北京設施菜地N2O和NO排放特征及滴灌優化施肥的減排效果

謝海寬，江雨倩，李 虎，徐 馳，丁武漢，王立剛，張 婧

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部面源污染控制重點實驗室/中國農業科學院-美國新罕布什爾大學可持續農業生態系統研究聯合實驗室，北京 100081）

N2O和NO作為全球氮循環的重要氣體，對大氣環境有重要影響[1]。N2O是重要的溫室氣體之一，不僅對全球變暖等環境問題有重要貢獻，而且參與平流層臭氧層損耗活動[2]。NO作為非甲烷烴、CH4、N2O和CO等大氣污染成分的氧化劑，能參與復雜的大氣化學過程，在對流層中也可與揮發性烷烴反應產生臭氧 (O3)，進而影響全球氣候變化；或進一步轉化為亞硝酸和硝酸，通過干濕沉降導致酸雨和水體的富營養化[3-4]。農業生產活動引起的N2O、NO排放一直受到廣泛關注[5]。有資料顯示，全球農業生產活動產生的N2O和NO年排放量約分別達到N 3.3 ×106t和1.4 × 106t[6]。土壤微生物的硝化、反硝化過程是控制農業土壤排放N2O、NO的兩個關鍵過程，硝化作用是硝化細菌將土壤中的NH4+氧化為NO3-的過程，而反硝化作用是反硝化細菌將NO3-還原為NO2-，甚至進一步還原為NO、N2O、N2的過程[7]。一般認為當土壤孔隙含水量大于60%時，N2O是反硝化作用的主要產物，盡管NO是反硝化作用的中間產物，但是由于其在厭氧條件下能夠被快速地還原，以及在厭氧土壤中擴散較慢的原因，厭氧環境的土壤中很難觀測到NO的排放[8]。硝化作用既可以產生NO，又能產生N2O[9]。不過在大多數情況下，N2O產生的主要過程是反硝化作用，而NO主要來自于硝化作用[8,10]。

國內關于農田土壤N2O排放的研究主要集中在施肥量、施用有機肥、秸稈還田、添加硝化抑制劑(DCD)、施用緩釋肥等[11-15]。減少氮肥的投入，可以有效減少農田N2O、NO排放[16-17]，然而農民為了提高產量，通常會投入更多的氮肥。另外添加硝化抑制劑 (DCD) 和施用緩釋肥，對減少N2O排放也有較好的效果，然而由于其成本比常規肥料高，難以被廣泛推廣應用[18]。滴灌施肥技術不僅可以提高作物產量、水肥利用效率[19-20]，而且可以減少農田土壤N2O、NO排放[21-23]，受到了國內外學者的廣泛關注。設施蔬菜由于其經濟效益和復種指數高，已經成為全球一種重要的蔬菜種植模式[24]。特別是中國，設施蔬菜種植面積達到了26700 hm2，占世界設施蔬菜面積總量的90%以上[25]。隨著社會的進步和人們生活水平的提高，在未來幾年中種植面積仍將呈持續增加的趨勢[26]。設施菜地不同于大田作物，往往具有施肥量大、灌溉頻繁等特點[27-28]。在大田作物種植系統的研究發現，N2O季節排放占 (N2O + NO) 排放總量的48%～79%[29-30]。然而國內對設施菜地的研究大多只關注N2O排放，對NO的研究較少，N2O、NO占 (N2O+NO) 比重仍不確定。因此針對我國設施菜地施肥量大、灌溉頻繁的特點，研究滴灌施肥條件下設施菜地N2O、NO排放具有重要意義。本研究擬以北方典型設施菜地為研究對象，系統分析設施菜地不同時期N2O、NO的排放特征及其影響因素，明確不同灌溉和施肥條件下N2O、NO排放特征，以期為科學評估農田生態系統N2O、NO排放提供直接測定的關鍵參數，并給設施菜地推薦合適的水肥用量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗位于北京市房山區竇店鎮蘆村蘆西園（東經 116°01′、北緯 39°38′），該地黃瓜和芹菜連續輪作了5年。大棚為半拱圓形無色塑料大棚，長155 m、寬6 m。土壤類型為褐土，質地為粉質壤土，其容重為1.21 g/cm3，0—20 cm耕層土壤有機質含量55.0 g/kg，全氮含量0.320 g/kg，全磷含量0.160 g/kg，全鉀含量2.69 g/kg，堿解氮146 mg/kg，速效鉀783 mg/kg，有效磷105 mg/kg。供試黃瓜品種為‘金胚98’，黃瓜于2016年3月9日定植，定植后以黑色地膜覆蓋，同年7月8日拉秧，整個生育期為122天。棚內年均相對濕度為72.1%，平均溫度為21.2℃，最高可達60.1℃。供試有機肥為牛糞（含氮量1.33%、含水量41.6%），氮、磷、鉀肥分別為尿素（含N 46.4%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含K2O 33%）。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，分別為：漫灌，不施氮肥(CK)；漫灌，農民習慣施肥 (FP)；滴灌，農民習慣施肥 (FPD)；滴灌，優化施肥 (OPTD)。每個處理3次重復。試驗小區面積為48 m2(6 m × 8 m)，小區間由隔離帶隔開。黃瓜于2016年3月9日定植后立即采用漫灌方式灌水，灌水量為87.17 mm。有機肥和磷肥均作為底肥于定植前一次性施入，化學氮肥和鉀肥基追比例為3∶7。總生育期追肥6次，比例為1∶1∶1∶1∶1∶2。所有處理基肥撒施后翻耕入土；CK和FP處理將追施肥料溶于灌溉水后隨水漫灌施入，FPD和OPTD處理采用滴灌，在伸蔓期、開花期、結瓜期、結瓜期、結瓜期和結瓜期將追施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75%。各處理肥料施用量和灌溉管理措施如表1所示。

1.3 氣體采集與測定

分別采用自動靜態箱—氣相色譜法和靜態箱—氮氧化物分析儀法對N2O、NO氣體進行采集和分析[17,31]。其中N2O采樣方法參見文獻[32]。NO采樣方法如下：N2O氣體采樣結束后，將采樣箱抬起，保持采樣箱內部空氣流通，然后將采樣箱重新放到底座上密封，同時用12V的真空抽氣泵 (KNF，Neuberger Inc., Germany) 抽2 L氣體于鋁箔材料制成的氣袋中，30分鐘后用真空泵從箱內抽取第二個氣體樣品。每次取樣時間一般為早上8:00—10:00。N2O氣體用改進的Agilent 7890A氣相色譜儀分析，NO氣體使用NO-NO2-NOx分析儀 (42i，Thermo) 測定。各處理0—15 cm土壤體積含水量用TRIME-PICO 64測定。

1.4 數據計算與分析

1)排放通量：根據氣體濃度隨時間的變化速率計算氣體排放通量

式中：F為氣體的排放通量[g/(m2·h)]；T為采樣箱內氣溫 (℃)；dc/dt為采樣箱內兩次取樣氣體濃度差值與時間差的比值[μL/(L·h)]；P為采樣時氣壓 (mm Hg)，P0為標準大氣壓 (mm Hg)，P/P0≈1，ρ為標準狀態下氣體的密度 (g/L)；H為采樣箱氣室高度 (m)。

2)排放總量：利用內插法計算相鄰兩個監測日之間的排放通量，并將觀測值和內插法計算出的值累加便可算出氣體排放總量。

表 1 不同處理施肥量和灌水量Table 1 Total fertilizer and irrigation rate in different treatments

3)排放強度：指氣體排放總量與相應處理作物產量的比值。排放強度計算公式為

式中：I為排放強度 (N kg/t)；T為作物生長季土壤N2O或NO的排放總量 (N kg/hm2)；Y為作物產量(t/hm2)。

4)排放系數：施氮處理與不施氮處理N2O或NO排放總量之差占肥料施用總量的比值。

式中：EF和EC分別為施氮肥和對照處理下作物生長季土壤N2O或NO排放總量 (N kg/hm2)；N為當季施氮肥量 (N kg/hm2)。

5)土壤孔隙含水量 (WFPS)：為TRIME-PICO64所測體積含水率轉化而來。計算公式為

式中：θv是土壤容積含水量 (%)；ρb是土壤容重(g/cm3)；ρs為土壤比重。

采用Excel 2013進行處理，用SAS9.2統計軟件對數據進行統計分析，采用Duncan法進行處理間方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式對黃瓜產量和環境條件的影響

前期對黃瓜產量的調查結果表明，施肥量相等條件下，FP、FPD處理作物產量沒有顯著差異，FP處理產量為119.5 t/hm2，FPD處理產量增加了2.0%，達到了121.8 t/hm2。在同為滴灌施肥條件下，與FPD處理相比，OPTD處理作物產量顯著下降，為109.0 t/hm2[32]。

從土壤表層 (0—15 cm) 土壤孔隙度含水量 (圖1)的變化來看，土壤WFPS受灌溉影響較大，灌溉后土壤WFPS迅速升高，隨著時間的推移逐漸降低。整個觀測周期內漫灌處理 (CK、FP) 土壤WFPS為57%～82%，滴灌處理(FPD、OPTD)為53%～84%，滴灌處理與漫灌處理土壤WFPS沒有顯著差異。

土壤5 cm深度溫度隨季節變化較為明顯，黃瓜生長季為3月到7月，大棚氣溫逐漸升高，各處理土壤表層溫度也隨之逐漸增加，溫度范圍為15.4℃～26.3℃。各處理土壤溫度變化相似，處理間沒有顯著差異 (圖 2)。

2.2 不同施肥方式下設施菜地N2O和NO排放動態變化及其影響因素

2.2.1 設施菜地N2O排放特征及其影響因素 從N2O排放通量 (圖3)來看，在整個監測周期內，各處理N2O排放通量表現出相似的變化趨勢，出現7次N2O排放高峰，并且都發生在灌溉、灌溉施肥后。施入基肥后，峰值持續7天左右，追肥一般持續3天，且基肥期N2O排放峰要高于追肥期。整個觀測周期內N2O排放最高值出現在施基肥后第2天，其中以 FP 處理最高，達 N 7390 μg/(m2·h)。相比FP處理，FPD處理降低了N2O排放峰，為N 5933 μg/(m2·h)。整個黃瓜生長季各處理N2O平均排放通量從大小為 FP ＞ FPD ＞ OPTD ＞ CK (表 2)，FPD處理相比FP處理平均排放通量降低了33.7%，OPTD處理較FPD又減少了29%。從表3中可以看出，各處理的N2O排放通量與土壤WFPS達到顯著 (P ＜0.05) 或極顯著正相關關系 (P ＜ 0.01)，而與土壤5 cm溫度則呈現出極顯著負相關關系 (P ＜ 0.01)。

圖 1 不同處理土壤孔隙含水量的動態變化Fig. 1 Dynamics of soil water-filled pore space (WFPS) of different management treatments

圖 2 不同處理土壤5 cm深土層溫度的動態變化Fig. 2 Dynamics of soil temperature at 5 cm depth under different management treatments

圖 3 不同處理N2O排放通量的動態變化Fig. 3 Dynamics of N2O emission fluxes in different management treatments

表 2 不同處理N2O和NO的排放總量、排放強度和排放系數Table 2 The total emissions, emission intensities and emission factors of N2O and NO in different treatments

表 3 不同處理N2O、NO通量與5 cm深土溫、0—15 cm土層濕度的相關性Table 3 Correlation coefficients between N2O, NO flux and soil temperature (5 cm deep) and moisture (0-15 cm layer)in different treatments

2.2.2 設施菜地NO排放特征及其影響因素 由圖4可知，與N2O排放動態變化不同，雖然在整個觀測周期內也觀測到7次排放峰，但NO排放最高峰沒有立即出現在灌溉、灌溉施肥后，而是出現在灌溉施肥后第2～4天。其中CK處理在整個觀測周期內NO排放保持相對較低的水平，沒有明顯的NO排放峰。整個觀測周期內以FP處理NO排放峰最高[N 152.7 μg/(m2·h)]，發生在施基肥后第 3天。各處理NO平均排放通量差異顯著 (P ＜ 0.05)，從大到小排列為 FP ＞ FPD ＞ OPTD ＞ CK (表 2)，FP 處理 NO 平均排放通量最高為N 59.9 μg/(m2·h)，相同氮肥施用量的FPD為N 52.9 μg/(m2·h)，減少了NO平均排放通量11.7%。在同為滴灌施肥條件下OPTD處理NO平均排放通量為N 47.6 μg/(m2·h)，與FPD處理相比減少了13.7%。各處理的NO排放通量與5 cm深度土壤溫度的相關分析表明 (表3)，除OPTD處理外，其余各處理NO排放通量與土壤5 cm溫度無顯著相關關系，而各處理的NO排放通量與WFPS無明顯的相關性。

2.3 設施菜地N2O、NO排放總量、排放系數

不同施肥處理對N2O、NO排放的影響明顯地表現在排放總量的不同。從N2O排放總量 (表2)來看，FP、FPD處理N2O、NO排放差異顯著。其中漫灌施肥的FP處理N2O、NO排放總量最高，分別為N 28.70、0.86 kg/hm2。而在氮肥施用量相同條件下，施肥方式由漫灌施肥改為滴灌施肥的FPD處理N2O、NO排放總量分別為N 18.60、0.77 kg/hm2，與FP處理相比，減少了N2O排放總量35.2%、NO排放總量9.0%。在施肥方式均為滴灌施肥的處理中，OPTD、FPD處理N2O排放總量差異顯著 (P ＜ 0.05)，OPTD處理N2O排放總量為N 12.2 kg/hm2，較FPD處理減少了34.4%。而FPD、OPTD處理NO排放總量沒有顯著差異，說明在施肥方式都為滴灌施肥的條件下，減少氮肥施用量顯著減少了N2O排放，但并沒有減少NO排放。不同處理的N2O、NO排放系數在 (P ＜ 0.05) 水平上達到顯著差異，其中FP處理的N2O排放系數高于IPCC的默認值1%，達到1.78%。而FPD、OPTD處理的N2O排放系數均低于1%這一默認值，分別為0.94%、0.53%。NO排放系數大小排序為OPTD ＞ FP ＞ FPD，分別為0.09%、0.08%、0.06%。

圖 4 不同處理NO排放通量的動態變化Fig. 4 Dynamics of NO emission fluxes in different management treatments

3 討論

3.1 設施菜地N2O、NO季節排放特征及影響因素

田間原位觀測表明，設施菜地土壤N2O、NO季節排放具有明顯的動態變化規律，施肥和灌溉是土壤N2O、NO排放峰產生的主要原因，這是由于外源氮的施入和土壤干濕交替促進了土壤硝化-反硝化過程，進而加快了N2O、NO的排放。在觀測中發現各處理在灌溉施肥后1～2天內會立即出現N2O排放最高峰，而NO排放最高峰則出現在施肥灌溉后第2～4天。造成這兩種氣體排放特征差異的主要原因是，剛灌溉后土壤水分含量較高，表層土壤處于厭氧狀態，這時反硝化作用較強，而硝化作用較弱，NO排放較少[33-34]，而這種濕潤土壤中硝化反硝化作用共同存在而產生的N2O氣體排放較多，并且施肥后NO較N2O變化迅速。Tian等[30]在冬小麥夏玉米種植系統的研究也表明，在灌溉施肥后N2O排放峰要比NO排放峰出現得早。同時韋云東等[4]對茶園種植體系的研究，也發現同樣的規律。另外，研究發現基肥時期的N2O、NO排放峰要明顯高于追肥期，這是與基肥期有機肥的施用有關，因為有機肥一方面可作為碳源，直接為硝化-反硝化作用提供能量和電子；另一方面可以激發自養和異養硝化，為反硝化作用提供底物，從而增加N2O、NO排放量[35-36]。從N2O、NO排放影響因素來看，在土壤中，N2O、NO一般產生于硝化-反硝化作用[37]，而土壤溫濕度是影響硝化-反硝化作用的重要影響因子[7]。本研究中土壤WFPS與土壤N2O排放呈顯著正相關 (P ＜ 0.05) 或極顯著正相關 (P ＜ 0.01) 關系，土壤溫度與N2O排放呈極顯著負相關關系。大多數研究也都表明N2O排放與土壤WFPS呈顯著正相關關系，而與溫度的相關性則有多種結果出現[38-40]。NO排放與土壤溫濕度沒有顯著的相關關系，肖乾穎等[29]在玉米季的研究中也得到了相似的結果。這是由于不同因子對N2O、NO排放相互制約，溫度、濕度及氮肥用量間的交互作用可能會掩蓋單一因子對N2O和NO排放的影響。因此，今后在研究灌溉方式對N2O、NO排放影響時，應加強不同因子的交互作用對其排放影響的機理研究。

3.2 設施菜地N2O、NO季節排放總量及滴灌優化施肥的減排比例

本研究中設施菜地漫灌施肥處理的N2O季節排放總量為N 28.69 kg/hm2，NO為N 0.86 kg/hm2。其中N2O季節排放量是露天菜地 (N 5.23 kg/hm2) 的5.5倍[23]，是冬小麥、夏玉米種植系統的 (N 1.00、1.94 kg/hm2) 的28.7和14.8倍[30]。雖然設施菜地NO季節排放量，要比N2O季節排放量低得多，但N 0.86 kg/hm2的NO季節排放量也是露天菜地種植系統和冬小麥夏玉米種植系統季節排放量的1.0～3.7倍[23,41-42]。可見設施菜地的N2O、NO季節排放量要遠高于大田作物，這是由于設施菜地氮肥施用量遠遠大于大田作物引起的[43]。然而本研究僅僅關注的是N2O、NO的季節排放，接下來應該對設施菜地N2O、NO年排放進一步研究，以探討其年排放量與大田作物的差異。

從不同施肥方式來看，滴灌施肥處理N2O、NO排放總量分別為N 18.62、0.77 kg/hm2，比漫灌施肥措施下降低了35.1%、9.0%。結合不同處理作物產量可以發現，與漫灌施肥相比，滴灌施肥在保障作物產量的前提下，有效減少了N2O、NO排放。韓冰等[38]在設施菜地的研究也表明，與漫灌相比滴灌可以減少N2O排放54.3%。同樣地，在大田作物種植系統中滴灌也可以減少N2O排放11.3%～42.0%[30,44]。可見在不同作物種植系統中，與漫灌施肥相比滴灌施肥都能夠減少N2O排放。分析其原因主要是由于滴灌不僅可以降低土壤孔隙含水量，使得反硝化作用產生的N2O受到抑制；而且滴灌施肥通過管道將養分直接輸送到作物根部附近，促進作物對氮素的吸收利用，減少了硝化-反硝化作用反應底物的濃度，從而減少N2O排放。對于NO來說，不同灌溉施肥方式下NO排放仍不明確，與本研究結果一致，Sánchez-Mart?n等[23]研究也表明滴灌比漫灌方式下排放更少的NO，而Tian等[30,42]卻得到了相反的結果。通常認為硝化作用是NO產生的主要來源[45]，與漫灌相比滴灌由于降低了土壤WFPS，從而增加了硝化作用產生的NO[23]。然而在土壤中反硝化作用也能夠導致NO的產生，研究表明當土壤WFPS大于80%時，也會產生大量的NO[46]。因此不同灌溉施肥方式下NO排放多少，取決于硝化-反硝化作用共同產生的NO。由于土壤硝化反硝化作用是一個復雜的過程，不僅受灌溉方式的影響，而且受施肥量、肥料類型、土壤質地等的影響[18]，目前并不能確定硝化作用和反硝化作用哪個途徑產生的NO多。因此，以后在研究灌溉方式對N2O、NO排放的影響時，應加強硝化和反硝化作用兩條途徑分別產生N2O、NO量的關注。氮肥由于能夠為硝化反硝化作用提供底物，是影響N2O、NO排放的重要因素[47]。本研究也發現，在滴灌施肥條件下，減少40%氮肥施用，在保障蔬菜產量的同時，可以分別減少N2O、NO季節排放總量34.7%、9.1%。這與大多數研究結果一致[3,17,48]，盡管減少氮肥施用量對減少N2O、NO排放的效果不同，如Zhang等[49]對我國北方設施蔬菜種植系統的研究結果表明，將氮肥用量由傳統的N 840 kg /hm2，優化到420～640 kg/hm2可以減少N2O年排放14.5%～24.4%；Yao等[41]對我國山東大蔥-冬小麥輪作種植系統的NO排放進行了研究，表明與傳統氮肥施用量相比，優化30%～50%氮肥施用量可以減少NO排放28.9%～38.9%。而且Zhang等[15]、Yao等[41]的研究也表明，在一定氮肥施用量范圍內，N2O、NO排放量隨氮肥施用量的增加呈線性增加的趨勢。因此減少氮肥施用量是有效地減少N2O、NO排放的措施，這主要是由于減少氮肥施用量，可以顯著影響表層土壤硝態氮濃度[15,41]，而N2O排放量與土壤硝態氮濃度存在顯著正相關關系[50]。然而目前的研究主要集中在傳統的漫灌措施下減少氮肥施用量對N2O排放的影響，對滴灌優化施肥措施條件下N2O、NO排放狀況影響的研究仍較缺乏。在本研究中，滴灌優化施肥不僅可以保障蔬菜產量，同時可以有效減少N2O、NO排放量，節約水肥用量是設施菜地值得推薦的水肥管理措施。

4 結論

1) 設施黃瓜生長季灌溉施肥是引起N2O、NO排放增加的主要原因，N2O排放峰在灌溉施肥后立即出現，NO排放峰在灌溉后的2～4天出現。

2) 各施肥處理NO季節排放總量占（N2O+NO）總量的2.9%～5.4%，說明夏季設施菜地以N2O排放為主，NO并不是一個強的排放源。

3) 滴灌施肥相比漫灌施肥分別減少N2O、NO季節排放總量35.1%、9.0%；相比滴灌施肥，滴灌優化施肥（減少40%氮肥）可進一步減少N2O、NO季節排放總量34.7%、9.1%。可見滴灌優化施肥是設施菜地值得推薦的減排措施。