王艷麗, 李　虎, 孫　媛, 王立剛

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京　100081

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水肥一體化條件下設(shè)施菜地的N2O排放

王艷麗, 李虎, 孫媛, 王立剛*

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100081

摘要:在保證作物產(chǎn)量的前提下，研究減少農(nóng)田土壤N2O排放的水肥統(tǒng)籌管理措施對(duì)全球溫室氣體減排具有重要意義。以京郊典型設(shè)施菜地為例，設(shè)置了農(nóng)民習(xí)慣(FP)、水肥一體化(FPD)、優(yōu)化水肥一體化(OPTD)和對(duì)照(CK)4個(gè)處理，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對(duì)果菜-葉菜(黃瓜-芹菜)輪作周期內(nèi)土壤N2O排放進(jìn)行了觀測(cè)，并分析了氮肥施用量、灌溉方式、土壤溫度和濕度等因素對(duì)土壤N2O排放的影響。結(jié)果表明：在黃瓜-芹菜種植模式中，各施氮處理除基肥施用后N2O排放峰持續(xù)10—15d外，一般施肥、施肥+灌溉事件后土壤N2O排放峰均呈現(xiàn)3—5d短而急促的情形。黃瓜生長(zhǎng)季N2O排放通量與土壤濕度(WFPS)之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)的關(guān)系；芹菜生長(zhǎng)季N2O排放通量與土壤溫度之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)的關(guān)系。觀測(cè)期內(nèi)FP處理N2O排放量為(31.00±2.15) kg N/hm2，F(xiàn)PD處理與之相比N2O排放量減少了4.2%，而OPTD處理在減少40%化肥氮量的情況下，N2O累積排放量比FP處理減少了42.7%，且達(dá)到顯著水平。說明在水肥一體化條件下，合理改變施肥體系是減少N2O排放的前提，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水肥優(yōu)化是設(shè)施菜地保持產(chǎn)量、減少N2O排放的重要技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：設(shè)施菜地；水肥一體化技術(shù)；N2O排放

N2O是一種重要的痕量溫室氣體[1]，其100a全球增溫潛勢(shì)是CO2的310倍[2]，在大氣中的壽命長(zhǎng)達(dá)114a，遠(yuǎn)高于另外兩種主要溫室氣體CO2和CH4[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是N2O主要排放源之一[4]，約占全球N2O年總排放量的35%[5]。我國(guó)是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，與種植糧食作物的農(nóng)田相比，設(shè)施蔬菜地具有施肥量大、灌溉頻繁、復(fù)種指數(shù)高等特點(diǎn)，平均每公頃施氮量是大田作物的4.5—10倍[6- 7]，灌溉量達(dá)到4—7倍[8- 9]，不僅造成水肥資源利用率低，而且導(dǎo)致大量N2O排放(單位面積N2O排放量約是糧食作物的1.5—3.5倍[10- 13])，總體上呈現(xiàn)出高能耗、高排放和高污染等特征。近年來，我國(guó)蔬菜需求量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此，探討不同管理方式下設(shè)施蔬菜系統(tǒng)N2O排放規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確核算該系統(tǒng)N2O排放量，編制我國(guó)農(nóng)田溫室氣體排放清單具有重要意義。

水肥一體化技術(shù)被認(rèn)為是一種節(jié)水、節(jié)肥、減排的高效管理措施[14]，可提高水分和肥料利用效率分別高達(dá)110%[15]和80%[16]。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的施肥方法相比，水肥一體化技術(shù)可以將水肥通過滴灌系統(tǒng)直接輸送到作物根區(qū)附近，保證養(yǎng)分被根系快速吸收，從而提高水肥的利用效率，獲得相當(dāng)或更高的作物產(chǎn)量。然而農(nóng)田N2O排放是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，這些過程受多種因素的影響和制約，尤其在水肥一體化條件下人為高強(qiáng)度干擾下會(huì)更加復(fù)雜。高頻率的滴灌施肥通常能使土壤含水量和土壤營(yíng)養(yǎng)元素保持在較高的狀態(tài)，而且滴頭和濕潤(rùn)峰之間會(huì)形成一個(gè)水勢(shì)梯度和一個(gè)反向的空氣梯度[17- 18]，這勢(shì)必要影響土壤氣候條件以及土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響土壤硝化- 反硝化反應(yīng)過程和N2O排放，勢(shì)必會(huì)影響對(duì)該管理措施下N2O排放的準(zhǔn)確核算。Wu等在棉花地研究表明滴灌比漫灌減少36.1%N2O排放[19]，而Kallenbach研究表明施肥后60d內(nèi)深層滴灌和漫灌之間N2O排放無顯著差異[20]，王維漢等研究表明青椒整個(gè)生育期滴灌比漫灌N2O排放通量高出27.90%[21]。由此看來，目前對(duì)于設(shè)施菜地水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律及其排放量都尚不明確，因此，本研究以京郊典型設(shè)施菜地(黃瓜- 芹菜輪作模式)為例，探討水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律、排放總量及其主要影響因素，為科學(xué)評(píng)估設(shè)施菜地N2O排放提供數(shù)據(jù)支撐，為制定設(shè)施菜地溫室氣體綜合減排措施提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市房山區(qū)竇店鎮(zhèn)蘆村蘆西園，地處東經(jīng)116°01′，北緯39°38′，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫11.9℃，年平均降水量583mm,年相對(duì)濕度為61%，全年平均日照時(shí)數(shù)2554h。日光溫室是普通的半拱圓形塑料溫室，長(zhǎng)為155m，寬6m。溫室塑料膜無色透明，在頂部和底部分別設(shè)有通風(fēng)口。初春、秋末以及寒冬在溫室塑料膜上覆蓋棉被，以保持夜間溫室內(nèi)溫度。本試驗(yàn)開始之前該日光溫室連續(xù)4a種植蔬菜。本試驗(yàn)種植模式為果菜-葉菜輪作(黃瓜-芹菜)，供試土壤為褐土，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤剖面基本理化性質(zhì)如表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)處理，分別為對(duì)照處理(CK)，農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)，水肥一體化處理(FPD)，優(yōu)化水肥一體化處理(OPTD)。每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為48 m2。黃瓜品種為中農(nóng)26，芹菜品種為文圖拉。黃瓜于2013年3月18日定植，7月16日拉秧；7月17日—9月14日之間為休閑季，不種植作物；芹菜于2013年9月15日定植，2014年1月14日一次收獲。

FP、FPD、OPTD處理施用有機(jī)肥用量相同，CK、FP、FPD、OPTD處理四個(gè)處理施用磷鉀肥用量相同，全部的有機(jī)肥和磷肥均做底肥，鉀肥和氮肥分基肥和追肥施用。黃瓜生長(zhǎng)季有機(jī)肥用量為500kg N/hm2，有機(jī)肥(牛糞)含水量為41.59%，含氮量為1.33%，磷肥用量為120kg P2O5/hm2，鉀肥用量為200 kg K2O/hm2，芹菜生長(zhǎng)季有機(jī)肥用量為500 kg N/hm2，有機(jī)肥(牛糞)含水量為60.13%，含氮量為0.94%，磷肥用量為120kg P2O5/hm2，鉀肥用量為180 kg K2O/hm2。兩季作物基肥均是撒施，翻耕，作物定植后漫灌；追肥時(shí)CK處理和FP處理用漫灌，肥料隨水沖施，而FPD處理和OPTD處理采用滴灌，肥料隨水滴入作物根部附近土壤，黃瓜生長(zhǎng)季滴灌水量是漫灌的25%，芹菜生長(zhǎng)季滴灌水量是漫灌的40%。FP和FPD處理化肥氮施用量均為700kg N/hm2，OPTD化肥氮素投入比之減少了40%。具體灌溉、化肥氮管理情況見表2。

日期：施氮量表示施肥日期和氮肥用量，日期為月-日，氮肥用量為以純氮計(jì)算的施肥量(kg N/hm2);CK代表不施氮肥處理; FP代表農(nóng)民習(xí)慣施肥處理; FPD代表水肥一體化處理; OPTD代表優(yōu)化水肥一體化處理

1.3氣體采集與測(cè)定

利用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)水肥一體化條件下設(shè)施菜地黃瓜-芹菜輪作周期內(nèi)土壤N2O排放通量進(jìn)行觀測(cè)。采樣箱由頂箱、中斷和底座組成，由不銹鋼材料制成。采樣箱體根據(jù)設(shè)施菜地種植作物和耕作方式，在標(biāo)準(zhǔn)采樣箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，頂箱和中斷箱箱體長(zhǎng)70cm，寬80cm，高60cm，最大限度的保障氣體取樣代表性，箱體外用塑料泡沫包裹，頂箱內(nèi)部裝有攪拌空氣的小風(fēng)扇，保證箱體內(nèi)氣體均勻性，側(cè)面裝有風(fēng)扇電源插頭、氣體樣品接口和一個(gè)溫度傳感器，頂箱和中斷箱底部邊緣粘有密封條；當(dāng)植株生長(zhǎng)超過60 cm時(shí)，增加中斷箱，且用4個(gè)鐵夾子將頂箱與中斷箱固定，既保證植株正常生長(zhǎng)和順利取樣又可保證箱體密封性；底座長(zhǎng)70 cm，寬80 cm，高25 cm，于定植前將其埋入地下。采樣時(shí)，將箱體置于底座上，用夾子將箱體和底座夾在一起，然后用100mL注射器在0，7，14，21，28 min抽取箱內(nèi)氣體于氣袋中，同時(shí)用JM624測(cè)土壤5 cm溫度，用TRIME-PICO64C測(cè)15 cm土層體積含水量，采樣結(jié)束后將采樣箱移開，將氣袋帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。采樣時(shí)間一般為9:00—11:00，每周采樣1次；施肥和灌水后連續(xù)采樣，至各個(gè)處理和CK處理間N2O濃度沒有顯著差異時(shí)停止取樣。

氣袋中的樣品用Agilent 7890A氣相色譜儀分析N2O濃度，采用電子捕獲檢測(cè)器(ECD)分析N2O濃度。

1.4數(shù)據(jù)分析

根據(jù)氣體濃度隨時(shí)間的變化速率計(jì)算氣體排放通量。氣體通量(F)計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)為氣體的交換通量(g N2O-N m-2h-1)，F(xiàn)為負(fù)值表示土壤從大氣中吸收該氣體，為正值表示土壤向大氣排放該氣體。ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下N2O的密度(g/L)，H為采樣箱氣室高度(m)，T為采樣箱內(nèi)氣溫(℃)，P為采樣時(shí)氣壓(mm Hg)，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(mm Hg)，dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O-N濃度的變化速率(μL L-1h-1)，t為扣箱后時(shí)間(h)，對(duì)c/t求導(dǎo)數(shù)即是氣體濃度的變化速率。

利用內(nèi)插法計(jì)算相鄰兩次監(jiān)測(cè)之間未監(jiān)測(cè)日期的排放總量，然后將每天的交換通量累加即可得到年度氣體排放總量。

N2O排放強(qiáng)度指形成單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量N2O排放量，即N2O排放總量與相應(yīng)處理作物產(chǎn)量的比值。

N2O排放系數(shù)由施肥處理N2O排放總量與對(duì)照N2O排放總量之差占肥料投入量的比值。采用Excel 2007、origin8.5和SAS9.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、制圖和統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤N2O排放通量變化規(guī)律

在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中，各處理施肥土壤N2O排放在灌溉、施肥+灌溉事件后呈現(xiàn)出一段短而急促的排放峰，各處理變化趨勢(shì)一致，而在休閑季，基本上不出現(xiàn)N2O排放峰值(圖1)。這說明，施肥、灌溉是影響農(nóng)田土壤N2O排放最重要的人為因素，排放峰的大小與之密切相關(guān)。本試驗(yàn)中，兩種蔬菜作物定植時(shí)土壤N2O排放峰持續(xù)10—15d，而其余灌溉、追肥+灌溉后土壤N2O排放峰一般只持續(xù)3—5d，這是因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)季全部有機(jī)肥和20%氮肥(黃瓜生長(zhǎng)季)和40%氮肥(芹菜生長(zhǎng)季)做底肥施入到土壤中，再加以大量灌溉，為微生物進(jìn)行硝化-反硝化反應(yīng)過程提供了豐富的反應(yīng)底物(氮源)、能量來源(碳源)以及適宜環(huán)境因子(水分)，致使定植期土壤N2O排放峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，不同處理間土壤N2O平均排放通量大小次序?yàn)镕P>FPD>OPTD>CK。CK處理的N2O排放通量最低，介于-113.25—708.44 μg N m-2h-1,平均通量為152.15 μg N m-2h-1，這是由于兩個(gè)作物生長(zhǎng)季中沒有投入氮素，缺乏N2O排放的反應(yīng)基質(zhì)。FP處理、FPD處理、OPTD處理N2O排放通量范圍分別為-85.50—8338.64、-127.09—8504.60、12.41—3143.04 μg N m-2h-1。FP處理N2O平均排放通量最高，OPTD處理N2O排放通量與FPD處理具有明顯差異，說明施氮量顯著影響土壤N2O排放通量。黃瓜生長(zhǎng)季CK、FP、FPD、OPTD處理的平均排放通量介于215.83—1745.73 μg N m-2h-1之間，明顯大于芹菜生長(zhǎng)季不同處理的平均排放通量(76.39—344.99 μg N m-2h-1)，這與黃瓜生長(zhǎng)季氮肥施用量大、灌溉次數(shù)多、灌溉量大以及土壤平均溫度高于芹菜生長(zhǎng)季等有關(guān)。

2.2N2O累積排放量和排放強(qiáng)度

試驗(yàn)期間CK、FP、FPD、OPTD處理的N2O累積排放量依次為(8.61±0.70) kg N/hm2、(31.00±2.15) kg N/hm2、(29.71±0.65) kg N/hm2、(17.76±2.10) kg N/hm2，CK處理N2O累積排放量最低，F(xiàn)P、FPD、OPTD處理N2O累積排放量分別是CK的3.60、3.45、2.06倍(圖2)。相同氮素投入，滴灌措施下的FPD處理N2O累積排放量比FP處理減少了4.16%；OPTD處理在減少40%化肥氮量的情況下，N2O累積排放量比FP處理顯著減少了42.71%，且達(dá)到顯著水平(P<0.05)。黃瓜生長(zhǎng)季CK、FP、FPD、OPTD處理N2O累積排放量占試驗(yàn)期間各處理累積排放量66.44%，81.12%，81.14%，67.00%，表明在黃瓜-芹菜輪作周期內(nèi)黃瓜生長(zhǎng)季土壤N2O排放量較多，芹菜生長(zhǎng)季土壤N2O排放量相對(duì)較少，究其原因有3個(gè)方面，一是與施肥量有關(guān)，黃瓜生長(zhǎng)季施氮量比芹菜生長(zhǎng)季多；二是黃瓜生長(zhǎng)季(春夏季)水熱狀況相對(duì)較好，促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)；三是可能與覆膜有關(guān)，黃瓜生長(zhǎng)季覆蓋地膜，芹菜生長(zhǎng)季不覆膜(陶麗佳[22]等研究表明覆膜增加土壤N2O排放)。

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2006)將同期內(nèi)由氮肥施用引起的N2O-N排放量占總施氮量的百分比定義為N2O排放系數(shù)，并建議N2O-N排放系數(shù)為1%。排放系數(shù)是評(píng)價(jià)不同管理措施減排效果的參考指標(biāo)。表3看出，F(xiàn)P排放系數(shù)最大，黃瓜生長(zhǎng)季N2O排放系數(shù)(1.62%)要明顯高于芹菜生長(zhǎng)季(0.61%)。本研究中整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)N2O排放系數(shù)次序?yàn)镕P>FPD>OPTD，F(xiàn)P、FPD處理為N2O排放系數(shù)1.17%，1.10%，高于IPCC 1%的默認(rèn)值，而OPTD處理N2O排放系數(shù)為0.58%，顯著低于IPCC 1%的默認(rèn)值。

數(shù)值后的字母代表不同處理在P=0.05水平上顯著;CK代表不施氮肥處理CK represents control treatment；FP代表農(nóng)民習(xí)慣施肥處理FP represents farmers′ practice treatment；FPD代表水肥一體化處理FPD represents farmers′ practice and drip irrigation treatment；OPTD代表優(yōu)化水肥一體化處理OPTD represents optimal fertilization and drip irrigation treatment

黃瓜、芹菜生長(zhǎng)季FP處理排放強(qiáng)度最大，CK處理排放強(qiáng)度最小，且黃瓜生長(zhǎng)季排放強(qiáng)度顯著大于芹菜生長(zhǎng)季排放強(qiáng)度。兩個(gè)生長(zhǎng)季OPTD處理N2O排放強(qiáng)度顯著低于FP處理，說明在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上水肥一體化能夠在增加產(chǎn)量的前提下有效減少N2O排放，是值得推薦的增產(chǎn)減排技術(shù)措施。

2.3環(huán)境因子對(duì)N2O排放的影響

2.3.1土壤溫濕度對(duì)N2O排放的影響

設(shè)施菜地中，整個(gè)生長(zhǎng)季表層(0—15cm)土壤孔隙含水量(WFPS)一直維持在較高水平，介于45%—80%之間，土壤濕度在灌水后有所上升，不同處理之間WFPS變化趨勢(shì)相似，但FPD和OPTD處理WFPS出現(xiàn)峰值比FP和CK處理低(圖1)，與Sanchez-Martín等在番茄地研究漫灌后土壤平均WFPS高于滴灌的結(jié)果類似[23]。通過對(duì)WFPS與N2O排放進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)觀測(cè)期不同處理N2O排放通量與WFPS沒有顯著相關(guān)性，但是經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)黃瓜生長(zhǎng)季不同處理N2O排放通量與WFPS之間顯著相關(guān)，且可以用對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合。芹菜生長(zhǎng)季不同處理N2O排放通量與WFPS沒有顯著相關(guān)性，表明黃瓜生長(zhǎng)季土壤濕度是影響N2O排放的主要環(huán)境因子。

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著

設(shè)施蔬菜地整個(gè)觀測(cè)期土壤溫度有很明顯的季節(jié)性，介于8—35℃之間，漫灌和滴灌的土壤溫度基本沒差異，變化趨勢(shì)一致(圖1)。韋彥[24]等研究表明滴灌灌水量是漫灌的50%—60%時(shí)，一天中12:00—14:00滴管的地表5cm土溫比漫灌高1℃左右，其他時(shí)間段差異不顯著。本研究中滴灌灌水量是漫灌的25%(黃瓜生長(zhǎng)季)和40%(芹菜生長(zhǎng)季)，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)間主要介于9:00—11:00之間，導(dǎo)致滴灌與漫灌表層5cm土溫相差不顯著。黃瓜生長(zhǎng)季、芹菜生長(zhǎng)季土壤溫度分別介于15—35℃、8—30℃之間，均有利于土壤進(jìn)行硝化-反硝化反應(yīng)的發(fā)生。經(jīng)相關(guān)性分析，整個(gè)黃瓜生長(zhǎng)季不同處理N2O排放通量與土壤溫度之間沒有顯著相關(guān)，但芹菜季不同處理N2O排放通量與土壤溫度之間顯著相關(guān)，可以用對(duì)數(shù)方程擬合。Vallejo在馬鈴薯地研究表明水肥一體化條件下溫度極顯著的影響了N2O排放通量[25]，于亞軍等研究表明玉米季N2O排放與5cm土溫沒有顯著相關(guān)性，而冬小麥季N2O排放與5cm深度土溫顯著正相關(guān)[11]?？梢娫谕饨绛h(huán)境溫度相對(duì)較低的情況下(本試驗(yàn)的秋冬季節(jié))，土壤溫度是影響芹菜生長(zhǎng)季N2O排放的主要因子之一。

表5不同處理N2O通量與無機(jī)氮的相關(guān)性

Table 5 Correlation coefficients between N2O flux and inorganic nitrogen under different treatments

*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著

2.3.2土壤無機(jī)氮對(duì)N2O排放的影響

土壤N2O主要來自于土壤的硝化和反硝化作用，N2O排放除了受環(huán)境因子(土壤溫度和濕度)影響外，還主要受反應(yīng)底物濃度(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的影響。整個(gè)研究周期內(nèi)，土壤硝態(tài)氮含量介于11.94—669.86 mg/kg之間，銨態(tài)氮含量介于0.30—15.50mg/kg之間，顯著小于硝態(tài)氮含量(圖3)。黃瓜生長(zhǎng)季于4月22日開始追肥7次，土壤無機(jī)氮在4、5、6月份含量較高，而3月22日(黃瓜于3月20日—21日定植)則沒有出現(xiàn)峰值。芹菜生長(zhǎng)季土壤無機(jī)氮含量峰值出現(xiàn)在9月18日(芹菜定植)、10月8日(定植20d后灌水)。FP、FPD處理土壤硝態(tài)氮含量主要介于150—250 mg/kg之間，始終維持在較高水平。不同處理土壤平均硝態(tài)氮含量高低分別為102.96、178.00、217.41 mg/kg和109.66 mg/kg，則FPD>FP>OPTD>CK，說明滴灌相對(duì)漫灌可以增加表層土壤氮素累積，土壤硝態(tài)氮是土壤進(jìn)行反硝化作用的底物。基肥時(shí)FP處理無機(jī)氮峰值與FPD峰值大小相近，因?yàn)樽魑锒ㄖ矔r(shí)FP、FPD處理施氮肥一樣，均采用漫灌，導(dǎo)致峰值差異不顯著。追肥后土壤無機(jī)氮含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，與土壤N2O通量峰值變化趨勢(shì)一致。但經(jīng)相關(guān)性分析，本研究中不同處理N2O排放通量與無機(jī)氮之間也沒有顯著相關(guān)關(guān)系(表4)。就FP和FPD處理而言，F(xiàn)PD處理比FP處理表層硝態(tài)氮累積多，N2O排放通量卻較低，推測(cè)滴灌條件下以滴頭為中心，土壤形成一個(gè)順勢(shì)水分梯度和逆勢(shì)通氣性，N2O排放可能主要以硝化作用為主。

3討論

(1)水肥一體化條件下N2O排放規(guī)律

在人為調(diào)控環(huán)境以及水肥用量高的條件下，本研究中設(shè)施菜地在農(nóng)民習(xí)慣管理措施N2O排放呈現(xiàn)出峰值高、持續(xù)時(shí)間短(除了基肥施用事件后)的排放特點(diǎn)，而水肥一體化降低了N2O排放峰值。追肥后農(nóng)民習(xí)慣(FP)處理N2O排放持續(xù)3—5d，這種排放規(guī)律與于亞軍在成都平原蔬菜地N2O排放峰在基肥和追肥后持續(xù)大約1—3周的結(jié)果不同[26]，但與陳海燕[27]、張婧[28]等在京郊地區(qū)番茄地土壤N2O排放峰出現(xiàn)在施肥后3—4d，單獨(dú)灌水后2—3d的監(jiān)測(cè)結(jié)果相類似。FP處理N2O排放通量介于-85.50—8338.64 μg N m-2h-1之間，小于南京市郊區(qū)大棚蔬菜地N2O排放通量60—10033 μg N m-2h-1[29]，高于山東壽光設(shè)施菜地N2O排放通量-48—1905 μg N m-2h-1[30]。與FP(平均排放通量1069.00 μg N m-2h-1)傳統(tǒng)漫灌相比，采用滴灌的水肥一體化(FPD)處理N2O平均排放通量相對(duì)較小，為932.27μg N m-2h-1，但仍是其它研究中滴灌條件下N2O平均排放通量的30多倍，Cynthi[31]研究表明漫灌處理下土壤N2O排放通量介于0—400μg N m-2h-1之間，滴灌條件下土壤N2O排放通量一直小于50μg N m-2h-1，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)地基礎(chǔ)有機(jī)質(zhì)含量高，且黃瓜-芹菜輪作模式施氮肥量大，灌水多等因素有關(guān)。眾多的研究均表明[27,30,32- 33]，灌溉與施肥同時(shí)進(jìn)行會(huì)更有利于N2O排放，但對(duì)于設(shè)施菜地，“水”和“肥”互作如何影響N2O排放，不同水肥配比下N2O排放規(guī)律有何變化尚需進(jìn)一步深入研究。

(2)水肥一體化條件下N2O累積排放量

本研究觀測(cè)期內(nèi)，F(xiàn)P處理N2O排放總量(31.00±2.15)kg N/hm2大于邱煒紅[32]在2a蔬菜地土壤N2O年平均累積排放量13.51kg N/hm2，而排放系數(shù)為1.17%小于其N2O平均排放系數(shù)(1.21%)。黃瓜、芹菜生長(zhǎng)季水肥一體化處理(FPD)土壤N2O累積排放量比農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)分別減少了7.79%、18.83%，而Kennedy[33]研究表明深層滴灌處理下土壤N2O累積排放量比漫灌處理減少了71.14%；Sanchez-Martín[34]研究結(jié)果表明，滴灌N2O累積排放量比漫灌處理減少了50%，導(dǎo)致本研究中N2O排放總量與其他研究不同的可能原因有二：其一，其他研究只是一次性施肥或作物生長(zhǎng)季追肥2—3次[20,22]，而本試驗(yàn)中根據(jù)作物生長(zhǎng)需要進(jìn)行灌溉14次，其中11次施用氮肥，且其中2次灌水離基肥很近，施肥對(duì)N2O排放的影響掩蓋了灌溉對(duì)N2O排放的影響；其二，本試驗(yàn)處理中滴管布置密集，之間相隔只有25cm，雖然本實(shí)驗(yàn)滴灌比漫灌減少了25%(黃瓜生長(zhǎng)季)和40%(芹菜生長(zhǎng)季)的灌溉量，但在漫灌和滴灌條件下土壤濕度差異不顯著，且滴灌條件下土壤表層無機(jī)氮含量相對(duì)較大，保障了N2O排放具有較高濃度的底物濃度。優(yōu)化水肥一體化處理(OPTD)保證作物產(chǎn)量前提下，年累積排放量比農(nóng)民習(xí)慣處理(FP)減少了42.71%，大于其它試驗(yàn)優(yōu)化40%施肥量只減少N2O排放30%左右的試驗(yàn)結(jié)果[35-36]，且排放強(qiáng)度顯著低于FP處理，這表明在現(xiàn)行的農(nóng)民管理措施下，在優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上改變灌溉方式是一種良好的減排措施。

(3)環(huán)境因子對(duì)水肥一體化條件下N2O排放的影響

其一，土壤溫度是影響N2O排放的主要因素之一。鄭循華等研究表明，土壤溫度在15—40℃范圍內(nèi)，硝化作用隨溫度的升高而升高[37]。本研究中，滴灌和漫灌條件下土壤溫度變化趨勢(shì)一致，差異不顯著。黃瓜生長(zhǎng)季處于水熱條件較好的春夏季，N2O排放隨施肥量的增加而增加，施肥對(duì)N2O排放影響大于土溫；而芹菜生長(zhǎng)季處于秋冬季，溫度成為其限制因子，土溫對(duì)N2O排放的影響較大。其二，灌溉影響土壤的水分運(yùn)移和氮素運(yùn)移，進(jìn)而影響N2O排放。楊巖等研究表明低灌溉量N2O排放通量小于高灌溉量N2O排放通量[38]。Hosono研究表明WFPS大于50%時(shí)，NO/N2O比值為1—2之間，反硝化作用為主；WFPS小于40%時(shí)，NO/N2O比值為4—5之間，硝化作用為主，滴灌處理中干土區(qū)N2O排放小于濕土區(qū)，且滴灌處理N2O排放小于漫灌[39]。與漫灌相比，滴灌只是在滴頭下面土壤濕度呈飽和狀，肥料隨水運(yùn)移，土壤進(jìn)行反硝化作用的面積相對(duì)較小。而漫灌后土壤氮素、濕度均勻，表層達(dá)到飽和，反硝化作用迅速增加，但是漫灌后致使土壤透氣性減小，有阻止了N2O的擴(kuò)散，進(jìn)一步還原轉(zhuǎn)化成N2的可能。鑒于本研究中設(shè)施菜地水肥一體化條件下不同處理土壤溫度變化差異不顯著，滴灌可以降低土壤濕度，因此設(shè)施菜地對(duì)濕度的控制就顯得尤為重要，但是怎樣通過控制滴頭流量、灌溉次數(shù)控制土壤濕度來減少N2O排放，從機(jī)理和減排技術(shù)角度都還需要進(jìn)一步探討。

4結(jié)論

(1)整個(gè)生長(zhǎng)季，除基肥施用后排放峰持續(xù)10—15d外，施氮肥處理在施肥、施肥+灌水事件后土壤N2O排放呈現(xiàn)出一段短而急促的排放峰，追肥、灌水排放峰持續(xù)3—5d，表明施肥和灌水是引起N2O排放的主要管理因素。

(2)試驗(yàn)觀測(cè)期內(nèi)FP處理N2O累積排放量為(31.00±2.15)kg N/hm2，F(xiàn)PD處理N2O累積排放量只比FP處理減少了4.16%；而OPTD處理在優(yōu)化40%化肥氮量情況下，N2O累積排放量比FP處理顯著減少了42.71%，且達(dá)到顯著水平，表明在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上進(jìn)行水肥一體化管理是保障產(chǎn)量且減少設(shè)施菜地N2O排放的“雙贏”措施。

(3)土壤無機(jī)氮含量、土壤濕度(WFPS)和土壤溫度是影響N2O排放的重要因素。土壤無機(jī)氮與N2O排放變化趨勢(shì)一致；黃瓜季N2O排放通量與WFPS顯著相關(guān)，芹菜季N2O排放通量與土壤溫度顯著相關(guān)，表明土壤濕度是影響黃瓜生長(zhǎng)季N2O排放的主要環(huán)境因子，土壤溫度是影響芹菜生長(zhǎng)季N2O排放的主要環(huán)境因子。

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N2O emissions from a vegetable field with fertigation management and under greenhouse conditions

WANG Yanli, LI Hu, SUN Yuan, WANG Ligang*

KeyLaboratoryofNon-pointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture,CAAS-UNHJointLaboratoryforSustainableAgro-ecosystemResearch,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China

Key Words:greenhouse vegetable; fertigation technology; N2O emission

Abstract：Fertigation is an alternative cropping management practice that combines fertilization and irrigation, and it is being employed in China to reduce nitrous oxide (N2O) emissions while increasing fertilizer use efficiency. A field experiment was conducted at a vegetable field with cucumber and celery planted under greenhouse conditions, in the suburbs of Beijing. The field was divided into 12 plots with 4 treatments. These were a control (CK), routine farmers′ practice treatment (FP), farmers′ practice with drip irrigation treatment (FPD), and optimal fertilization with drip irrigation treatment (OPTD). FPD consisted of drip irrigation with fertilizers dissolved in the irrigation water. OPTD had the same fertigation but N fertilizer was reduced by 40%. Soil N2O fluxes were measured by static chambers all year round, and the soil temperature, and soil moisture, ammonium, and nitrate levels were monitored in parallel with the N2O measurements for all the treatment plots. The application event induced N2O emission peaks that lasted for about 10—15 days in all the plots. However, all the later dressing events caused relatively short N2O emissions lasting 3—5 days. During the observation period, the accumulative N2O emissions differed across the treatments. In comparison with the annual N2O emission rate of (31.00±2.15) kg N/hm2measured in FP, the N2O emission rates measured in FPD and OPTD were 4.16% and 42.71% lower, respectively. During the cucumber growing season, the N2O fluxes were significantly correlated with the soil water filled pore space (WFPS) for all treatments, but during the celery growing season, the N2O fluxes were significantly correlated with soil temperature for all treatments. The results indicated that optimizing fertilization-irrigation by adopting fertigation could reduce N2O emissions from agricultural systems.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)青年基金(41201287); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201103039)

收稿日期:2014- 09- 30; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wangligang@caas.cn

DOI:10.5846/stxb201409301932

王艷麗, 李虎, 孫媛, 王立剛.水肥一體化條件下設(shè)施菜地的N2O排放.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(7):2005- 2014.

Wang Y L, Li H, Sun Y, Wang L G.N2O emissions from a vegetable field with fertigation management and under greenhouse conditions.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):2005- 2014.