李寶石, 劉文科, 李宗耕, 張玉彬, 查凌雁, 周成波, 邵明杰

(中國農(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)

近年來，全球氣候變暖問題引發(fā)各國高度重視，這種現(xiàn)象主要由CO2、N2O、CH4三種溫室氣體所致，CO2作為最主要的溫室氣體對(duì)于全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率約為55%，N2O增溫的潛勢是CO2的298倍[1]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)排放是全球N2O排放的主要來源之一[2]，每年農(nóng)業(yè)N2O的排放量約占全球排放總量的25%～39%[3-4]。我國是世界上氮肥施用最多的國家之一，氮肥施用的不合理現(xiàn)象極其普遍[5]，尤以設(shè)施菜地最為嚴(yán)重。為了追求高產(chǎn)量，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，菜農(nóng)普遍超量施用氮肥，日光溫室中獨(dú)特的高溫高濕環(huán)境，極大地促進(jìn)了N2O的排放[6]，成為農(nóng)業(yè)重要的排放源[7-8]。截至2015年，中國日光溫室栽培面積已超過400萬hm2以上，設(shè)施菜地N2O排放因此急劇增多[9]。由此可見，明確設(shè)施菜地溫室氣體的排放規(guī)律可為制定合理減排措施提供理論參考。

針對(duì)日光溫室生產(chǎn)過程中存在的低溫脅迫和各種資源環(huán)境問題，傅國海等[10-11]提出了一種新的栽培方式——土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法(soil-ridged substrate-embedded cultivation, SSC)，即采用一定的工程技術(shù)手段將基質(zhì)嵌在土壤中進(jìn)行栽培。SSC作為一種限根基質(zhì)栽培，在根區(qū)環(huán)境上與土壤栽培有所差異，栽培介質(zhì)理化性質(zhì)和微生物群有所不同，晝夜溫?zé)釛l件有所區(qū)別，勢必造成不同土壟栽培方式的N2O排放特征差異[12-14]。而以往對(duì)于設(shè)施菜地N2O排放的研究中，大多研究以土壤栽培為主，對(duì)無土栽培N2O排放的研究較少，并且設(shè)施蔬菜N2O排放通量的觀測頻率多為幾天觀測一次[15-17]，影響了估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了量化N2O排放量，進(jìn)行N2O排放通量的晝夜變化研究尤為重要。

本研究通過對(duì)新型栽培方式的不同栽培模式下甜椒苗期的N2O排放通量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測分析，以期探明SSC栽培方式對(duì)根區(qū)N2O排放量、排放特征的影響及其晝夜變化特征，確定新型栽培方式下的最佳減排增產(chǎn)栽培模式，為SSC壟栽培條件下N2O排放量的估算和新型栽培方式的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地(N40°15′，E116°55′)，位于華北平原北部，平均海拔為30 m，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.5 ℃，供試日光溫室東西長60 m，跨度為8 m，脊高3.8 m，供試日光溫室室齡為4 a。試驗(yàn)小區(qū)距后墻體1.5 m，距西側(cè)山墻4 m，冬、春兩季種植作物時(shí)棚膜上覆蓋棉被，試驗(yàn)當(dāng)天棉被8:00自動(dòng)卷上，16:00棉被放下，試驗(yàn)當(dāng)天為晴天，通風(fēng)口未打開，外界空氣與室內(nèi)氣體交換較弱。供試作物為甜椒，品種為‘海豐16號(hào)’，2018年9月21日穴盤育苗，兩葉一心時(shí)移栽定植，定植時(shí)間為10月17日。

甜椒栽培采用基質(zhì)和土壤兩種方式，采用水肥一體化自動(dòng)滴管，營養(yǎng)液組成每20 L藥品用量為：2.61 g硫酸鉀、1.36 g磷酸二氫鉀、0.149 g氯化鉀、3.2 g七水合硫酸鎂、11.8 g四水合硝酸鈣、0.746 g乙二胺二乙酸二鈉、0.556 g七水合硫酸亞鐵、0.12 mg硼酸、3.38 mg二水合硫酸錳、0.50 mg五水合硫酸銅、5.76 mg七水合硫酸鋅、0.12 mg鉬酸銨。pH控制在6.5左右。基質(zhì)體積配比為草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1，每天上午11:00滴灌1 min，流速為20 mL·min-1·株-1，即每天每株的純氮量為14 mg。因與傳統(tǒng)施肥方式不同，水肥一體化滴灌施肥，每日施相同肥量，選取苗期一天溫濕度變化劇烈的時(shí)間段內(nèi)測定其N2O排放通量的排放特征進(jìn)行分析。試驗(yàn)以土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(SSC)為基礎(chǔ)，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟為梯形壟，規(guī)格為長3 m，上底寬20 cm，下底寬40 cm，壟高15 cm；SSC矮壟為梯形壟，規(guī)格為長3 m，上底寬20 cm，下底寬40 cm，壟高10 cm(圖1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共6個(gè)不同測試區(qū)域，分別為SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的內(nèi)嵌基質(zhì)區(qū)域和整壟部分、SSC矮壟的內(nèi)嵌基質(zhì)區(qū)域和整壟部分、SSC栽培內(nèi)嵌區(qū)域相對(duì)應(yīng)的土壟位置和土壟的整壟部分。3個(gè)處理分別為梯形土壟(A)、SSC標(biāo)準(zhǔn)壟(B)和SSC矮壟(C)。3種處理的不同測試位置如圖2所示。

注：1—土壤；2—地膜；3—營養(yǎng)元素；4—基質(zhì)栽培槽；5—內(nèi)嵌膜；6—孔洞；7—地面。Note：1—Soil; 2—Plastic film; 3—Nutrient elements; 4—Substate groove; 5—Inlay membrane; 6—Vent hole; 7—Ground.圖1 不同栽培方式的截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of different cultivation methods

注：1—整壟；2—內(nèi)嵌區(qū)。Note: 1—Full ridge; 2—Embedded area.圖2 3種栽培方式的不同測試位置Fig.2 Different test locations of 3 cultivation methods

1.3 氣體樣品采集及測定

試驗(yàn)中每壟放置兩個(gè)不同規(guī)格的靜態(tài)箱，內(nèi)嵌采樣裝置由底座(20 cm×25 cm×10 cm，帶凹槽)和箱體(11 cm×21 cm×40 cm)組成；整壟采樣裝置由底座(50 cm×25 cm×20 cm，帶凹槽)和箱體(41 cm×21 cm×40 cm)組成，上述均為外徑尺寸，板材厚度為5 mm，由箱體內(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。取樣從當(dāng)日8:00開始，至22:00結(jié)束，每隔1 h采集1次氣體樣品，采樣時(shí)將采樣箱扣在底座凹槽內(nèi)并加水密封，扣箱后用30 mL塑料注射器抽取箱內(nèi)氣體，每次取樣結(jié)束后，將上罩打開，并準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)箱體內(nèi)氣溫，以及5 cm地溫(YM-CJ型智能土壤溫度記錄儀)。氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室，使用7890A氣相色譜儀(美國，安捷倫)進(jìn)行測定。

氣體通量(F)計(jì)算公式為：F=p×V/A×dc/dt×273/(273+T)×P/P0

式中，F(xiàn)為N2O的排放通量，正值表示土壤向大氣排放，負(fù)值表示吸收；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度；V為采樣箱體積，A為土壤面積；T為采樣箱內(nèi)氣溫；dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O氣體濃度隨時(shí)間變化的速率；P為采樣時(shí)氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P/P0≈1。

1.4 甜椒生理指標(biāo)檢測

于2018年12月14日對(duì)每個(gè)處理選取5株甜椒植株，測定甜椒的生長指標(biāo)。采用游標(biāo)卡尺測定莖粗；采用直尺測定甜椒株高；采用SPAD葉綠素儀測定甜椒葉片葉綠素含量。分別于2019年2月22日、3月1日、3月8日、3月15日、3月22日、3月29日分6次采摘成熟果實(shí),累加果實(shí)鮮重總和，即為整個(gè)階段單株甜椒產(chǎn)量。同時(shí)，于3月29日拉秧時(shí)，將選取的5株甜椒的地上部和地下部分開，測定鮮重，然后用電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9620-A)于105 ℃殺青2 h，80 ℃烘干至恒重，測定植株干重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，并采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施甜椒三種栽培方式內(nèi)嵌部分N2O排放通量的晝夜變化

三種栽培方式內(nèi)嵌部分的N2O晝夜變化(圖3)均表現(xiàn)為明顯的晝高夜低現(xiàn)象，在9:00和19:00出現(xiàn)兩個(gè)排放峰值，且顯著高于其他時(shí)間段的觀測值。在9:00，土壟栽培排放峰值最高，為0.716 mg·m-2·h-1，SSC矮壟排放通量最低，為0.403 mg·m-2·h-1，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟排放通量為0.498 mg·m-2·h-1；在19:00，SSC矮壟排放通量最高，為0.398 mg·m-2·h-1，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟排放最低，為0.230 mg·m-2·h-1，土壟栽培排放通量為0.339 mg·m-2·h-1。在觀測時(shí)間段內(nèi)，不同栽培方式在不同時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)負(fù)值，尤其是土壟栽培在11:00—13:00時(shí)間段內(nèi)，一直處于負(fù)值，SSC栽培在12:00—13:00時(shí)間段內(nèi)也出現(xiàn)負(fù)值，表明這一時(shí)間段內(nèi)栽培區(qū)域部分出現(xiàn)了吸收現(xiàn)象，在21:00，SSC矮壟再次出現(xiàn)負(fù)值。其他時(shí)間段內(nèi)，土壟栽培方式的觀測值基本保持在0.004～0.313 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的觀測值基本保持在0.007～0.248 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)，SSC矮壟的觀測值基本保持在0.024～0.282 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)。在觀測時(shí)間段內(nèi)，不同栽培方式N2O排放通量的最大值與最小值的差值分別為：土壟栽培方式為0.806 mg·m-2·h-1，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟為0.537 mg·m-2·h-1，SSC矮壟為0.575 mg·m-2·h-1，由此可見土壟栽培N2O排放晝夜變化波動(dòng)較大。由觀測時(shí)間段內(nèi)的晝夜N2O排放通量的平均值可知，在8:00—16:00時(shí)間段內(nèi)，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的排放通量最小，為0.101 mg·m-2·h-1，但在17:00—22:00時(shí)間段內(nèi)，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的排放通量最大，為0.087 mg·m-2·h-1。由此可知，不同栽培方式的內(nèi)嵌區(qū)N2O排放通量略有差異。

注：時(shí)間為9:00和21:00處的不同小寫字母表明不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase letters at the time of 9:00 and 21:00 indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖3 SSC內(nèi)嵌基質(zhì)與土壟對(duì)應(yīng)部分N2O排放通量的變化Fig.3 Variations of N2O emission flux in the corresponding part of SSC embedded substrate and soil ridge

2.2 設(shè)施甜椒三種栽培方式整壟N2O排放通量的晝夜變化

由圖4可知，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟在10:00和19:00出現(xiàn)兩個(gè)較小的排放峰值，在10:00，N2O排放通量為0.532 mg·m-2·h-1，19:00再次出現(xiàn)排放峰值，為0.441 mg·m-2·h-1，在13:00和15:00出現(xiàn)負(fù)值，說明在這一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了吸收現(xiàn)象。除了兩次排放峰值以外，其他時(shí)間段內(nèi)均保持在-0.047～0.350 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)；SSC矮壟在11:00和17:00出現(xiàn)兩次排放峰值，在11:00的N2O排放通量為0.598 mg·m-2·h-1，在17:00再次出現(xiàn)排放峰值，為0.221 mg·m-2·h-1，在14:00出現(xiàn)負(fù)值，說明在這一段時(shí)間內(nèi)SSC矮壟出現(xiàn)了吸收現(xiàn)象。除了排放峰值以外其他時(shí)間段內(nèi)均保持在-0.010～0.361 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)；土壟排放通量較為穩(wěn)定，在10:00出現(xiàn)一次較小峰值以外，其他時(shí)間段內(nèi)均保持在-0.050～0.227 mg·m-2·h-1范圍內(nèi)，在10:00排放通量為0.342 mg·m-2·h-1，3種栽培方式均在13:00—15:00這一時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)不同程度的吸收現(xiàn)象。由此可看出，起壟栽培會(huì)影響N2O排放通量的晝夜變化。

2.3 設(shè)施甜椒三種栽培方式根區(qū)溫度與室內(nèi)氣溫間的關(guān)系

三種栽培方式的日光溫室內(nèi)氣溫、基質(zhì)溫度和土壤溫度結(jié)果(圖5)可知，根區(qū)溫度與室內(nèi)氣溫的變化基本一致，峰值滯后于氣溫1～3 h，且觀測時(shí)間內(nèi)，氣溫的變化比根區(qū)溫度的變化更為劇烈。三種栽培方式的根區(qū)溫度有所差別，觀測時(shí)間段內(nèi)，SSC矮壟的最高溫度>土壟的最高溫度>SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的最高溫度；SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的最高溫度的晝夜變化較為穩(wěn)定，對(duì)于高溫的緩沖效果比其他兩種栽培方式較好，且在夜間能夠有效維持根區(qū)儲(chǔ)存的熱量。5 cm土壤溫度與5 cm基質(zhì)溫度維持在11～27 ℃，能夠滿足硝化(15～35 ℃)、反硝化(5～75 ℃)微生物活動(dòng)所要求的適宜溫度，在觀測時(shí)間段內(nèi)，不同介質(zhì)的根區(qū)溫度有所差異，SSC矮壟的晝夜變化波動(dòng)較大，且升溫速度比土壟的根區(qū)溫度變化要快，說明基質(zhì)栽培根區(qū)溫度吸熱較快。從SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的溫度變化來看，基質(zhì)體積比例也會(huì)影響根區(qū)溫度的變化。

注：不同小寫字母表明不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖4 SSC壟與土壟N2O整壟排放通量的變化Fig.4 Variation of N2O emission flux from SSC ridge and soil ridge

圖5 日光溫室內(nèi)氣溫與基質(zhì)溫度、土壤溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of air temperature, matrix temperature, and soil temperature in solar greenhouse

2.4 設(shè)施甜椒三種栽培方式對(duì)甜椒幼苗生長以及N2O排放通量的影響

由表1可知，不同栽培處理的甜椒苗期生長的株高、莖粗和葉綠素含量等各項(xiàng)指標(biāo)都存在差異。以土壟栽培為對(duì)照，SSC兩種栽培方式下的株高、莖粗都高于土壤栽培的甜椒，SSC矮壟栽培生產(chǎn)性能較優(yōu)越。土壟栽培和SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的莖粗差異并不顯著，但是株高和葉綠素含量差異顯著；SSC矮壟與土壟栽培的株高、莖粗差異顯著，葉綠素含量差異不顯著；三種栽培方式的甜椒地上部及地下部的生物量均有差異，SSC栽培能夠增加甜椒地上部及地下部的生物量，但對(duì)甜椒干重?zé)o顯著提高。SSC栽培顯著提高了甜椒產(chǎn)量，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟與SSC矮壟的產(chǎn)量無顯著差異，但從經(jīng)濟(jì)投入來看，SSC矮壟減少了基質(zhì)的使用量，減少了前期成本投入。因此，SSC矮壟生產(chǎn)性能較為合適。由表2可知，三種栽培處理的不同檢測點(diǎn)無論在白天還是夜間的N2O累積排放量均無顯著差異，測試時(shí)間段內(nèi)的晝夜累積N2O排放總量也無顯著差異。

表1 三種栽培方式下甜椒的形態(tài)和生物量指標(biāo)Table 1 Morphological parameters of sweet pepper under three cultivation methods

表2 日光溫室中三種栽培方式下的N2O排放通量Table 2 N2O emission flux under three cultivation modes in solar greenhouse

3 討論

3.1 不同栽培方式下N2O排放特征及影響因素

本研究結(jié)果表明，三種栽培方式條件下N2O排放通量晝夜變化呈現(xiàn)雙峰的變化規(guī)律，這可能由于N2O排放峰值與土壤表層濕度、土壤溫度等相關(guān)環(huán)境因子協(xié)同作用所致，下午出現(xiàn)的排放峰值較土壤溫度的峰值滯后2～5 h，這與徐鈺等[18]在北方設(shè)施蔬菜觀測到的滯后約2 h，Blackmer等[19]觀測到的滯后2～12 h，具有相似性。導(dǎo)致N2O排放通量的峰值滯后，可能是日光溫室內(nèi)氣溫向土壤傳遞熱量需要時(shí)間，而土壤溫度和其他相關(guān)環(huán)境因子協(xié)同作用影響N2O產(chǎn)生與擴(kuò)散；本研究中由于栽培方式、栽培介質(zhì)的不同，空氣溫度將熱量傳遞到土壤，致使土壤溫度尤其是根區(qū)溫度達(dá)到峰值的時(shí)間也不盡相同，這與傅國海等[20]、李宗耕等[21]的研究一致。此外，在上午9:00出現(xiàn)高峰值可能與土壤濕度有關(guān)，由于棉被打開，室內(nèi)的氣溫逐漸上升，使得土壤N2O的排放速率急劇升高。此外，三種栽培模式N2O排放通量呈現(xiàn)明顯的晝高夜低現(xiàn)象，對(duì)于整個(gè)壟部而言，SSC矮壟與SSC標(biāo)準(zhǔn)壟、土壟差異不顯著，原因可能是在甜椒苗期水肥供應(yīng)充足，而植株不能完全利用，致使基質(zhì)或土壤中的濕度過大，從而使基質(zhì)的透氣性減弱，抑制N2O排放。從各栽培處理的取氣區(qū)域來看，N2O排放通量在內(nèi)嵌區(qū)域排放波動(dòng)較大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是采用滴灌方式給植物根系補(bǔ)給養(yǎng)分，使得這一部分的溫濕度變化較大，但由于基質(zhì)栽培對(duì)于養(yǎng)分的擴(kuò)散速率較快。因此，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟栽培和SSC矮壟栽培的波動(dòng)范圍相較于土壟栽培更加穩(wěn)定。

土壤溫濕度是影響N2O排放的重要環(huán)境因子[22]，但本研究表明5 cm處土壤溫度與N2O排放并無顯著相關(guān)性，這可能因?yàn)橛绊慛2O排放的因子不僅僅只受單因素影響，而是不同環(huán)境因素協(xié)同作用的結(jié)果，尤其是當(dāng)某一環(huán)境因子超過一定范圍時(shí)，N2O排放速率就會(huì)急劇上升，這在杜婭丹等[23]研究中也有相關(guān)表述。此外，由于新型栽培模式結(jié)合了土壤與基質(zhì)的各自優(yōu)勢，改變了作物根區(qū)的區(qū)域環(huán)境，從而導(dǎo)致SSC栽培與土壟栽培模式下N2O排放略有差異。本研究采用了水肥一體化滴灌施水施肥，因而利于N2O排放[24-25]，但是不同水肥配比下N2O排放機(jī)理與排放規(guī)律尚需深入研究。

3.2 不同栽培方式對(duì)N2O累積排放量及植株生長差異的影響

本研究觀測時(shí)間段內(nèi)，三種處理不同測試位置的N2O累積排放量無顯著差異，但由于基質(zhì)與土壤相比孔隙度較大，含氧量較高，在甜椒幼苗時(shí)期氮肥供應(yīng)充足，硝化細(xì)菌較多，硝化作用較強(qiáng)[26]，在適宜的溫度范圍內(nèi)，硝化作用(25～35 ℃)和反硝化作用(30～67 ℃)[27]得以順利反應(yīng)。因此在甜椒幼苗時(shí)期，基質(zhì)栽培要比土壤栽培受環(huán)境因子影響更為明顯，本研究證明在白天適宜的土壤溫度條件下，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟栽培要比土壟栽培排放量要少。但到了夜晚，室內(nèi)溫度下降，SSC標(biāo)準(zhǔn)壟的根區(qū)溫度高于土壟的根區(qū)溫度時(shí)，N2O排放量也隨之增加。由于甜椒幼苗生長期對(duì)于養(yǎng)分的需求較低，而養(yǎng)分供應(yīng)充足，除一部分被植物根系吸收利用外，剩余的殘留在土壤、基質(zhì)中，或者以氣體的方式釋放，極大地浪費(fèi)了資源。隨著甜椒的生長，對(duì)于養(yǎng)分的吸收逐漸增大，基質(zhì)栽培相較于土壤栽培的N2O排放量會(huì)略有減小。本研究測定時(shí)間較短，只測定了日變化中溫濕度變化劇烈的時(shí)間段，可能導(dǎo)致N2O排放的日變化沒有完全捕捉，以及其它生長季的N2O排放機(jī)理尚不明確，有待在將來的試驗(yàn)中加以完善。

三種栽培處理對(duì)于甜椒苗期生長指標(biāo)的影響各有差異，SSC矮壟栽培生產(chǎn)性能比較優(yōu)越。因此，綜合考慮N2O排放與植株生長，在保證產(chǎn)量的前提下，仍需進(jìn)一步探究植株生長季的N2O排放量，以及探明新型栽培方式下，滴灌時(shí)間與溫濕度等環(huán)境因子協(xié)同互作下N2O排放的影響機(jī)理，為優(yōu)化一種高產(chǎn)、節(jié)能減排的栽培技術(shù)提供新的思路。