连续多年施肥后设施土壤N2O排放通量特征

2020-09-10刘继培王伊琨赵凯丽王维瑞王胜涛

江苏农业学报 2020年4期

颜芳，刘继培，王伊琨，张蕾，赵凯丽，王维瑞，王胜涛

(1.北京市土肥工作站，北京 100029； 2.北京市大兴区土肥工作站，北京 102600)

和CO2、CH4一样，N2O也是重要的温室气体之一，其增温效应约为CO2的320倍[1]，在大气中的滞留时间可达150年[2]。此外，它还可以破坏平流层中的臭氧[3]。N2O对环境的巨大危害性，引起了科学界的广泛关注。研究发现，中国农田土壤直接和间接排放的N2O分别占全国N2O排放总量的55.8%和15.1%[4]。农田中，N2O的排放受土壤微生物种群结构和特征、土壤施氮量、有机碳含量、土壤温度及土壤含水量等因素的综合影响[5-6]。施肥量的增加会为土壤硝化和反硝化过程提供底物，进而提高N2O排放量[7-8]。与施用化学氮肥相比，施用有机肥能够显著增加N2O的排放[9]。有机肥料主要通过改变土壤C/N来影响微生物活性进而影响土壤N2O的产生和排放[10-11]。温度会影响土壤有机质分解和土壤生物活性，降低土壤温度能减少N2O排放。有研究者发现，当土温在20～40 ℃时，N2O排放量随着温度的升高而增加[12]。此外，菜田土壤N2O排放量与土壤水分含量呈极显著相关性[13]。依据土壤特性不同，N2O排放的最佳含水量为50%～80%或60%～90%[14]。干湿交替也会引起N2O剧烈排放。Cui等[15]研究发现，设施菜田土壤每次灌水均有N2O排放峰值产生，这主要是因为灌溉增加了土体土壤湿度，减少了土壤基质中氧气的含量，激发了土壤部分区域的反硝化作用。在施肥、水分、温度等各种因素综合作用下，设施土壤N2O排放量远远高于粮田和其他生态系统[16]。目前，大多数关于N2O排放特征的研究处理时间较短，对连续多年不同施肥处理后设施菜地N2O排放的研究相对较少。本研究利用原位监测手段，研究连续10年不同施肥处理后，设施菜地土壤N2O排放情况，以期为设施菜地土壤温室气体减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年1月至12月在北京市大兴区青云店镇日光温室进行，供试土壤为潮土。该温室从2008年1月开始常年设有4个处理，分别为不施肥(T0)、有机无机配施(T1)、单施有机肥(T2)和单施化肥(T3)。每个处理3次重复，每个小区面积为6.5 m×4.5 m。2008年试验前表层(0～20 cm)土壤有机质12.99 g/kg，全氮1.24 g/kg，硝态氮14.7 mg/kg，有效磷52.4 mg/kg，速效钾121.6 mg/kg，pH 7.7。

2017年最后一季作物收获后，取表层(0～20 cm)土壤测试土壤氮素含量，T0、T1、T2、T3各处理土壤全氮含量分别为0.59 g/kg、2.42 g/kg、3.41 g/kg、0.91g/kg。

1.2 试验设计

供试作物为京甜3号辣椒。辣椒种植行距40 cm，株距30 cm。采用滴灌方式灌溉施肥，具体管理措施见表1。处理施用的有机肥为商品有机肥，原料为鸡粪。氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵，钾肥为硫酸钾。有机肥和磷肥全部作基肥于移栽前施入，20%的尿素和硫酸钾作基肥于移栽前随水施入，80%根据辣椒的生长趋势和天气状况分3次分别在门椒、对椒、四母斗时期随水追施(用量分配比例为3∶3∶2)。试验期为1年，分春夏和秋冬两季，两季作物施肥量相同。不同处理每一季作物磷素总投入量为356 kg/hm2，钾素总投入量为381 kg/hm2，氮肥用量水平见表2。

表1 施肥、灌溉方案

表2 各处理每一季的氮素施用水平

1.3 气体样品采集及测定

试验中每个小区放置一个静态箱，静态箱为正方形的PVC材料罐，长宽均为50 cm，高为57 cm，另有配套底座可插入土中，露出土面部分有与采样箱匹配的方形凹槽。箱体内顶部固定一个风扇以混匀气体，箱体内部分别放置采气管和温度探头。静态箱底座安放在种植垄上，取样前往配套底座凹槽注水后静置约30 min，在10∶00开始取样，采气时将采样箱扣在底座凹槽内，打开风扇，检查密封性，确认没有漏气现象后开始计时。迅速分别于0 min、10 min、20 min、30 min用带刻度注射器采集静态箱中22 ml气体于真空瓶中(取样瓶为Lanco Exetainer)，并记录取样时箱内温度，气体带回实验室进行测定。

测定使用的气相色谱仪型号为Agilent 7890，测定N2O的检测器为电子捕获检测器(ECD)，测定温度为330 ℃，色谱柱为Porpak Q柱，柱温70 ℃，载气为高纯N2，流速为25 L/min。采样频率为辣椒移栽后每7 d 1次，施肥后加密采样1次。

1.4 计算公式

N2O通量指单位时间单位面积静态箱内该气体的质量变化，用公式表示为：F=ρ×V/A×273/(273+T)×△c/△t×60，式中，F为N2O排放通量[N, mg/(m2·h)]，V为静态箱体积(cm3)，A为静态箱内土壤面积(cm2),ρ为标准大气压下箱内气体密度(g/cm3)，T是取样过程中静态箱内平均温度(℃)，△c/△t是静态箱内气体在观测时间内浓度随时间变化的直线斜率(10-9，1 min)。N2O排放系数=[(施氮处理N2O排放量-不施氮处理N2O排放量)/施氮量]×100%。

整个辣椒生长季的N2O排放总量采用插值法估算，多重比较用最小显著差异法(LSD)进行，Pearson相关性分析，统计软件为SPSS13.0。

2 结果与分析

2.1 春夏季设施菜地土壤N2O排放通量变化

春夏季设施辣椒地不同施肥处理土壤N2O的排放通量如图1所示，T0处理 N2O排放通量始终处于较低水平，变化范围为0.02～0.06 mg/(m2·h)。T1处理N2O排放通量变化范围为0.03～1.21 mg/(m2·h)。T2处理N2O排放通量在有机肥一次性底施后约30 d的时间内都在0.5 mg/(m2·h)以上，后期排放量逐渐降低，变化范围为0.05～1.75 mg/(m2·h)。T3处理N2O排放通量变化范围为0.03～0.69 mg/(m2·h)。T1和T3处理在追肥后，土壤N2O排放通量均呈现迅速上升的趋势，引起N2O排放峰值的出现，两个处理排放峰值均在追肥后0～3 d出现，能持续3～5 d左右。

从图1可以看出，定植后到第1次追肥这段时间，单施有机肥处理(T2)在有机肥一次性底施后30 d的时间内都在0.5 mg/(m2·h)以上，有机无机配施处理(T1)高排放量状态能维持10 d左右，均明显高于T3处理，说明底肥中施用有机肥会提高N2O排放通量。在相同施氮条件下，随着有机肥用量的增加土壤N2O损失加剧的现象在其他研究中也有发现[6,10-11,15]，其原因可能是苗期作物根系较弱，大量有机肥和氮肥的投入，为土壤微生物提供了足够的底物，从而导致土壤N2O大量排放。

各处理见表2。图1 春夏季不同施肥条件下设施菜地土壤N2O排放通量Fig.1 N2O emission fluxes from greenhouse vegetable soil under different fertilization treatments during spring-summer season

2.2 秋冬季设施菜地土壤N2O排放通量变化

秋冬季设施辣椒地不同施肥处理土壤N2O的排放通量如图2所示。整体而言，9月中旬以前，所有的施肥处理N2O排放通量都较高，这可能是因为棚内气温和土壤温度相对较高。其中T2处理最高，排放通量为0.38～1.51 mg/(m2·h)；其次为T1处理，排放通量为0.09～1.24 mg/(m2·h),T3处理排放通量为0.03～0.78 mg/(m2·h)；T0最低，排放通量为0.01～0.05 mg/(m2·h)。10月份追肥后，出现了1个N2O排放高峰，4 d后下降，之后都维持在一个较低的水平，各处理排放通量均低于0.5 mg/(m2·h)。

在定植后到第1次追肥前，各处理N2O排放规律与春夏季类似。T1处理和T3处理追肥后1～3 d N2O排放量呈迅速上升趋势，均有一个较高的N2O脉冲式排放，但后2次追肥后出现的峰值明显低于春夏季追肥后出现的排放峰值。

各处理见表2。图2 秋冬季不同施肥条件下设施菜地土壤N2O排放通量Fig.2 N2O emission fluxes from greenhouse vegetable soil under different fertilization treatment during autumn-winter season

2.3 设施菜地不同施肥处理N2O排放总量及排放系数比较

由表3可见，不同处理春夏季和秋冬季N2O排放量顺序均为T2>T1>T3>T0，施用肥料的各处理N2O排放量要比不施肥处理高，其中，仅施有机肥处理(T2)比T0处理排放总量高7～10倍，有机无机配施处理(T1)比T0处理排放总量高5～8倍，仅施化肥处理(T3)比T0处理排放总量高5～6倍，表明无论施用有机肥还是化肥都对土壤环境产生了明显影响。

单施有机肥处理(T2)与单施化肥处理(T3)相比，春夏季和秋冬季土壤N2O排放总量分别增加了59.0%、85.7%。有机无机配施处理(T1)与单施化肥处理(T3)相比，春夏季和秋冬季土壤N2O排放总量分别增加了14.4%、31.8%。这说明，在底物相对一致的前提下，有机肥的施用为反硝化过程提供了所需的能量，从而促进了反硝化过程，增加了土壤N2O排放量。

计算各处理N2O-N排放占其氮素投入的损失系数，结果表明各处理N2O排放系数介于0.45%和0.93%之间。单施有机肥处理(T2) N2O排放系数最高，秋冬季为0.93%，春夏季为0.91%；其次为有机无机配施处理(T1)和单施化肥处理(T3)。

表3 不同施肥处理条件下设施菜地土壤N2O排放总量和排放系数

3 讨论

有研究者指出土壤中如果有足够的外源碳和氮输入且有适宜微生物活动的C/N的话，微生物活性就会得到增强，土壤N2O排放量就会得到提高[17-19]。本试验发现有机肥的施用可以增加土壤N2O排放，在氮素总量投入相对一致的前提下，连续10年有机无机混施后，与单独施用化肥相比，土壤N2O排放总量增加了14.4%～31.8%，这可能是因为连续多年仅投入化肥，土壤微生物可利用的碳源有限，其活性下降，而添加有机肥后微生物碳源相对较多，加之土壤温度、湿度适宜的情况下，矿化的氮素也会增加，C/N适宜，微生物活性加强，从而导致土壤N2O排放量增加。

本研究发现设施菜地连续10年有机无机混施后，与单独施用有机肥相比，土壤N2O排放总量减少28%左右。这与王耀聪等[10]报道结论不一致，其有机无机混施处理比单施有机肥处理N2O排放总量增加了1.5倍。张仲新等[6]也报道了有机无机配合施用处理比单独施用有机肥处理N2O排放总量高1.3倍。这可能是其研究中有机无机混施处理比单独施用有机肥处理氮素投入量低导致，此外，本研究是基于连续多年施肥处理后的土壤开展的，相比于单季处理的研究土壤物理和生物性状可能发生了一定变化，从而影响了土壤N2O排放。

本试验中各处理的N2O排放总量为0.53～5.85 kg/hm2，其中，单施化肥处理的一季N2O排放总量与武其甫等[7]在石家庄潮土上研究报道的3.616 kg/hm2接近，但低于有关报道的18.62～27.73 kg/hm2 [8,10,20]。有机无机配合施用处理一季N2O排量总量为4.06～4.21 kg/hm2，低于张仲新等[6]报道的8.266 kg/hm2，远低于王耀聪等[10]报道的112.46 kg/hm2。单独施用有机肥处理一季N2O排量总量为5.72～5.85 kg/hm2，也低于王耀聪等[10]报道的44.99 kg/hm2，这可能与本研究监测频率偏低有关，试验只在施肥后进行了加密监测，在空水灌溉后未安排气体采集，可能没有捕捉到灌水产生的N2O排放峰值[21-23]。此外，本试验氮素投入量低也可能是排放量低的原因。

不同学者对设施菜田土壤N2O排放系数研究结果差别很大，山东省寿光地区平均每年设施番茄生产体系N2O排放占氮素投入的0.27%～0.30%[24]，而南京市集约化大棚蔬菜地N2O排放系数达4.6%[25]，也有N2O排放系数高达6.8%的报道[10]。本研究各处理N2O排放系数介于0.45%至0.93%之间，均低于Bouwman提出的N2O排放系数1.25%。N2O排放系数差别较大，很可能是时间、地域差异以及土壤特性、施肥量和作物种类不同而造成的。