有机无机氮肥配施对菜地土壤二氧化碳和甲烷排放的影响

汤桂容，周 旋，田 昌，彭辉辉，张玉平*，荣湘民*

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙410004；3.湖南省农业科学院土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

农业管理措施特别是施肥对温室气体排放的影响很大，各种肥料中有机肥对农田土壤碳转化的影响最大，来自不同动物的有机肥料成分不同，并影响其施用到农田后的温室气体排放［1］。土壤呼吸速率与土壤肥力密切相关，有机肥的种类和数量影响着土壤CO2的排放通量［2］。通气状况良好的土壤是CH4的最大吸收汇，施肥对CH4氧化表现为抑制作用［3］。研究土壤CH4吸收汇影响因素和采取一些措施促进土壤对CH4的吸收，也是目前减缓气候变暖的一项措施［4］。有机肥施用对稻田土壤CH4排放的影响研究较多［5］。施用作物秸秆、畜禽粪便、堆肥、沼渣等有机肥均能增加稻田CH4排放量，且不同有机肥对CH4的影响不同，施用秸秆处理CH4排放量显著高于其他有机肥［6］。

随着我国畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便年产生量已超过2.43亿t，成为影响我国环境的重要污染源之一［7］。截至2010年7月底，中国大中型养殖场沼气工程近5 000处，年产沼液和沼渣量已超过1.3亿t［8］。但绝大部分沼液被随意排放，亟待有效处理及合理利用，否则将产生二次污染，并制约沼气工程的发展［9］。因此，如何有效处理大量的有机废料成为研究的重点。

近年来，有机无机肥料配合施用是设施菜田较为常见的施肥方式，可协调养分平衡供应，满足作物整个生育期对养分的需求，同时减少化肥的用量。刘晓雨等［10］研究表明，长期施用肥料显著提高稻田生态系统CH4和CO2的排放量，有机肥料与化肥配施较单纯施用化学肥料下土壤碳（CO2和CH4）排放增加，但化肥配施秸秆与化肥配施猪粪下CH4和CO2的排放差异不显著。目前，关于有机无机肥配施的报道对菜地土壤CO2和CH4通量的综合影响报道较少。本研究选用农业生产上常用的有机肥，并结合考虑其种类及养分含量，探讨有机无机氮肥配施对典型菜地土壤CO2和CH4通量的影响，以期准确评估有机肥施用的环境风险，为实现设施蔬菜生产的可持续发展提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自湖南省长沙市长沙县榔梨镇大元村（28°11′0.72″N，113°06′23.79″E）蔬菜基地的耕作层（0～20 cm），地属亚热带大陆性季风气候，年平均气温为17.2℃，年降水量为1 360 mm，为紫色菜园土。土样采集后风干，挑去肉眼可以看见的细根和石块后过5 mm筛备用。土壤基本理化性质为土壤容重1.11 g·cm-3，pH值5.18，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为14.66、2.30、0.76、13.91 g·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为123.62、51.10、224.75 mg·kg-1。供试蔬菜品种莴苣为“四季白尖叶”。供试氮肥为尿素（N 46%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），磷肥为钙镁磷肥（P2O512%）。供试有机肥中猪粪、沼渣沼液从农户家收集，猪粪堆肥自制。供试有机肥养分含量见表1。

表1 供试有机肥养分含量 （g·kg-1）

1.2 试验设计

试验于2013年在湖南农业大学盆栽试验基地进行。共设置6个处理，分别为：不施肥处理（CK）、不施氮肥处理（PK）、施纯化肥处理（NPK）、有机无机肥配施处理1（20%猪粪N+80%化肥N，NPKM1）、有机无机肥配施处理2（20%沼渣沼液N+80%化肥N，NPKM2）、有机无机肥配施处理3（20%猪粪堆肥N+80%化肥N，NPKM3）。随机区组排列，6个重复，共计36盆，每钵土重6.25 kg。

所有施肥处理N、P、K施用量相等，N 300 kg·hm-2，P2O5220 kg·hm-2，K2O 220 kg·hm-2。有机肥和磷肥全作基肥一次性施用，氮、钾肥60%作基肥，40%作追肥，在移栽后第14 d追肥。每盆种植1株莴苣。2013年9月2日播种，10月1日移栽，10月12日追肥，11月23日整株收获计产。水分、病虫害按照常规管理。

1.3 温室气体采集和测定

采用密闭箱—气相色谱法进行采集测定土壤CO2和CH4［11］。箱体呈圆柱状，直径30 cm，高60 cm，由气体收集箱和底座2部分组成［12］。采样时间为8:00～11:00，此时间段代表全天CO2和CH4排放通量平均值。移栽、翻耕、施肥后第1、2、3、5、7 d分别采集气样，其余时间每周采集1次。收集气体的同时记录箱内温度、大气温度及5 cm土温［13］。采样结束后，立即移开采样箱，将样品带回实验室，采用GC7900型气相色谱仪进行分析测定。

1.4 计算公式

CO2和CH4排放通量计算公式为：

式中：F为气体排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ为标准状态下CO2或CH4密度（kg·m-3）；h为采气箱高度（cm）；Δc/Δt为Δt时间内采气箱内CO2或CH4气体浓度的变化率（μL·L-1· min-1）；T为采气箱内温度（℃）。

CO2和CH4累积排放量计算公式［12］：

式中：M为CO2或CH4累积排放量（kg·hm-2）；F为CO2或CH4排放通量（mg·m-2·h-1）；i为采样次数；t为采样时间即定植后天数（d）；24为24 h。

全球增温潜势（GWP，以100年计，t CO2eq·hm-2）是基于CO2、CH4和N2O转化为CO2当量进 行 估 算：GWP=RCO2+25×RCH4+298×RN2O，式中RCO2、RCH4、RN2O分别为生长季CO2、CH4和 N2O 排放总量，kg·hm-2［13］。

1.5 数据处理

采用DPS V14.10数据处理系统和Excel 2003软件进行数据处理，处理间差异显著性分析采用最小显著法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 莴苣土壤CH4排放

2.1.1 土壤CH4排放规律及平均排放通量

图1 不同有机无机氮肥配施下莴苣土壤CH4排放通量

由图1可知，莴苣全生育期内土壤CH4排放各处理呈现“源”、“汇”交替现象，CK、PK、NPK、NPKM1、NPKM2、NPKM3处理CH4通量范围分别为-1.48～3.43、-2.39～1.58、-2.08～1.25、-1.39～1.40、-2.25 ～ 6.72、-1.96 ～ 2.35 mg·m-2·h-1。各时间测点排放通量在基肥、追肥施用后均呈现升降波动趋势，直至总体趋于平稳。说明菜地土壤施肥表现为CH4排放汇或对土壤CH4的氧化存在较大变异。

由表2可知，莴苣生育期各处理土壤CH4平均排放通量介于-0.44～-0.03 mg·m-2·h-1，大小 表 现 为 CK=PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。与CK处理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CH4平均排放通量分别降低0.00、0.04、0.37、0.41和 0.05 mg·m-2·h-1。与PK处理相 比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处 理 土壤CH4平均排放通量分别降低0.04、0.37、0.41和0.05 mg·m-2·h-1。 与NPK处 理 相 比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CH4平均排放通量分 别 降 低0.33、0.37和0.01 mg·m-2·h-1。 说明施肥会降低菜地土壤CH4平均排放通量，而有机无机配施处理较纯化肥处理进一步降低菜地土壤中CH4平均排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

表2 不同有机无机氮肥配施下莴苣土壤CH4和CO2平均排放通量及累积排放量

2.1.2 土壤CH4累积排放量

由图2可知，基肥施用一周内，各处理土壤CH4累积排放量较平稳，第7 d均呈上升趋势（NPK和NPKM1除外）。第12 d各处理土壤CH4累积排放量大小表现为：NPKM3＞CK＞NPKM2＞PK＞NPKM1＞NPK。追肥后一周内，各处理土壤CH4累积排放量较平稳，生育后期土壤CH4累积排放量开始下降。

莴苣生育期各处理土壤CH4累积排放量介于-5.90～-0.42 kg·hm-2，大小表现为CK＞PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。 与CK处 理 相 比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CH4累积排放量分别降低0.04、0.54、5.01、5.48和0.62 kg·hm-2。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理分别降低0.50、4.97、5.44和0.58 kg·hm-2。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理分别降低4.47、4.94、0.08 kg·hm-2。可见，施肥会降低菜地土壤CH4累积排放通量，而有机无机配施处理较纯化肥处理进一步降低菜地土壤CH4累积排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

图2 不同有机无机氮肥配施下莴苣土壤CH4累积排放量

2.2 莴苣土壤CO2排放

2.2.1 土壤CO2排放规律及平均排放通量

由图3可知，莴苣全生育期内各处理土壤CO2排放通量总体呈上升趋势，受施肥的影响略有波动。基肥施用一周内，各处理土壤CO2排放通量于第3 d达到峰值后下降，其中以CK处理（202.01 mg·m-2·h-1）最低。追肥施用一周后，各处理土壤CO2排放通量于第42 d达到峰值后下降，大小表现为 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞CK＞PK＞NPKM2，之后开始回升。

图3 不同有机无机氮肥配施下莴苣土壤CO2排放通量

由表2可知，莴苣生育期各处理土壤CO2平均排放通量介于112.1～ 168.2 mg·m-2·h-1，大小 表 现 为 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。与CK处 理 相 比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CO2平均排放通量分别提高7.9、24.4、45.9、19.8和56.1 mg·m-2·h-1。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处 理 土 壤CO2平均排放通量分别提高16.5、38.0、11.9和48.0 mg·m-2·h-1。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CO2平均排放通量分别提高21.5、-4.6和31.7 mg·m-2·h-1。说明施肥会提高菜地土壤CO2平均排放通量，而猪粪类有机无机配施处理较纯化肥处理进一步提高菜地土壤CO2平均排放通量。

2.2.2 土壤CO2累积排放量

由图4可知，莴苣生育期各处理土壤CO2累积排放量呈平稳上升趋势。基肥和追肥施用一周内比较缓慢，后期出现拐点，迅速增加。

由表2可知，莴苣生育期土壤CO2累积排放量介于1 506.37～2 260.58 kg·hm-2，大小表现为 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。 与 CK处理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CO2累积排放量分别增加7%、22%、41%、18%和50%。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CO2累积排放量分别增加14%、32%、10%和40%。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤CO2累积排放量分别增加16%、-3.4%和23%。说明施肥会提高菜地土壤CO2累积排放通量，而猪粪类有机无机配施处理较纯化肥处理进一步提高菜地土壤CO2累积排放通量。

图4 不同有机无机肥配施下莴苣土壤CO2累积排放量

2.3 莴苣土壤全球增温潜势

由表2可知，莴苣生育期GWP介于1.50～2.23 t CO2eq·hm-2，大小表现为 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。与CK处理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理GWP分别增加7%、21%、33%、8.7%和49.4%。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理GWP分别增加13%、24%、1.6%和40%。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理GWP分别增加10%、-10.3%和23%。说明施肥会提高菜地土壤GWP，而猪粪类有机无机配施处理较纯化肥处理进一步提高菜地土壤GWP。

3 讨论

3.1 有机无机氮肥配施对菜地土壤CO2排放的影响

土壤CO2排放通量受土壤物理、化学和生物过程的影响，与土壤碳、氮含量及阳离子交换能力等有关［14］。通常施肥会增加土壤中碳、氮含量，提高易分解有机质的量，从而增加土壤呼吸底物及作物根系生物量，最终促进微生物的活动和根系的呼吸［2，15］。王立刚等［16］研究发现，单施N肥对土壤呼吸的影响不大，N、P配施，尤其是高N高P能显著增加土壤呼吸量。董玉红等［17］研究发现，不同肥料处理长期小麦-玉米轮作土壤CO2排放通量的顺序依次为NPK＞NP＞PK＞NK＞CK；NPK配施显著提高作物产量和秸秆残茬还田量，提高土壤有机质含量，从而提高土壤CO2排放量。本研究中，施肥会提高菜地土壤CO2累积排放通量，与上述研究结果一致。

有机肥料施用于农田土壤是一种有效增加土壤碳库、减缓温室效应的方法［18］，但会增加土壤呼吸释放 CO2的速率［19-21］。相关研究表明［22-24］，有机肥及有机-无机肥配施能显著增加CO2的排放，主要是有机肥的施入改善土壤理化性质，增加土壤有机质的积累，促进土壤微生物的活性以及根系的生长和活力，从而增加CO2的排放量。有机肥和化肥施用能显著增加土壤呼吸释放CO2的累积量，提高土壤中潜在矿化的有机碳含量及其占土壤有机质的比例，促进土壤有机质中无机养分的释放［25-26］。董玉红等［27］研究发现，不同处理土壤CO2季节平均排放通量为0.512 4～0.851 8 g·m-2·h-1；和不施肥不种玉米裸地处理相比，玉米种植促进CO2排放，施用有机肥也增加CO2的排放， 而 猪 粪 30 t·hm-2、鸡粪 30 t·hm-2同不施肥种玉米处理差异显著。陈永根等［9］研究表明，夏季或冬季，沼液处理对土壤CO2排放影响均不显著。谢立勇等［28］研究发现，长期不同施肥处理黑土区春小麦地土壤CO2排放通量大小基本一致，表现为MNPK＞MN＞NPK＞N＞M。本研究中，有机无机氮肥配施处理土壤CO2平均排放通量和累积排放量均以NPKM2处理最低，表明猪粪类有机肥配施较沼渣沼液配施促进菜地土壤CO2排放。

3.2 有机无机氮肥配施对菜地土壤CH4排放的影响

CH4的产生和排放是严格厌氧条件下产甲烷菌作用的结果，充足的产甲烷基质和适宜的产甲烷菌生长环境是CH4产生的先决条件［29］。施用有机肥对于酸性土壤还可提高土壤pH值，为产甲烷菌提供有利的生长条件，促使其产生更多的CH4［30］。CH4在好氧条件下容易被氧化菌氧化而减少土壤中CH4的排放；有机质的分解会降低土壤Eh，从而导致CH4的排放量增加［29］。透气性良好的旱田土壤是大气CH4的主要吸收汇［31］。本研究中，施肥会降低菜地土壤CH4累积排放通量，与上述研究结果一致。

一般来说，在维持氮、磷、钾含量基本不变时，施较多的有机肥是CH4排放率高的重要原因，而施化肥则能降低CH4排放［3］。有机投入对土壤CH4氧化的影响取决于其 C/N［32］。Hütsch 等［33］研究发现，长期使用农家肥料引起旱地土壤对CH4氧化的抑制作用，但其影响要小于使用等量的无机肥料所产生的影响。陈永根等［9］研究发现，夏、冬季在大量施沼液时，初期土壤CH4排放通量明显高于正常施沼液及不施沼液；随后处理间土壤CH4排放通量无显著差异。董玉红等［27］研究发现，不同处理农田土壤CH4的季节平均通量为-0.006 8～-0.048 4 mg·m-2·h-1，有机肥施用抑制土壤对CH4的吸收，施肥量高抑制作用强，但差异不显著。谢立勇等［28］研究发现，长期不同施肥处理之间黑土区春小麦地土壤CH4排放或吸收通量差异不明显，仅在排放高峰期发现MNPK处理的排放略显高。有机肥对土壤CH4氧化的影响比化肥要低得多，其物理化学性质及施用方法的不同都会影响到土壤对CH4的氧化［34］。本研究结果表明，有机无机配施处理较纯化肥处理进一步降低菜地土壤CH4累积排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

4 结论

莴苣生育期土壤CH4累积排放量大小顺序为CK＞PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。有机无机氮肥配施对菜地CH4排放的影响很大程度上取决于有机肥种类，沼渣沼液配施和猪粪配施对土壤CH4有氧化作用。不同处理土壤CO2累积排 放量 和GWP 大 小 均 表 现 为 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。 猪 粪 类 有 机 肥 配 施 较沼渣沼液配施促进菜地土壤中CO2排放，并增加GWP。在实际生产中，应当根据不同源有机肥特性进行调节施用，其差异原因有待进一步研究。