谢海宽，李贵春，徐 驰，丁武汉，江雨倩，王立刚，李 虎*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，中国农业科学院－美国新罕布什尔大学可持续农业生态系统研究联合实验室，北京 100081；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

近年来，我国蔬菜种植面积呈现持续增加的趋势。截至2015年，我国蔬菜种植面积占全国农作物总播种面积比例，已经从1995年的6.35%增长到了13.22%[1]。其中设施菜地面积占蔬菜种植面积的18%[2]。设施蔬菜种植系统不同于大田作物系统，不仅有独特的土壤环境，而且具有施肥量大、灌溉频繁、复种指数高等特点。而大量氮肥投入引起的N2O排放等全球气候变化问题已经引起了广泛关注。有研究表明，农业生产N2O排放量占全球排放总量的20%～30%[3]，其中约20%来源于蔬菜种植系统[4]。随着社会的发展和人们生活水平的提高，设施蔬菜种植面积在未来几年中仍将呈现增加的趋势[2]。因此研究设施菜地N2O排放对于农业减排有重要意义。同时，由于我国水资源供需矛盾突出，而传统灌溉模式（大水漫灌）不仅具有耗水量大、水肥利用效率低、作物产量与品质低等缺点[5]，而且增加了土壤N2O的排放[6]。近年来，滴灌施肥作为设施菜地一种有效的节水节肥措施受到了广泛的推广和关注。滴灌施肥技术是将肥料溶解于灌溉水，通过管道将肥水溶液输送到作物根部附近土壤，使作物根系的土壤保持适宜的水肥和营养以供作物吸收利用，具有节水、节肥、提高产量的特点[7]。滴灌施肥技术与常规漫灌技术相比，不仅可以提高作物产量10%～20%、节水50%～80%、提高水肥利用效率30%左右[8－10]；而且可以降低 N2O 累积排放量 30%～40%[11－12]。虽然近些年来关于滴灌施肥技术对设施菜地N2O排放特征影响的研究逐渐增多，然而，滴灌施肥由于其管理的复杂性，如灌溉时间长、频率高、水肥交互作用较强，对N2O的减排作用仍存在较大不确定性。有研究表明灌溉方式的不同，会引起土壤湿度间存在差异。而在土壤温度适宜的情况下，土壤湿度会成为影响N2O排放的主要因素，从而造成不同灌溉方式下N2O排放的差异[13]。这是由于土壤水分不仅影响微生物活性，也影响N2O在土壤中的运输及向大气的扩散[14]。也有研究表明，滴灌由于灌溉频率较传统漫灌更高，通常会形成有利于反硝化作用发生的厌氧环境，反而增加了N2O排放[15]。尤其是在高温高湿受人为干扰强烈的设施菜地系统，势必会对O2供应及氮素的迁移转化产生重要的影响，从而影响N2O的产生和排放过程。因此，探讨设施菜地不同灌溉方式对N2O排放的影响因素，尤其是滴灌技术对N2O排放的影响的长期年际效应，将会为N2O排放提供科学的数据支撑，对于制定合适的农田温室气体减排措施有重要意义。本研究拟通过对京郊典型设施蔬菜黄瓜在不同年份间的N2O排放特征进行分析，以探讨漫灌和滴灌施肥措施下设施菜地N2O排放特征及其年际差异，分析其主要因素，以明确N2O排放的长期变化特征。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于北京市房山区窦店镇芦村芦西园，地处东经 116°01′、北纬 39°38′，属于暖温带半湿润半干旱季风性气候，四季分明，年平均气温11.9℃，年平均降水量583 mm，年相对湿度为61%，全年平均日照时数2554 h。日光温室为普通的半拱圆形塑料大棚，长155 m、宽6 m。大棚塑料膜无色透明，其顶部和底部分别设有通风口。温室塑料膜上盖有棉被，以保持严寒季节夜间的温度，雨雪天气时封闭通风口防止雨水进入。蔬菜定植后覆盖黑色地膜以保持水分、提高地温、防止杂草。供试土壤为褐土，质地为粉质壤土，土壤表层（0～20 cm）基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

本试验观测时间为2015年2—6月、2016年3—7月，种植作物为黄瓜。试验设置3个处理，分别为：对照处理（CK），漫灌施肥处理（FP），滴灌施肥处理（FPD）。本研究主要关注在相同施氮量条件下，漫灌施肥和滴灌施肥N2O排放的差异，因此没有设置滴灌不施肥处理。每个处理设置3次重复，共9个试验小区，每个小区由隔离带隔开，小区面积为6 m×8 m=48 m2。不同年份各处理施肥量和灌溉水量如表2所示。有机肥为牛粪（含水量41.59%），氮肥为尿素（含氮量46.4%），磷肥为过磷酸钙（P2O512%），钾肥为硫酸钾（K2O 33%）。有机肥和过磷酸钙均做底肥于定植前一次性施入，硫酸钾和尿素分基肥和追肥在不同时期施用于各小区内。基肥撒施后翻耕入土，作物定植后漫灌；追肥时CK处理和FP处理灌溉方式为漫灌，肥料溶于水后随水施入，而FPD处理采用滴灌方式进行灌溉，整个生长季滴灌水量是漫灌水量的75%（基肥时统一为漫灌灌溉，各小区灌溉量相同），化肥氮和钾基肥与追肥比例为3∶7。供试黄瓜品种为金胚98，2015年黄瓜季于2015年2月6日定植，6月26日拉秧；2016年黄瓜季于2016年3月9日定植，7月8日拉秧。2015年和2016年黄瓜整个生长季基肥和追肥详细的施肥灌溉管理措施如表3所示。

表1 土壤剖面基本理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties for soil profile

1.3 取样和测定方法

采用自动静态箱－气相色谱法进行N2O气体的采集。采样箱箱体由不锈钢材料制成，箱体外用30 mm厚的塑料泡沫板包裹保温，根据设施蔬菜的株行距，顶箱箱体设计为70 cm×80 cm×60 cm的长方体，从而最大限度保证取样气体的代表性。当植株生长超过 60 cm 时，增加中段箱（70 cm×80 cm×60 cm）以保证植株的正常生长和取样的顺利进行。底座（70 cm×80 cm×25 cm）由不锈钢制成，于定植时埋入地下。采样时，将箱体置于底座上，用水密封，确保密封性良好；打开电源开关，自动抽取箱内气体于气袋中，每隔6 min取样一次，共取样5次。通过箱体上的显示屏同时读取箱体内温度以及5 cm土壤温度。每次取样时间为早上8：00—10：00，施肥和灌水后逐日观测一周，基肥延长观测时间，直至各处理与不施氮处理的N2O排放量无差异为止，其余时间每周采样1～2次。气袋中的样品用改进的Agilent 7890A气相色谱仪分析N2O浓度。各处理15 cm土壤体积含水量用TRIME－PICO 64测定。

表2 各处理施肥量和灌溉量Table 2 Total fertilizer and irrigation amount in different treatments

1.4 数据分析

根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量。气体通量（F）计算公式为：

表3 2015年黄瓜季和2016年黄瓜季详细的灌溉施肥管理表Table 3 Water and fertilizer management practices during the 2015—2016 growth periods

式中：F为N2O的排放通量，正值表示土壤向大气排放，负值表示吸收，mg N2O－N·m－2·h－1；ρ为标准状态下气体的密度，g·L－1；H 为采样箱气室高度，m；T 为采样箱内气温，℃；dc/dt为采样箱内N2O气体浓度随时间变化的速率，μL·L－1·h－1；P 为采样时气压，mmHg；P0为标准大气压，mmHg；P/P0≈1。

利用内插法计算相邻两次监测之间未监测日期的排放量，然后将每天的交换通量累加可得到年度气体排放的总量。

N2O排放强度指形成单位经济产量N2O排放量，即N2O排放总量与相应处理作物产量的比值。

N2O排放系数指施肥处理N2O排放总量与对照处理N2O排放总量之差占肥料投入量的比值。

采用Excel 2013和SAS 9.3统计软件对实验数据进行计算、制图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对产量和环境条件的影响

从不同灌溉方式下作物产量（图1）来看，2015年FP 处理产量为 100.2 t·hm－2，FPD 处理产量增加了14.6%，达到了 114.9 t·hm－2。2016 年结果也相似，FP处理产量为 119.5 t·hm－2，FPD 处理产量增加了 2%，达到了121.8 t·hm－2。从各处理土壤孔隙含水量（WFPS）变化特征（图 2）来看，CK、FP、FPD 处理 2015年土壤WFPS范围分别为56.0%～77.5%、56.5%～80.7%、58.0%～78.8%；2016年范围分别为 57.1%～81.3%、57.8%～82.4%、56.4%～80.4%。从土壤5 cm温度（图3）来看，各处理土壤温度均表现为相似的变化特征，CK、FP、FPD处理2015年土壤5 cm温度范围分别为9.1～27.1、8.6～27.0、9.1～26.3 ℃；2016 年范围分别为15.4～26.3、15.4～28.3、16.2～25.4℃。FP 与 FPD 处理之间土壤WFPS、5 cm温度没有显著差异，说明与漫灌相比，滴灌并没有显著改变土壤WFPS和土壤5 cm温度。而土壤5 cm温度在2015年和2016年间存在极显著的年际差异（P＜0.01），这主要由棚内气温年际变化造成，2015年棚内气温变化范围为14.0～37.8℃，2016年棚内气温变化范围为22.5～35.8℃，比2015年明显增加。

2.2 不同灌溉方式对N2O排放通量的影响及影响因素

图1 各处理产量变化Figure 1 Dynamic changes of yield for each treatment

图2 各处理土壤孔隙含水量（WFPS）变化Figure 2 Dynamic changes of soil water－filled pore space for each treatment

从N2O排放通量（图4）来看，2015年和2016年黄瓜季的整个监测周期内，N2O排放通量表现出相似的变化趋势：灌溉、灌溉施肥后各处理都会出现N2O排放峰，施入基肥后，峰值持续7 d左右，追肥后峰值一般持续3～5 d，并且基肥期N2O排放峰高于追肥期。各处理N2O排放通量平均值的次序为FP＞FPD＞CK，其中CK处理N2O排放通量一直保持着较低水平，2015 年为 0.04～4.40 mg N·m－2·h－1，2016 年为 0.16～4.02 mg N·m－2·h－1。CK、FP、FPD 处理在灌溉、灌溉施肥事件后，均出现明显的N2O排放峰，说明施肥和灌溉方式会影响N2O的排放通量。不同灌溉方式下土壤N2O排放通量差异明显，与FP处理相比，2015年FPD处理N2O平均排放通量减少26.3%，2016年减少27.5%。从环境因子与N2O排放通量的关系来看（表4），2015年各处理土壤WFPS与N2O排放通量间均没有显著相关关系；2016年FP处理土壤WFPS与N2O排放通量达到了极显著相关（P＜0.01）。2015年FPD处理土壤5 cm温度与N2O排放通量没有显著相关关系，而其他处理两年的研究均表明5 cm温度与N2O排放通量呈极显著负相关关系。2015年CK、FP处理气温与N2O排放通量达到极显著负相关关系（P＜0.01）；2016年各处理气温与N2O排放通量均没有显著相关关系。

2.3 不同灌溉方式对N2O排放总量、排放强度、排放系数的影响及年际差异

从 N2O 排放总量（图 5）来看，CK、FP、FPD 3个处理 2015年 N2O排放总量分别为11.4、29.8、21.0 kg N·hm－2；2016 年分别为 7.3、28.7、18.6 kg N·hm－2。分析表明，CK、FP处理N2O排放总量存在显著差异（P＜0.05），说明氮肥的施用对N2O排放总量影响较大。而施用氮肥的处理中，FP处理的N2O排放总量与FPD处理之间也存在显著差异（P＜0.05），并且表现为FP1.78，均高于IPCC的默认值1%。而FPD处理的N2O排放系数（0.80、0.94）均低于1%这个默认值。与FP处理相比，FPD处理两年间平均降低N2O排放系数47%，并且没有显著的年际差异。

表4 土壤N2O排放通量与土壤WFPS、土温和气温的相关分析（r）Table 4 Pearson correlation coefficients of N2O fluxes with soil moisture，soil temperature and air temperature in different management treatments（r）

图3 各处理土壤5 cm温度和气温的变化Figure 3 Dynamic changes of 5 cm soil temperature and air temperature for each treatment

图4 不同处理N2O排放通量动态变化Figure 4 Years dynamics of N2O emission fluxes in different management treatments

3 讨论

图5 各处理在不同年份土壤N2O排放总量Figure 5 The cumulative N2O emission for each treatment in 2015 and 2016

处理N2O排放量高于FPD处理。比较各处理N2O排放总量的年际差异，方差分析结果显示，CK、FP、FPD处理N2O排放总量均没有显著的年际差异。比较不同年份间滴灌减少N2O排放的效果，与FP处理相比，2015年FPD处理减少N2O排放总量29.4%；2016年FPD处理减少N2O排放总量35.1%。虽然滴灌在减少N2O排放方面存在一定的波动，但是这种年际差异并没有达到显著水平。从N2O排放强度（图6）来看，CK、FP、FPD 3个处理2015年N2O排放强度分别为0.13、0.29、0.19 kg N·t－1；2016 年分别为 0.08、0.24、0.15 kg N·t－1。FP处理与FPD处理之间N2O 排放强度存在显著差异（P＜0.05）。与FP处理相比，2015年FPD处理减少N2O排放强度34.5%；2016年FPD处理减少N2O排放强度37.5%。并且双因素方差分析结果表明，FPD处理在2015年和2016年减少N2O排放强度方面没有显著差异。从N2O排放系数来看，FP处理与FPD处理之间N2O排放系数存在显著差异（P＜0.05），相同处理在不同年份间没有显著差异。2015、2016年FP处理N2O排放系数分别为1.53、

图6 各处理在不同年份土壤N2O排放强度Figure 6 The N2O emission intensity for each treatment in 2015 and 2016

3.1 不同灌溉方式下N2O排放特征及影响因素

本研究两年的数据结果均显示，灌溉、灌溉施肥后各处理都会出现N2O排放峰，施入基肥后，峰值持续7 d左右，追肥一般持续3～5 d，并且基肥期N2O排放通量高于追肥期。这是由于与追肥期相比，基肥期有机肥的施用对于反硝化速率的刺激作用高于化学氮肥[16]。因为一方面有机肥作为碳源，可直接为反硝化细菌提供能量和电子，从而促进反硝化作用；另一方面，有机肥可以激发自养硝化和异养硝化，为反硝化作用提供底物[16－17]，从而增加N2O的产生。王艳丽等[11]、Vallejo等[18]的研究中也出现了类似的现象。各处理两年的研究均出现7次N2O排放峰，且都发生在灌溉施肥后。这是由于外源氮的投入提高了土壤硝化势，以及氨氧化细菌和氨氧化古菌的数量，此外土壤的干湿交替使得土壤中硝化作用和反硝化作用交替循环进行，从而促进了N2O的产生[17，19]。

土壤湿度是影响N2O排放的重要影响因子之一[20]，并且大多数研究表明土壤湿度与N2O排放呈显著正相关关系[6，21]。但本研究中土壤湿度在不同年份间对N2O排放的影响不同，如2015年土壤WFPS与N2O排放没有显著相关关系，但2016年土壤WFPS与土壤N2O排放呈显著正相关（P＜0.05）或极显著正相关（P＜0.01）关系。在同一试验基地2013—2014年的研究[11]中土壤WFPS与N2O排放也呈现显著正相关关系。2015年这种差异可能是由于灌水间隔时间较前两年长，土壤湿度和温度的年际差异变化造成的[12]。土壤温度是影响N2O排放的另一重要因子，本研究结果表明土壤5 cm温度与N2O排放呈现出极显著负相关关系（P＜0.01），这是由于黄瓜主要生长季为春夏季，N2O排放随施肥量增加而增加，此时，N2O排放主要受施肥的影响。这与张婧等[22]的研究结果相一致，当气温较高时，施氮量是影响N2O排放的主要因素。而于亚军等[23]的研究表明，土壤温度与N2O排放呈显著正相关关系。韩冰等[6]在设施菜地研究结果显示土壤温度与N2O排放并没有显著相关关系。这说明土壤N2O排放是受温度、湿度、施氮量共同调节的，这种因子之间的交互作用可能会掩盖单一因子对N2O排放的影响，因此今后也应该关注不同灌溉方式下温度、湿度及施肥量的交互作用对N2O排放的影响机理。

3.2 不同灌溉方式对N2O排放总量、排放强度的影响及年际差异分析

从各处理N2O排放总量、排放强度、排放系数来看，2015年滴灌施肥方式比漫灌施肥方式低29.4%、34.5%、47.7%；2016年滴灌施肥方式比漫灌施肥方式低35.1%、37.5%、47.2%。结合不同灌溉方式下作物产量可以发现，与漫灌施肥方式相比，滴灌施肥在保障作物产量的前提下，能够减少土壤N2O排放。不同灌溉方式下土壤产生N2O主要途径存在差异，漫灌方式表层土壤（0～30 cm）湿润比滴灌迅速，当灌溉使土壤迅速充分湿润时，易形成厌氧环境，使得土壤反硝化菌活性更高[6]，从而增加反硝化作用产生的N2O[24]。而与漫灌方式相比，滴灌不仅可以降低土壤孔隙含水量，使得反硝化作用产生的N2O受到抑制[21，24]；而且滴头附近易形成湿度较大区域，当滴头附近土壤WFPS大于80%时，产生的N2O会进一步还原为N2[25]，进而减少滴灌条件下N2O的产生。此外，滴灌施肥养分通过管道直接输送到作物根部，提高了其利用效率，促进作物对氮素的吸收利用，进而降低了硝化和反硝化作用反应底物浓度，从而减少N2O排放[11，26]。本研究中滴灌施肥没有显著降低土壤湿度，说明滴灌减少N2O排放可能是由于滴头附近湿度过大以及提高了氮肥利用效率引起的。然而由于这些数据的不可获取性，下一步需对其进行观测分析，从机理上进一步解释。

从N2O排放总量的年际差异来看，各处理N2O排放总量年际差异不显著。这是由于设施大棚是一个相对稳定的环境，并且土壤的温度、湿度的年际变化较小。其中漫灌施肥处理的年际差异最小为1.08 kg N·hm－2；对照处理的N2O排放量年际差异最大为4.04 kg N·hm－2。这是由于对照处理硝化反硝化作用所需底物得不到有效补充，其N2O排放总量的年际差异较大；漫灌施肥处理硝化反硝化作用底物浓度充足，因此其N2O排放总量的年际差异较小。而Cai等[27]在大田实验的研究结果表明N2O排放总量的年际差异显著，Kusa等[28]研究也表明N2O排放的年际差异显著，达到了 3.5～15.6 kg N·hm－2。可见设施菜地与大田作物的N2O排放年际差异有很大不同，然而目前关于设施菜地N2O排放的年际差异的研究还较少，今后可以关注设施菜地N2O排放的年际差异，以探讨设施菜地N2O长期排放特征。从N2O排放强度的年际差异来看，各处理N2O排放强度年际差异不显著，并且波动范围较小（0.04～0.05 kg N·t－1）。综合考虑，在未来的研究中，如果没有多年的观测数据，可以用当年的排放强度变化估算长期的减排效果，以减少田间观测巨大的时间成本和经济成本。分析产量与N2O排放量和排放强度的关系发现，产量与N2O排放量、排放强度间存在一个此消彼长的趋势，这是由于当作物吸收更多氮素的时候，相应损失的氮素就会减少，从而间接减少N2O排放量、排放强度。因此提高作物的氮素吸收率，也是减少N2O排放的一个重要途径。

4 结论

（1）设施菜地施肥和灌溉是引起N2O排放峰的主要因素，N2O排放通量的变化受土壤温度、水分和气温等因子的共同影响，不同年际之间其主要影响因素不同。

（2）氮肥施用量相同条件下，经过两年的观测，滴灌相比常规漫灌能减少N2O排放总量29.4%～35.1%，并且没有显著的年际差异，是设施菜地值得推荐的一种减排技术。

（3）滴灌相比常规漫灌能减少N2O排放强度36%、排放系数47%左右，且不存在显著年际差异，可为长期减排效果的估算提供参考。

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