不同施肥處理對(duì)溫室氣體排放和花菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

呂衛(wèi)光，鄭憲清，李雙喜，何七勇，張翰林，王金慶，張娟琴

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海201403）

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不同施肥處理對(duì)溫室氣體排放和花菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

呂衛(wèi)光，鄭憲清，李雙喜，何七勇，張翰林，王金慶，張娟琴*

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海201403）

摘 要：采用大田小區(qū)試驗(yàn)，綜合考察單施化肥（H）、有機(jī)肥配施化肥（HY）、秸稈還田配施化肥（HJ）對(duì)CH4、CO2和N2O 3種溫室氣體排放規(guī)律、花菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：HJ處理顯著提升CH4季節(jié)累積排放通量，分別高出H和HY兩處理22.86%和13.16%。H處理增加N2O、CO2季節(jié)累積排放通量，較HY處理分別高出23.66%和24.44%，較HJ處理高出了9.63%和11.88%。HY、HJ兩處理花菜產(chǎn)量及花球中Vc含量、蛋白質(zhì)含量和可溶性糖含量比對(duì)照H處理均有不同程度提高，其中產(chǎn)量分別提高16.25%和17.92%，Vc分別提高8.79%和8.08%，蛋白質(zhì)分別提高20.99%和16.67%，可溶性糖含量分別提高15.79%和20.47%。綜合考量增溫潛勢(shì)、溫室氣體排放強(qiáng)度、花菜產(chǎn)量及品質(zhì)等指標(biāo)，試驗(yàn)表明：HJ、HY兩處理能明顯降低溫室氣體增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度，提高花菜的產(chǎn)量及品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：花椰菜；產(chǎn)量；品質(zhì)；溫室氣體；施肥試驗(yàn)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與人類關(guān)系最為密切。2006年政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）第四次評(píng)估報(bào)告表明：農(nóng)業(yè)是溫室氣體重要的排放源，大氣中20%的CO2、70%的CH4和90% 的N2O來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過程［1-2］。農(nóng)田溫室氣體的排放受施肥、秸稈還田、種植模式、氣侯條件、土壤理化性質(zhì)、農(nóng)田生物群落等因素的影響。研究表明：水肥管理措施可有效控制溫室氣體排放［3-4］。

花菜別名花椰菜，因其風(fēng)味鮮美、營養(yǎng)豐富而深受廣大消費(fèi)者的喜愛。崇明島素有“花菜之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，是華東地區(qū)最大的花菜生產(chǎn)基地，全縣花菜種植面積達(dá)6 700 hm2。崇明花菜內(nèi)銷魯、京、遼等20多個(gè)省市，外銷日本、新加坡等地，是崇明經(jīng)濟(jì)的重要組成之一［5-6］。本研究通過調(diào)查當(dāng)?shù)厥┓暑愋汀⑥r(nóng)業(yè)秸稈的資源化利用情況，并結(jié)合土壤特點(diǎn)、施肥習(xí)慣以及花菜的生長需肥規(guī)律，通過設(shè)置化肥減量與不同有機(jī)物料配施方案，明確不同施肥處理對(duì)溫室氣體排放、花菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期獲得花菜合理的肥料配施方法，在提高生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減少溫室氣體的排放量，為菜田溫室氣體排放特征及減排調(diào)控機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院崇明試驗(yàn)基地進(jìn)行，基地位于上海崇明島西部的三星鎮(zhèn)（31°41′15″N，121°54′00″E），屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1 003.7 mm，降水集中在4—9月，年均氣溫15.3℃，年均積溫2 559.60℃。土壤類型為沙夾黃土。

1.1.2花菜種植

供試花菜為崇明本地中晚熟120 d主栽品種。2014年8月1日播種，9月5日定植，葉齡為5片真葉，秧齡35 d。大田定植株行距40 cm×60 cm，栽培管理按常規(guī)進(jìn)行；2015年1月10日開始分批采收，2 月20日采收結(jié)束。

1.1.3肥料性狀

三元復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15）、過磷酸鈣（P2O5為12%）和尿素（N為46%）；商品有機(jī)肥（N 0.98%、P2O52.71%、K2O 2.05%、有機(jī)質(zhì)31%），秸稈堆肥（N 1.01%、P2O51.75%、K2O 3.15%、有機(jī)質(zhì)55%）

1.2方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為大田小區(qū)試驗(yàn)，共設(shè)3個(gè)處理分別為：單施化肥（H）、化肥配施商品有機(jī)肥（HY）、化肥配施秸稈堆肥（HJ），小區(qū)為15 m×10 m長方形，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。H處理以三元復(fù)合肥1 000 kg/hm2、過磷酸鈣600 kg/hm2為基肥，HY處理和HJ處理分別以商品有機(jī)肥15 000 kg/hm2、秸稈堆肥15 000 kg/hm2為基肥，然后分別在定植20 d后、蓮座期、花球形成期追加尿素240 kg/hm2、480 kg/hm2、480 kg/hm2，追肥為表施后灌水。花菜整個(gè)生長期各處理氮肥施用量相同，為純氮700 kg/hm2，各施肥處理的其他栽培管理措施相同。

1.2.2溫室氣體的采集與測定

溫室氣體的采集、分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，進(jìn)行定點(diǎn)溫室氣體采集，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。靜態(tài)箱內(nèi)徑50 cm、高110 cm。試驗(yàn)田安置有機(jī)玻璃底座，采樣時(shí)靜態(tài)箱扣于底座上，底座邊上搭設(shè)浮橋供采氣時(shí)行走。從花菜定植后20 d開始采集溫室氣體，大約每周采集1次。每塊試驗(yàn)田設(shè)1個(gè)測試點(diǎn)，在田塊中間設(shè)置取樣點(diǎn)，為減少試驗(yàn)誤差重復(fù)3次。自早晨8：00開始，3個(gè)處理同時(shí)進(jìn)行氣體采集。罩箱后5 min、10 min、15 min和20 min分別取60 mL氣體，注入100 mL氣袋中保存。采集氣體的同時(shí)記錄箱溫、土壤溫度。

采集樣品中的CH4、N2O和CO2濃度由美國安捷倫公司GC7890氣相色譜分析儀進(jìn)行檢測，N2O檢測器（Electron Capture Detector，美國安捷倫公司），檢測溫度330℃，CO2和CH4檢測器（Flame Ionization Detector，美國安捷倫公司）檢測溫度分別為380℃和200℃，柱溫為550℃［7］。

1.2.3花菜產(chǎn)量與品質(zhì)測定方法

產(chǎn)量采用估測法，以小區(qū)為單位，在花菜采收期間階段性的隨機(jī)取15株為樣品測定，稱量所結(jié)花球的重量，以此估測每個(gè)小區(qū)產(chǎn)量［8］。

品質(zhì)測定：Vc測定采用2，6-二氯酚靛酚比色法；可溶性糖測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白測定采用考馬斯亮蘭G-250染色，紫外分光光度計(jì)比色法［9］。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

排放通量F（mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1）：

式中：m為氣體的摩爾質(zhì)量/g·mol-1；R為普適氣體常數(shù)/8.314 J·mol-1·K-1；T為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫/℃；P為采樣點(diǎn)大氣壓力，通常視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即P =1.013×105Pa；dC/dt為氣體排放速率。

增溫潛勢(shì)（Global warming potential，GWP）為增溫潛勢(shì)在過去的100 a增溫尺度，CO2、CH4與N2O的增溫系數(shù)分別為1、25和298，與其全年累積排放量E相乘后相加得到增溫潛勢(shì)GWP［（CO2-eqv）kg· hm-2］，具體公式為：

溫室氣體排放強(qiáng)度（Greenhouse gas intensity，GHGI）單位：kg·kg-1·a-1，

試驗(yàn)結(jié)果均以每次測得的3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同施肥處理對(duì)溫室氣體排放的影響

2.1.1CH4的排放特征

CH4排放通量結(jié)果顯示（圖1），從定植20 d后，3種處理CH4排放通量小幅上升，在10月15日前后達(dá)到峰值，隨后又逐漸下降，整個(gè)生長季節(jié)HJ處理的CH4排放通量均高于其他處理，11月2日HJ處理的CH4排放通量分別較H和HJ處理高出88.9%和39.3%。這與前人研究結(jié)果相似，馬靜等［10］認(rèn)為秸稈還田增加了農(nóng)田CH4的排放量。

2.1.2CO2的排放特征

農(nóng)田土壤排放CO2過程與土壤pH、微生物、動(dòng)物、氣溫等因素有關(guān)，如圖2所示各處理的CO2排放通量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，由于氣溫逐漸降低，從10月末CO2排放通量降低為負(fù)值，表現(xiàn)為CO2匯，即凈吸收。生殖生長階段H處理基本維持在-27—-14.8 mg·m-2·h-1，而HJ、HY處理的CO2排放通量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，但兩者的差異性不顯著，與馮寧沙［11］研究結(jié)果相似。

2.1.3N2O的排放特征

N2O排放通量如圖3所示，各處理中以H處理最高。花菜生長階段前期，HJ處理的N2O排放通量較低，生長后期略高于HY處理，生長中后階段H處理的N2O排放通量最高，顯著高于HY處理，其次是HJ處理，10月25日H分別較HY、HJ高出了33.3%和28.6%，可能與肥料的種類有關(guān)，前人的研究表明隨著氮肥施入量的增加，N2O排放速率呈上升趨勢(shì)［12-14］。

2.1.4不同施肥處理對(duì)溫室氣體排放量、增溫潛勢(shì)、排放強(qiáng)度的影響

花菜生長期間，不同施肥處理的溫室氣體季節(jié)累積排放量見表1。從表中可以看出，H處理的CO2、N2O二種溫室氣體的季節(jié)累積排放量顯著高于其他處理，CH4的季節(jié)累積排放量則低于其他處理。

圖2　不同施肥處理下CO2排放通量變化規(guī)律Fig.2 Variations of CO2emission under different fertilization treatments

圖3　不同施肥處理下N2O排放通量變化規(guī)律Fig.3 Variations of N2O emission under different fertilization treatments

表1　不同施肥處理對(duì)溫室氣體季節(jié)累積排放量、綜合效應(yīng)、排放強(qiáng)度的影響Table 1 Effects of fertilization treatments on cumulative greenhouse gas emission，global warming potential and greenhouse gas intensity

由表1可知，各處理的增溫潛勢(shì)（GWP）以H最高，分別較HY、HJ高32.8%、26.0%。花菜種植季節(jié)的溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI），H處理最高，分別較HY、HJ高出42.2%、38.1%。

2.2不同施肥處理對(duì)花菜產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)的影響

不同施肥處理對(duì)花菜產(chǎn)量的影響見表2，以HJ處理最好，其次是HY處理，較對(duì)照（H處理）分別增產(chǎn)17.92%和16.25%。

HY和HJ兩處理的花菜花球中Vc含量、可溶性糖含量、蛋白質(zhì)含量較對(duì)照處理H均有不同程度提高，其中HY、HJ處理的Vc含量分別比對(duì)照提高8.79%、8.08%，蛋白質(zhì)含量分別提高20.99%、16.67%，可溶性糖含量分別提高15.79%、20.47%，這與前人的研究結(jié)果相吻合［15-16］。

3　結(jié)論與討論

本研究顯示：秸稈還田配施化肥處理HJ顯著增加了CH4排放量，CH4季節(jié)累積排放量分別較單施化肥處理H、化肥配施有機(jī)肥處理HY高出了22.86%、13.16%。處理H增加N2O的排放量，N2O季節(jié)累積排放量分別較處理HY、HJ高出了23.66%、24.44%，不同處理間CO2的季節(jié)累積排放量差異不顯著，處理H分別較HY、HJ兩處理高出9.63%、11.88%。前人研究表明，秸稈還田會(huì)增加CO2的排放量與本研究結(jié)果不同，可能與花菜種植期氣溫較低，土壤微生物的呼吸作用減弱有關(guān)。通過增溫潛勢(shì)、溫室氣體排放強(qiáng)度、花菜產(chǎn)量及品質(zhì)等指標(biāo)的綜合考量，試驗(yàn)表明秸稈還田配施化肥、化肥配施有機(jī)肥能明顯降低溫室氣體綜合效應(yīng)及排放強(qiáng)度，提高花菜的產(chǎn)量及品質(zhì)。由此可見合理的施肥方式增加產(chǎn)量的同時(shí)有助于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，促進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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表2　不同施肥處理對(duì)花菜產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響Table 2 Effects of fertilization treatments on cauliflower yield and quality

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（責(zé)任編輯：程智強(qiáng)）

Effects of different fertilization treatments on greenhouse gas emission and cauliflower yield and quality

Lü Wei-guang，ZHENG Xian-qing，LI Shuang-xi，HE Qi-yong，ZHANG Han-lin，WANG Jin-qing，ZHANG Juan-qin*
（Eco-Environment and Plant Protection Research Institute，Shanghai Academy of Agricultural Sciences；Observation and Experiment Station of Agricultural Environment and Farmland at Shanghai，Ministry of Agriculture；Shanghai Key Lab of Protected Horticultural Technology；Shanghai Agricultural Environmental Protection and Monitoring Station，Shanghai 201403，China）

Abstract：Plot experiments with cauliflower were conducted under different fertilization treatments：single application of chemical fertilizer（H），mixed application of organic and inorganic fertilizers（HY），and straw manuring and application of chemical fertilizer（HJ）.The experimental results showed that the HJ treatment significantly increased the cumulative seasonal CH4emission by 22.86%and 13.16%respectively over the H and HY treatments.The H treatment increased the cumulative seasonal N2O and CO2emissions respectively by 23.66%and 24.44%over the HY treatment and respectively by 9.63%and 11.88%over the HJ treatment.Both HY and HJ treatments made the cauliflower yield and the cauliflower’s vitamin C，protein and soluble sugar contents higher than the H treatment，the yield increasing by 16.25%and 17.92%，the vitamin C increasing by 8.79%and 8.08%，the protein increasing by 20.99%and 16.67%，and the soluble sugar increasing by 15.79%and 20.47%.Comprehensively considering such indexes as global warming potential，greenhouse gas intensity，and cauliflower yield and quality，both HY and HJ treatments were better，obviously decreasing greenhouse gas warming potential and intensity and improving cauliflower yield and quality.

Key words：Cauliflower；Yield；Quality；Greenhouse gas；Fertilization experiment

中圖分類號(hào)：S635.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3924（2016）03-078-05

DOI：10.15955/j.issn1000-3924.2016.03.16

收稿日期：2015-05-27

基金項(xiàng)目：上海市農(nóng)科院青年基金（QJ21）；上海市科委基礎(chǔ)研究領(lǐng)域項(xiàng)目（13JC1404800）；上海市農(nóng)口青年成長項(xiàng)目［滬農(nóng)青字（2014）第1-25號(hào)］；上海市長三角國內(nèi)合作項(xiàng)目（14395810602）；上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目［滬農(nóng)科推字（2013）第4-1號(hào)］；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2010BAK69B18）

作者簡介：呂衛(wèi)光（1972—），博士，研究員，研究方向：環(huán)境保護(hù)。E-mail：lwei1217@sina.com

*通信作者：張娟琴（1982—），碩士，助理研究員，研究方向：環(huán)境檢測。E-mail：zhjuanqin501@163.com