連續多年施肥后設施土壤N2O排放通量特征

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，其增溫效應約為CO2的320倍[1]，在大氣中的滯留時間可達150年[2]。此外，它還可以破壞平流層中的臭氧[3]。N2O對環境的巨大危害性，引起了科學界的廣泛關注。研究發現，中國農田土壤直接和間接排放的N2O分別占全國N2O排放總量的55.8%和15.1%[4]。農田中，N2O的排放受土壤微生物種群結構和特征、土壤施氮量、有機碳含量、土壤溫度及土壤含水量等因素的綜合影響[5-6]。施肥量的增加會為土壤硝化和反硝化過程提供底物，進而提高N2O排放量[7-8]。與施用化學氮肥相比，施用有機肥能夠顯著增加N2O的排放[9]。有機肥料主要通過改變土壤C/N來影響微生物活性進而影響土壤N2O的產生和排放[10-11]。溫度會影響土壤有機質分解和土壤生物活性，降低土壤溫度能減少N2O排放。有研究者發現，當土溫在20～40 ℃時，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性[13]。依據土壤特性不同，N2O排放的最佳含水量為50%～80%或60%～90%[14]。干濕交替也會引起N2O劇烈排放。Cui等[15]研究發現，設施菜田土壤每次灌水均有N2O排放峰值產生，這主要是因為灌溉增加了土體土壤濕度，減少了土壤基質中氧氣的含量，激發了土壤部分區域的反硝化作用。在施肥、水分、溫度等各種因素綜合作用下，設施土壤N2O排放量遠遠高于糧田和其他生態系統[16]。目前，大多數關于N2O排放特征的研究處理時間較短，對連續多年不同施肥處理后設施菜地N2O排放的研究相對較少。本研究利用原位監測手段，研究連續10年不同施肥處理后，設施菜地土壤N2O排放情況，以期為設施菜地土壤溫室氣體減排提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年1月至12月在北京市大興區青云店鎮日光溫室進行，供試土壤為潮土。該溫室從2008年1月開始常年設有4個處理，分別為不施肥(T0)、有機無機配施(T1)、單施有機肥(T2)和單施化肥(T3)。每個處理3次重復，每個小區面積為6.5 m×4.5 m。2008年試驗前表層(0～20 cm)土壤有機質12.99 g/kg，全氮1.24 g/kg，硝態氮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 試驗設計

供試作物為京甜3號辣椒。辣椒種植行距40 cm，株距30 cm。采用滴灌方式灌溉施肥，具體管理措施見表1。處理施用的有機肥為商品有機肥，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%根據辣椒的生長趨勢和天氣狀況分3次分別在門椒、對椒、四母斗時期隨水追施(用量分配比例為3∶3∶2)。試驗期為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 氣體樣品采集及測定

試驗中每個小區放置一個靜態箱，靜態箱為正方形的PVC材料罐，長寬均為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。箱體內頂部固定一個風扇以混勻氣體，箱體內部分別放置采氣管和溫度探頭。靜態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開始取樣，采氣時將采樣箱扣在底座凹槽內，打開風扇，檢查密封性，確認沒有漏氣現象后開始計時。迅速分別于0 min、10 min、20 min、30 min用帶刻度注射器采集靜態箱中22 ml氣體于真空瓶中(取樣瓶為Lanco Exetainer)，并記錄取樣時箱內溫度，氣體帶回實驗室進行測定。

測定使用的氣相色譜儀型號為Agilent 7890，測定N2O的檢測器為電子捕獲檢測器(ECD)，測定溫度為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 計算公式

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

整個辣椒生長季的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)進行，Pearson相關性分析，統計軟件為SPSS13.0。

2 結果與分析

2.1 春夏季設施菜地土壤N2O排放通量變化

春夏季設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排放通量在有機肥一次性底施后約30 d的時間內都在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排放通量均呈現迅速上升的趨勢，引起N2O排放峰值的出現，兩個處理排放峰值均在追肥后0～3 d出現，能持續3～5 d左右。

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

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

2.2 秋冬季設施菜地土壤N2O排放通量變化

秋冬季設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，這可能是因為棚內氣溫和土壤溫度相對較高。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，出現了1個N2O排放高峰，4 d后下降，之后都維持在一個較低的水平，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，均有一個較高的N2O脈沖式排放，但后2次追肥后出現的峰值明顯低于春夏季追肥后出現的排放峰值。

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

2.3 設施菜地不同施肥處理N2O排放總量及排放系數比較

由表3可見，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，僅施有機肥處理(T2)比T0處理排放總量高7～10倍，有機無機配施處理(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，表明無論施用有機肥還是化肥都對土壤環境產生了明顯影響。

單施有機肥處理(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%。有機無機配施處理(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%。這說明，在底物相對一致的前提下，有機肥的施用為反硝化過程提供了所需的能量，從而促進了反硝化過程，增加了土壤N2O排放量。

計算各處理N2O-N排放占其氮素投入的損失系數，結果表明各處理N2O排放系數介于0.45%和0.93%之間。單施有機肥處理(T2) N2O排放系數最高，秋冬季為0.93%，春夏季為0.91%；其次為有機無機配施處理(T1)和單施化肥處理(T3)。

表3 不同施肥處理條件下設施菜地土壤N2O排放總量和排放系數

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的C/N的話，微生物活性就會得到增強，土壤N2O排放量就會得到提高[17-19]。本試驗發現有機肥的施用可以增加土壤N2O排放，在氮素總量投入相對一致的前提下，連續10年有機無機混施后，與單獨施用化肥相比，土壤N2O排放總量增加了14.4%～31.8%，這可能是因為連續多年僅投入化肥，土壤微生物可利用的碳源有限，其活性下降，而添加有機肥后微生物碳源相對較多，加之土壤溫度、濕度適宜的情況下，礦化的氮素也會增加，C/N適宜，微生物活性加強，從而導致土壤N2O排放量增加。

本研究發現設施菜地連續10年有機無機混施后，與單獨施用有機肥相比，土壤N2O排放總量減少28%左右。這與王耀聰等[10]報道結論不一致，其有機無機混施處理比單施有機肥處理N2O排放總量增加了1.5倍。張仲新等[6]也報道了有機無機配合施用處理比單獨施用有機肥處理N2O排放總量高1.3倍。這可能是其研究中有機無機混施處理比單獨施用有機肥處理氮素投入量低導致，此外，本研究是基于連續多年施肥處理后的土壤開展的，相比于單季處理的研究土壤物理和生物性狀可能發生了一定變化，從而影響了土壤N2O排放。

本試驗中各處理的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道的3.616 kg/hm2接近，但低于有關報道的18.62～27.73 kg/hm2 [8,10,20]。有機無機配合施用處理一季N2O排量總量為4.06～4.21 kg/hm2，低于張仲新等[6]報道的8.266 kg/hm2，遠低于王耀聰等[10]報道的112.46 kg/hm2。單獨施用有機肥處理一季N2O排量總量為5.72～5.85 kg/hm2，也低于王耀聰等[10]報道的44.99 kg/hm2，這可能與本研究監測頻率偏低有關，試驗只在施肥后進行了加密監測，在空水灌溉后未安排氣體采集，可能沒有捕捉到灌水產生的N2O排放峰值[21-23]。此外，本試驗氮素投入量低也可能是排放量低的原因。

不同學者對設施菜田土壤N2O排放系數研究結果差別很大，山東省壽光地區平均每年設施番茄生產體系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排放系數達4.6%[25]，也有N2O排放系數高達6.8%的報道[10]。本研究各處理N2O排放系數介于0.45%至0.93%之間，均低于Bouwman提出的N2O排放系數1.25%。N2O排放系數差別較大，很可能是時間、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 論

綜上所述，設施菜田土壤有機肥和氮肥基施后均會顯著增加土壤N2O排放，追施氮肥后0～3 d也會出現明顯的排放高峰。在氮素總量投入相同的前提下，連續10年有機無機配施后，土壤N2O的排放量比單獨施用有機肥低，但比單獨施用化肥多。因此，合理施用有機肥是減少溫室氣體N2O排放的重要措施。