水肥减量对设施芹菜地N2O排放的影响**

杨 岩, 孙钦平, 邹国元, 许俊香，李吉进，刘春生, 江丽华**

（1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所/山东省植物营养与肥料重点实验室，济南 250100；2. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；3. 山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，泰安271018）



水肥减量对设施芹菜地N2O排放的影响**

杨 岩1, 孙钦平2**, 邹国元2, 许俊香2，李吉进2，刘春生3, 江丽华1**

（1. 山东省农业科学院农业资源与环境研究所/山东省植物营养与肥料重点实验室，济南 250100；2. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；3. 山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，泰安271018）

摘要：为明确减量灌溉和施肥对设施菜地N2O排放的影响，提出有效的N2O减排措施，本研究采用静态箱法，对北京郊区设施芹菜在灌溉和有机肥（沼渣）减量处理下的N2O排放进行全生长季监测，分析灌溉和有机肥减量对土壤充水孔隙度（WFPS）、N�-N和N-N含量及土壤N2O排放的影响。试验为2个灌溉量和3个有机肥施用量的裂区双因素设计，具体为：常规灌溉量（H处理）下的常规施肥(HN)、减量1/3施肥(HN3)和不施肥 (HN0)，以及减量20%灌溉（L处理）下的常规施肥(LN)、减量1/3施肥(LN3)和不施肥 (LN0)共6个处理。结果表明，L处理在保证芹菜产量的前提下，对土壤充水孔隙度及无机氮含量无显著影响，但N2O排放总量较H处理减少32.23%，达极显著水平（P＜0.01）。与常规施肥处理相比，减量1/3施肥和不施肥处理的土壤N-N含量分别降低43.96%和76.42%，均达极显著水平（P＜0.01），不同施肥量处理间土壤N-N含量无显著差异；芹菜产量随施氮量增加而增加，但减量1/3施肥和常规施肥处理对芹菜产量影响无显著差异，芹菜全生长季的土壤累积N2O排放总量显著减少62.04%（P＜0.01）。本试验条件下，减量20%灌溉（L处理）和减量1/3施肥（N3处理）均能保证芹菜产量，显著降低芹菜地N2O排放通量，减少生产成本投入。

关键词：水肥减量; 土壤充水孔隙度；N-N含量；N￸-N含量；N2O减排

杨岩,孙钦平,邹国元,等.水肥减量对设施芹菜地N2O排放的影响[J].中国农业气象,2016,37(3):281-288

农田生态系统是全球N2O排放的重要来源，占全球年排放量的35%[1]，是造成近几十年来大气中N2O浓度持续上升的重要原因之一[2-3]。据农业部统计资料显示，截至2013年底，中国蔬菜种植面积达2.1×107hm2，占全国农作物种植总面积的12.69%[4]，因此，很多学者认为菜地土壤是农田生态系统N2O的重要排放源之一[5-6]。设施栽培是中国蔬菜种植的重要形式，近年来呈集约化、规模化的增长趋势，2013约占全国蔬菜种植总面积的27%[4]。设施蔬菜生产中的高施肥以及频繁高量灌溉为N2O的排放创造了有利条件[7]，势必导致氮素以N2O的形式大量损失[8-9]。研究表明，土壤温度、湿度、无机氮含量等是设施菜地N2O排放的重要影响因素[10-11]，而施肥和灌溉则是影响土壤N2O排放的重要管理措施[12-13]，能够显著影响设施蔬菜土壤N2O排放量[14-15]。因此，通过改变灌溉和施肥措施来实现设施菜地N2O减排成为当前研究重点。

目前关于设施菜地N2O排放的研究，主要针对化肥的不同用量进行[10,14-15]，灌溉对设施菜地N2O排放的影响则较少涉及[7]，黄丽华等[16]指出，基于养分平衡管理的精确滴灌施肥技术可在保证作物单产的同时，有效削减单位作物产量的N2O排放量。在蔬菜的养分投入中，有机肥是重要的氮素来源[17]，而施用有机肥对土壤N2O排放的促进作用比化肥更强[18]。有关调查资料显示，蔬菜种植中有机肥施用量普遍偏高，并呈现逐年增加的趋势[19]，本试验拟通过研究灌溉和有机肥减量的组合处理对设施芹菜地N2O排放的影响，以期为降低设施芹菜地N2O排放量及合理的水肥投入研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2012年3-6月在北京市大兴区留民营生态有机农场的日光温室（48m×14m）中进行。农场地处北京南郊平原(116°13′E，39°26′N)，土壤类型为砂质壤土，常年仅施用有机肥。0-30cm土层土壤有机质含量27.7g·kg-1，全氮1.74g·kg-1，有效磷265mg·kg-1，速效钾205mg·kg-1，EC(水土质量比为5:1) 239μS·cm-1，pH值(水土质量比为2.5:1) 7.56,土壤容重1.10g·cm-3。

供试作物为法国西芹。2012年3月30日均匀撒施底肥后翻耕整地，3月31日定植，定植密度33万株·hm-2，6月19日收获，田间生长期为80d。试验用有机肥料取自北京大兴区留民营沼气站，为鸡粪沼气发酵后的沼渣。沼渣含N 1.22%、p2O53.49%、K2O 0.74%、有机质22.8%，pH值8.49，含水率51.4%，全部作为底肥在试验前一次性施入，试验期间不再投入其它肥料。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以漫灌水量为主处理，分两个水平，以H表示常规灌溉，L表示减量灌溉。缓苗期各处理灌溉量相同，试验开始后共进行6次灌溉，灌溉时间分别为4月6日、5月4日、5月17日、5月28日、6月4日和6月18日，常规灌溉处理的灌水量分别为48、48、60、70、70和70mm，总灌溉量为366mm，减量灌溉处理每次灌水量为H处理的80%，总灌水量为293mm。以施鸡粪发酵沼渣含氮量为副处理，共设3个水平，分别为N（常规施肥即当地农民习惯施肥量，450kg·hm-2，以氮计）、N3（减量施肥1/3，施肥量为N的2/3[18]，即300kg·hm-2，以氮计）、N0（表示减量100%即不施肥）。试验共6个处理，分别为HN处理（常规水肥量，CK）、HN3处理（常规灌溉，减肥1/3）、HN0处理（常规灌溉，不施肥）、LN处理（减水20%，不减肥）、LN3处理（减水20%，减肥1/3）、LN0处理（减水20%，不施肥）。每处理3次重复，共18个小区，小区面积为5m×6m。除施肥和灌溉量外，各小区其它管理措施均保持一致。

1.3 采样方法及测定指标

N2O的收集采用密闭式静态箱法。箱体由两部分组成：上部箱体为粘有透明有机玻璃的聚氯乙烯（PVC）管(直径16cm、高5cm)，有机玻璃圆心处装有橡胶塞和三通阀，底部开口可以罩在底座上；下部底座为外围有水槽的PVC管（高19.5cm）[20]。芹菜定植前将底座插入土中，采样时水封槽内注满水，将上部箱体扣上后，形成密闭性气体空间。在利用三通阀原理采集N2O气体时，先将20mL医用塑料注射器与箱体连接，来回抽取排出气体5次，以混匀箱内气体，然后抽取气样注入已抽真空的12mL玻璃收集瓶中分析。

采气时间为9：30-10：30[21]，分别在0、20、40、60min时采集1次气体；同时测定棚内气温和5cm深度的土层温度。施肥后当天开始连续采样7d，其后每4天采样1次，收集2次后每7天采样1次；每次灌溉后第2天开始连续采样3d，其后每4天采样1次，收集2次后每7天采样1次。采集气样的同时，用土钻采集表层5cm深土壤带回实验室测定其含水量及无机态氮含量，根据土壤容重将含水率换算为土壤充水孔隙度（Water-Filled Pore Space，WFPS）[22]。

采集到的气体N2O浓度采用Agilent7890A气相色谱测定，检测器为电子捕获检测器（ECD），测定温度330℃，色谱柱Porpak Q柱，柱温70℃，载气为高纯N2，流速为25L·min-1。

1.4 计算方法和数据分析

N2O排放通量计算公式为[20]

式中，F为N2O-N的排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ为标准状况下N2O-N的密度1.25kg·m-3；h为箱内有效空间的高度（m）；dc/dt为箱内气体浓度随时间的变化率(μL×L-1·h-1)；T为采气箱内温度(K)。

土壤充水孔隙度( WFPS，%)计算式为[22]

式中，P为土壤总孔隙度（%），g为土壤容重（g·cm-3），2.65为土壤密度（g·cm-3），WC为土壤质量含水率（%）。

试验数据处理软件为Excel2010，统计软件为SAS8.1，多重比较用Duncan氏新复极差法（SSR）。

2 结果与分析

2.1 水肥减量对芹菜产量的影响

由表1可知，与常规灌溉（H）处理相比，减量灌溉（L）对芹菜产量未产生显著影响；与常规施肥（N）处理相比，减量1/3施肥（N3）处理芹菜产量未显著降低，但不施肥处理的芹菜产量降低23.47%，差异达到显著水平（P＜0.05）。经检验，灌溉与施肥的交互作用不显著（P＞0.05，F=0.02），说明减量灌溉及减量1/3施肥的措施，可以保证芹菜产量，降低生产成本。

表1 不同处理芹菜鲜重产量(t·hm-2)Table 1 Fresh weight of celery yield under different treatments(t·ha-1)

2.2 水肥减量对土壤充水孔隙度（WFPS）和无机态氮含量的影响

2.2.1 对土壤充水孔隙度的影响

由图1可见，常规灌溉施肥处理（HN处理）芹菜生长季土壤充水孔隙度保持在21%～62%，基本处于适宜作物生长的范围[23-24]；减量灌溉处理（L处理）芹菜生长季的WFPS保持在20%～ 58%，与常规灌溉处理（H处理）的变化范围相差不大，植株整个生长季基本处于较适宜的水分状态，这可能与试验仅采集表层土壤样品有关；但从图1也可以看出，在两次灌溉间，尤其在灌溉前一天，减量灌溉处理（L）的土壤充水孔隙度明显低于常规灌溉（H），这可能与其灌溉量较小有关。

图1 2012年4-6月各处理土壤充水孔隙度（WFPS）的变化过程Fig. 1 Variation of WFPS in Apr.-Jun., 2012 under different treatments

图2 2012年4-6月各处理土壤N-N含量的变化Fig. 2 Variation of soil N-N content in Apr.-Jun., 2012 under different treatments

图3 2012年4-6月各处理土壤N-N含量的变化Fig. 3 Variation of soil N-N content in Apr.-Jun., 2012 under different treatments

2.3 水肥减量对土壤N2O-N排放的影响

2.3.1 对土壤N2O-N排放通量的影响

由图4可见，常规灌溉施肥处理（HN）的N2O-N排放通量峰值主要集中在定植后的前11d，期间N2O排放通量平均值为4104μg·m-2·h-1。在此期间，减量灌溉条件下的各处理N2O-N排放通量平均值均极显著低于HN处理（P＜0.01），其中减量灌溉不施肥处理（LN0）的N2O-N减排效果最为显著，排放通量平均值仅为HN处理的1.03%；常规灌溉条件下，减量1/3施肥（HN3）和不施肥处理（HN0）的N2O-N平均排放通量也均极显著低于HN处理（P＜0.01），其中常规灌溉不施肥处理（HN0）的N2O-N减排效果最为显著，排放通量平均值仅为HN处理的1.05%。而芹菜生长后期各处理排放通量趋于一致，收获当日各处理排放通量无显著差异。

2.3.2 对土壤N2O排放总量的影响

由表2可见，减量灌溉处理的N2O-N排放通量平均值比常规灌溉处理降低32.8%，达极显著水平（P ＜0.01）；而不同施肥量间也存在极显著差异（P＜0.01），减量1/3施肥处理（N3）和不施肥处理（N0）的N2O-N排放通量平均值分别为184.11μg·m-2·h-1和10.70μg·m-2·h-1，均显著低于常规施肥处理；灌溉与施肥处理间的交互作用不显著（P＞0.05，F=3.91）。本试验中，减量灌溉和减量施肥处理均能显著减少N2O-N排放通量平均值，是设施蔬菜地N2O-N减排的有效途径。

图4 2012年4-6月各处理N2O-N排放通量的变化Fig. 4 Variation of N2O-N fluxes in Apr.-Jun., 2012 under different treatments

表2 2012年4-6月各处理的N2O-N排放通量平均值和排放总量Table 2 The average N2O-N flux and total N2O-N emissions in Apr.-Jun., 2012 under different treatments

将芹菜生育期内，各处理每日N2O-N排放通量分别累加得到其N2O-N排放总量（表2），由表2可见，各处理排放总量表现为HN＞LN＞HN3＞LN3 ＞HN0＞LN0，HN处理的N2O-N排放总量最高，达到10.47kg·hm-2，LN处理的N2O-N排放总量比其减少22.25%，LN3处理的N2O-N排放总量为各施肥处理中最低，为2.21kg·hm-2，仅为HN处理N2O-N排放总量的21.1%，可见，本试验条件下的减量灌溉和减量施肥达到了有效减少N2O排放的效果。

3 结论与讨论

（1）土壤充水孔隙度是影响旱田土壤N2O排放的一个重要因子[25]，韩建刚等[24]研究表明，土壤充水孔隙度（WFPS）在27%～58%时，土壤中N2O 释放的稳定浓度与土壤充水孔隙度呈正相关。本试验中减量灌溉处理（L处理）的土壤充水孔隙度（WFPS）在27%～58%这一范围内的平均值为47.86%，较常规灌溉处理（H处理）的49.45%略有降低；此外，整个芹菜生长季中减量灌溉处理的土壤干湿交替程度小于常规灌溉处理，表明减量灌溉达到了菜地土壤N2O减排的效果。但本试验中每次灌溉时，L处理的土壤充水孔隙度变化幅度仍相对较大，这在一定程度上促进了土壤N2O的排放，导致土壤N2O的排放通量出现较大增幅，因此，减少单次灌溉量与增加灌溉频率相结合的方法，应该是设施土壤N2O减排的有效措施，但具体参数仍需进一步研究。

（2）土壤无机氮作为土壤微生物硝化和反硝化作用的氮源，其含量的变化必然会对土壤N2O排放通量产生影响[26]。本试验中，减量1/3施肥处理（N3）土壤中的N-N含量为常规施肥处理的56.04%，其N2O-N累积排放总量比常规施肥处理显著减少62.04%；减量1/3施肥处理（N3）土壤中的N-N含量与常规施肥处理无显著差异，这与王爽等[27]提出的施肥量与0-80cm土层N-N累积量呈显著正相关的结论相一致。

（3）本试验条件下，减量灌溉20%和减量1/3施肥均能显著降低芹菜地N2O排放通量，且减量的水肥组合处理（LN3处理）能在不影响产量的前提下，降低生产成本，并显著减少N2O排放。

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Effects of Reducing Irrigation and Organic Fertilization on N2O Emissions from Celery Field in Facilities

YANG Yan1, SUN Qin-ping2, ZOU Guo-yuan2, XU Jun-xiang2, LI Ji-jin2, LIU Chun-sheng3, JIANG Li-hua1
(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Sciences/Shandong Province Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Jinan 250100, China; 2.Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097; 3.College of Resources and Environment Science, Shandong Agricultural University/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer, Tai’an 271018)

Abstract:In order to monitor the N2O emissions after irrigation and organic fertilization from vegetable soil in celery growing season, and make sure effective reduction measures were put forward, an experiment with 6 treatments was done in Beijing suburbs by using static chamber measurement techniques. The impact of the reductions of irrigation and organic fertilization (biogas residue) on the water-filled pore space (WFPS, 0-5cm), N￷-N content, N￶-N content and N2O emissions were analyzed. It was a split block experiment with irrigation and fertilization two factors. The 6 treatments were as fellows: conventional irrigation under the condition of conventional fertilization (HN), conventional fertilization with 1/3 decrement (HN3) and no fertilization (HN0), and conventional irrigation with 20% decrement under the condition of conventional fertilization (LN), conventional fertilization with 1/3 decrement (LN3) and no fertilization (LN0). The results showed that, conventional irrigation with 20% decrement reduced total N2O emissions by 32.23%, significantly lower than that of conventional irrigation(P＜0.01), however, had no significantly influence on celery yield, WFPS and Nmin content of soil. Compared with conventional fertilization, the treatments of conventional fertilization with 1/3 decrement and no fertilization had no significantly influence on N￵-N content of soil, however, significantly reduced N￴-N content of soil (P＜0.01) by 43.96% and 76.42%, respectively. In addition, conventional fertilization with 1/3 decrement made the cumulative N2O emissions from the soil in the whole growing season of celery, significantly reduced by 62.04%, however, had no significantly influence on celery yield. In this field experiment, conventional irrigation with 20% decrement (L) and conventional fertilization with 1/3 decrement (N3) both significantly reduced N2O emissions, and had no significantly influence on the celery yield, furthermore, the combination of the decrement of irrigation and fertilization (LN3) can reduce the production costs at the same time.

Key words:Reduced irrigation and fertilization; Water-filled pore space(WFPS); N￳-N content of soil; N￲-N content of soil; Reduce N2O emissions

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.003

*收稿日期：2015-09-06**通讯作者。E-mail：sunqinping@hotmail.com; jiangli8227@sina.com

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201303089-2）；国家科技支撑项目（2012BAD14B01-08）；北京市农林科学院青年科研基金（QNJJ201413）；山东省科技发展计划（2013GNC11204）

作者简介：杨岩(1987-)，博士，主要研究方向为植物营养与施肥技术。E-mail：tornado23@126.com