張傳更，高 陽，王廣帥，李 雙

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003）

在全球氣候變化背景下，干旱、極端降雨事件和人類活動會導致土壤頻繁的經(jīng)歷干旱和再濕潤過程[1]。干濕交替能夠改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的水分、養(yǎng)分狀況和土壤物理性質(zhì)，進而影響土壤的碳氮循環(huán)過程和土壤溫室氣體的排放[2-3]。人類活動造成的溫室氣體排放中14%來源于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放的溫室氣體就全球升溫潛勢（GWP）標準下的貢獻率達到22%[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室氣體減排已成為當前國內(nèi)外全球變化領(lǐng)域關(guān)注的熱點，是減緩氣候變化的重要途徑之一[5-6]。近年來，水肥一體化節(jié)水灌溉作為一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施得到了廣泛的推廣和應用，而如何通過科學的水肥灌溉措施來降低農(nóng)田溫室氣體排放是一個研究熱點。

水肥一體化會使農(nóng)田土壤經(jīng)歷更為頻繁的干濕交替循環(huán)，尤其是在干旱/半干旱地區(qū)。而諸多研究表明，干濕交替能加速土壤碳氮的釋放，主要表現(xiàn)為以溫室氣體（如CO2和N2O）排放和以礦化形態(tài)（如和）從土壤中淋失[7-8]。賀云龍等[9]和Huygens等[2]認為干旱土壤濕潤后，土壤CO2和N2O釋放量會激增，而隨著濕潤土壤再干旱，釋放速率急速下降[2，9]。歐陽揚等發(fā)現(xiàn)干旱土壤再濕潤對CO2的釋放有相似的激發(fā)效應[10]。Fraser等在研究干濕交替對農(nóng)田土壤的影響試驗中，也發(fā)現(xiàn)了干旱土壤再濕潤可以激發(fā)CO2的釋放[11]。近幾年，國內(nèi)外對土壤遭受干濕交替的研究逐步深入，涉及到中度、輕度和重度干旱等因素，不同類型土壤酶活性對干濕交替的響應機制等研究[12-13]；然而，土壤中氮礦化機制對干濕交替的響應機制仍不清晰[14]，更少涉及到農(nóng)田土壤氮循環(huán)的研究。此外，已有的干濕交替研究更多地關(guān)注單一因素的作用，而非多因子交互作用[15]。土壤中的碳氮并不是孤立存在的，在各種外界環(huán)境改變的狀態(tài)下，干濕交替條件下碳的響應往往是伴隨著其他元素的變化而一起變化。因此，深入探討干濕交替與其他因子耦合對碳氮轉(zhuǎn)化的影響是十分必要的。本文以潮土為研究對象，通過進行干濕交替與外加氮源下農(nóng)田土壤的碳氮動態(tài)變化和溫室氣體（CO2和N2O）排放的研究，為制定科學的水氮管理措施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體減排措施提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣分別取自中國農(nóng)業(yè)科學院七里營綜合試驗基地（35°08′N，113°45′E，海拔81 m）和河南省沁陽市廣利灌區(qū)（35°40′N，112°55′E，海拔150 m），兩地都位于半干旱、半濕潤的暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。七里營試驗區(qū)的潮土起源于黃河沖積沉積物，屬于典型的堿性砂壤土；廣利灌區(qū)的潮土屬于典型的堿性黏壤土，質(zhì)地黏重，耕性差，通氣透水性差。使用直徑4 cm的土鉆采集上層0～40 cm深度的土樣，隨機取60鉆后混合。一部分土樣（約3 kg）裝入自封袋，然后立即放入裝有冰塊的保溫箱中，帶回實驗室在4℃下保存；剩余的土壤裝入布袋帶回實驗室，剔除植物殘體和石塊，用靜電吸附去除細小的植物須根，風干后過4 mm篩備用。另一部分用于培養(yǎng)試驗和測定土壤基本理化性質(zhì)。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設計

培養(yǎng)試驗在中國農(nóng)業(yè)科學院七里營試驗基地的人工氣候室內(nèi)進行。稱取相當于100 g烘干質(zhì)量的風干土分別按密度1.51、1.48 g·cm-3填裝于500 mL塑料瓶中，蓋子上鉆有一個小孔，利于注射器采集氣體樣品；用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至土壤持水量的70%，置于25℃下培養(yǎng)7 d（平衡培養(yǎng)）以恢復土壤生化性質(zhì)，之后開始干濕交替培養(yǎng)試驗。本試驗設置氮濃度和干濕循環(huán)兩個因素，其中干濕循環(huán)頻率設4個水平，分別為0（即恒濕，作為對照）、2、6、12。干旱是指使土壤干燥到35%土壤持水量（WHC），濕潤期指的是土壤濕度維持在70%WHC，培養(yǎng)過程中喪失的水分通過稱量來補充。干濕循環(huán)和試驗流程詳見圖1。

同一干濕頻率中，一個處理不加氮，另一個處理加氮（采用含氮量為46.67%的尿素）。砂壤土中對應干濕頻率添加的外源氮濃度分別為4、15、5、2.5 g·L-1（N）；黏壤土中對應干濕頻率添加的外源氮濃度分別為5、12、4、2 g·L-1（N）。同一土壤培養(yǎng)試驗共有8個處理，每個處理3次重復。外加氮頻率和溶液濃度見表2。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties

圖1 土壤干濕循環(huán)、取樣時間和試驗流程示意圖Figure 1 Schematic of the drying-rewetting cycles and sampling times and testing flow

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH值用酸度計測定，土壤全氮含量用凱氏定氮法測定，土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測定，土壤粒徑分布采用激光粒度儀（Mastersizer 2000）測定[16]；土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法[17]測定；土壤持水量（WHC）和土壤容重采用Fierer和Schimel的方法測定[7]。

第一次和最后一次循環(huán)濕潤期結(jié)束時，采集土壤樣品，一部分用于測定和（新鮮土樣置于4℃冰箱保存），一部分測定土壤可溶性有機碳。取10 g新鮮土壤樣品放入50 ml三角瓶中，加入50 mL的濃度為2 mol·L-1的KCl溶液（優(yōu)級純GR），室溫下將混合液振蕩15 min（200 r·min-1），提取上清液用于和含量分析，使用AA3-HR連續(xù)流動分析儀（德國，Seal Analgtical）測定土壤中和含量。稱取10 g（干土質(zhì)量）新鮮土樣，放入150 mL的離心管中，加入50 mL去離子水，常溫下以250 r·min-1振蕩60 min，之后，在3000 r·min-1下離心10 min，取上部懸浮液過0.45 μm微孔濾膜，用Vario TOC-CUBE有機C分析儀（德國，Elementar）測定浸提的上清液中的可溶性有機碳含量，即為可溶性有機碳含量[18]。

1.3.3 CO2和N2O排放量測定

在每一次濕潤開始和結(jié)束（濕潤階段培養(yǎng)瓶完全密封）使用注射器（30 mL）抽取培養(yǎng)裝置內(nèi)的氣體樣品，采用氣相色譜儀器（GC-2010 plus，日本島津）測定土壤CO2和N2O的排放量，并參照Lang等的CO2和N2O排放的數(shù)學模型[19]，通過公式（1）計算：

式中：F為溫室氣體排放速率：CO2（mg CO2-C·g-1·d-1）和N2O（μg N2O-N·kg-1·d-1）；V是培養(yǎng)瓶上部空間體積，L；C1和C2分別代表土樣和空白培養(yǎng)瓶中溫室氣體濃度，mg·kg-1；T是培養(yǎng)溫度（25℃）；M代表溫室氣體分子量（CO2-C為12，N2O-N為28）；W代表土樣質(zhì)量（干），g；t代表培養(yǎng)瓶密封時間，d。

表2 氮溶液濃度和添加頻率Table 2 Concentration and frequency of nitrogen addition

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007及Origin 8.5做圖；利用DPS12.50軟件不同處理間的差異進行方差分析，差異顯著性水平（P＜0.05）通過最小顯著差數(shù)法（LSD）進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2釋放規(guī)律

2.1.1 每個再濕潤階段CO2釋放速率的動態(tài)變化

砂壤土和黏壤土干濕循環(huán)各處理的CO2釋放速率都高于與之對應的恒濕組（圖2）。在砂壤土和黏壤土處理中，12循環(huán)處理的CO2釋放速率的變化趨勢與恒濕處理相似，都是在培養(yǎng)的前30 d有明顯的下降趨勢，然后趨于平穩(wěn)。而在砂壤土加氮處理中，12循環(huán)-N與恒濕-N處理的CO2釋放速率在整個培養(yǎng)周期呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；在砂壤土加氮處理中，12循環(huán)-N與恒濕-N處理的CO2釋放速率在整個培養(yǎng)末期趨于平穩(wěn)。

圖2 干濕交替下每個再濕潤階段CO2釋放速率變化Figure 2 Dynamics of soil CO2release rate during each re-wetting phrase of drying-wetting cycles

從總體分析，干濕循環(huán)中干旱期越長，再濕潤階段CO2的釋放速率越大。通過對同一種土壤第一次和最后一次CO2的釋放速率進行差異性分析（表3），外源N的恒濕和干濕組處理的CO2釋放速率都高于與之對應未加氮的恒濕和干濕組處理（圖2）。相同處理下，第一次循環(huán)砂壤土和黏壤土的CO2釋放速率之間差異顯著，并且第一次循環(huán)砂壤土的CO2釋放速率顯著高于黏壤土（表3）；最后一次砂壤土的CO2釋放速率同樣高于黏壤土。兩種農(nóng)田土壤中砂壤土的CO2釋放速率顯著高于黏壤土，說明砂壤土CO2釋放變化對干濕交替的響應更為強烈（圖2）。總之，2種不同農(nóng)田土壤CO2釋放速率的變化模式一致。

兩種農(nóng)田土壤，雖然添加氮都促進了CO2的釋放，但添加氮對砂壤土CO2的釋放激發(fā)效應要比黏壤土強烈。在黏壤土中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的CO2平均釋放速率分別比未加氮源處理的CO2平均釋放速率提高了37.14%、41.12%、48.33%和23.29%；在砂壤土中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的CO2平均釋放速率分別比未加氮源處理的CO2的平均釋放速率提高了45.62%、47.66%、73.36%和49.30%。在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長（2循環(huán)組），外加N源對土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應越強。

2.1.2 干濕交替對土壤可溶性有機碳（DOC）的影響

本試驗條件下，砂壤土和黏壤土各處理在最后一次循環(huán)時的DOC含量相比于初始和第一次循環(huán)顯著增加，并且從表4看出，砂壤土各處理的DOC含量在整體上都略高于黏壤土，表明砂壤土中難溶性有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOC速率更高些，砂壤土對干濕交替響應的更為強烈。砂壤土和黏壤土中的各12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N等處理DOC含量都低于對應的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕等處理，說明外加N源能加速DOC的消耗。在最后一次循環(huán)時，砂壤土和黏壤土的2循環(huán)處理的DOC含量最高，2循環(huán)-N處理的DOC含量次之；最后一次循環(huán)時，砂壤土6循環(huán)處理和恒濕處理之間差異不顯著，砂壤土6循環(huán)-N處理和恒濕-N處理之間同樣差異不顯著，兩處理組中的DOC含量非常接近；最后一次循環(huán)時，黏壤土6循環(huán)處理與恒濕處理之間差異不顯著，6循環(huán)-N處理DOC含量顯著高于恒濕-N處理。

2.2 N2O的釋放

2.2.1 每個再濕潤階段N2O釋放速率的動態(tài)變化

砂壤土和黏壤土在首次和最后一次循環(huán)時各處理的N2O釋放速率之間的差異顯著，并且加氮各處理的N2O釋放速率顯著高于未加氮處理（圖3，表5）；在砂壤土和黏壤土中，外加N源提高了恒濕和干濕組處理的N2O釋放速率。砂壤土和黏壤土的干濕交替處理N2O釋放速率都高于與之對應的恒濕組（圖3）。在砂壤土和黏壤土中，對比各恒濕組和干濕組處理，發(fā)現(xiàn)除了2循環(huán)-N和2循環(huán)處理外，其他處理的N2O釋放速率均呈現(xiàn)逐漸較少的趨勢。在砂壤土和黏壤土中，12循環(huán)處理的N2O釋放速率在培養(yǎng)的前30 d有明顯的下降趨勢，然后趨于平穩(wěn)，并在培養(yǎng)后期，12循環(huán)處理的N2O釋放速率的變化趨勢與恒濕處理一致。在砂壤土和黏壤土中，12循環(huán)-N處理的N2O釋放速率則與6循環(huán)處理的變化趨勢較相似。

表3 各處理土壤CO2釋放速率的變化（mg C-CO2·g-1soil·d-1）Table 3 Variations of CO2release rate from the two soils in different treatments（mg C-CO2·g-1soil·d-1）

表4 各處理土壤可溶性有機碳的變化（mg·kg-1）Table 4 Variations of dissolved organic carbon in the two soils in different treatments（mg·kg-1）

圖3 干濕交替下每個濕潤階段N2O釋放速率Figure 3 Dynamics of soil N2O release rate during each re-wetting phrase of drying-wetting cycles

在培養(yǎng)前期，砂壤土和黏壤土中干濕循環(huán)中干旱期越短，再濕潤階段N2O的釋放速率越大；在培養(yǎng)后期，砂壤土和黏壤土中各處理的N2O釋放速率變化與對應各處理的CO2釋放規(guī)律一致，釋放速率都是隨著干旱期增長而增加。相同處理下，第一次循環(huán)時砂壤土和黏壤土中除了2循環(huán)-N外各處理的N2O釋放速率之間差異顯著（表3），最后一次循環(huán)時砂壤土和黏壤土中除了12循環(huán)外各處理的N2O釋放速率之間的差異顯著（表3）。總體來看，黏壤土的N2O釋放速率低于與之相同處理的砂壤土N2O釋放速率。

表5 各處理土壤N2O釋放速率的變化（mg N-N2O·kg-1soil·d-1）Table 5 Variations of N2O release rate from the two soils in different treatments（mg N-N2O·kg-1soil·d-1）

兩種農(nóng)田土壤中，相比于黏壤土，在砂壤土中添加氮源更能促進N2O的釋放。在黏壤土壤中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的N2O平均釋放速率分別比未加氮源處理的N2O平均釋放速率提高了46.96%、51.48%、60.42% 和58.07%；在砂壤土壤中，12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N的N2O平均釋放速率分別比未加氮源處理的N2O平均釋放速率提高了61.87%、68.27%、70.11%和85.44%。由此可以看出，在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥頻率越高，外加N源對土壤N2O釋放速率的激發(fā)效應越強。

如圖4所示，砂壤土和黏壤土各處理第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)再濕潤階段土壤無機氮（和）含量變化?？傮w來看，砂壤土各處理的第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)無機氮（和）含量高于黏壤土，說明干濕交替更能加速砂壤土有機氮的礦化速率，添加的有機氮在砂壤土中更易被轉(zhuǎn)化；砂壤土和黏壤土中的各12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N等處理無機氮（和）含量都高于對應的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕等處理。對比第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)再濕潤階段土壤的和含量，可以發(fā)現(xiàn)通過持續(xù)的恒濕處理和多次的干濕循環(huán)處理后，土壤的無機氮含量都有所增加，12循環(huán)組處理無機氮含量（和）增加最為顯著。在12循環(huán)、6循環(huán)和2循環(huán)等處理中，砂壤土和黏壤土的無機氮（和）含量隨著干濕頻率的遞增而增加，表明干濕循環(huán)能顯著增加土壤中氮的礦化速率，并且干濕頻率越高效應越顯著；而在12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2-循環(huán)-N處理中，砂壤土和黏壤土的無機氮（和）含量高于與之對應的未加氮處理，表明外加氮源顯著增加了各處理土壤中無機氮的含量。

2.3 土壤可溶性有機碳、無機氮（和）及 CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系

選取砂壤土和黏壤土整個試驗周期內(nèi)每次復水后各處理的土壤可溶性有機碳、無機氮（和）及CO2、N2O釋放速率進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。砂壤土的CO2釋放速率與N2O釋放速率、呈極顯著正相關(guān)，而與可溶性有機碳和呈顯著相關(guān)性；黏壤土的CO2釋放速率與N2O釋放速率、呈極顯著正相關(guān)，與可溶性有機碳呈顯著相關(guān)性。砂壤土和黏壤土的N2O釋放速率都與、顯著正相關(guān)。

2.4 CO2和N2O釋放積累總量

圖4干濕交替對土壤無機氮（NO-3和NH+4）的影響Figure 4 Effects of drying-wetting treatments on soil inorganic nitrogen（NO-3and NH+4）content

圖5 為干濕循環(huán)和恒濕對照處理在整個試驗培養(yǎng)周期內(nèi)的土壤CO2和N2O釋放的積累量。砂壤土和黏壤土的加氮各處理的CO2和N2O釋放的積累量都高于未加氮處理，總體呈現(xiàn)恒濕-N處理＞12循環(huán)-N＞恒濕＞6循環(huán)-N＞12循環(huán)＞6循環(huán)＞2循環(huán)-N＞2循環(huán)，而且砂壤土的CO2和N2O釋放積累量增加最為顯著。在砂壤土中，恒濕對照的土壤CO2釋放的積累量492.54 μg C-CO2·g-1土與之對應的12-循環(huán)的積累量為376.10 μg C-CO2·g-1土，增加了30.96%；恒濕-N對照的土壤CO2釋放的積累量為706.56 μg C-CO2·g-1土與之對應的12循環(huán)-N的積累量為532.23 μg C-CO2·g土，增加了32.75%。砂壤土中，恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對應的恒濕處理的積累量增加了43.45%；12循環(huán)-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對應的12循環(huán)的積累量增加了41.51%。在黏壤土中，恒濕對照的土壤CO2釋放的積累量410.36 μg CCO2·g-1土與之對應的12-循環(huán)的積累量為320.84 μg C-CO2·g-1土，增加了27.90%；恒濕-N對照的土壤CO2釋放的積累量為 508.39 μg C-CO2·g-1土，與之對應的12循環(huán)-N的積累量為444.24 μg C-CO2·g-1土，增加了14.45%；黏壤土中，恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對應的恒濕處理的積累量410.36 μg C-CO2·g-1土，增加了23.89%；12循環(huán)-N的土壤CO2釋放的積累量比與之對應的12循環(huán)的積累量增加了38.46%。由圖5可以看出，外加氮處理能夠增加土壤中N2O的釋放總量，其中砂壤土表現(xiàn)得最為顯著，如恒濕-N的土壤N2O釋放的積累量為23.33 μg N-N2O·g-1土，與之對應的恒濕處理的積累量為14.13 μg NNO2·g-1土，增加了65.51%；12循環(huán)-N的土壤N2O釋放的積累量為17.50 μg N-N2O·g-1土，與之對應的12循環(huán)的積累量為 9.95 μg N-NO2·g-1土，增加了75.84%。在黏壤土中，恒濕-N的土壤N2O釋放的積累量 18.36 μg N-NO2·g-1土，與之對應的恒濕處理的積累量為12.81 μg N-NO2·g-1土，增加了 43.33%；12循環(huán)-N的土壤N2O釋放的積累量為15.10 μg N-NO2·g-1土，與之對應的12循環(huán)的積累量為10.09 μg NNO2·g-1土，增加了49.53%。在砂壤土中，恒濕對照的土壤N2O釋放的積累量比與之對應的12-循環(huán)的積累量增加了42.01%；恒濕-N對照的土壤N2O釋放的積累量比與之對應的12循環(huán)-N的積累量增加了33.31%。在黏壤土中，恒濕對照的土壤N2O釋放的積累量比與之對應的12-循環(huán)的積累量增加了26.96%；恒濕-N對照的土壤N2O釋放的積累量比與之對應的12循環(huán)-N的積累量增加了21.59%。圖中還可以看出，在黏壤土和砂壤土中，6循環(huán)-N的N2O釋放的積累量與12循環(huán)的釋放積累量非常接近。

表6 土壤可溶性有機碳、無機氮（和）及CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation of soil dissolved organic carbon and inorganic nitrogen（/）and soil CO2and N2O release rate

表6 土壤可溶性有機碳、無機氮（和）及CO2、N2O釋放速率的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation of soil dissolved organic carbon and inorganic nitrogen（/）and soil CO2and N2O release rate

注：*表示在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在P＜0.01水平上顯著相關(guān)。Note：*represent significant correlation among treatments at 0.05 level，**represent significant correlation among treatments at 0.01 level.

NO-3含量NH+4含量砂壤土N2O釋放速率N2O release rate 0.796**1 CO2釋放速率N2O釋放速率可溶性有機碳DOC NO-3含量NH+4含量CO2釋放速率N2O釋放速率可溶性有機碳DOC NO-3含量NH+4含量0.748**0.589*0.308 0.729**1 0.628**0.586*0.461 0.748**1 CO2釋放速率CO2release rate 1可溶性有機碳Dissolved organic carbon 0.568*0.599*1 0.619*0.578*0.407 1黏壤土10.928**1 0.605*0.316 1 0.496 0.601*0.415 1

圖5 土壤CO2/N2O釋放在整個培養(yǎng)階段的積累量Figure 5 Cumulative CO2and N2O emissions from the two soils in the different drying-wetting treatments

3 討論

3.1 干濕交替對土壤CO2釋放和有機碳礦化的影響

干濕交替能夠顯著激發(fā)土壤CO2釋放（圖2）。有研究表明，干旱土壤再濕潤后，土壤CO2釋放量能夠激增至原來的2～10倍[20]；隨著濕潤土壤再干旱，土壤CO2釋放速率急速降低[21]。本研究中，砂壤土和黏壤土等農(nóng)田土壤中CO2的釋放對干濕交替的響應都表現(xiàn)出類似的激發(fā)現(xiàn)象，并且砂壤土CO2的釋放變化對干濕交替的響應更為強烈。

砂壤土CO2的釋放速率高于黏壤土，可能是由于砂壤土性質(zhì)則介于砂土與黏土之間，土粒之間孔隙較大，通氣透水性好。有研究表明，當黏土顆粒間水分的排出，顆粒之間相互靠攏以及顆粒間距縮短而引起的體積收縮，黏土顆粒集聚[22]，這種結(jié)果增加了難溶性有機質(zhì)轉(zhuǎn)化被微生物直接利用的難度。干燥土壤再次復水時，添加的水會導致土塊的快速崩潰，把以前形成的干燥裂縫快速閉合[23]，最終導致在土壤濕潤階段土壤孔隙封閉，抑制了溫室氣體的排放。因此，本試驗條件下同一處理下的砂壤土CO2和N2O釋放積累量增加得最為顯著。但是在整個培養(yǎng)周期內(nèi)，本研究中砂壤土和黏壤土的CO2和N2O的釋放累積量呈現(xiàn)恒濕-N＞12循環(huán)-N＞恒濕＞6循環(huán)-N＞12循環(huán)＞6循環(huán)＞2循環(huán)-N＞2循環(huán)（圖5）。水分是影響土壤CO2和N2O釋放速率的主要因素之一，隨著濕潤土壤再干旱，土壤CO2釋放速率急速降低[24]，因而在整個試驗培養(yǎng)周期內(nèi)，恒濕處理的CO2和N2O釋放速率維持在一個穩(wěn)定且較高的水平。在本文中，砂壤土恒濕-N的土壤CO2釋放的積累量比對應的恒濕處理的積累量增加了43.45%，12循環(huán)-N的CO2積累量比對應的12循環(huán)增加了41.51%；黏壤土恒濕-N的CO2積累量比對應的恒濕處理增加了23.89%，12循環(huán)-N的積累量比對應的12循環(huán)的積累量增加了38.46%。這些研究結(jié)果均說明外加氮源促進了土壤CO2的釋放。

可溶性有機碳（DOC）雖僅占土壤有機碳庫的一小部分，但作為微生物的重要能量來源，其含量直接影響微生物數(shù)量及其活性，并且與溫室氣體排放密切相關(guān)[25-26]。砂壤土和黏壤土的CO2釋放速率都與DOC呈顯著相關(guān)（表3），即DOC含量越高，CO2釋放速率越高。有研究表明，干旱后土壤再濕潤會使得微生物調(diào)節(jié)滲透壓以排出含碳化合物，同時土壤再濕潤后土壤顆粒裂解，裸露出更多的有機質(zhì)被微生物得以利用，最終導致DOC濃度在短期內(nèi)迅速升高[27]。本試驗研究中，砂壤土和黏壤土的12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2循環(huán)-N等處理在第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)時的DOC含量整體上高于恒濕對照的，表明12循環(huán)-N、6循環(huán)-N和2循環(huán)-N等處理土壤中難溶性有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOC速率更高些，說明干濕交替提高了土壤中碳的礦化速率，并且砂壤土中碳的礦化速率對干濕交替響應的更為顯著。本試驗條件下，外加氮源促進了CO2的釋放，并且在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長，外加N源對土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應越強。有研究表明，在實際的生產(chǎn)中，施用化肥氮也可以促進農(nóng)田土壤CO2的排放，如李曉密等研究不同施肥下冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田溫室氣體排放時發(fā)現(xiàn)施氮增加CO2的排放，并且尿素區(qū)＞硝態(tài)氮肥區(qū)[28]；王永生等研究發(fā)現(xiàn)施氮能顯著增加寧夏引黃灌區(qū)稻田CO2的排放[29]。添加氮源能夠促進土壤CO2排放的原因在于：N源的添加降低了外源性物質(zhì)的C/N，增加了可礦化態(tài)碳的潛力，加快了微生物量的周轉(zhuǎn)速度，促進了有機質(zhì)的礦化過程[30]。從本試驗的結(jié)果來看，干濕交替能夠顯著激發(fā)砂壤土和黏壤土中CO2釋放，并且是干濕頻率越高，土壤有機碳礦化率越高。Borken和王苑等的研究也得出了相似的規(guī)律[31-32]。在兩種農(nóng)田土壤處理中，干燥期越長，外加N源對土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應越強。

3.2 干濕交替對土壤N2O的釋放和有機氮礦化的影響

干濕交替使得土壤頻繁的經(jīng)歷干旱和濕潤過程，也使得硝化作用和反硝化作用交替進行，從而促進了N2O的產(chǎn)生和氮的礦化[33-34]。在本試驗條件下，干濕交替能夠顯著激發(fā)土壤N2O的釋放。這與劉學華和Beare等的研究結(jié)果相似[34-35]。研究表明干濕交替增加了微生物的死亡量并破壞了土壤環(huán)境和有機物間的相互作用，使得土壤中氮的礦化量增加，而且土壤的硝化和反硝化量顯著高于長期濕潤的土壤[7]；也有研究表明，稻田土壤落干階段的N2O的排放遠大于田間淹水時期的N2O排放量。其原因可能是稻田中土壤含水量較高時（淹水）N2O的排放主要來自于反硝化作用，在落干階段N2O的排放要來自于硝化和反硝化，同時落干階段微生物更活躍[36]。本文中砂壤土和黏壤土2種農(nóng)田土壤的N2O釋放變化對干濕交替的響應都表現(xiàn)出類似的激發(fā)現(xiàn)象，并且砂壤土中N2O的釋放對干濕交替的響應更為強烈。培養(yǎng)前期，砂壤土和黏壤土處理的干濕頻率越高其土壤N2O的釋放速率也越高，與歐陽揚在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行的的試驗結(jié)果相似[10]。有研究表明，氮肥的施用對農(nóng)田土壤N2O的排放有明顯的促進作用[37-38]。在本試驗條件下，砂壤土和黏壤土中的12循環(huán)-N、6循環(huán)-N、2循環(huán)-N和恒濕-N處理N2O的釋放速率都高于對應的12循環(huán)、6循環(huán)、2循環(huán)和恒濕處理。在砂壤土中，恒濕-N的N2O釋放的積累比對應的恒濕處理增加了65.51%，12循環(huán)-N的N2O積累量比對應的12循環(huán)增加了75.84%；在黏壤土中，恒濕-N的N2O釋放積累量比對應的恒濕處理增加了43.33%。這12循環(huán)-N的積累量比對應的12循環(huán)增加了49.53%。這說明外加N源能提高N2O的釋放速率，并且砂壤土增加的最為顯著；并且是干燥期越短、外加N源對土壤N2O釋放速率的激增效應越顯著，分析其原因認為：（1）是因為經(jīng)過多次的干濕交替后土壤團粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，暴露給微生物的有機質(zhì)會進一步增加，從而增加了土壤養(yǎng)分的生物可利用性[31，39]；（2）是12循環(huán)處理的干旱期最短并不會導致微生物的大量死亡也不會抑制微生物的活性[40-41]，也可能和本試驗條件下設置的干燥程度較弱，使得微生物能保持活性且能高效利用土壤中裸露出的有機質(zhì)和復水時所加的N源有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）干濕交替激發(fā)了砂壤土和黏壤土的CO2和N2O的釋放速率；兩種農(nóng)田土壤中CO2和N2O的釋放速率對干濕交替頻率的響應模式相類似；在相同處理下，砂壤土的碳氮礦化速率對干濕頻率的響應更為強烈。

（2）外加氮源都促進了2種農(nóng)田土壤的CO2和N2O釋放量：干燥期越長，外加N源對土壤CO2釋放速率的激發(fā)效應越強；干燥期越短，外加N源對土壤N2O釋放速率的激發(fā)效應越強。

（3）干濕交替增加了砂壤土和黏壤土中可溶性有機碳和無機氮（和的含量。在農(nóng)田實際生產(chǎn)中，高頻干濕循環(huán)導致土壤中可溶性有機碳和無機氮（和）的含量增多，增大了無機氮和）淋失和溫室氣體（CO2和N2O）排放的可能性。