不同減氮措施對(duì)設(shè)施番茄氧化亞氮排放的影響?

張?jiān)矗趿偅瑥堷P華，李虎，張婧，王艷麗（.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系，新疆石河子83000；.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）

不同減氮措施對(duì)設(shè)施番茄氧化亞氮排放的影響?

張?jiān)?，王立剛2*，張鳳華1，李虎2，張婧2，王艷麗2
（1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系，新疆石河子832000；2.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）

以北京郊區(qū)設(shè)施番茄地種植模式為例，通過田間試驗(yàn)，研究了不同的減氮施肥處理（不施氮肥CK、農(nóng)民常規(guī)施肥FP、減量施氮OPT、減量施氮+硝化抑制劑OPTD）對(duì)N2O排放的影響。結(jié)果表明，每次施肥和灌溉后，設(shè)施番茄地會(huì)出現(xiàn)短而強(qiáng)的N2O排放峰，持續(xù)時(shí)間通常為3～6d，不同處理的N2O排放總量表現(xiàn)為FP＞OPT＞OPTD＞CK。施肥造成的土壤N2O排放系數(shù)為0.29%～0.74%，均低于IPCC默認(rèn)值1%。在保證產(chǎn)量的前提下，減氮措施能夠有效的減少N2O的排放。

番茄；氧化亞氮；排放

近年來，隨著人民需求的增加和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大中城市郊區(qū)的糧田逐漸轉(zhuǎn)換為設(shè)施蔬菜地[1]。由于設(shè)施蔬菜地屬于高投入獲得高產(chǎn)出的生產(chǎn)體系，相對(duì)于其它營(yíng)養(yǎng)元素，氮素具有更加突出的增產(chǎn)作用[2]。因此，長(zhǎng)期以來設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)方式一直是以施用大量氮肥來維持高產(chǎn)。大棚的塑料薄膜覆蓋阻斷了雨水對(duì)土壤的淋洗，具有高溫高濕的內(nèi)部環(huán)境，大量施用化肥，以及有機(jī)肥料投入量少，再加上多茬連作，很難引進(jìn)大型機(jī)械耕翻等原因，很容易造成N2O排放量增加等問題。而溫室氣體氧化亞氮（N2O）被認(rèn)為是21世紀(jì)破壞臭氧層的最大影響因子，其增溫潛勢(shì)是CO2的296倍，并且還具有滯留時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)[3]。有研究表明，設(shè)施栽培土壤N2O排放通量明顯高于露地栽培土壤，高達(dá)1.39倍[4]。因此，明確設(shè)施蔬菜地氧化亞氮排放特征，提出合理的減排措施，對(duì)大氣污染、提高氮肥利用率等具有重要的意義。已有研究表明，施用硝化抑制劑雙氰胺（DCD）可以顯著的降低溫室黃瓜N2O氣體的排放[5]，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使土壤銨態(tài)氮含量保持相對(duì)較高水平，并且減少硝態(tài)氮的淋失量，但目前有關(guān)硝化抑制劑（DCD）的研究在設(shè)施蔬菜田中較少。因此，本研究以京郊典型設(shè)施蔬菜地番茄種植模式為例，探討持續(xù)減氮，添加硝化抑制劑措施對(duì)N2O排放的影響，為設(shè)施蔬菜地的溫室氣體減排技術(shù)的提出提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)深入研究設(shè)施蔬菜地提高氮肥利用率，應(yīng)對(duì)全球變化和保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試供材料

試驗(yàn)于2014年2～7月在北京市的房山區(qū)竇店鎮(zhèn)的塑料試驗(yàn)大棚進(jìn)行。供試大棚長(zhǎng)為150m，寬為7m。土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，肥力水平為中等，土壤容重為1.21g/cm3，表層土壤的有機(jī)質(zhì)的含量為3.63%，全氮、全鉀及全磷的含量分別為0.21%、0.12%和1.65%，堿解氮、速效鉀及有效磷的含量分別為283.67mg/kg、371.83mg/kg和183.36mg/kg，pH值為7.74。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 各處理施氮量kg/hm2

本研究觀測(cè)時(shí)間為2014年2月28日至2014 年7月10日，種植作物為番茄。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)不同的減氮處理，分別是不施氮肥處理（CK）、農(nóng)民常規(guī)施肥處理（FP）、減量施氮處理（OPT）、減量施氮+硝化抑制劑處理（OPTD）。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為60m2。各處理氮肥用量如表1所示，化學(xué)氮肥品種為含氮量為46.4%的尿素，鉀肥為硫酸鉀，K2O含量為51%，磷肥為過磷酸鈣，P2O5含量為12%。試驗(yàn)開始前測(cè)定有機(jī)肥（牛糞）中的含水量及含氮量，分別為41.59%、1.33%。

表2 不同減氮措施下N2O的平均排放通量、排放總量、排放系數(shù)及產(chǎn)量

化學(xué)氮肥和鉀肥分5次施用，于2月26日將20%作為基肥施入，其余部分在4月21日、5月11日、5月23日、6月11日分別按20%的比例追施；有機(jī)肥和磷肥作為基肥在番茄種植前一次性施入。

OPTD處理的雙氰胺（DCD）施用總量為化學(xué)氮肥的5%，分2次施用，基肥50%，第1次追肥50%。施肥灌溉方式同農(nóng)民常規(guī)施肥方式，基肥為撒施后旋耕入土，追肥為先將肥料溶于水，后隨水沖施。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

根據(jù)氣體濃度隨時(shí)間的變化速率計(jì)算N2O氣體排放通量。氣體通量（F）計(jì)算公式為：

（1）式中，F(xiàn)為N2O的排放通量（mg/m2·h），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氣體的密度（g/L）；H為采樣箱內(nèi)氣室高度（cm）；T為采樣箱內(nèi)氣溫（℃）；P為采樣時(shí)氣壓（mmHg）；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（mmHg）；P/P0≈1；dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O -N濃度的變化速率（μl/L/h）。

未觀測(cè)日期的排放通量用相鄰2次觀測(cè)值的平均值來計(jì)算（內(nèi)插法），將觀測(cè)值和未觀測(cè)日計(jì)算值逐日累加得到N2O排放總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同減氮措施N2O排放規(guī)律

在番茄生長(zhǎng)期間，除不施氮肥處理外，不同施肥處理N2O排放規(guī)律基本一致，均呈“脈沖式”排放（圖1），且N2O排放峰值均發(fā)生在施肥+灌溉事件后，但單獨(dú)灌溉并沒有引起明顯的N2O排放峰值，其余時(shí)間N2O排放通量波動(dòng)較小。在番茄定植初期，N2O排放時(shí)間較長(zhǎng)，一般持續(xù)時(shí)間為7～11d，且最高值達(dá)到了5.31m/（m2·h）,這是由于在番茄定植期間，人為的對(duì)土壤進(jìn)行翻耕，影響了土壤通氣狀況和微生物活性，并且此時(shí)土壤具有微生物活動(dòng)的最適溫度范圍（16.6～21.6℃）和濕度范圍（WFPS：58.8%～66.6%），而作為底肥施入大量有機(jī)肥和化肥，使土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮素含量迅速提高，為N2O排放提供了充足的底物，由于番茄處在幼苗期，其根系和植株都尚未發(fā)育完全，對(duì)土壤中的氮素吸收利用效率較低，致使定植期土壤N2O排放峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在番茄追肥+灌溉后，N2O排放時(shí)間較短促，一般持續(xù)3～6d，但是單獨(dú)灌溉（3月10日）并沒有引起明顯的N2O排放，可能是因?yàn)楣喔葧r(shí)底物濃度較低，影響了N2O的產(chǎn)生與排放。

本試驗(yàn)中，各處理的N2O平均排放通量介于0.02～0.31mg/（m2·h）之間，其平均排放通量大小為FP＞OPT＞OPTD＞CK。FP處理的平均排放通量明顯高于其他處理，分別高出OPT處理2.21倍，OPTD處理3.1倍，CK處理15.5倍。與其他處理相比，CK處理的N2O平均排放通量最低，為0.02mg/（m2·h），原因是土壤中未投入氮素使其濃度較低所致。在整個(gè)生長(zhǎng)季中，F(xiàn)P、OPT、OPTD和CK處理的N2O排放通量范圍分別為-0.001～10.798mg/（m2·h）、-0.202 ～5.095mg/（m2·h）、0.020～2.328mg/（m2·h）、-0.091 ～0.505mg/（m2·h）。

圖1 不同減氮措施下設(shè)施蔬菜地N2O排放通量的變化規(guī)律（箭頭表示施肥）

2.2 設(shè)施番茄N2O排放總量及排放系數(shù)

在設(shè)施蔬菜地，施氮提高了土壤的N2O排放總量，番茄生長(zhǎng)季中土壤N2O排放總量均隨著施氮水平的提高而增加，且在不同減氮處理之間，土壤N2O排放總量差異達(dá)顯著性水平（表2）。CK、FP、OPT、OPTD各處理的N2O排放總量分別為0.86±0.14kg N/hm2、12.32±1.28kgN/hm2、5.45±0.62kgN/hm2、4.01±0.15kgN/hm2。相對(duì)于FP處理、OPT、OPTD處理在減少60%化肥氮的情況下，氧化亞氮排放總量分別減少了55.73%和67.44%。各處理排放系數(shù)介于0.29%～0.74%之間。本試驗(yàn)各處理的排放系數(shù)均低于IPCC默認(rèn)的1%，農(nóng)民常規(guī)處理為0.74%，最接近IPCC默認(rèn)值，其余減氮施肥處理均顯著低于默認(rèn)值。

2.3 不同減氮措施對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，不同減氮措施設(shè)施蔬菜地番茄產(chǎn)量之間均無顯著性差異，這表明在現(xiàn)行農(nóng)民常規(guī)施肥處理下，設(shè)施番茄地具有一定的減氮潛力。

3 小結(jié)

（1）施肥量決定了氧化亞氮峰值大小，施肥量越高，氧化亞氮排放峰值越高；（2）減量施氮處理與減量施氮+硝化抑制劑施肥處理均能有效的減少氧化亞氮的排放，其中添加硝化抑制劑處理減少幅度最大，為67.44%；（3）不同的減氮措施均能夠在保證產(chǎn)量的前提下有效減少氧化亞氮排放，因此，減氮對(duì)提高設(shè)施蔬菜地氮肥利用率，保護(hù)環(huán)境都有重要的意義。

[1]王朝輝，宗志強(qiáng)，李生秀，等.蔬菜的硝態(tài)氮累積及菜地土壤的硝態(tài)氮?dú)埩鬧J].環(huán)境科學(xué)，2002，23（3）：79－83.

[2]Tremblay，ScharofHC，WeierUetal.Nitrogenmanagement infieldvegetableaguidetodifferentfertilization［J/OL］.Chinese weatherreport，2010（5）：56-60.

[3]石龍.WM公報(bào)稱2012年大氣中溫室氣體濃度再創(chuàng)新高［J/OL］.中國(guó)氣象報(bào)，2012（1）：1.

[4]張光亞，陳美慈，閔航，等.設(shè)施栽培土壤氧化亞氮釋放及硝化、反硝化細(xì)菌數(shù)量的研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2002，8（2）：239-243.

[5]林杉，馮明磊，阮雷雷，等.三峽庫區(qū)不同土地利用方式下土壤氧化亞氮排放及其影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19 （6）：1269-1276.

2015—03—23

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：201103039。

*通訊作者：王立剛（1974-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)。主要從事全球變化背景下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)規(guī)律研究。E-mail：wangligang@caas.cn。