顏 芳， 劉繼培， 王伊琨， 張 蕾 ， 趙凱麗， 王維瑞， 王勝濤

(1.北京市土肥工作站，北京 100029； 2.北京市大興區(qū)土肥工作站，北京 102600)

和CO2、CH4一樣，N2O也是重要的溫室氣體之一，其增溫效應(yīng)約為CO2的320倍[1]，在大氣中的滯留時(shí)間可達(dá)150年[2]。此外，它還可以破壞平流層中的臭氧[3]。N2O對(duì)環(huán)境的巨大危害性，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)農(nóng)田土壤直接和間接排放的N2O分別占全國(guó)N2O排放總量的55.8%和15.1%[4]。農(nóng)田中，N2O的排放受土壤微生物種群結(jié)構(gòu)和特征、土壤施氮量、有機(jī)碳含量、土壤溫度及土壤含水量等因素的綜合影響[5-6]。施肥量的增加會(huì)為土壤硝化和反硝化過(guò)程提供底物，進(jìn)而提高N2O排放量[7-8]。與施用化學(xué)氮肥相比，施用有機(jī)肥能夠顯著增加N2O的排放[9]。有機(jī)肥料主要通過(guò)改變土壤C/N來(lái)影響微生物活性進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生和排放[10-11]。溫度會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤生物活性，降低土壤溫度能減少N2O排放。有研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土溫在20～40 ℃時(shí)，N2O排放量隨著溫度的升高而增加[12]。此外，菜田土壤N2O排放量與土壤水分含量呈極顯著相關(guān)性[13]。依據(jù)土壤特性不同，N2O排放的最佳含水量為50%～80%或60%～90%[14]。干濕交替也會(huì)引起N2O劇烈排放。Cui等[15]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜田土壤每次灌水均有N2O排放峰值產(chǎn)生，這主要是因?yàn)楣喔仍黾恿送馏w土壤濕度，減少了土壤基質(zhì)中氧氣的含量，激發(fā)了土壤部分區(qū)域的反硝化作用。在施肥、水分、溫度等各種因素綜合作用下，設(shè)施土壤N2O排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于糧田和其他生態(tài)系統(tǒng)[16]。目前，大多數(shù)關(guān)于N2O排放特征的研究處理時(shí)間較短，對(duì)連續(xù)多年不同施肥處理后設(shè)施菜地N2O排放的研究相對(duì)較少。本研究利用原位監(jiān)測(cè)手段，研究連續(xù)10年不同施肥處理后，設(shè)施菜地土壤N2O排放情況，以期為設(shè)施菜地土壤溫室氣體減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年1月至12月在北京市大興區(qū)青云店鎮(zhèn)日光溫室進(jìn)行，供試土壤為潮土。該溫室從2008年1月開(kāi)始常年設(shè)有4個(gè)處理，分別為不施肥(T0)、有機(jī)無(wú)機(jī)配施(T1)、單施有機(jī)肥(T2)和單施化肥(T3)。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為6.5 m×4.5 m。2008年試驗(yàn)前表層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)12.99 g/kg，全氮1.24 g/kg，硝態(tài)氮14.7 mg/kg，有效磷52.4 mg/kg，速效鉀121.6 mg/kg，pH 7.7。

2017年最后一季作物收獲后，取表層(0～20 cm)土壤測(cè)試土壤氮素含量，T0、T1、T2、T3各處理土壤全氮含量分別為0.59 g/kg、2.42 g/kg、3.41 g/kg、0.91g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為京甜3號(hào)辣椒。辣椒種植行距40 cm，株距30 cm。采用滴灌方式灌溉施肥，具體管理措施見(jiàn)表1。處理施用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，原料為雞糞。氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，鉀肥為硫酸鉀。有機(jī)肥和磷肥全部作基肥于移栽前施入，20%的尿素和硫酸鉀作基肥于移栽前隨水施入，80%根據(jù)辣椒的生長(zhǎng)趨勢(shì)和天氣狀況分3次分別在門椒、對(duì)椒、四母斗時(shí)期隨水追施(用量分配比例為3∶3∶2)。試驗(yàn)期為1年，分春夏和秋冬兩季，兩季作物施肥量相同。不同處理每一季作物磷素總投入量為356 kg/hm2，鉀素總投入量為381 kg/hm2，氮肥用量水平見(jiàn)表2。

表1 施肥、灌溉方案

表2 各處理每一季的氮素施用水平

1.3 氣體樣品采集及測(cè)定

試驗(yàn)中每個(gè)小區(qū)放置一個(gè)靜態(tài)箱，靜態(tài)箱為正方形的PVC材料罐，長(zhǎng)寬均為50 cm，高為57 cm，另有配套底座可插入土中，露出土面部分有與采樣箱匹配的方形凹槽。箱體內(nèi)頂部固定一個(gè)風(fēng)扇以混勻氣體，箱體內(nèi)部分別放置采氣管和溫度探頭。靜態(tài)箱底座安放在種植壟上，取樣前往配套底座凹槽注水后靜置約30 min，在10∶00開(kāi)始取樣，采氣時(shí)將采樣箱扣在底座凹槽內(nèi)，打開(kāi)風(fēng)扇，檢查密封性，確認(rèn)沒(méi)有漏氣現(xiàn)象后開(kāi)始計(jì)時(shí)。迅速分別于0 min、10 min、20 min、30 min用帶刻度注射器采集靜態(tài)箱中22 ml氣體于真空瓶中(取樣瓶為L(zhǎng)anco Exetainer)，并記錄取樣時(shí)箱內(nèi)溫度，氣體帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

測(cè)定使用的氣相色譜儀型號(hào)為Agilent 7890，測(cè)定N2O的檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器(ECD)，測(cè)定溫度為330 ℃，色譜柱為Porpak Q柱，柱溫70 ℃，載氣為高純N2，流速為25 L/min。采樣頻率為辣椒移栽后每7 d 1次，施肥后加密采樣1次。

1.4 計(jì)算公式

N2O通量指單位時(shí)間單位面積靜態(tài)箱內(nèi)該氣體的質(zhì)量變化，用公式表示為：F=ρ×V/A×273/(273+T)×△c/△t×60，式中，F(xiàn)為N2O排放通量[N, mg/(m2·h)]，V為靜態(tài)箱體積(cm3)，A為靜態(tài)箱內(nèi)土壤面積(cm2),ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下箱內(nèi)氣體密度(g/cm3)，T是取樣過(guò)程中靜態(tài)箱內(nèi)平均溫度(℃)，△c/△t是靜態(tài)箱內(nèi)氣體在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)濃度隨時(shí)間變化的直線斜率(10-9，1 min)。N2O排放系數(shù)=[(施氮處理N2O排放量-不施氮處理N2O排放量)/施氮量]×100%。

整個(gè)辣椒生長(zhǎng)季的N2O排放總量采用插值法估算，多重比較用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行，Pearson相關(guān)性分析，統(tǒng)計(jì)軟件為SPSS13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 春夏季設(shè)施菜地土壤N2O排放通量變化

春夏季設(shè)施辣椒地不同施肥處理土壤N2O的排放通量如圖1所示，T0處理 N2O排放通量始終處于較低水平，變化范圍為0.02～0.06 mg/(m2·h)。T1處理N2O排放通量變化范圍為0.03～1.21 mg/(m2·h)。T2處理N2O排放通量在有機(jī)肥一次性底施后約30 d的時(shí)間內(nèi)都在0.5 mg/(m2·h)以上，后期排放量逐漸降低，變化范圍為0.05～1.75 mg/(m2·h)。T3處理N2O排放通量變化范圍為0.03～0.69 mg/(m2·h)。T1和T3處理在追肥后，土壤N2O排放通量均呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，引起N2O排放峰值的出現(xiàn)，兩個(gè)處理排放峰值均在追肥后0～3 d出現(xiàn)，能持續(xù)3～5 d左右。

從圖1可以看出，定植后到第1次追肥這段時(shí)間，單施有機(jī)肥處理(T2)在有機(jī)肥一次性底施后30 d的時(shí)間內(nèi)都在0.5 mg/(m2·h)以上，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(T1)高排放量狀態(tài)能維持10 d左右，均明顯高于T3處理，說(shuō)明底肥中施用有機(jī)肥會(huì)提高N2O排放通量。在相同施氮條件下，隨著有機(jī)肥用量的增加土壤N2O損失加劇的現(xiàn)象在其他研究中也有發(fā)現(xiàn)[6,10-11,15]，其原因可能是苗期作物根系較弱，大量有機(jī)肥和氮肥的投入，為土壤微生物提供了足夠的底物，從而導(dǎo)致土壤N2O大量排放。

各處理見(jiàn)表2。圖1 春夏季不同施肥條件下設(shè)施菜地土壤N2O排放通量Fig.1 N2O emission fluxes from greenhouse vegetable soil under different fertilization treatments during spring-summer season

2.2 秋冬季設(shè)施菜地土壤N2O排放通量變化

秋冬季設(shè)施辣椒地不同施肥處理土壤N2O的排放通量如圖2所示。整體而言，9月中旬以前，所有的施肥處理N2O排放通量都較高，這可能是因?yàn)榕飪?nèi)氣溫和土壤溫度相對(duì)較高。其中T2處理最高，排放通量為0.38～1.51 mg/(m2·h)；其次為T1處理，排放通量為0.09～1.24 mg/(m2·h),T3處理排放通量為0.03～0.78 mg/(m2·h)；T0最低，排放通量為0.01～0.05 mg/(m2·h)。10月份追肥后，出現(xiàn)了1個(gè)N2O排放高峰，4 d后下降，之后都維持在一個(gè)較低的水平，各處理排放通量均低于0.5 mg/(m2·h)。

在定植后到第1次追肥前，各處理N2O排放規(guī)律與春夏季類似。T1處理和T3處理追肥后1～3 d N2O排放量呈迅速上升趨勢(shì)，均有一個(gè)較高的N2O脈沖式排放，但后2次追肥后出現(xiàn)的峰值明顯低于春夏季追肥后出現(xiàn)的排放峰值。

各處理見(jiàn)表2。圖2 秋冬季不同施肥條件下設(shè)施菜地土壤N2O排放通量Fig.2 N2O emission fluxes from greenhouse vegetable soil under different fertilization treatment during autumn-winter season

2.3 設(shè)施菜地不同施肥處理N2O排放總量及排放系數(shù)比較

由表3可見(jiàn)，不同處理春夏季和秋冬季N2O排放量順序均為T2>T1>T3>T0，施用肥料的各處理N2O排放量要比不施肥處理高，其中，僅施有機(jī)肥處理(T2)比T0處理排放總量高7～10倍，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(T1)比T0處理排放總量高5～8倍，僅施化肥處理(T3)比T0處理排放總量高5～6倍，表明無(wú)論施用有機(jī)肥還是化肥都對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生了明顯影響。

單施有機(jī)肥處理(T2)與單施化肥處理(T3)相比，春夏季和秋冬季土壤N2O排放總量分別增加了59.0%、85.7%。有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(T1)與單施化肥處理(T3)相比，春夏季和秋冬季土壤N2O排放總量分別增加了14.4%、31.8%。這說(shuō)明，在底物相對(duì)一致的前提下，有機(jī)肥的施用為反硝化過(guò)程提供了所需的能量，從而促進(jìn)了反硝化過(guò)程，增加了土壤N2O排放量。

計(jì)算各處理N2O-N排放占其氮素投入的損失系數(shù)，結(jié)果表明各處理N2O排放系數(shù)介于0.45%和0.93%之間。單施有機(jī)肥處理(T2) N2O排放系數(shù)最高，秋冬季為0.93%，春夏季為0.91%；其次為有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(T1)和單施化肥處理(T3)。

表3 不同施肥處理?xiàng)l件下設(shè)施菜地土壤N2O排放總量和排放系數(shù)

3 討 論

有研究者指出土壤中如果有足夠的外源碳和氮輸入且有適宜微生物活動(dòng)的C/N的話，微生物活性就會(huì)得到增強(qiáng)，土壤N2O排放量就會(huì)得到提高[17-19]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用可以增加土壤N2O排放，在氮素總量投入相對(duì)一致的前提下，連續(xù)10年有機(jī)無(wú)機(jī)混施后，與單獨(dú)施用化肥相比，土壤N2O排放總量增加了14.4%～31.8%，這可能是因?yàn)檫B續(xù)多年僅投入化肥，土壤微生物可利用的碳源有限，其活性下降，而添加有機(jī)肥后微生物碳源相對(duì)較多，加之土壤溫度、濕度適宜的情況下，礦化的氮素也會(huì)增加，C/N適宜，微生物活性加強(qiáng)，從而導(dǎo)致土壤N2O排放量增加。

本研究發(fā)現(xiàn)設(shè)施菜地連續(xù)10年有機(jī)無(wú)機(jī)混施后，與單獨(dú)施用有機(jī)肥相比，土壤N2O排放總量減少28%左右。這與王耀聰?shù)萚10]報(bào)道結(jié)論不一致，其有機(jī)無(wú)機(jī)混施處理比單施有機(jī)肥處理N2O排放總量增加了1.5倍。張仲新等[6]也報(bào)道了有機(jī)無(wú)機(jī)配合施用處理比單獨(dú)施用有機(jī)肥處理N2O排放總量高1.3倍。這可能是其研究中有機(jī)無(wú)機(jī)混施處理比單獨(dú)施用有機(jī)肥處理氮素投入量低導(dǎo)致，此外，本研究是基于連續(xù)多年施肥處理后的土壤開(kāi)展的，相比于單季處理的研究土壤物理和生物性狀可能發(fā)生了一定變化，從而影響了土壤N2O排放。

本試驗(yàn)中各處理的N2O排放總量為0.53～5.85 kg/hm2，其中，單施化肥處理的一季N2O排放總量與武其甫等[7]在石家莊潮土上研究報(bào)道的3.616 kg/hm2接近，但低于有關(guān)報(bào)道的18.62～27.73 kg/hm2 [8,10,20]。有機(jī)無(wú)機(jī)配合施用處理一季N2O排量總量為4.06～4.21 kg/hm2，低于張仲新等[6]報(bào)道的8.266 kg/hm2，遠(yuǎn)低于王耀聰?shù)萚10]報(bào)道的112.46 kg/hm2。單獨(dú)施用有機(jī)肥處理一季N2O排量總量為5.72～5.85 kg/hm2，也低于王耀聰?shù)萚10]報(bào)道的44.99 kg/hm2，這可能與本研究監(jiān)測(cè)頻率偏低有關(guān)，試驗(yàn)只在施肥后進(jìn)行了加密監(jiān)測(cè)，在空水灌溉后未安排氣體采集，可能沒(méi)有捕捉到灌水產(chǎn)生的N2O排放峰值[21-23]。此外，本試驗(yàn)氮素投入量低也可能是排放量低的原因。

不同學(xué)者對(duì)設(shè)施菜田土壤N2O排放系數(shù)研究結(jié)果差別很大，山東省壽光地區(qū)平均每年設(shè)施番茄生產(chǎn)體系N2O排放占氮素投入的0.27%～0.30%[24]，而南京市集約化大棚蔬菜地N2O排放系數(shù)達(dá)4.6%[25]，也有N2O排放系數(shù)高達(dá)6.8%的報(bào)道[10]。本研究各處理N2O排放系數(shù)介于0.45%至0.93%之間，均低于Bouwman提出的N2O排放系數(shù)1.25%。N2O排放系數(shù)差別較大，很可能是時(shí)間、地域差異以及土壤特性、施肥量和作物種類不同而造成的。

4 結(jié) 論

綜上所述，設(shè)施菜田土壤有機(jī)肥和氮肥基施后均會(huì)顯著增加土壤N2O排放，追施氮肥后0～3 d也會(huì)出現(xiàn)明顯的排放高峰。在氮素總量投入相同的前提下，連續(xù)10年有機(jī)無(wú)機(jī)配施后，土壤N2O的排放量比單獨(dú)施用有機(jī)肥低，但比單獨(dú)施用化肥多。因此，合理施用有機(jī)肥是減少溫室氣體N2O排放的重要措施。