種植年限對京郊設(shè)施菜地溫室氣體排放的影響

王學(xué)霞，張磊，張衛(wèi)東，倪小會，王甲辰，曹兵，劉東生*

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；3.北京市昌平區(qū)土肥站，北京 102200）

CO2、CH4和N2O作為3種主要的溫室氣體（Green?house gas，GHG），其排放量的日益增加成為全球氣候變暖的重要驅(qū)動力之一[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)中CO2、N2O 和CH4排放分別占到了人為溫室氣體排放量的23%、60%和50%，占到全球溫室氣體排放總量的21%～37%，農(nóng)田土壤成為最主要的排放源之一[2?3]。隨著我國蔬菜需求量的剛性增長，城郊區(qū)的糧田逐漸轉(zhuǎn)換為設(shè)施蔬菜產(chǎn)地，這導(dǎo)致我國設(shè)施蔬菜種植面積逐年增加。到2018 年設(shè)施菜地面積達(dá)400 萬hm2，占蔬菜種植面積的19.1%（2019 年國家統(tǒng)計局網(wǎng)），成為我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)主要組成部分，其溫室氣體排放動態(tài)對全球氣候變化具有重要影響。

目前關(guān)于設(shè)施菜田土壤溫室氣體排放研究主要側(cè)重于其對水肥管理措施變化的響應(yīng)[4?7]，眾多研究均證實合理水肥管理可有效提高作物養(yǎng)分利用率而減少設(shè)施土壤養(yǎng)分累積[4，6，8]，且可以改善微生物群落組成[7]，進(jìn)而減少土壤溫室氣體排放。在實際生產(chǎn)中，我國設(shè)施菜田長時間連續(xù)種植，且種植中長期不合理的水肥投入和管理，導(dǎo)致其成為我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要排放源。隨種植年限增加，設(shè)施系統(tǒng)凸現(xiàn)出土壤酸化、次生鹽漬化、硝酸鹽盈余、重金屬積累[9?11]及微生物多樣性降低、連作障礙等[12?13]一系列生態(tài)環(huán)境問題，且這些方面均已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和報道。但涉及到不同種植年限溫室中土壤溫室氣體排放以及其影響因素的研究還較為缺乏。當(dāng)前關(guān)于種植年限對設(shè)施土壤溫室氣體排放的影響多集中在單個年限，且大多針對N2O 排放研究[5，14?16]，導(dǎo)致目前對我國設(shè)施菜田土壤溫室氣體排放總體認(rèn)識不足。眾多研究證實不同種植年限設(shè)施土壤pH和有機(jī)質(zhì)、?N、?N含量等土壤理化性質(zhì)[4，9?10，14]以及土壤酶活性和微生物組成[12，17]等差異較大。這些因素改變可直接或者間接影響土壤溫室氣體的產(chǎn)生，進(jìn)而造成不同種植年限設(shè)施菜地溫室氣體排放的差異。因而，了解設(shè)施菜地土壤溫室氣體排放規(guī)律及影響因素，對科學(xué)指導(dǎo)設(shè)施菜田溫室氣體減排意義重大。

北京作為都市農(nóng)業(yè)的典范，設(shè)施農(nóng)業(yè)是北京的主體農(nóng)業(yè)，其設(shè)施蔬菜也同樣有不同種植年限。鑒于此，本研究在京郊選取種植年限為5、10、15、20 a的日光溫室為研究對象，同步原位測定CO2、N2O 和CH43種溫室氣體排放通量，同時分析相關(guān)環(huán)境因子（土壤理化性質(zhì)、酶活性）變化，以期揭示不同種植年限日光溫室土壤溫室氣體排放特征以及其影響因素。結(jié)合溫室氣體排放總量、綜合增溫潛勢、排放強(qiáng)度結(jié)果對溫室氣體排放總體狀態(tài)加以評價，以便為綜合評價種植年限對設(shè)施菜地土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響提供數(shù)據(jù)支撐，也為該地區(qū)日光溫室的科學(xué)管理以及設(shè)施菜田溫室氣體減排提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地選擇在北京大興區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范站（39°39′47″N，116°33′40″E）。該地域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量477.2 mm，年平均氣溫8 ℃，年日照2 800 h，供試土壤為褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)置

以溫室棚間菜地為對照（CK），種植作物5 a（Y5）、10 a（Y10）、15 a（Y15）、20 a（Y20）的溫室（長80 m、寬8 m）各1 個，每個溫棚的土壤質(zhì)地和管理措施一致。4 個溫棚的種植模式一致，均為春夏茬種植番茄，秋冬茬種植油麥菜和菠菜。設(shè)施菜地施肥方式均為有機(jī)?無機(jī)配施模式，基肥兼施有機(jī)肥，化肥主要施用氮磷鉀復(fù)合肥和水溶肥，灌溉方式為滴灌。4個溫棚肥料用量如下：氮磷鉀復(fù)合肥750 kg·hm?2（N?P2O5?K2O=15?15?15，N 主要形式是尿素態(tài)氮和少部分銨態(tài)氮），有機(jī)肥3×104kg·hm?2，在番茄定植后的第42、60 d 和83 d 分3 次追施水溶肥300 kg·hm?2（N?P2O5?K2O=30?10?10，N 主要形態(tài)是銨態(tài)氮及少部分硝態(tài)氮）；棚間按照露天蔬菜種植管理，基肥施用復(fù)合肥750 kg·hm?2（N?P2O5?K2O=15?15?15），有機(jī)肥3×104kg·hm?2，分3 次追施水溶肥150 kg·hm?2（N?P2O5?K2O=30?10?10）。溫室（近5 a）在8月中旬進(jìn)行15 d悶棚處理。供試樣地2018年均種植番茄（春夏茬），定植時間為4月10日，種植時間與施肥方式均保持一致。

1.2.2 土壤溫室氣體取樣與測定

采用常規(guī)靜態(tài)箱法?氣相色譜法。于番茄定植后進(jìn)行設(shè)施菜地CO2、CH4和N2O 排放通量測定，測定時間均為上午9：00—11：00?；屎?2 d 內(nèi)，每3 d取樣1 次；追肥后，每2 d 取樣1 次，連續(xù)取3 次；其余時段12 d 取樣測定1 次。每個溫棚和對照樣地均選擇5 個5 m×5 m 樣地，作為5 個重復(fù)。靜態(tài)箱采用不透明的PVC 板制作，其規(guī)格為內(nèi)徑320 mm、高200 mm。測定前24 h 將水槽底座插入土壤中5 cm，取樣時將其置于水槽底座中形成密閉空間，分別在0、5、15、30 min后用密封氣瓶收集箱內(nèi)氣體。使用氣相色譜儀（HP6890N，Agilent公司）測定溫室氣體濃度，CO2和CH4濃度采用氫火焰離子檢測器（FID），測定溫度為200 ℃，色譜柱為Porpak Q 填充柱，柱溫70 ℃；N2O濃度采用電子捕獲檢測器（ECD），測定溫度為330 ℃，色譜柱為Porpak Q填充柱，柱溫70 ℃。

溫室氣體排放通量（F）的計算公式為：

式中：F表示CO2排放通量（mg·m?2·h?1）或N2O、CH4排放通量（μg·m?2·h?1）；ρ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2、CH4和N2O的密度，mg·cm?3；V為采樣箱體積，m3；A為采樣底座內(nèi)土壤表面積，m2；ΔC/Δt表示氣體的排放速率，μL·L?1·h?1；T為采樣箱內(nèi)溫度，℃。

溫室氣體排放總量計算：用生長季觀測數(shù)據(jù)對番茄生長季溫室氣體排放總量進(jìn)行估算，公式為：

式中：M為溫室氣體累積通量，kg·hm?2；Fi和Fi+1分別為第i次和第i+1 次取樣氣體通量，mg·m?2·h?1或μg·m?2·h?1；ti和ti+1分別為第i次和第i+1次取樣日期。

綜合溫室效應(yīng)（Global warming potential，GWP）：表示不同溫室氣體排放的綜合指標(biāo)，一般以CO2為標(biāo)準(zhǔn)，用CO2當(dāng)量（CO2e）表示。計算公式為：

式中：GWP 為作物生長季溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)，kg CO2e·hm?2；R（CH4）和R（N2O）分別為生長季CH4和N2O的排放總量，kg·hm?2。

溫室氣體排放強(qiáng)度（Greenhouse gas intensity，GHGI）是單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢，其計算公式為：

式中：GHGI 為溫室氣體排放強(qiáng)度，kg CO2e·kg?1；Y為番茄產(chǎn)量，kg·hm?2。

1.2.3 土壤取樣與測定

土樣取樣。于番茄定植后35 d（0～37 d，生長初期即底肥期）、70 d（38～80 d，生長中期，第1 次和第2 次追肥）、105 d（81～105 d，生長末期，第3 次追肥）取樣。每個溫室在5 個小區(qū)隨機(jī)取樣，用直徑3.0 cm 土鉆取0～30 cm土壤，每個小區(qū)取10鉆，充分混勻后作為1個樣品。土壤樣品一部分風(fēng)干用于土壤理化性狀分析，一部分在4 ℃冰箱保存用于土壤酶活性分析。

土壤理化性質(zhì)測定。土壤溫度采用溫度記錄儀（TPJ?21?G，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）測定；土壤含水量采用質(zhì)量法測定；電導(dǎo)率（EC）用電導(dǎo)儀測定（水土比5∶1）；土壤pH 利用酸度計（水土比2.5∶1）測定；土壤總氮（TN）和有機(jī)碳（SOC）采用元素分析儀（Vario EI，Elementar，德國）測定；?N 和?N含量采用流動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，德國）檢測分析。

土壤酶活性分析。α?葡糖苷酶（alpha?glucosi?dase，AG）、β?葡糖苷酶（betaglucosidase，BG）、纖維二糖水解酶（cellobiosidase，CBH）、β?1，4?N?乙?；被咸烟擒彰福é??1，4 ?N ?acetyl?glucosaminidase，NAG）和β?1，4?木糖苷酶（β?1，4?xylosidase，βX）活性采用微孔板熒光法測定。原理是利用底物與酶水解釋放4?甲基傘形酮酰（4?methylumbelliferyl，4?MUB）進(jìn)行熒光檢測。具體步驟為：（1）土壤均質(zhì)樣品懸濁液制備；（2）在96 孔微孔板中，分別在樣品、空白、陰性對照、淬火標(biāo)準(zhǔn)和參考標(biāo)準(zhǔn)微孔中加入對應(yīng)的物質(zhì)和底物[18?19]；（3）微孔板于25 ℃黑暗條件下孵育4 h，然后在每孔中加入10μL 0.5 mol·L?1的NaOH結(jié)束反應(yīng)，反應(yīng)1 min 后用酶標(biāo)儀測定熒光值，4?MUB 的熒光激發(fā)光和檢測光波長分別在365 nm 和450 nm 處[18?19]；（4）土壤酶活性計算。土壤脲酶（Ure?ase，UR）活性采用靛酚藍(lán)比色法測定，硝酸還原酶（Nitrate reductase，NRA）與亞硝酸還原酶（Nitrous reductase，NR）采用試劑盒（南京建成生物工程研究所）檢測。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，運用單因素方差分析，比較不同種植年限3 種溫室氣體排放通量、總量、土壤理化性質(zhì)、酶活性等差異，差異顯著性水平為0.05。文中數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤，采用Origin 2020作圖。運用CANOCA5.0進(jìn)行環(huán)境因子與溫室氣體排放通量之間的冗余分析（Redundancy analysis，RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植年限對土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性的影響

隨種植年限的增加，土壤pH 逐漸降低（表1），與CK 相比，Y20 菜地顯著降低了0.31 個單位（P<0.05）；而土壤EC表現(xiàn)出相反趨勢，與CK相比，各處理EC值均顯著增加（P<0.05）。隨種植年限的增加，土壤溫度、含水量、有機(jī)碳、?N 和全氮含量逐漸增加，?N含量變化不顯著，與CK相比，各處理均顯著增加了土壤溫度、含水量、有機(jī)碳與?N含量（P<0.05）。因此，種植年限改變了土壤物理性質(zhì)，同時促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累。

表1 不同種植年限下設(shè)施土壤理化性質(zhì)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Table 1 Properties of soil physical and chemical in greenhouse of soil different cultivation years（mean±SE）

種植年限顯著增加了設(shè)施菜地8種酶的活性（P<0.05），但不同酶活性對種植年限的響應(yīng)趨勢不同（表2）。Y15 菜地AG 顯著高于Y5（P<0.05），而與Y10、Y20 相比差異不顯著；Y20 菜地BG 顯著高于Y5（P<0.05），與Y10、Y15相比差異不顯著；不同種植年限間CBH 與βX 差異不顯著。Y20 與Y15 菜地NAG 顯著高于Y5（P<0.05），與Y10 相比差異不顯著。UR、NRA、NR 活性均隨種植年限增加呈增加趨勢，其中UR 不同種植年限之間差異不顯著；Y20 菜地NRA 顯著高于Y5、Y10（P<0.05），Y15 菜地顯著高于Y5（P<0.05）；Y20與Y15菜地NR顯著高于Y5（P<0.05）。

表2 不同種植年限下設(shè)施土壤酶活性（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Table 2 Soil enzyme activities of greenhouse soil in different cultivation years（mean±SE）

2.2 種植年限對設(shè)施土壤溫室氣體排放通量的影響

不同種植年限設(shè)施番茄土壤溫室氣體排放通量動態(tài)變化如圖1 所示。設(shè)施土壤CO2排放通量為75.23～368.67 mg·m?2·h?1，排放峰值分別出現(xiàn)為基肥后的10～12 d和追肥后的4～7 d，其峰值有隨種植年限增加而增加的趨勢。番茄生長季CO2排放通量基本上也呈現(xiàn)出隨種植年限增加而增加的趨勢（圖1A）。設(shè)施土壤N2O 排放通量為36.28～532.29 μg·m?2·h?1，排放峰值分別出現(xiàn)在基肥后的7～10 d 和追肥后的3～5 d，其峰值和排放通量均表現(xiàn)出明顯的隨種植年限增加而增加的趨勢（圖1B）。設(shè)施土壤CH4排放通量為3.82～29.13 μg·m?2·h?1，排放峰出現(xiàn)時間與N2O 基本一致，但最高排放峰出現(xiàn)在第3次追肥后，CH4排放通量對種植年限響應(yīng)趨勢不明顯（圖1C）。不同種植年限設(shè)施菜地CH4排放通量如圖2C 所示。種植年限對設(shè)施菜地土壤CH4排放通量影響無規(guī)律性，且排放通量較低。與CK 相比，3 個生長階段Y20 菜地均顯著增加了CH4排放通量（P<0.05），但種植年限之間差異不顯著，且不同生長期土壤CH4排放通量變化趨勢也不一致。

3 個生長階段設(shè)施土壤CO2排放通量均呈現(xiàn)出CK<5Y<10Y<15Y<20Y，且CK 與不同種植年限之間差異顯著（P<0.05）（圖2A）。由此可知，種植年限顯著影響土壤CO2排放通量，且隨年限增加其排放通量有逐漸增加的趨勢。番茄生長初期（0～37 d），Y20 菜地CO2排放通量顯著高于Y5（P<0.01）和Y10（P<0.05），分別增加了29.07%和16.32%。生長中期（38～80 d），Y20、Y15、Y10 菜地CO2排放通量顯著高于Y5（P<0.05），分別增加了51.45%、44.25%和36.04%。生長末期（81～105 d），Y20 菜地CO2排放通量顯著高于Y5（P<0.05），增加了37.82%。由此可知，種植年限與生長期均對設(shè)施土壤CO2排放通量產(chǎn)生影響。

（4）對于蝦蟹養(yǎng)殖戶，政府暫無相應(yīng)補貼與鼓勵政策，養(yǎng)殖戶通過購買商業(yè)保險降低自身風(fēng)險。養(yǎng)殖戶自產(chǎn)自銷，基本無滯銷現(xiàn)象。土地承包商雇傭當(dāng)?shù)氐拈e置勞動力，閑置勞動力年齡一般為60周歲以上。

3 個生長階段設(shè)施菜地N2O 排放通量如圖2B 所示。土壤N2O 排放通量亦呈現(xiàn)出隨種植年限增加而增加的趨勢，與CK 相比，各處理菜地N2O排放通量顯著增加（P<0.05）。生長初期（0～37 d），Y20 樣地土壤N2O 排放通量顯著高于Y5（P<0.01），增加了51.39%。生長中期（38～80 d），Y20菜地N2O排放通量顯著高于Y5（P<0.01），增加了63.14%；Y15 與Y10 土壤N2O 排放通量顯著高于Y5（P<0.05），分別增加了55.39%和43.72%。生長末期（81～105 d），不同種植年限間菜地N2O 排放通量差異不顯著。由此可知，種植年限影響設(shè)施菜地土壤N2O排放通量。

設(shè)施菜地溫室氣體排放總量、GWP、番茄產(chǎn)量與GHGI 對種植年限的響應(yīng)如表3 所示。3 種氣體排放總量對種植年限的響應(yīng)趨勢一致，均呈現(xiàn)為CK

表3 不同種植年限設(shè)施菜地溫室氣體累積排放量、番茄產(chǎn)量、全球增溫潛勢和排放強(qiáng)度Table 3 Cumulative emissions and GWP of greenhouse gases，tomato yield and GHGI from greenhouse vegetable field under different cultivation years

2.3 溫室氣體排放通量與環(huán)境因子關(guān)系

冗余分析表明，土壤養(yǎng)分與酶活性變化是導(dǎo)致土壤溫室氣體在不同種植年限存在差異的重要原因（圖3）。13 個環(huán)境因子總解釋率為51.73%，其中第一軸和第二軸的解釋率為50.30%和1.43%。土壤CO2排放通量與CBH、NAG、AG、BG、SOC、?N、?N、UR 之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；CH4排放通量與βX、AG、SOC 之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；土壤N2O 排放通量與土壤TN、?N、UR、NRA、NR 之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。土壤CO2、CH4與N2O 排放通量與土壤pH 之間為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。由蒙特卡羅檢驗結(jié)果可知，NAG（F=16.6，P<0.001）、?N（F=7.6，P<0.05）、pH（F=5.8，P<0.05）和NRA（F=5.5，P＜0.05）對土壤溫室氣體排放的影響達(dá)到顯著水平。由此可知，土壤NAG、?N、NRA、SOC、pH 是決定設(shè)施菜地溫室氣體排放的關(guān)鍵因子，不同種植年限通過改變土壤理化性質(zhì)與酶活性進(jìn)而影響設(shè)施土壤溫室氣體排放通量。

3 討論

3.1 種植年限對設(shè)施菜地土壤理化性質(zhì)與酶活性的影響

土壤理化性質(zhì)是農(nóng)業(yè)土壤可持續(xù)利用的基礎(chǔ)，眾多研究均證實設(shè)施菜地土壤理化性質(zhì)變化與種植年限密切相關(guān)[9?10]。本研究結(jié)果顯示，隨著種植年限的增加，北京設(shè)施菜地0～30 cm 土壤EC、SOC、?N 含量均逐漸升高，土壤pH 不斷降低，這與LI 等[9]對北方設(shè)施菜地和SHI 等[10]對西南設(shè)施菜地的研究結(jié)果一致，土壤養(yǎng)分和EC隨著種植年限的增加逐漸增加，且土壤酸化加劇。究其原因是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)活動中，大量投入無機(jī)和有機(jī)肥，而蔬菜對養(yǎng)分的利用率相對較低，再加上設(shè)施環(huán)境的封閉性及節(jié)水滴灌措施導(dǎo)致淋洗程度低，使得氮、磷、鉀養(yǎng)分和等離子殘留于土壤中并逐年累積，造成土壤次生鹽漬化與酸化。

土壤酶參與土壤內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞，作為土壤肥力評價的指標(biāo)，其活性可表征土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[20]。本研究表明設(shè)施土壤涉C 循環(huán)的AG、BG、CBH、NAG、βX 5 種酶及參與N 循環(huán)的UR、NRA、NR對種植年限的響應(yīng)趨勢不同，但與CK相比，各種植年限均顯著增加了這8種酶的活性。這與SHEN 等[21]關(guān)于不同種植年限對設(shè)施土壤酶活性影響的結(jié)果不一致。首要原因是本研究所選的日光溫室每年施入大量有機(jī)肥，不僅為微生物的活動提供了能源物質(zhì)，而且給土壤帶來了大量的外源酶類及微生物，固能極大地提高土壤酶活性[22]。其次，本研究中日光溫室采用果?菜輪作種植模式，輪作可以有效促進(jìn)土壤的生物化學(xué)過程，提高土壤酶的活性[23]。

3.2 種植年限對設(shè)施菜地土壤溫室氣體排放的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤CO2排放主要來源于土壤中微生物呼吸及作物根呼吸兩個過程[24]。本研究通過對4 個種植年限溫室番茄土壤CO2排放的原位觀測，發(fā)現(xiàn)CO2排放通量隨著種植年限增加而逐漸增加，種植20 a設(shè)施菜地的排放通量最高。造成這種現(xiàn)象的原因在于以下3 個方面：首先，溫室每年施入的大量有機(jī)肥（30～45 t·hm?2）導(dǎo)致溫室土壤有機(jī)質(zhì)含量逐年增加（表1），為菜地土壤微生物提供了充足碳源，從而提高了其活性和呼吸作用，促進(jìn)土壤CO2排放。這也可以通過RDA 分析得出的土壤CO2排放通量與SOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系加以證實。其次，隨種植年限增加，參與土壤有機(jī)質(zhì)分解的CBH、NAG、AG、BG涉C酶活性增加，因而導(dǎo)致土壤CO2排放通量呈現(xiàn)隨種植年限增加而增加的趨勢。與露天菜地相比，溫室菜地常年保持高溫高濕狀態(tài)（表1），較高的土壤溫濕度能增強(qiáng)土壤酶活性和酶對底物的親和力，提高土壤有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)設(shè)施土壤CO2排放[25?26]。最后，輪作種植模式有助于維持土壤微生物的群落多樣性與活性，在一定程度上促進(jìn)土壤CO2排放[27?28]。因此，隨溫室種植年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量，涉C 酶活性均得到一定程度的提升，直接和間接的促進(jìn)了溫室土壤CO2排放通量增加。

土壤N2O 是硝化和反硝化的產(chǎn)物，土壤通氣狀況、反應(yīng)底物濃度、氮轉(zhuǎn)化微生物及酶活性是影響農(nóng)田N2O排放的主要因素[29?31]。本研究表明隨種植年限增加，設(shè)施土壤N2O 排放通量逐漸增加，種植20 a 菜地N2O 排放量最高（圖2B）。這是由于長時間設(shè)施種植會導(dǎo)致菜地土壤TN、?N（氮素盈余）的累積[10]，氮素的大量累積為微生物提供豐富的氮源，增加了氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性，從而增強(qiáng)硝化和反硝化作用。此外，菜地土壤頻繁的耕作和灌溉也有利于土壤硝化作用的發(fā)生，促進(jìn)N2O 排放[30，32]。同時有機(jī)肥施加和有機(jī)質(zhì)積累可以為微生物提供碳源與其他營養(yǎng)元素，從而提高了nirK和nirS型反硝化微生物的豐度及其活性，對N2O排放起到積極作用[4，12，21]。眾多研究顯示，UR、NRA、NR 這3 類重要的氮轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶與土壤N2O 生成密切相關(guān)[30，33]。隨種植年限增加3 類酶活性逐漸增強(qiáng)，亦可一定程度上解釋N2O 排放通量增加的原因。因此，隨著種植年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)、TN?N 含量不斷積累，充足的底物促進(jìn)了硝化或反硝化細(xì)菌活動，同時提升了UR、NRA、NR 的活性，故N2O排放量逐漸增加。

本研究中設(shè)施土壤N2O 排放峰出現(xiàn)在基肥施加后的7～10 d 和追肥后的3～5 d，其排放通量在不同生長時期有所差異，但其峰值和通量均有隨種植年限增加而增加的趨勢（圖1B）。在基肥期（番茄生長初期），番茄幼苗需氮量少，基肥中氮肥（尿素態(tài)氮）為涉氮功能微生物提供了充足的底物，導(dǎo)致此階段土壤N2O 排放通量較高，出現(xiàn)排放峰[12，33]。在番茄生長中期與末期（6 月到7 月），追施含氮水溶肥（?N），加上此階段設(shè)施內(nèi)高溫高濕環(huán)境（濕度25%～28%、溫度28～34 ℃）有助于硝化與反硝化反應(yīng)發(fā)生，促進(jìn)土壤N2O排放[30]，導(dǎo)致追肥后出現(xiàn)N2O排放峰。

土壤CH4排放是產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌綜合作用的結(jié)果，也受土壤含水量、通氣性和易分解有機(jī)物含量的影響[34?35]。與CK 相比，種植年限一定程度上增加了CH4排放通量（圖1C和圖2C）。原因之一可能是有機(jī)物質(zhì)增加，增加了甲烷細(xì)菌的反應(yīng)底物，促進(jìn)CH4的排放[36]。原因之二可能是設(shè)施土壤含水率較高（表1），有助于產(chǎn)甲烷菌活動，促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。由于旱地土壤大部分時間處于有氧環(huán)境，土壤CH4很容易被甲烷氧化菌氧化生成CO2，因此設(shè)施土壤中CH4的排放通量較低（最高29.13μg·m?2·h?1）[36]，在設(shè)施溫室氣體研究中幾乎不用考慮。

3.3 土壤溫室氣體排放增溫潛勢與排放強(qiáng)度

京郊設(shè)施4 個種植年限番茄生長季土壤溫室氣體GWP 分布在6 284.56～9 349.26 kg CO2e·hm?2，與LI等[37]和JIA 等[38]對設(shè)施菜地GWP 的研究結(jié)果相近。本研究顯示設(shè)施菜地土壤CO2對GWP 的貢獻(xiàn)率在78%以上，占據(jù)土壤溫室氣體GWP 的優(yōu)勢地位。土壤N2O 對GWP 的貢獻(xiàn)率為18.73%～21.02%，占土壤溫室氣體GWP 的次要地位，并隨種植年限增加其貢獻(xiàn)率也逐漸增加。CH4對GWP 平均貢獻(xiàn)率不足0.1%，可忽略不計。在好氧條件下，GWP 主要由土壤釋放的CO2和N2O 構(gòu)成[6，38?39]，但本研究中N2O 對GWP的貢獻(xiàn)比例較高[6，39]，因此，減少與控制N2O 排放在設(shè)施溫室氣體減排中的作用也不容忽視。

GHGI是評價環(huán)境效益與作物經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)[40]。本研究中，CK 樣地GHGI 為0.09 kg CO2e·kg?1，種植5 a的GHGI為0.14 kg CO2e·kg?1，這與杜世宇等[6]研究結(jié)果差異較小，而種植20 a 后GHGI 為0.22 kg CO2e·kg?1，與其差異明顯。隨種植年限增加GHGI 逐漸增加，這表明種植年限增加，不利于設(shè)施菜地環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益之間的平衡。因此，采取合理管理措施，降低GWP，有助于保障設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）種植年限對設(shè)施土壤溫室氣體CO2、N2O、CH4排放通量的影響各異。種植年限顯著影響CO2、N2O排放通量，呈現(xiàn)出隨種植年限的增加而增加的趨勢，種植20 a 較CK 菜地能顯著提高CO2、N2O 排放通量，種植年限對CH4排放通量影響不顯著。

（2）種植年限延長顯著增加了3 種溫室氣體排放總量、GWP和GHGI，且種植20 a增加更明顯。

（3）土壤pH 的不斷降低，土壤SOC 含量及CBH、AG、NAG、BG酶活性的增加促使CO2排放通量隨種植年限增加而逐漸增加；土壤SOC、全氮、?N 含量不斷增加及UR、NR 和NRA 活性的提升，導(dǎo)致N2O 排放通量隨種植年限增加而逐漸增加。因此，采取合理的管理措施，適度降低土壤養(yǎng)分積累，提高土壤pH，對京郊設(shè)施菜地土壤溫室氣體減排具有積極意義。