集約化菜地N2O排放及減排
——基于文獻整合分析

吳 震，陳安楓，朱爽閣，熊正琴

（南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇省低碳農業和溫室氣體減排重點實驗室，南京210095）

我國蔬菜種植產業發展迅速，種植面積由1980年的316 萬hm2（占農作物總播種面積的2.2%）發展到2018 年的2044 萬hm2（占農作物總播種面積的12.5%）[1]。我國蔬菜播種面積和產量均占世界總量的40%以上[2]。與傳統露天菜地不同，溫室蔬菜生產模式能夠延長蔬菜生長季節，提高經濟效益，解決蔬菜生產時空分布不均的矛盾，其經濟產值已占蔬菜產業總產值的60%以上[1]。原農業部《全國種植業結構調整規劃（2016—2020年）》提出，到2020年我國蔬菜面積要穩定在2100萬hm2左右，其中溫室蔬菜要達到420萬hm2[3]。

作為當前低碳農業的評估指標，綜合凈溫室效應是基于生命周期評價方法，計算農產品生產系統內各種溫室氣體排放與消納之和，并以CO2當量形式表達，評價對氣候變化的單一影響[4]。通過田間實測計算，綜合分析4 種不同葉菜類蔬菜大棚復種體系下的綜合凈溫室效應均以N2O 田間直接排放為主，凈碳收支、CH4排放甚至農業措施碳排放所占比例均較低[5]。Zhou 等[6]綜合分析不同有機無機替代的蔬菜種植體系碳足跡、氮足跡及生態系統凈經濟效益后，提出氮肥等肥料生產和N2O 田間直接排放是蔬菜生產中碳足跡的主要環節。考慮到現有田間觀測測定數據十分有限，本文關于菜地生態系統固碳減排的研究集中為對其N2O田間直接排放及減排的整合分析。

我國2018 年的農田氮肥總用量（不包括復合肥）已達2065 萬t N[1]，而菜地的氮肥投入量和復種指數遠高于一般農田。據估計，露天和溫室菜地每季氮肥投入量平均為201 kg N·hm-2和478 kg N·hm-2[7]，溫室菜地的氮肥用量是露天菜地的2～5 倍[2，8]。蔬菜生長過程中對氮肥的利用率僅為18%～33%，遠低于玉米、小麥和水稻等大田作物[9]。過量的氮肥施用造成土壤中無機氮大量殘留，最終通過氨揮發、淋洗和徑流以及反硝化等途徑損失[10]。譬如，菜地生態系統N2O排放量遠高于一般農田[11]，占中國農田總排放的20.0%～21.4%[12]。Wang 等[13]估計中國露天和溫室菜地土壤N2O 排放量分別為2.62 kg N·hm-2和6.22 kg N·hm-2。減施氮肥[14]、配施硝化抑制劑[14]、有機肥替代[6]、施用生物質炭[15]、優化灌溉[16]等被推薦為減緩菜地N2O排放的優化措施。

本研究收集了中國菜地關于N2O 排放及各優化措施對菜地N2O 排放影響的田間原位觀測數據，通過文獻整合分析評估各優化措施對菜地N2O 排放的減緩效果，對于實現集約化蔬菜生產的可持續發展有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 數據收集

從“中國知網”和“Web of Science”上收集關于菜地N2O 排放及減排的研究論文，分別以“氧化亞氮”“蔬菜，菜地”“nitrous oxide，N2O”和“vegetable”為關鍵詞，檢索發表至2019 年9 月的研究文獻。篩選標準為：（1）試驗為田間原位觀測且監測整個蔬菜生長期N2O 排放，有明確的N2O 累積排放量或者可通過文中數據計算獲得；（2）試驗同時設置對照組和處理組，對照組為常規管理措施，處理組為減施氮肥、有機肥替代、配施硝化抑制劑、施用生物質炭或優化灌溉等優化減排措施；（3）有明確的氮肥用量。最終獲得N2O排放及減排措施的田間原位觀測論文50 篇（見OSID碼），包括211 組有效數據。提取信息包括：對照組和試驗組N2O排放量平均值、標準差和樣本量，未施氮空白處理N2O排放量、蔬菜產量、氮肥類型、施氮量、試驗時間、種植類型（露天菜地、溫室菜地）。N2O累積排放量以N計，單位為kg N·hm-2；氮肥用量以N計，單位為kg N·hm-2；蔬菜產量為鮮質量，單位為t·hm-2。

1.2 整合分析方法

以各優化措施作為處理組，常規管理措施作為對照組，利用MetaWin 2.1軟件進行整合分析，其效應值計算如下：

lnR=ln（xt/xc）

式中：R 為效應比；lnR 為效應值；xt和xc分別為處理組和對照組N2O排放量。

經檢驗，效應值lnR 近似滿足正態分布，其方差計算如下：

式中：v 為效應值方差；St和Sc分別為處理組和對照組的標準差；nt和nc分別為處理組和對照組的重復數。

選取隨機效應模型計算每一組數據的平均效應值和95%置信區間。當任一效應值的95%置信區間與0 重疊時，表明試驗組和對照組沒有差異；反之，則認為處理組對該指標的影響具有統計學意義。各優化措施對N2O的減排潛力計算如下：

式中：M 表示與對照組相比，處理組N2O 排放量的變化率，%；負變化率則轉換為正值，表示對N2O 的減排潛力。

若研究同時監測未施氮空白處理N2O 排放量，則計算N2O排放系數如下：

式中：N2Of和N2Oc分別表示施氮和未施氮處理中N2O累積排放量，kg N·hm-2；Nf表示氮肥施用量，kg N·hm-2。

若研究同時報道蔬菜產量，則計算單位產量N2O排放量（kg·t-1）如下：

單位產量N2O排放量=N2O累積排放量/蔬菜產量

利用各研究中常規處理即對照組N2O 排放量、施氮量、產量和觀測周期，計算中國菜地N2O 年排放量、年施氮量和產量。

1.3 統計分析

利用MetaWin 2.1 整合分析，利用Origin 2018 對數據進行正態分布、線性擬合及圖片制作，采用SPSS 22 獨立樣本t 檢驗進行指標間的差異分析，采用單因素和Tukey′s HSD 法進行方差分析和多重比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 菜地生態系統N2O排放規律

在當地常規管理措施下，露天菜地的年均氮肥用量為1383 kg N·hm-2（506～5400 kg N·hm-2），而溫室菜地為2003 kg N·hm-2（177～4650 kg N·hm-2），年均蔬菜產量和N2O 累積排放量均隨著氮肥用量的增加而增加，然而N2O 排放系數和單位產量N2O 排放量沒有隨著氮肥水平而發生顯著變化（圖1）。圖2則是綜合考慮了各優化措施的所有處理，表明露天菜地和溫室菜地N2O 排放系數在實際施氮量＜500 kg N·hm-2時基本相同，且露天菜地N2O 排放系數隨著施氮量增加而增加，而溫室菜地N2O 排放系數在不同施氮量下基本相同（圖2a）。同時露天菜地單位產量N2O 排放量隨著施氮量增加而增加，且在施氮量＞1000 kg N·hm-2時，露天菜地單位產量N2O 排放量高于溫室菜地（P＜0.01）（圖2c）。無機肥施用下N2O 排放系數隨著施用量增加而增加；與無機肥相比，有機肥或有機無機配施降低了高氮肥投入下（＞1000 kg N·hm-2）的N2O排放系數（P＜0.01）（圖2b）。此外，無機和有機肥施用下單位產量N2O 排放量均隨著氮肥用量增加而增加（圖2d）。

2.2 優化措施對菜地生態系統N2O的減排潛力

總體而言，各優化措施對菜地生態系統N2O 累積排放量的影響效應值lnR 符合正態分布。各優化措施處理與對照處理N2O 排放量呈顯著正相關；同時其線性相關的斜率顯著小于1，表明各優化措施顯著影響菜地生態系統N2O排放（圖3）。

如圖4 所示，減施氮肥（共69 組）、配施硝化抑制劑（共46 組）、有機肥替代（共21 組）、施用生物質炭（共45組）和優化灌溉（共30組）均能有效減少菜地生態系統N2O 排放，平均減排潛力為36.6%。減施氮肥整體上降低菜地生態系統N2O 排放達到49.4%，且隨著氮肥施用量的減少，其N2O 減排率增高；配施硝化抑制劑雙氰胺（DCD）和2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）的減排幅度分別達到43.6%和22.4%；相對于單施化肥，有機肥替代顯著降低N2O 排放達19.7%；施用生物質炭降低N2O 排放29.1%，生物質炭用量為30 t·hm-2時減排潛力最高，達到58.9%；與傳統灌溉相比，優化灌溉減排N2O達34.3%。

不同施氮量下各優化措施對N2O 排放的影響不同（圖5）。減施氮肥、配施硝化抑制劑或生物質炭在低施氮下（＜500 kg N·hm-2）減排效果較好，而優化灌溉在不同施氮量下減排潛力相當。

3 討論

3.1 氮肥在蔬菜生產和N2O排放中的關鍵作用

圖1 常規管理措施下菜地氮肥用量與蔬菜產量、N2O排放量、N2O排放系數和單位產量N2O排放量的線性回歸分析Figure 1 Relationship between N application rate and vegetable yield，cumulative N2O emission，N2O emission factor，and yield-scaled N2O emission under local farmer′s practices

氮素是促進植物生長和維持產量的必需營養元素。我國蔬菜種植種類繁多，其生長特點和需肥規律各不相同，但由于蔬菜生長周期短，且復種指數高，因此大量頻繁施用氮肥成為蔬菜高產的保障。如圖1a所示，農民習慣施肥中，蔬菜產量隨著氮肥施用量的增加而增加，但是在低氮用量和未施氮肥的處理中也可獲得較高的產量。這可能是由于蔬菜生長過程中對氮肥的利用率低[9]，土壤中殘留的氮肥仍可被下季蔬菜吸收利用。過量施氮非但不會增產，反而可能減產[10]。土壤N2O 排放隨施氮量增加呈線性增加（圖1b），也有研究認為N2O 排放與施氮量呈非線性增加關系[17]。

溫室菜地因有更高的施肥和灌溉量而被認為其N2O 排放量會更高[13]。盡管溫室菜地背景排放和施肥引起的N2O 排放比露天菜地高1.3～1.5 倍，但由于溫室菜地施氮量比露天菜地高1.7 倍，使得溫室菜地N2O 排放系數低于露天菜地，特別是在施肥量大于500 kg N·hm-2時（圖2a）。Gerber 等[18]研究也發現，增加氮肥投入并不會增加單位施肥量的N2O 排放。綜合考慮蔬菜產量和菜地N2O 排放，在氮肥投入大于500 kg N·hm-2下，溫室菜地單位產量N2O 排放量低于露天菜地（圖2c）。因此，與露天菜地相比，高氮肥投入的溫室菜地在獲得更高產量的同時，能降低單位產量N2O排放。

3.2 各優化措施對菜地生態系統N2O的減排潛力

3.2.1 減施氮肥

施用氮肥是保證蔬菜產量的重要手段，但在我國蔬菜生產中過量施氮已成為普遍現象[10]。如圖1 所示，最高施氮量已遠超1000 kg N·hm-2。過量氮肥會造成巨大的農田N2O 排放，Song 等[19]在我國華北平原研究表明，N2O 排放量與施氮量呈指數增加關系。蔬菜對土壤氮素的吸收能力有限，長期集約化種植導致菜地土壤無機氮本底值較高，而減氮后足以滿足蔬菜生長對氮素的需求[14]，減施氮肥是直接降低菜地N2O排放的措施。Zhang等[20]也發現菜地施氮量減少三分之一，能有效降低菜地單位產量N2O 排放量，這與本研究結果一致（圖4b）。在菜地中實施減量施氮、合理優化施肥是有效降低集約化菜地N2O 排放的生產方式。

圖2 綜合分析露天vs溫室菜地以及無機肥vs有機肥不同氮肥用量下N2O排放系數和單位產量N2O排放量Figure 2 Integrative analyses of N2O emission factor and yield-scaled N2O emission as affected by N application rate in the open-field vs greenhouse system or inorganic vs organic N fertilization

圖3 本研究中所有效應值的頻率分布以及實驗組與對照組N2O排放量的線性回歸Figure 3 Frequency distributions of the effect size classes among all observations and the relationship of cumulative N2O emissions between the treatments and the controls

3.2.2 配施硝化抑制劑

硝化抑制劑調控氮素生物化學循環[21]，抑制土壤微生物的硝化作用和反硝化作用，減少硝態氮淋失和硝化及反硝化過程中N2O排放[22-24]。除了常用的化學硝化抑制劑，生物硝化抑制劑也表現出與化學硝化抑制劑同等的N2O減排效果[25]。

圖4 各優化措施對菜地生態系統N2O排放量的影響Figure 4 Responses of cumulative N2O emissions to various optimizing practices in vegetable ecosystems

本文整合46 組配施硝化抑制劑DCD 和CP 在菜地的應用數據，表明其降低N2O 排放幅度達33.2%。前人研究也發現配施硝化抑制劑在旱地、水田和草原等各種生態系統中降低N2O排放達38%[26]。李雙雙[27]通過同位素自然豐度映射方法結合分子生物學方法，表明配施硝化抑制劑既可以降低施肥和灌溉之后硝化或真菌反硝化所產生的N2O，也可降低細菌反硝化或硝化細菌反硝化所產生的N2O。本研究還表明配施硝化抑制劑在低施氮下對N2O 排放的抑制效果更好（圖5），說明減施氮肥結合配施硝化抑制劑具有更大的N2O減排潛力[14,17]。

3.2.3 有機肥替代

圖5 不同施肥量下各優化措施對N2O的減排潛力Figure 5 N2O mitigation potentials in various optimizing practices as affected by different N application rates

施用有機肥對保障農業可持續發展具有重要作用[28]。施用高C/N 有機肥不僅為土壤中微生物提供碳源，增加土壤C/N 和微生物對土壤無機氮的固持[29]；同時有機肥替代無機氮肥，使得微生物可以直接利用的無機氮量減少，降低各種形式的氮素損失[30]；從而降低硝化作用和反硝化作用底物有效性[31]，影響微生物活動和N2O 排放[32]。本研究表明施用有機肥或有機無機肥配施顯著降低菜地N2O 排放達26.6%（圖4）。與單施化肥相比，有機肥或有機無機肥配施在高氮肥投入下降低N2O排放系數（圖2b）。同時，施用有機肥還能直接增加菜地土壤固碳量，進一步減緩氣候變化[6，28-29]。

3.2.4 生物質炭添加

生物質炭是由作物秸稈、木屑或工農業中的有機廢棄物在限氧或無氧下高溫熱分解的固體殘留物，其含碳豐富，對改良土壤、提高作物產量和緩解全球變暖等有著重要作用[33]。生物質炭由于對銨態氮的吸附作用，可降低氮肥施入后的底物有效性[15，33]。同時生物質炭促進反硝化作用中N2O 進一步還原為N2，導致反硝化產物N2O/（N2O+N2）的比值降低而抑制N2O 產生[34]。由于蔬菜地灌溉頻繁，反硝化是菜地土壤中N2O 的主要產生路徑[35]；Liu 等[36]發現在反硝化主導N2O 產生的土壤中，生物質炭具有較好的減排效果；同時，生物質炭提高集約化蔬菜生產中的氮素利用率，增加蔬菜產量，降低單位產量的N2O 排放量[15]。

施用生物質炭對農田土壤N2O 排放影響不一，對N2O 減排率變化范圍大，模擬實驗和大田試驗整合分析結果分別為54.0%[37]、30.9%[38]和12.4%[39]。這與生物質炭類型、生產過程、農田土壤類型和水肥管理等有關[37-38]。本研究生物質炭對中國菜地N2O的減排率達到29%，與Borchard 等[40]對全球谷物和蔬菜種植中生物質炭的N2O減排率結果一致。

3.2.5 優化灌溉

土壤含水量影響土壤通氣狀況、微生物活性，進而影響土壤中N2O 產生、消耗和傳輸過程。頻繁灌溉是蔬菜種植的一大特點，土壤濕度是影響N2O 排放的主要因素[41]。由于我國水資源供需矛盾突出，傳統大水漫灌的模式不僅水肥利用效率低，而且增加土壤N2O 排放[41]，主要是傳統大水漫灌模式下干濕交替促使土壤硝化和反硝化作用交替進行[42-43]，進一步增加反硝化作用產生的N2O[44]。高灌溉菜地N2O 排放通量遠高于低灌溉菜地[45]。優化灌溉可實現水肥一體化，適時、適量地滿足農作物對水分和養分的需求，在保持或增加產量的前提下，既節水節肥又減排，是值得推薦的技術[16]。

4 結論

（1）中國菜地氮肥投入高，雖增加產量，卻顯著增加N2O排放和單位產量N2O排放量。

（2）與常規施肥措施相比，蔬菜生產中減施氮肥、配施硝化抑制劑、有機肥替代、施用生物質炭和優化灌溉等優化措施均能有效降低N2O 排放，平均減排幅度達36.6%。

（3）與露天菜地相比，溫室菜地集約化生產程度更高，施肥量、產量和N2O 總排放量均高，其優化減排措施帶來的減排效果更明顯，N2O 排放系數和單位產量N2O排放量較低。