不同減氮措施對設施番茄氧化亞氮排放的影響?

張元璐，王立剛，張鳳華，李虎，張婧，王艷麗（.石河子大學農學院資源與環境科學系，新疆石河子83000；.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究）

不同減氮措施對設施番茄氧化亞氮排放的影響?

張元璐1，王立剛2*，張鳳華1，李虎2，張婧2，王艷麗2
（1.石河子大學農學院資源與環境科學系，新疆石河子832000；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究）

以北京郊區設施番茄地種植模式為例，通過田間試驗，研究了不同的減氮施肥處理（不施氮肥CK、農民常規施肥FP、減量施氮OPT、減量施氮+硝化抑制劑OPTD）對N2O排放的影響。結果表明，每次施肥和灌溉后，設施番茄地會出現短而強的N2O排放峰，持續時間通常為3～6d，不同處理的N2O排放總量表現為FP＞OPT＞OPTD＞CK。施肥造成的土壤N2O排放系數為0.29%～0.74%，均低于IPCC默認值1%。在保證產量的前提下，減氮措施能夠有效的減少N2O的排放。

番茄；氧化亞氮；排放

近年來，隨著人民需求的增加和農業產業結構的調整，大中城市郊區的糧田逐漸轉換為設施蔬菜地[1]。由于設施蔬菜地屬于高投入獲得高產出的生產體系，相對于其它營養元素，氮素具有更加突出的增產作用[2]。因此，長期以來設施蔬菜的生產方式一直是以施用大量氮肥來維持高產。大棚的塑料薄膜覆蓋阻斷了雨水對土壤的淋洗，具有高溫高濕的內部環境，大量施用化肥，以及有機肥料投入量少，再加上多茬連作，很難引進大型機械耕翻等原因，很容易造成N2O排放量增加等問題。而溫室氣體氧化亞氮（N2O）被認為是21世紀破壞臭氧層的最大影響因子，其增溫潛勢是CO2的296倍，并且還具有滯留時間長的特點[3]。有研究表明，設施栽培土壤N2O排放通量明顯高于露地栽培土壤，高達1.39倍[4]。因此，明確設施蔬菜地氧化亞氮排放特征，提出合理的減排措施，對大氣污染、提高氮肥利用率等具有重要的意義。已有研究表明，施用硝化抑制劑雙氰胺（DCD）可以顯著的降低溫室黃瓜N2O氣體的排放[5]，較長時間內使土壤銨態氮含量保持相對較高水平，并且減少硝態氮的淋失量，但目前有關硝化抑制劑（DCD）的研究在設施蔬菜田中較少。因此，本研究以京郊典型設施蔬菜地番茄種植模式為例，探討持續減氮，添加硝化抑制劑措施對N2O排放的影響，為設施蔬菜地的溫室氣體減排技術的提出提供科學依據，并對深入研究設施蔬菜地提高氮肥利用率，應對全球變化和保護環境具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試供材料

試驗于2014年2～7月在北京市的房山區竇店鎮的塑料試驗大棚進行。供試大棚長為150m，寬為7m。土壤質地為粉質壤土，肥力水平為中等，土壤容重為1.21g/cm3，表層土壤的有機質的含量為3.63%，全氮、全鉀及全磷的含量分別為0.21%、0.12%和1.65%，堿解氮、速效鉀及有效磷的含量分別為283.67mg/kg、371.83mg/kg和183.36mg/kg，pH值為7.74。

1.2 試驗設計

表1 各處理施氮量kg/hm2

本研究觀測時間為2014年2月28日至2014 年7月10日，種植作物為番茄。試驗采用隨機區組設計，共設4個不同的減氮處理，分別是不施氮肥處理（CK）、農民常規施肥處理（FP）、減量施氮處理（OPT）、減量施氮+硝化抑制劑處理（OPTD）。每個處理設置3個重復，共計12個試驗小區，每個小區面積為60m2。各處理氮肥用量如表1所示，化學氮肥品種為含氮量為46.4%的尿素，鉀肥為硫酸鉀，K2O含量為51%，磷肥為過磷酸鈣，P2O5含量為12%。試驗開始前測定有機肥（牛糞）中的含水量及含氮量，分別為41.59%、1.33%。

表2 不同減氮措施下N2O的平均排放通量、排放總量、排放系數及產量

化學氮肥和鉀肥分5次施用，于2月26日將20%作為基肥施入，其余部分在4月21日、5月11日、5月23日、6月11日分別按20%的比例追施；有機肥和磷肥作為基肥在番茄種植前一次性施入。

OPTD處理的雙氰胺（DCD）施用總量為化學氮肥的5%，分2次施用，基肥50%，第1次追肥50%。施肥灌溉方式同農民常規施肥方式，基肥為撒施后旋耕入土，追肥為先將肥料溶于水，后隨水沖施。

1.3 測定項目與方法

根據氣體濃度隨時間的變化速率計算N2O氣體排放通量。氣體通量（F）計算公式為：

（1）式中，F為N2O的排放通量（mg/m2·h），F為負值表示土壤從大氣中吸收該氣體，為正值表示土壤向大氣排放該氣體；ρ為標準大氣壓下N2O氣體的密度（g/L）；H為采樣箱內氣室高度（cm）；T為采樣箱內氣溫（℃）；P為采樣時氣壓（mmHg）；P0為標準大氣壓（mmHg）；P/P0≈1；dc/dt為采樣箱內N2O -N濃度的變化速率（μl/L/h）。

未觀測日期的排放通量用相鄰2次觀測值的平均值來計算（內插法），將觀測值和未觀測日計算值逐日累加得到N2O排放總量。

2 結果與分析

2.1 不同減氮措施N2O排放規律

在番茄生長期間，除不施氮肥處理外，不同施肥處理N2O排放規律基本一致，均呈“脈沖式”排放（圖1），且N2O排放峰值均發生在施肥+灌溉事件后，但單獨灌溉并沒有引起明顯的N2O排放峰值，其余時間N2O排放通量波動較小。在番茄定植初期，N2O排放時間較長，一般持續時間為7～11d，且最高值達到了5.31m/（m2·h）,這是由于在番茄定植期間，人為的對土壤進行翻耕，影響了土壤通氣狀況和微生物活性，并且此時土壤具有微生物活動的最適溫度范圍（16.6～21.6℃）和濕度范圍（WFPS：58.8%～66.6%），而作為底肥施入大量有機肥和化肥，使土壤中的有機質和氮素含量迅速提高，為N2O排放提供了充足的底物，由于番茄處在幼苗期，其根系和植株都尚未發育完全，對土壤中的氮素吸收利用效率較低，致使定植期土壤N2O排放峰值持續時間較長。在番茄追肥+灌溉后，N2O排放時間較短促，一般持續3～6d，但是單獨灌溉（3月10日）并沒有引起明顯的N2O排放，可能是因為灌溉時底物濃度較低，影響了N2O的產生與排放。

本試驗中，各處理的N2O平均排放通量介于0.02～0.31mg/（m2·h）之間，其平均排放通量大小為FP＞OPT＞OPTD＞CK。FP處理的平均排放通量明顯高于其他處理，分別高出OPT處理2.21倍，OPTD處理3.1倍，CK處理15.5倍。與其他處理相比，CK處理的N2O平均排放通量最低，為0.02mg/（m2·h），原因是土壤中未投入氮素使其濃度較低所致。在整個生長季中，FP、OPT、OPTD和CK處理的N2O排放通量范圍分別為-0.001～10.798mg/（m2·h）、-0.202 ～5.095mg/（m2·h）、0.020～2.328mg/（m2·h）、-0.091 ～0.505mg/（m2·h）。

圖1 不同減氮措施下設施蔬菜地N2O排放通量的變化規律（箭頭表示施肥）

2.2 設施番茄N2O排放總量及排放系數

在設施蔬菜地，施氮提高了土壤的N2O排放總量，番茄生長季中土壤N2O排放總量均隨著施氮水平的提高而增加，且在不同減氮處理之間，土壤N2O排放總量差異達顯著性水平（表2）。CK、FP、OPT、OPTD各處理的N2O排放總量分別為0.86±0.14kg N/hm2、12.32±1.28kgN/hm2、5.45±0.62kgN/hm2、4.01±0.15kgN/hm2。相對于FP處理、OPT、OPTD處理在減少60%化肥氮的情況下，氧化亞氮排放總量分別減少了55.73%和67.44%。各處理排放系數介于0.29%～0.74%之間。本試驗各處理的排放系數均低于IPCC默認的1%，農民常規處理為0.74%，最接近IPCC默認值，其余減氮施肥處理均顯著低于默認值。

2.3 不同減氮措施對番茄產量的影響

由表2可以看出，不同減氮措施設施蔬菜地番茄產量之間均無顯著性差異，這表明在現行農民常規施肥處理下，設施番茄地具有一定的減氮潛力。

3 小結

（1）施肥量決定了氧化亞氮峰值大小，施肥量越高，氧化亞氮排放峰值越高；（2）減量施氮處理與減量施氮+硝化抑制劑施肥處理均能有效的減少氧化亞氮的排放，其中添加硝化抑制劑處理減少幅度最大，為67.44%；（3）不同的減氮措施均能夠在保證產量的前提下有效減少氧化亞氮排放，因此，減氮對提高設施蔬菜地氮肥利用率，保護環境都有重要的意義。

[1]王朝輝，宗志強，李生秀，等.蔬菜的硝態氮累積及菜地土壤的硝態氮殘留[J].環境科學，2002，23（3）：79－83.

[2]Tremblay，ScharofHC，WeierUetal.Nitrogenmanagement infieldvegetableaguidetodifferentfertilization［J/OL］.Chinese weatherreport，2010（5）：56-60.

[3]石龍.WM公報稱2012年大氣中溫室氣體濃度再創新高［J/OL］.中國氣象報，2012（1）：1.

[4]張光亞，陳美慈，閔航，等.設施栽培土壤氧化亞氮釋放及硝化、反硝化細菌數量的研究[J].植物營養與肥料學報，2002，8（2）：239-243.

[5]林杉，馮明磊，阮雷雷，等.三峽庫區不同土地利用方式下土壤氧化亞氮排放及其影響因素[J].應用生態學報，2008，19 （6）：1269-1276.

2015—03—23

公益性行業（農業）科研專項，項目編號：201103039。

*通訊作者：王立剛（1974-），男，內蒙古赤峰市人，研究員，研究方向：農業生態系統碳氮循環。主要從事全球變化背景下農業生態系統碳氮循環規律研究。E-mail：wangligang@caas.cn。