北方典型设施菜地土壤N2O排放特征

徐钰 刘兆辉 魏建林 石璟 谭德水 王梅 李国生 江丽华

摘要：为明确北方典型设施菜地N2O的排放特征，在 “中国蔬菜之乡”——山东省寿光市的秋冬茬设施番茄土壤上利用静态暗箱-气相色谱法，对不施氮肥（CK）、单施有机肥（OM）、农民习惯施肥（FP）和减氮优化施肥（OPT）4个处理下的N2O排放通量进行了观测，并分析了其对N2O排放量和蔬菜产量的影响。结果表明，施肥并灌溉后的一段时间内，会观测到N2O的“脉冲式”排放，最高排放峰值出现在基肥+灌溉后，且排放高峰持续近20天，而由追肥引起的排放峰值小且持续时间仅3～5天。统计分析表明，温度和水分都是影响设施菜地N2O排放的环境因素。各处理土壤N2O排放总量差异显著，顺序依次为：FP（14.77 kg/hm2）>OPT（9.73 kg/hm2）>OM（6.84 kg/hm2）>CK（2.37 kg/hm2），N2O排放系数介于0.83%～1.10%之间，接近或超过IPCC 1.0%的推荐值。与FP处理相比，减少近60%化肥N的OPT处理下番茄产量增加2.2%。在目前管理措施下，合理减少有机肥和化肥施氮量是设施蔬菜地N2O减排的有效途径。

关键词：设施菜地；N2O排放特征；影响因素；排放系数；番茄产量

中图分类号：S143.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）10-0086-06

氧化亚氮（N2O）被认为是除二氧化碳（CO2） 和甲烷（CH4 ） 外最重要的温室气体之一，其因极强的温室效应和对臭氧层的破坏作用，受到各国政府和科学家的高度重视。有资料表明，80%～90%的N2O来源于土壤[1]，其中农田生态系统中释放的N2O约占50%[2]，而氮肥的施用则是影响农田生态系统N2O排放最重要的影响因素[3]。设施菜地复种指数高，经济效益好，菜农为追求高产，氮肥超量施用尤为严重。据统计，北方大部分设施菜地，氮肥年均施入量超过4 000 kg/hm2[4，5]，加之独有的“半封闭、高温高湿”的小气候特征和高频大量的灌溉，必然会极大促进N2O的排放，使其成为农田生态系统重要的排放源[6，7]。近年来，我国设施蔬菜发展迅速，截至2010年，设施蔬菜种植面积约466.7×104 hm2，是1980年的700倍，比2000年增加近3倍。可见，设施菜地温室气体排放通量的研究，对我国准确合理地估算农业温室气体的排放量及制定合理的温室气体减排措施具有重要意义。

我国关于农田N2O排放的研究多集中于小麦、玉米及水稻等粮食作物[8-10]，菜地N2O排放的研究也主要针对露地蔬菜开展[11，12]。近年来，有关设施菜地N2O排放的报道逐渐增多，但观测频率较低，多为3～10天观测一次[13，14]，然而N2O排放高峰往往发生在施肥后的几天内，并且高排放通量会持续一段时间[15，16]，因此低频率的监测可能会影响设施菜地N2O排放估算的准确性。此外，设施菜地N2O排放量的报道多为化肥或其与有机肥共同影响的结果[17，18]，而针对有机肥对设施菜地土壤N2O排放影响的研究比较缺乏。设施蔬菜生产中有机肥的养分投入量超过总养分的60%[19]，并带入大量影响土壤微生物活性的营养物质，其对土壤N2O的排放必然有别于化肥。因此，本研究以“中国蔬菜之乡”寿光的典型设施菜地为例，通过设置不同施氮处理（含单施有机肥），采用静态箱-气相色谱法，对N2O排放通量进行较高频率的原位监测，以分析设施菜地N2O排放的基本规律及其影响因素，为准确估算我国设施菜地N2O排放和氮肥合理施用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验点位于寿光市古城街道常治官村（E 118°42′4.5″， N 36°55′26.4″），该地区属暖温带季风区大陆性气候，四季分明，光照充足。年平均气温12.7℃，年平均降水量593.8 mm，年平均日照时数2 548.8 h。供试大棚棚龄3年，种植作物为番茄，种植方式为一年两茬。大棚东西走向，顶部和前部设有通风口，白天适时敞开以调节棚内温湿度，夜间和有降水时关闭。番茄定植后覆盖黑色地膜以保持水分和防止杂草。土壤为褐土，0～30 cm耕层土壤有机质含量为16.6 g/kg，速效磷17.5 mg/kg，速效钾174.0 mg/kg，硝态氮44.4 mg/kg，铵态氮6.7 mg/kg，pH值7.7。

1.2试验设计及方法

试验作物为番茄，品种为毛粉，于2013年8月31日移栽定植，2014年2月14日拉秧。栽培方式为畦栽，畦宽70 cm，垄宽50 cm，株距35 cm。试验采用随机区组设计，设4个处理，分别为：（1）对照（CK），不施氮肥；（2）有机肥（OM），只施用有机肥，用量为30 t/hm2；（3）农民习惯施肥（FP），有机肥30 t/hm2及化肥N 720 kg/hm2；（4）减氮优化施肥（OPT），有机肥30 t/hm2及化肥N 300 kg/hm2。有机肥为商品有机肥（水分含量18.1%，N 2.2%，P2O5 2.4%，K2O 1.9%）。所有处理施等量磷钾肥，P2O5 200 kg/hm2，K2O 400 kg/hm2。2013年8月29日，结合整地在畦内施入有机肥和全部磷肥以及40%的氮肥和钾肥，后期根据作物长势，将剩余的氮钾肥平均分成6份，分别于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日溶解后随灌溉水冲施。另外，根据土壤墒情进行灌溉，方式为畦灌，每次灌水量26～39 mm。

1.3样品采集与分析

气体收集及分析采用静态箱-气相色谱法，静态箱体尺寸规格定为 70 cm×70 cm×50 cm，由不锈钢材料制成，四面和顶部封闭，外覆绝热材料（泡沫聚苯乙烯），箱内顶部装有直径10 cm的小风扇，以保持箱内气体体积分数差均匀，箱体采气管线一端通过箱体侧面，取气接头深入箱内10 cm 左右，另一端用三通阀密封。等到植株生长超过50 cm时，增加中段箱（70 cm×70 cm×50 cm）以保证植株的正常生长和取样的顺利进行。底座规格为70 cm×70 cm×25 cm，用不锈钢材料制成，周围有水槽，于基肥前埋入地下。采样时将采样箱扣在底座凹槽内并加水密封，扣箱后用 100 mL 塑料注射器于 0、8、16、24、32 min时抽取箱内气体，并准确记录采样时的具体时间、大气温度、箱内温度、3 cm地温（JM624）和土壤水分（TZS-1）。观测频率为每周观测1～2次，施肥前1天，施肥和灌溉后1、2、3、5、7天固定观测。每次观测均在8∶00-11∶00之间进行。样品采集后注入气体采样袋中储存带回实验室，用改进的Agilent 7890A气相色谱仪测定N2O。

气体排放通量采用线性回归法进行计算[11]，公式为：

F=（M/V0）×H×（dc/dt）×[273/（273+T）]×（P/P0）×k。

式中，F为目标气体的排放通量[N mg/（m2·h）]；M为N2O分子中纯氮的摩尔质量（g/mol）， V0 为标准状态下（温度273 K，气压101.3 kPa）气体的摩尔体积（22.41×10-3 m3）；H 为采样箱气室高度（cm）；dc/dt 为采样箱内气体浓度的变化速率；P 和T分别为采样时箱内气体的实际压力（Pa）和温度（℃）；P0为标准大气压（Pa）；k 为量纲转换系数。

用内插法计算相邻两次监测之间未观测日期的排放通量，然后将观测值和未观测日计算值逐日累加得到N2O排放总量。

1.4数据处理

所得数据使用Microsoft Excel 2007进行处理和作图，采用SAS软件进行不同处理间的差异显著性检验及N2O排放通量与各影响因素间的相关关系分析。

2结果与分析

2.1设施菜地土壤N2O排放特征

由图1可以看出，设施菜地N2O排放通量具有明显的时间变异性。不施肥处理（CK）的N2O排放通量始终处于较低水平，90%的观测值小于0.1 mg/（m2·h），每次灌溉后排放量略有提高，但上升幅度很小。施肥处理下N2O的最高排放峰值出现在定植后，OM、FP、OPT分别高达3.95、5.85、4.12 mg/（m2·h），且N2O的高排放通量持续近20天，约占当季的12%，引起的排放量占整个观测期总量的67.4%～75.2%。首先，定植前施肥处理施入了大量有机肥和化肥氮，为土壤微生物的生长提供了大量碳、氮等营养物质；其次，这期间番茄处于缓苗期，对氮素的吸收利用率低，土壤中较多氮素被微生物利用；加之生长前期气温较高及多次浇缓苗水，使大棚内保持了良好的土壤温湿度，极大地促进了硝化和反硝化的顺利进行，导致此间有大量的N2O排放。番茄生长季追肥后偶有N2O排放峰出现，峰值持续时间较短，多为3～5天，而且峰值远小于施基肥后的排放峰值，施氮量最高的FP处理下N2O的排放峰值不超过0.4 mg/（m2·h）。一方面每次追施氮量少（占总施化肥氮的10%），而且番茄植株生长迅速对氮素吸收量大，土壤微生物可利用氮源减少；另一方面，大棚内后期土壤温度相对较低，为12.6～20.4℃，平均15.5℃，不在硝化和反硝化微生物活动最适温度范围内，因此由追肥引起的排放峰值较小。可见，棚内温度、水肥供应及作物对养分的吸收都是影响N2O排放峰值大小及其持续时间的重要因素。

2.2设施菜地土壤N2O排放通量与温湿度的关系

设施番茄秋冬茬口，大棚内气温和3 cm土壤温度呈下降趋势，但变化幅度较小，分别为12.3～30.6℃和12.6～26.7℃，能够满足硝化（15～35℃）和反硝化（5～75℃）微生物活动所要求的适宜温度（图2）[20]。N2O的排放速率随土壤温度升高而增加，统计分析（表1）表明，除CK外，其他施肥处理下N2O排放通量与大棚内气温和3 cm土壤温度呈显著或极显著正相关。

由于设施蔬菜地膜覆盖的保墒作用，作物生长前期大棚的频繁灌溉及后期棚内温度降低导致的土壤水分蒸发量下降，本试验土壤孔隙含水量（WFPS）在34.6%～79.7%范围内变化。有研究表明，土壤含水量为WFPS的45%～75%时，硝化和反硝化共同作用产生较多的N2O[21]，观测期内有近80%的数据都在这一范围内。可见，设施菜地土壤含水量有利于N2O的产生和排放。通过对各处理N2O排放通量与WFPS相关性分析（表1）发现，两者之间存在显著或极显著正相关关系，与张婧等[18]研究结果一致。可见，温度和水分都是影响设施菜地土壤N2O排放通量的因素，前者的影响更为明显。

2.3设施菜地土壤N2O排放总量

由于没有碳源和氮源的投入，CK处理下一直保持着较低的N2O排放通量，其平均排放通量仅为0.06 mg/（m2·h）（表2）。OM处理虽然仅施有机肥，但有机质的分解为反硝化过程提供了所需能量，增加了反硝化强度，N2O排放通量显著升高，其平均排放通量较CK增加了1.8倍。FP 和OPT处理由于同时给土壤带入了大量氮素和碳源，为土壤微生物提供了能量和底物，进一步促进了土壤N2O排放[22]，其平均排放通量分别比CK增加5.2倍和3.0倍，达显著性差异。

整个番茄生长季，CK处理下N2O排放总量最低，为2.37 kg/hm2，介于蔬菜地观测到的0.48～3.67 kg/hm2[12，13，18]的背景排放量范围内。施用有机肥（OM），设施土壤N2O排放总量明显升高，与CK相比增加4.47 kg/hm2。在施用有机肥基础上增施氮肥也显著增加N2O排放，其排放总量随施氮量的增加而增加，OPT和FP 分别较OM增加42.3%和115.9%。方差分析表明，4个处理之间差异达显著水平，说明肥料种类和施肥量对N2O排放有明显影响。按山东省设施蔬菜种植面积86.7×104 hm2[23]和农民习惯施肥量（FP）土壤N2O排放量计算，山东省设施蔬菜系统单季以N2O损失的N为1.28×104 t，如果减少58%的施氮量， N2O一季损失的N量将减少4 000 t。

本研究中，设施番茄秋冬茬口内有机肥处理的N2O-N排放系数为0.83%，接近IPCC默认的1.0%，远高于粮田有机肥0.10%～0.24%的N2O-N排放系数[24，25]。据统计，北方设施菜地每年施用有机肥带入的N量超过2 000 kg/hm2[19]，按此排放系数计算，每年山东设施菜地有机肥的施用会造成1.4×104 t 氮的损失，因此要高度重视设施菜地高量有机肥施用引起的N2O排放。化肥氮的N2O-N平均排放系数为1.03%，且随施氮量的增加而增加，FP（OM为参照）处理下达到1.10%，超过IPCC默认的1.0%。关于设施菜地N2O-N排放系数，研究结果差别较大，高者可达8.6%[26]，低者仅为0.1%[27]，很可能是区域气候特点、作物种类、土壤性质、施肥量和N2O排放的监测频率等不同而造成的[14，28，29]。

2.4设施番茄产量与N2O排放强度

从图3可以看出，施用氮肥能显著增加番茄产量。与对照（CK）相比，单施有机肥（OM）能增产7.0%；在施有机肥基础上增施化肥，番茄仍能增产10%以上。本研究中减少N肥用量，番茄产量未减反增，与FP处理相比，OPT处理下每公顷增产2.2%，但未达显著性差异（P>0.05）。此外，氮肥的施用也显著影响N2O排放强度，且其随施氮量的增加而增加。在形成单位蔬菜产量（t）时，CK处理下的N2O排放强度仅0.04 kg N，增施有机肥N2O排放强度增加1.7倍，进一步增施化肥N，N2O较CK平均增排3.3倍。减少化肥施N量，可以降低N2O排放强度，OPT较FP排放总量降低 34.1%，达显著性差异。

3讨论与结论

3.1设施菜地在施肥并灌溉后的一段时间内，会观测到N2O的“脉冲式”排放，其最高排放峰值出现在基肥+灌溉后，且排放高峰持续时间较长（近20天），而由追肥引起的排放峰值小且持续时间较短，仅3～5天。

3.2棚内气温、地温和水分均能显著影响设施菜地N2O的排放，且温度的影响高于水分。各处理下N2O年排放总量在2.37～14.77 kg/hm2范围内，排放系数介于0.83%～1.10%之间。施用有机肥，N2O能增排1.9倍，且其排放系数接近IPCC默认的1.0%，因此设施菜地内高量有机肥的施用引起的N2O排放不容小觑，N2O的减排需要考虑有机肥的合理施用。

3.3施用氮肥，番茄增产7.0%～21.8%，N2O排放强度也增加1.7～4.2倍。与农民习惯施肥处理（FP）相比，减氮优化施肥（OPT）处理化肥施氮量减少近60%，但并未造成番茄减产，且其N2O显著减排34.1%。说明，在现行农民高施氮量的生产方式下，适量减施氮肥是降低设施菜地N2O排放量的有效途径。

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