水肥一體化條件下設(shè)施菜地的N2O排放

王艷麗, 李　虎, 孫　媛, 王立剛

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室，北京　100081

?

水肥一體化條件下設(shè)施菜地的N2O排放

王艷麗, 李虎, 孫媛, 王立剛*

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實驗室，北京100081

摘要:在保證作物產(chǎn)量的前提下，研究減少農(nóng)田土壤N2O排放的水肥統(tǒng)籌管理措施對全球溫室氣體減排具有重要意義。以京郊典型設(shè)施菜地為例，設(shè)置了農(nóng)民習(xí)慣(FP)、水肥一體化(FPD)、優(yōu)化水肥一體化(OPTD)和對照(CK)4個處理，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對果菜-葉菜(黃瓜-芹菜)輪作周期內(nèi)土壤N2O排放進行了觀測，并分析了氮肥施用量、灌溉方式、土壤溫度和濕度等因素對土壤N2O排放的影響。結(jié)果表明：在黃瓜-芹菜種植模式中，各施氮處理除基肥施用后N2O排放峰持續(xù)10—15d外，一般施肥、施肥+灌溉事件后土壤N2O排放峰均呈現(xiàn)3—5d短而急促的情形。黃瓜生長季N2O排放通量與土壤濕度(WFPS)之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)的關(guān)系；芹菜生長季N2O排放通量與土壤溫度之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)的關(guān)系。觀測期內(nèi)FP處理N2O排放量為(31.00±2.15) kg N/hm2，F(xiàn)PD處理與之相比N2O排放量減少了4.2%，而OPTD處理在減少40%化肥氮量的情況下，N2O累積排放量比FP處理減少了42.7%，且達到顯著水平。說明在水肥一體化條件下，合理改變施肥體系是減少N2O排放的前提，在此基礎(chǔ)上進行水肥優(yōu)化是設(shè)施菜地保持產(chǎn)量、減少N2O排放的重要技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：設(shè)施菜地；水肥一體化技術(shù)；N2O排放

N2O是一種重要的痕量溫室氣體[1]，其100a全球增溫潛勢是CO2的310倍[2]，在大氣中的壽命長達114a，遠高于另外兩種主要溫室氣體CO2和CH4[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是N2O主要排放源之一[4]，約占全球N2O年總排放量的35%[5]。我國是蔬菜生產(chǎn)和消費大國，與種植糧食作物的農(nóng)田相比，設(shè)施蔬菜地具有施肥量大、灌溉頻繁、復(fù)種指數(shù)高等特點，平均每公頃施氮量是大田作物的4.5—10倍[6- 7]，灌溉量達到4—7倍[8- 9]，不僅造成水肥資源利用率低，而且導(dǎo)致大量N2O排放(單位面積N2O排放量約是糧食作物的1.5—3.5倍[10- 13])，總體上呈現(xiàn)出高能耗、高排放和高污染等特征。近年來，我國蔬菜需求量呈現(xiàn)快速增長的趨勢，因此，探討不同管理方式下設(shè)施蔬菜系統(tǒng)N2O排放規(guī)律，對于準確核算該系統(tǒng)N2O排放量，編制我國農(nóng)田溫室氣體排放清單具有重要意義。

水肥一體化技術(shù)被認為是一種節(jié)水、節(jié)肥、減排的高效管理措施[14]，可提高水分和肥料利用效率分別高達110%[15]和80%[16]。這是因為與傳統(tǒng)的施肥方法相比，水肥一體化技術(shù)可以將水肥通過滴灌系統(tǒng)直接輸送到作物根區(qū)附近，保證養(yǎng)分被根系快速吸收，從而提高水肥的利用效率，獲得相當(dāng)或更高的作物產(chǎn)量。然而農(nóng)田N2O排放是一個極其復(fù)雜的過程，這些過程受多種因素的影響和制約，尤其在水肥一體化條件下人為高強度干擾下會更加復(fù)雜。高頻率的滴灌施肥通常能使土壤含水量和土壤營養(yǎng)元素保持在較高的狀態(tài)，而且滴頭和濕潤峰之間會形成一個水勢梯度和一個反向的空氣梯度[17- 18]，這勢必要影響土壤氣候條件以及土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化，進而影響土壤硝化- 反硝化反應(yīng)過程和N2O排放，勢必會影響對該管理措施下N2O排放的準確核算。Wu等在棉花地研究表明滴灌比漫灌減少36.1%N2O排放[19]，而Kallenbach研究表明施肥后60d內(nèi)深層滴灌和漫灌之間N2O排放無顯著差異[20]，王維漢等研究表明青椒整個生育期滴灌比漫灌N2O排放通量高出27.90%[21]。由此看來，目前對于設(shè)施菜地水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律及其排放量都尚不明確，因此，本研究以京郊典型設(shè)施菜地(黃瓜- 芹菜輪作模式)為例，探討水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律、排放總量及其主要影響因素，為科學(xué)評估設(shè)施菜地N2O排放提供數(shù)據(jù)支撐，為制定設(shè)施菜地溫室氣體綜合減排措施提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗地點位于北京市房山區(qū)竇店鎮(zhèn)蘆村蘆西園，地處東經(jīng)116°01′，北緯39°38′，屬于暖溫帶半濕潤半干旱性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫11.9℃，年平均降水量583mm,年相對濕度為61%，全年平均日照時數(shù)2554h。日光溫室是普通的半拱圓形塑料溫室，長為155m，寬6m。溫室塑料膜無色透明，在頂部和底部分別設(shè)有通風(fēng)口。初春、秋末以及寒冬在溫室塑料膜上覆蓋棉被，以保持夜間溫室內(nèi)溫度。本試驗開始之前該日光溫室連續(xù)4a種植蔬菜。本試驗種植模式為果菜-葉菜輪作(黃瓜-芹菜)，供試土壤為褐土，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤剖面基本理化性質(zhì)如表1。

1.2試驗設(shè)計

試驗設(shè)計了4個處理，分別為對照處理(CK)，農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)，水肥一體化處理(FPD)，優(yōu)化水肥一體化處理(OPTD)。每個處理3次重復(fù)，試驗小區(qū)面積為48 m2。黃瓜品種為中農(nóng)26，芹菜品種為文圖拉。黃瓜于2013年3月18日定植，7月16日拉秧；7月17日—9月14日之間為休閑季，不種植作物；芹菜于2013年9月15日定植，2014年1月14日一次收獲。

FP、FPD、OPTD處理施用有機肥用量相同，CK、FP、FPD、OPTD處理四個處理施用磷鉀肥用量相同，全部的有機肥和磷肥均做底肥，鉀肥和氮肥分基肥和追肥施用。黃瓜生長季有機肥用量為500kg N/hm2，有機肥(牛糞)含水量為41.59%，含氮量為1.33%，磷肥用量為120kg P2O5/hm2，鉀肥用量為200 kg K2O/hm2，芹菜生長季有機肥用量為500 kg N/hm2，有機肥(牛糞)含水量為60.13%，含氮量為0.94%，磷肥用量為120kg P2O5/hm2，鉀肥用量為180 kg K2O/hm2。兩季作物基肥均是撒施，翻耕，作物定植后漫灌；追肥時CK處理和FP處理用漫灌，肥料隨水沖施，而FPD處理和OPTD處理采用滴灌，肥料隨水滴入作物根部附近土壤，黃瓜生長季滴灌水量是漫灌的25%，芹菜生長季滴灌水量是漫灌的40%。FP和FPD處理化肥氮施用量均為700kg N/hm2，OPTD化肥氮素投入比之減少了40%。具體灌溉、化肥氮管理情況見表2。

日期：施氮量表示施肥日期和氮肥用量，日期為月-日，氮肥用量為以純氮計算的施肥量(kg N/hm2);CK代表不施氮肥處理; FP代表農(nóng)民習(xí)慣施肥處理; FPD代表水肥一體化處理; OPTD代表優(yōu)化水肥一體化處理

1.3氣體采集與測定

利用靜態(tài)箱-氣相色譜法對水肥一體化條件下設(shè)施菜地黃瓜-芹菜輪作周期內(nèi)土壤N2O排放通量進行觀測。采樣箱由頂箱、中斷和底座組成，由不銹鋼材料制成。采樣箱體根據(jù)設(shè)施菜地種植作物和耕作方式，在標(biāo)準采樣箱的基礎(chǔ)上進行了改進，頂箱和中斷箱箱體長70cm，寬80cm，高60cm，最大限度的保障氣體取樣代表性，箱體外用塑料泡沫包裹，頂箱內(nèi)部裝有攪拌空氣的小風(fēng)扇，保證箱體內(nèi)氣體均勻性，側(cè)面裝有風(fēng)扇電源插頭、氣體樣品接口和一個溫度傳感器，頂箱和中斷箱底部邊緣粘有密封條；當(dāng)植株生長超過60 cm時，增加中斷箱，且用4個鐵夾子將頂箱與中斷箱固定，既保證植株正常生長和順利取樣又可保證箱體密封性；底座長70 cm，寬80 cm，高25 cm，于定植前將其埋入地下。采樣時，將箱體置于底座上，用夾子將箱體和底座夾在一起，然后用100mL注射器在0，7，14，21，28 min抽取箱內(nèi)氣體于氣袋中，同時用JM624測土壤5 cm溫度，用TRIME-PICO64C測15 cm土層體積含水量，采樣結(jié)束后將采樣箱移開，將氣袋帶回實驗室測定。采樣時間一般為9:00—11:00，每周采樣1次；施肥和灌水后連續(xù)采樣，至各個處理和CK處理間N2O濃度沒有顯著差異時停止取樣。

氣袋中的樣品用Agilent 7890A氣相色譜儀分析N2O濃度，采用電子捕獲檢測器(ECD)分析N2O濃度。

1.4數(shù)據(jù)分析

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

式中，F(xiàn)為氣體的交換通量(g N2O-N m-2h-1)，F(xiàn)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(biāo)準大氣壓下N2O的密度(g/L)，H為采樣箱氣室高度(m)，T為采樣箱內(nèi)氣溫(℃)，P為采樣時氣壓(mm Hg)，P0為標(biāo)準大氣壓(mm Hg)，dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O-N濃度的變化速率(μL L-1h-1)，t為扣箱后時間(h)，對c/t求導(dǎo)數(shù)即是氣體濃度的變化速率。

利用內(nèi)插法計算相鄰兩次監(jiān)測之間未監(jiān)測日期的排放總量，然后將每天的交換通量累加即可得到年度氣體排放總量。

N2O排放強度指形成單位經(jīng)濟產(chǎn)量N2O排放量，即N2O排放總量與相應(yīng)處理作物產(chǎn)量的比值。

N2O排放系數(shù)由施肥處理N2O排放總量與對照N2O排放總量之差占肥料投入量的比值。采用Excel 2007、origin8.5和SAS9.2統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行計算、制圖和統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤N2O排放通量變化規(guī)律

在整個監(jiān)測周期中，各處理施肥土壤N2O排放在灌溉、施肥+灌溉事件后呈現(xiàn)出一段短而急促的排放峰，各處理變化趨勢一致，而在休閑季，基本上不出現(xiàn)N2O排放峰值(圖1)。這說明，施肥、灌溉是影響農(nóng)田土壤N2O排放最重要的人為因素，排放峰的大小與之密切相關(guān)。本試驗中，兩種蔬菜作物定植時土壤N2O排放峰持續(xù)10—15d，而其余灌溉、追肥+灌溉后土壤N2O排放峰一般只持續(xù)3—5d，這是因為作物生長季全部有機肥和20%氮肥(黃瓜生長季)和40%氮肥(芹菜生長季)做底肥施入到土壤中，再加以大量灌溉，為微生物進行硝化-反硝化反應(yīng)過程提供了豐富的反應(yīng)底物(氮源)、能量來源(碳源)以及適宜環(huán)境因子(水分)，致使定植期土壤N2O排放峰值持續(xù)時間較長。整個監(jiān)測期內(nèi)，不同處理間土壤N2O平均排放通量大小次序為FP>FPD>OPTD>CK。CK處理的N2O排放通量最低，介于-113.25—708.44 μg N m-2h-1,平均通量為152.15 μg N m-2h-1，這是由于兩個作物生長季中沒有投入氮素，缺乏N2O排放的反應(yīng)基質(zhì)。FP處理、FPD處理、OPTD處理N2O排放通量范圍分別為-85.50—8338.64、-127.09—8504.60、12.41—3143.04 μg N m-2h-1。FP處理N2O平均排放通量最高，OPTD處理N2O排放通量與FPD處理具有明顯差異，說明施氮量顯著影響土壤N2O排放通量。黃瓜生長季CK、FP、FPD、OPTD處理的平均排放通量介于215.83—1745.73 μg N m-2h-1之間，明顯大于芹菜生長季不同處理的平均排放通量(76.39—344.99 μg N m-2h-1)，這與黃瓜生長季氮肥施用量大、灌溉次數(shù)多、灌溉量大以及土壤平均溫度高于芹菜生長季等有關(guān)。

2.2N2O累積排放量和排放強度

試驗期間CK、FP、FPD、OPTD處理的N2O累積排放量依次為(8.61±0.70) kg N/hm2、(31.00±2.15) kg N/hm2、(29.71±0.65) kg N/hm2、(17.76±2.10) kg N/hm2，CK處理N2O累積排放量最低，F(xiàn)P、FPD、OPTD處理N2O累積排放量分別是CK的3.60、3.45、2.06倍(圖2)。相同氮素投入，滴灌措施下的FPD處理N2O累積排放量比FP處理減少了4.16%；OPTD處理在減少40%化肥氮量的情況下，N2O累積排放量比FP處理顯著減少了42.71%，且達到顯著水平(P<0.05)。黃瓜生長季CK、FP、FPD、OPTD處理N2O累積排放量占試驗期間各處理累積排放量66.44%，81.12%，81.14%，67.00%，表明在黃瓜-芹菜輪作周期內(nèi)黃瓜生長季土壤N2O排放量較多，芹菜生長季土壤N2O排放量相對較少，究其原因有3個方面，一是與施肥量有關(guān)，黃瓜生長季施氮量比芹菜生長季多；二是黃瓜生長季(春夏季)水熱狀況相對較好，促進了土壤微生物的活動；三是可能與覆膜有關(guān)，黃瓜生長季覆蓋地膜，芹菜生長季不覆膜(陶麗佳[22]等研究表明覆膜增加土壤N2O排放)。

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2006)將同期內(nèi)由氮肥施用引起的N2O-N排放量占總施氮量的百分比定義為N2O排放系數(shù)，并建議N2O-N排放系數(shù)為1%。排放系數(shù)是評價不同管理措施減排效果的參考指標(biāo)。表3看出，F(xiàn)P排放系數(shù)最大，黃瓜生長季N2O排放系數(shù)(1.62%)要明顯高于芹菜生長季(0.61%)。本研究中整個觀測期內(nèi)N2O排放系數(shù)次序為FP>FPD>OPTD，F(xiàn)P、FPD處理為N2O排放系數(shù)1.17%，1.10%，高于IPCC 1%的默認值，而OPTD處理N2O排放系數(shù)為0.58%，顯著低于IPCC 1%的默認值。

數(shù)值后的字母代表不同處理在P=0.05水平上顯著;CK代表不施氮肥處理CK represents control treatment；FP代表農(nóng)民習(xí)慣施肥處理FP represents farmers′ practice treatment；FPD代表水肥一體化處理FPD represents farmers′ practice and drip irrigation treatment；OPTD代表優(yōu)化水肥一體化處理OPTD represents optimal fertilization and drip irrigation treatment

黃瓜、芹菜生長季FP處理排放強度最大，CK處理排放強度最小，且黃瓜生長季排放強度顯著大于芹菜生長季排放強度。兩個生長季OPTD處理N2O排放強度顯著低于FP處理，說明在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上水肥一體化能夠在增加產(chǎn)量的前提下有效減少N2O排放，是值得推薦的增產(chǎn)減排技術(shù)措施。

2.3環(huán)境因子對N2O排放的影響

2.3.1土壤溫濕度對N2O排放的影響

設(shè)施菜地中，整個生長季表層(0—15cm)土壤孔隙含水量(WFPS)一直維持在較高水平，介于45%—80%之間，土壤濕度在灌水后有所上升，不同處理之間WFPS變化趨勢相似，但FPD和OPTD處理WFPS出現(xiàn)峰值比FP和CK處理低(圖1)，與Sanchez-Martín等在番茄地研究漫灌后土壤平均WFPS高于滴灌的結(jié)果類似[23]。通過對WFPS與N2O排放進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)整個觀測期不同處理N2O排放通量與WFPS沒有顯著相關(guān)性，但是經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)黃瓜生長季不同處理N2O排放通量與WFPS之間顯著相關(guān)，且可以用對數(shù)方程進行擬合。芹菜生長季不同處理N2O排放通量與WFPS沒有顯著相關(guān)性，表明黃瓜生長季土壤濕度是影響N2O排放的主要環(huán)境因子。

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著

設(shè)施蔬菜地整個觀測期土壤溫度有很明顯的季節(jié)性，介于8—35℃之間，漫灌和滴灌的土壤溫度基本沒差異，變化趨勢一致(圖1)。韋彥[24]等研究表明滴灌灌水量是漫灌的50%—60%時，一天中12:00—14:00滴管的地表5cm土溫比漫灌高1℃左右，其他時間段差異不顯著。本研究中滴灌灌水量是漫灌的25%(黃瓜生長季)和40%(芹菜生長季)，試驗監(jiān)測時間主要介于9:00—11:00之間，導(dǎo)致滴灌與漫灌表層5cm土溫相差不顯著。黃瓜生長季、芹菜生長季土壤溫度分別介于15—35℃、8—30℃之間，均有利于土壤進行硝化-反硝化反應(yīng)的發(fā)生。經(jīng)相關(guān)性分析，整個黃瓜生長季不同處理N2O排放通量與土壤溫度之間沒有顯著相關(guān)，但芹菜季不同處理N2O排放通量與土壤溫度之間顯著相關(guān)，可以用對數(shù)方程擬合。Vallejo在馬鈴薯地研究表明水肥一體化條件下溫度極顯著的影響了N2O排放通量[25]，于亞軍等研究表明玉米季N2O排放與5cm土溫沒有顯著相關(guān)性，而冬小麥季N2O排放與5cm深度土溫顯著正相關(guān)[11]。可見在外界環(huán)境溫度相對較低的情況下(本試驗的秋冬季節(jié))，土壤溫度是影響芹菜生長季N2O排放的主要因子之一。

表5不同處理N2O通量與無機氮的相關(guān)性

Table 5 Correlation coefficients between N2O flux and inorganic nitrogen under different treatments

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著

2.3.2土壤無機氮對N2O排放的影響

土壤N2O主要來自于土壤的硝化和反硝化作用，N2O排放除了受環(huán)境因子(土壤溫度和濕度)影響外，還主要受反應(yīng)底物濃度(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的影響。整個研究周期內(nèi)，土壤硝態(tài)氮含量介于11.94—669.86 mg/kg之間，銨態(tài)氮含量介于0.30—15.50mg/kg之間，顯著小于硝態(tài)氮含量(圖3)。黃瓜生長季于4月22日開始追肥7次，土壤無機氮在4、5、6月份含量較高，而3月22日(黃瓜于3月20日—21日定植)則沒有出現(xiàn)峰值。芹菜生長季土壤無機氮含量峰值出現(xiàn)在9月18日(芹菜定植)、10月8日(定植20d后灌水)。FP、FPD處理土壤硝態(tài)氮含量主要介于150—250 mg/kg之間，始終維持在較高水平。不同處理土壤平均硝態(tài)氮含量高低分別為102.96、178.00、217.41 mg/kg和109.66 mg/kg，則FPD>FP>OPTD>CK，說明滴灌相對漫灌可以增加表層土壤氮素累積，土壤硝態(tài)氮是土壤進行反硝化作用的底物。基肥時FP處理無機氮峰值與FPD峰值大小相近，因為作物定植時FP、FPD處理施氮肥一樣，均采用漫灌，導(dǎo)致峰值差異不顯著。追肥后土壤無機氮含量呈逐漸增加的趨勢，與土壤N2O通量峰值變化趨勢一致。但經(jīng)相關(guān)性分析，本研究中不同處理N2O排放通量與無機氮之間也沒有顯著相關(guān)關(guān)系(表4)。就FP和FPD處理而言，F(xiàn)PD處理比FP處理表層硝態(tài)氮累積多，N2O排放通量卻較低，推測滴灌條件下以滴頭為中心，土壤形成一個順勢水分梯度和逆勢通氣性，N2O排放可能主要以硝化作用為主。

3討論

(1)水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律

在人為調(diào)控環(huán)境以及水肥用量高的條件下，本研究中設(shè)施菜地在農(nóng)民習(xí)慣管理措施N2O排放呈現(xiàn)出峰值高、持續(xù)時間短(除了基肥施用事件后)的排放特點，而水肥一體化降低了N2O排放峰值。追肥后農(nóng)民習(xí)慣(FP)處理N2O排放持續(xù)3—5d，這種排放規(guī)律與于亞軍在成都平原蔬菜地N2O排放峰在基肥和追肥后持續(xù)大約1—3周的結(jié)果不同[26]，但與陳海燕[27]、張婧[28]等在京郊地區(qū)番茄地土壤N2O排放峰出現(xiàn)在施肥后3—4d，單獨灌水后2—3d的監(jiān)測結(jié)果相類似。FP處理N2O排放通量介于-85.50—8338.64 μg N m-2h-1之間，小于南京市郊區(qū)大棚蔬菜地N2O排放通量60—10033 μg N m-2h-1[29]，高于山東壽光設(shè)施菜地N2O排放通量-48—1905 μg N m-2h-1[30]。與FP(平均排放通量1069.00 μg N m-2h-1)傳統(tǒng)漫灌相比，采用滴灌的水肥一體化(FPD)處理N2O平均排放通量相對較小，為932.27μg N m-2h-1，但仍是其它研究中滴灌條件下N2O平均排放通量的30多倍，Cynthi[31]研究表明漫灌處理下土壤N2O排放通量介于0—400μg N m-2h-1之間，滴灌條件下土壤N2O排放通量一直小于50μg N m-2h-1，這可能是因為本試驗地基礎(chǔ)有機質(zhì)含量高，且黃瓜-芹菜輪作模式施氮肥量大，灌水多等因素有關(guān)。眾多的研究均表明[27,30,32- 33]，灌溉與施肥同時進行會更有利于N2O排放，但對于設(shè)施菜地，“水”和“肥”互作如何影響N2O排放，不同水肥配比下N2O排放規(guī)律有何變化尚需進一步深入研究。

(2)水肥一體化條件下N2O累積排放量

本研究觀測期內(nèi)，F(xiàn)P處理N2O排放總量(31.00±2.15)kg N/hm2大于邱煒紅[32]在2a蔬菜地土壤N2O年平均累積排放量13.51kg N/hm2，而排放系數(shù)為1.17%小于其N2O平均排放系數(shù)(1.21%)。黃瓜、芹菜生長季水肥一體化處理(FPD)土壤N2O累積排放量比農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)分別減少了7.79%、18.83%，而Kennedy[33]研究表明深層滴灌處理下土壤N2O累積排放量比漫灌處理減少了71.14%；Sanchez-Martín[34]研究結(jié)果表明，滴灌N2O累積排放量比漫灌處理減少了50%，導(dǎo)致本研究中N2O排放總量與其他研究不同的可能原因有二：其一，其他研究只是一次性施肥或作物生長季追肥2—3次[20,22]，而本試驗中根據(jù)作物生長需要進行灌溉14次，其中11次施用氮肥，且其中2次灌水離基肥很近，施肥對N2O排放的影響掩蓋了灌溉對N2O排放的影響；其二，本試驗處理中滴管布置密集，之間相隔只有25cm，雖然本實驗滴灌比漫灌減少了25%(黃瓜生長季)和40%(芹菜生長季)的灌溉量，但在漫灌和滴灌條件下土壤濕度差異不顯著，且滴灌條件下土壤表層無機氮含量相對較大，保障了N2O排放具有較高濃度的底物濃度。優(yōu)化水肥一體化處理(OPTD)保證作物產(chǎn)量前提下，年累積排放量比農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)減少了42.71%，大于其它試驗優(yōu)化40%施肥量只減少N2O排放30%左右的試驗結(jié)果[35-36]，且排放強度顯著低于FP處理，這表明在現(xiàn)行的農(nóng)民管理措施下，在優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上改變灌溉方式是一種良好的減排措施。

(3)環(huán)境因子對水肥一體化條件下N2O排放的影響

其一，土壤溫度是影響N2O排放的主要因素之一。鄭循華等研究表明，土壤溫度在15—40℃范圍內(nèi)，硝化作用隨溫度的升高而升高[37]。本研究中，滴灌和漫灌條件下土壤溫度變化趨勢一致，差異不顯著。黃瓜生長季處于水熱條件較好的春夏季，N2O排放隨施肥量的增加而增加，施肥對N2O排放影響大于土溫；而芹菜生長季處于秋冬季，溫度成為其限制因子，土溫對N2O排放的影響較大。其二，灌溉影響土壤的水分運移和氮素運移，進而影響N2O排放。楊巖等研究表明低灌溉量N2O排放通量小于高灌溉量N2O排放通量[38]。Hosono研究表明WFPS大于50%時，NO/N2O比值為1—2之間，反硝化作用為主；WFPS小于40%時，NO/N2O比值為4—5之間，硝化作用為主，滴灌處理中干土區(qū)N2O排放小于濕土區(qū)，且滴灌處理N2O排放小于漫灌[39]。與漫灌相比，滴灌只是在滴頭下面土壤濕度呈飽和狀，肥料隨水運移，土壤進行反硝化作用的面積相對較小。而漫灌后土壤氮素、濕度均勻，表層達到飽和，反硝化作用迅速增加，但是漫灌后致使土壤透氣性減小，有阻止了N2O的擴散，進一步還原轉(zhuǎn)化成N2的可能。鑒于本研究中設(shè)施菜地水肥一體化條件下不同處理土壤溫度變化差異不顯著，滴灌可以降低土壤濕度，因此設(shè)施菜地對濕度的控制就顯得尤為重要，但是怎樣通過控制滴頭流量、灌溉次數(shù)控制土壤濕度來減少N2O排放，從機理和減排技術(shù)角度都還需要進一步探討。

4結(jié)論

(1)整個生長季，除基肥施用后排放峰持續(xù)10—15d外，施氮肥處理在施肥、施肥+灌水事件后土壤N2O排放呈現(xiàn)出一段短而急促的排放峰，追肥、灌水排放峰持續(xù)3—5d，表明施肥和灌水是引起N2O排放的主要管理因素。

(2)試驗觀測期內(nèi)FP處理N2O累積排放量為(31.00±2.15)kg N/hm2，F(xiàn)PD處理N2O累積排放量只比FP處理減少了4.16%；而OPTD處理在優(yōu)化40%化肥氮量情況下，N2O累積排放量比FP處理顯著減少了42.71%，且達到顯著水平，表明在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上進行水肥一體化管理是保障產(chǎn)量且減少設(shè)施菜地N2O排放的“雙贏”措施。

(3)土壤無機氮含量、土壤濕度(WFPS)和土壤溫度是影響N2O排放的重要因素。土壤無機氮與N2O排放變化趨勢一致；黃瓜季N2O排放通量與WFPS顯著相關(guān)，芹菜季N2O排放通量與土壤溫度顯著相關(guān)，表明土壤濕度是影響黃瓜生長季N2O排放的主要環(huán)境因子，土壤溫度是影響芹菜生長季N2O排放的主要環(huán)境因子。

參考文獻(References):

[1]Hutchinson G L, Mosier A R. Improved soil cover method for field measurement of nitrous oxide fluxes. Soil Science Society of America Journal, 1981, 45(2): 311- 316.

[2]McCarthy J J, Canziani O F, Leary N A, Dokken D J. Climate Change 2001: Impacts, Adaptation, and Vulnerability: Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

[3]Montzka S A, Fraser P J, Butler J H, Cunnold D M, Daniel J S, Derwent R G, Lal S, McCulloch A, Oram D E, Reeves C E, Sanhueza E, Steele L P, Velders G J M, Weiss R F, Zander R. Controlled Substances and Other Source Gases, Chapter 1 of the Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002. Genève: World Meteorological Organization, 2003.

[4]Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt K B, Tignor M, Miller H L, Climate change 2007: The physical science basis//Contribution of Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[5]Yoshida N, Toyoda S. Constraining the atmospheric N2O budget from intramolecular site preference in N2O isotopomers. Nature, 2000, 405(6784): 330- 334.

[6]杜連鳳, 吳瓊, 趙同科, 劉繼培, 安志裝, 劉寶存, 張東興. 北京市郊典型農(nóng)田施肥研究與分析. 中國土壤與肥料, 2009, (3): 75- 78.

[7]陸軼峰, 李宗遜, 雷寶坤. 滇池流域農(nóng)田氮、磷肥施用現(xiàn)狀與評價. 云南環(huán)境科學(xué), 2003, 22(1): 34- 37.

[8]袁新民, 李曉林, 張福鎖, 同延安. 糧田改種蔬菜后土壤剖面硝態(tài)氮的變化. 生態(tài)農(nóng)業(yè)研究, 2000, 8(2): 31- 33.

[9]張永麗, 于振文. 灌水量對不同小麥品種籽粒品質(zhì)、產(chǎn)量及土壤硝態(tài)氮含量的影響. 水土保持學(xué)報, 2007, 21(5): 155- 158.

[10]林淼, 郭李萍, 謝立勇, 林佳, 張賀, 閻宏亮. 菜地土壤CO2與N2O排放特征及其規(guī)律. 中國土壤與肥料, 2012, (4): 11- 17.

[11]于亞軍, 高美榮, 朱波. 小麥-玉米輪作田與菜地N2O排放的對比研究. 土壤學(xué)報, 2012, 49(1): 96- 103.

[12]姚志生, 鄭循華, 周再興, 謝寶華, 梅寶玲, 顧江新, 王定勇. 太湖地區(qū)冬小麥田與蔬菜地N2O排放對比觀測研究. 氣候與環(huán)境研究, 2006, 11(6): 691- 701.

[13]Kaiser E-A, Kohrs K, Kücke M, Schnug E, Heinemeyer O, Munch J C. Nitrous oxide release from arable soil: importance of N-fertilization, crops and temporal variation. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30(12): 1553- 1563.

[14]張承林,鄧蘭生.水肥一體化技術(shù).北京,中國農(nóng)業(yè)出版社, 2012.

[15]劉虎成, 徐坤, 張永征, 孫敬強. 滴灌施肥技術(shù)對生姜產(chǎn)量及水肥利用率的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2012, 28(增刊1): 106- 111.

[16]周建斌, 陳竹君, 李生秀. Fertigation-水肥調(diào)控的有效措施. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2001, 19(4): 16- 21.

[17]張鑫, 蔡煥杰, 邵光成, 張振華. 膜下滴灌的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究. 灌溉排水, 2002, 21(2): 1- 4.

[18]Vázquez N, Pardo A, Suso M L, Quemada M. A methodology for measuring drainage and nitrate leaching in unevenly irrigated vegetable crops. Plant and Soil, 2005, 269(1/2): 297- 308.

[19]Wu J, Guo W, Feng J F, Li L H, Yang H S, Wang X H, Bian X M. Greenhouse gas emissions from cotton field under different irrigation methods and fertilization regimes in Arid Northwestern China. The Scientific World Journal, 2014, 2014: Article ID 407832.

[20]Kallenbach C M. The use of subsurface drip irrigation, cover crops and conservation tillage in reducing soil CO2and N2O emissions from an irrigated row-crop system [D]. Davis: University of California, 2008.

[21]王維漢, 毛前, 嚴愛蘭. 滴灌下青椒地N2O排放規(guī)律研究. 中國農(nóng)村水利水電, 2014, (7): 31- 34.

[22]陶麗佳, 王鳳新, 顧小小. 覆膜滴灌對溫室氣體產(chǎn)生及排放的影響研究進展. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2013, 29(3): 17- 23.

[23]Sánchez-Martín L, Vallejo A, Dick J, Skiba U M. The influence of soluble carbon and fertilizer nitrogen on nitric oxide and nitrous oxide emissions from two contrasting agricultural soils. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(1): 142- 151.

[24]韋彥, 趙景文, 張正偉, 高麗紅. 灌溉方式對溫室內(nèi)主要環(huán)境因子及黃瓜生長發(fā)育的影響. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 28(3): 204- 208.

[25]Vallejo A, Skiba U M, García-Torres L, Arce A, López-Fernández S, Sánchez-Martín L. Nitrogen oxides emission from soils bearing a potato crop as influenced by fertilization with treated pig slurries and composts. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(9): 2782- 2793.

[26]于亞軍, 朱波, 荊光軍. 成都平原土壤—蔬菜系統(tǒng)N2O排放特征. 中國環(huán)境科學(xué), 2008, 28(4): 313- 318.

[27]陳海燕, 李虎, 王立剛, 邱建軍. 京郊典型設(shè)施蔬菜地N2O排放規(guī)律及影響因素研究. 中國土壤與肥料, 2012, (5): 5- 10.

[28]張婧, 李虎, 王立剛, 邱建軍. 京郊典型設(shè)施蔬菜地土壤N2O排放特征. 生態(tài)學(xué)報, 2014, 34(14): 4088- 4098.

[29]賈俊香, 張曼, 熊正琴, 李葉. 南京市郊區(qū)集約化大棚蔬菜地N2O的排放. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2012, 23(3): 739- 744.

[30]He F F, Jiang R F, Chen Q, Zhang F S, Su F. Nitrous oxide emissions from an intensively managed greenhouse vegetable cropping system in Northern China. Environmental Pollution, 2009, 157(5): 1666- 1672.

[31]Kallenbach C M, Rolston D E, Horwath W R. Cover cropping affects soil N2O and CO2emissions differently depending on type of irrigation. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 137(3/4): 251- 260.

[32]邱煒紅. 菜地土壤溫室氣體氧化亞氮排放及其控制研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[33]Kennedy T L, Suddick E C, Six J. Reduced nitrous oxide emissions and increased yields in California tomato cropping systems under drip irrigation and fertigation. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2013, 170: 16- 27.

[34]Sanchez-Martín L, Meijide A, Garcia-Torres L, Vallejo A. Combination of drip irrigation and organic fertilizer for mitigating emissions of nitrogen oxides in semiarid climate. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 137(1/2): 99- 107.

[35]梁東麗, 同延安, Emteryd O, 方日堯, 張樹蘭. 干濕交替對旱地土壤N2O氣態(tài)損失的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2002, 20(2): 28- 31.

[36]武其甫, 武雪萍, 李銀坤, 吳會軍, 閆鵬, 張彥才, 李若楠, 王麗英, 王小彬, 蔡典雄. 保護地土壤N2O排放通量特征研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2011, 17(4): 942- 948.

[37]鄭循華, 王明星, 王躍思, 沈壬興, 張文, 龔晏邦. 溫度對農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響. 環(huán)境科學(xué), 1997, 18(5): 1- 5.

[38]楊巖, 孫欽平, 李吉進, 劉春生, 劉本生, 許俊香, 高利娟. 不同水肥處理對設(shè)施菜地N2O排放的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 19(2): 430- 436.

[39]Hosono T, Hosoi N, Akiyama H, Tsuruta H. Measurements of N2O and NO emissions during tomato cultivation using a flow-through chamber system in a glasshouse. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2006, 75(1/3): 115- 134.

N2O emissions from a vegetable field with fertigation management and under greenhouse conditions

WANG Yanli, LI Hu, SUN Yuan, WANG Ligang*

KeyLaboratoryofNon-pointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture,CAAS-UNHJointLaboratoryforSustainableAgro-ecosystemResearch,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China

Key Words:greenhouse vegetable; fertigation technology; N2O emission

Abstract：Fertigation is an alternative cropping management practice that combines fertilization and irrigation, and it is being employed in China to reduce nitrous oxide (N2O) emissions while increasing fertilizer use efficiency. A field experiment was conducted at a vegetable field with cucumber and celery planted under greenhouse conditions, in the suburbs of Beijing. The field was divided into 12 plots with 4 treatments. These were a control (CK), routine farmers′ practice treatment (FP), farmers′ practice with drip irrigation treatment (FPD), and optimal fertilization with drip irrigation treatment (OPTD). FPD consisted of drip irrigation with fertilizers dissolved in the irrigation water. OPTD had the same fertigation but N fertilizer was reduced by 40%. Soil N2O fluxes were measured by static chambers all year round, and the soil temperature, and soil moisture, ammonium, and nitrate levels were monitored in parallel with the N2O measurements for all the treatment plots. The application event induced N2O emission peaks that lasted for about 10—15 days in all the plots. However, all the later dressing events caused relatively short N2O emissions lasting 3—5 days. During the observation period, the accumulative N2O emissions differed across the treatments. In comparison with the annual N2O emission rate of (31.00±2.15) kg N/hm2measured in FP, the N2O emission rates measured in FPD and OPTD were 4.16% and 42.71% lower, respectively. During the cucumber growing season, the N2O fluxes were significantly correlated with the soil water filled pore space (WFPS) for all treatments, but during the celery growing season, the N2O fluxes were significantly correlated with soil temperature for all treatments. The results indicated that optimizing fertilization-irrigation by adopting fertigation could reduce N2O emissions from agricultural systems.

基金項目:國家自然科學(xué)青年基金(41201287); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201103039)

收稿日期:2014- 09- 30; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wangligang@caas.cn

DOI:10.5846/stxb201409301932

王艷麗, 李虎, 孫媛, 王立剛.水肥一體化條件下設(shè)施菜地的N2O排放.生態(tài)學(xué)報,2016,36(7):2005- 2014.

Wang Y L, Li H, Sun Y, Wang L G.N2O emissions from a vegetable field with fertigation management and under greenhouse conditions.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):2005- 2014.