滴灌施肥對(duì)設(shè)施菜地N2O排放的影響及減排貢獻(xiàn)

江雨倩，李　虎，王艷麗，張　婧，孫　媛，王立剛，黃誠(chéng)誠(chéng)，張建峰（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

滴灌施肥對(duì)設(shè)施菜地N2O排放的影響及減排貢獻(xiàn)

江雨倩，李虎*，王艷麗，張婧，孫媛，王立剛，黃誠(chéng)誠(chéng)，張建峰
（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院-美國(guó)新罕布什爾大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

以京郊典型設(shè)施菜地為研究對(duì)象，設(shè)置了農(nóng)民習(xí)慣（FP）、水肥一體化（FPD）、優(yōu)化水肥一體化（OPTD）和對(duì)照（CK）4個(gè)處理，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，分析了設(shè)施菜地N2O排放特征及其影響因素，評(píng)估了滴灌施肥對(duì)水氮利用效率的影響和N2O排放量的減排貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：N2O排放在施肥和灌溉事件后呈現(xiàn)出一段短而急促的排放峰，基肥期排放峰持續(xù)10 d左右，追肥持續(xù)時(shí)間為3～5 d，水肥一體化技術(shù)能降低N2O排放峰值和持續(xù)時(shí)間，N2O排放通量變化范圍為-2.67～22.56 mg N·m-2·h-1；在保持作物產(chǎn)量的條件下，F(xiàn)PD、OPTD處理分別比FP處理減少N2O排放29.41%、32.63%，F(xiàn)PD處理的氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水利用效率比漫灌FP處理分別增加14.62%和43.54%。可見(jiàn)，在相同施氮量的條件下，改常規(guī)漫灌方式為滴灌，能降低設(shè)施菜地N2O排放29.4%，同時(shí)氮肥和灌溉水利用效率分別提高14.62%和43.54%，是未來(lái)設(shè)施菜地值得推薦的一種生產(chǎn)技術(shù)。

滴灌施肥；設(shè)施菜地；N2O排放；減排貢獻(xiàn)；水肥利用效率

江雨倩，李虎，王艷麗，等.滴灌施肥對(duì)設(shè)施菜地N2O排放的影響及減排貢獻(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（8）：1616-1624.

JIANG Yu-qian，LI Hu，WANG Yan-li，et al.Effects of fertigation on N2O emissions and their mitigation in greenhouse vegetable fields［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（8）：1616-1624.

我國(guó)是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，目前蔬菜種植面積占農(nóng)作物總播種面積的25.56%［1］，其中設(shè)施菜地占蔬菜種植面積的18%［2］。與種植糧食作物的農(nóng)田相比，設(shè)施菜地具有施肥量大、灌溉頻繁、復(fù)種指數(shù)高等特點(diǎn)，其平均每公頃施氮量甚至高達(dá)1500 kg，是大田作物的4～6倍，而氮肥當(dāng)季利用效率甚至不到10%［3］。過(guò)量肥料投入所導(dǎo)致的環(huán)境污染、土壤質(zhì)量退化等一系列后果也越來(lái)越嚴(yán)重，而且導(dǎo)致N2O大量排放［4］。有研究表明，我國(guó)農(nóng)田N2O排放約20%來(lái)源于蔬菜種植［5］，總體上呈現(xiàn)出高能耗、高排放和高污染等特征。以北京市為例，目前設(shè)施菜地面積約為4萬(wàn)hm2，平均施氮量為1732 kg·hm-2，為一般蔬菜氮素吸收量的4.5倍，相當(dāng)于大田的3.8倍［6-7］。隨著人口的增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，未來(lái)十年我國(guó)蔬菜需求量也將呈現(xiàn)剛性增長(zhǎng)趨勢(shì)，由蔬菜種植引起的溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題也將會(huì)越來(lái)越突出。同時(shí)，由于水資源供需矛盾突出，未來(lái)可能難以用高耗水的傳統(tǒng)種植模式（大水漫灌）來(lái)達(dá)到需求的蔬菜產(chǎn)量。因此，在保障農(nóng)產(chǎn)品的有效供給下，解決日益突出的用水矛盾同時(shí)減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。

滴灌施肥是利用管道灌溉系統(tǒng)，能同時(shí)將水、肥溶液輸送到作物根部以供其直接吸收利用，適時(shí)、適量地滿(mǎn)足農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)肥技術(shù)，目前已成為我國(guó)干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式。研究表明，相比傳統(tǒng)大水漫灌方式，滴灌施肥技術(shù)不僅能提高水肥利用效率分別達(dá)到110%和80%［8-9］，而且在相同施氮量情況下，比常規(guī)漫灌施氮能減少30%～40% 的N2O累積排放量［10］。目前我國(guó)滴灌施肥技術(shù)不僅在干旱、半干旱地區(qū)使用，而且已經(jīng)成為非干旱區(qū)大田作物、設(shè)施蔬菜、果樹(shù)等常用的一種節(jié)水、節(jié)肥措施。然而，滴灌施肥由于灌溉時(shí)間長(zhǎng)、頻率高、水肥交互作用較強(qiáng)，會(huì)顯著影響到土壤水分狀況及O2供應(yīng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解、氮素的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要的影響，從而影響N2O產(chǎn)生和排放過(guò)程。然而，目前的研究都集中在滴灌施肥對(duì)設(shè)施菜地的水氮利用率的影響上，對(duì)N2O等溫室氣體排放的影響及減排的貢獻(xiàn)研究仍不足。因此，本研究擬同時(shí)探討設(shè)施菜地滴灌施肥對(duì)水氮利用率和N2O排放的影響，明確其減排貢獻(xiàn)，以期為設(shè)施蔬菜水肥優(yōu)化管理提供技術(shù)儲(chǔ)備，并為農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這不僅是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究?jī)?nèi)容，也是滴灌節(jié)水技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市房山區(qū)竇店鎮(zhèn)蘆村蘆西園，地處東經(jīng)116°01′、北緯39°38′，四季分明，年平均氣溫11.9℃，年平均降水量583 mm，年相對(duì)濕度為61%，全年平均日照時(shí)數(shù)2554 h。供試大棚長(zhǎng)155 m、寬6 m，為普通的半拱圓形塑料大棚。大棚塑料膜無(wú)色透明，在頂部和底部分別設(shè)有通風(fēng)口。溫室塑料膜上覆蓋棉被，以保持夜間溫室溫度，雨雪天氣時(shí)封閉通風(fēng)口防止雨水進(jìn)入。黃瓜定植后覆蓋黑色地膜以保持水分、提高地溫、防止雜草。由于試驗(yàn)設(shè)置于蔬菜大棚內(nèi)，其氣溫高、濕度大的特點(diǎn)顯著有別于大田環(huán)境，年均溫21.22℃，最高溫可達(dá)60.1℃，年平均相對(duì)濕度為72.1%。試驗(yàn)開(kāi)始之前該日光溫室連續(xù)5年種植蔬菜。每年種植兩茬蔬菜，黃瓜和芹菜輪作：2月初至6月底種植黃瓜，7月至8月休閑悶棚，9月至12月初種植芹菜。供試土壤為褐土，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤容重為1.21 g·cm-3，0～20 cm土層全氮0.32 g·kg-1、全磷0.16 g·kg-1、全鉀2.69 g·kg-1、堿解氮145.56 mg·kg-1、速效鉀782.84 mg·kg-1、有效磷105.04 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)含量5.5%。黃瓜品種為金胚98。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)處理，分別為：對(duì)照處理（CK），農(nóng)民習(xí)慣處理（FP），滴灌施肥處理（FPD），優(yōu)化滴灌施肥處理（OPTD）。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)間由隔離帶隔開(kāi)，小區(qū)面積為6 m×8 m=48 m2。各處理肥料施用量和水肥管理措施如表1、表2所示。有機(jī)肥和磷肥均做底肥于定植前一次性施入，鉀肥和氮肥分基肥和追肥施用于各處理。有機(jī)肥為牛糞（含水量41.59%，含氮量1.33%），氮肥為尿素（含氮量46.4%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 33%）。基肥撒施后翻耕入土中，作物定植后漫灌。追肥時(shí)CK處理和FP處理用漫灌，肥料溶于灌溉水后隨水施入；而FPD處理和OPTD處理采用滴灌，肥料隨水滴入作物根部附近土壤。黃瓜生長(zhǎng)季滴灌水量是漫灌的25%（基肥時(shí)統(tǒng)一為漫灌灌溉，灌溉量無(wú)差異），化肥氮和鉀肥基追比例3∶7。黃瓜于2015年2月6日定植，6月26日拉秧。

1.3氣體采集與測(cè)定

采用自動(dòng)靜態(tài)箱-氣相色譜法進(jìn)行N2O氣體的采集。箱體由不銹鋼材料（厚度2 mm）制成，箱體外均用30 mm厚的塑料泡沫板包裹保溫，當(dāng)植株生長(zhǎng)超過(guò)60 cm時(shí)，增加中段箱。根據(jù)設(shè)施黃瓜的行株距，頂箱和中段箱箱體大小設(shè)計(jì)為長(zhǎng)80 cm、寬70 cm、高60 cm，以便覆蓋一部分植株一部分裸露的土壤，從而最大限度的保障原位監(jiān)測(cè)氣體取樣的代表性。箱體上部裝有自動(dòng)取氣系統(tǒng)，能根據(jù)需要每隔一定時(shí)間將箱內(nèi)氣體抽取到氣袋中（圖1），采集氣體的氣管頂部處于箱體中部，箱體內(nèi)部裝有攪拌空氣的小風(fēng)扇，保證箱體內(nèi)氣體均勻性，并配有溫濕度傳感器，箱體和底座之間用水密封，底座長(zhǎng)70 cm、寬80 cm、高25 cm，同樣由不銹鋼制成，于定植前埋入地下。采樣時(shí)，將箱體置于底座上，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，自動(dòng)抽取箱內(nèi)氣體于氣袋中，每隔6 min抽取一次，共取樣5次。通過(guò)箱體上的顯示屏同時(shí)讀取箱體內(nèi)溫度以及5 cm土壤溫度。每次取樣時(shí)間一般為早上8：00—10：00［11-13］，施肥和灌水后逐日觀測(cè)一周，基肥延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，直至各處理與不施氮處理的N2O排放通量無(wú)差異時(shí)為止，其余時(shí)間每周采樣1～2次。氣袋中的樣品用改進(jìn)的Agilent 7890A氣相色譜儀分析N2O濃度。各處理15 cm土壤體積含水量用TRIME-PICO 64測(cè)定。

表1　黃瓜季詳細(xì)水肥管理表Table 1 Water and fertilizer management practices during cucumber season

表2　各處理施肥量和灌溉量Table 2 Total fertilizer and irrigation rates in different treatments

1.4數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

（1）N2O排放通量：根據(jù)氣體濃度隨時(shí)間的變化速率計(jì)算氣體排放通量，公式［14］為：

圖1　自動(dòng)靜態(tài)采樣箱示意圖Figure 1 Diagram of automatic sampling static chamber and base

式中：F為N2O的排放通量，g N2O-N·m-2·h-1，負(fù)值表示土壤從大氣中吸收氣體，正值表示土壤向大氣排放氣體；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下N2O的密度，g·L-1；H為采樣箱氣室高度，m；T為采樣箱內(nèi)氣溫，℃；dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O-N濃度的變化速率，μL·L-1·h-1；t為扣箱后時(shí)間，h；P為采樣時(shí)氣壓，mmHg；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，mmHg；P/P0≈1。

（2）N2O排放總量：利用內(nèi)插法計(jì)算相鄰兩次監(jiān)測(cè)之間未監(jiān)測(cè)日期的排放總量，然后將每天的交換通量累加即可得到年度氣體排放總量。

（3）N2O排放強(qiáng)度：指形成單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量N2O排放量，即N2O排放總量與相應(yīng)處理作物產(chǎn)量的比值。計(jì)算公式為：

I=F/Y

式中：I為排放強(qiáng)度，kg N·t-1；F為供試土壤N2O排放通量，kg N·hm-2；Y為作物產(chǎn)量，t·hm-2。

（4）作物產(chǎn)量：

Y=W/S

（5）N2O排放系數(shù)：IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）將同期內(nèi)由化肥氮施用引起的N2O-N排放量占總施氮量的百分比定義為N2O排放系數(shù)，并建議化肥氮的N2O-N排放系數(shù)為1%。計(jì)算公式為：

EFd=100（EF-EC）/N

式中：EF和EC分別為施氮肥和對(duì)照處理下作物生長(zhǎng)季N2O排放總量，kg N·hm-2；N為當(dāng)季施氮肥量，kg N·hm-2。

（6）土壤孔隙含水量（WFPS）：為T(mén)RIME-PICO64所測(cè)體積含水率轉(zhuǎn)化而來(lái)。計(jì)算公式為：

式中：θv是土壤體積含水量，cm3·cm-3；ρb是土壤容重，g·cm-3；ρs為土壤比重。

（7）氮肥利用率，用氮肥偏生產(chǎn)力（PFP，kg·kg-1）表示：

PFP=Y/F

式中：Y為作物處理產(chǎn)量，kg·hm-2；F為施氮量，kg· hm-2。

第(4)問(wèn)的第①小題,考查“證據(jù)推理”的嚴(yán)密性,電解時(shí)陽(yáng)極附近溶液檢測(cè)不出Cl2,也可能是生成的Cl2全部跟Fe2+發(fā)生反應(yīng),還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。第②小題,考查控制變量、設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的能力。實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ是對(duì)比實(shí)驗(yàn),所以其中c(Cl-)濃度必須相等。第④小題是考查分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論的能力。對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅴ所獲得的現(xiàn)象,可得出Fe2+先于Cl-放電;對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅳ所獲得的現(xiàn)象,將電壓控制在一定范圍內(nèi),Fe2+、Cl-可能同時(shí)放電,也可能是Cl-放電生成Cl2,Cl2再將Fe2+氧化。

（8）灌溉水利用效率（Irrigation water utilization efficiency，iWUE）：

iWUE=Y/W

式中：Y為作物產(chǎn)量，kg·hm-2；W為灌溉水量，m3·hm-2。

采用Excel 2007和SAS9.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、制圖和統(tǒng)計(jì)分析，處理間各指標(biāo)數(shù)值的雙方面分類(lèi)的方差分析采用Duncan法。

2　結(jié)果與分析

2.1滴灌條件下N2O排放特征及影響因素

圖2　不同處理N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化（箭頭代表施肥日期）Figure 2 Seasonal dynamics of N2O emission fluxes in four different management treatments（Arrows represent fertilization dates）

實(shí)驗(yàn)中各處理土壤N2O排放峰值均發(fā)生在施肥和灌溉后，一共出現(xiàn)7次N2O排放高峰，由于外源氮施入土壤促進(jìn)了土壤硝化反硝化過(guò)程的進(jìn)行，從而促進(jìn)了N2O的排放。其中2015年2月6日施基肥定植后，N2O排放峰持續(xù)了7～10 d（圖2），而追肥灌溉排放后峰值持續(xù)時(shí)間為3～5 d。持續(xù)時(shí)間的差異是由于氮肥施入量不同以及反應(yīng)底物不同所致，基肥施入了折純量為500 kg N·hm-2的有機(jī)肥以及30%的化肥氮，而追肥分別施入10%化肥氮，可見(jiàn)施用氮肥能顯著提高N2O的排放。整個(gè)黃瓜生長(zhǎng)季N2O排放最高出現(xiàn)在黃瓜定植后施基肥后的第1 d，以FP處理排放通量最高，達(dá)到16.09 mg N·m-2·h-1，而在相同施肥量的條件下，F(xiàn)PD處理相比FP處理降低了N2O排放峰（13.57 mg N·m-2·h-1）及其持續(xù)的時(shí)間（圖2）。整個(gè)黃瓜季CK、FP、FPD和OPTD處理排放通量變化范圍分別為：0.04～4.40、0.10～16.09、-0.22～13.57、0.00～6.81 mg N·m-2·h-1。N2O平均排放通量從大到小排列為FP＞FPD＞OPTD＞CK，分別為：（0.67±0.21）、（1.75± 0.44）、（1.29±0.64）、（1.03±0.33）mg N·m-2·h-1。

水熱條件是影響N2O排放的主要環(huán)境因子。觀測(cè)期間各處理土壤水分變化動(dòng)態(tài)基本一致，處理間平均WFPS也沒(méi)有明顯差異（圖3），漫灌處理土壤表層WFPS為56.00～80.69%，滴灌處理為50.27%～78.57%。各處理土壤表層溫度（5 cm深度）處于8.64～27.07℃，溫度隨季節(jié)變化明顯。對(duì)各處理的N2O排放通量與5 cm深度土壤溫度的偏相關(guān)分析表明，CK、FP和OPTD處理土壤5 cm溫度和N2O排放通量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而FPD與土壤溫度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系（表3）。對(duì)各處理的N2O排放通量與WFPS的偏相關(guān)分析表明，只有OPTD處理土壤含水量與N2O排放通量呈顯著相關(guān)性（P＜0.05），其余各處理WFPS與N2O排放通量無(wú)相關(guān)性（表3）。

2.2滴灌條件下N2O排放總量、排放強(qiáng)度和排放系數(shù)

表3　土壤N2O排放通量與5 cm土溫和WFPS的相關(guān)分析Table 3 Pearson′s correlation coefficients of N2O fluxes with soil temperature and soil moisture in different management treatments

圖3　各處理5 cm深度土壤溫度、WFPS變化Figure 3 Dynamic changes of 5 cm soil temperature and water-filled pore space for each treatment

不同施肥量與灌溉量對(duì)于作物生長(zhǎng)期農(nóng)田N2O排放總量影響不同。黃瓜季實(shí)驗(yàn)中各處理的排放總量從大到小排序?yàn)镕P＞FPD＞OPTD＞CK，常規(guī)施氮肥的處理N2O年排放總量最高，各處理分別為（11.36± 1.77）、（29.77±1.89）、（21.01±2.61）、（20.06±1.04）kg· N·hm-2（圖4）。不同處理間排放系數(shù)介于0.72%～1.53%間，排放系數(shù)從大到小排序?yàn)镕P＞FPD＞OPTD。其中FP處理排放系數(shù)為1.53%，超出IPCC的默認(rèn)值（1%）；FPD處理與 OPTD處理排放系數(shù)分別為0.80%、0.72%，低于默認(rèn)值。FPD比FP處理減少N2O排放總量29.41%（P＜0.05），OPTD比FP處理N2O排放總量減少32.63%（P＜0.05），且均達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明在相同施肥量下改變施肥方式可顯著減少N2O排放。而FPD與OPTD處理間排放總量差異不顯著，即在相同滴灌條件下降低氮肥施用量沒(méi)有顯著降低N2O排放。對(duì)于各處理N2O排放強(qiáng)度，與FP處理（0.29 kg N·t-1）相比，F(xiàn)PD處理（0.19 kg N·t-1）減少了36.77%的N2O排放強(qiáng)度，而OPTD減少了33.65%（圖4）?？梢?jiàn)滴灌施肥措施在保持作物產(chǎn)量的條件下能有效減少N2O排放，值得推薦。

2.3滴灌條件下水氮利用效率及其與N2O排放的關(guān)系

由表4可以看出，與FP處理相比，F(xiàn)PD處理提高了設(shè)施黃瓜的產(chǎn)量。這是由于滴灌施肥可以精確而直接地將水分和養(yǎng)分輸送到作物主要根系分布區(qū)，使灌溉水和氮肥利用效率分別提高了 45.54%和14.62%，從而增加了產(chǎn)量。值得一提的是，OPTD處理相比FP處理雖然降低了40%的氮肥和25%的水分投入，但設(shè)施黃瓜的產(chǎn)量并沒(méi)有降低，灌溉水和氮肥利用效率也分別提高了27.59%和32.90%。此外，結(jié)合2013—2014年的觀測(cè)數(shù)據(jù)［22］與本研究的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水肥利用效率與N2O排放強(qiáng)度具有顯著的相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.836和0.791（圖5），灌溉水利用效率和氮肥施用效率的提高均顯著減少了N2O的排放強(qiáng)度。可見(jiàn)，適宜的滴灌水肥管理方式在提高水肥利用效率的條件下，不僅能促進(jìn)植株的營(yíng)養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量，而且對(duì)于減少N2O排放強(qiáng)度有著非常重要的作用。

圖4　不同處理N2O排放總量和排放強(qiáng)度Figure 4 Estimated cumulative N2O emissions and N2O emission intensities of four different management treatments

3　討論

3.1滴灌施肥條件下N2O排放特征及影響因素

表4　不同處理水肥利用效率Table 4 Water and fertilizer use efficiencies for each treatment

圖5　N2O排放強(qiáng)度與水肥利用效率的關(guān)系Figure 5 Relationship between N2O emission intensity and water and fertilizer use efficiencies

滴灌施肥是影響N2O排放的主要因素，本研究中每次施肥灌溉后各處理都會(huì)出現(xiàn)N2O的排放峰，施入基肥后N2O排放持續(xù)10d左右，追肥一般持續(xù)3～5d，主要是由于本實(shí)驗(yàn)中基肥施入了大量的有機(jī)肥（牛糞）和化肥氮，并且遠(yuǎn)超出每次追肥的量。張婧等［14］、王艷麗等［10］對(duì)京郊設(shè)施菜地的監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，N2O排放峰在基肥后持續(xù)10～15 d，追肥后持續(xù)3～4 d。張仲新等［15］對(duì)設(shè)施菜地的研究也發(fā)現(xiàn)N2O排放出現(xiàn)在施肥后0～3 d內(nèi)，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。而對(duì)于各處理之間，漫灌處理N2O每次排放峰值明顯高于滴灌處理，可能由于滴灌處理濕潤(rùn)區(qū)是一個(gè)逐步擴(kuò)大的過(guò)程，土壤水分條件不能迅速滿(mǎn)足硝化或反硝化條件，影響了硝化和反硝化速率，因而滴灌施肥一般會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定且少量的N2O排放，相關(guān)研究也得到類(lèi)似的結(jié)果［11-13］，但王維漢等、于亞軍等［16-17］研究表明滴灌形成了明顯的干濕交替過(guò)程，因而促進(jìn)了N2O排放?？梢?jiàn)，滴灌施肥在不同的環(huán)境條件中對(duì)N2O排放的影響不同。

土壤溫度是影響N2O排放的重要因子。本研究中滴灌與漫灌處理間溫度差異不明顯，灌溉水量的不同并沒(méi)有造成兩處理間的溫度不同［18］。N2O排放與CK、FP和OPTD處理土溫均呈顯著負(fù)相關(guān)，其主要由于在基肥期間N2O平均排放通量大，隨后是一個(gè)緩慢下降的過(guò)程，而土壤溫度恰好是隨著季節(jié)變化從春季到夏季而出現(xiàn)緩慢上升的過(guò)程，因而N2O排放并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。王艷麗等［10，22］對(duì)京郊設(shè)施黃瓜季的觀測(cè)也得到了類(lèi)似的結(jié)果。而于亞軍等［17］研究表明，土壤溫度與春季蔬菜生長(zhǎng)期N2O排放通量呈顯著正相關(guān)，可能由于施氮量的不同造成了硝化或反硝化的反應(yīng)底物濃度不同，從而溫度對(duì)N2O排放的影響也不同。土壤濕度是影響N2O排放的又一重要因子，在同一實(shí)驗(yàn)基地2013—2014年的研究中［10，22］土壤中WFPS為N2O排放主要影響因子。在本季試驗(yàn)中，WFPS只對(duì)于OPTD處理影響顯著，而對(duì)其他兩個(gè)處理的影響不顯著，可能由于灌水間隔時(shí)間較前兩年長(zhǎng)，土壤濕度和溫度的年際差異變化造成的影響不同，而且溫度和水分的交互作用可能掩蓋了單一的水分對(duì)N2O排放的影響。

綜上可見(jiàn)，由于滴灌施肥可引起土壤中一系列的物理、化學(xué)及生物學(xué)屬性的變化（如通氣性、酸堿度、微生物群落大小與活性等），進(jìn)而影響N2O產(chǎn)生和排放的過(guò)程，這種影響會(huì)由于土壤條件、氣候條件、反應(yīng)底物濃度等的不同而不同。因此，未來(lái)在灌溉方式變化的條件下，應(yīng)加強(qiáng)水、肥、溫濕度等以及它們之間的交互作用對(duì)土壤N2O排放的影響機(jī)理研究。

3.2滴灌施肥條件下N2O排放總量及減排貢獻(xiàn)

本研究中，設(shè)施黃瓜季在不改變施肥量的條件下，從漫灌方式改為滴灌方式，N2O排放量從（29.77± 1.89）kg N·hm-2減少到（21.01±2.61）kg N·hm-2，滴灌N2O排放總量比漫灌減少了29.41%，而在減氮40%的條件下，N2O排放總量滴灌比漫灌減少了32.63%。本研究是在王艷麗等［10，22］的基礎(chǔ)上進(jìn)行的第三年實(shí)驗(yàn)，結(jié)合前兩年的研究也表明N2O排放總量年際差異不大，黃瓜季N2O排放量滴灌比漫灌分別減少7.79%以及36.35%，多年的綜合結(jié)果表明滴灌技術(shù)沒(méi)有顯著降低作物的產(chǎn)量，但顯著減少了N2O排放量。黃麗華等［23］對(duì)上海設(shè)施蔬菜地N2O排放的研究表明，2006年和2007年滴灌施肥區(qū)的單位作物產(chǎn)量N2O排放量比常規(guī)區(qū)分別減少1.50、1.56 g N·kg-1，削減率分別達(dá)到53.2%和58.9%。分析其原因，滴灌條件下較低的土壤孔隙含水量使得土壤中硝化作用高于反硝化作用，同時(shí)其N(xiāo)H+4-N和NO-3-N比漫灌更高，更能抑制反硝化作用［19-21］，從而減少了N2O排放。也有研究表明［32］，滴灌滴頭附近濕潤(rùn)的區(qū)域?yàn)镹2O排放源的可能性比較大，但滴頭處的土壤WFPS通常會(huì)大于80%，使得這部分土壤出現(xiàn)較強(qiáng)的反硝化作用，使N2O進(jìn)一步還原為N2，從而降低了N2O的排放量。而另外一些研究者認(rèn)為滴灌施肥減少N2O排放的原因主要是：滴灌施肥條件下肥料直接施到作物根區(qū)，提高了作物肥料利用效率；滴灌施肥土壤含水量較低，反硝化產(chǎn)生的N2O受到抑制［20，24-25］。Kennedy等［26］研究也表明滴灌施肥增加了番茄產(chǎn)量，促進(jìn)了番茄對(duì)水肥的吸收利用，減少了土壤中殘留的氮素含量，因而減少了N2O的排放。由于本文僅結(jié)合黃瓜季進(jìn)行了綜合研究，滴灌技術(shù)的減排機(jī)理仍需要進(jìn)一步長(zhǎng)期的觀測(cè)研究。

3.3滴灌施肥條件下作物產(chǎn)量、水肥利用效率與N2O排放的關(guān)系

由于滴灌適時(shí)適量地提供了設(shè)施黃瓜需要的水肥條件，促進(jìn)了根系活力和對(duì)養(yǎng)分的吸收，有利于設(shè)施黃瓜的增產(chǎn)、豐產(chǎn)。本實(shí)驗(yàn)中相同施肥量下FPD處理產(chǎn)量（114.89 t·hm-2）高于FP處理（100.24 t·hm-2），結(jié)合2013和2014年兩年的觀測(cè)數(shù)據(jù)［10，22］表明，滴灌施肥條件下黃瓜產(chǎn)量雖然存在年際間的變化，但均比農(nóng)民習(xí)慣增加了作物產(chǎn)量。聶斌等［27］對(duì)山東壽光的設(shè)施菜地研究結(jié)果也表明滴灌處理的產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣處理的產(chǎn)量。滴灌施肥降低養(yǎng)分及水分流失從而提高了水肥利用效率。本研究結(jié)合前兩年的監(jiān)測(cè)，從2013—2015年FPD處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別為72.07、90.30、95.74 kg·kg-1，與樊兆博等［28］在山東壽光的研究結(jié)果相近（85.64 kg·kg-1）。Zotarelli等［29］研究也表明，滴灌較常規(guī)漫灌氮肥利用效率提高37%～68%。周博等［30］對(duì)番茄的研究表明在相同施肥量的情況下，節(jié)水灌溉措施的水分利用效率顯著高于常規(guī)灌溉。韋彥等［31］對(duì)溫室黃瓜的研究結(jié)果表明，滴灌處理較漫灌水分利用效率可提高49.90%。本研究表明滴灌能有效地提高氮肥利用效率14.62%～32.90%，灌溉水利用效率27.58%～43.54%。作物水肥利用率的提高，對(duì)于減少N2O排放強(qiáng)度具有重要的作用。Van Groenigen等［33］的研究表明提高水肥利用率與減少農(nóng)業(yè)源N2O排放有著最直接的關(guān)系，王艷麗等［10］的研究也表明，滴灌施肥促進(jìn)了作物的氮素吸收利用，相比漫灌處理其硝化和反硝化作用反應(yīng)底物濃度降低，因而使得滴灌條件下N2O排放量更少。本研究中設(shè)施菜地土壤含水量一直保持在較高的水平，雖然形成了有利于硝化和反硝化反應(yīng)的有利條件，但滴灌施肥提高了水肥利用效率，故具有顯著的N2O減排效果?？梢?jiàn)，滴灌施肥在保持或增加產(chǎn)量的前提下，既節(jié)水節(jié)肥又減排，不失為設(shè)施菜地值得推薦的一種技術(shù)。

4　結(jié)論

（1）設(shè)施黃瓜生長(zhǎng)季N2O排放峰值主要集中于灌水施肥事件后，基肥持續(xù)10 d左右，追肥持續(xù)3～5 d，滴灌施肥能降低N2O排放峰值和其持續(xù)時(shí)間。

（2）相同氮肥施用量的條件下，只改變灌溉方式，滴灌相比常規(guī)漫灌能減少N2O排放總量29.41%，而在減少40%氮肥量下，在保持作物產(chǎn)量的條件下，滴灌施肥能顯著減少N2O排放總量32.63%。

（3）相同氮肥施用量的條件下，滴灌施肥比常規(guī)漫灌施肥產(chǎn)量能提高14.61%，并且氮肥偏生產(chǎn)力和灌溉水利用效率能分別增加14.62%和43.54%。同時(shí)水肥利用效率與N2O排放強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)，水肥利用率的提高對(duì)減少N2O排放具有重要作用。

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Effects of fertigation on N2O emissions and their mitigation in greenhouse vegetable fields

JIANG Yu-qian，LI Hu*，WANG Yan-li，ZHANG Jing，SUN Yuan，WANG Li-gang，HUANG Cheng-cheng，ZHANG Jian-feng
（Key Laboratory of Non-point Source Pollution Control，Ministry of Agriculture；CAAS-UNH Joint Laboratory for Sustainable Agro-ecosystem Research；Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

In this paper，four treatments，i.e.control（CK），farmers′practice（FP），farmers′practice with drip irrigation（FPD），and optimal fertilization with drip irrigation（OPTD），were conducted in the suburbs of Beijing.FPD consisted of drip irrigation with fertilizers dissolved in the irrigation water.OPTD had the same fertigation but N fertilizer was reduced by 40%.Soil N2O fluxes were measured year round by static chambers.Soil temperature，moisture，and nitrate levels were monitored in parallel with N2O measurements for all plots.Finally，the effects of fertigation on water and fertilizer use efficiency and soil N2O emissions in this system were analyzed.Results indicated that the N2O emission fluxes in the treatments ranged from-2.67 mg N·m-2·h-1to 22.56 mg N·m-2·h-1.Fertilization and irrigation were the major factors inducing N2O emission peaks for a certain time.The N2O emission peaks lasted for 10 days after basic fertilization，and for 3 to 5 days after additional fertilization.The fertigation management reduced N2O emission peaks and lasting time.Soil temperature was a significant factor affecting the N2O emissions in cucumber season.Compared with the FP treatment，F(xiàn)PD and OPTD reduced the annual N2O emissions by 29.41%and 32.63%，whereas FPD treatment increased the nitrogen partial productivity and irrigation water use efficiency by 14.62%and 43.54%，respectively.It is concluded that the fertigation management practice could not only increase water and fertilizer use efficiency，but also reduce N2O emissions while maintaining or increasing crop yields from the greenhouse vegetable system.

fertigation；greenhouse vegetable；N2O emission；mitigation contribution；water and fertilizer utilization

X511

A

1672-2043（2016）08-1616-09

10.11654/jaes.2016-0109

2016-01-22

農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目（2015-Z14）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41201287）

江雨倩（1991—），女，碩士，主要從事農(nóng)田溫室氣體研究。E-mail：jiangyuqian1991@163.com

李虎E-mail：lihu0728@sina.com