水氮調(diào)控對(duì)葡萄園土壤溫室氣體排放及其增溫潛勢(shì)的影響

劉巧，吉艷芝，郭艷杰，張麗娟，張杰，韓建

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水氮調(diào)控對(duì)葡萄園土壤溫室氣體排放及其增溫潛勢(shì)的影響

劉巧，吉艷芝，郭艷杰，張麗娟，張杰，韓建

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001）

【目的】探究不同水氮調(diào)控下鮮食葡萄園土壤N2O、CO2和CH43種溫室氣體的排放特征及其增溫潛勢(shì)，以期了解水氮調(diào)控對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，旨在篩選出更為合理的水氮調(diào)控管理模式，從而為減緩葡萄園溫室氣體排放，促進(jìn)葡萄產(chǎn)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考?！痉椒ā坑?017年4—12月，選擇在河北省葡萄主產(chǎn)區(qū)—昌黎，以鮮食葡萄‘紅地球’為供試葡萄品種，通過(guò)田間小區(qū)設(shè)置傳統(tǒng)水氮、移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮和優(yōu)化水氮+DMPP（3,4-二甲基吡唑磷酸鹽，一種新型的硝化抑制劑） 4個(gè)處理，采用密閉靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)鮮食葡萄園土壤3種溫室氣體（N2O、CO2和CH4）排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比較其綜合增溫潛勢(shì)差異，并測(cè)定葡萄產(chǎn)量?！窘Y(jié)果】N2O排放通量施肥后呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)，在施肥灌水后的1—2 d出現(xiàn)峰值。氮肥能顯著提高土壤N2O排放通量，與傳統(tǒng)水氮相比，減氮控水處理能降低73.03%—88.19%的N2O平均排放通量，達(dá)到顯著性差異（＜0.05）。等氮條件下配施DMPP能平均降低50.08%的N2O排放通量；各處理CO2排放通量變化趨勢(shì)一致，在施肥后2—3 d達(dá)到排放高峰，在生長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)為季節(jié)變化規(guī)律。減氮控水處理能減少60.56%—62.13%的CO2排放，達(dá)到減排效果；CH4排放通量則無(wú)明顯變化趨勢(shì)，施肥后CH4排放通量時(shí)正時(shí)負(fù)，其中傳統(tǒng)水氮CH4排放通量波動(dòng)性較大，范圍在-0.132—0.238 μg·m-2·h-1，減氮控水處理之間變化趨勢(shì)平緩，無(wú)顯著性差異（＞0.05）。在整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理土壤N2O排放總量從高到低依次是傳統(tǒng)水氮、優(yōu)化水氮、移動(dòng)水肥和優(yōu)化水氮+DMPP，分別為3.90、2.83、2.76和2.65 kg·hm-2，排放系數(shù)介于0.58%—0.67%。與傳統(tǒng)水氮處理相比，減氮控水處理（移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮和優(yōu)化水氮+DMPP）可使N2O總排放累積量降低27.56%—32.09%；各處理土壤CO2和CH4的累積排放量，分別為傳統(tǒng)水氮（3 816.05 kg·hm-2、0.060 g·hm-2），移動(dòng)水肥（3 387.33 kg·hm-2、-0.075 g·hm-2），優(yōu)化水氮（3 410.95 kg·hm-2、-0.036 g·hm-2）和優(yōu)化水氮+DMPP（3 412.06 kg·hm-2、-0.030 g·hm-2）。減氮控水處理可分別使CO2排放累積量降低10.59%—11.23%，CH4總排放累積量降低150.23%—224.38%。結(jié)合葡萄產(chǎn)量，減氮控水處理葡萄產(chǎn)量較傳統(tǒng)水氮處理增加8.81%—19.35%，其中以?xún)?yōu)化+DMPP處理增幅最大，且比優(yōu)化水氮和移動(dòng)水肥處理也高出9.69%和2.25%?！窘Y(jié)論】與傳統(tǒng)水氮相比，優(yōu)化水氮+DMPP處理土壤N2O、CO2和CH4累積排放量分別降低了32.09%、10.59%和150.23%，總GWP 降低了12.82%，實(shí)現(xiàn)了葡萄園溫室氣體減排，同時(shí)可使葡萄產(chǎn)量增加19.35%，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏，綜合評(píng)價(jià)為本研究中最佳水氮調(diào)控措施。

葡萄園；水氮調(diào)控；溫室氣體；全球增溫潛勢(shì)

0 引言

【研究意義】當(dāng)前全球變暖問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，由此引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題正嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生存和發(fā)展。N2O、CH4和CO2被公認(rèn)為是最重要的3種溫室氣體[1]。據(jù)研究，3種氣體濃度在以每年N2O 0.31%、CH40.28%和CO20.51%的速度不斷增加[2]。據(jù)預(yù)測(cè)，如果按目前速度發(fā)展下去，到2025年，全球氣溫將約升高1.0℃；而到下世紀(jì)末，全球氣溫會(huì)增高達(dá)3.0℃之多[3]。其中，農(nóng)業(yè)土壤是溫室氣體最大的排放源，據(jù)估計(jì)，每年大氣中有大約70%的N2O，5%—20%的CO2和15%—30%的CH4生成自土壤[4]。果園作為一種重要農(nóng)用型的植被類(lèi)型，占我國(guó)土地面積的1.15%[5]。其中，葡萄產(chǎn)量與面積分別占世界第一和第二位，2015年中國(guó)葡萄產(chǎn)量達(dá)1 262.8萬(wàn)噸，面積占全球種植面積的10.8%，達(dá)77.01萬(wàn)公頃，尤其是鮮食葡萄生產(chǎn)規(guī)模已多年居世界第一[6-7]。在葡萄生產(chǎn)過(guò)程中，葡萄園土壤排放的N2O、CH4和CO2是全球溫室氣體增加不可忽視的一部分。因此，在保證葡萄產(chǎn)量的前提下研究合理有效的減排措施，對(duì)于緩解全球增溫具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】影響果園土壤溫室氣體排放及產(chǎn)量形成和品質(zhì)的因素較多，其中最為重要的是水肥管理。有研究表明，與溝灌系統(tǒng)（單次灌水量1 200 m3·hm-2）相比，滴管系統(tǒng)（單次灌水量225或300 m3·hm-2）可有效抑制土壤N2O、CO2和CH4排放，分別減排61.1%—78.9%[8]，16.5%—21.3%和15.1%—40.2%[9]。有研究表明，N2O排放量有75.6%—90.0%是由施氮造成，減氮25%和減氮50%，N2O排放量降低40.4%和59.3%[10]。馬艷芹等[11]研究表明，CH4排放與施氮量呈正比，減氮40%、常規(guī)施氮和增氮50%與對(duì)照相比增加了58.70%—96.15%的CH4排放，9.62%—37.32%的CO2排放，增溫潛勢(shì)增加了22.34%—52.92%。移動(dòng)式水肥一體化（移動(dòng)水肥）是滴管施肥水溶肥的輕簡(jiǎn)方式，其特點(diǎn)是將肥料溶液直接輸送到活躍根區(qū)供植物直接吸收利用，可以明顯提高水肥利用效率。孫卓玲[12]研究表明，與傳統(tǒng)灌溉施肥相比，移動(dòng)水肥處理可使葡萄產(chǎn)量提高22.7%，水分利用效率提高22.76%，N、P2O5、K2O的偏生產(chǎn)力分別提高504.94%、465.16%和147.49%，化肥偏生產(chǎn)力提高了92倍。然而，對(duì)于移動(dòng)水肥管理對(duì)于葡萄園土壤溫室氣體排放的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。另外，在化肥中添加硝化抑制劑，也是目前較為廣泛的土壤溫室氣體減排方式。3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）是一種新型的硝化抑制劑，具有用量低，抑制效果好的優(yōu)點(diǎn)。WEISKE等[13]3年的田間試驗(yàn)研究結(jié)果得出，DMPP可使農(nóng)田土壤N2O和CO2的年均排放量分別減少49%和28%，但對(duì)烷氧化物的釋放無(wú)影響，每年能夠降低30%的全球變暖潛能值。但也有研究表明，DMPP也是能夠抑制24%—55%的CH4排放[14]，HATCH等[15]的研究則表明DMPP促進(jìn)了CH4的排放。但目前我國(guó)關(guān)于化肥配施DMPP對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，多集中在小麥、玉米等大田作物和蔬菜生產(chǎn)體系，還缺乏對(duì)葡萄園溫室氣體排放的相關(guān)研究，因此需要進(jìn)一步確定其減排效果?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】當(dāng)前葡萄園生產(chǎn)上水氮投入過(guò)高，化肥氮和有機(jī)肥氮施用量分別高達(dá)930.4和211.7 kgN·hm-2，氮盈余量高達(dá)911 kgN·hm-2 [16]，同時(shí)普遍采用傳統(tǒng)漫灌，水分利用率僅為30%—40%[17]，因此合理的水氮調(diào)控對(duì)葡萄生產(chǎn)具有重要作用；移動(dòng)水肥管理下葡萄園土壤溫室氣體排放方面尚無(wú)報(bào)道；化肥與DMPP配施對(duì)土壤溫室氣體是減排還是增排，以及對(duì)產(chǎn)量有無(wú)影響，還不確定；而且前人多是以大田作物和蔬菜作為研究對(duì)象，果園（葡萄園）的很少，尤其是缺乏考慮水氮調(diào)控在葡萄園溫室氣體排放和葡萄產(chǎn)量?jī)煞矫娴木C合效應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文選取河北省葡萄主產(chǎn)區(qū)秦皇島昌黎地區(qū)鮮食葡萄為研究對(duì)象，通過(guò)傳統(tǒng)水氮、移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮和優(yōu)化水氮+DMPP處理的田間小區(qū)試驗(yàn)，綜合分析和比較不同水氮調(diào)控下葡萄土壤溫室氣體排放特征和增溫潛勢(shì)，并結(jié)合葡萄產(chǎn)量，旨在篩選出既能保證產(chǎn)量又能減排的水氮調(diào)控模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在河北省秦皇島市昌黎縣十里鋪村耿氏酒堡鮮食葡萄園（N 39°45′，E 119°05′）。該地區(qū)位于河北省東北部，屬于半濕潤(rùn)大陸性氣候。昌黎縣是全國(guó)聞名的葡萄主產(chǎn)區(qū)，栽培歷史悠久。該地區(qū)陽(yáng)光充足，年平均氣溫為11℃，有明顯的四季變化，秋季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，平均年降水量為638 mm，主要集中在7、8、9月。無(wú)霜期長(zhǎng)，年無(wú)霜期平均為186 d，水熱系數(shù)小。年日照時(shí)數(shù)平均可達(dá)2 809 h，占可照時(shí)數(shù)的63%。供試土壤為砂質(zhì)土，pH 4.39，全氮1.35 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)19.08 g·kg-1，速效磷107.02 mg·kg-1，速效鉀29.96 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試氮肥為尿素（N，46%），磷鉀肥萌芽期采用過(guò)磷酸鈣（P2O5，12%）和硫酸鉀（K2O，50%），其余3個(gè)時(shí)期分別為磷酸二氫鉀（P2O5，51.5%；K2O，34%）和硫酸鉀（K2O，50%）；硝化抑制劑為3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）。供試作物為12齡鮮食葡萄，品種‘紅地球’。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：傳統(tǒng)水氮、移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮和優(yōu)化水氮+DMPP（3,4-二甲基吡唑磷酸鹽，一種硝化抑制劑），每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)（2.2 m×5 m），采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)選取生長(zhǎng)勢(shì)均勻，無(wú)病蟲(chóng)害的植株6株。根據(jù)1 800株/hm2葡萄種植密度計(jì)算施肥量，其中傳統(tǒng)施肥總量按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)，優(yōu)化水氮及優(yōu)化水氮+DMPP處理施氮總量在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上減量30%，移動(dòng)水肥處理施氮總量則在傳統(tǒng)水氮基礎(chǔ)上減量38%，各時(shí)期肥料具體施用量根據(jù)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育情況合理分配，各處理純養(yǎng)分投入詳見(jiàn)表1。

移動(dòng)水肥處理將肥料先溶解于水后使用水肥槍施肥，施肥位置在以葡萄樹(shù)為中心的半徑為20 cm的圓內(nèi)。其余處理施肥方式與農(nóng)民傳統(tǒng)一致，均為溝施，與葡萄樹(shù)體相距10 cm左右，施肥深度約15 cm。傳統(tǒng)處理灌水量與農(nóng)民傳統(tǒng)一致，用TDS-100型手持式超聲波流量計(jì)記錄流速，生育期內(nèi)隨肥灌溉4次，每次灌溉水量910 m3·hm-2，優(yōu)化水氮處理和優(yōu)化水氮+DMPP處理灌水量在傳統(tǒng)處理基礎(chǔ)上減量30%，移動(dòng)水肥處理在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上減量40%。所有處理其余田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)葡萄園管理一致。試驗(yàn)于2017年4月開(kāi)始直至2017年12月葡萄收獲完全結(jié)束。

表1 本研究的施肥方案設(shè)計(jì)

1.4 樣品采集與測(cè)定

（1）N2O、CO2和CH4氣體樣品的采集與測(cè)定。采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，箱體由PVC材料制成，圓柱體，高15.50 cm，底面直徑13.80 cm[18]，箱體頂端安裝氣體采樣裝置和數(shù)顯溫度計(jì)（-50—110℃），取樣時(shí)將靜態(tài)箱安放在底部凹槽內(nèi)并用水密封。每小區(qū)在施肥處設(shè)一套氣體采氣裝置，同時(shí)在每小區(qū)內(nèi)部灌水不施肥區(qū)布設(shè)一套氣體采氣裝置，在不施肥不灌水的田壟處設(shè)置5套采氣裝置。采樣時(shí)先將箱內(nèi)氣體均勻混合，然后利用50 mL注射器進(jìn)行采樣，每次采集30 mL。采樣時(shí)間為每天上午9：00—11：00，每隔15 min采樣1次，共采集3次，采氣同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度、5 cm和10 cm地溫以及大氣溫度。采氣頻率為每次水肥處理后的第1—3、5、7天，當(dāng)遇到≥20 mm降水后加測(cè)3天。按季節(jié)變化每隔10天或1個(gè)月進(jìn)行動(dòng)態(tài)取氣。采集到的氣體樣品利用Agilent 7890A型氣相色譜儀（N2O檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器ECD，分離柱內(nèi)填充料為80—100目Porapak Q，載氣為氮?dú)猓髁?5 cm3·min-1，檢測(cè)器溫度為350℃，分離柱溫度為55℃；CO2檢測(cè)器為氫火焰離子檢測(cè)器FID，分離柱內(nèi)填充料為60—80目13XMS，載氣為氮?dú)?，流?0 mL·min-1，檢測(cè)器溫度為250℃，分離柱溫度為55℃；CH4檢測(cè)器為氫火焰離子檢測(cè)器FID，分離柱內(nèi)填充料為80—100目Porapak Q，載氣為氮?dú)?，流?5 mL·min-1，檢測(cè)器溫度為250℃，分離柱溫度為55℃）進(jìn)行分析測(cè)定。

氣體排放通量的計(jì)算公式：

F=ρ×H×Δc/Δt×273×(273+θ)×60

式中：F為N2O、CO2或CH4排放通量（μg·m-2·h-1）；ρ為箱體內(nèi)氣體密度（g·cm-3）；H為靜態(tài)箱高度（cm）；Δc/Δt為單位時(shí)間靜態(tài)箱內(nèi)N2O、CO2或CH4濃度變化率（10-10V·V-1·min-1）；θ為測(cè)定時(shí)箱體內(nèi)的平均溫度（℃）。

通過(guò)內(nèi)插法來(lái)計(jì)算未觀測(cè)的日排放通量，之后將測(cè)定值和計(jì)算值逐日累加從而得出氣體排放累積量，葡萄園實(shí)際溫室氣體累積排放量按照施肥區(qū)﹕灌水不施肥區(qū)﹕不灌水不施肥區(qū)面積比1﹕10﹕10加權(quán)計(jì)算獲得。

（2）葡萄產(chǎn)量。果實(shí)成熟后每個(gè)處理分別選出5株代表性植株，用天平稱(chēng)出每個(gè)植株的單穗重，統(tǒng)計(jì)每株總穗數(shù)，采用實(shí)收產(chǎn)量與代表點(diǎn)產(chǎn)量相結(jié)合法計(jì)算葡萄產(chǎn)量，3次重復(fù)的平均值代表該處理實(shí)際的葡萄產(chǎn)量水平。

1.5 綜合增溫潛勢(shì)計(jì)算

全球增溫潛勢(shì)（GWP）目前主要按照20年、100年和500年時(shí)間尺度分為3種計(jì)算方式。本試驗(yàn)以100年時(shí)間尺度為計(jì)，即1 kg CH4的增溫潛勢(shì)是1 kg CO2的28倍，1 kg N2O的增溫潛勢(shì)是1 kg CO2的265倍[19]。

CO2GWP（kg C·hm-2）=CO2累積排放量（kg C·hm-2）；

CH4GWP（kg C·hm-2）= CH4累積排放量（kg C·hm-2）×16/12×12/44×28；

N2O GWP（kg C·hm-2）= N2O累積排放量（kg C·hm-2）×44/28×12/44×265；

總GWP（kg C·hm-2）=CO2GWP+N2O GWP+CH4GWP。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，利用Microsoft Excel進(jìn)行處理和繪圖，采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差等統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 試驗(yàn)期間土壤地溫和降雨量變化

試驗(yàn)期間降雨量和地溫變化見(jiàn)圖1所示?？梢悦黠@看出，葡萄整個(gè)生育期降雨量呈明顯季節(jié)性變化，春秋兩季較少，冬季最少，主要集中在夏季（6—8月），7月21日時(shí)最高達(dá)104.3 mm。5 cm、10 cm地溫的季節(jié)性變化也非常明顯，其中5 cm地溫變化范圍為5—38℃，10 cm地溫變化范圍為5—34℃。

圖1 試驗(yàn)期間土壤地溫和降雨量

2.2 不同水氮調(diào)控下土壤N2O排放特征

從圖2可以看出，氮肥施用能顯著提高N2O排放通量，且每次施肥灌水后各處理呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)，高峰值出現(xiàn)在施肥灌水后的第1—2 d。除成熟期外，其余3個(gè)時(shí)期各處理施肥后傳統(tǒng)水氮處理的土壤N2O排放通量均處在較高水平，平均值為592.98 μg·m-2·h-1，這是由于成熟期在11月份，土壤溫度較低，硝化和反硝化作用就會(huì)受到抑制，從而減弱土壤N2O的排放速率。與傳統(tǒng)水氮處理相比，移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮、優(yōu)化水氮+DMPP處理N2O平均排放通量分別降低了73.03%、76.34%和88.19%，達(dá)到顯著性差異（＜0.05），但3個(gè)減氮控水處理間則差異不顯著（＞0.05）。在減氮控水處理中，相比較而言，移動(dòng)水肥處理N2O排放通量高峰高于優(yōu)化水氮、優(yōu)化水氮+DMPP處理，但隨后明顯下降，這可能是由于移動(dòng)水肥處理時(shí)肥料充分溶于水，施入后土壤中可利用氮含量迅速增加，為土壤硝化和反硝化作用提供了豐富底物，從而在短時(shí)間內(nèi)增加了N2O排放強(qiáng)度。在等氮條件下，與優(yōu)化水氮處理相比，優(yōu)化水氮+DMPP處理N2O平均排放通量降低50.08%。由此可見(jiàn)，減氮控水可明顯降低葡萄園N2O排放通量，相比較而言，優(yōu)化水氮+DMPP效果較優(yōu)。

箭頭所指為施肥時(shí)間 Arrows represent fertilization time

2.3 不同水氮調(diào)控下土壤CO2排放特征

圖3為不同水肥調(diào)控下土壤CO2排放通量的動(dòng)態(tài)變化曲線。各施氮處理變化趨勢(shì)較為一致，均在各時(shí)期施肥后2—3 d內(nèi)達(dá)到排放高峰。同時(shí)在葡萄整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，除5月傳統(tǒng)處理CO2排放通量較高外，各處理CO2平均排放通量5—11月呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，8月達(dá)最大值分別為584.99 mg·m-2·h-1（傳統(tǒng)水氮）、202.16 mg·m-2·h-1（移動(dòng)水肥）、215.7 mg·m-2·h-1（優(yōu)化水氮）和242.68 mg·m-2·h-1（優(yōu)化水氮+DMPP）。這主要是由于夏季高溫多雨，地溫升高，降雨量較大，土壤中微生物活性增強(qiáng)，導(dǎo)致CO2排放通量變化較大。隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)變，秋季降雨量下降，地溫降低，土壤微生物活性也隨之變?nèi)?，CO2排放量相應(yīng)減少[20]。傳統(tǒng)水氮處理CO2排放通量整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中波動(dòng)較大，在29.31—584.99 mg·m-2·h-1之間，平均值為284.96 mg·m-2·h-1。減氮控水的移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮和優(yōu)化水氮+DMPP處理CO2排放通量則變化不大，在21.21—242.68 mg·m-2·h-1之間，平均值分別為107.91 mg·m-2·h-1、112.38 mg·m-2·h-1和111.46 mg·m-2·h-1。與傳統(tǒng)水氮處理相比，分別降低了62.13%、60.56%和60.89%，達(dá)到顯著性差異（＜0.05）。由此可見(jiàn)，減氮控水調(diào)控也可明顯減少葡萄園土壤CO2氣體的排放。

箭頭表示施肥時(shí)間 Arrows represent fertilization time

2.4 不同水氮調(diào)控下土壤CH4排放特征

圖4顯示了葡萄生育期內(nèi)土壤CH4排放通量的變化特征。施肥后各處理土壤CH4排放通量有的上升，有的下降，形成無(wú)規(guī)律波動(dòng)，但相比較而言，傳統(tǒng)水氮處理CH4排放通量波動(dòng)性較大，變化范圍在-0.132— 0.238 μg·m-2·h-1之間，平均值為0.056 μg·m-2·h-1。CH4排放主要發(fā)生在5—8月，這可能是溫度有關(guān)。王明星等[21]相關(guān)研究表明，溫度在25—35℃范圍內(nèi)，土壤中CH4氧化率與溫度呈正相關(guān)。ZHONG等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)，土溫會(huì)影響CH4的排放，二者呈正相關(guān)。隨著土壤溫度升高，土壤中根系分泌物會(huì)增加，從而更多的可利用性碳被產(chǎn)甲烷菌所利用，促進(jìn)甲烷排放[23]。與傳統(tǒng)水氮處理相比，優(yōu)化水氮，優(yōu)化水氮+DMPP和移動(dòng)水肥處理土壤CH4排放通量在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間變化幅度不大，整體變化趨勢(shì)較平緩，變化范圍為-0.061—0.07945 μg·m-2·h-1，平均值分別為-0.0024 μg·m-2·h-1、0.00055 μg·m-2·h-1和-0.0032 μg·m-2·h-1，差異達(dá)顯著性水平（＜0.01），但3個(gè)處理間差異不顯著（＞0.05）。由此可見(jiàn)，減氮控水調(diào)控對(duì)于降低葡萄園土壤CH4氣體排放的效果也很明顯。

箭頭表示施肥時(shí)間 Arrows represent fertilization time

2.5 不同水肥調(diào)控下的土壤N2O、CO2和CH4累積排放量

在不同施肥時(shí)期各處理土壤溫室氣體（N2O、CO2和CH4）累積排放量如圖5所示。各時(shí)期各處理N2O累積排放量均隨著施氮量增加而增加。對(duì)于傳統(tǒng)水氮、優(yōu)化水氮和移動(dòng)水肥3個(gè)處理來(lái)說(shuō)，隨著施氮量的增加，土壤N2O、CO2和CH4累積排放量呈上升趨勢(shì)，經(jīng)Pearson相關(guān)性分析，二者相關(guān)性值分別為0.995、0.994和0.991。在整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理土壤N2O排放總量從高到低依次是傳統(tǒng)水氮、優(yōu)化水氮、移動(dòng)水肥和優(yōu)化水氮+DMPP，分別為3.90、2.83、2.76和2.65 kg·hm-2，排放系數(shù)在0.58%—0.67%之間。其中，傳統(tǒng)水氮處理4個(gè)施肥時(shí)期土壤N2O加權(quán)累積排放量分別為1.76、0.59、1.44和0.11 kg·hm-2，除成熟期外，其余時(shí)期累積排放量均顯著高于其他處理（＜0.05）。減氮控水處理中，各時(shí)期N2O累積排放量均表現(xiàn)為優(yōu)化水氮＞移動(dòng)水肥＞優(yōu)化水氮+DMPP。在等氮處理下，與優(yōu)化處理相比，優(yōu)化水氮+DMPP處理各時(shí)期累積量分別降低3.9%（萌芽期）、5.7%（膨大期）、10.0%（著色期）和0.1%（成熟期），總排放量降低了6.3%。

從圖5中可看出，各時(shí)期傳統(tǒng)水氮處理土壤CO2累積排放量分別為1 507.90、710.40、1 475.12和122.63 kg·hm-2。與傳統(tǒng)水氮處理相比，3個(gè)減氮控水處理在4個(gè)生育期內(nèi)土壤CO2累積排放量有所降低，但未達(dá)到顯著性差異水平（>0.05），降低率為0.37%— 7.14%。優(yōu)化、優(yōu)化+DMPP和移動(dòng)水肥處理在各施肥期間累積量無(wú)明顯差別，總累積量分別為3 410.95、3 412.06和3 387.33 kg·hm-2，隨著施氮量的減少，CO2總累積排放量也隨之減少。

萌芽期和膨大期傳統(tǒng)水氮處理各時(shí)期CH4累積排放量均表現(xiàn)為正值，與減氮控水處理差異顯著（＜0.05）；減氮控水處理間CH4累積排放量有正有負(fù)，無(wú)明顯差異。著色期和成熟期，各處理累積量均為負(fù)值，這可能一是因?yàn)樵?月中下旬葡萄收獲后葡萄園人為擾動(dòng)較少，在自然土壤狀態(tài)下土壤為CH4的吸收匯[24]，二是因?yàn)楫a(chǎn)CH4微生物的活性在冬季低溫條件下受到了抑制[25]。CH4總累積量表現(xiàn)為傳統(tǒng)水氮（0.06018 g·hm-2）＞優(yōu)化水氮+DMPP（-0.03023 g·hm-2）＞優(yōu)化水氮（-0.03602 g·hm-2）＞移動(dòng)水肥（-0.07486 g·hm-2）；處理相比，優(yōu)化+DMPP在減少CH4排放方面效果較好。

2.6 不同水肥調(diào)控下綜合增溫潛勢(shì)

從表2看出，本研究中各處理N2OGWP和CO2GWP均為正值，即葡萄園是N2O和CO2的排放源；而CH4GWP則只有傳統(tǒng)水氮處理為正值，減氮控水的移動(dòng)水肥、優(yōu)化水氮、優(yōu)化水氮+DMPP處理則為負(fù)值，即傳統(tǒng)水氮下葡萄園是CH4的排放源，優(yōu)化水氮條件下是CH4的吸收匯，表明減氮控水調(diào)控措施可以減緩CH4排放。葡萄園內(nèi)總GWP表現(xiàn)為傳統(tǒng)水氮＞優(yōu)化水氮＞優(yōu)化水氮+DMPP＞移動(dòng)水肥。3個(gè)減氮控水處理總GWP比傳統(tǒng)水氮處理減少了12.38%— 3.12%，其中移動(dòng)水肥處理減幅最大，減排效果明顯。綜合增溫潛勢(shì)中，CO2GWP貢獻(xiàn)率在89.59%以上，N2OGWP貢獻(xiàn)率在8.89%之間，CH4GWP貢獻(xiàn)極低，可以忽略不計(jì)。同時(shí)結(jié)合葡萄產(chǎn)量，與傳統(tǒng)水氮處理相比，減氮控水處理葡萄產(chǎn)量增加了8.81%—19.35%，但未達(dá)到顯著性差異水平（＞0.05），這表明減氮控水盡管減少了水肥投入，但仍能保證葡萄穩(wěn)產(chǎn)，其中以?xún)?yōu)化+DMPP處理增幅最大，且比優(yōu)化和移動(dòng)水肥處理也高出9.69%和2.25%。綜合可知，優(yōu)化+DMPP處理能夠在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏，在本研究為最優(yōu)的水肥調(diào)控措施。

圖5 不同施肥時(shí)期不同水氮調(diào)控下葡萄園土壤N2O、CO2和CH4累積排放量

表2 N2O、CO2和CH4的全球增溫潛勢(shì)

表中每列數(shù)字后的不同字母表示處理間差異顯著（＜0.05）

Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (＜0.05)

3 討論

3.1 水氮調(diào)控下的土壤N2O、CO2和CH4排放

已有大量研究表明，優(yōu)化水氮和施加硝化抑制劑是影響土壤溫室氣體排放的重要影響因素，也是有效的調(diào)控措施[8-11]。本研究中，傳統(tǒng)水氮、優(yōu)化水氮和移動(dòng)水肥3個(gè)處理，隨著施氮量的增加，土壤N2O、CO2和CH4排放累積量呈上升趨勢(shì)，優(yōu)化水氮可顯著降低葡萄園增溫潛勢(shì)。但葡萄園土壤N2O、CO2和CH4排放受減氮控水措施影響程度有所不同，其中CH4排放受水氮管理影響較大。與傳統(tǒng)水氮相比，優(yōu)化水氮處理CH4增溫潛勢(shì)降低了150.23%—224.38%，由排放源降低為吸收匯，這可能是由于在萌芽期和膨大期傳統(tǒng)水氮處理施氮量與優(yōu)化水氮處理相差較大，尿素的大量施入提高了產(chǎn)甲烷菌所需底物的有效性，促進(jìn)了CH4大量產(chǎn)生。其次，試驗(yàn)地土壤偏酸性，施加大量尿素后土壤pH提高，利于CH4形成。秋冬季溫度低，抑制了微生物的活性，一方面土壤形成CH4的能力相對(duì)較弱，另一方面大氣CH4擴(kuò)散進(jìn)土壤的速率高于甲烷氧化菌對(duì)CH4的消耗速率，限制了CH4氧化[25]。然而優(yōu)化水氮會(huì)顯著降低N2O和CO2排放，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排。與傳統(tǒng)水氮相比，減氮控水處理N2O增溫潛勢(shì)降低了27.56%—32.09%，CO2增溫潛勢(shì)降低了10.59%—11.23%，減排效果顯著。而土壤水分含量會(huì)影響土壤通氣狀況和微生物種類(lèi)、數(shù)量及活性，從而影響N2O和CO2排放[26]。而氮素的輸入會(huì)增加植物和微生物所需營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)土壤微生物活性，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促使CO2排放[27]。N2O排放和氮素呈現(xiàn)線性關(guān)系[28]，氮素提供了土壤硝化反硝化作用的底物，促使N2O排放。

3.2 配施硝化抑制劑下的土壤N2O、CO2和CH4排放

配施硝化抑制劑——DMPP對(duì)3種溫室氣體的影響結(jié)果顯示，DMPP降低了6.28%N2O累積排放量，與HATCH等[15]和KONG等[29]試驗(yàn)結(jié)果一致，DMPP能夠減土壤少N2O排放，施加DMPP延緩了土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而減少了土壤反硝化作物的底物來(lái)源，降低了N2O排放。而本文降低幅度小于17%—45%，這可能是由于葡萄園施肥區(qū)占地面積較少。配施DMPP對(duì)CO2排放的影響，優(yōu)化水氮處理相比，優(yōu)化水氮+DMPP處理各時(shí)期CO2排放累積量有所減少，但平均排放累積量減少不足1%，表明添加DMPP并不會(huì)對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生影響，與MENéNDEZ等[30]和HUéRFANO[31]等的研究發(fā)現(xiàn)一致。而DMPP能夠減少CO2排放，可能由于DMPP減少了土壤中有機(jī)碳的礦化而減少了土壤碳分解[32]，但DMPP對(duì)CO2排放作用效果與土壤質(zhì)地、土壤溫濕度和土壤酸堿性等多因素相關(guān)，還需進(jìn)一步探討分析。而施加DMPP對(duì)CH4排放的影響目前報(bào)道不一，HATCH等[15]研究結(jié)果表明DMPP能促進(jìn)CH4的排放，而HUéRFANO等[31]和WEISKE[13]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DMPP能減少CH4的排放，增加土壤對(duì)CH4的吸收。對(duì)此目前有兩種學(xué)說(shuō)，一是DMPP抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，二是DMPP通過(guò)抑制甲烷氧化菌活性提高甲烷排放[33]。本研究中，優(yōu)化+DMPP處理和優(yōu)化處理CH4累積量均為負(fù)值，表現(xiàn)為葡萄園的吸收匯。施加DMPP處理CH4累積量比優(yōu)化處理增加了16.08%，但未造成顯著差。

4 結(jié)論

4.1 不同水肥調(diào)控下，土壤N2O和CO2排放通量均在每次施肥后1—3 d內(nèi)達(dá)到排放高峰，CH4排放通量則無(wú)明顯變化趨勢(shì)。與傳統(tǒng)水氮處理相比，減氮控水調(diào)控（優(yōu)化水氮、移動(dòng)水肥和優(yōu)化水氮+DMPP）措施能夠顯著降低土壤N2O、CO2和CH4排放通量和排放累積量。其中，N2O平均排放通量降低73.03%— 88.19%，排放累積量降低27.56%—32.09%；CO2平均排放通量降低60.56%—62.13%，排放累積量降低10.59%—11.23%，CH4平均排放通量降低99.02%— 105.71%，排放累積量降低150.23%—224.38%。說(shuō)明合理調(diào)控氮肥投入和灌水量，能減緩溫室效應(yīng)，減輕環(huán)境負(fù)效應(yīng)。

4.2 葡萄園總GWP主要由CO2的GWP決定，N2O的GWP和CH4的GWP貢獻(xiàn)率較低。從減排效果來(lái)看，移動(dòng)水肥處理＞優(yōu)化水氮+DMPP處理＞優(yōu)化水氮處理；從產(chǎn)量來(lái)看，優(yōu)化水氮+DMPP處理＞移動(dòng)水肥處理＞優(yōu)化水氮處理＞傳統(tǒng)水氮處理。其中，優(yōu)化水氮+DMPP處理與傳統(tǒng)水氮處理相比土壤的N2O、CO2和CH4排放量分別降低了32.09%、10.58%和150.23%，總GWP降低了12.82%，葡萄產(chǎn)量增加了19.35%。在實(shí)現(xiàn)葡萄園溫室氣體減排，有效緩解了葡萄園溫室效應(yīng)的同時(shí)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏，綜合評(píng)價(jià)為本研究中最佳水氮調(diào)控措施。

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Effects of Water and Nitrogen Regulation on Greenhouse Gas Emissions and Warming Potential in Vineyard Soil

LIU Qiao, JI YanZhi, GUO YanJie, ZHANG LiJuan, ZHANG Jie, HAN Jian

(College of Resources & Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei/Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province, Baoding 071001, Hebei)

【Objective】The objective of this paper was to explore the emission characteristics and warming potential of the greenhouse gases N2O, CO2and CH4from table grape vineyard soils under different water and nitrogen regulation, and to understand the contribution of water and nitrogen regulation to greenhouse gas emissions, thus screening out a more reasonable management model of water and nitrogen regulation, so as to provide scientific basis and technical reference for reducing greenhouse gas emissions from vineyards and promoting grape industry sustainable production. 【Method】From April 2017 to December 2017, Changli, the main grape producing area in Hebei Province, was selected as the experimental site and the table grape “Red globe” was used as the tested grape variety. A field microplot experiment was employed with four treatments, including traditional water and nitrogen, mobile water and fertilizer, optimized water and nitrogen, as well as optimized water and nitrogen + DMPP. The greenhouse gas emissions (N2O, CO2and CH4) from the vineyard soil were monitored by using closed static chamber-gas chromatography, and then their comprehensive warming potential differences were compared. Final, the grape yields were measured.【Result】N2O emission flux showed a single peak trend after fertilization, and the peak appeared on the 1-2 day after fertilization. Nitrogen fertilizer could significantly increase soil N2O emission flux. Compared with the traditional water and nitrogen treatment, nitrogen reduction and water control treatments could reduce the average N2O emission flux by 73.03%-88.19%, and their difference was significant (＜0.05). Optimized water and nitrogen + DMPP treatment could reduce the N2O emission flux by 50.08% on average under the condition of equal nitrogen, and the trend of CO2emission flux was the same in all treatments, reaching the peak 2-3 days after fertilization, showing seasonal variation in the growth period. Nitrogen reduction and water control treatments could reduce CO2emissions by 60.56%-62.13%. CH4emission flux had no obvious change trend, but CH4emission flux was positive or negative after fertilization. The traditional CH4emission flux fluctuated greatly, ranging from -0.132 to 0.238 μg·m-2·h-1. There was no significant difference between nitrogen reduction and water control treatments (>0.05). During the whole experiment period, the total N2O emissions of the treatments were in the order of traditional water and nitrogen, optimized water and nitrogen, mobile water and fertilizer and optimized water and nitrogen+DMPP, which were 3.90, 2.83, 2.76 and 2.65 kg·hm-2with the emission coefficients were 0.58%-0.67%, respectively. Comparing with traditional water and nitrogen treatment, the nitrogen reduction and water control treatments (mobile water and fertilizer, optimized water and nitrogen and optimized water and nitrogen+DMPP ) could reduce the total N2O emissions by 27.56%-32.09%. The cumulative emissions of CO2and CH4were 3 816.05 kg·hm-2and 0.060 g·hm-2in traditional water and nitrogen treatment, 3 387.33 kg·hm-2and -0.075 g·hm-2in mobile water and fertilizer treatment, 3 410.95 kg·hm-2and -0.036 g·hm-2in optimized water and nitrogen treatment, and 3 412.06 kg·hm-2and -0.030 g·hm-2in optimized water and nitrogen +DMPP treatment, respectively. Nitrogen reduction and water treatments could reduce the total cumulative CO2emissions by 10.59%-11.23% and CH4emissions by 150.23%-224.38%, respectively. Combining with the grape yield, the grape yield in nitrogen reduction and water control treatments was increased by 8.81% to 19.35% compared with traditional water-nitrogen treatment, and the largest increase was found under the optimized water and nitrogen + DMPP treatment, which was 9.69% and 2.25% higher than that under optimized water and nitrogen and mobile water and fertilizer treatment.【Conclusion】 Compared with the traditional water and nitrogen treatment, the cumulative emission of N2O, CO2and CH4in soils treated with optimized water and nitrogen + DMPP was decreased by 32.09%, 10.59% and 150.23%, respectively, and the total GWP was decreased by 12.82%, achieving greenhouse gas emission reduction in vineyards; at the same time, it could increase the grape yield by 19.35%, achieving a win-win situation for both economy and environment, which was evaluated as the best water and fertilizer regulation measures in this study.

vineyard; water and nitrogen regulation; greenhouse gases; global warming potential

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.011

2018-10-10；

2018-11-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFD0200106）

劉巧，E-mail：351117154@qq.com。通信作者郭艷杰，E-mail：guoyanjie928@126.com。通信作者張麗娟，E-mail：lj _zh2001@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）