设施番茄土壤温室气体排放对水氮管理的响应

杜明智，王广帅，刘 浩，宁慧峰，高 阳，王兴鹏*

（1.塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453002）

0 引 言

【研究意义】由人类活动引起的温室气体排放增长所造成的气候变暖愈发严重。激增的温室气体排放不仅造成了冰川融化和海平面上升等自然危害，也给人类的经济生产带来了不可逆转的影响。农田生态系统是重要的温室气体排放源，每年有5%～20%的CO2，15%～30%的CH4、80%～90%的N2O来源于农田生态系统，对温室效应的贡献率分别为60%，15%和5%[1]。设施农业面积逐年增加，已经达到370万hm2，

是重要的农田生态系统类型之一。近年来，人们在设施农业的生产过程中片面追求高产，不考虑环境污染与水资源浪费等问题，过量施用氮肥与开展不合理的大水灌溉，导致大量氮素随水流失，增产效果大大降低[2]。另外，温室内高温、高湿的环境特点加速了土壤碳、氮素循环，从而加剧了温室气体的排放[3]。因此，如何减少设施农业生产过程中的温室气体排放已成为农业单元温室气体减排的热门话题[4]。

【研究进展】设施农业需要在短期投入大量的水、氮，以满足蔬菜快速生长的基本需求，这也成为影响土壤温室气体排放的关键因素[5]。灌溉作为一项重要的土壤水分调控措施，能够显著影响土壤水、氮分布，从而影响土壤温室气体排放[6]。张西超等[7]在对比了不同灌溉方式后，发现滴灌具有灌水定额小、灌溉水利用效率高等特点，能有效抑制设施土壤CO2与CH4的排放，不仅可以达到高产高效、节水的目标，综合排放的温室气体也最少[8-9]。曹文超等[10]研究也认为灌水与施有机肥是影响设施土壤N2O剧烈排放的主要诱因。除灌溉以外，氮素的合理施用能够让设施蔬菜在短时间内获得高产，高品质果实，是重要的农艺措施。Liang等[11]运用WHCNS模型模拟得出结论，开展设施温室氮素科学管理，能够显著减少氮肥施用量并减少氮素淋失和气态损失，同时蔬菜产量没有显著下降，从而避免过度施肥的现象发生。任涛等[12]发现温室温度与施氮的交互作用会影响不同季节设施土壤的呼吸速率，进而影响CO2的排放。适宜的灌水与施氮量不仅有利于获得较高的番茄产量，还有利于降低其土壤的全球增温潜势[13-15]。因此，开展适宜的设施菜地水、氮管理对于设施菜地的“节水、减氮、减排”绿色可持续生产具有重要意义[16-17]。

【切入点】构建合理的水、氮管理模式对于设施蔬菜绿色高效生产至关重要。国内外有关水、氮管理下的设施土壤温室气体的研究主要集中在设置施肥梯度或传统灌溉方式的基础上进行，对水、氮交互作用和节水灌溉、水肥一体化技术条件下设施土壤温室气体的排放与产量相结合的研究比较有限。【拟解决的关键问题】本研究以日光温室水肥一体化滴灌番茄种植模式为研究对象，研究不同施氮制度和灌溉定额对番茄产量、温室气体排放和全球增温潜势的影响，探索产量提升和温室气体减排的“双赢”水、氮管理模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年在中国农业科学院新乡综合试验基地（113°47'E，35°9'N，海拔78.7 m）的温室大棚中进行，该地区年均降水量548.3 mm，年平均蒸发量1 908.7 mm，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.1 ℃，日照时间2 398.8 h，无霜期200.5 d。试验所用温室占地510.0 m2（长60.0 m，宽8.5 m），下沉0.5 m，东西走向，坐北朝南，覆盖无滴聚乙烯薄膜，墙体内镶嵌有60 cm厚的保温材料，室内无其他的补温设施。试验区土壤为壤土，0～100 cm平均体积质量为1.49 g/cm3，田间持水率为21.5%（质量含水率），0～60 cm 土壤理化指标见表1。

表1 温室土壤理化指标Table 1 Soil physical and chemical properties in solar greenhouse

1.2 试验设计

番茄供试品种为金顶新星，在温室中整畦种植，畦长8 m，宽1.1 m，采用宽窄行种植方式，宽行65 cm，窄行45 cm，株距33 cm。于3月9日移栽，7月中旬拔秧，种植密度为5.7株/m2，采用滴灌供水方式（滴头间距与株距均为33 cm，滴头流量为1.1 L/h）。参考Liu等[18]、刘浩等[19]对温室滴灌番茄灌溉制度的研究，依据冠层上方的水面蒸发量控制灌溉，当相邻2次灌溉之间的累积水面蒸发量（Epan）达到（10±2） mm时进行灌溉，该地区温室滴灌番茄的最优灌水定额为0.90Epan。因此，本研究设计2种亏缺灌溉，灌水定额分别为0.70Epan和0.50Epan，以最优灌水定额为0.90Epan为对照，共3个灌水水平，由低到高分别用W1，W2和W3表示。氮肥使用尿素，氮素水平设低肥F1（150 kg/hm2纯氮）、中肥F2（300 kg/hm2）和高肥F3（450 kg/hm2），不施氮（CK）为对照记为F0，完全组合共12个处理，每个处理重复3次，共36个小区。

定值前各小区均施入6 000 kg/hm2的商品有机肥（有机质量45%，养分量5%）和180 kg/hm2的磷肥（过磷酸钙）作为底肥；钾肥以50%硫酸钾（K2SO4），总施肥量为300 kg/hm2。追肥从第1穗果长到核桃大小时开始，每7～10 d追肥1次，氮、钾肥按基追比4∶6施入，共追施3次，直至6月20日结束。为防止番茄植株徒长，番茄移栽后3周内“蹲苗”，不进行灌溉。每个试验小区分别安装精度为0.001 m3的水表，精准控制灌水量，为防止水分侧渗，各小区之间埋设60 cm深的塑料薄膜。各处理其他农艺措施参考李欢欢等[20]。

1.3 观测项目与方法

1.3.1 温室气体

番茄定植后第38天开始采集温室气体，每隔6 d采集1次气体样品，到拉秧结束前1天采集最后1次，共采样15次。采用静态箱法采集温室气体，放置静态箱的地框于定植后埋入2株作物间并灌水局部湿润，埋入深度为5 cm，地框外带有水槽。箱体长、宽、高为60 cm×30 cm×10 cm，采集气体时，箱体置于地框上，水槽加水密封。箱体上部安装温度计，用于测定箱内温度，采用60 mL注射器进行采气，每次抽气时多次推排用于混匀箱内气体。抽气时间固定为08:00—11:00，每10 min采集1次，共采集4次。气体样品于实验当天用岛津GC-2010 Plus气相色谱仪测定N2O、CO2和CH4的排放量。若灌水与采气发生在同1天时，则先采气后灌水。

1.3.2 冠层水面蒸发

使用ADM7型蒸发器测量每日的水面蒸发量。蒸发皿放置在大棚中间位置，高度位于冠层上方20 cm处。每天08:00定时测量，每次测量后为蒸发皿添加够20 mm蒸馏水。

1.3.3 番茄产量的测定

果实每次采摘后称质量，每个小区每次采摘时选取有代表性的植株20株，采用精度为10 g的电子秤称量，并计算单株结果数。最终产量为每次收获产量的累计值。

1.4 数据分析

温室气体的排放通量计算式为：

式中；F为温室气体N2O、CO2或CH4的排放通量（mg/（m2∙h））；ρ为标准状态下测定的气体的密度（kg/m3），h为箱体高度（m）；T为静态箱内温度（℃）；P为当地大气压强（101 kPa），P0为标准大气压（101.325 kPa）；dc/dt为箱内气体浓度随时间变化的回归曲线斜率。

温室气体的累积排放量采用线性内插法计算，计算式为：

式中：CE为温室气体累积排放量（kg/hm2）；F为温室气体排放通量（mg/（m2·h））表示2个相邻测定日期之间的间隔（d）；n为累积排放量观测时间内的测定总次数。

农田净温室效应采用全球增温潜势来衡量，以N2O、CH4和CO2净交换量的CO2当量代数和来计算。由于单位质量CH4和N2O在百年尺度的全球增温潜势分别是CO2的28倍和265倍[1]，因此净温室效应（Global Warming Potential,GWP）可表示为：

式中：GWP为全球增温潜势（kg/hm2）。

单位产量的全球增温潜势可根据Herzog等[21]给出式（4）计算为：

式中：GHGI（Greenhouse Gas Emission Intensity）为温室气体排放强度（kg/kg）；Y为作物产量（kg/hm2）。

采用Excel 2016进行数据整理和计算，SPSS 21.0进行双因素方差分析及相关性分析，多重比较采用邓肯新复极差法，采用OriginPro 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水、氮供应下土壤N2O排放变化规律

不同水、氮处理土壤N2O排放的动态变化曲线如图1（a）所示。各水、氮组合处理间的N2O排放通量变化规律基本一致，在番茄生长初期排放增加缓慢，在经过首次追肥之后排放明显增加，随后又趋于稳定。各处理的峰谷变化具有明显的一致性，且在同一灌溉水平下最大峰值均为高肥处理。其中，适宜灌水定额下（W3处理）的高肥处理（F3W3）排放通量峰值达到214.6 µg/（m2·h），同时该处理的累积排放量也显著高于其余处理，在其他亏缺灌溉下（W1、W2处理），0.5Epan处理的最高峰值为高肥处理203.3µg/（m2·h），0.7Epan的则为中肥处理178.7 µg/（m2·h）。在相同的灌水定额处理下，施氮量显著（P<0.05）影响了N2O排放通量，表现出随施氮量的增加而增大的趋势。从图1（b）可以看出，在相同灌水定额下，N2O累积排放量基本随施氮量的增加而增加，其中最大累积排放量的F3W3处理可达0.978 kg/hm2，而在相同施氮量下，不同灌水定额对排放的影响并不显著，F1处理和F2处理均表现为在0.7Epan的灌水定额下是最大累积排放量，F3处理则是在0.9Epan下达到最高累积排放量。

图1 不同水、氮处理下土壤N2O排放规律及累积排放量变化规律Fig.1 Dynamic variation of N2O emission flux and N2O cumulative emission under different water and nitrogen supply

2.2 不同水、氮供应下土壤CO2排放变化规律

如图2（a）所示，CO2排放通量在番茄整个生育期内的变化幅度较大，每个处理的峰值出现与灌水频率基本一致，总体呈先升高再下降的多峰曲线模式。首次灌溉之后CO2排放通量迅速上升，各处理的累积排放量也在稳定增长，而后期CO2的排放速率与累积排放量均有所下降。所有处理的最大峰值出现在0.5Epan灌水定额的中肥处理（F2W1处理），其整个周期的变化范围也最为明显在67.97～520.71 mg/（m2·h）之间。方差分析结果表明，CO2的排放与施氮量的关系不显著（P>0.05），不同灌水定额下表现出的规律变化不大。从图2（b）可知，在不施氮的处理中CO2累积排放量基本表现为W3处理>W2处理>W1处理，低肥处理和高肥处理中则表现为W1处理的排放量最大。

图2 不同水、氮处理下CO2排放通量及累积排放量动态变化规律Fig.2 Dynamic variation of CO2 emission flux and CO2 cumulative emission under different water and nitrogen supply

2.3 不同水、氮供应下土壤CH4排放变化规律

如图3（a）所示，不同水、氮处理下的CH4排放通量呈多峰曲线，在整个生育期内，CH4的排放通量变化范围较大，在正负之间来回波动，体现了该试验区土壤对CH4的源与汇。前期峰值的出现与灌水频率具有一致性，后期各处理变化剧烈，其中W2处理下最明显地在-53.84～49.97 µg/（m2·h）之间。通过数据统计发现，CH4累积排放量与灌水定额存在显著相关关系（P<0.05），而在相同灌水定额下，不同施氮量对累积排放量的影响并不显著，从图3（b）可知，在适宜灌水条件下各处理的累积排放量在整个生育期都有相似的变化曲线，且均为正值。在其余亏缺灌溉条件下，各处理累积排放量在追肥之后呈现下降趋势，最终均为负值。

图3 不同水、氮处理下CH4排放通量及累积排放量动态变化Fig.3 Dynamic variation of CH4 emission flux and CH4 cumulative emission under different water and nitrogen supply

2.4 不同水、氮供应下温室气体累积排放总量、产量与GWP分析

各处理在试验期间的累积排放总量、产量和GWP如表2所示，灌水定额与施氮量的交互作用对N2O累积排放总量产生极显著影响（P<0.01）。单一效应分析发现，不同施氮水平对N2O累积排放总量也存在极显著影响（P<0.01），表现为在相同灌水定额下的N2O累积排放总量随施氮量的增大而增大。而CO2的累积排放量则没有呈现出与N2O类似的规律，相同灌水定额下的各处理之间差异不显著，其中0.7Epan亏缺灌溉的中肥处理（F2W2处理）累积排放量为最高达到5 079.0 kg/hm2。对于CH4的累积排放总量来说，单因素效应分析显示灌水定额对CH4累积排放总量影响为极显著（P=0.002），高水处理较其余处理显著增加了CH4的排放，且都表现为大气CH4的源。

表2 不同水、氮供应下温室气体累积排放量、全球增温潜势、产量及温室气体排放强度Table 2 Total cumulative emissions of N2O, CO2 and CH4, GWP, yield and GHGI under different water and nitrogen supply

对不同水、氮供应下全球增温潜势（GWP）的统计分析可知，水氮交互作用显著影响GWP，进一步比较单因素效应可得出，施氮量对GWP的影响显著（P<0.05），表现为F2处理显著高于F0处理，但与其余处理无显著差异，而灌水定额对GWP影响均不显著。其中0.7Epan灌水下的中肥处理（F2W2处理）GWP最大，为5 325.5 kg/hm2，而不施氮的低水处理（F0W1处理）GWP最小，为4 283.6 kg/hm2。

灌水定额与施氮量及水氮交互作用均对番茄产量有极显著的影响（P<0.01），高肥处理下的产量显著小于其余各处理，而随着灌水定额的增加其产量也显著增长，高肥低水处理的产量显著低于其余处理。施氮量和水氮交互作用都极显著影响温室气体排放强度（P<0.01），而灌水定额对GHGI的影响与对产量的呈现出恰好相反的变化趋势。综合考虑，F1W3处理（0.9Epan的亏缺灌溉与150 kg/hm2的施氮）的GHGI最低，全球增温潜势较低，产量较高，适合在设施农业中推广。

3 讨 论

3.1 不同水、氮供应下对温室气体排放的影响

N2O排放是土壤中微生物进行硝化和反硝化过程的产物，这2个过程易受到灌水、施肥及温度的共同影响。因此，N2O的排放也在一定程度上取决于各个因素的相互作用[10]。灌水定额的不同使得各个处理的土壤湿度呈不同的差异性，从而影响气体在土壤中的运动与氮素的扩散。本试验中不同灌水定额对N2O排放的影响并不显著，这与Mcdaniel等[22]的研究一致。而在相同的灌水定额条件下，施氮量的增加能显著提高N2O排放通量，尤其在追肥之后各处理均出现了明显的排放峰，说明添加氮肥加快了土壤氮素利用率，是引起土壤N2O排放剧增的主要原因[23]。后期N2O的排放又呈现下降趋势，这可能是由于多次灌水带来的干湿交替打破土壤环境与有机物之间的相互作用，使土壤N2O排放通量下降[24]。灌水频率的增加也导致微生物的硝化反硝化过程交替进行，使得N2O出现脉冲排放现象。此外，本试验的中后期也正是设施番茄的开花坐果期至果实膨大期，由于植株的迅猛生长和果实的快速形成对养分的需求较大，氮素被大量吸收，可能会导致N2O的排放趋于平缓[25]。

土壤释放的CO2是微生物分解含碳有机物时产生的，并受到一系列生物和非生物因子的影响。其中灌溉主要通过影响植株根系呼吸和改变土壤通透性来抑制或促进CO2的排放[26]。研究表明，CO2排放量通常在灌水后的几天出现峰值，这可能是在灌溉后水分沿着土壤空隙下渗或侧渗，代替了原先气体的位置而使土壤通透性变差，不利于CO2扩散排放，因此没有立刻出现峰值[27-28]。而后期出现的峰值普遍低于前期，可能是由于前期的亏缺灌溉加速了土壤的矿化速率从而引起了土壤碳库的正激发效应[29]。而峰值的出现又与灌溉频率基本一致，这是由于土壤含水量在经历干湿交替循环后呈现的周期性变化，导致土壤呼吸也发生相应改变，丁艳等[30]研究也证实了这一点。本试验中灌水定额、施氮和CO2累积排放量均不存在显著相关关系，这可能是本研究中灌溉定额和氮肥的设计梯度不大，且灌后土壤均处在适宜的水分水平所导致的，与前人研究结论[31-32]一致。

由于CH4一般是由微生物在厌氧条件下产生的，而水分是改变土壤通透性的主要因素，已有研究表明，淹水条件下土壤会形成厌氧环境来促进甲烷菌产生CH4，从而使CH4的源汇关系发生改变[33]。本研究中，CH4的排放通量在整个生长季呈波动式分布，灌溉定额对累积排放量的影响表现为极显著，这主要取决于产甲烷菌产生的CH4和甲烷氧化菌吸收的CH4之间存在动态平衡[33]。本研究结果显示，适宜灌溉定额下CH4排放量要显著高于低水处理，且累积排放量为正值，这说明高水环境以及多次滴灌所带来的干湿交替循环降低了土壤通透性，导致有机物进行厌氧发酵，从而强化了产甲烷菌的新陈代谢。有研究表明[28]，亏缺灌溉处理的土壤CH4吸收量显著高于充分灌溉，是由于高水的厌氧环境强化了产甲烷菌的分解作用，并抑制了对甲烷的氧化过程，这与本试验的研究结果一致。而施氮量对CH4的影响不显著，一方面可能是由于氮素对于甲烷菌的影响并不明显，另一方面可能是由于增加的氮肥大部分被植株所吸收，残余氮素无法立即转化为可被微生物利用的有机物。

3.2 不同水、氮供应下对全球增温潜势的影响

全球增温潜势是衡量温室气体增温能力的重要指标，研究表明优化水、氮供应可以影响温室气体排放，进而起到调控增温潜势的作用[34]。本研究显示，施氮量与水氮共同作用对GWP均有显著影响，而单一改变灌水定额对GWP的影响作用并不显著。可能是因为不同水氮管理措施导致了温室气体的组成结构发生了改变。由于GWP数值基本受土壤CO2累积排放量所控制，其次为N2O，所以其表现规律与CO2累积排放量类似。刘志伟等[35]的研究表明，在氧气充足条件下，CO2和N2O是构成GWP的主要组成部分，而CH4的贡献可忽略不计。杜世宇等[14]研究发现，低水与高肥处理下的CO2和N2O的排放量显著提高，进而增加了土壤GWP，与本研究结果相类似。

GHGI常被当作一种指标用来衡量不同施肥措施经济和环境效益。在本研究中，F1W3处理下的GWP和GHGI均为最小，且产量表现较好，主要原因是在较低施氮量的条件下，微生物会减少与底物的反应活动，而适宜灌溉定额下的土壤又能显著降低温室气体的排放。这表明在最优灌溉条件下并施用低肥能够显著减少温室效应，并获得较高的经济效益。

4 结 论

1）设施土壤的温室气体（N2O、CO2和CH4）排放通量和累积排放量受到灌水定额和施氮量的影响，N2O排放量在施肥后呈现增长趋势、CO2和CH4排放通量则随着灌水定额的增加而增加。N2O累积排放总量随施氮量的增加而显著增加，最高可达到0.959 kg/hm2。

2）亏缺灌溉与减少施氮能够显著增加番茄产量和降低温室气体排放强度。从环境效益与经济效益综合考虑，F1W3处理（0.9Epan的亏缺灌溉与150 kg/hm2的施氮）的GHGI最低，全球增温潜势较低，产量较高，适合在设施农业中推广。