林 偉，李昱佳，王 宇，鄭 欠，莊 姍，丁軍軍，李玉中

基于雙同位素圖譜評(píng)估肥料類型對(duì)滴灌白菜地N2O來源的影響

林 偉1,2，李昱佳1，王 宇1，鄭 欠3，莊 姍3，丁軍軍3，李玉中3※

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610213；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，環(huán)境穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

N2O是一種重要的溫室氣體，菜地高水高肥導(dǎo)致其排放量大。該研究通過解析滴灌條件下不同肥料處理對(duì)白菜地N2O排放的影響，以闡明滴灌下不同肥料處理的N2O來源，為菜地土壤N2O減排提供理論依據(jù)。設(shè)置無機(jī)復(fù)合肥（NPK）、有機(jī)肥（M）、無機(jī)水溶肥（WS）和無肥（NF）4種常見肥料處理，采用滴灌方式灌溉，收集菜地土壤排放的N2O，并利用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析N2O的同位素特征值，通過15N在N2O分子中的位置偏好值、N2O和H2O之間的凈同位素效應(yīng)值搭建雙同位素圖譜，分析N2O產(chǎn)生途徑及其貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，對(duì)于NPK、M、WS和NF處理，N2O排放通量分別為1 074、146.5、116.2和112.9g/(m2·h)；NPK、M、WS處理的氮肥利用效率分別為45.1%、22%、45.2%；NPK、M、WS和NF處理下N2O主排期的硝化作用貢獻(xiàn)分別約為38%、46%、54%和49%，N2O主排期的N2O還原程度分別約為14%、71%、46%和70%?？梢姡瑹o機(jī)水溶肥處理顯示了最高的氮素利用效率和較低的N2O排放量，且其與無機(jī)復(fù)合肥處理的N2O還原程度都相對(duì)較低不利于反硝化過程中的N2O減排；有機(jī)肥處理則有最高的N2O還原程度，是減少反硝化作用N2O產(chǎn)生的主要途徑。綜合考慮，該研究推薦菜地施肥時(shí)采用有機(jī)肥作為底肥，管理過程中配合水肥一體化技術(shù)，達(dá)到促進(jìn)N2O還原以減少N2O排放和提高肥料氮素利用效率的效果。

同位素；肥料；N2O；減排；滴灌；有機(jī)肥

0 引 言

氧化亞氮（N2O）是三大溫室氣體之一，具有增溫潛勢(shì)高、大氣滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，貢獻(xiàn)了約6%的溫室效應(yīng)，而且能夠破壞平流層的臭氧層[1]。全球尺度上N2O呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2018年增加到331 nmol/mol。自然（60%）和人為（40%）因素是N2O的主要來源，包括海洋、土壤、生物質(zhì)燃燒、肥料的使用和各種工業(yè)過程，而農(nóng)業(yè)上大量施用氮肥是N2O快速增加的最主要因素[2]。在中國(guó)，蔬菜種植面積高達(dá)2.5×107hm2，相當(dāng)于陸地種植總面積的12.4%[3]。蔬菜生產(chǎn)因水肥施用量大，導(dǎo)致水肥利用效率低下，及N2O排放和硝酸鹽淋溶等環(huán)境污染問題嚴(yán)重。為了改善這一情況，中國(guó)許多菜地已逐步采用滴灌技術(shù)及滴灌下的水肥一體化代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴灌、溝灌和漫灌等灌溉方式。在滴灌系統(tǒng)中，水分可以被輸送到作物根系以提高水分利用效率和作物產(chǎn)量，而水肥一體化技術(shù)還能節(jié)約肥料的使用量，正因如此滴灌系統(tǒng)近年來在中國(guó)得到了廣泛地應(yīng)用[4]。然而，滴灌會(huì)改變土壤的局部含水率，進(jìn)而潛在地影響N2O排放。由于水肥互作的復(fù)雜性，滴灌對(duì)N2O排放的微生物過程影響尚不清楚，亟待開展全面深入的研究。

農(nóng)業(yè)土壤N2O排放受多種因素的影響，如水分、氮素、溫度、pH、有效碳等。在這些因素中，水分和礦質(zhì)氮是控制土壤N2O排放最主要的因素，也最容易受人為調(diào)節(jié)[5]。土壤水分含量不僅調(diào)節(jié)氣體擴(kuò)散速率，而且對(duì)氮素的溶解、轉(zhuǎn)化和運(yùn)移等都有重要的影響，并最終作用于土壤微生物的作用過程[6]。氮肥是土壤氮素的主要來源，也是土壤N2O排放增加的重要來源。不同的肥料形式在氮素轉(zhuǎn)化過程中存在較大差異，進(jìn)而影響土壤N2O排放。近年來，國(guó)家為提升土壤質(zhì)量，確保糧食穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)，已逐步開展有機(jī)肥替代無機(jī)肥的技術(shù)推廣。已有研究表明，土壤施用無機(jī)肥后提升了硝化作用比例，N2O排放較高；而有機(jī)肥則促進(jìn)了反硝化作用，N2O排放量相對(duì)較小[7]。也有研究表明在水稻土中施加無機(jī)肥能提高反硝化作用占比[8]?？梢?，不同的土壤條件和水肥措施直接影響土壤N2O產(chǎn)生的微生物過程。針對(duì)滴灌下的不同肥料處理，研究多集中在N2O排放通量上，而很少通過查明N2O排放的微生物過程來區(qū)分N2O排放通量的不同。

在野外條件下，土壤存在較大的時(shí)空變異和復(fù)雜的微生物過程，溯源N2O排放的行為變化，尤其是區(qū)分細(xì)菌硝化作用（Bacterial Nitrification，BN）、細(xì)菌反硝化作用（Bacterial Denitrification，BD）、硝化細(xì)菌反硝化作用（Nitrifer Denitrification，ND）和真菌反硝化作用（Fungal Denitrification，F(xiàn)D）4種過程是十分困難的[9]。目前，最常用的區(qū)分方法有乙炔抑制法、同位素標(biāo)記法，而2種方法主要用于區(qū)分硝化作用和反硝化作用，另外還存在抑制劑或標(biāo)記物擴(kuò)散不均等外來干擾[10-11]。最新的穩(wěn)定同位素技術(shù)，N2O（Nβ-Nα-O）同位素15N位嗜值（Site Preference，SP），已經(jīng)被用來作為指示多種微生物作用的非侵入性方法，且不受底物同位素影響[12]。另外，N2O其他同位素值，15NbulkN2O和18ON2O，也可以指示N2O產(chǎn)生的微生物作用途徑，但同時(shí)也依賴N2O前體物（NH4+，NO2-，NO3-和H2O）的同位素組成[13-15]。SP值提供的微生物過程信息，主要通過純培養(yǎng)試驗(yàn)獲取，大量的純培養(yǎng)試驗(yàn)已經(jīng)確定了產(chǎn)生N2O的主要微生物作用的同位素特征值范圍[16-17]。同樣，為獲取自然條件下的相關(guān)信息，大量的土壤培育試驗(yàn)也已有序開展[18-19]。Decock等[9]對(duì)純培養(yǎng)和土培試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作了全面的總結(jié)和評(píng)估。值得注意的是，在反硝化過程中N2O還原為N2過程會(huì)顯著影響SP、15NbulkN2O和18ON2O值，而這種影響主要取決于N2O還原程度和相關(guān)過程的凈同位素效應(yīng)（產(chǎn)物同位素和底物同位素差值）[20-21]。在N2O完全還原的凈同位素效應(yīng)已知情況下，可以結(jié)合文獻(xiàn)中不同微生物途徑的同位素值計(jì)算相應(yīng)的N2O還原程度和微生物作用貢獻(xiàn)[22]。無論如何，N2O中氮和氧來源存在多個(gè)前體物且變化幅度較大，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確分析微生物作用貢獻(xiàn)[23]。最新的研究表明，氧的底物來源可認(rèn)為只有水且同位素分餾系數(shù)變化也更小，不同微生物作用的同位素值差異也非常明顯[24]。因此，N2O和H2O之間的18O凈同位素效應(yīng)值（18ON2O-H2O）和SP構(gòu)建的雙同位素圖譜能更準(zhǔn)確地分析微生物貢獻(xiàn)和N2O還原程度，該方法已在農(nóng)田N2O溯源研究中得到了有效的應(yīng)用[25-26]。

本研究采用滴灌技術(shù)并設(shè)置4種肥料處理，研究水肥互作下的菜地土壤N2O排放的微生物過程。通過提高對(duì)N2O同位素組成的時(shí)間動(dòng)態(tài)的理解和對(duì)SP vs.18ON2O-H2O圖譜的運(yùn)用，解析菜地土壤N2O排放的主要微生物過程作用貢獻(xiàn)和N2O還原程度，以明確：1）滴灌干擾下的菜地土壤N2O排放行為；2）有機(jī)肥替代化肥，及水肥一體化技術(shù)在菜地的使用效果；3）雙同位素圖譜分析方法在田間的具體應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（40°15' N，116°55' E）。該地區(qū)位于華北平原北部，溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，年平均降水量623.5 mm，年平均氣溫12.5℃。試驗(yàn)地為第2年種植白菜的潮褐土，其理化性質(zhì)如下：土壤容重1.5 g/cm3，有機(jī)質(zhì)15.6 g/kg，有機(jī)碳12.7 g/kg，全氮1.1 g/kg，全磷0.6 g/kg，全鉀20.4 g/kg，pH值 8.1（0.01 mol/L CaCl2浸提）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年8月7日施肥、起壟和定植。供試的蔬菜為中國(guó)大白菜（北京青白，ssp.），供試的肥料有羊糞有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)SOM，45%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同；總碳TC，18.5%；總氮TN，2%；總磷TP，1.6%；總鉀TK，1.4%）、無機(jī)復(fù)合肥（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：N，15%；P2O5，15%；K2O，15%）、無機(jī)水溶肥（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：N，20%；P2O5，20%；K2O5，20%）。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，包括有機(jī)肥處理（M）、無機(jī)復(fù)合肥處理（NPK，常規(guī)處理）、無機(jī)水溶肥處理（WS）和無肥對(duì)照（NF），每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理的小區(qū)面積為30 m×25 m。WS處理每次施氮量為10 kg/hm2（以N計(jì)，下同），原計(jì)劃通過水肥一體化技術(shù)達(dá)到總施肥量300 kg/hm2，但由于白菜生長(zhǎng)季中后期雨水較多導(dǎo)致實(shí)際總施氮量為200 kg/hm2。其他處理均一次性施入底肥，施氮量均為300 kg/hm2。所有處理均選擇滴灌方式進(jìn)行灌溉，總共灌溉20次，每次灌溉總量24 m3（8 mm），降水和灌溉情況見圖1。

圖1 白菜生長(zhǎng)季內(nèi)降水和灌溉情況

在2行白菜之間放置靜態(tài)氣體箱（直徑25 cm、高50 cm），并于施肥后第1天開始取樣（2015年8月8日），第1周每天取樣，第2周每隔3 d取樣，以后每1~2周取樣，取樣時(shí)間為09:00—10:00。氣體樣品采用注射器抽取箱內(nèi)氣體于預(yù)抽真空的取樣瓶中（每次抽取4個(gè)周圍空氣作為空白對(duì)照），土壤樣品采用環(huán)刀和土鉆取0～20 cm表層土，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不同指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 N2O排放通量及同位素

N2O濃度采用配有電子捕獲器的氣相色譜儀測(cè)定（GC，Agilent 7890A，美國(guó)），N2O排放通量則在已知濃度后參考Lin等[5]公式計(jì)算。另外，采用與預(yù)濃縮系統(tǒng)聯(lián)用的IRMS同位素質(zhì)譜儀（Delta V Plus-Precon，Thermo Fisher Scientific，德國(guó)）測(cè)定氣體樣品和空氣中N2O（分子結(jié)構(gòu)為Nβ-Nα-O）同位素特征值。N2O同位素特征值具體計(jì)算方法見式（1）～式（3）[27]：

15Nbulk=(15N+15N)/2（2）

SP=15N?15N（3）

式中表示同位素的特征值（15NbulkN2O、15NαN2O、15NβN2O、18ON2O和SP），‰；表示15N/14N和18O/16O的比率，下標(biāo)sample和standard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物，N和O國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物分別為大氣中的N2和維也納標(biāo)準(zhǔn)水。15NbulkN2O、15NαN2O和15NβN2O分別表示N2O中15N在整體、α位和β位水平上的同位素特征值，18ON2O表示N2O中18O在整體水平上的同位素特征值。N2O峰面積、15NbulkN2O、18ON2O和SP的分析精度分別為0.5‰、0.1‰、0.1‰和0.5‰。

1.3.2 土壤樣品指標(biāo)分析

新鮮土壤樣品在105 ℃24 h條件下烘干后測(cè)定土壤含水率，并用于計(jì)算土壤孔隙含水率（Water Filled Pore Space，WFPS）。土壤NO3–和NH4+是通過100 mL 2 mol/L的氯化鉀（KCl）溶液浸提20 g新鮮土壤得到，并利用流動(dòng)注射分析儀（QuikChem8000, LACHAT，美國(guó)）測(cè)定濃度。利用LI–2100 EP自動(dòng)水分提取系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司，中國(guó)）提取土壤水分，并經(jīng)L115–I水蒸氣同位素分析儀（Picarro Inc.，美國(guó)）測(cè)量土壤水的18OH2O值，18OH2O的測(cè)量精度分別在0.1‰以下。

1.3.3 微生物過程貢獻(xiàn)計(jì)算方法

18O(N2O–H2O)vs. SP 雙同位素圖譜能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估N2O產(chǎn)生的微生物過程和N2O還原程度。該方法由Lewicka-Szczebak等[28]提出，主要用于評(píng)估細(xì)菌硝化作用/真菌反硝化作用（BN/FD）的貢獻(xiàn)份額（）和細(xì)菌反硝化作用/硝化細(xì)菌反硝化作用（BD/ND）的貢獻(xiàn)份額（1-），并結(jié)合瑞麗模型[29]進(jìn)一步定量了反硝化過程中N2O還原為N2的程度（F）。相關(guān)公式如下[28]：

18OSoil=18OBN/FD+(1?)18OBD/ND+18Oredln(1?F) （4）

SPSoil=SPBN/FD+(1?)SPBD/ND+SPredln(1?F)（5）

式中下標(biāo)Soil、BN/FD、BD/ND和red分別表示土壤排放、細(xì)菌硝化作用/真菌反硝化作用、細(xì)菌反硝化作用/硝化細(xì)菌反硝化作用和N2O完全還原為N2。根據(jù)Lewicka-Szczebak等[28]的研究結(jié)果，18OBN/FD和SPBN/FD分別為43.6‰和34.8‰，18OBD/ND和SPBD/ND分別為21‰和?3.9‰，18Ored和SPred分別為?15‰和?5‰（表1）。因此，通過表1數(shù)據(jù)建立18O(N2O–H2O)vs. SP 圖譜，代入平均值數(shù)據(jù)得到式（6）和式（7），計(jì)算和F。

18OSoil=43.6‰+21‰(1?)?15‰ln(1?F)（6）

SPSoil=34.8‰?3.9‰(1?)?5‰ln(1?F)（7）

表1 同位素圖譜分析方法中N2O四種產(chǎn)生途徑包含的18O凈同位素效應(yīng)（η18O(N2O-H2O)）和15N位嗜值（SP）對(duì)應(yīng)的最小值、最大值和平均值[28]

值得注意的是，N2O樣品是土壤（soil）排放的和空氣（air）中原有的混合值（mix），需要利用式（8）進(jìn)行校正[5]。當(dāng)N2O混合濃度小于1.1倍的大氣中N2O濃度（air）時(shí)土壤排放同位素值將不會(huì)被使用（此研究中Cmix<385 nmol/mol，即8月27日及之前數(shù)據(jù)（前20天）可用，這些天也稱N2O主要排放階段）。

Soil=(mixmix+airair)/(mix?air)（8）

式中和分別表示N2O的同位素特征值值（‰）和濃度（nmol/mol）。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理和分析

利用Office 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，采用SigmaPlot 12.5作圖分析，并運(yùn)行IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和單因素方差分析及最小顯著差異法（Least Significant Difference，LSD）法比較處理間的顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素及水分含量變化

銨態(tài)氮（NH4+）含量只有在NPK處理中呈現(xiàn)明顯先升后降的趨勢(shì)（圖2a），并在第2天達(dá)到最高值47.0 mg/kg；其他處理在試驗(yàn)階段均無明顯變化，含量在0.7～3.9 mg/kg。所有取樣日期加權(quán)平均值的單因素方差顯示，僅NPK處理的NH4+含量顯著高于其他處理（<0.05，表2）。硝態(tài)氮（NO3-）含量在各處理上都呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)（圖2b），NPK、M、WS和NF處理分別在第6、3、5和8天達(dá)到最大值，依次為77.5、22.3、18.3和9.3 mg/kg。所有取樣日期加權(quán)平均值的單因素方差分析顯示，僅NPK處理的NO3-含量顯著高于其他處理（<0.05，表2）。N2O排放通量在所有處理中均呈下降趨勢(shì)（圖2c），NPK、M、WS和NF處理均在第1天達(dá)到最大值，分別為26.6、3.2、0.6、0.8 mg/(m2·h)。所有取樣日期加權(quán)平均值的單因素方差分析顯示，NPK處理（1 074±242.2g/(m2·h)）的N2O排放通量顯著高于M（146.5±34.4g/(m2·h)）、WS（116.2±32.8g/(m2·h)）和NF（112.9±26.5g/(m2·h)）處理（<0.05，表2）。土壤水分則呈波動(dòng)性變化（圖2d），所有處理都在40%～80%之間。土壤水分在前20天（N2O主要排放階段，以下簡(jiǎn)稱N2O主排期）和整個(gè)取樣期間的單因素方差分析顯示，各處理間并無顯著差異，但是NPK和NF處理WFPS的加權(quán)平均值要大于其他處理，前20天中NPK處理平均值最高，整個(gè)取樣期NF處理加權(quán)平均值最高。另外，相關(guān)分析表明N2O排放通量與NH4+和NO3-顯著正相關(guān)（<0.01），而與WFPS沒有表現(xiàn)顯著相關(guān)性（表2）。

注：NPK，無機(jī)肥；M，有機(jī)肥；WS，水溶肥；NF，無肥。下同。

表2 白菜產(chǎn)量及其生長(zhǎng)期內(nèi)N2O排放通量、NH4+含量、NO3-含量、WFPS和C/N的加權(quán)平均值

注：同列不同小寫字母之間表示不同處理間顯著性差異（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters at same column indicate significant differences (<0.05) among treatment and the same below.

表3 SP和N2O與其他指標(biāo)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

注：*，<0.05；**，<0.01；nc表示沒有計(jì)算。

Note：*,<0.05；**,<0.01; nc indicate no calculation.

2.2 N2O主排期的同位素變化

土壤排放的N2O有效同位素值經(jīng)計(jì)算只能取8月27日及之前數(shù)據(jù)（前20天，N2O主排期），校正同位素如圖3所示，各處理均有一定的波動(dòng)。15Nbulk值在M、WS和NF處理中有較高值，分別在?12.6‰～?2.1‰、?9.4‰～?1.4‰和?8.7‰～?0.3‰之間，而在NPK處理中有較低值在?47.8‰～23.2‰且呈隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)。單因素方差分析顯示，僅NPK處理的15NbulkN2O值顯著低于其他處理（<0.05，表4）。18ON2O值在NPK、M、WS和NF處理間差異較大，分別在19.9‰～30.2‰、37.7‰～40.0‰、27.1‰～37.0‰和36.2‰～42.9‰之間。方差分析顯示，WS處理的18ON2O值顯著低于M和NF處理，顯著高于NPK處理（<0.05，表4）。SP值的波動(dòng)較大，NPK、M、WS和NF處理中分別在9.8‰～18.1‰、13.2‰～28.5‰、13.1‰～27.8‰和15.1‰～35.3‰之間。單因素方差顯示，僅NPK處理的SP值顯著低于其他處理（<0.05，表4）。相關(guān)分析表明SP與15NbulkN2O和18ON2O均表現(xiàn)顯著正相關(guān)（<0.01），與N2O排放通量（<0.01）和WFPS（<0.05）則呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（前20天數(shù)據(jù)比較，表3）。

圖3 不同肥料處理下δ15NN2O、δ18ON2O和SP的動(dòng)態(tài)變化

表4 白菜生長(zhǎng)的前20天δ15N、δ18O、SP和WFPS的加權(quán)平均值及相應(yīng)的BN/FD貢獻(xiàn)份額（x）和N2O還原程度（Fr）

2.3 N2O主排期的微生物作用過程貢獻(xiàn)

根據(jù)Lewicka-Szczebak等[28]構(gòu)建雙同位素圖譜方法，結(jié)合測(cè)量的土壤水18OH2O值（11.0‰±0.2‰，樣本數(shù)12，18OH2O與肥料處理和時(shí)間都無顯著關(guān)系），構(gòu)建18O(N2O–H2O)vs. SP雙同位素圖譜如圖4所示。NPK處理的樣品同位素值均落在混合區(qū)域內(nèi)，并更接近BD和ND區(qū)域；WS處理的樣品同位素值大部分落在混合區(qū)域內(nèi)和少部分落在BN和FD重疊區(qū)域。M處理的樣品同位素值大部分落在混合區(qū)域外，少部分落在混合區(qū)域內(nèi)；NF處理的樣品同位素值則分布在BN區(qū)域內(nèi)、混合區(qū)域內(nèi)和混合區(qū)域外等3個(gè)區(qū)域。樣品同位素值落在混合區(qū)域外與N2O發(fā)生還原有關(guān)，因此直接觀察的結(jié)果有一定的偏差。為此，采用式（5）和式（6）對(duì)各處理的均值進(jìn)行校正和定量分析，結(jié)果顯示NPK、M、WS和NF處理中的BN/FD貢獻(xiàn)分別約為38%、46%、54%和49%；N2O還原程度（F）分別約為14%、71%、46%和70%（表4）。可見，NPK處理的BN/FD貢獻(xiàn)和N2O還原程度均最低，WS處理的BN/FD貢獻(xiàn)最高和M處理N2O還原程度最高。

圖4 18O凈同位素效應(yīng)值（η18ON2O-H2O）vs. SP方法分析產(chǎn)生N2O的BN、FD、BD和ND圖解

2.4 白菜產(chǎn)量和C/N比率及氮素利用效率

不同肥料處理的白菜產(chǎn)量和C/N比率結(jié)果如表2所示。在白菜產(chǎn)量上，單因素方差分析顯示M（116.5 t/hm2）和WS（127.5 t/hm2）處理顯著低于NPK（147.9 t/hm2）處理和顯著高于NF（86.4 t/hm2）處理（<0.05，表2）；在C/N比率上，單因素方差分析顯示僅NPK處理（C/N為1.2）顯著低于WS（C/N為3.3）和NF（C/N為3.5）處理（<0.05），而M處理的C/N比率（2.6）則介于其他3個(gè)處理之間（表2）。

由于無機(jī)水溶肥處理施肥量顯著低于其他處理，因此采用氮素利用效率（Nitrogen Use Efficiency，NUE）對(duì)比處理間的差異。肥料的NUE可以利用簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算，即NUE=(n-0)/FN,n和0分別為肥料處理和未施肥處理的白菜含氮量（%），F(xiàn)N為肥料處理施用的氮素總量。一般情況下，1 t的大白菜含氮量為2.2 kg?；诖?，計(jì)算NPK、M和WS的NUE分別為45.1%、22%和45.2%。

3 討 論

3.1 影響N2O排放的因子

施肥后N2O排放量在各處理中總體呈下降趨勢(shì)，這與以往研究基本相同[30]，其中NPK處理顯著高于其他處理（<0.05）。一般而言NH4+和NO3-等底物濃度是決定N2O排放的主要因子，在本研究中NH4+和NO3-含量均表現(xiàn)為NPK處理顯著高于其他處理（<0.05），表明N2O排放量與不同肥料提供給土壤的NH4+和NO3-含量多少有關(guān)。相關(guān)分析顯示N2O排放與NH4+和NO3-含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01），其中與NH4+的相關(guān)系數(shù)更高且變化趨勢(shì)基本相同，進(jìn)一步表明在本研究中NH4+是N2O排放的決定因子。而NO3-含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，這與NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)變有關(guān)。因此本研究中N2O的產(chǎn)生主要是由NH4+觸發(fā)的兩段式排放，即硝化作用和反硝化作用都可能占主導(dǎo)作用。而土壤水分含量是決定微生物過程的重要因子，一般認(rèn)為WFPS在60%以下N2O產(chǎn)生以硝化作用為主，反之則以反硝化作用為主[31]，而本研究中WFPS與N2O排放沒有顯著相關(guān)關(guān)系，WFPS的變化范圍也在40%～80%之間浮動(dòng)，因此利用底物濃度和水分含量的變化很難界定N2O產(chǎn)生的微生物過程。另外，相比NF處理，3種肥料處理的C/N比率均有所下降，其中NPK處理顯著低于其他處理，這種差異主要源于NKP處理提供了大量氮素卻沒有提供碳素有關(guān)。而C/N比率能夠影響反硝化作用中的N2O還原進(jìn)程，C/N比率越低N2O還原程度越低[32]，因此NPK處理可能有最低N2O還原程度。肥料對(duì)N2O產(chǎn)生的微生物過程影響也會(huì)表現(xiàn)在白菜產(chǎn)量上，白菜通過對(duì)NH4+和NO3-的吸收進(jìn)一步提高產(chǎn)能，NPK處理也因此表現(xiàn)出最高的產(chǎn)量。M處理則因存在較高的C/N比率加強(qiáng)了對(duì)氮素的固定而降低其氮素利用效率和產(chǎn)量[33]，因此單施有機(jī)肥不利于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收。WS處理NH4+和NO3-整體含量低于NPK處理，然而氮素利用效率卻最高。雖然施肥量也會(huì)影響氮素利用效率[34]，但一般認(rèn)為滴灌下水肥一體化技術(shù)能夠在一定程度上提高白菜對(duì)氮素的吸收效率。

3.2 不同處理間N2O同位素特征值差異分析

N2O同位素特征值對(duì)辨析N2O來源具有重要作用，其中15NbulkN2O和18ON2O取決于N2O前體物同位素組成和氮素轉(zhuǎn)化過程造成的同位素分餾[21]。本研究中NPK處理的15NbulkN2O、18ON2O和SP值均顯著低于其他處理（<0.05），一般認(rèn)為無機(jī)肥的15N值與有機(jī)肥和土壤自身的15N值相比要小的多，但WS和NPK處理同屬無機(jī)肥卻表現(xiàn)較大差異，可見2種肥料處理在氮素轉(zhuǎn)化過程中同位素分餾的不同是造成這一現(xiàn)象的主要原因，而NPK處理與M和NF處理間的差異則是兩種原因綜合作用的結(jié)果。N2O中O的來源一般認(rèn)為只有H2O[35]，因此18ON2O值在4種處理中的顯著差異主要來自同位素分餾，即氮素轉(zhuǎn)化過程中4種處理觸發(fā)的微生物過程存在差異。SP作為區(qū)分氮素轉(zhuǎn)化過程的有效手段，能夠不受N2O前體物的影響，其值越高硝化作用越強(qiáng)，反之則反硝化作用強(qiáng)[36]。在N2O主排期，NPK處理的SP值最低因而可能存在最低的硝化作用，M、WS和NF處理的SP值都比較接近且較高因而硝化作用可能較強(qiáng)。相關(guān)分析也表明SP值與15NbulkN2O和18ON2O值（與微生物過程相關(guān)的N2O同位素值）之間都顯示出正相關(guān)關(guān)系，且與N2O排放量和WFPS都顯示負(fù)相關(guān)關(guān)系，可見SP值與N2O排放及其產(chǎn)生過程密切相關(guān)。盡管SP值與18ON2O值都能直接反映不同微生物過程的發(fā)生情況，但是WS處理與M和NF處理之間的SP值并未像18ON2O值一樣展現(xiàn)顯著差異，這可能是不同處理的N2O還原為N2程度存在差異，研究表明反硝化作用確定的同位素值是基于其終產(chǎn)物為N2O，而N2O進(jìn)一步還原為N2能夠顯著增加N2O分子中15NbulkN2O、18ON2O和SP值[21, 28]。因此，在利用N2O同位素分析微生物過程貢獻(xiàn)時(shí)，不能忽略反硝化過程中的N2O還原效應(yīng)。

3.3 微生物過程貢獻(xiàn)的雙同位素圖譜分析

土壤中可能同時(shí)存在多種微生物的產(chǎn)生途徑，因此確定N2O復(fù)雜來源是十分困難的[37-38]。近年來，N2O同位素特征值尤其是SP已被應(yīng)用于解析包括BN、FD、BD和ND[22, 36]。為了校正反硝化作用中N2O還原對(duì)N2O同位素值和微生物過程貢獻(xiàn)分析的影響，有研究采用雙同位素圖譜（15NbulkN2Ovs. SP和18O(N2O–H2O)vs. SP）解析相應(yīng)的貢獻(xiàn)[25, 39]。N2O中氮的來源有NH4+、NO3-和NO2-等多種前體物，而前體物的15N可能存在較大變異；氧的來源被認(rèn)為只有H2O，其18O值較為穩(wěn)定，因此最近研究建議采用18O(N2O–H2O)vs. SP構(gòu)建的雙同位素圖譜校正反硝化作用中N2O還原的影響和定量微生物作用貢獻(xiàn)[26, 28]。盡管該方法可能因?yàn)橥凰刂档淖兓蚇2O還原發(fā)生情況的不同存在一定不確定性[40]，但目前仍為最有效的分析方法。本研究基于Lewicka-Szczebak 等[28]提出的模型構(gòu)建18O(N2O–H2O)vs. SP 圖譜進(jìn)行研究，其中BN與FD或BD與ND之間很難進(jìn)行區(qū)分，結(jié)果表明4種處理中NPK處理有最低BN/FD（硝化作用）貢獻(xiàn)和最低N2O還原程度，WS處理有最高的BN/FD（硝化作用）貢獻(xiàn)和較低N2O還原程度。無論如何，大多數(shù)研究均表明與施用有機(jī)肥和不施肥的土壤相比，無機(jī)肥處理的土壤硝化作用更強(qiáng)，而N2O還原程度則更低[7, 36]?？梢姡琖S處理與多數(shù)研究的結(jié)果相同，而NPK處理的硝化作用沒有顯示這一現(xiàn)象，主要與NPK處理水分含量明顯高于其他處理有關(guān)（表2）。在本研究中，NPK處理由于所處地勢(shì)較低，且其與NF處理均位于滴灌主管路的中間位置，導(dǎo)致其在滴灌過程中含水率明顯高于其他處理。水分含量是控制微生物過程的主要因子之一，硝化作用在一定范圍內(nèi)隨水分含量的增加而減小[41]。因此，對(duì)于NPK處理而言，水分含量對(duì)硝化作用的影響要強(qiáng)于肥料效應(yīng)。研究表明N2O還原程度取決于土壤C/N比率，C/N比率的下降會(huì)降低N2O還原程度[32]，這一點(diǎn)在NPK處理上表現(xiàn)最為明顯，主要與NPK提供了大量的氮卻缺乏碳的輸入有關(guān)。NPK處理的微生物在進(jìn)行氮素轉(zhuǎn)化過程中，土壤有機(jī)碳作為N2O還原的電子受體由于相對(duì)匱乏制約了N2O的進(jìn)一步還原[42]。M處理相對(duì)NF處理的C/N比率無顯著差異，其提供了可利用的有機(jī)碳較為豐富，能在一定情況下為N2O進(jìn)一步還原提供支撐，也是其N2O還原程度最高和排放量最低的主要原因。Zhang等[43]研究也表明有機(jī)肥能夠顯著降低凈全球升溫潛能和溫室氣體強(qiáng)度，因此適量施用有機(jī)肥對(duì)N2O減排具有重要意義。

4 結(jié) 論

本研究采用18O凈同位素效應(yīng)（18O(N2O–H2O)） vs.15N位嗜值雙同位素圖譜分析在滴灌下不同肥料處理對(duì)蔬地N2O來源的影響。結(jié)果表明：無機(jī)復(fù)合肥、有機(jī)肥、無機(jī)水溶肥和無肥處理，N2O排放通量分別為1 074、146.5、116.2和112.9g/(m2·h)；無機(jī)復(fù)合肥、有機(jī)肥和無機(jī)水溶肥處理的氮肥利用效率分別為45.1%、22%、45.2%。綜合N2O排放量、氮素利用效率等各項(xiàng)綜合指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)無機(jī)復(fù)合肥處理有較高的氮素利用效率，但同時(shí)N2O排放也最高，無機(jī)水溶肥處理則顯示最高的氮素利用效率和較低的N2O排放量，然而2種無機(jī)肥處理在N2O主排期的N2O還原程度都相對(duì)較低，不利于反硝化過程中的N2O減排，其中無機(jī)水溶肥處理N2O排放相對(duì)較低可能主要與N2O產(chǎn)生過程以硝化作用為主有關(guān)。相比其他處理，有機(jī)肥處理在N2O主排期有最高的N2O還原程度，是減少反硝化作用N2O產(chǎn)生的主要途徑。盡管有機(jī)肥氮素利用效率低，但是其在改良土壤結(jié)構(gòu)和蔬菜品質(zhì)上有著重要作用，且N2O排放量小。因此，本研究認(rèn)為菜地施肥可以采用有機(jī)肥作為底肥，管理過程中配合水肥一體化技術(shù)及時(shí)補(bǔ)充蔬菜生產(chǎn)各階段所需的養(yǎng)分和水分，既能保證蔬菜產(chǎn)量也能減少N2O排放。

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Evaluation of N2O sources from Chinese cabbage fields affected by fertilizer types under drip irrigation based on dual isotopocule plot method

Lin Wei1,2, Li Yujia1, Wang Yu1, Zheng Qian3, Zhuang Shan3, Ding Junjun3, Li Yuzhong3※

(1.610213,; 2100081,; 3100081,)

Nitrous oxide (N2O) is an important greenhouse gas. High input of water and fertilizer in vegetable production results in large N2O emission. Though drip irrigation is the most commonly used irrigation method in vegetable production, it is still unclear how water and fertilizer interaction under drip irrigation affects N2O emission. Therefore, the objective of this study was to analyze the effects of different fertilizer treatments under drip irrigation on N2O emission and isotopic signatures, and thus provide a theoretical support for reducing N2O emission in vegetable production mainly driven by microbial activity that included Bacterial Nitrification (BN), Bacterial Denitrification (BD), Nitrifier Denitrification (ND), Fungal Denitrification (FD) and N2O reduction to N2. The study was conducted in at the environmental research station of the Chinese Academy of Agricultural Sciences, situated in the Shunyi District, Beijing, China (40°15′N, 116°55′E). The soil of the experiment field was classified as calcareous fluvo–aquic. The Chinese cabbage was sown on 7 August 2015. Under drip irrigation, four fertilizer treatments were evaluated, including inorganic NPK compound fertilizer (NPK), organic fertilizer of sheep manure (M), water-soluble fertilizer of amino acid (WS), and no-fertilizer (NF). Gas and soil samples were collected throughout the study phase. The concentration and isotopic signature values (15NbulkN2Oand18ON2Oof N2O), ammonium (NH4+) and nitrate (NO3-) content of soil, soil C/N, and yield of Chinese cabbage were analyzed. Net isotope effect between N2O and H2O and15N site preference in N2O molecule (SP) were also analyzed and used to distinguish BN/FD and BD/ND and to calculate the extent of N2O reduction to N2. The results showed that the SP had significant positive correlation with both15NbulkN2Oand18ON2O(<0.01), and significant negative correlation with N2O emission fluxes (<0.01) and Water Filled Pore Space (WFPS,<0.05). It indicated that using SP vs.18ON2Oto quantitatively analyze production and consumption pathways of N2O was feasible and water content significantly affected the activity of soil microorganisms.Under approximately 60% WFPS condition, for the NPK, M, WS and NF treatments, the N2O emission were 1 074, 146.5, 116.2 and 112.9g/(m2·h), respectively. The Nitrogen Use Efficiency (NUE) of the NPK, M and WS were 45.1%, 22% and 45.2%, respectively. The yield of Chinese cabbage of the NPK, M, WS and NF were 147.9, 116.5, 127.5and 86.4 t/hm2, respectively, and the contribution of nitrification were 38%, 46%, 54% and 49%, respectively, and the extent of N2O reduction were 14%, 71% 46%, and 70%, respectively. The water-soluble fertilizer treatment showed the highest NUE and relatively low N2O emission, and both inorganic fertilizer treatments showed the low extent of N2O reduction, which was unfavorable for reducing N2O emission during denitrification. In contrast, organic fertilizer treatment had the highest the extent of N2O reduction, which was the main pathway to reduce N2O emission during denitrification. Therefore, this study suggests that organic fertilizer may be used as the base fertilizer with water and fertilizer integration technology as a management practice during the growing season for reducing N2O emission and enhancing NUE.

isotopes; fertilizers; N2O; emission reduction; drip irrigation; organic fertilizer

林偉，李昱佳，王宇，等. 基于雙同位素圖譜評(píng)估肥料類型對(duì)滴灌白菜地N2O來源的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(23)：109-116.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.013 http://www.tcsae.org

Lin Wei, Li Yujia, Wang Yu, et al. Evaluation of N2O sources from Chinese cabbage fields affected by fertilizer types under drip irrigation based on dual isotopocule plot method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 109-116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.013 http://www.tcsae.org

2020-07-17

2020-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（41473004，41701308）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（ASTIP-CAAS）；國(guó)家成都農(nóng)業(yè)科技中心地方財(cái)政專項(xiàng)（NASC2020AR09）

林偉，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)氮素循環(huán)研究。Email：linwei01@caas.cn

李玉中，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)氮素循環(huán)研究。Email：liyuzhong@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.013

TQ126.2+4；S162.4+3

A

1002-6819(2020)-23-0109-08