随着全球气候变化问题的日益严峻，温室气体排放问题已引起国际社会的广泛关注与高度重视。根据联合国粮食及农业组织(FAO)的数据，农业生产贡献了全球温室气体排放的14%～18%[1]。水氮调控作为影响作物生长和产量的关键因素，不仅关系到农业生产的可持续性，也直接影响农田温室气体排放总量。在农业生产中，通过合理灌溉和施肥，可以优化作物根系对水分和养分的吸收，提高水氮利用效率[2],从而减少氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)等温室气体的排放，以达到增产减排的效果。

近年来，关于水氮调控对农田温室气体排放影响的研究取得了一系列进展，包括水分管理、氮肥施用、土壤微生物活动、作物品种选择等多个方面，进一步揭示了水氮调控与温室气体排放之间的关系。土壤水分和氮素供应的变化也会影响微生物群落结构和活性，进而影响温室气体的产生和释放。土壤水分及氮素含量可直接影响土壤呼吸与温度，影响CO2排放[3]。许立婷等[4]研究表明，适宜的灌水量和施氮量可显著降低枸杞苜蓿间作系统N2O排放。杜世宇等[5]通过设施番茄水氮调控定位试验发现，水氮耦合是影响设施土壤温室气体排放的关键因素，其中高灌水量和过量施氮会增加N2O和CO2排放，而适当减少氮肥用量和灌水量可有效降低温室气体排放。刘巧等[6]研究了不同水氮管理措施对土壤温室气体排放的影响，结果表明，合理的水氮调控不仅能够减少温室气体排放，还能维持较高的土壤肥力。张亚捷等[7]研究表明，滴管(单次灌水量225m3·hm-2或300m3·hm-2)相比沟灌(单次灌水量1200m3·hm-2),可有效抑制土壤N2O、CO2和CH4排放，分别减排61.1%～78.9%,16.5%～21.3%和15.1%～40.2%。在设施番茄种植过程中，张西超等[8]对比了渗灌与漫灌对温室气体排放的影响，结果表明与漫灌相比，渗灌降低了59.82%N2O的排放，但是CO2增加13.30%,CH4排放增加178.87%。Minamikawa等[9]研究表明硫酸铵的应用能够降低土壤中的碳含量以及氧化还原电位，可降低40%CH4排放，但是可能会增加N2O和CO2的排放量。不同灌溉施氮策略对农田土壤N2O、CH4和CO2的排放影响不同，选择合理的水氮调控措施，可以降低农田温室气体排放。

本文旨在综述当前关于水氮调控对农田温室气体排放影响的研究进展，分析不同水氮调控对温室气体排放的潜在影响机制，并总结当前研究存在的问题及不足，展望未来研究方向。为减少农业生产中温室气体排放提供科学依据，同时提高农业生产的可持续性。

1、水氮调控对N2O排放的影响

N2O是一种强效温室气体，根据国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第四次评估报告(AR4),N2O的全球增温潜势是CO2的298倍，因此，控制农田N2O排放对于应对全球气候变化具有重要意义。

水分是影响农田N2O排放的主要因素之一，对土壤硝化和反硝化过程起着决定性作用。硝化和反硝化过程在土壤氮循环中相互竞争，共同决定了N2O的产生和排放[10]。在适宜的水分条件下，硝化作用较为活跃，有助于维持土壤中的氮素供应。然而，当土壤水分过高时，土壤中氧气供应受限，抑制硝化作用，同时促进反硝化过程。不同灌溉模式会影响土壤含水率与田面水层深度，改变土壤通气状况，从而影响N2O在土壤中的迁移与扩散[11]。辛贵民等[12]研究发现，土壤水分含量与N2O排放量呈正相关关系。Han等[13]研究得出，稻田土壤含水率介于田间持水量的70%～90%时，田间N2O排放量最大。雷豪杰等[14]研究表明，与传统漫灌相比，滴灌模式能够降低设施蔬菜和粮食作物的N2O排放总量。此外，在缺水状态下，硝化细菌活性减弱，反硝化细菌将硝酸盐还原为N2O和N2,从而促进N2O排放[15]。Fentabil等[16]在葡萄种植中对比了微喷灌和滴灌对土壤N2O排放的影响，结果表明，微喷灌的土壤N2O排放量低于滴灌处理。通过优化灌溉管理，调节土壤硝化与反硝化过程，从而减少N2O的排放。氮肥的施用量和施用方式对N2O排放的影响同样显著。过量施用氮肥会增加土壤中的可利用氮，促进硝化和反硝化过程，从而增加N2O的排放。土壤N2O产生于好氧和厌氧条件下的硝化和反硝化过程[17]。农田施用氮肥通过影响土壤温度、pH和其他营养物质，进而影响N2O排放[18]。Ambus等[19]研究发现，施用无机氮肥会导致铵离子和硝酸根离子过剩，为N2O产生提供反应底物，从而增加N2O排放。Shcherbak等[20]研究发现，土壤N2O排放量与施氮量的增加成正相关。宋贺等[21]的研究表明，施肥为土壤微生物提供反应环境，通过改变土壤含水量、通气性和氧分压等，影响N2O的产生和释放。李银坤等[22]研究表明，N2O排放量有75.6%～90.0%是由施氮造成，减施25%的氮肥N2O排放量降低40.4%;减施50%氮肥，N2O排放量降低59.3%。根据土壤测试和作物需求精确计算氮用量，适时施用氮肥抑制剂减缓硝化作用，可以减少N2O排放。

2、水氮调控对CH4排放的影响

我国农田CH4排放的主要源头是稻田，约占到农业CH4排放的17.93%。CH4排放量等于CH4产生速率减去氧化速率[23],土壤中的CH4产生速率大于氧化速率，未被氧化的CH4将积累并排放。相反，如果氧化速率较高，CH4的排放将受到抑制[24]。甲烷氧化菌、产甲烷菌等微生物活性、土壤中营养元素的输入和土壤温度均会影响土壤CH4的产生、氧化及排放[25]。

土壤中水分含量是影响CH4吸收的主要因素之一[26],土壤的含水率越高，CH4的氧化能力越低[27]。通过调整水分管理策略，如实施间歇灌溉和晒田等措施，可以改变土壤的氧化还原状态，有效降低CH4排放。Xu等[28]研究表明，随冬季土壤含水量增加，稻季CH4排放量也随之增加；蔡祖聪等[29]、郑循华等[30]研究发现，冬灌田冬季排干种植冬小麦，次年CH4平均排放通量可减少63%～72%。郭高文等[31]研究表明，在整个小麦生育期土壤含水量与CH4排放呈正相关。韩雪等[32]研究发现，增加土壤水分含量，会增加土壤微生物分解有机碳的速率，促进CH4产生。当土壤含水量降低，透气性得以改善时，土壤中产甲烷菌活性减弱[33],致使土壤CH4的排放减少。徐星凯等[34]研究表明，土壤含水量在田间持水量的15%～20%范围内时，土壤通常处于较好的氧气渗透状态，甲烷氧化菌活性增强，使CH4的氧化吸收速率增快。另外，通过排水降低土壤水层，可减少稻田CH4排放[35]。间歇灌溉和排水等精细的田间水分管理，可以有效提升土壤的CH4氧化能力。

氮肥的合理施用可以调节土壤CH4排放量，提高作物产量，改善土壤氧气供应，减少CH4排放。相反，过量施用氮肥可能导致土壤中氮素过剩，增加有机物分解促进CH4的产生。任丽娜等[36]发现，与无机氮肥相比，农家粪便和绿肥分解过程中，需要微生物通过厌氧呼吸来获取能量产生CH4,会导致CH4排放量增加26%～192%。研究表明，氮肥的施入降低了甲烷氧化菌多样性和丰富度，从而降低土壤对CH4的氧化能力[37]。马晨蕾等[38]研究表明，在整个生育期土壤CH4表现为汇，施氮抑制土壤对CH4的吸收，这与刘平静等[39]研究结果一致。合理控制氮肥施入量，在确保作物生长所需的氮素供应的前提下，减轻氮肥对土壤吸收CH4的抑制。

3、水氮调控对CO2排放的影响

CO2排放主要来源于土壤微生物的呼吸作用、光合作用的碳循环以及有机物的分解过程。土壤水分和氮素是影响微生物活动的关键因素，直接影响CO2的排放。灌溉可以改变土壤水分状况，影响土壤微生物活动和有机质分解。氮肥的施用可以促进作物生长，提高光合作用效率，在一定程度上增加土壤碳固定。

灌水会导致土壤含水量增加，促进植物根系呼吸作用，影响土壤微生物群落的活性，增强土壤呼吸作用，提高土壤有机质的分解效率，从而影响CO2的释放。当土壤含水量较低时，土壤微生物以及植物根系的呼吸作用减弱，当土壤水分含量较高时土壤孔隙度减少，土壤通透性变差，土壤氧气含量降低，并抑制土壤呼吸作用[40]。灌溉促进了作物生长和光合作用，增强了植物对CO2的固定能力，在一定程度上抵消了土壤有机质分解，导致CO2排放增加。然而，灌溉也会加速土壤有机质矿化，进一步增加CO2排放。Hillier等[41]、柴晓甜[42]研究发现，当农田进行灌水后，土壤呼吸作用减弱，土壤CO2排放量有所降低，但随土壤水分蒸发，土壤CO2排放量又会急速增加。Li等[43]认为，频繁的干湿交替灌溉会让土壤产生大量的CO2,且设施农业膜下滴灌CO2的排放量低于普通无膜漫灌。Rey等[44]研究认为，土壤水分增加，微生物生存环境改善，促进微生物的呼吸作用释放CO2。王晓云等[45]研究得出，农田灌水后土壤充水孔隙度的增加，土壤CO2排放量也相应增加。然而，也有研究表明，不同的耕作措施改变了土壤的通气性、温度、微生物群落结构等，随着土壤水分含量增高，CO2排放量反而降低[46]。因此，在不同试验条件下土壤含水量和农田土壤CO2排放量的关系也不尽相同。

施氮影响农田土壤中CO2的排放。施氮可以促进植物生长和光合作用，增强植物对CO2的固定能力，从而可能抵消土壤有机质分解过程中释放的CO2。然而，过量施用氮肥可增加土壤微生物活性，加速有机质的矿化，导致土壤酸化和氮素损失，增加CO2排放。Zhou等[47]、李娇等[48]研究发现，氮肥通过影响土壤微生物的异养呼吸和植物根系的自养呼吸，进而影响土壤CO2排放。合理施用氮肥对土壤微生物群落结构和活性具有调控作用，通过使用控释氮肥、有无机肥结合，增加土壤有机质含量，增强土壤碳固定能力，减少CO2排放。

4、展望

水氮调控对农田温室气体排放的研究主要聚焦水、氮单因素，针对小麦、玉米、水稻等作物及土壤环境的影响较多[49],而关于水氮交互效应对农田温室气体排放的研究仍较少，且对深层机理探究不足，对水氮调控下N2O、CH4、CO2的竞争互馈关系仍不明确。未来研究将着重于如何通过精细化的水氮管理策略来优化农业生产，同时减少温室气体排放。这包括对灌溉制度、施氮量和施氮时机的调整，以及开发新的农业技术，如滴灌、喷灌、水肥一体化等，以提高水肥利用效率，减少氮素的流失和积累，从而降低氮素在土壤中的转化和温室气体的产生。同时，优化水氮调控措施可以提高作物的氮素利用效率，减少过量施肥带来的资源浪费和环境污染，加强机理研究，深入了解水氮调控对土壤微生物、酶活性以及氮素转化过程的影响，进一步改善土壤的结构和微生物环境，有利于土壤碳的固定和减少温室气体的排放，进而实现水氮调控在降低温室气体排放方面的最优效果，揭示其对温室气体排放的调控机制。

5、结语

合理的水氮管理策略可以减少农田温室气体排放量，通过精确控制灌溉施氮量及时机，可以优化土壤水分和氮素供应，从而调节土壤微生物活动和作物生长，减少农田土壤CO2、CH4和N2O等温室气体的排放。综合考虑水分和氮素管理，制定和执行科学的农田水氮管理措施，减少农田温室气体排放，以实现农业绿色可持续发展。

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基金资助:甘肃省科技重点研发计划项目(22YF7NA110);甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2021CYZC-20);甘肃省高等学校创新基金项目(2023A-054);兰州市科技计划项目(2022-2-60); 甘肃农业大学青年导师扶持基金项目(GAU-QDFC-2023-12;GAU-QDFC-2022-22);甘肃农业大学“西北旱区特色作物水土资源高效利用创新”学科团队建设专项(GAU-XKTD-2022-09)和甘肃农业大学水利水电工程学院科研团队建设专项(Gaucwky-01);

文章来源:陈小龙,汪精海,赵玉平,等.水氮调控对农田土壤温室气体排放的影响研究进展[J].水利规划与设计,2024,(11):95-99.