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北京设施菜地N2O和NO排放特征及滴灌优化施肥的减排效果

谢海宽 江雨倩 李虎 徐驰 丁武汉 王立刚 张婧

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北京设施菜地N2O和NO排放特征及滴灌优化施肥的减排效果

    作者简介: 谢海宽 E-mail: xie13673671962@163.com;
    通讯作者: 李虎, E-mail:lihu0728@sina.com

N2O and NO emissions from greenhouse vegetable fields and the mitigation efficacy of the optimized fertigation in Beijing

    Corresponding author: Hu LI, E-mail:lihu0728@sina.com ;
  • 摘要: 【目的】量化设施菜地N2O、NO排放特征,分析其影响因素,以期为科学评估农田生态系统N2O、NO排放提供关键参数。【方法】以黄瓜品种‘金胚98’为供试材料,在北京房山区窦店乡的温室大棚内进行了田间试验,供试土壤类型为石灰性褐土,质地为壤土。试验共设4个处理:漫灌,不施氮肥 (CK);漫灌,农民习惯施肥 (FP);滴灌,农民习惯施肥 (FPD);滴灌,优化施氮 (OPTD)。常规氮肥施用量为N 1200 kg/hm2,优化后氮肥施用量为N 920 kg/hm2。70%的化肥氮和钾肥,分6次随灌溉追施。采用自动静态箱–氮氧化物分析仪法,对黄瓜生长季的N2O、NO排放量进行了田间原位观测,同时监测了5 cm深土壤温度、0—15 cm土层土壤孔隙水分含量,分析了N2O、NO季节排放与土壤温度和湿度的相关性,比较了不同处理措施的减排效果。【结果】施肥和灌溉后1~2天,N2O会出现明显的排放高峰,NO排放峰出现在施肥和灌溉后2~4天,对照无明显N2O、NO排放峰值。CK、FP、FPD和OPTD处理N2O季节排放量分别为N 7.32、28.69、18.62、12.16 kg/hm2;NO季节排放量分别N 0.32、0.86、0.77和0.70 kg/hm2; NO排放量分别占 (N2O + NO) 总量的4.2%、2.9%、4.0%、5.4%。相同氮肥施用量条件下,滴灌施肥处理 (FPD) 相比漫灌施肥 (FP),不仅能保持作物产量,而且能减少N2O、NO排放总量34.4%、9.0%;滴灌施肥条件下,减少40%氮肥投入 (OPTD) 比FPD分别减少N2O和NO排放34.7%和9.1%。FP、FPD和OPTD处理的N2O排放系数依次为1.78%、0.94%、0.53%,NO排放系数依次为0.08%、0.06%和0.09%。【结论】京郊设施菜地夏季N2O排放强,NO排放弱。在不改变施肥量前提下,采用滴灌施肥可在保持作物产量的同时,显著减少N2O和NO排放。采用滴灌的同时,优化肥料施用量可以进一步减少N2O、NO排放。
  • 图 1  不同处理土壤孔隙含水量的动态变化

    Figure 1.  Dynamics of soil water-filled pore space (WFPS) of different management treatments

    图 2  不同处理土壤5 cm深土层温度的动态变化

    Figure 2.  Dynamics of soil temperature at 5 cm depth under different management treatments

    图 3  不同处理N2O排放通量的动态变化

    Figure 3.  Dynamics of N2O emission fluxes in different management treatments

    图 4  不同处理NO排放通量的动态变化

    Figure 4.  Dynamics of NO emission fluxes in different management treatments

    表 1  不同处理施肥量和灌水量

    Table 1.  Total fertilizer and irrigation rate in different treatments

    处理
    Treatment
    有机肥氮 (kg/hm2)
    Manure N
    化肥 Chemical fertilizer (kg/hm2) 总生育期灌溉量 Irrigation amount at growth stage (mm)
    N P2O5 K2O March 9 April 15 April 24 May 9 May 20 June 2 June 8 总量Total
    CK 0 0 120 200 87.17 59.22 42.34 47.81 85.31 59.53 36.56 418
    FP 500 700 120 200 87.17 59.22 42.34 47.81 85.31 59.53 36.56 418
    FPD 500 700 120 200 87.17 44.38 31.72 35.78 64.06 44.69 27.5 335
    OPTD 500 420 120 200 87.17 44.38 31.72 35.78 64.06 44.69 27.5 335
    注(Note):4 月 15 日和 4 月 24 日为黄瓜伸蔓期和开花期,5 月 9 日至 6 月 8 日为结瓜期 April 15 and 24 were vine claiming and flowering stage, from May 9 to June 8 was fruit setting stage of cucumber.
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    表 3  不同处理N2O、NO通量与5 cm深土温、0—15 cm 土层湿度的相关性

    Table 3.  Correlation coefficients between N2O, NO flux and soil temperature (5 cm deep) and moisture (0−15 cm layer) in different treatments

    项目
    Item
    处理
    Treatment
    WFPS 土温
    Soil temperature
    N2O CK 0.68* –0.51**
    FP 0.67** –0.66**
    FPD 0.63* –0.72**
    OPTD 0.69** –0.65**
    NO CK 0.04 0.19
    FP 0.30 –0.32
    FPD 0.37 –0.35
    OPTD 0.28 –0.52*
    注(Note):WFPS — 土壤空隙含水量 Soil water-filled pore space. * 和 ** 表示在 0.05 和 0.01 水平相关显著 Represent significance at probability of 0.05 and 0.01, respectively.
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    表 2  不同处理N2O和NO的排放总量、排放强度和排放系数

    Table 2.  The total emissions, emission intensities and emission factors of N2O and NO in different treatments

    项目
    Item
    处理
    Treatment
    平均排放通量
    Average emission
    [N μg/(m2·h)]
    季节排放总量
    Season emission
    (N kg/hm2)
    排放强度
    Emission intensity
    (N kg/t)
    排放系数
    Emission factor
    (%)
    N2O CK 817.0 ± 98 c 7.32 ± 0.38 d 0.08 ± 0.00 c
    FP 2557.7 ± 128 a 28.69 ± 0.57 a 0.24 ± 0.01 a 1.78 a
    FPD 1696.8 ± 112 b 18.62 ± 1.47 b 0.15 ± 0.01 b 0.94 b
    OPTD 1132.5 ± 117 c 12.16 ± 0.79 c 0.11 ± 0.01 c 0.53 c
    NO CK 22.85 ± 1.76 d 0.32 ± 0.01 c 3.47 × 10–3 ± 0.00 b
    FP 59.94 ± 5.19 a 0.86 ± 0.03 a 7.23 × 10–3 ± 0.00 a 0.08 b
    FPD 52.92 ± 4.8 b 0.77 ± 0.05 b 6.31 × 10–3 ± 0.00 a 0.06 c
    OPTD 47.62 ± 4.53 c 0.70 ± 0.03 b 6.45 × 10–3 ± 0.00 a 0.09 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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  • [1] Zhu X, Burger M, Doane T A, et al. Ammonia oxidation pathways and nitrifier denitrification are significant sources of N2O and NO under low oxygen availability[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 2013, 110: 6328–6333. doi: 10.1073/pnas.1219993110
    [2] United Nations Environment Programme. Drawing down N2O to protect climate and the ozone layer: a UNEP synthesis report[R]. Nairobi, Kenya, 2013.
    [3] Bouwman A F, Boumans L J M, Batiges N H. Modeling global annual N2O and NO emissions from fertilized fields[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2002, 16: 1–9. doi: 10.1029/2001GB001398
    [4] 韦云东, 姚志生, 罗献宝, 等. 茶园生态系统的一氧化氮年排放特征[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(8): 1610–1617.
    Wei Y D, Yao Z S, Luo X B, et al. Annual fluxes of nitric oxide from a tea plantation ecosystem[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(8): 1610–1617.
    [5] 闫广轩. 华北冬小麦−夏玉米/大葱轮作农田的N2O和NO排放−不同田间管理方式的影响研究[D]. 北京: 中国科学院大学博士论文, 2014.
    Yan G X. Nitrous oxide and nitric oxide emissions from winter-maize/scallion rotation fields in the North China Plain: effect of field management practices[D]. Beijing: PhD Dissertation of the University of Chinese Academy of Sciences, 2014.
    [6] Stehfest E, Bouwman L. N2O and NO emission from agricultural fields and soils under natural vegetation: Summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2006, 74(3): 207–228. doi: 10.1007/s10705-006-9000-7
    [7] Cameron K C, Di H J, Moir J L. Nitrogen losses from the soil plant system: a review[J]. Annals of Applied Biology, 2013, 162: 145–173. doi: 10.1111/aab.2013.162.issue-2
    [8] Russow R, Spott O, Stange C F. Evaluation of nitrate and ammonium as sources of NO and N2O emissions from black earth soils (Haplic Chernozem) based on 15N field experiments[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40: 380–391. doi: 10.1016/j.soilbio.2007.08.020
    [9] Remde A, Conrad R. Production of nitric oxide in Nitrosomonas europaea by reduction of nitrite[J]. Achieves of Microbiology, 1990, 154: 187–191.
    [10] Vilain G, Garnier J, Decuq C, et al. Nitrous oxide production from soil experiments: denitrification prevails over nitrification[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2014, 98: 169–186. doi: 10.1007/s10705-014-9604-2
    [11] 山楠, 赵同科, 杜连凤, 等. 适宜施氮量降低京郊小麦-玉米农田N2O排放系数增加产量[J]. 农业工程学报, 2016, 32(22): 163–170. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.22.022
    Shan N, Zhao T K, Du L F, et al. Suitable nitrogen application reducing N2O emission and improving grain yield in wheat-maize crop rotation system in Beijing suburb[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(22): 163–170. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.22.022
    [12] 郝小雨, 高伟, 王玉军, 等. 有机无机肥料配合施用对设施菜田土壤N2O排放的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(5): 1073–1085.
    Hao X Y, Gao W, Wang Y J, et al. Effects of combined application of organic manure and chemical fertilizers on N2O emission from greenhouse vegetable soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(5): 1073–1085.
    [13] 张冉, 赵鑫, 濮超, 等. 中国农田秸秆还田土壤N2O排放及其影响因素的Meta分析[J]. 农业工程学报, 2015, 31(22): 1–6. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.22.001
    Zhang R, Zhao X, Pu C, et al. Meta-analysis on effects of residue retention on soil N2O emissions and influence factors in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(22): 1–6. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.22.001
    [14] 张婧, 夏光利, 李虎, 等. 一次性施肥技术对冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放的影响[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(1): 195–204.
    Zhang J, Xia G L, Li H, et al. Effect of single basal fertilization on N2O emissions in wheat and maize rotation system[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(1): 195–204.
    [15] Zhang J, Li H, Wang Y C, et al. Multiple-year nitrous oxide emissions from a greenhouse vegetable field in China: Effects of nitrogen management[J]. Science of the Total Environmental, 2018, 616–617: 1139–1148.
    [16] 杨岩, 孙钦平, 李吉进, 等. 不同水肥处理对设施菜地N2O排放的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 430–436.
    Yang Y, Sun Q P, Li J J, et al. Effects of different fertilizer and irrigation levels on N2O emission from greenhouse vegetable lands[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 430–436.
    [17] Mei B L, Zheng X H, Xie B H, et al. Nitric oxide emissions from conventional vegetable fields in southeastern China[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43: 2762–2769. doi: 10.1016/j.atmosenv.2009.02.040
    [18] Dlana S, Carlos E P C. Nitrous oxide emissions in agricultural soils: a review[J]. Pesquisa Agropecuária Tropical, 2013, 43: 322–338. doi: 10.1590/S1983-40632013000300014
    [19] 刘虎成, 徐坤, 张永征, 等. 滴灌施肥技术对生姜产量及水肥利用率的影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(1): 106–111. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.01.020
    Liu H C, Xu K, Zhang Y Z, et al. Effect of drip fertigation on yield, water and fertilizer utilization in ginger[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(1): 106–111. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.01.020
    [20] 陈静, 王迎春, 李虎, 等. 滴灌施肥对免耕冬小麦水分利用及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2014, 47(10): 1966–1975. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.10.010
    Chen J, Wang Y C, Li H, et al. Effects of drip fertigation with no-tillage on water wse efficiency and yield of winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(10): 1966–1975. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.10.010
    [21] 江雨倩, 李虎, 王艳丽, 等. 滴灌施肥对设施菜地N2O排放的影响及减排贡献[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(8): 1616–1624.
    Jiang Y Q, Li H, Wang Y L, et al. Effects of fertigation on N2O emissions and their mitigation in greenhouse vegetable fields[J]. Journal of Agro-Environmental Science, 2016, 35(8): 1616–1624.
    [22] Sánchez-Martın L, Meijide A, Garcia-Torres L, et al. Combination of drip irrigation and organic fertilizer for mitigating emissions of nitrogen oxides in semiarid climate[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2010, 137: 99–107. doi: 10.1016/j.agee.2010.01.006
    [23] Sánchez-Martın L, Arce A, Benito A, et al. Influence of drip and furrow irrigation systems on nitrogen oxide emissions from a horticultural crop[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40: 1698–1706. doi: 10.1016/j.soilbio.2008.02.005
    [24] Luo Y, Xu M, He X, et al. Soil nitrate distribution, N2O emission and crop performance after the application of N fertilizers to greenhouse vegetables[J]. Soil Use and Management, 2012, 28: 299–306. doi: 10.1111/sum.2012.28.issue-3
    [25] Luo Y, Xu M, Wang W, et al. Soil organic carbon fractions and management index after 20 years of manure and fertilizer application for greenhouse vegetables[J]. Soil Use and Management, 2011, 27: 163–169. doi: 10.1111/j.1475-2743.2010.00325.x
    [26] 中华人民共和国农业部. 农业部办公厅关于印发《全国设施蔬菜重点区域发展规划(2015–2020年)》的通知[J]. 中华人民共和国农业部公报, 2015, (3): 33–46.
    Ministry of Agriculture of China. Notice issued by the General Office of the Ministry of Agriculture on issuing the National Key Area Development Plan for Greenhouse Vegetables(2015–2020)[J]. Gazette of the Ministry of Agriculture of the PRC, 2015, (3): 33–46.
    [27] Min J, Shi W, Xing G, Powlson D, et al. Nitrous oxide emissions from vegetables grown in a polytunnel treated with high rates of applied nitrogen fertilizers in Southern China[J]. Soil Use and Management, 2012, 28: 70–77. doi: 10.1111/sum.2012.28.issue-1
    [28] Liu Q H, Qin Y M, Zou J W, et al. Annual nitrous oxide emissions from open-air and greenhouse vegetable cropping systems in China[J]. Plant and Soil, 2013, 370: 223–233. doi: 10.1007/s11104-013-1622-3
    [29] 肖乾颖, 黄有胜, 胡延旭, 等. 施肥方式对紫色土农田生态系统N2O和NO排放的影响[J]. 中国农业生态学报, 2018, 26(2): 203–213.
    Xiao Q Y, Huang Y S, Hu Y X, et al. Effects of fertilization regimes on N2O and NO emissions from agro-ecosystem of purplish soil[J]. Chinese Journal of Eco-agriculture, 2018, 26(2): 203–213.
    [30] Tian D, Zhang Y Y, Zhou Y Z, et al. Effect of nitrification inhibitors on mitigating N2O and NO emissions from an agricultural field under drip fertigation in the North China Plain[J]. Science of the Total Environment, 2017, 598: 87–96. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.03.220
    [31] Zheng X H, Mei B L, Wang Y H, et al. Quantification of N2O fluxes from soil-plant systems may be biased by the applied gas chromatograph methodology[J]. Plant and Soil, 2008, 144: 316–321.
    [32] 谢海宽, 李贵春, 徐驰, 等. 不同灌溉方式对设施菜地N2O排放的影响及其年际差异[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(4): 825–832.
    Xie H K, Li G C, Xu C, et al. Effect of irrigation pattern on soil N2O emissions and interannual variability in greenhouse vegetable fields[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(4): 825–832.
    [33] William E J, Hultchinson G L, Fehsenfeld F C. NOx and N2O emissions from soil[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1992, 6(4): 351–388. doi: 10.1029/92GB02124
    [34] 周再兴, 郑循华, 王明星, 等. 华东稻麦轮作农田CH4、N2O和NO排放特征[J]. 气候与环境研究, 2007, 12(6): 751–760. doi: 10.3969/j.issn.1006-9585.2007.06.005
    Zhou Z X, Zheng X H, Wang M X, et al. CH4, N2O and NO emissions from a rice-wheat rotation cropping field in east China[J]. Climatic and Environmental Research, 2007, 12(6): 751–760. doi: 10.3969/j.issn.1006-9585.2007.06.005
    [35] 王敬, 程谊, 蔡祖聪, 等. 长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程的影响[J]. 土壤学报, 2016, 53(2): 292–304.
    Wang J, Cheng Y, Cai Z C, et al. Effect of long-term fertilization on key processes of soil nitrogen cycling in agricultural soil: a review[J]. Acta Pedologlca Sinica, 2016, 53(2): 292–304.
    [36] 吕玉, 周龙, 龙光强, 等. 不同氮水平下间作对玉米土壤硝化势和氨氧化微生物数量的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(8): 3229–3236.
    Lü Y, Zhuo L, Long G Q, et al. Effect of different nitrogen rates on the nitrification potential and abundance of ammonia-oxidizer in intercropping maize soils[J]. Environmental Sciences, 2016, 37(8): 3229–3236.
    [37] Zheng X H, Wang M X, Wang Y S, et al. Mitigation options for methane, nitrous oxide and nitric oxide emissions from agricultural ecosystems[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2000, 17(1): 83–92. doi: 10.1007/s00376-000-0045-2
    [38] 韩冰, 叶旭红, 张西超, 等. 不同灌溉方式设施土壤N2O排放特征及其影响因素[J]. 水土保持学报, 2016, 30(5): 310–321.
    Han B, Ye X H, Zhang X C, et al. Characteristics of soil nitrous oxide emissions and influence factors under different irrigation managements from greenhouse soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 310–321.
    [39] 张婧, 李虎, 王立刚, 等. 京郊典型设施蔬菜地土壤N2O排放特征[J]. 生态学报, 2014, 34(14): 4088–4098.
    Zhang J, Li H, Wang L G, et al. Characteristics of nitrous oxide emissions from typical greenhouse vegetable fields in Beijing suburbs[J]. Acta Ecologica Sinice, 2014, 34(14): 4088–4098.
    [40] 于亚军, 王小国, 朱波, 等. 紫色土菜地生态系统土壤N2O排放及其主要影响因素[J]. 生态学报, 2012, 36(6): 1830–1838.
    Yu Y J, Wang X G, Zhu B, et al. N2O emissions from vegetable farmland with purple soil and the main factors influencing these emissions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 36(6): 1830–1838.
    [41] Yao Z S, Yan G X, Zheng X H, et al. Reducing N2O and NO emissions while sustaining crop productivity in a Chinese vegetable-cereal double cropping system[J]. Environmental Pollution, 2017, 231: 929–941. doi: 10.1016/j.envpol.2017.08.108
    [42] Tian D, Zhang Y Y, Mu Y J, et al. The effect of drip irrigation and drip fertigation on N2O and NO emissions, water saving and grain yields in a maize field in the North China Plain[J]. Science of Total Environment, 2017, 575: 1034–1040. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.09.166
    [43] Fan Z B, Shan L, Zhang X M, et al. Conventional flooding irrigation causes an overuse of nitrogen fertilizer and low nitrogen use efficiency in intensively used solar greenhouse vegetable production[J]. Agricultural Water Management, 2014, 144: 11–19. doi: 10.1016/j.agwat.2014.05.010
    [44] 李志国, 张润花, 赖冬梅, 等. 西北干旱区两种不同栽培管理措施下棉田CH4和N2O排放通量研究[J]. 土壤学报, 2012, 49(5): 924–934.
    Li Z G, Zhang R H, Lai D M, et al. CH4 and N2O fluxes from cotton fields different in farming practices in North Western China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(5): 924–934.
    [45] Skiba U, Smith K A, Fowler D. Nitrification and denitrification as sources of nitric oxide and nitrous oxide in a sandy loam soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 11: 1527–1536.
    [46] Sanchez-Martın L, Vallejo A, Dick J, et al. The influence of soluble carbon and fertilizer nitrogen on nitric oxide and nitrous oxide emissions from two contrasting agricultural soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40: 142–151. doi: 10.1016/j.soilbio.2007.07.016
    [47] Zhang Y Y, Mu Y J, Zhou Y Z, et al. NO and N2O emissions from agricultural fields in the North China Plain: Origination and mitigation[J]. Science of Total Environment, 2016, 551/552: 197–204. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.01.209
    [48] Yan G X, Zheng X H, Cui F, et al. Two-year simultaneous records of N2O and NO fluxes from a farmed cropland in the northern China plain with a reduced nitrogen addition rate by one-third[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2013, 178: 39–50. doi: 10.1016/j.agee.2013.06.016
    [49] Zhang Y J, Lin F, Jin Y G, et al. Response of nitric and nitrous oxide fluxes to N fertilizer application in greenhouse vegetable cropping systems in southeast China[J]. Scientific Report, 2016, 6: 20700.
    [50] Zhang M, Chen Z Z, Li Q L, et al. Quantitative relationship between nitrous oxide emissions and nitrogen application rate for a typical intensive vegetable cropping system in southeastern China[J]. Clear-Soil Air Water, 2016, 44: 1725–1732.
  • [1] 李猛张恩平*张淑红周芳王月谭福雷韩丹丹 . 长期不同施肥设施菜地土壤酶活性与微生物碳源利用特征比较. 植物营养与肥料学报, 2017, 25(1): 44-53. doi: 10.11674/zwyf.16044
    [2] 陈静王迎春李虎王立刚邱建军肖碧林 . 滴灌施肥对冬小麦农田土壤NO-3-N分布、累积及氮素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 23(4): 927-935. doi: 10.11674/zwyf.2015.0411
    [3] 杨岩孙钦平李吉进刘春生刘本生许俊香高利娟 . 不同水肥处理对设施菜地N2O排放的影响. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(2): 430-436. doi: 10.11674/zwyf.2013.0220
    [4] 王学霞陈延华王甲辰左强肖强 . 设施菜地种植年限对土壤理化性质和生物学特征的影响. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 1619-1629. doi: 10.11674/zwyf.18253
    [5] 王秀斌周卫梁国庆裴雪霞夏文建孙静文 . 优化施肥条件下华北冬小麦/夏玉米轮作体系的土壤氨挥发 . 植物营养与肥料学报, 2009, 17(2): 344-351. doi: 10.11674/zwyf.2009.0214
    [6] 姜慧敏张建峰李玲玲李树山张水勤潘攀郭俊娒刘恋杨俊诚* . 优化施氮模式下设施菜地氮素的利用及去向. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(5): 1146-1154. doi: 10.11674/zwyf.2013.0514
    [7] 陈静王迎春李虎王立刚吴永常韦文珊 . 基于DNDC模型的冬小麦−夏玉米农田滴灌施肥优化措施研究. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(2): 200-212. doi: 10.11674/zwyf.18017
    [8] 张杰韩建孙卓玲张丽娟尹兴汪新颖吉艳芝 . 滴灌施肥对红地球葡萄产量、品质及土体氮磷钾分布的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(3): 470-480. doi: 10.11674/zwyf.18386
    [9] 习金根周建斌赵满兴陈竹君 . 滴灌施肥条件下不同种类氮肥在土壤中迁移转化特性的研究. 植物营养与肥料学报, 2004, 12(4): 337-342. doi: 10.11674/zwyf.2004.0401
    [10] 严程明张江周石伟琦刘亚男马海洋李晓林 . 滴灌施肥对菠萝产量、品质及经济效益的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 22(2): 496-502. doi: 10.11674/zwyf.2014.0227
    [11] 李子双王薇张世文贺洪军赵同凯黄元仿 . 氮磷与硅钙肥配施对辣椒产量和品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 23(2): 458-466. doi: 10.11674/zwyf.2015.0221
    [12] 秦艳青李春俭赵正雄武雪萍张福锁 . 不同供氮方式和施氮量对烤烟生长和氮素吸收的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 15(3): 436-442. doi: 10.11674/zwyf.2007.0314
    [13] 陆扣萍闵炬施卫明王海龙 , . 不同轮作模式对太湖地区大棚菜地土壤氮淋失的影响. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(3): 689-697. doi: 10.11674/zwyf.2013.0320
    [14] 邓兰生张承林 . 滴灌施氮肥对盆栽玉米生长的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 15(1): 81-85. doi: 10.11674/zwyf.2007.0114
    [15] 周广威张文闵伟马丽娟侯振安 . 灌溉水盐度对滴灌棉田土壤氨挥发的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 23(2): 413-420. doi: 10.11674/zwyf.2015.0216
    [16] 邓兰生张承林 . 玉米滴灌栽培条件下尿素与氢醌、双氰胺配施方法及效果. 植物营养与肥料学报, 2007, 15(3): 498-503. doi: 10.11674/zwyf.2007.0323
    [17] 陈雪双刘娟*姜培坤周国模李永夫吴家森 . 施肥对山核桃林地土壤N2O排放的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 22(5): 1263-1271. doi: 10.11674/zwyf.2014.0523
    [18] 王秀斌梁国庆周卫孙静文裴雪霞夏文建 . 优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系农田反硝化损失与N2O排放特征 . 植物营养与肥料学报, 2009, 17(1): 48-54. doi: 10.11674/zwyf.2009.0107
    [19] 靳红梅常志州*吴华山郭德杰黄红英马艳徐跃定张建英 . 菜地追施猪粪沼液后NH3和N2O排放特征及氮损失率. 植物营养与肥料学报, 2013, 21(5): 1155-1165. doi: 10.11674/zwyf.2013.0515
    [20] 梁国庆周卫夏文建王秀斌孙静文李双来胡诚陈云峰 . 优化施氮下稻-麦轮作体系土壤N2O排放研究 . 植物营养与肥料学报, 2010, 18(2): 304-311. doi: 10.11674/zwyf.2010.0207
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-27
  • 网络出版日期:  2019-04-18
  • 刊出日期:  2019-04-01

北京设施菜地N2O和NO排放特征及滴灌优化施肥的减排效果

    作者简介:谢海宽 E-mail: xie13673671962@163.com
    通讯作者: 李虎, lihu0728@sina.com
  • 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

摘要: 目的量化设施菜地N2O、NO排放特征,分析其影响因素,以期为科学评估农田生态系统N2O、NO排放提供关键参数。方法以黄瓜品种‘金胚98’为供试材料,在北京房山区窦店乡的温室大棚内进行了田间试验,供试土壤类型为石灰性褐土,质地为壤土。试验共设4个处理:漫灌,不施氮肥 (CK);漫灌,农民习惯施肥 (FP);滴灌,农民习惯施肥 (FPD);滴灌,优化施氮 (OPTD)。常规氮肥施用量为N 1200 kg/hm2,优化后氮肥施用量为N 920 kg/hm2。70%的化肥氮和钾肥,分6次随灌溉追施。采用自动静态箱–氮氧化物分析仪法,对黄瓜生长季的N2O、NO排放量进行了田间原位观测,同时监测了5 cm深土壤温度、0—15 cm土层土壤孔隙水分含量,分析了N2O、NO季节排放与土壤温度和湿度的相关性,比较了不同处理措施的减排效果。结果施肥和灌溉后1~2天,N2O会出现明显的排放高峰,NO排放峰出现在施肥和灌溉后2~4天,对照无明显N2O、NO排放峰值。CK、FP、FPD和OPTD处理N2O季节排放量分别为N 7.32、28.69、18.62、12.16 kg/hm2;NO季节排放量分别N 0.32、0.86、0.77和0.70 kg/hm2; NO排放量分别占 (N2O + NO) 总量的4.2%、2.9%、4.0%、5.4%。相同氮肥施用量条件下,滴灌施肥处理 (FPD) 相比漫灌施肥 (FP),不仅能保持作物产量,而且能减少N2O、NO排放总量34.4%、9.0%;滴灌施肥条件下,减少40%氮肥投入 (OPTD) 比FPD分别减少N2O和NO排放34.7%和9.1%。FP、FPD和OPTD处理的N2O排放系数依次为1.78%、0.94%、0.53%,NO排放系数依次为0.08%、0.06%和0.09%。结论京郊设施菜地夏季N2O排放强,NO排放弱。在不改变施肥量前提下,采用滴灌施肥可在保持作物产量的同时,显著减少N2O和NO排放。采用滴灌的同时,优化肥料施用量可以进一步减少N2O、NO排放。

English Abstract

  • N2O和NO作为全球氮循环的重要气体,对大气环境有重要影响[1]。N2O是重要的温室气体之一,不仅对全球变暖等环境问题有重要贡献,而且参与平流层臭氧层损耗活动[2]。NO作为非甲烷烃、CH4、N2O和CO等大气污染成分的氧化剂,能参与复杂的大气化学过程,在对流层中也可与挥发性烷烃反应产生臭氧 (O3),进而影响全球气候变化;或进一步转化为亚硝酸和硝酸,通过干湿沉降导致酸雨和水体的富营养化[34]。农业生产活动引起的N2O、NO排放一直受到广泛关注[5]。有资料显示,全球农业生产活动产生的N2O和NO年排放量约分别达到N 3.3 × 106 t和1.4 × 106 t[6]。土壤微生物的硝化、反硝化过程是控制农业土壤排放N2O、NO的两个关键过程,硝化作用是硝化细菌将土壤中的NH4+氧化为NO3的过程,而反硝化作用是反硝化细菌将NO3还原为NO2,甚至进一步还原为NO、N2O、N2的过程[7]。一般认为当土壤孔隙含水量大于60%时,N2O是反硝化作用的主要产物,尽管NO是反硝化作用的中间产物,但是由于其在厌氧条件下能够被快速地还原,以及在厌氧土壤中扩散较慢的原因,厌氧环境的土壤中很难观测到NO的排放[8]。硝化作用既可以产生NO,又能产生N2O[9]。不过在大多数情况下,N2O产生的主要过程是反硝化作用,而NO主要来自于硝化作用[8, 10]

    国内关于农田土壤N2O排放的研究主要集中在施肥量、施用有机肥、秸秆还田、添加硝化抑制剂 (DCD)、施用缓释肥等[1115]。减少氮肥的投入,可以有效减少农田N2O、NO排放[1617],然而农民为了提高产量,通常会投入更多的氮肥。另外添加硝化抑制剂 (DCD) 和施用缓释肥,对减少N2O排放也有较好的效果,然而由于其成本比常规肥料高,难以被广泛推广应用[18]。滴灌施肥技术不仅可以提高作物产量、水肥利用效率[1920],而且可以减少农田土壤N2O、NO排放[2123],受到了国内外学者的广泛关注。设施蔬菜由于其经济效益和复种指数高,已经成为全球一种重要的蔬菜种植模式[24]。特别是中国,设施蔬菜种植面积达到了26700 hm2,占世界设施蔬菜面积总量的90%以上[25]。随着社会的进步和人们生活水平的提高,在未来几年中种植面积仍将呈持续增加的趋势[26]。设施菜地不同于大田作物,往往具有施肥量大、灌溉频繁等特点[2728]。在大田作物种植系统的研究发现,N2O季节排放占 (N2O + NO) 排放总量的48%~79%[2930]。然而国内对设施菜地的研究大多只关注N2O排放,对NO的研究较少,N2O、NO占 (N2O+NO) 比重仍不确定。因此针对我国设施菜地施肥量大、灌溉频繁的特点,研究滴灌施肥条件下设施菜地N2O、NO排放具有重要意义。本研究拟以北方典型设施菜地为研究对象,系统分析设施菜地不同时期N2O、NO的排放特征及其影响因素,明确不同灌溉和施肥条件下N2O、NO排放特征,以期为科学评估农田生态系统N2O、NO排放提供直接测定的关键参数,并给设施菜地推荐合适的水肥用量提供理论依据。

    • 试验位于北京市房山区窦店镇芦村芦西园(东经116°01′、北纬39°38′),该地黄瓜和芹菜连续轮作了5年。大棚为半拱圆形无色塑料大棚,长155 m、宽6 m。土壤类型为褐土,质地为粉质壤土,其容重为1.21 g/cm3,0—20 cm耕层土壤有机质含量55.0 g/kg,全氮含量0.320 g/kg,全磷含量0.160 g/kg,全钾含量2.69 g/kg,碱解氮146 mg/kg,速效钾783 mg/kg,有效磷105 mg/kg。供试黄瓜品种为‘金胚98’,黄瓜于2016年3月9日定植,定植后以黑色地膜覆盖,同年7月8日拉秧,整个生育期为122天。棚内年均相对湿度为72.1%,平均温度为21.2℃,最高可达60.1℃。供试有机肥为牛粪(含氮量1.33%、含水量41.6%),氮、磷、钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)、硫酸钾(含K2O 33%)。

    • 试验设4个处理,分别为:漫灌,不施氮肥 (CK);漫灌,农民习惯施肥 (FP);滴灌,农民习惯施肥 (FPD);滴灌,优化施肥 (OPTD)。每个处理3次重复。试验小区面积为48 m2 (6 m × 8 m),小区间由隔离带隔开。黄瓜于2016年3月9日定植后立即采用漫灌方式灌水,灌水量为87.17 mm。有机肥和磷肥均作为底肥于定植前一次性施入,化学氮肥和钾肥基追比例为3∶7。总生育期追肥6次,比例为1∶1∶1∶1∶1∶2。所有处理基肥撒施后翻耕入土;CK和FP处理将追施肥料溶于灌溉水后随水漫灌施入,FPD和OPTD处理采用滴灌,在伸蔓期、开花期、结瓜期、结瓜期、结瓜期和结瓜期将追施肥料随水滴入作物根部附近土壤,黄瓜生长季滴灌水量是漫灌的75%。各处理肥料施用量和灌溉管理措施如表1所示。

      处理
      Treatment
      有机肥氮 (kg/hm2)
      Manure N
      化肥 Chemical fertilizer (kg/hm2) 总生育期灌溉量 Irrigation amount at growth stage (mm)
      N P2O5 K2O March 9 April 15 April 24 May 9 May 20 June 2 June 8 总量Total
      CK 0 0 120 200 87.17 59.22 42.34 47.81 85.31 59.53 36.56 418
      FP 500 700 120 200 87.17 59.22 42.34 47.81 85.31 59.53 36.56 418
      FPD 500 700 120 200 87.17 44.38 31.72 35.78 64.06 44.69 27.5 335
      OPTD 500 420 120 200 87.17 44.38 31.72 35.78 64.06 44.69 27.5 335
      注(Note):4 月 15 日和 4 月 24 日为黄瓜伸蔓期和开花期,5 月 9 日至 6 月 8 日为结瓜期 April 15 and 24 were vine claiming and flowering stage, from May 9 to June 8 was fruit setting stage of cucumber.

      表 1  不同处理施肥量和灌水量

      Table 1.  Total fertilizer and irrigation rate in different treatments

    • 分别采用自动静态箱—气相色谱法和静态箱—氮氧化物分析仪法对N2O、NO气体进行采集和分析[17, 31]。其中N2O采样方法参见文献[32]。NO采样方法如下:N2O气体采样结束后,将采样箱抬起,保持采样箱内部空气流通,然后将采样箱重新放到底座上密封,同时用12V的真空抽气泵 (KNF,Neuberger Inc., Germany) 抽2 L气体于铝箔材料制成的气袋中,30分钟后用真空泵从箱内抽取第二个气体样品。每次取样时间一般为早上8:00—10:00。N2O气体用改进的Agilent 7890A气相色谱仪分析,NO气体使用NO-NO2-NOx分析仪 (42i,Thermo) 测定。各处理0—15 cm土壤体积含水量用TRIME-PICO 64测定。

    • 1)排放通量:根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量

      式中:F为气体的排放通量[g/(m2·h)];T为采样箱内气温 (℃);dc/dt为采样箱内两次取样气体浓度差值与时间差的比值[μL/(L·h)];P为采样时气压 (mm Hg),P0为标准大气压 (mm Hg),P/P0≈1,ρ为标准状态下气体的密度 (g/L);H为采样箱气室高度 (m)。

      2)排放总量:利用内插法计算相邻两个监测日之间的排放通量,并将观测值和内插法计算出的值累加便可算出气体排放总量。

      3)排放强度:指气体排放总量与相应处理作物产量的比值。排放强度计算公式为

      式中:I为排放强度 (N kg/t);T为作物生长季土壤N2O或NO的排放总量 (N kg/hm2);Y为作物产量 (t/hm2)。

      4)排放系数:施氮处理与不施氮处理N2O或NO排放总量之差占肥料施用总量的比值。

      式中:EF和EC分别为施氮肥和对照处理下作物生长季土壤N2O或NO排放总量 (N kg/hm2);N为当季施氮肥量 (N kg/hm2)。

      5)土壤孔隙含水量 (WFPS):为TRIME-PICO64所测体积含水率转化而来。计算公式为

      式中:θv是土壤容积含水量 (%);ρb是土壤容重 (g/cm3);ρs为土壤比重。

      采用Excel 2013进行处理,用SAS9.2统计软件对数据进行统计分析,采用Duncan法进行处理间方差分析。

    • 前期对黄瓜产量的调查结果表明,施肥量相等条件下,FP、FPD处理作物产量没有显著差异,FP处理产量为119.5 t/hm2,FPD处理产量增加了2.0%,达到了121.8 t/hm2。在同为滴灌施肥条件下,与FPD处理相比,OPTD处理作物产量显著下降,为109.0 t/hm2 [32]

      从土壤表层 (0—15 cm) 土壤孔隙度含水量 (图1)的变化来看,土壤WFPS受灌溉影响较大,灌溉后土壤WFPS迅速升高,随着时间的推移逐渐降低。整个观测周期内漫灌处理 (CK、FP) 土壤WFPS为57%~82%,滴灌处理(FPD、OPTD)为53%~84%,滴灌处理与漫灌处理土壤WFPS没有显著差异。

      图  1  不同处理土壤孔隙含水量的动态变化

      Figure 1.  Dynamics of soil water-filled pore space (WFPS) of different management treatments

      土壤5 cm深度温度随季节变化较为明显,黄瓜生长季为3月到7月,大棚气温逐渐升高,各处理土壤表层温度也随之逐渐增加,温度范围为15.4℃~26.3℃。各处理土壤温度变化相似,处理间没有显著差异 (图2)。

      图  2  不同处理土壤5 cm深土层温度的动态变化

      Figure 2.  Dynamics of soil temperature at 5 cm depth under different management treatments

    • 从N2O排放通量 (图3)来看,在整个监测周期内,各处理N2O排放通量表现出相似的变化趋势,出现7次N2O排放高峰,并且都发生在灌溉、灌溉施肥后。施入基肥后,峰值持续7天左右,追肥一般持续3天,且基肥期N2O排放峰要高于追肥期。整个观测周期内N2O排放最高值出现在施基肥后第2天,其中以FP处理最高,达N 7390 μg/(m2·h)。相比FP处理,FPD处理降低了N2O排放峰,为N 5933 μg/(m2·h)。整个黄瓜生长季各处理N2O平均排放通量从大小为FP > FPD > OPTD > CK (表2),FPD处理相比FP处理平均排放通量降低了33.7%,OPTD处理较FPD又减少了29%。从表3中可以看出,各处理的N2O排放通量与土壤WFPS达到显著 (P < 0.05) 或极显著正相关关系 (P < 0.01),而与土壤5 cm温度则呈现出极显著负相关关系 (P < 0.01)。

      图  3  不同处理N2O排放通量的动态变化

      Figure 3.  Dynamics of N2O emission fluxes in different management treatments

      项目
      Item
      处理
      Treatment
      WFPS 土温
      Soil temperature
      N2O CK 0.68* –0.51**
      FP 0.67** –0.66**
      FPD 0.63* –0.72**
      OPTD 0.69** –0.65**
      NO CK 0.04 0.19
      FP 0.30 –0.32
      FPD 0.37 –0.35
      OPTD 0.28 –0.52*
      注(Note):WFPS — 土壤空隙含水量 Soil water-filled pore space. * 和 ** 表示在 0.05 和 0.01 水平相关显著 Represent significance at probability of 0.05 and 0.01, respectively.

      表 3  不同处理N2O、NO通量与5 cm深土温、0—15 cm 土层湿度的相关性

      Table 3.  Correlation coefficients between N2O, NO flux and soil temperature (5 cm deep) and moisture (0−15 cm layer) in different treatments

      项目
      Item
      处理
      Treatment
      平均排放通量
      Average emission
      [N μg/(m2·h)]
      季节排放总量
      Season emission
      (N kg/hm2)
      排放强度
      Emission intensity
      (N kg/t)
      排放系数
      Emission factor
      (%)
      N2O CK 817.0 ± 98 c 7.32 ± 0.38 d 0.08 ± 0.00 c
      FP 2557.7 ± 128 a 28.69 ± 0.57 a 0.24 ± 0.01 a 1.78 a
      FPD 1696.8 ± 112 b 18.62 ± 1.47 b 0.15 ± 0.01 b 0.94 b
      OPTD 1132.5 ± 117 c 12.16 ± 0.79 c 0.11 ± 0.01 c 0.53 c
      NO CK 22.85 ± 1.76 d 0.32 ± 0.01 c 3.47 × 10–3 ± 0.00 b
      FP 59.94 ± 5.19 a 0.86 ± 0.03 a 7.23 × 10–3 ± 0.00 a 0.08 b
      FPD 52.92 ± 4.8 b 0.77 ± 0.05 b 6.31 × 10–3 ± 0.00 a 0.06 c
      OPTD 47.62 ± 4.53 c 0.70 ± 0.03 b 6.45 × 10–3 ± 0.00 a 0.09 a
      注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.

      表 2  不同处理N2O和NO的排放总量、排放强度和排放系数

      Table 2.  The total emissions, emission intensities and emission factors of N2O and NO in different treatments

    • 图4可知,与N2O排放动态变化不同,虽然在整个观测周期内也观测到7次排放峰,但NO排放最高峰没有立即出现在灌溉、灌溉施肥后,而是出现在灌溉施肥后第2~4天。其中CK处理在整个观测周期内NO排放保持相对较低的水平,没有明显的NO排放峰。整个观测周期内以FP处理NO排放峰最高[N 152.7 μg/(m2·h)],发生在施基肥后第3天。各处理NO平均排放通量差异显著 (P < 0.05),从大到小排列为FP > FPD > OPTD > CK (表2),FP处理NO平均排放通量最高为N 59.9 μg/(m2·h),相同氮肥施用量的FPD为N 52.9 μg/(m2·h),减少了NO平均排放通量11.7%。在同为滴灌施肥条件下OPTD处理NO平均排放通量为N 47.6 μg/(m2·h),与FPD处理相比减少了13.7%。各处理的NO排放通量与5 cm深度土壤温度的相关分析表明 (表3),除OPTD处理外,其余各处理NO排放通量与土壤5 cm温度无显著相关关系,而各处理的NO排放通量与WFPS无明显的相关性。

      图  4  不同处理NO排放通量的动态变化

      Figure 4.  Dynamics of NO emission fluxes in different management treatments

    • 不同施肥处理对N2O、NO排放的影响明显地表现在排放总量的不同。从N2O排放总量 (表2)来看,FP、FPD处理N2O、NO排放差异显著。其中漫灌施肥的FP处理N2O、NO排放总量最高,分别为N 28.70、0.86 kg/hm2。而在氮肥施用量相同条件下,施肥方式由漫灌施肥改为滴灌施肥的FPD处理N2O、NO排放总量分别为N 18.60、0.77 kg/hm2,与FP处理相比,减少了N2O排放总量35.2%、NO排放总量9.0%。在施肥方式均为滴灌施肥的处理中,OPTD、FPD处理N2O排放总量差异显著 (P < 0.05),OPTD处理N2O排放总量为N 12.2 kg/hm2,较FPD处理减少了34.4%。而FPD、OPTD处理NO排放总量没有显著差异,说明在施肥方式都为滴灌施肥的条件下,减少氮肥施用量显著减少了N2O排放,但并没有减少NO排放。不同处理的N2O、NO排放系数在 (P < 0.05) 水平上达到显著差异,其中FP处理的N2O排放系数高于IPCC的默认值1%,达到1.78%。而FPD、OPTD处理的N2O排放系数均低于1%这一默认值,分别为0.94%、0.53%。NO排放系数大小排序为OPTD > FP > FPD,分别为0.09%、0.08%、0.06%。

    • 田间原位观测表明,设施菜地土壤N2O、NO季节排放具有明显的动态变化规律,施肥和灌溉是土壤N2O、NO排放峰产生的主要原因,这是由于外源氮的施入和土壤干湿交替促进了土壤硝化−反硝化过程,进而加快了N2O、NO的排放。在观测中发现各处理在灌溉施肥后1~2天内会立即出现N2O排放最高峰,而NO排放最高峰则出现在施肥灌溉后第2~4天。造成这两种气体排放特征差异的主要原因是,刚灌溉后土壤水分含量较高,表层土壤处于厌氧状态,这时反硝化作用较强,而硝化作用较弱,NO排放较少[3334],而这种湿润土壤中硝化反硝化作用共同存在而产生的N2O气体排放较多,并且施肥后NO较N2O变化迅速。Tian等[30]在冬小麦夏玉米种植系统的研究也表明,在灌溉施肥后N2O排放峰要比NO排放峰出现得早。同时韦云东等[4]对茶园种植体系的研究,也发现同样的规律。另外,研究发现基肥时期的N2O、NO排放峰要明显高于追肥期,这是与基肥期有机肥的施用有关,因为有机肥一方面可作为碳源,直接为硝化−反硝化作用提供能量和电子;另一方面可以激发自养和异养硝化,为反硝化作用提供底物,从而增加N2O、NO排放量[3536]。从N2O、NO排放影响因素来看,在土壤中,N2O、NO一般产生于硝化−反硝化作用[37],而土壤温湿度是影响硝化−反硝化作用的重要影响因子[7]。本研究中土壤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,土壤温度与N2O排放呈极显著负相关关系。大多数研究也都表明N2O排放与土壤WFPS呈显著正相关关系,而与温度的相关性则有多种结果出现[3840]。NO排放与土壤温湿度没有显著的相关关系,肖乾颖等[29]在玉米季的研究中也得到了相似的结果。这是由于不同因子对N2O、NO排放相互制约,温度、湿度及氮肥用量间的交互作用可能会掩盖单一因子对N2O和NO排放的影响。因此,今后在研究灌溉方式对N2O、NO排放影响时,应加强不同因子的交互作用对其排放影响的机理研究。

    • 本研究中设施菜地漫灌施肥处理的N2O季节排放总量为N 28.69 kg/hm2,NO为N 0.86 kg/hm2。其中N2O季节排放量是露天菜地 (N 5.23 kg/hm2) 的5.5倍[23],是冬小麦、夏玉米种植系统的 (N 1.00、1.94 kg/hm2) 的28.7和14.8倍[30]。虽然设施菜地NO季节排放量,要比N2O季节排放量低得多,但N 0.86 kg/hm2的NO季节排放量也是露天菜地种植系统和冬小麦夏玉米种植系统季节排放量的1.0~3.7倍[23, 4142]。可见设施菜地的N2O、NO季节排放量要远高于大田作物,这是由于设施菜地氮肥施用量远远大于大田作物引起的[43]。然而本研究仅仅关注的是N2O、NO的季节排放,接下来应该对设施菜地N2O、NO年排放进一步研究,以探讨其年排放量与大田作物的差异。

      从不同施肥方式来看,滴灌施肥处理N2O、NO排放总量分别为N 18.62、0.77 kg/hm2,比漫灌施肥措施下降低了35.1%、9.0%。结合不同处理作物产量可以发现,与漫灌施肥相比,滴灌施肥在保障作物产量的前提下,有效减少了N2O、NO排放。韩冰等[38]在设施菜地的研究也表明,与漫灌相比滴灌可以减少N2O排放54.3%。同样地,在大田作物种植系统中滴灌也可以减少N2O排放11.3%~42.0%[30, 44]。可见在不同作物种植系统中,与漫灌施肥相比滴灌施肥都能够减少N2O排放。分析其原因主要是由于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;而且滴灌施肥通过管道将养分直接输送到作物根部附近,促进作物对氮素的吸收利用,减少了硝化−反硝化作用反应底物的浓度,从而减少N2O排放。对于NO来说,不同灌溉施肥方式下NO排放仍不明确,与本研究结果一致,Sánchez-Martın等[23]研究也表明滴灌比漫灌方式下排放更少的NO,而Tian等[30, 42]却得到了相反的结果。通常认为硝化作用是NO产生的主要来源[45],与漫灌相比滴灌由于降低了土壤WFPS,从而增加了硝化作用产生的NO[23]。然而在土壤中反硝化作用也能够导致NO的产生,研究表明当土壤WFPS大于80%时,也会产生大量的NO [46]。因此不同灌溉施肥方式下NO排放多少,取决于硝化−反硝化作用共同产生的NO。由于土壤硝化反硝化作用是一个复杂的过程,不仅受灌溉方式的影响,而且受施肥量、肥料类型、土壤质地等的影响[18],目前并不能确定硝化作用和反硝化作用哪个途径产生的NO多。因此,以后在研究灌溉方式对N2O、NO排放的影响时,应加强硝化和反硝化作用两条途径分别产生N2O、NO量的关注。氮肥由于能够为硝化反硝化作用提供底物,是影响N2O、NO排放的重要因素[47]。本研究也发现,在滴灌施肥条件下,减少40%氮肥施用,在保障蔬菜产量的同时,可以分别减少N2O、NO季节排放总量34.7%、9.1%。这与大多数研究结果一致[3, 17, 48],尽管减少氮肥施用量对减少N2O、NO排放的效果不同,如Zhang等[49]对我国北方设施蔬菜种植系统的研究结果表明,将氮肥用量由传统的N 840 kg /hm2,优化到420~640 kg/hm2可以减少N2O年排放14.5%~24.4%;Yao等[41]对我国山东大葱−冬小麦轮作种植系统的NO排放进行了研究,表明与传统氮肥施用量相比,优化30%~50%氮肥施用量可以减少NO排放28.9%~38.9%。而且Zhang等[15]、Yao等[41]的研究也表明,在一定氮肥施用量范围内,N2O、NO排放量随氮肥施用量的增加呈线性增加的趋势。因此减少氮肥施用量是有效地减少N2O、NO排放的措施,这主要是由于减少氮肥施用量,可以显著影响表层土壤硝态氮浓度[15,41],而N2O排放量与土壤硝态氮浓度存在显著正相关关系[50]。然而目前的研究主要集中在传统的漫灌措施下减少氮肥施用量对N2O排放的影响,对滴灌优化施肥措施条件下N2O、NO排放状况影响的研究仍较缺乏。在本研究中,滴灌优化施肥不仅可以保障蔬菜产量,同时可以有效减少N2O、NO排放量,节约水肥用量是设施菜地值得推荐的水肥管理措施。

    • 1) 设施黄瓜生长季灌溉施肥是引起N2O、NO排放增加的主要原因,N2O排放峰在灌溉施肥后立即出现,NO排放峰在灌溉后的2~4天出现。

      2) 各施肥处理NO季节排放总量占(N2O+NO)总量的2.9%~5.4%,说明夏季设施菜地以N2O排放为主,NO并不是一个强的排放源。

      3) 滴灌施肥相比漫灌施肥分别减少N2O、NO季节排放总量35.1%、9.0%;相比滴灌施肥,滴灌优化施肥(减少40%氮肥)可进一步减少N2O、NO季节排放总量34.7%、9.1%。可见滴灌优化施肥是设施菜地值得推荐的减排措施。

参考文献 (50)

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