冬小麦农田N2O排放对灌溉的响应及其微生物学机制

Farmland is the main source of nitrous oxide (N2O). Irrigation is one of the most important agricultural practices that influence obviously N2O emissions. New water-saving irrigation techniques fitting for modern agriculture are taking the place of the traditional surface irrigation with the quickly social and economic development and agricultural modernization. Therefore, exploring the changes and mechanisms of N2O emissions under different irrigation methods and scheduling are crucial for estimating accurately regional N2O emissions in future. Winter wheat field is set as research object, and manipulative irrigation situations are established with combining different irrigation methods and scheduling in this research. During the whole winter wheat season, N2O emissions are monitored to understand the characteristics of N2O emissions under different irrigation treatments, the paths of N2O production and functional genes (amoA, nirK, nirS and nosZ) related with nitrification-denitrification are investigated with molecular biotechnology to determine the contribution of ammonia-oxidizing bacteria and archaea to ammonia oxidation, and analyze the differences of abundance and diversity of nitrification-denitrification genes. The purpose of the research is to determine the effects of irrigation methods and scheduling on N2O emissions and to reveal the relevant microbiological mechanisms, which will be helpful for developing new irrigation techniques for future winter wheat production with good yield and water use efficiency, and less N2O emission.

农田是最主要的N2O排放源。灌溉是重要的农田管理措施之一，对N2O排放影响巨大。随着我国水资源短缺不断加剧和现代农业的快速发展，适用于规模化经营的高效节水灌溉系统正在逐步取代传统的大水漫灌模式。因此，开展不同灌溉方式和灌溉制度下农田N2O排放规律及其产生机理的研究，对于未来准确估算区域N2O排放具有重要意义。本研究以冬小麦农田为研究对象，通过设置不同灌溉方式和灌溉制度处理，建立多样化灌溉模式；在冬小麦整个生育期对不同灌溉模式下N2O排放进行监测，并利用分子生态学技术对N2O产生途径和参与硝化/反硝化过程功能基因（amoA、nirK、nirS和nosZ）进行研究，以阐明不同灌溉模式下N2O的排放特征，解析氨氧化细菌和古菌对氨氧化的贡献及调控硝化/反硝化过程功能基因的丰度和多样性差异，最终揭示不同灌溉模式对N2O排放的影响及其微生物学机制，为研发高产、高效、减排的冬小麦灌溉技术提供理论依据。

灌溉可以调节土壤水分状况，进而影响土壤氮循环，从而改变土壤温室气体排放。因此，研究不同灌溉模式对提高冬小麦产量、改善水分利用效率及减少麦田温室气体排放的影响具有重要意义。本研究选取的灌溉方式为滴灌（D）、喷灌（S）和地面灌（F），设置的灌溉制度为灌水下限（50%田间持水量（1）、60%（2）和70%（3）），组合为9种处理，为D1，D2，D3，S1，S2，S3，F1，F2和F3。研究结果如下：试验期间，滴灌条件下的累积CO2排放均最低，相比喷灌和地面灌溉处理分别降低7–8%和15–13%。地面灌溉处理的累积CO2全球增温潜势值（GWPCO2）均最高，相比喷灌和滴灌，分别提高5-9%和14-17%。灌溉方式和灌溉制度对累积CO2排放量和GWPCO2的影响均达到极显著水平。与地面灌溉和喷灌相比，60％FC下滴灌处理的CH4吸收率分别增加了8-13％和4-5％。在各种灌溉模式处理中，滴灌和60％FC的组合能够显著地增加CH4吸收量和GWPCH4吸收值。施肥并伴随灌溉之后，会出现明显的N2O短暂排放高峰。与地面灌溉和喷灌相比，滴灌和60%FC下限的组合，N2O排放通量分别下降了16-17％和28-30％。50%FC处理与60%FC处理相比，虽然GWPN2O减少了15-20%，但却会造成12-16％的减产。多元线性回归分析表示土壤孔隙含水量能够解释71%、83%和30%的CO2、CH4和N2O排放变化。而土壤温度则对三种温室气体排放没有显著性影响。与喷灌和地面灌相比，滴灌可分别减少GWP的5-8％和13-15％，灌溉方式和灌溉制度对累计CO2、CH4和N2O排放量，以及TGWP、单位产量尺度的GWP都有极显著的影响。另外，其对籽粒产量，水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）也都具有显著影响。在冬小麦生产过程中，使用滴灌供水且土壤水分下限控制为田间持水量的60％，能够获得较高的籽粒产量和最佳的WUE，同时还能够显着降低CO2排放当量和单位产量尺度的GWP。因此，滴灌与60％田间持水量的灌溉控制下限组合，是一种能够实现华北地区冬小麦生产经济收益和环境效益“双赢”目标的灌溉模式。