根區施用硝化抑制劑DMPP對不同栽培方式下黃瓜產量及根區溫室氣體排放的影響

李寶石, 劉文科, 王奇, 查凌雁, 張玉彬, 周成波, 邵明杰

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所, 農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室, 北京 100081)

大氣中溫室氣體濃度呈逐漸遞增趨勢，由此導致的全球氣溫升高和臭氧層破壞已成為全球關注的重要環境問題[1-2]。二氧化碳(CO2)和氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體[1]，不僅會破壞臭氧層[3-4]，也會導致溫室效應。據統計，2018年我國的農田氮肥總用量已達2 065萬t氮[5]。菜地氮肥投入量和復種指數遠高于一般農田，溫室菜地氮肥用量是露天菜地的2～5倍[6-7]，而且未來10年我國蔬菜需求量仍將呈現剛性增長趨勢，由蔬菜種植引起的溫室氣體排放等環境問題也會越來越突出。因此，高效生產、節能低排的栽培方式是促進農業可持續發展的必經之路。

近年來，無土栽培技術在全世界興盛發展，成為解決土壤栽培問題的有效途徑[8]。Yoshihara等[9]通過研究巖棉栽培的番茄作物發現，相比土壤栽培，巖棉栽培能夠提高作物氮素利用效率，減少N2O排放；Lorach-Massana等[10]通過珍珠巖袋栽培生菜試驗發現，無土栽培存在減排的潛勢。然而，無土栽培基質結構性質造成其穩定性較差，日光溫室夏季的高溫脅迫影響了其生產性能的發揮。針對此問題，傅國海等[11]研究發現，利用起壟內嵌基質栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)能夠充分發揮土壤對環境溫度的緩沖作用，同時又能充分發揮基質栽培高產高效的優點。此外，有研究證明，采用強反光膜覆蓋的起壟內嵌基質栽培降溫效果最好，有利于番茄苗期的生長[12]。Díaz-Pérez[13]研究也表明，采用反光地膜覆蓋的甜椒果實產量有所增加。目前，相關研究僅僅關注的是根區溫熱性能[11-12,14]，并未針對溫室氣體排放做過深入研究。SSC作為限根基質栽培方法，其栽培介質理化性質和微生物群與土壤栽培不同，這些差異導致SSC方法在溫室氣體排放特征上與土壤栽培存在差異。因此，明確SSC根區溫室氣體排放特征及其調控機制不僅是當前科學領域的前沿內容，也是SSC技術廣泛推廣應用的重要依據。硝化抑制劑是能提高肥料利用率、減少氮肥損失的一類化學氮肥或生物制劑[15-16]。近些年，硝化抑制劑在降低N2O排放、減少硝態氮淋失、提高氮肥利用率、提高作物產量等方面起到了很好的效果[17-18]。因此，在復種指數高、氮肥施用量大的設施蔬菜田中使用硝化抑制劑，這一減排措施對控制氣候變暖具有重要意義。

本研究利用靜態箱-氣相色譜法對日光溫室中土壟栽培和SSC栽培根區溫室氣體排放進行觀測，探究了日光溫室中2種栽培模式下溫室氣體排放特征差異及其主要影響因素，定量研究了硝化抑制劑對日光溫室中SSC栽培模式下的溫室氣體減排貢獻及對黃瓜產量的影響，確定了有效的減排調控途徑，旨在為設施菜地溫室氣體減排提供基礎數據和科學依據，為農業生產實踐提供服務。

1 材料與方法

1.1 溫室概況

試驗在北京市順義區大孫各莊鎮中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所試驗基地的日光溫室中進行。溫室東西長60 m，跨度8 m，脊高3.8 m，室齡為4 a。小區面積48 m2，距溫室南端2 m，離西側山墻4 m。

1.2 試驗材料

1.3 試驗設計

本試驗設置5個處理：土壟，不施氮肥(CK)；起壟內嵌式基質栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)；土壟(soil cultivation，SC)；起壟內嵌式基質栽培+DMPP(soil-ridged substrate-embedded cultivation+DMPP，SSC+D)；土壟+DMPP(soil cultivation+DMPP，SC+D)。除對照外，其他4種處理施氮肥均為188 kg·hm-2，DMPP的添加量為總氮肥用量的1%。壟規格(上底×下底×壟高)為20 cm×40 cm×10 cm，起壟內嵌槽尺寸(長×寬×高)為300 cm×10 cm×10 cm。每壟種植10株黃瓜，每個處理均重復3次。

1.4 測定指標與方法

1.4.1溫室氣體通量 采用靜態暗箱觀測法測定溫室氣體通量。采樣裝置由底座(20 cm×25 cm×10 cm，帶凹槽)和箱體(11 cm×21 cm×40 cm)組成，均為外徑尺寸，板材厚度為5 mm。在箱體內頂部固定一個風扇以混勻氣體，箱體內部分別放置采氣管和溫度探頭。2019年5月29日、31日(以后每隔一周采氣一次)，每次上午10:00、10:10、10:20、10:30、10:40進行采氣。采氣結束后將氣樣帶到實驗室，用安捷倫氣相色譜儀(7890A，美國)測定氣體樣品中N2O和CO2氣體的積分面積。N2O使用電子捕獲檢測器(ECD)檢測，CO2經Porapak Q填充柱分離并經鎳轉化爐還原后使用FID檢測。鎳轉化爐、FID及ECD 運行溫度分別為375、200和300 ℃，爐溫55 ℃。每次采集氣體樣品的同時，同步記錄采樣箱內溫度、大氣溫度、5 cm土層溫度(YM-CJ型智能土壤溫度記錄儀測定)。氣體通量(F)計算公式[19]如下。

(1)

式中，F為溫室氣體的排放通量，正值表示土壤向大氣排放，負值表示吸收，mg·m-2·h-1；ρ為標準狀態下氣體的密度，g·L-1；V為采樣箱體積；A為土壤面積；T為采樣箱內氣溫，℃；dc/dt為采樣箱內溫室氣體氣體濃度隨時間變化的速率，μL·L-1·h-1。

在 100 a 時間尺度的氣候變化上，設CO2的綜合增溫潛勢(comprehensive global warming potential，GWP)為1，則N2O氣體的GWP為298[19]。GWP計算公式如下。

GWP(CO2-eq kg·hm-2)= CO2累積排放量+N2O累積排放量×298

(2)

1.4.2土壤基質pH和電導率測定 氣體樣品采集完畢之后，用土鉆采集底座框內的0—10 cm 土壤或基質樣品。然后將新鮮樣品風干，稱取10 g樣品置于50 mL離心管中，加入25 mL水。將離心管密封后，用搖床攪拌30 min，然后靜置1 h，用 pH 計(PHS-2F，上海儀電科學儀器股份有限公司，中國)測定基質的pH，用電導率儀(DDSJ-308F，上海儀電科學儀器股份有限公司，中國)測定基質電導率(electrical conductivity，EC)。

1.4.3黃瓜指標測定 ①黃瓜生長及生理指標測定。于移植25、50 d時，采用游標卡尺測定莖粗，用直尺測定株高，計數法測定葉片數，采用SPAD葉綠素儀測定黃瓜葉片葉綠素含量。

②黃瓜生物量指標測定。于移植50 d時果實采收后，分別測定其黃瓜果實長度和果實直徑以及單果重。2019年6月3日開始采收，每個處理選取5株黃瓜植株，采收果實并稱重，以后每隔3～5 d采收一次，累加果實鮮重總和，即為整個階段單株黃瓜產量。7月12日測產結束后進行拉秧，將選取的5株黃瓜植株的地上部和根系分開，然后用電熱鼓風干燥箱(DHG-9620-A)于105 ℃殺青2 h，于80 ℃烘干至恒重，分別測定地上部和根系的干重。

1.5 數據統計分析

將氣體通量平均值作為日均值，采用線性內插法計算氣體的累積排放量。利用SPSS 25.0軟件的One-way ANOVA比較處理間黃瓜各指標和氣體通量的差異顯著性。采用Microsoft Office Excel 2010繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 DMPP對N2O排放通量的影響

由圖1可知，各處理N2O排放通量高峰均在移植后33 d，CK、SC、SC+D、SSC、SSC+D處理分別為0.075、0.287、0.165、0.232、0.112 mg·m-2·h-1，SC、SSC處理N2O排放通量顯著高于CK(P<0.05)，而SC+D、SSC+D處理與CK相比則沒有顯著差異；與SC、SSC處理相比，SC+D、SSC+D處理顯著降低了N2O排放通量，SC處理比SC+D處理高出73.3%，SSC處理比SSC+D處理高出106.6%(P<0.05)。移植后40 d各處理N2O排放通量急劇回落，之后一直到移植后75 d，各處理N2O排放通量幾乎趨于“一條直線”。在整個生長時段內，CK處理的N2O排放通量始終保持較低水平。

2.2 DMPP對CO2排放通量的影響

由圖2可知，各處理的CO2排放通量表現為多波峰交錯波動的動態變化趨勢。在移植后40、54、61、68和75 d各處理間出現顯著差異(P<0.05)。在移植后33 d時，SC處理的CO2排放通量最高，達450.7 mg·m-2·h-1，但與CK相比無顯著差異。總體上看，整個生長階段中，SC處理的CO2排放通量始終保持較高水平，而SSC+D處理的CO2排放通量始終保持較低水平。與CK相比，SC處理(304.5 mg·m-2·h-1)的CO2排放通量只在54 d顯著高出CK(100.7 mg·m-2·h-1)近3倍，SC+D、SSC和SSC+D處理在68和75 d均顯著低于CK(P<0.05)。

2.3 施加DMPP條件下起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培理化指標的變化

圖3為起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培理化指標的變化趨勢。土壤栽培的pH顯著高于起壟內嵌式基質栽培(P<0.05)，SSC處理和SSC+D處理的整體變化趨勢大致相同，施用DMPP后的SSC+D處理的pH始終高于SSC處理，說明施用DMPP提高了起壟內嵌式基質栽培根區環境的pH。SC處理和SC+D處理在前期的pH基本處于“一條直線”，在移植68 d時，SC處理急劇下降，然而SC+D處理明顯上升。與pH不同的是，起壟內嵌式基質栽培的電導率(EC)值顯著高于土壤栽培(P<0.05)。各處理間的變化趨勢大致相同，施用DMPP后的SSC+D處理的EC值始終低于SSC處理。土壤栽培的3個處理的EC值均處于較低水平。

2.4 N2O和CO2累積排放量、N2O排放系數及增溫潛勢

由表1可知，與CK相比，SC處理和SSC處理均顯著增加了N2O累計排放量(P<0.05)，增幅分別為126.7%和63.3%，而SC+D處理和SSC+D處理對N2O累計排放量的影響差異不顯著。此外，SC處理顯著增加了CO2累計排放量(P<0.05)，增幅為27.6%，SSC+D處理顯著降低了CO2累積排放量，降幅為27.6%，SC+D處理和SSC處理對CO2累計排放量的影響差異不顯著。各處理的N2O排放系數均低于IPCC的1%這個默認值。各處理在100 a時間尺度上的綜合增溫潛勢顯示的結果可知，SC的CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢最高，SSC+D處理的CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢最低。相比SC處理，SSC處理顯著降低了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢；此外，SC+D處理顯著低于SC處理，SSC+D處理顯著低于SSC處理(P<0.05)。

表1 不同處理下CO2和N2O累積排放量、N2O排放系數及增溫潛勢Table 1 Cumulative emissions of CO2 and N2O, N2O emission factor, and GWP under different treatments

2.5 黃瓜生長及生理指標

由表2可知，黃瓜移植25 d時，5種處理下黃瓜生長指標存在差異。SSC+D處理和SC+D處理的黃瓜植株株高、SPAD和葉片數均顯著高于CK處理(P<0.05)，各處理間的莖粗無顯著差異。移植50 d時，SC處理、SC+D處理、SSC處理和SSC+D處理的株高、莖粗、SPAD和葉片數均顯著高于CK處理(P<0.05)；SSC處理的SPAD顯著高于SC處理(P<0.05)，其他指標兩者無顯著差異；相比未施加DMPP的SC處理和SSC處理，SC+D處理和SSC+D處理顯著增加了黃瓜植株莖粗指標(P<0.05)，說明施加DMPP后對黃瓜植株生長有促進作用。

表2 移植25、50 d后不同處理下黃瓜生長及生理指標Table 2 Growth and physiological indicator of cucumber under different treatments at 25 and 50 d after transplanting

2.6 黃瓜生物量與果實產量

由表3可知，與CK相比，SC處理、SC+D處理、SSC處理和SSC+D處理顯著增加了黃瓜植株的地上部干重(P<0.05)。SSC處理較SC處理，顯著提高了黃瓜產量和地上部、根系的干物質量(P<0.05)，分別為5.1%、8.4%、66.1%。相比SC處理，SC+D處理顯著提高了黃瓜產量和地上部、根系的干物質量(P<0.05)，分別為11.6%、17.1%、27.5%；相比SSC處理，SSC+D處理顯著提高了黃瓜產量和地上部干物質量(P<0.05)，分別為6.7%、9.9%。與CK相比，其他4種處理均顯著提高了單果重(P<0.05)，以SSC+D處理的增幅最大，為30.0%。施用氮肥顯著增加了黃瓜產量(P<0.05)，此外，SSC處理比SC處理顯著提高了黃瓜產量(P<0.05)，但施加DMPP后的SC+D和SSC+D處理在黃瓜產量上無顯著差異，說明起壟內嵌式基質栽培具有一定增產的效果，配合施用DMPP仍具備再次增產的潛勢。

表3 不同處理下植株生物量與黃瓜果實性狀及產量指標Table 3 Plant biomass, fruit morphology and yield of cucumber under different treatments

3 討論

3.1 DMPP對日光溫室起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培黃瓜根區N2O排放的影響

眾多研究表明，施用氮肥是導致根區N2O排放增加的主要因素之一[19-20]。本研究結果表明，施用氮肥后的SC處理和SSC處理均比不施氮肥的CK顯著促進了根區N2O排放。這是因為施氮肥向根區提供了大量氮素，為根區硝化和反硝化作用提供了充足的底物，從而更利于微生物作用產生N2O排放[21]。本研究中水肥條件一致情況下，SC處理比SSC處理的根區N2O累積排放量高1.4倍，SSC處理的根區N2O累積排放量較低，說明SSC處理改變了根區理化性質，引起根區通氣性等發生變化，從而降低了N2O氣體排放；另一方面，Ruser等[22]研究表明，以土壤為栽培介質的作物，N2O排放是硝化和反硝化作用共同的結果，而無土栽培中使用的基質疏松多孔具有良好的保水性和通氣性，缺少有機肥和微生物，也會削弱反硝化作用。

3.2 DMPP對日光溫室起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培根區CO2排放的影響

本研究中起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培根區CO2平均排放通量變化范圍為129.16～265.69 mg·m-2·h-1，CO2排放較低的原因可能是，一方面土壤呼吸排放的CO2中有 30%～50% 來自于作物根系活動或自養呼吸作用，肥料的施用增加礦質氮等養分的含量，促進作物根系呼吸[24]，本研究由于采用水肥一體化滴灌施肥，提高了水肥利用效率，所提供的養分大部分被黃瓜生長所消耗，土壤有機質含量的降低進而抑制了土壤微生物活性，減少了CO2排放；另一方面，起壟內嵌式基質栽培的根區環境是由草炭、蛭石和珍珠巖所制成，土壤中16S rRNA基因豐度要比基質栽培高10倍[9]，因此起壟內嵌式基質栽培CO2排放降低的原因可能是其本身含有少量的微生物進行呼吸。施用硝化抑制劑DMPP是否減少CO2排放的結果不一致，Zhu等[25]報告說，CO2排放不受DMPP的影響；Weiske等[26]研究則表明，DMPP導致的CO2和CH4排放減少的結果。本研究結果表明，在土壤中施用DMPP的SC+D處理比SC處理顯著降低了根區CO2累積排放量，后者是前者的1.4倍，而SSC+D處理雖比SSC處理降低了根區CO2累積排放量，但未達到顯著水平，可能是因為DMPP減少了土壤中有機碳的礦化，進而降低了土壤碳的分解[27]。

3.3 日光溫室起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培根區溫室氣體排放與影響因子之間關系

土壤pH可通過影響氮相關功能微生物的活性及改變相應的氮素轉化過程而影響N2O的排放[28]。以往的研究表明，土壤pH是驅動氨氧化細菌(AOB)和氨氧化古細菌(AOA)群落組成及其對N2O排放的貢獻的主要因素[29]。一般來說，AOA是酸性土壤中氨氧化和N2O排放的主要貢獻者，而AOB則主要是堿性土壤中氨氧化和N2O排放的主要貢獻者[30]。土壤pH影響反硝化酶Nos的活性：當pH>7時其活性增強，然而當pH<7時其活性逐漸減小，而其他反硝化酶的活性增強，從而導致反硝化過程產生更多的N2O[27]。另外，有報道指出，當pH在3.4～8.6時，硝化作用與pH呈正相關，較低的pH會使硝化菌群數量降低，因而對硝化過程起到抑制作用[31]，本研究結果表明，土壟栽培的pH范圍是7.5～8.5，而起壟內嵌式基質栽培根區pH范圍是5.0～6.0，這也解釋了上述所提到無土栽培產生N2O是以反硝化過程為主導。Shi等[32]研究表明，DMPP通過抑制pH在5.44～7.96之間的牧草、小麥和蔬菜土壤中AOB的生長和豐度而不是AOA來減緩硝化作用，因此，本研究中在土壤栽培中施加DMPP的減排效果比起壟內嵌式基質栽培的減排效果更加明顯。研究表明，水分與鹽分對土壤CO2排放的影響存在交互作用，土壤CO2排放與土壤電導率存在顯著負相關，且電導率對 CO2排放的影響較大。當土壤鹽分含量較高時，土壤微生物活性和生長都會受到滲透脅迫，從而降低土壤CO2排放[33-34]，這與本研究結果一致。

3.4 DMPP對日光溫室起壟內嵌式基質栽培與土壟栽培黃瓜生長及產量的影響

施用氮肥顯著提高了黃瓜產量，適量增施氮肥能改善植物養分吸收累積和分配，促進根系對水分的吸收，提高植株凈光合速率，增加產量[35]。本研究結果表明，與CK處理相比，SC、SC+D、SSC和SSC+D處理的黃瓜產量分別提高了23.7%、38.0%、30.0%和38.7%。SSC處理較SC處理相比，顯著提高了黃瓜產量和地上部、根系的干物質量，起壟內嵌式基質栽培促進黃瓜生長和提高產量主要原因可能是基質栽培良好的透氣性減輕了根區的缺氧狀況，在灌水的同時更有利于根系呼吸，促進根冠部生長，提高黃瓜產量。

DMPP施入土壤提高了植物體對氮的吸收利用率，顯著提高葉片、莖稈和根系中氮的累積量和干物質產量[36]。伍少福等[37]采用田間試驗研究了含 DMPP 復合肥對西瓜和黃瓜生長與品質的影響，表明含 DMPP 復合肥可以使西瓜產量提高 6.50%～44.55%，黃瓜產量提高8.40%。本研究結果表明，施用DMPP顯著增加了黃瓜地上部干物質量和黃瓜產量，與不施用DMPP的SC處理和SSC處理相比，SC+D處理和SSC+D處理的地上部干物質量分別提高了17.1%和10.0%，產量分別提高了11.6%和7%。