陶甄，李中陽，李松旌，李寶貴，李嗣藝，高峰，劉源*

?水土資源與環(huán)境?

模擬再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響

陶甄1，李中陽1,2，李松旌1，李寶貴1，李嗣藝1，高峰1，劉源1*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 商丘 476000）

【目的】探究不同水源灌溉對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響，【方法】采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法研究再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤CO2、N2O、CH4排放通量的影響(以地下水灌溉為對(duì)照)，同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤pH值、土壤孔隙含水率（）、NH4+-N、NO3--N的變化，分析培養(yǎng)期間土壤CO2、N2O、CH4排放特征及相關(guān)影響因子變化?！窘Y(jié)果】與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著增加土壤CO2、N2O、CH4排放（<0.05），再生水促進(jìn)N2O排放的效果更明顯，養(yǎng)殖廢水促進(jìn)CO2、CH4排放的效果更明顯；從全球增溫潛勢(shì)（）來看，與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水均顯著增加，二者無顯著差異；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，養(yǎng)殖廢水處理土壤pH值低于地下水對(duì)照，而再生水處理高于地下水對(duì)照；再生水與養(yǎng)殖廢水均顯著增加了土壤中無機(jī)氮量。【結(jié)論】綜合考慮與土壤性質(zhì)，在試驗(yàn)條件下，再生水、養(yǎng)殖廢水應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)一定程度上增加了環(huán)境溫室效應(yīng)與土壤無機(jī)氮量。

灌溉；再生水；養(yǎng)殖廢水；溫室氣體；土壤氮

0 引言

【研究意義】近年來我國(guó)農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展階段，水資源短缺、水污染等現(xiàn)象日益突出。我國(guó)水資源具有時(shí)空分布不平衡的特征，農(nóng)業(yè)種植面積更廣、用水需求更高的北方水資源儲(chǔ)備量較為貧乏，水資源不足大大限制了北方農(nóng)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)農(nóng)民灌溉大多使用地下水，但固有地下水資源已然不能滿足日益增長(zhǎng)的用水需求，可用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水資源少之又少?？茖W(xué)利用非常規(guī)水資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉被認(rèn)為是緩解農(nóng)業(yè)用水緊張的有效途徑之一。鄉(xiāng)村生活污水集中處理后的再生水和養(yǎng)殖場(chǎng)排放的廢水是有回用潛力的兩大類水源，且這些水源的合理利用是農(nóng)村生態(tài)環(huán)境治理和綠色發(fā)展的要求。非常規(guī)水資源，通常包括再生水、微咸水、雨水和海水等[1]。截至2017年底我國(guó)非常規(guī)水資源利用工程供水量達(dá)165萬億m3左右，再生水所占比重最高[2]。畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量養(yǎng)殖廢水，經(jīng)過處理的養(yǎng)殖廢水作為一種新的水資源，可進(jìn)行資源再利用，但處理不當(dāng)亦會(huì)對(duì)環(huán)境安全造成威脅。隨著如何安全利用再生水與養(yǎng)殖廢水這一問題的提出，團(tuán)隊(duì)前期已對(duì)比了這2種水灌溉對(duì)土壤基本性質(zhì)及重金屬量的影響[3-4]。近些年來有關(guān)二者對(duì)環(huán)境影響的探究逐漸拓展至農(nóng)田溫室氣體產(chǎn)生及排放方面。

溫室氣體是影響全球氣候變化的主要因素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)作為人類活動(dòng)中的重要組成部分，其造成的溫室氣體排放量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)全球氣候變化有著重要影響?！狙芯窟M(jìn)展】IPCC（聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)）第五次評(píng)估指出，農(nóng)業(yè)源溫室氣體占全球人為活動(dòng)產(chǎn)生溫室氣體總量的10%～12%[5]，在我國(guó)，農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放約占全國(guó)溫室氣體排放總量的15%[6]。再生水與養(yǎng)殖廢水中含有較多的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素[7-8]，灌溉后可能會(huì)通過改變土壤性質(zhì)從而對(duì)溫室氣體的產(chǎn)生與排放造成影響。王廣帥[9]在其研究中發(fā)現(xiàn)，與地下水灌溉處理相比，再生水灌溉處理的CO2排放通量增加14.78%，N2O排放通量增加20.81%，土壤對(duì)CH4吸收速率降低。陳永根等[10]研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)初期，施用沼液與未施處理相比促進(jìn)了土壤N2O和CH4排放。【切入點(diǎn)】但現(xiàn)有研究關(guān)于對(duì)比同一條件下二者灌溉在溫室氣體排放方面的差異性以及排放特點(diǎn)的較少，這使得我們無法客觀地比較這2種水資源投入生產(chǎn)使用時(shí)在溫室氣體排放方面的優(yōu)劣性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】故開展室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)不同水源灌溉下土壤CO2、N2O、CH4排放通量以及土壤pH值、土壤孔隙含水率（）、NH4+-N、NO3--N量的變化，分析再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤溫室氣體排放影響的差異性及原因，以期為再生水與養(yǎng)殖廢水的合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地（35°08′ N，113°45′ E,海拔81 m），該地屬于半干旱、半濕潤(rùn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。采用五點(diǎn)取樣法分別在耕層（0～20 cm）取土樣混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后過2 mm篩待用。所取土壤為堿性砂壤土，基本理化性質(zhì)為：pH值為8.39，土壤體積質(zhì)量為1.51 g/cm3，全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)量分別為1.06、1.87、21.42 g/kg，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀、有效磷量分別為2.18、3.15、4.07、19.43 mg/kg。

本試驗(yàn)選用的再生水（RW）為河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣生活污水處理廠二沉池出水，養(yǎng)殖廢水（SW）為新鄉(xiāng)市盛達(dá)牧業(yè)有限公司I級(jí)規(guī)模集約化養(yǎng)豬場(chǎng)厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵后的沼液（COD量為（1 077±44）mg/L），地下水（UW）為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站的淺層地下水，使用前均使用0.22 μm濾膜抽濾，其中養(yǎng)殖廢水按1∶5的比例稀釋后備用。使用前的水質(zhì)見表1。

表1 供試水源基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站開展，2020年10月20日開始，2020年12月14日結(jié)束，共56 d。稱取相當(dāng)于200 g干土質(zhì)量的土壤于1 000 mL培養(yǎng)瓶中，使用地下水（UW）/再生水（RW）/養(yǎng)殖廢水（SW）將土壤的含水率調(diào)節(jié)至田間持水率（21%）的60%，肥料選用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15，N源為尿素），施肥標(biāo)準(zhǔn)為1 g/kg干土，放于恒溫（25 ℃）培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。前人研究表明培養(yǎng)前期尿素水解較快，銨態(tài)氮量大多在0～5 d時(shí)達(dá)到峰值[11-12]，而銨態(tài)氮的迅速累積會(huì)導(dǎo)致氨揮發(fā)流失[13]。因本試驗(yàn)未種植作物，銨態(tài)氮無法被作物吸收利用更易在土壤中積累并轉(zhuǎn)化為氨氣逸失，故試驗(yàn)前7天模擬干旱（未補(bǔ)充水分）以降低前期尿素水解速率，使銨態(tài)氮峰值滯后。從第8天開始瓶口貼上封口膜并均勻扎破小孔以便氣體流通，每3天補(bǔ)水1次（補(bǔ)水量由稱質(zhì)量法計(jì)算得到），使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)土壤含水率保持在田間持水率的60%左右。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 溫室氣體的采集與測(cè)定

在培養(yǎng)后的第1、4、10、14、21、28、42、56天分別采集氣體，每次的采樣時(shí)間為08:00—11:00，采樣時(shí)用與培養(yǎng)瓶配套大小的帶有三通閥的丁基膠塞密封，一頭連接注射側(cè)口針，一頭連接30 mL聚丙烯醫(yī)用注射器。每一個(gè)試驗(yàn)處理均于0、10、20、30 min分別采集氣體4次，暫存于注射器內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室后打入10 mL真空采氣管內(nèi)，用氣相色譜儀（島津2010plus）進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件為：ECD檢測(cè)器溫度為250 ℃，色譜柱溫度為50 ℃，載氣為高純氬甲烷，氣流速為40 mL/min。嚴(yán)格記錄采樣時(shí)間、環(huán)境溫度。

氣體排放通量的計(jì)算式為：

dd(273273)， （1）

式中：為氣體排放通量（mg/（g·h））；為培養(yǎng)瓶上部空間體積（L）；dd為單位時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體的質(zhì)量濃度變化率（ppm/h）；為氣體在標(biāo)態(tài)下的密度（g/L）；為抽氣過程中瓶?jī)?nèi)平均溫度（℃）；為土樣干質(zhì)量（g）。

培養(yǎng)期間溫室氣體累積排放通量通過線性內(nèi)插法來估算[14]，累積排放通量計(jì)算式為：

∑(F1+F)2(T1-T)24，（2）

式中：為培養(yǎng)期間氣體累積排放總量（mg/g）；F1為本次試驗(yàn)采集氣體的平均排放通量（mg/（g·h））；F為上一次采集氣體的平均排放通量（mg/（g·h））；（T1-T）為本次采集氣體與上次采集氣體的間隔時(shí)間（d）。

由于3種氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)相差較大，故用CO2、CH4、N2O3種溫室氣體的CO2當(dāng)量代數(shù)和來計(jì)算全球增溫潛勢(shì)（）。由前人研究可知百年時(shí)間尺度上單位質(zhì)量CH4、N2O全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的28、265倍[15]。全球增溫潛勢(shì)計(jì)算式為：

(CO2)(N2O)265(CH4)28，（3）

式中：(CO2)為CO2累計(jì)排放通量（mg/g）；(N2O)為N2O累計(jì)排放通量（mg/g）；(CH4)為CH4累計(jì)排放通量（mg/g）。

1.3.2 土壤孔隙含水率的測(cè)定

每次采集氣體后利用稱質(zhì)量法得出土壤質(zhì)量含水率,通過土壤質(zhì)量含水率計(jì)算土壤孔隙含水率，計(jì)算式為：

=/(1-)， （4）

式中：為土壤體積含水率（質(zhì)量含水率×）；為土壤體積質(zhì)量，取值1.51（g/cm3）；為土壤密度，取值2.65（g/cm3）。

1.3.3 土壤NH4+、NO3-和pH值測(cè)定

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮是硝化、反硝化反應(yīng)的底物，也是影響pH值變化的關(guān)鍵因素，與幾種溫室氣體排放密切相關(guān)。為盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，故相對(duì)采氣次數(shù)減少了土壤取樣次數(shù)。在培養(yǎng)試驗(yàn)開始后的第4、7、14、25、42、56天采集氣體之后用玻璃棒將瓶?jī)?nèi)土壤攪拌均勻，取一部分新鮮土樣置于4 ℃冰箱保存。稱取2.50 g新鮮土樣添加25 mL物質(zhì)的量濃度為0.01 mol/L氯化鈣溶液，置于振蕩器上以200 r/min恒溫震蕩30 min，過濾后用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中NH4+、NO3-量（AutoAnalyzer 3, Bran Luebbe, Germany）。土壤pH值用電位法（水土比為5∶1）測(cè)定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

使用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖，使用SAS軟件對(duì)不同處理進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤NH4+-N、NO3--N動(dòng)態(tài)變化

不同處理土壤NH4+-N量隨著培養(yǎng)時(shí)間的變化如圖1（a）所示。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，3種水源處理土壤NH4+-N量均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。培養(yǎng)前期，土壤中尿素快速水解產(chǎn)生大量NH4+-N，各處理NH4+-N量均在培養(yǎng)后第7天達(dá)到峰值，NH4+-N的大量累積促進(jìn)了土壤中硝化反應(yīng)的進(jìn)行，且尿素逐漸水解完全，使得培養(yǎng)中后期土壤中NH4+-N量逐漸減少。在尿素水解反應(yīng)較劇烈的第4～7 d，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了土壤中NH4+-N量（<0.05），且SW處理增幅更大。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤NH4+-N量增加效應(yīng)更明顯。但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同處理土壤NH4+-N量的差異逐漸變小直至消失。

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理土壤NO3--N量總體上逐漸增加（圖1（b））。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，UW處理的NO3--N量均低于RW處理和SW處理。在硝化、反硝化反應(yīng)速率較強(qiáng)的第7～25 d內(nèi)，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了土壤中NO3--N的量（<0.05），且SW處理增幅更大。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)土壤NO3--N量的增加效果更為明顯，在第56天培養(yǎng)結(jié)束時(shí)增加量達(dá)到最大。

圖1 培養(yǎng)期間土壤中NH4+-N、NO3--N量變化規(guī)律

2.2 土壤WFPS動(dòng)態(tài)變化

培養(yǎng)期間不同處理土壤變化趨勢(shì)如圖2所示。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，各處理的均在灌水后有所增大，變化范圍為7.46%～41.95%。前7天由于干旱，含水率下降較明顯。每次在補(bǔ)水前稱質(zhì)量計(jì)算土壤含水率，由于不同處理的水分蒸騰速率有差異，故補(bǔ)水前各處理土壤含水率不一致。

圖2 培養(yǎng)期間土壤WFPS變化規(guī)律

2.3 不同處理土壤pH值動(dòng)態(tài)變化

培養(yǎng)期間不同處理土壤pH值變化規(guī)律如圖3所示。培養(yǎng)前期硝化反應(yīng)的發(fā)生使得土壤pH值逐漸降低，各處理均在培養(yǎng)后第25天達(dá)到最小值。由于本次試驗(yàn)所用水源均呈堿性，隨著灌水次數(shù)增加以及硝化速率變?nèi)酰诘?5天以后土壤pH值呈緩慢升高的趨勢(shì)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，養(yǎng)殖廢水處理土壤pH值低于地下水處理，而再生水處理高于地下水處理。

圖3 培養(yǎng)期間土壤pH值變化規(guī)律

2.4 不同處理土壤溫室氣體排放通量變化規(guī)律

2.4.1 不同處理土壤CO2排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤CO2排放通量如圖4所示。第4～10天內(nèi)，尿素水解、硝化、反硝化反應(yīng)的進(jìn)行提高了土壤中脲酶、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌的活性，導(dǎo)致3個(gè)處理的CO2排放通量短時(shí)間內(nèi)大幅度增加，RW、SW處理的CO2排放通量在培養(yǎng)后第10天達(dá)到峰值。土壤pH值在7.5～8.0范圍內(nèi)時(shí)，硝化細(xì)菌的活性與土壤pH值存在正相關(guān)關(guān)系[16]，同時(shí)，pH值的升高可增強(qiáng)產(chǎn)甲烷菌的活性[17]。第10～21天內(nèi)土壤pH值的降低影響了有關(guān)微生物的活性從而導(dǎo)致各處理CO2排放通量減少。培養(yǎng)后期土壤pH值逐漸升高，相關(guān)微生物活性隨之升高，CO2排放通量增加。與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加CO2累積排放通量，增幅分別為14.6%、16.9%，RW處理與SW處理之間存在差異但未達(dá)到顯著水平（表2）。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)CO2排放通量的增加效果更為明顯。

圖4 培養(yǎng)期間土壤CO2排放通量變化規(guī)律

2.4.2 不同處理土壤N2O排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤N2O排放通量如圖5所示。第4～10天內(nèi)，NH4+-N在土壤中大量累積從而加速硝化、反硝化反應(yīng)的進(jìn)行使得各處理N2O排放通量顯著增加。硝化反應(yīng)的進(jìn)行使得土壤pH值降低，進(jìn)一步影響硝化、反硝化速率，導(dǎo)致第10～14天內(nèi)N2O排放通量減少。同理，第14～28天，土壤pH值的升高增加了硝化、反硝化速率，進(jìn)而導(dǎo)致N2O排放通量增加。之后土壤pH值繼續(xù)升高，堿性環(huán)境下，pH值升高會(huì)使得反硝化反應(yīng)的主產(chǎn)物由N2O部分轉(zhuǎn)變?yōu)镹2[18]，從而導(dǎo)致N2O排放通量減少。與UW處理相比，RW、SW處理N2O累積排放通量顯著增加，增幅分別為11.9%、10.8%，RW處理與SW處理之間差異不明顯（表2）。表明與地下水相比，再生水灌溉對(duì)N2O排放通量的增加效果更為明顯。

圖5 培養(yǎng)期間土壤N2O排放通量變化規(guī)律

2.4.3 不同處理土壤CH4排放通量變化規(guī)律

培養(yǎng)期間各處理土壤CH4排放通量如圖6所示。第4～10天內(nèi)，土壤中聚集大量NH4+-N，而NH4+與CH4在甲烷氧化菌活性位點(diǎn)存在競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，導(dǎo)致此時(shí)間段內(nèi)CH4排放通量增加。之后隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行土壤中NH4+逐漸減少，且土壤pH值逐漸降低，影響了二者的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)與土壤產(chǎn)甲烷菌活性，使得CH4排放通量減少。第21天后，土壤pH值逐漸升高，產(chǎn)甲烷菌活性有所增強(qiáng)[19]，使得CH4排放通量增加。而在培養(yǎng)后期，可利用底物的減少限制了產(chǎn)甲烷菌的活性。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)UW處理的CH4排放通量均小于RW、SW處理，與UW處理相比，RW、SW處理顯著增加了CH4累積排放通量，增幅分別為10.8%、13.9%，RW處理與SW處理之間差異較不明顯（表2）。表明與地下水相比，養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)CH4排放通量的增加效果更為明顯。

圖6 培養(yǎng)期間土壤CH4排放通量變化規(guī)律

表2 CO2、N2O、CH4累計(jì)排放通量和全球增溫潛勢(shì)

注 同一列內(nèi)不同字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

2.5 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

本試驗(yàn)條件下，土壤CO2、N2O、CH4排放通量與土壤pH值、NH4+-N、NO3--N之間的相關(guān)性如表3所示。地下水灌溉下CO2排放通量與土壤pH值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01）。再生水灌溉下CO2排放通量與土壤中NO3--N量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），N2O與CH4排放通量均與土壤pH值之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。養(yǎng)殖廢水灌溉下N2O與CH4、CO2排放通量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。3種水源灌溉下N2O排放通量與CH4排放通量之間均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05）。

表3 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性

注 *表示在<0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在<0.01水平上顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 模擬不同水源灌溉對(duì)CO2排放通量的影響

土壤的呼吸作用是土壤CO2產(chǎn)生的主要過程，有機(jī)質(zhì)量[20]、pH值[21]、養(yǎng)分量、微生物數(shù)量與活性[22]等均會(huì)對(duì)呼吸作用強(qiáng)度造成影響。從累計(jì)排放通量來看，本試驗(yàn)中，與地下水相比，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉后CO2累計(jì)排放通量有所增加，與前人研究結(jié)果一致[9]，分析原因可能為再生水灌溉可以增加土壤中微生物量和酶活性[9-23]，養(yǎng)殖廢水灌溉使土壤中酶活性提高[24]，同時(shí)再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉均增加了土壤NH4+-N的量，可能會(huì)促進(jìn)硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而提高土壤呼吸作用強(qiáng)度，導(dǎo)致CO2排放量增加。另一方面可能是因?yàn)榕c地下水相比，再生水灌溉提高了土壤pH值，隨著pH值的升高土壤呼吸強(qiáng)度增強(qiáng)[25]，所以再生水灌溉對(duì)CO2排放表現(xiàn)出促進(jìn)作用。從RW、SW處理的CO2排放通量變化規(guī)律來看，第10～21天，RW處理的CO2排放量高于SW處理，此現(xiàn)象可能與土壤的升高有關(guān)[26]。

3.2 模擬不同水源灌溉對(duì)N2O排放通量的影響

尿素的快速水解導(dǎo)致NH4+-N在土壤中大量積累，促進(jìn)土壤硝化反應(yīng)的進(jìn)行，硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3--N進(jìn)一步通過反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2O，硝化、反硝化反應(yīng)均會(huì)產(chǎn)生N2O[27]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與地下水灌溉相比，再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉在N2O排放方面均表現(xiàn)出促進(jìn)作用，與Shang等[28]以及Chi等[29]的研究結(jié)果一致。第一個(gè)原因可能與土壤中無機(jī)氮量有關(guān)，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加了土壤中NH4+-N、NO3--N量，李平[30]研究發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉可提高變形菌門、放線菌門的相對(duì)豐度，從而促進(jìn)土壤中氮素礦化，為硝化、反硝化作用提供更多反應(yīng)底物。較高質(zhì)量濃度的NO3--N會(huì)影響土壤將N2O還原為N2的能力，從而減少N2O還原量[31]。同時(shí)，再生水、養(yǎng)殖廢水中自身氮素量較高，而氮素的額外輸入會(huì)促進(jìn)N2O排放[32]。第二個(gè)原因可能是再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉均提高了土壤，本研究中土壤的變化范圍為7.46%～41.95%，在此范圍內(nèi)土壤處于有氧環(huán)境，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，隨著的升高硝化反應(yīng)速率增強(qiáng)[33]，且土壤與N2O排放通量之間存在正相關(guān)關(guān)系[34]，從而影響N2O排放。第三個(gè)原因可能是培養(yǎng)前中期再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉提高了土壤pH值，培養(yǎng)前中期各處理土壤pH值范圍為7.5～8.0，此范圍為硝化細(xì)菌的最適pH值范圍，在此范圍內(nèi)硝化反應(yīng)速率會(huì)隨著土壤pH值的升高而加快[16],從而產(chǎn)生更多的N2O。培養(yǎng)后期土壤pH值超過最適宜范圍，隨著pH值的升高，逐漸表現(xiàn)為抑制N2O排放[35]，使得培養(yǎng)后期再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)N2O排放的促進(jìn)效果不明顯。但也有研究[36]認(rèn)為養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)N2O排放無顯著影響，分析原因?yàn)轲B(yǎng)殖廢水灌溉下土壤、有機(jī)質(zhì)量沒有發(fā)生顯著變化，對(duì)與N2O產(chǎn)生有關(guān)的微生物的活性影響不明顯。不同研究的結(jié)論不同，可能與不同養(yǎng)殖廢水中有機(jī)物和氮量不同以及土壤類型不同有關(guān)。從RW處理和SW處理的N2O排放規(guī)律來看，培養(yǎng)前14天內(nèi)SW處理的排放量更高，隨后RW處理排放量更高，可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)前14天內(nèi)SW處理的pH值更高，硝化反應(yīng)速率更強(qiáng)，隨后二處理pH值差距減小，而RW處理高于SW處理，導(dǎo)致中后期RW處理N2O排放量更高。

3.3 模擬不同水源灌溉對(duì)CH4排放通量的影響

本次培養(yǎng)試驗(yàn)中各處理CH4排放通量普遍偏低，可能是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)所設(shè)定的含水率較低，未能形成較好的厭氧環(huán)境，而產(chǎn)甲烷菌在土壤厭氧程度較高[37]，含水率較高[38]時(shí)活性更強(qiáng)。與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加CH4累計(jì)排放量。分析原因一方面可能為，與地下水相比，再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉下土壤pH值升高，而pH值升高會(huì)促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)[17]，從而影響土壤中CH4排放。另一方面，與地下水相比，再生水與養(yǎng)殖廢水中含有較多的NH4+-N，灌溉后顯著增加了土壤中NH4+-N量，促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行，消耗大量氧氣，導(dǎo)致局部土壤氧化還原電位降低，可能進(jìn)一步影響CH4的排放[39]。從RW處理和SW處理的CH4排放規(guī)律來看，第7～14天，SW處理的排放量較高，可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)前期SW處理的NH4+-N量較高，而NH4+與CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu)，二者競(jìng)爭(zhēng)甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點(diǎn)[40]，從而增加CH4排放。隨著時(shí)間的推移，SW處理和RW處理的NH4+-N量的差距逐漸縮小，且SW處理的CO2排放量較高，土壤中的碳一部分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2散失，而土壤中碳量與CH4排放密切相關(guān)[41]，導(dǎo)致第21～42天內(nèi)SW處理的排放量低于RW處理。

3.4 模擬不同水源灌溉對(duì)溫室效應(yīng)的影響

本試驗(yàn)中，再生水、養(yǎng)殖廢水顯著增加CO2、N2O、CH4排放量，故與地下水灌溉相比，再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉顯著增加。養(yǎng)殖廢水促進(jìn)CO2、CH4排放的效果更明顯，再生水促進(jìn)N2O排放的效果更明顯，由于N2O溫室效應(yīng)最高，故從來看，再生水對(duì)溫室效應(yīng)的增加效果更明顯，但再生水與養(yǎng)殖廢水之間差異不顯著。根據(jù)本研究結(jié)果可知，將再生水、養(yǎng)殖廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)有增加溫室效應(yīng)的可能。今后仍需進(jìn)一步探究其增加的機(jī)理及調(diào)控技術(shù)，進(jìn)而減小二者用于灌溉時(shí)對(duì)大氣環(huán)境的影響。本試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)法模擬不同水源灌溉對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，與實(shí)際大田情景有較大差距。在以后研究中將會(huì)通過田間試驗(yàn)繼續(xù)探討不同水源灌溉對(duì)土壤溫室氣體排放的影響。本試驗(yàn)使用的稀釋后的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水氮量較低也是導(dǎo)致養(yǎng)殖廢水與再生水差異不明顯的原因之一。其他類型的養(yǎng)殖廢水如養(yǎng)牛廢水、養(yǎng)鴨廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等的組成可能會(huì)與養(yǎng)豬廢水有差異，對(duì)土壤溫室氣體排放的影響有待進(jìn)一步研究。本研究均使用抽濾過的水進(jìn)行灌溉，未考慮水中固相部分對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)，可能會(huì)低估，在后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步研究非常規(guī)水不同組分對(duì)土壤溫室氣體排放的影響。

4 結(jié)論

1）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均增加土壤NH4+-N和NO3--N量，且養(yǎng)殖廢水灌溉下效果更明顯。

2）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著促進(jìn)土壤CO2、N2O、CH4排放，二者之間無顯著差異，且再生水對(duì)N2O排放的促進(jìn)效果更明顯，養(yǎng)殖廢水對(duì)CO2和CH4排放的促進(jìn)效果更明顯。

3）再生水與養(yǎng)殖廢水灌溉均顯著增加，但2種水源無顯著差異。

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Greenhouse Gas Emissions from Soils are Affected by Irrigation Water Sources

TAO Zhen1, LI Zhongyang1,2, LI Songjing1, LI Baogui1, LI Siyi1, GAO Feng1, LIU Yuan1*

（1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China;2.National Research and Observation Station of Shangqiu Agro-ecology System, Shangqiu 476000, China）

【Objective】Reducing greenhouse gas (GHG) emissions from soils play an important role in controlling the temperature rise not exceeding 1.5 ℃ by the end of the century. GHG emission is complicated, affected by various physical and biogeochemical processes. In this paper, we studied the impact of irrigation water sources on emissions of CO2, N2O, and CH4from soils. 【Method】Incubation experiment was conducted indoors in microcosms. The microcosms were irrigated using reclaimed wastewater, livestock wastewater respectively, with irrigation with fresh groundwater taken as the control. During the experiment, we measured, concurrently, the emissions of CO2, N2O and CH4, the changes in soil pH, water-filled porosity (), NH4+-N and NO3--N, as well as other edaphic factors. 【Result】Reclaimed water and livestock wastewater irrigations both significantly increased the emission of CO2, N2O and CH4, compared to irrigation with groundwater (<0.05). In particular, it was found that reclaimed water irrigation increased N2O emission most, while livestock wastewater irrigation respired more CO2and CH4compared to other treatments. In terms of global warming potential (), there was no significant difference inbetween the reclaimed water irrigation and the livestock wastewater irrigation; however, compared to groundwater irrigation, they both significantly increased(<0.05). Compared to the control, the livestock wastewater irrigation reduced soil pH, while the reclaimed water irrigation increased soil pH, both at significant levels. Nitrogen in soil irrigated with groundwater was lower than that irrigated by the reclaimed and livestock wastewaters.【Conclusion】In terms ofand change in soil properties, reclaimed wastewater and livestock wastewater irrigation increased GHG emissions and enhanced mineral nitrogen in soil.

irrigation; reclaimed water; livestock wastewater; greenhouse gas emission; soil nitrogen

1672 - 3317（2021）05 - 0124 - 08

X713

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021514

陶甄, 李中陽, 李松旌, 等. 模擬再生水、養(yǎng)殖廢水灌溉對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(5): 124-131.

TAO Zhen, LI Zhongyang, LI Songjing, et al.Greenhouse Gas Emissions from Soils are Affected by Irrigation Water Sources[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(5): 124-131.

2021-10-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD1700900）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41701265）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（202102110215）

陶甄（1997-），女，碩士研究生。主要從事非常規(guī)水資源安全利用研究。E-mail: 965001746@qq.com

劉源（1988-），女，副研究員。主要從事非常規(guī)水資源安全利用研究。E-mail: liuyuanfiri88@163.com

責(zé)任編輯：趙宇龍