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”——山東省壽光市的秋冬茬設施番茄土壤上利用靜態暗箱-氣相色譜法，對不施氮肥（CK）、單施有機肥（OM）、農民習慣施肥（FP）和減氮優化施肥（OPT）4個處理下的N2O排放通量進行了觀測，并分析了其對N2O排放量和蔬菜產量的影響。結果表明，施肥并灌溉后的一段時間內，會觀測到N2O的“脈沖式”排放，最高排放峰值出現在基肥+灌溉后，且排放高峰持續近20天，而由追肥引起的排放峰值小且持續時間僅3～5天。統計分析表明，溫度和水分都是影響設施菜地N2O排放的環境因素。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；番茄產量

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]，其中農田生態系統中釋放的N2O約占50%[2]，而氮肥的施用則是影響農田生態系統N2O排放最重要的影響因素[3]。設施菜地復種指數高，經濟效益好，菜農為追求高產，氮肥超量施用尤為嚴重。據統計，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，使其成為農田生態系統重要的排放源[6，7]。近年來，我國設施蔬菜發展迅速，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業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排放高峰往往發生在施肥后的幾天內，并且高排放通量會持續一段時間[15，16]，因此低頻率的監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。設施蔬菜生產中有機肥的養分投入量超過總養分的60%[19]，并帶入大量影響土壤微生物活性的營養物質，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”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），采用靜態箱-氣相色譜法，對N2O排放通量進行較高頻率的原位監測，以分析設施菜地N2O排放的基本規律及其影響因素，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。

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″），該地區屬暖溫帶季風區大陸性氣候，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，白天適時敞開以調節棚內溫濕度，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耕層土壤有機質含量為16.6 g/kg，速效磷17.5 mg/kg，速效鉀174.0 mg/kg，硝態氮44.4 mg/kg，銨態氮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）農民習慣施肥（FP），有機肥30 t/hm2及化肥N 720 kg/hm2；（4）減氮優化施肥（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，結合整地在畦內施入有機肥和全部磷肥以及40%的氮肥和鉀肥，后期根據作物長勢，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箱-氣相色譜法，靜態箱體尺寸規格定為 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），箱內頂部裝有直徑10 cm的小風扇，以保持箱內氣體體積分數差均勻，箱體采氣管線一端通過箱體側面，取氣接頭深入箱內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時抽取箱內氣體，并準確記錄采樣時的具體時間、大氣溫度、箱內溫度、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量（g/mol）， V0 為標準狀態下（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 為采樣箱內氣體濃度的變化速率；P 和T分別為采樣時箱內氣體的實際壓力（Pa）和溫度（℃）；P0為標準大氣壓（Pa）；k 為量綱轉換系數。

用內插法計算相鄰兩次監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數據處理

所得數據使用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、氮等營養物質；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，峰值持續時間較短，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，因此由追肥引起的排放峰值較小。可見，棚內溫度、水肥供應及作物對養分的吸收都是影響N2O排放峰值大小及其持續時間的重要因素。

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溫度降低導致的土壤水分蒸發量下降，本試驗土壤孔隙含水量（WFPS）在34.6%～79.7%范圍內變化。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生較多的N2O[21]，觀測期內有近80%的數據都在這一范圍內。可見，設施菜地土壤含水量有利于N2O的產生和排放。通過對各處理N2O排放通量與WFPS相關性分析（表1）發現，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。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]和農民習慣施肥量（FP）土壤N2O排放量計算，山東省設施蔬菜系統單季以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有機肥處理的N2O-N排放系數為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[24，25]。據統計，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平均排放系數為1.03%，且隨施氮量的增加而增加，FP（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，研究結果差別較大，高者可達8.6%[26]，低者僅為0.1%[27]，很可能是區域氣候特點、作物種類、土壤性質、施肥量和N2O排放的監測頻率等不同而造成的[14，28，29]。

2.4設施番茄產量與N2O排放強度

從圖3可以看出，施用氮肥能顯著增加番茄產量。與對照（CK）相比，單施有機肥（OM）能增產7.0%；在施有機肥基礎上增施化肥，番茄仍能增產10%以上。本研究中減少N肥用量，番茄產量未減反增，與FP處理相比，OPT處理下每公頃增產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，會觀測到N2O的“脈沖式”排放，其最高排放峰值出現在基肥+灌溉后，且排放高峰持續時間較長（近20天），而由追肥引起的排放峰值小且持續時間較短，僅3～5天。

3.2棚內氣溫、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，排放系數介于0.83%～1.10%之間。施用有機肥，N2O能增排1.9倍，且其排放系數接近IPCC默認的1.0%，因此設施菜地內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7.0%～21.8%，N2O排放強度也增加1.7～4.2倍。與農民習慣施肥處理（FP）相比，減氮優化施肥（OPT）處理化肥施氮量減少近60%，但并未造成番茄減產，且其N2O顯著減排34.1%。說明，在現行農民高施氮量的生產方式下，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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