁺N含量与N₂O排放通量显著正相关(P < 0.05)。除上述因子外，其他环境因子与土壤CO₂和N₂O排放通量相关性均不显著。

表 4 滴灌和漫灌条件下土壤CO₂和N₂O排放通量与环境因子的相关系数 Table 4 Correlation coefficients between soil CO₂ and N₂O emissions and environmental factors under drip and flood irrigation

表选项

对于不同灌溉方式对农田土壤CO₂排放通量的影响，牛海生等^[16]对干旱区冬小麦田进行了研究，认为滴灌麦田的土壤碳排放总量比漫灌麦田高11.43%，滴灌比漫灌更有利于冬小麦田的土壤呼吸；张前兵等^{[17, 18]}对干旱区棉田土壤呼吸的研究结果也表明，膜下滴灌和漫灌方式下灌溉频率和灌溉量的不同造成土壤含水量变化和灌溉强度均有所差异，滴灌条件下土壤结构破坏程度小，土壤微生物和根系活动增强，而漫灌条件下土壤O2的扩散受到限制，因此膜下滴灌明显大于漫灌。上述两个研究结果与本研究对春小麦田土壤CO₂排放通量结果有所差异。而李志国等^[19]则认为覆膜滴灌处理棉田年土壤异氧呼吸通量明显小于无膜漫灌，可能与地膜阻隔了土壤气体向大气的扩散及地膜的保水功能有关，且覆膜滴灌土壤水分含量高降低了干湿交替引起的CO₂排放，与本文的研究结果一致。

本研究中，小区域范围内滴灌和漫灌两种灌溉方式下土壤温度差异小，同时，由于没有覆膜的影响，滴灌并未明显增加土壤水分含量，相反滴灌条件下土壤水分含量还小于漫灌。漫灌条件下土壤CO₂排放通量高于滴灌，可能是因为土壤呼吸的温度效应在一定的水分含量范围内随土壤水分含量的增加而升高^[20]，在水分作为限制因子的干旱半干旱区，水分和温度共同影响土壤CO₂排放通量^{[21, 22]}。本研究春小麦在抽穗期-成熟收获期，滴灌方式下土壤呼吸速率显著高于漫灌(P < 0.01)，与滴灌0～10 cm层土壤微生物量碳含量比漫灌高38.09%一致。韩琳等^[23]的研究也认为滴灌单次灌水量小，适宜的土壤水分有利于微生物的生长，进而有利于微生物生物量碳的增加。在一定的温度范围内微生物活性增强，会加速土壤中有机质的分解，进而增强作物根系和土壤呼吸^[24]。

滴灌和漫灌方式下土壤水分的不同分布形式直接影响了土壤的硝化和反硝化反应，这两种反应是土壤中氮氧化物产生的主要途径。国内主要是关于滴灌棉田和菜地N₂O排放通量的研究，认为与沟灌或漫灌相比，覆膜滴灌降低了棉田的N₂O排放量^{[14, 25]}，与常规肥水管理相比，滴灌也降低了蔬菜地土壤N₂O排放通量^[26]。国外有少量关于滴灌和沟灌条件下番茄田和瓜田N₂O排放通量的研究，Sánchez-Martín等^[11]认为，滴灌湿润区土壤的硝化反应比反硝化反应更有利，降低了氮氧化物的排放，而沟灌区由于较高比例的厌氧微生物而更有利于土壤反硝化反应，与沟灌相比，滴灌降低了70%的N₂O排放量，与滴灌造成的低强度灌水和土壤水分分布有关。Sánchez-Martín等^[6]也认为，与沟灌相比，滴灌减少了甜瓜田土壤N₂O的排放和反硝化速率。本研究中春小麦乳熟期之前，土壤水分含量呈增加趋势，且漫灌方式下土壤水分高于滴灌，反硝化作用随着水分含量的增加而加强，N₂O排放通量也随之增加^{[27, 28, 29]}，因此表现为滴灌方式下土壤N₂O排放通量小于漫灌。

对整个生长季土壤N₂O与各环境因子进行逐步回归分析发现，滴灌和漫灌方式下，土壤硝态氮和铵态氮含量对土壤N₂O排放通量影响显著。滴灌方式下土壤总矿质氮含量高于漫灌，与Sun等^[30]的研究结果一致，即滴灌减少了氮的淋失。因此就整个生长季而言，滴灌方式下土壤N₂O排放通量高于漫灌，可能与滴灌方式下土壤矿质氮底物的增加有关。Li等^[31]研究认为滴灌后土壤硝态氮在湿润区边缘累积，戴翠荣等^[32]研究认为，水平方向上土壤铵态氮随滴灌水扩散，湿润区外缘铵态氮含量高于湿润区内部，与本研究滴灌管间土壤矿质氮含量高于滴灌管上处理一致，进而导致滴灌管间土壤N₂O排放通量高于滴灌管上。在节水灌溉条件下，土壤干湿交替频繁，有利于改善土壤的通气性，增加土壤的有效氧，使得其表层具有良好的通气性，有利于硝化-反硝化进行，从而产生大量的N₂O^[33]。另外，干湿交替产生的频繁脉冲影响了灌溉期土壤速效氮的转化，增加了灌溉期间氮氧化物的排放^[11]。在春小麦生长季，滴灌和漫灌方式下土壤N₂O排放量受排放峰值的影响较大，因而在N₂O排放高峰期，在滴灌处理中实施其他能减少N₂O排放通量的措施有助于减缓春小麦生长季滴灌田N₂O排放。

由于不同管理措施对大气温室效应的最终影响还取决于生态系统与大气间的碳氮平衡，在今后的研究中，综合作物、土壤对碳/氮元素的吸收与固定以及土壤的碳/氮气态损失等开展同期研究，进而对滴灌造成的生态系统碳/氮收支的变化进行全面评价，将对区域农田温室气体减排措施的制定具有更为重要的指导意义。

(1)在春小麦生长季，滴灌处理土壤CO₂排放通量均值比漫灌减少了35.76%。滴灌管间处理土壤CO₂平均排放通量高于滴灌管上，处理间差异不显著。滴灌管间、滴灌管上均与漫灌处理有显著性差异(P < 0.05)。

(2)对整个春小麦生长季而言，滴灌方式下土壤N₂O排放通量比漫灌增加25.87%。滴灌管间处理土壤N₂O排放通量均值比滴灌管上处理增加了34.80%，处理间无显著性差异。

(3)干旱区春小麦田由漫灌转变为滴灌后，土壤CO₂和N₂O的综合温室效应减小。

(4)滴灌方式下，滴灌管间处理10～20 cm土层MBC含量对土壤CO₂排放通量影响显著(P < 0.01)，滴灌管上处理0～10 cm层土壤水分和DOC含量、滴灌管间处理土壤铵态氮含量是显著影响土壤N₂O排放通量的因素(P < 0.05)。在漫灌方式下，土壤N₂O排放通量受10～20 cm层土壤水分与硝态氮含量的显著影响(P < 0.05)。