北方典型設施菜地土壤N2O排放特征

徐鈺 劉兆輝 魏建林 石璟 譚德水 王梅 李國生 江麗華

摘要：為明確北方典型設施菜地N2O的排放特征，在 “中國蔬菜之鄉(xiāng)”——山東省壽光市的秋冬茬設施番茄土壤上利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，對不施氮肥（CK）、單施有機肥（OM）、農(nóng)民習慣施肥（FP）和減氮優(yōu)化施肥（OPT）4個處理下的N2O排放通量進行了觀測，并分析了其對N2O排放量和蔬菜產(chǎn)量的影響。結果表明，施肥并灌溉后的一段時間內(nèi)，會觀測到N2O的“脈沖式”排放，最高排放峰值出現(xiàn)在基肥+灌溉后，且排放高峰持續(xù)近20天，而由追肥引起的排放峰值小且持續(xù)時間僅3～5天。統(tǒng)計分析表明，溫度和水分都是影響設施菜地N2O排放的環(huán)境因素。各處理土壤N2O排放總量差異顯著，順序依次為：FP（14.77 kg/hm2）>OPT（9.73 kg/hm2）>OM（6.84 kg/hm2）>CK（2.37 kg/hm2），N2O排放系數(shù)介于0.83%～1.10%之間，接近或超過IPCC 1.0%的推薦值。與FP處理相比，減少近60%化肥N的OPT處理下番茄產(chǎn)量增加2.2%。在目前管理措施下，合理減少有機肥和化肥施氮量是設施蔬菜地N2O減排的有效途徑。

關鍵詞：設施菜地；N2O排放特征；影響因素；排放系數(shù)；番茄產(chǎn)量

中圖分類號：S143.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）10-0086-06

氧化亞氮（N2O）被認為是除二氧化碳（CO2） 和甲烷（CH4 ） 外最重要的溫室氣體之一，其因極強的溫室效應和對臭氧層的破壞作用，受到各國政府和科學家的高度重視。有資料表明，80%～90%的N2O來源于土壤[1]，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中釋放的N2O約占50%[2]，而氮肥的施用則是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O排放最重要的影響因素[3]。設施菜地復種指數(shù)高，經(jīng)濟效益好，菜農(nóng)為追求高產(chǎn)，氮肥超量施用尤為嚴重。據(jù)統(tǒng)計，北方大部分設施菜地，氮肥年均施入量超過4 000 kg/hm2[4，5]，加之獨有的“半封閉、高溫高濕”的小氣候特征和高頻大量的灌溉，必然會極大促進N2O的排放，使其成為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的排放源[6，7]。近年來，我國設施蔬菜發(fā)展迅速，截至2010年，設施蔬菜種植面積約466.7×104 hm2，是1980年的700倍，比2000年增加近3倍。可見，設施菜地溫室氣體排放通量的研究，對我國準確合理地估算農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放量及制定合理的溫室氣體減排措施具有重要意義。

我國關于農(nóng)田N2O排放的研究多集中于小麥、玉米及水稻等糧食作物[8-10]，菜地N2O排放的研究也主要針對露地蔬菜開展[11，12]。近年來，有關設施菜地N2O排放的報道逐漸增多，但觀測頻率較低，多為3～10天觀測一次[13，14]，然而N2O排放高峰往往發(fā)生在施肥后的幾天內(nèi)，并且高排放通量會持續(xù)一段時間[15，16]，因此低頻率的監(jiān)測可能會影響設施菜地N2O排放估算的準確性。此外，設施菜地N2O排放量的報道多為化肥或其與有機肥共同影響的結果[17，18]，而針對有機肥對設施菜地土壤N2O排放影響的研究比較缺乏。設施蔬菜生產(chǎn)中有機肥的養(yǎng)分投入量超過總養(yǎng)分的60%[19]，并帶入大量影響土壤微生物活性的營養(yǎng)物質(zhì)，其對土壤N2O的排放必然有別于化肥。因此，本研究以“中國蔬菜之鄉(xiāng)”壽光的典型設施菜地為例，通過設置不同施氮處理（含單施有機肥），采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對N2O排放通量進行較高頻率的原位監(jiān)測，以分析設施菜地N2O排放的基本規(guī)律及其影響因素，為準確估算我國設施菜地N2O排放和氮肥合理施用提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗點位于壽光市古城街道常治官村（E 118°42′4.5″， N 36°55′26.4″），該地區(qū)屬暖溫帶季風區(qū)大陸性氣候，四季分明，光照充足。年平均氣溫12.7℃，年平均降水量593.8 mm，年平均日照時數(shù)2 548.8 h。供試大棚棚齡3年，種植作物為番茄，種植方式為一年兩茬。大棚東西走向，頂部和前部設有通風口，白天適時敞開以調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度，夜間和有降水時關閉。番茄定植后覆蓋黑色地膜以保持水分和防止雜草。土壤為褐土，0～30 cm耕層土壤有機質(zhì)含量為16.6 g/kg，速效磷17.5 mg/kg，速效鉀174.0 mg/kg，硝態(tài)氮44.4 mg/kg，銨態(tài)氮6.7 mg/kg，pH值7.7。

1.2試驗設計及方法

試驗作物為番茄，品種為毛粉，于2013年8月31日移栽定植，2014年2月14日拉秧。栽培方式為畦栽，畦寬70 cm，壟寬50 cm，株距35 cm。試驗采用隨機區(qū)組設計，設4個處理，分別為：（1）對照（CK），不施氮肥；（2）有機肥（OM），只施用有機肥，用量為30 t/hm2；（3）農(nóng)民習慣施肥（FP），有機肥30 t/hm2及化肥N 720 kg/hm2；（4）減氮優(yōu)化施肥（OPT），有機肥30 t/hm2及化肥N 300 kg/hm2。有機肥為商品有機肥（水分含量18.1%，N 2.2%，P2O5 2.4%，K2O 1.9%）。所有處理施等量磷鉀肥，P2O5 200 kg/hm2，K2O 400 kg/hm2。2013年8月29日，結合整地在畦內(nèi)施入有機肥和全部磷肥以及40%的氮肥和鉀肥，后期根據(jù)作物長勢，將剩余的氮鉀肥平均分成6份，分別于2013年10月9日、10月20日、11月6日、11月20日、12月19日和2014年1月20日溶解后隨灌溉水沖施。另外，根據(jù)土壤墑情進行灌溉，方式為畦灌，每次灌水量26～39 mm。

1.3樣品采集與分析

氣體收集及分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，靜態(tài)箱體尺寸規(guī)格定為 70 cm×70 cm×50 cm，由不銹鋼材料制成，四面和頂部封閉，外覆絕熱材料（泡沫聚苯乙烯），箱內(nèi)頂部裝有直徑10 cm的小風扇，以保持箱內(nèi)氣體體積分數(shù)差均勻，箱體采氣管線一端通過箱體側(cè)面，取氣接頭深入箱內(nèi)10 cm 左右，另一端用三通閥密封。等到植株生長超過50 cm時，增加中段箱（70 cm×70 cm×50 cm）以保證植株的正常生長和取樣的順利進行。底座規(guī)格為70 cm×70 cm×25 cm，用不銹鋼材料制成，周圍有水槽，于基肥前埋入地下。采樣時將采樣箱扣在底座凹槽內(nèi)并加水密封，扣箱后用 100 mL 塑料注射器于 0、8、16、24、32 min時抽取箱內(nèi)氣體，并準確記錄采樣時的具體時間、大氣溫度、箱內(nèi)溫度、3 cm地溫（JM624）和土壤水分（TZS-1）。觀測頻率為每周觀測1～2次，施肥前1天，施肥和灌溉后1、2、3、5、7天固定觀測。每次觀測均在8∶00-11∶00之間進行。樣品采集后注入氣體采樣袋中儲存帶回實驗室，用改進的Agilent 7890A氣相色譜儀測定N2O。

氣體排放通量采用線性回歸法進行計算[11]，公式為：

F=（M/V0）×H×（dc/dt）×[273/（273+T）]×（P/P0）×k。

式中，F(xiàn)為目標氣體的排放通量[N mg/（m2·h）]；M為N2O分子中純氮的摩爾質(zhì)量（g/mol）， V0 為標準狀態(tài)下（溫度273 K，氣壓101.3 kPa）氣體的摩爾體積（22.41×10-3 m3）；H 為采樣箱氣室高度（cm）；dc/dt 為采樣箱內(nèi)氣體濃度的變化速率；P 和T分別為采樣時箱內(nèi)氣體的實際壓力（Pa）和溫度（℃）；P0為標準大氣壓（Pa）；k 為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

用內(nèi)插法計算相鄰兩次監(jiān)測之間未觀測日期的排放通量，然后將觀測值和未觀測日計算值逐日累加得到N2O排放總量。

1.4數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007進行處理和作圖，采用SAS軟件進行不同處理間的差異顯著性檢驗及N2O排放通量與各影響因素間的相關關系分析。

2結果與分析

2.1設施菜地土壤N2O排放特征

由圖1可以看出，設施菜地N2O排放通量具有明顯的時間變異性。不施肥處理（CK）的N2O排放通量始終處于較低水平，90%的觀測值小于0.1 mg/（m2·h），每次灌溉后排放量略有提高，但上升幅度很小。施肥處理下N2O的最高排放峰值出現(xiàn)在定植后，OM、FP、OPT分別高達3.95、5.85、4.12 mg/（m2·h），且N2O的高排放通量持續(xù)近20天，約占當季的12%，引起的排放量占整個觀測期總量的67.4%～75.2%。首先，定植前施肥處理施入了大量有機肥和化肥氮，為土壤微生物的生長提供了大量碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)；其次，這期間番茄處于緩苗期，對氮素的吸收利用率低，土壤中較多氮素被微生物利用；加之生長前期氣溫較高及多次澆緩苗水，使大棚內(nèi)保持了良好的土壤溫濕度，極大地促進了硝化和反硝化的順利進行，導致此間有大量的N2O排放。番茄生長季追肥后偶有N2O排放峰出現(xiàn)，峰值持續(xù)時間較短，多為3～5天，而且峰值遠小于施基肥后的排放峰值，施氮量最高的FP處理下N2O的排放峰值不超過0.4 mg/（m2·h）。一方面每次追施氮量少（占總施化肥氮的10%），而且番茄植株生長迅速對氮素吸收量大，土壤微生物可利用氮源減少；另一方面，大棚內(nèi)后期土壤溫度相對較低，為12.6～20.4℃，平均15.5℃，不在硝化和反硝化微生物活動最適溫度范圍內(nèi)，因此由追肥引起的排放峰值較小。可見，棚內(nèi)溫度、水肥供應及作物對養(yǎng)分的吸收都是影響N2O排放峰值大小及其持續(xù)時間的重要因素。

2.2設施菜地土壤N2O排放通量與溫濕度的關系

設施番茄秋冬茬口，大棚內(nèi)氣溫和3 cm土壤溫度呈下降趨勢，但變化幅度較小，分別為12.3～30.6℃和12.6～26.7℃，能夠滿足硝化（15～35℃）和反硝化（5～75℃）微生物活動所要求的適宜溫度（圖2）[20]。N2O的排放速率隨土壤溫度升高而增加，統(tǒng)計分析（表1）表明，除CK外，其他施肥處理下N2O排放通量與大棚內(nèi)氣溫和3 cm土壤溫度呈顯著或極顯著正相關。

由于設施蔬菜地膜覆蓋的保墑作用，作物生長前期大棚的頻繁灌溉及后期棚內(nèi)溫度降低導致的土壤水分蒸發(fā)量下降，本試驗土壤孔隙含水量（WFPS）在34.6%～79.7%范圍內(nèi)變化。有研究表明，土壤含水量為WFPS的45%～75%時，硝化和反硝化共同作用產(chǎn)生較多的N2O[21]，觀測期內(nèi)有近80%的數(shù)據(jù)都在這一范圍內(nèi)。可見，設施菜地土壤含水量有利于N2O的產(chǎn)生和排放。通過對各處理N2O排放通量與WFPS相關性分析（表1）發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在顯著或極顯著正相關關系，與張婧等[18]研究結果一致。可見，溫度和水分都是影響設施菜地土壤N2O排放通量的因素，前者的影響更為明顯。

2.3設施菜地土壤N2O排放總量

由于沒有碳源和氮源的投入，CK處理下一直保持著較低的N2O排放通量，其平均排放通量僅為0.06 mg/（m2·h）（表2）。OM處理雖然僅施有機肥，但有機質(zhì)的分解為反硝化過程提供了所需能量，增加了反硝化強度，N2O排放通量顯著升高，其平均排放通量較CK增加了1.8倍。FP 和OPT處理由于同時給土壤帶入了大量氮素和碳源，為土壤微生物提供了能量和底物，進一步促進了土壤N2O排放[22]，其平均排放通量分別比CK增加5.2倍和3.0倍，達顯著性差異。

整個番茄生長季，CK處理下N2O排放總量最低，為2.37 kg/hm2，介于蔬菜地觀測到的0.48～3.67 kg/hm2[12，13，18]的背景排放量范圍內(nèi)。施用有機肥（OM），設施土壤N2O排放總量明顯升高，與CK相比增加4.47 kg/hm2。在施用有機肥基礎上增施氮肥也顯著增加N2O排放，其排放總量隨施氮量的增加而增加，OPT和FP 分別較OM增加42.3%和115.9%。方差分析表明，4個處理之間差異達顯著水平，說明肥料種類和施肥量對N2O排放有明顯影響。按山東省設施蔬菜種植面積86.7×104 hm2[23]和農(nóng)民習慣施肥量（FP）土壤N2O排放量計算，山東省設施蔬菜系統(tǒng)單季以N2O損失的N為1.28×104 t，如果減少58%的施氮量， N2O一季損失的N量將減少4 000 t。

本研究中，設施番茄秋冬茬口內(nèi)有機肥處理的N2O-N排放系數(shù)為0.83%，接近IPCC默認的1.0%，遠高于糧田有機肥0.10%～0.24%的N2O-N排放系數(shù)[24，25]。據(jù)統(tǒng)計，北方設施菜地每年施用有機肥帶入的N量超過2 000 kg/hm2[19]，按此排放系數(shù)計算，每年山東設施菜地有機肥的施用會造成1.4×104 t 氮的損失，因此要高度重視設施菜地高量有機肥施用引起的N2O排放。化肥氮的N2O-N平均排放系數(shù)為1.03%，且隨施氮量的增加而增加，F(xiàn)P（OM為參照）處理下達到1.10%，超過IPCC默認的1.0%。關于設施菜地N2O-N排放系數(shù)，研究結果差別較大，高者可達8.6%[26]，低者僅為0.1%[27]，很可能是區(qū)域氣候特點、作物種類、土壤性質(zhì)、施肥量和N2O排放的監(jiān)測頻率等不同而造成的[14，28，29]。

2.4設施番茄產(chǎn)量與N2O排放強度

從圖3可以看出，施用氮肥能顯著增加番茄產(chǎn)量。與對照（CK）相比，單施有機肥（OM）能增產(chǎn)7.0%；在施有機肥基礎上增施化肥，番茄仍能增產(chǎn)10%以上。本研究中減少N肥用量，番茄產(chǎn)量未減反增，與FP處理相比，OPT處理下每公頃增產(chǎn)2.2%，但未達顯著性差異（P>0.05）。此外，氮肥的施用也顯著影響N2O排放強度，且其隨施氮量的增加而增加。在形成單位蔬菜產(chǎn)量（t）時，CK處理下的N2O排放強度僅0.04 kg N，增施有機肥N2O排放強度增加1.7倍，進一步增施化肥N，N2O較CK平均增排3.3倍。減少化肥施N量，可以降低N2O排放強度，OPT較FP排放總量降低 34.1%，達顯著性差異。

3討論與結論

3.1設施菜地在施肥并灌溉后的一段時間內(nèi)，會觀測到N2O的“脈沖式”排放，其最高排放峰值出現(xiàn)在基肥+灌溉后，且排放高峰持續(xù)時間較長（近20天），而由追肥引起的排放峰值小且持續(xù)時間較短，僅3～5天。

3.2棚內(nèi)氣溫、地溫和水分均能顯著影響設施菜地N2O的排放，且溫度的影響高于水分。各處理下N2O年排放總量在2.37～14.77 kg/hm2范圍內(nèi)，排放系數(shù)介于0.83%～1.10%之間。施用有機肥，N2O能增排1.9倍，且其排放系數(shù)接近IPCC默認的1.0%，因此設施菜地內(nèi)高量有機肥的施用引起的N2O排放不容小覷，N2O的減排需要考慮有機肥的合理施用。

3.3施用氮肥，番茄增產(chǎn)7.0%～21.8%，N2O排放強度也增加1.7～4.2倍。與農(nóng)民習慣施肥處理（FP）相比，減氮優(yōu)化施肥（OPT）處理化肥施氮量減少近60%，但并未造成番茄減產(chǎn)，且其N2O顯著減排34.1%。說明，在現(xiàn)行農(nóng)民高施氮量的生產(chǎn)方式下，適量減施氮肥是降低設施菜地N2O排放量的有效途徑。

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