水肥氣一體化灌溉對溫室辣椒地土壤N2O排放的影響

雷宏軍 劉 歡 劉 鑫 潘紅衛 陳德立

(1.華北水利水電大學水利學院， 鄭州 450046； 2.墨爾本大學獸醫與農業科學學院， 維多利亞 3010)

0 引言

氧化亞氮(Nitrous oxide，N2O)是目前最重要的溫室氣體之一，是大氣臭氧層破壞的主要參與者[1]。灌溉農田是N2O排放的主要來源之一，氮肥的廣泛使用和投入的增加造成N2O排放的急劇增加[2]。目前農田N2O的排放量占全球N2O排放總量的39%～52%[3]。據估計，到2030年，每年農田N2O排放量將達到7.60×106t[2]。我國是蔬菜生產和消費大國，其種植面積占農作物總面積的25.60%，其中設施菜地占蔬菜種植面積的18.00%[4]。設施菜地具有施肥量大、復種指數高和灌溉頻繁等特點，但氮肥當季利用率低于10%，導致N2O大量排放[5-6]，約12%的人為N2O排放來源于蔬菜種植[4]。水肥氣一體化灌溉(Oxyfertigation)是水肥一體化灌溉的升級，不僅顯著提高作物的水肥利用效率，還可為土壤提供充足的有效氧，促進作物的生長，實現作物的增產提質[7-8]。

施肥對N2O排放的影響很大程度上依賴于土壤水分[9]。滴灌通過影響土壤水分動態和微生物氮循環過程影響N2O的產生和排放[10]。目前，國內外部分研究者關于水氣一體化灌溉對N2O排放的影響進行了積極的探索。陳慧等[11]研究了單次曝氣對溫室番茄地N2O排放的影響，結果表明曝氣增加了番茄生育期的N2O排放總量。HOU等[12]研究了單次曝氣對溫室番茄地綜合溫室效應的影響，結果表明曝氣灌溉不會顯著增加土壤CO2和N2O的綜合溫室效應。杜婭丹等[13]研究了灌溉后機械通氣對溫室芹菜地N2O排放的影響，結果表明N2O排放總量隨灌水量和施氮量的增加而增加。然而，目前關于水肥氣一體化灌溉對設施菜地N2O排放的影響研究較少。

為明確施氮、增氧和灌水對溫室辣椒地土壤N2O排放的影響，本文系統研究不同水肥氣組合方案對溫室辣椒地土壤N2O排放的影響，優化水肥氣組合方案，并通過SEM分析各影響因子對土壤N2O排放的綜合貢獻，以期明確水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒地土壤N2O排放的影響機制，并為水肥氣管理模式的優化提供支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年3月20日—6月30日在華北水利水電大學龍子湖校區農業高效用水實驗室溫室大棚(34°46′56″ N, 113°47′21″ E)開展。試驗地的年平均氣溫為14.4℃，年日照時數為2 400 h。辣椒生育期溫室氣溫和濕度動態如圖1所示。

圖1 辣椒生育期溫室氣溫和濕度動態Fig.1 Dynamics of air temperature and humidity during pepper cropping season in greenhouse

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗中供試辣椒的品種為康大301(鄭州鄭研種苗科技有限公司)。種植桶為圓柱形，直徑30 cm，高40 cm，采用全埋式布設，以模擬田間作物生長的光照和溫度。供試土壤為黏質壤土，其中砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(0～0.002 mm)的質量分數分別為42.87%、35.26%和21.87%，土壤容重1.20 g/cm3，土壤堿解氮質量比38.87 mg/kg，速效鉀質量比3.42 mg/kg，速效磷質量比9.98 mg/kg，有機質質量比21.54 g/kg，pH值7.50。采用地下滴灌進行灌溉，滴頭型號為Netafim(以色列奈特菲姆灌溉公司)，額定流量2.2 L/h，滴頭埋深10 cm。

設計了施氮、增氧和灌水3因素2水平試驗，共計8個處理，每個處理8次重復，采用完全隨機布設。試驗設計如表1所示。

表1 水肥氣一體化灌溉試驗設計Tab.1 Experimental design of oxyfertigation

注：W為充分灌溉時的灌水量。N1為常量施氮，N2為減量施氮；W1為充分灌溉，W2為非充分灌溉；A為增氧滴灌，C為常規滴灌。

1.3 試驗管理

采用海藍科技微納米氣泡機(50 Hz，宜興市海藍科技有限公司)利用變壓吸附分離原理制備純氧，通過外置的儲水罐進行循環，可制備超高溶解氧微納米氣泡水。于循環裝置出水口安裝供水干管，接入壓力表和水表。待灌溉水溶氧量達到40 mg/L時(約5 min)開始灌溉。滴灌帶首部供水壓力控制為0.10 MPa。

充分灌溉的灌水量計算式[13]為

W=EpKc

(1)

式中W——充分灌溉時的灌水量，mm

Ep——2次灌溉間蒸發皿的蒸發量，mm

Kc——蒸發皿系數

每日08:00定時監測Φ601標準蒸發皿讀數。表2為辣椒生育期內灌水量。

肥料采用水肥氣一體化灌溉的方式施入。供試的氮、磷和鉀肥分別為NH4NO3、P2O5和K2O，于移栽后21、30、40、51、62、70、85 d進行施氮，施氮比例為2∶3∶2∶2∶3∶2∶1。溫室辣椒的施肥方案如表3所示。

表3 溫室辣椒的施肥方案Tab.3 Fertilization scheme of pepper in greenhouse

1.4 指標測定及計算

試驗中采用靜態箱原位采集氣樣，靜態箱為圓柱形，直徑10 cm，高度15 cm，于靜態箱頂部打孔，裝入軟管和三通閥，并用膠密封。由于靜態箱的尺寸較小，氣體較易混勻，故不需通過靜態箱頂部裝入風扇使氣體擾動混勻。通過預試驗，采用該裝置采集氣體，N2O濃度測量值隨時間的回歸系數可達0.85以上。每個處理隨機選取3個盆栽進行靜態箱底座的埋設，用于氣樣的采集。通過預試驗，以NH4NO3為供試氮肥進行水肥氣一體化灌溉時，N2O排放峰值出現在施肥灌溉后1 d，且變化過程較為平緩，故試驗中于施肥灌溉后1 d進行氣樣的采集。采用帶三通閥的注射器于0、10、20、30 min分別抽取靜態箱氣體，其中2 mL用于三通閥和針頭的潤洗，10 mL注入抽成真空的容積12 mL的氣瓶中[18]。待氣樣采集完成后，注入20 mL的N2，放入4℃冰箱中保存，14 d內進行測試。

利用氣相色譜儀(GC-2010 PLUS型，(島津)有限公司)測定氣體樣品中N2O的濃度。N2O排放通量的計算式[11]為

(2)

式中F——N2O排放通量，μg/(m2·h)

ρ——標準氣體的濃度，取1.96 g/cm3

h——土面與靜態箱頂部距離，m

T——采集N2O時靜態箱內溫度，℃

P——采集N2O時靜態箱內壓強，kPa

P0——標準大氣壓，kPa

c——測定的氣體濃度，mg/L

t——采集氣樣的時間，min

N2O排放總量的計算式[14]為

(3)

式中Et——研究時段N2O排放總量，mg/m2

Fi+1——第i+1次N2O排放通量，μg/(m2·h)

Fi——第i次N2O排放通量，μg/(m2·h)

ti+1——第i+1次采氣時的時間，h

ti——第i次采氣時的時間，h

氮素利用效率為作物產量和施氮量的比值，計算式[13]為

(4)

式中NUE——氮素利用效率，%

Y——作物產量，kg/hm2

FN——溫室辣椒施氮量，kg/hm2

單產N2O排放量為土壤N2O排放總量與作物產量的比值，計算式[13]為

(5)

式中Eu——單產N2O排放量，mg/kg

采氣的同時，通過溫度計測定箱內溫度；通過埋于靜態箱底座附近的地溫計測定10 cm土層的溫度；采用預埋于徑向5 cm處的土壤水分探頭，通過便攜式土壤水分測量儀(TRIME-PICO TDR，德國IMKO公司)監測0～10 cm土層的體積含水率，計算土壤的充水孔隙度；采用水平埋設于土深10 cm處的溶解氧探針，相連便攜式溶解氧測定儀(PyroScience GmbH, Aachen, 德國)測定土壤溶解氧含量。土壤充水孔隙度(Water-filled pore space，WFPS)的計算式為

(6)

式中ρWFPS——土壤充水孔隙度，%

θv——土壤體積含水率，cm3/cm3

γ——土壤容重，g/cm3

ρs——土粒密度，取2.65 g/cm3

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2013軟件進行數據統計及分析；采用SPSS 22統計軟件進行顯著性分析。使用R統計軟件Amos Graphics CLI結構方程模型分析N2O通量與土壤理化因子之間的關系。

2 結果與分析

2.1 水肥氣一體化灌溉對溫室辣椒地土壤N2O排放的影響

圖2為水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒地土壤N2O排放通量。水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒地土壤N2O排放通量峰值出現在辣椒移栽后31、63 d，而試驗中其余監測時間呈較低水平。增氧、灌水量和施氮量的增加可顯著增加溫室辣椒地土壤N2O排放通量峰值。移栽后31 d時，增氧處理的N2O排放通量峰值較對照平均增加了34.94%，W1處理的N2O排放通量峰值較W2平均增加了64.60%，N1水平的N2O排放通量峰值較N2平均增加了31.35%(P<0.05)；移栽63 d時，增氧處理的N2O排放通量峰值較對照平均增加了34.75%，W1處理的N2O排放通量峰值較W2平均增加了37.09%，N1水平的N2O排放通量峰值較N2平均增加了23.12%(P<0.05)。

表4為水肥氣一體化灌溉下辣椒產量及N2O排放量。增氧處理、灌水量和施氮量的增加可增加溫室辣椒地土壤N2O排放總量。N1水平下，處理W1A和W2A的N2O排放總量較對照增加了40.00%和34.48%(P<0.05)；N2水平下，處理W1A的N2O排放總量較對照增加21.21%，故增氧條件下N2O排放總量較對照平均增加31.90%。N1水平下，處理W1A和W1C的N2O排放總量較W2相應處理分別增加了43.59%和37.93%(P<0.05)；N2水平下，處理W1A和W1C的N2O排放總量較W2相應處理分別增加了53.85%和37.50%(P<0.05)，故充分灌溉下N2O排放總量較非充分灌溉平均增加了43.22%。N1水平下W1A、W1C、W2A和W2C的N2O排放總量較N2水平下各相應處理分別增加了40.00%、21.21%、50.00%和20.83%(P<0.05)，故常量施氮的N2O排放總量較減量施氮平均增加了33.01%。

圖2 水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒地N2O排放通量Fig.2 Soil N2O emission flux in greenhouse pepper production system under oxyfertigation

處理N2O排放總量/(kg·hm-2)產量/(t·hm-2)氮素利用效率/%單產N2O排放量/(mg·kg-1)N1W1A(0.56±0.05)a(98.94±7.62)a(329.81±21.92)b(5.66±0.08)aN1W1C(0.40±0.02)b(86.72±5.97)b(289.08±24.83)c(4.61±0.35)cN1W2A(0.39±0.02)b(73.12±5.84)c(243.72±20.36)e(5.33±0.51)bN1W2C(0.29±0.01)c(66.43±3.36)d(221.42±18.14)f(4.37±0.27)dN2W1A(0.40±0.03)b(83.19±3.01)b(369.73±24.03)a(4.81±0.58)cN2W1C(0.33±0.03)c(79.13±5.84)b(358.25±28.11)a(4.17±0.28)dN2W2A(0.26±0.03)cd(64.50±1.61)d(282.88±16.23)c(4.03±0.44)deN2W2C (0.24±0.02)d(59.79±9.69)e(265.73±38.77)d(4.01±0.20)e

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

增氧處理和灌水量的增加可顯著提高辣椒的氮素利用效率，而施氮量的增加降低了辣椒的氮素利用效率。N1水平下，處理W1A和W2A的氮素利用效率較對照提高14.09%和10.07%；N2水平下，W2A的氮素利用效率較對照提高6.45%(P<0.05)。N1水平下，處理W1A和W1C的氮素利用效率較W2相應處理分別提高35.32%和30.56%；N2水平下，處理W1A和W1C的氮素利用效率較W2相應處理分別提高30.70%和34.82%(P<0.05)。N1水平下，處理W1A、W1C、W2A和W2C的氮素利用效率較N2相應處理分別降低10.80%、19.31%、13.84%和16.67%(P<0.05)。

增氧處理、灌水量和施氮量的增加可增加單產N2O排放量。N1水平下，處理W1A和W2A的單產N2O排放量較對照增加了22.78%和21.97%；N2水平下，處理W1A的單產N2O排放量較對照增加了15.35%(P<0.05)，而處理W2A的單產N2O排放量較對照無顯著性差異(P>0.05)。N1水平下，處理W1A和W1C的單產N2O排放量較W2相應處理分別增加了6.19%和5.49%；N2水平下，處理W1A和W1C的單產N2O排放量較W2相應處理分別增加了19.35%和3.99%(P<0.05)。N1水平下，處理W1A、W1C、W2A和W2C的單產N2O排放量較N2相應處理分別增加了17.67%、10.55%、32.26%和8.98%(P<0.05)。

單產N2O排放量是反映作物產量和N2O排放潛力的綜合指標。處理N2W2A和N2W2C的單產N2O排放量均較小，且差異不顯著(P>0.05)，而處理N2W2A的產量和氮素利用效率較N2W2C顯著提高了7.88%和6.45%(P<0.05)。綜合考慮溫室辣椒產量、氮素利用效率和單產N2O排放量，減量施氮非充分灌溉增氧處理(N2W2A)是試驗中推薦的水肥氣一體化灌溉方案。

2.2 水肥氣一體化灌溉對各影響因子的影響

2.2.1物理因子

圖3為N2O排放的物理影響因子動態變化曲線。增氧處理、灌水量和施氮量的增加對土壤溫度無顯著影響(圖3a、3b)。灌水量的增加可顯著提高土壤的WFPS，而增氧和施氮對WFPS無顯著影響(圖3c、3d)。N1水平下，處理W1A和W1C的平均WFPS較W2相應處理增加了16.23%和13.61%(P<0.05)；N2水平下，處理W1A和W1C的平均WFPS較W2相應處理增加了20.30%和19.32%(P<0.05)。

增氧處理可顯著提高土壤溶解氧含量，而灌水和施氮處理對土壤溶解氧含量無顯著影響(圖3e、3f)。N1水平下，處理W1A和W2A的土壤溶解氧含量較對照分別提高了10.68%和13.80%(P<0.05)；N2水平下，處理W1A和W2A的土壤溶解氧含量較對照分別增加了15.05%和16.06%(P<0.05)。

圖3 N2O排放的物理影響因子動態變化曲線Fig.3 Dynamics of soil physical factors affecting soil N2O emission

圖4 土壤和質量比動態變化曲線Fig.4 Dynamics of soil and contents

2.2.2化學因子

2.3 水肥氣一體化灌溉下N2O排放的結構方程模型

水肥氣一體化灌溉下土壤N2O排放的結構方程模型如圖5所示。

圖5 水肥氣一體化灌溉下土壤N2O排放的結構方程模型Fig.5 SEM of soil N2O emission under oxyfertigation

3 討論

3.1 水肥氣一體化灌溉對溫室辣椒地土壤N2O排放的影響

高頻率的滴灌和施肥使得根區土壤水分和營養保持良好狀態，影響著土壤碳氮循環和硝化反硝化過程，進而影響著土壤N2O的排放[19-20]。增氧灌溉可有效增加土壤有效氧含量，促進土壤的硝化作用[12]，并提供良好的氣體排放通道，促進N2O的排放[21]。本文采用純氧曝氣裝置制得的超高溶解氧微納米氣泡水進行灌溉，提高了土壤氧氣含量，增氧處理的N2O排放總量較對照增加了31.90%，與HOU等[12]和杜婭丹等[13]研究結果相似。有研究表明減量施氮可有效降低土壤硝化、反硝化底物含量[22]，且N2O排放量隨著施氮量的減少而顯著減少[13]，故在相同的增氧和灌水條件下，減量施氮的土壤N2O排放顯著低于常量施氮。土壤干濕變化可通過土壤理化特性的改變增加土壤碳氮的可利用性，造成土壤N2O排放增加[23]。灌溉是造成溫室作物土壤干濕變化最主要的因素。灌水量的增加會激發土壤微生物的繁殖潛力，促進N2O的排放[24]，故本文中相同增氧和施氮水平下充分灌溉的N2O排放量較非充分灌溉顯著增加。

作物生育期內土壤N2O排放通量峰值與土壤溫度、灌溉和施肥措施緊密相連[12-13,20]。施氮量的增加導致硝化、反硝化反應底物有所增加，促進土壤N2O的排放[25]。本文于辣椒移栽后的30、62 d進行灌溉施氮，且灌水量和施氮量較生育期內其他灌水量和施氮量有所增加。施氮量的增加為辣椒根系土壤提供了充足的硝化、反硝化反應底物，灌水量的增加充分激活了土壤微生物的繁殖潛力，導致N2O排放有所增加，故辣椒生育期內出現了2次N2O排放通量峰值。試驗中水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒生育期N2O排放總量較常規的施入基肥再追肥的施肥方式[25]實現了減排，與王艷麗等[20]研究結果相似。這主要是肥料隨水少量多次的協調施入作物根區，保證了土壤氮素盡可能多地被作物吸收利用，從而降低了土壤氮素以N2O形式排放的直接損失。

3.2 水肥氣一體化灌溉下土壤N2O排放與各影響因子間的關系

土壤水分主要通過影響土壤的有效氧含量、氮素遷移轉化和微生物活性等影響N2O排放[28]。當土壤含水率在充水孔隙度的35%～60%時，N2O排放主要來源于硝化反應，當含水率超過充水孔隙度的70%時，土壤N2O排放主要來源于反硝化反應[29]。本文中N1水平下監測的土壤充水孔隙度均值為40.84%～47.11%；N2水平下監測的土壤充水孔隙度均值為38.46%～47.30%，表明N2O產生主要來源于硝化反應，充水孔隙度可解釋水肥氣一體化灌溉下N2O排放的60%。

水肥氣一體化灌溉改變了土壤的有效氧含量，影響著土壤硝化反硝化微生物的數量和活性。土壤微生物數量和活性對明確水肥氣一體化灌溉下N2O排放機制有重要意義，然而本文并未涉及，有待進一步研究。

4 結論

(1)增氧處理、施氮量和灌水量的增加可增加水肥氣一體化灌溉下溫室辣椒地土壤N2O排放通量峰值、N2O排放總量和單產N2O排放量。增氧處理和灌水量的增加可顯著提高辣椒的氮素利用效率，而施氮量的增加降低了辣椒的氮素利用效率。

(2)綜合考慮作物產量、氮素利用效率和單產N2O排放量，減量施氮非充分灌溉增氧處理是推薦的水肥氣一體化灌溉組合方案。