水氮耦合對設施土壤溫室氣體排放的影響

杜世宇，薛 飛，吳漢卿，鄒洪濤，張玉玲，張玉龍，虞 娜

（沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院/農業(yè)農村部東北耕地保育重點實驗室/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽110866）

水分和氮素是設施農業(yè)生產可調控的因子。為獲得蔬菜高產，連年過量氮肥投入，不合理灌水現(xiàn)象較為普遍[1]。施入土壤的氮素除了被作物吸收和殘留在土壤中外，還會隨灌溉水淋溶和以氣態(tài)形式損失[2]。全球氣候變暖是人類面臨的主要環(huán)境問題，由于溫室氣體可以引起平流層臭氧損耗[3]，作為主要的溫室氣體，N2O、CO2和CH4在不同生態(tài)系統(tǒng)下的排放特征和全球增溫潛勢越來越引起重視。

土壤水和施氮量是影響N2O 排放的重要因素，決定了土壤氮素轉化的方向。滴灌和滲灌比溝灌能夠顯著降低N2O 排放量，漫灌改為地下滴灌可減少70%N2O 排放[4]，且滴灌施肥相比傳統(tǒng)灌水施肥能夠顯著減少N2O 排放量[5-6]。間歇灌溉能夠顯著降低雙季稻田全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度[7]。調虧灌溉有助于減少土壤CO2排放[8]。有機肥和氮肥的施用會導致菜地土壤N2O 排放增加[9]。滴灌條件下，硝化抑制劑和豬糞配用能最大減少N2O 的排放[10]。Zhang等[11]3 年的田間試驗表明，隨氮肥用量的增加，土壤N2O 排放增加，氮肥用量超過作物可吸收量時會大幅增加N2O 的排放。硝酸銨鈣肥換成尿素類肥料能夠有效減少土壤N2O 排放，最高可減排70%[12]。增加秸稈還田比例能夠有效減少農田CO2排放[13]，無機肥料和農家肥的長期施用也會導致CO2排放量升高[14]，而添加氮肥會導致CH4排放的增加[15]。灌水量和施氮量的增加會導致土壤CO2排放升高[16-17]。加氣條件下，虧缺灌溉配合低量氮肥可以有效降低土壤N2O 排放[18]。間歇淹水灌溉和低氮管理措施能夠有效降低稻田土壤的全球增溫潛勢（GWP）[19]。

目前，已有的設施蔬菜土壤溫室氣體排放的研究主要集中在單一施肥種類和施用量以及灌溉方式、灌溉量的影響，對水氮耦合下設施土壤N2O、CO2和CH4排放的研究還比較有限。因此，本研究基于連續(xù)5 年的溫室水氮田間定位試驗，研究水氮耦合對設施土壤溫室氣體排放特征的影響，探明不同水氮處理土壤溫室氣體排放通量、累積排放量特征及全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的差異，以期為設施土壤科學合理水氮管理及減少溫室氣體排放提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

沈陽農業(yè)大學設施水氮定位試驗始建于2012年，每年在4—8 月采用相同的試驗方案進行，其余時間試驗地處于覆蓋休耕。本研究開展時間為2017年，供試土壤為棕壤，供試作物為番茄。2012 年試驗開始前0～20 cm 土壤有機質含量10.9 g·kg-1，全氮含量1.4 g·kg-1，堿解氮含量57.8 mg·kg-1，速效磷含量（碳酸氫鈉浸提）25.2 mg·kg-1，速效鉀含量（醋酸銨浸提）90.2 mg·kg-1，土壤pH 7.1。

試驗共設9 個處理，分別為W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3。考慮蔬菜水分能量管理經驗和當?shù)胤柿嫌昧?，設灌水下限W1（低）、W2（中）和W3（高）分別為25、35 kPa 和45 kPa，灌溉上限為田間持水量（0.348 9 cm3·cm-3）。氮肥尿素用量N1（低）、N2（中）和N3（高）分別為75、300 kg N·hm-2和525 kg N·hm-2。試驗小區(qū)在始建前，用埋深60 cm 的塑料布做防滲透隔離處理，防止小區(qū)間水分、養(yǎng)分的運移，小區(qū)面積2.5 m2，各處理4次重復。

除氮肥以外，其他肥料分別為有機肥（膨化雞糞26 400 kg·hm-2）、過磷酸鈣（220 kg P2O5·hm-2）和硫酸鉀（300 kg K2O·hm-2），各處理用量一致。定植前，各小區(qū)統(tǒng)一施用有機肥和過磷酸鈣作基肥。氮、鉀肥分3 次等量施入（番茄定植前、第一穗果和第二穗果膨大期）。番茄從移栽到收獲歷時98 d，2次追肥時間分別為定植后第48 d 和第65 d。番茄栽植行距平均55 cm，株距30 cm。每個小區(qū)種植番茄16 株，留四穗打頂。

灌溉采用膜下滴灌，即定植后將滴灌帶置于距離作物5 cm 左右，然后覆蓋地膜。番茄定植后相繼澆灌定植水和緩苗水后，進行水分處理。各小區(qū)埋設張力計和TDR 探頭指示土壤水吸力變化，確定灌溉時間和灌溉量。灌水下限土壤含水量由設計土壤吸力值算出，即當20 cm 土層張力計讀數(shù)（早8：00—8：30）達到灌水下限土壤吸力值時，依據(jù)該觀測值，使用水分特征曲線計算土壤體積含水量。曲線方程式為：

θ=0.520 5[1+（6 382.43h）11.501]-0.0094（r=0.995，P＜0.01

式中：h 為土壤水吸力，kPa；θ 為土壤體積含水量，cm3·cm-3。然后再以下式計算各小區(qū)單次灌溉量：

Q=（Qf-Ql）×H×R×S

式中：Q 為一次灌水水量，m3·小區(qū)-1；Qf和Ql分別為灌水上限和下限土壤含水量，m3·m-3；H 為計劃濕潤層厚度，m，取H=0.3 m；R 為土壤濕潤比，取R=0.5；S 為小區(qū)面積，m2。本試驗各處理生育期總灌水量（m3·hm-2）分別為W1N1（2 235.3）、W1N2（2 208.5）、W1N3（2 399.2）、W2N1（2 045.9）、W2N2（2 150.6）、W2N3（1 991.9）、W3N1（1 649.8）、W3N2（1 618.5）、W3N3（1 805.5）。定植時各處理灌溉量相同，定植后第14 d 開始第一次灌溉，各處理平均灌溉間隔時間（d）為W1N1（3.9）、W1N2（4.2）、W1N3（3.8）、W2N1（4.5）、W2N2（4.5）、W2N3（5.1）、W3N1（6.9）、W3N2（6.9）、W3N3（6.3）。

1.2 溫室氣體樣品的采集與測定

溫室氣體采集于2017 年定位試驗定植的第2 d開始，每隔6 d 采集1 次氣體樣品，到拉秧結束當天采集最后一次，共采樣14 次。氣體采用靜態(tài)箱法采集，靜態(tài)箱底座（40 cm×40 cm×10 cm）于定植后埋入兩株作物間且灌水濕潤部位，埋入深度為5 cm，底座外帶水槽。箱體體積為40 cm×40 cm×40 cm，氣體采集時，箱體罩于底座上，水槽加水密封。箱體上部安裝溫度計，用于測定箱內溫度，采用氣泵連接氣袋進行采氣。當同時需要氣體采集和灌水時，先進行灌水，后進行采集氣體。隨機從各處理的重復小區(qū)中選擇3 個位點作為固定位置采氣。采樣時間在上午8：00—11：00，分別在密閉后0、10、20 min 各采集一次，同時記錄箱內溫度，每次抽取40 mL 氣體于氣袋中，帶回實驗室進行測定。N2O、CO2和CH4采用Agilent 7890B氣相色譜儀同時測定，其中CO2和CH4用氫火焰離子化檢測器（FID）測定，N2O 用電子捕獲檢測器（ECD）測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)箱內所測氣體的排放通量根據(jù)以下公式（1）計算：

式中：F 是測定氣體的排放通量，N2O、CO2、CH4單位分別為μg N·m-2·h-1、mg C·m-2·h-1、μg C·m-2·h-1；ρ是標準狀態(tài)下測定氣體的密度，N2O-N 為1.25 kg·m-3、CO2-C 和CH4-C 為0.536 kg·m-3；h 是密閉箱凈高度，m；dc/dt是采樣箱內氣體濃度變化率，μL·L-1·min-1；T為采樣過程中箱內平均空氣溫度，℃；k為時間轉換因子，60 min·h-1。由于箱內氣體壓強幾乎不變，對N2O、CO2和CH4的影響可以忽略，因此計算時并沒有考慮壓強的影響。

溫室氣體生長季的累積排放量采用公式（2）計算：

式中：CF 為測定氣體的累積排放量，N2O 單位為kg N·hm-2、CO2和CH4單位為kg C·hm-2；F 為第i 次測定氣體排放通量，單位同上；24 為每小時排放量換算為每天排放量的轉換系數(shù)；（ti+1-ti）為連續(xù)兩次測定的間隔天數(shù)；n 為觀測的總次數(shù)；f為單位換算系數(shù)，N2O 和CH4為10-5、CO2為10-2。

溫室氣體的全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）采用公式（3）計算：

式 中：GWP 是 全 球 增 溫 潛 勢（kg CO2-eq·hm-2），CFN2O、CFCO2和CFCH4分別是作物生育期N2O、CO2和CH4的累積排放總量，同式（2）。44/28 是從N2O-N 轉化為N2O 的系數(shù)；16/12 是從CH4-C 轉化為CH4的系數(shù)；44/12 是從CO2-C 轉化為CO2的系數(shù)。100 年時間尺 度 上N2O 的GWP 為CO2的265 倍，CH4的GWP 為CO2的28倍[20]。

溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，GH?GI）采用公式（4）計算：

式中：溫室氣體排放強度是單位產量的全球增溫潛勢，kg CO2-eq·kg-1；Y 為作物產量，kg·hm-2。

采用Excel 2010 進行試驗數(shù)據(jù)整理和計算，SPSS 21.0進行隨機區(qū)組雙因素方差分析及相關性分析，多重比較采用Duncan新復極差法，Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理N2O排放的變化

如圖1所示，在番茄整個生長季，N2O排放通量的圖1a～圖1c 的峰值表現(xiàn)與各處理施氮時期具有較好的一致性，表現(xiàn)在基肥施用后10 d、第一次追肥和第二次追肥左右有峰值出現(xiàn)，以低灌水下限W1水平的峰值更陡峭。各灌水下限，施氮量對N2O 排放通量的影響均表現(xiàn)為隨施氮量增加排放通量增加的趨勢，以W1下各施氮量分異更為明顯，變化范圍較大（-1.7～354.6 μg N·m-2·h-1），其次為W3，變化范圍為3.2～142.9 μg N·m-2·h-1。W2排放通量范圍在整個生長季變異最小為-9.4～95.4 μg N·m-2·h-1。不同水氮處理土壤N2O 的累積排放量動態(tài)表現(xiàn)為定植初期排放增加明顯，隨后變化平緩，在追肥期排放又有不同幅度增加，隨后增加幅度略有降低，以N3水平變化較明顯，W1N3處理變化顯著。相同灌水下限，隨氮肥量增加，累積排放量增加。相同施氮量，N2和N3水平，低灌水下限25 kPa均表現(xiàn)為累積排放量最大。

2.2 不同水氮處理CO2排放的變化

如圖2 所示，CO2排放通量與N2O 表現(xiàn)出類似的規(guī)律，分別在定植水后的第一次灌水（定植14 d）、第一次追肥和第二次追肥后出現(xiàn)峰值。第一次灌水后峰值為負峰，即表現(xiàn)為CO2的吸收。整個生長季，CO2排放通量以N1水平變化范圍最大為-63.7～224.8 mg C·m-2·h-1，其次為N3水平，變化范圍在-77.0～150.8 mg C·m-2·h-1之間，N2水平排放通量變化范圍在整個生長季變異最小為-76.5～125.6 mg C·m-2·h-1。不同施氮量下CO2累積排放通量的動態(tài)變化均表現(xiàn)為W1＞W3＞W2處理，在作物生長初期W1和W3差異不顯著，生長中期后，W1和W3累積排放量差異增大，以N1和N3處理中的W1與其余灌水下限分異明顯。

2.3 不同水氮處理CH4排放的變化

圖1 不同水氮處理N2O排放通量及累積排放量動態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of N2O emission flux and N2O cumulative emission under different irrigation and nitrogen treatments

圖2 不同水氮處理CO2排放通量及累積排放量動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of CO2 emission flux and CO2 cumulative emission under different irrigation and nitrogen treatments

如圖3 所示，不同水氮處理CH4的排放通量變異劇烈，除W3N2處理為中等變異（1＞CV＞0.1），其余各處理排放通量均為強變異（CV＞1），以N2施氮量下各處理變異最大，其次為N1各處理，N3各處理差異相對較小。CH4累積排放量在各施氮量下，不同灌水下限表現(xiàn)為不同的變化規(guī)律，N1下W2水平累積排放量一直最高，而N3下為W1水平，2 個施氮水平的累積排放量的動態(tài)變化曲線相似。N1下，番茄生長初期W3的累積排放量高于W1，隨后均表現(xiàn)為W1高于W3。而N3水平下，累積排放量動態(tài)始終表現(xiàn)為W1＞W2＞W3，且W1和W2表現(xiàn)為隨生育期延續(xù)，排放量增加，到生育后期趨于平緩。而W3表現(xiàn)為先緩慢降低后持續(xù)增加的特點。N2水平下W3的累積CH4排放量最大，而在N1和N3水平下W3的累積排放量均低于其余灌水下限。

2.4 不同水氮處理溫室氣體累積排放總量、產量與GWP分析

圖3 不同水氮處理CH4排放通量及累積排放量動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of CH4 emission flux and CH4 cumulative emission under different irrigation and nitrogen treatments

如表1 所示，灌水下限對溫室氣體（N2O、CO2和CH4）累積排放總量的影響極顯著，施氮量對N2O 和CO2累積排放總量的影響極顯著，灌水下限和施氮量的交互作用均極顯著影響N2O 和CH4的累積排放總量。進一步采用因素離差平方和占總變異比例分析水氮及交互對N2O 累積排放總量的影響效應大小，表現(xiàn)為施氮量＞水氮交互＞灌水下限。對CO2累積排放總量的影響表現(xiàn)為灌水下限＞施氮量。對CH4累積排放總量的影響表現(xiàn)為水氮交互＞灌水下限。進一步分析單一效應各水平對溫室氣體累積排放總量的影響，N2O、CO2累積排放總量均表現(xiàn)W1＞W3＞W2，W1極顯著的高于其余2 個灌水下限，W2和W3之間的N2O累積排放總量差異不顯著，CO2累積排放總量表現(xiàn)為不同灌水下限差異極顯著。CH4累積排放總量表現(xiàn)為W2的累積排放總量最大，顯著高于W1和W3水平，W1和W3差異不顯著。不同施氮量單一效應分析表明，隨施氮量增加，N2O、CO2累積排放總量增加，各施氮量間N2O 累積排放總量差異均為極顯著，而對CO2累積排放總量的影響表現(xiàn)為N1和N2、N3的分別達到顯著（P＜0.05）和極顯著差異（P＜0.01）。水氮耦合效應使W1N3處理的N2O 的累積排放總量最大，而W2N1處理累積排放總量最小。各水氮處理CO2累積排放總量受水氮單一效應影響，W1N3處理顯著或極顯著的高于其他處理，累積排放總量最高；W2N1處理的累積排放總量最小，并與W2N2、W2N3和W3N1處理差異不顯著。水氮耦合效應使得CH4累積排放總量最高為W2N1處理，最低為W1N2處理。

對不同水氮處理下GWP 的統(tǒng)計分析可知，灌水下限和施氮量極顯著的影響GWP，而水氮交互效應顯著影響GWP 的大小。進一步比較灌水下限單因素效應對GWP 影響大小為：W1＞W3＞W2，W1極顯著高于W2和W3，后2 者之間達顯著差異。施氮量單因素效應對GWP 的影響表現(xiàn)隨施氮量增加GWP 增大，N1和N2差異顯著，N3與其余2 個施氮量之間均達極顯著差異（P＜0.01）。W1N3處理GWP 最大，極顯著高于其余處理，而W2N1處理的GWP 最小。除施氮量對產量的影響不顯著外，灌水下限和水氮交互極顯著影響番茄產量。灌水下限對番茄產量的單因素效應表現(xiàn)出與對GWP 相反的變化特征。灌水下限、施氮量及二者交互效應均極顯著影響GHGI，單因素效應對GHGI 影響與對GWP 表現(xiàn)出一致的變化關系，但二者交互效應對其影響未表現(xiàn)出一致變化。W1N2處理GHGI 最大，且與其他各處理之間差異極顯著。

表1 不同水氮處理溫室氣體（N2O、CO2和CH4）累積排放總量、全球增溫潛勢及溫室氣體排放強度Table 1 Total cumulative emissions of N2O，CO2 and CH4，GWP and GHGI with different irrigation and nitrogen treatments

進一步對不同處理GWP、GHGI 與溫室氣體累積排放總量進行相關分析，N2O 累積排放總量、CO2累積排放總量與GWP間均達到極顯著正相關（rN2O=0.818**，rCO2=0.983**，n=9），且N2O 累積排放總量和CO2累積排放總量之間達到顯著正相關（r=0.697*）。而CH4累積排放總量與GWP 相關未達到顯著水平。GHGI 僅與產量之間達到顯著負相關（r=0.772*）。GWP 的構成中，本研究各處理平均貢獻率N2O 為5.25%，CO2為94.59%，W1N3處理N2O對GWP的貢獻率高達10.5%。

3 討論

3.1 不同水氮處理對溫室氣體排放的影響

土壤含水量是影響N2O 排放的重要因素。已有研究指出，無氮處理，增加灌溉量能顯著增加土壤的N2O 排放量，但在中等和高量施氮處理下，灌溉量對N2O 排放量影響并不顯著[21]，這與本研究在低氮量下的研究結果較為一致。相同灌水下限下，增加施氮量能夠顯著增加N2O 排放量，特別是在追肥后N2O 排放量大幅增加，說明氮肥的施用是導致土壤N2O排放增加的主要原因[9]。番茄定植第64 d，W1N3處理的土壤N2O 排放明顯高于其他時段和處理，高達354.5 mg N·m-2·h-1，這可能是由于該處理經常處于較高土壤水分狀況有關，該處理為低灌水下限25 kPa，具有灌溉頻率高，生育期總灌溉量大的特點。同時，高氮肥用量，其施氮量可能超過作物可吸收范圍，導致土壤N2O 排放通量的劇增[11]，使得累積排放量均最高，這與以往研究結果相一致[22-23]。而相同施氮量的其他灌水處理，增加幅度有限。這可能與施氮和灌水均促進N2O排放[18]，本研究的施氮量效應大于灌水下限的影響有關。

土壤CO2排放通量在開始灌水（定植后第14 d）后出現(xiàn)第一次峰值，且累計排放總量受灌水下限的影響更大，即灌水促進土壤CO2排放。這與以往結果一致[24-25]，研究表明，CO2排放累積量與土壤含水率存在顯著正相關關系。兩次追肥后，土壤CO2排放均出現(xiàn)峰值，這說明氮肥的施用會增加土壤CO2的排放，土壤CO2排放累積量最高的處理是W1N3，灌水配合氮肥施用促進了微生物活動，導致土壤CO2排放的增加[16，26-27]。裸土條件的研究表明，施加氮肥會抑制土壤微生物活動，降低土壤CO2的排放[28]，但本試驗在地膜覆蓋下未出現(xiàn)CO2排放減少的結果。

目前土壤CH4排放的研究多數(shù)集中在水田土壤，對設施土壤CH4排放的研究較少。本研究中，CH4的排放通量在整個生長季表現(xiàn)為低值或負值，波動很大，這與旱地條件CH4在土壤中被氧化成CO2，土壤可能成為大氣或土壤內源CH4吸收的匯有關，與已有研究結果相同[29]。有研究發(fā)現(xiàn)[24]，稻田淹水缺氧條件會為甲烷菌提供合適的厭氧環(huán)境，導致CH4排放量增加，而本試驗在設施內實施，可能缺乏甲烷菌厭氧的條件，CH4排放變異較大未見規(guī)律變化，這與有的旱地研究結果一致[30]。

3.2 不同水氮處理對全球增溫潛勢的影響

土壤N2O 的產生和釋放一方面受土壤水分、溫度、pH 等環(huán)境條件影響，另一方面還受硝化和反硝化過程的微生物群落結構和活性制約。本研究表明，不同灌水下限和施氮量對GWP 影響顯著，灌水量和施氮量的增加，可以提高土壤含水率及硝化與反硝化反應的底物量，促進微生物活動進而增加N2O 的排放[31]。研究表明[32]，在好氧條件下，GWP 主要由土壤釋放的CO2和N2O 構成，CH4的排放量很低，可忽略不計，這與本研究結果相似。本研究CH4對GWP平均貢獻率僅為0.16%，這與設施滴灌條件下土壤以好氧環(huán)境為主密不可分。本研究結果表明，低灌水下限25 kPa 和高施氮量能夠顯著促進土壤N2O 和CO2排放，進而增加土壤GWP。土壤N2O 和CO2累積排放總量與GWP 的關系也表明，二者與GWP 均具有極顯著正相關關系，為此控制設施環(huán)境水氮投入對降低GWP具有顯著作用。本研究N2O 對GWP 的貢獻比例雖然較低，平均僅為5.25%，但其排放總量與GWP 具有顯著的正相關關系，說明N2O 在溫室氣體減排中的作用不容忽視。由于產量的變化幅度大于GWP 的變幅，導致水氮交互效應下GWP 和GHGI 的變化不一致，這也表明番茄產量對灌水下限和施氮量的響應比GWP敏感。本研究灌水和氮肥供應充足的W1N3處理的產量最高，但其GWP 也最高。GHGI 常被認為是平衡溫室效應和經濟效益的綜合指標，W2N1處理的GWP 和GHGI最小，且產量較高，表明適當提高灌水下限并減少氮素供應能夠顯著減緩溫室氣體排放和降低暖化能力，并獲得較高的經濟效益。

4 結論

（1）設施番茄定位試驗條件下，土壤N2O 和CO2的排放通量受灌水施氮時間的影響，增加灌溉量和施氮量均促進N2O 和CO2排放，低灌水下限（25 kPa）和高施氮量（525 kg N·hm-2）組合的N2O、CO2累積排放總量最高。灌水下限和施氮量對CH4排放通量的影響未有一致規(guī)律，但其累積排放總量受灌水下限和水氮交互影響極顯著。

（2）灌水下限和施氮量及水氮互作顯著影響全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度，低灌水下限25 kPa（頻繁灌水）和高氮肥施用組合的設施土壤全球增溫潛勢最大。全球增溫潛勢與N2O 和CO2累積排放總量之間均呈極顯著正相關（P＜0.01）。灌水下限35 kPa，施氮量75 kg N·hm-2是本研究中協(xié)調設施蔬菜經濟和環(huán)境效益最佳的水氮管理措施。