設施菜地水肥管理對農田土壤N2O排放的研究進展

王維漢

摘 要 設施菜地系統是重要的農田生態系統，其土壤N2O的排放引起了人們的關注，總結設施菜地不同水肥管理條件的土壤N2O排放具有重要的現實意義。基于此，總結了土壤水分、施用氮肥等對土壤N2O排放的研究現狀，分析了設施菜地土壤N2O排放的研究進展，最后提出了今后的研究方向。

關鍵詞 設施菜地;N2O;土壤水分;施肥;溫室氣體

中圖分類號：S152.7 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.33.017

1 研究背景

N2O是3種最主要的溫室氣體之一，也是增溫趨勢最為明顯的氣體之一，被譽為21世紀溫室效益最大的影響因子[1]。N2O會破壞臭氧層，增加太陽輻射，阻止大氣熱量向外太空擴散，帶來溫室效應，影響人類生存環境。農業生產活動是影響土壤N2O氣體排放的重要因素，也是N2O氣體排放的重要來源，更是近期大氣中N2O氣體濃度上升的重要原因。設施菜地生產是重要的農業生產活動，近年來受到越來越多的關注。

我國是世界上重要的蔬菜大國，是世界上設施蔬菜栽培面積最大的國家，而且隨著人民生活水平的提高，設施蔬菜在我國發展潛力巨大[2-3]。設施蔬菜生長期較短的特點決定了其施肥量特別大，遠遠高于大田作物[4]。有統計資料顯示，設施菜地氮肥施用量占全國氮肥施用量的17%，大量施用氮肥必然導致土壤氮素含量上升，進而會影響土壤硝化反硝化過程。設施蔬菜的生長環境決定了其復種指數較高，灌溉和施肥較為頻繁，其目前主要采用滴灌、微噴等高效節水灌溉方式，良好的水肥條件會加速土壤氮素的硝化與反硝化過程，進而影響土壤N2O排放[5]，目前，這一領域的研究尚不夠充分[6]。因此，總結設施菜地不同水肥管理條件的土壤N2O排放就顯得十分有意義。

2 農田土壤N2O排放及其與土壤水分關系

農田土壤N2O排放的環境影響因子很多，包括土壤理化特性、微生物活動、水分和肥料情況等，而影響土壤N2O排放的人類活動因子主要是農田灌溉、人工施肥及作物種植等[7]。

土壤中含水量是農田N2O氣體排放的一個重要影響因素，其高低會影響土壤中氨態氮和硝態氮的分布及微生物的有效性。在土壤含水量較低時，土壤中的硝化作用和反硝化作用較弱，隨著土壤含水量的增加，N2O的排放通量逐漸增加，但是當土壤含水量超過一定的范圍，比如77%～86%的飽和含水率或90%～100%的田間持水率范圍，N2O的排放通量反而會逐漸降低。在土壤含水量較低時，土壤空隙較大，氧氣含量的增加加速了硝化作用，土壤含水量增加時，土壤含氧量降低促進了反硝化作用。農田的灌溉或降雨將導致土壤存在一定的干濕交替，進而影響土壤N2O的排放。很多學者在淹水灌溉、稻田的控制灌溉、降雨等試驗處理上對土壤N2O的排放進行了研究，提出了很多關于土壤N2O排放規律的成果。

3 農田土壤N2O排放及其與施用氮肥的關系

土壤銨態氮和硝態氮是土壤硝化作用和反硝化作用的底物，其大小直接影響土壤N2O的排放，其排放量會隨著氮肥施用量的增加以指數形式增長[8]。據統計，中國農田N2O排放中的77.64%是由施用化學氮肥導致的，且有機構提出采用1.25%作為農田化學氮肥的N2O排放因子。

施用氮肥能夠促進土壤N2O排放，且會導致短期內劇烈排放，主要原因是施用氮肥加劇了土壤硝化和反硝化作用，且研究表明酰胺態氮肥對N2O排放的影響高于銨態氮肥和硝態氮肥。也有研究表明，硝態氮的大量存在會影響土壤硝化反硝化過程，從而抑制N2O還原為N2[9]，且反硝化速率與可礦化碳含量的相關性較大，與全碳含量也會呈顯著相關。氮肥對N2O排放的影與施用氮肥的種類、施用肥料的類型、施肥量及環境因素等都有關系。有研究表明，常規施氮土壤N2O排放通量高于控制施肥，控制施肥可以有效降低土壤N2O的排放。

4 設施菜地系統的N2O排放研究

設施菜地系統是一個典型的農田生態系統，良好的濕熱條件加上灌溉頻繁，大量施肥量，導致消化反硝化作用明顯，N2O排放不同于大田生態系統。

有研究指出，設施菜地系統中的土壤N2O排放通量遠高于大田作物，土壤N2O排放總量與生育期的施氮量間呈顯著的指數函數關系，且肥水管理模式對N2O排放影響較大，尤其是農田灌溉和人工施肥措施對N2O產生和排放影響巨大。

也有研究表明，頻繁灌溉是促進土壤N2O排放量高的主要原因之一，使用滴灌施肥一體化技術可以減緩土壤水分干濕交替的劇烈程度，進而削弱土壤硝化和反硝化的強度，降低土壤N2O排放。在設施菜地滴灌時，土壤濕潤的方式與常規灌溉不同，相對于溝灌處理，滴灌土壤含水量相對較低，反硝化作用強烈，N2O累積排放量降低了。有研究表明，精確滴灌施肥技術可以有效降低氮素的流失率，與常規灌溉相比，滴灌施肥區域的N2O排放通量降低較多。

5 結論與展望

設施菜地系統是重要的農田生態系統，對農田N2O排放有著重要影響。設施蔬菜特殊的種植模式，往往需要“大水大肥”，會導致劇烈的硝化和反硝化作用，進而影響著土壤N2O的排放。基于此，總結了土壤N2O排放與水分、施肥的關系，分析了設施菜地系統的土壤N2O排放。

通過總結與分析可以得出以下結論。1）很多學者已經注意到水分管理對于設施菜地生態系統土壤N2O排放的重要性，但很少從設施菜地的灌溉方法或土壤水分分布等方面入手進行土壤N2O排放的研究。2）滴灌技術是近代世界各國積極倡導和實踐的先進節水灌溉方法，隨著滴灌技術的大量應用，其帶來的農田生態環境效應（水分深層滲漏、硝態氮淋失等）也引起了人們的關注，但對另外一個農田生態環境問題“溫室氣體排放”關注度不夠，還有待進行系統研究。3）設施菜地系統是一個重要的農田生態系統，其溫室氣體（主要是N2O）排放規律及影響因素往往和大田作物不同，且目前相關的研究較為薄弱。因此，設施菜地系統的N2O排放規律和影響機理有待進行深入的研究。

參考文獻：

[1] IPCC.Climate Change 2013： Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report[R].The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013.

[2] 喻景權.“十一五”我國設施蔬菜生產和科技進展及其展望[J].中國蔬菜，2011（2）：11-23.

[3] 段志堅，馬君珂，劉記強，等.我國設施蔬菜產業發展態勢-訪中國農科院蔬菜花卉所栽培與產后加工室主任張志斌[J].農家參謀，2010（4）：1-2.

[4] Cui M，Sun X，Hu C， et al.Effective Mitigation of Nitrate Leaching and Nitrous Oxide Emissions in Intensive Vegetable Production Systems Using A Nitrification Inhibitor， Dicyandiamide[J].Journal of Soils and Sediments，2011，11（5）：722-730.

[5] 陳海燕，李虎，王立剛，等.京郊典型設施蔬菜地N2O排放規律及影響因素研究[J].中國土壤與肥料，2012（5）：5-10.

[6] He F， Jiang R， Chen Q， et al. Nitrous Oxide Emissions from an Intensively Managed Greenhouse Vegetable Cropping System in Northern China[J].Environmental Pollution，2009，157（5）：1666-1672.

[7] Van Groenigen J W， Zwart K B， Harris D， et al.Vertical Gradients of δ15N and δ18O in Soil Atmospheric N2O-temporal Dynamics in a Sandy Soil[J].Rapid Commun Mass Spectrom，2005，19（10）：1289-1295.

[8] 鄒建文，劉樹偉，秦艷梅，等.不同水分管理方式下水稻生長季N2O排放量估算：模型應用[J].環境科學，2009，30（4）：949-955.

[9] 蔡祖聰，徐華，馬靜.稻田生態系統CH4和N2O排放[M].北京：中國科學技術大學出版社，2009.