生物菌劑對(duì)蔬菜產(chǎn)量及菜地活性氣態(tài)氮排放的影響

楊夢(mèng)遠(yuǎn) 滕釗軍 孫麗英

1 南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，南京,210044

0 引言

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費(fèi)國，蔬菜種植面積約為3億畝，占我國農(nóng)業(yè)播種面積的11.6%[1].與其他大田種植的作物相比，我國蔬菜生產(chǎn)集約化程度高、復(fù)種指數(shù)高、氮肥用量遠(yuǎn)超于推薦施肥量，導(dǎo)致氮肥利用率越來越低，大量氮素以氨揮發(fā)[2-3]和氧化亞氮排放等[4-6]形式損失.我國菜地施肥引起的直接N2O排放量約為66.95 Gg(以N計(jì))，約占我國農(nóng)田總直接N2O排放量的21.4%[7].而N2O是影響全球氣候變化的重要溫室氣體之一，在100年時(shí)間尺度上，其增溫潛勢(shì)是CO2的298倍[8-9].而NH3作為一種重要的活性氮，也是大氣中唯一的堿性氣體，在酸雨的形成、霧霾天氣以及大氣懸浮顆粒物構(gòu)成等方面有著重要的作用[10].由于施用氮肥所引起的氨揮發(fā)超過人為源氨排放的30%[11]，排放的NH3將會(huì)再次沉降到陸地或水體系統(tǒng)，不僅對(duì)生物多樣性、環(huán)境質(zhì)量造成威脅，而且還會(huì)通過硝化反硝化作用導(dǎo)致N2O的排放[12].因此，尋找減緩設(shè)施菜地N2O和NH3排放的方法，對(duì)保證蔬菜生產(chǎn)和降低環(huán)境污染有十分重要的意義.

近年來，微生物菌劑的增產(chǎn)減排效果越來越受到學(xué)者們的關(guān)注[13-14].微生物菌劑屬于微生物肥料中的一種，指目標(biāo)微生物(有效菌)經(jīng)過工業(yè)化生產(chǎn)擴(kuò)繁后加工制成的活菌制劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，微生物菌劑通過所含微生物的生命活動(dòng)及代謝產(chǎn)物，能夠直接或間接提高植物根際養(yǎng)分的可利用性而發(fā)揮其促生作用，并提高氮肥利用率使作物增產(chǎn)[15-18].因此，施用微生物菌劑是保證作物產(chǎn)量，同時(shí)控制N2O和NH3排放的新措施.施用微生物菌劑在堿性土壤上能減緩NH3的排放已得到初步驗(yàn)證[19]，也有研究證明其能減緩酸性土壤N2O的排放[14,20].但同時(shí)研究微生物菌劑對(duì)設(shè)施菜地N2O和NH3排放的研究還比較匱乏.

因此，本研究針對(duì)我國蔬菜種植面積不斷擴(kuò)大，氮肥用量不斷增加，氮肥利用率較低，較高的NH3、N2O的排放等情況，提出利用微生物菌劑配施氮肥來提高蔬菜產(chǎn)量和減緩NH3、N2O的排放.從可持續(xù)發(fā)展的角度評(píng)價(jià)微生物菌劑在設(shè)施菜地系統(tǒng)中的適用性，以期為設(shè)施菜地減緩N2O和NH3排放提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省南京市浦浩生態(tài)園(118°41′E，32°14′N)，該地區(qū)位于長江中下游，是亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，氣候溫暖濕潤，無霜期較長，適宜蔬菜生長.試驗(yàn)土壤(0～15 cm)的基本理化性質(zhì)：pH 6.5、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4 g/kg、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.1 g/kg.

本研究采用的微生物菌劑為EM菌劑(Effective Microorganisms)，是一種常用的復(fù)合生物菌劑，主要由光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革蘭氏陽性放線菌群、發(fā)酵系的絲狀菌群等組成，多項(xiàng)研究證明其具有改善土壤結(jié)構(gòu)、提高作物產(chǎn)量和防治病蟲害的作用，且其價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境也無毒害[21-23].試驗(yàn)從2018年06月10日種植小白菜開始，至2018年07月21日收獲小白菜結(jié)束.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置空白處理(CK)、只施用尿素(U)、尿素與微生物菌劑配施(EM)3個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣，尿素(以N計(jì))、過磷酸鈣(以P2O5計(jì))、硫酸鉀(以K2O計(jì))的施用量都為200 kg/hm2；EM菌劑的施用量為45 kg/hm2.播種前，將尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀作為基肥施入土壤，使其與土壤充分混勻.EM菌劑稀釋200倍后用噴壺均勻噴灑于土壤表面.由于小白菜的生長期較短，所以整個(gè)生長期不追施其他肥料.

1.3 樣品采集與分析

利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定N2O的排放通量.采樣箱與采樣底座均為不透明的PVC板制成.播種前在每個(gè)小區(qū)內(nèi)安裝方形采樣底座(底座外側(cè)帶有水槽)，采氣時(shí)，將45 cm×45 cm×50 cm的采樣箱體安裝在采樣底座上，并將水槽灌滿水，用于密封.密封后的0、10、20和30 min時(shí)分別用20 mL注射器收集4個(gè)氣體樣品.使用氣相色譜儀(Agilent 7890B)在12 h內(nèi)分析N2O體積分?jǐn)?shù).采樣時(shí)間通常在08:00—10:00，采樣頻率為每周采集一次樣品，施肥之后加密采樣每2天采集一次樣品，持續(xù)1周左右.

采用氣相色譜儀測(cè)定N2O體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)每組樣品中0、10、20和30 min時(shí)所采集的4個(gè)樣品N2O體積分?jǐn)?shù)和采樣時(shí)間的直線回歸方程的斜率求得N2O排放通量.N2O排放通量的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：F為N2O-N的排放通量(mg/(m2·h))；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的N2O-N氣體密度(mg/(m3·h))；h為采樣箱高度(m)；dc/dt為采樣箱內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)變化率；θ為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃).

蔬菜播種之后，采用通氣室-氨捕獲法[24]測(cè)定氨揮發(fā).將上下無底、由PVC制成的圓柱形采樣筒插入到土壤中(直徑15 cm、高25 cm).在收集NH3的時(shí)候，采樣筒里放置2片浸泡過甘油磷酸的海綿，上層海綿主要是吸收空氣中的NH3，避免下層海綿被污染；下層海綿主要用來吸收土壤揮發(fā)出的NH3，即樣品.每2天更換一次海綿，直至施肥處理氨揮發(fā)與空白處理無差異.用于捕獲氨的海綿被更換之后立即用300 mL 1 mol/L的氯化鉀浸提，用靛酚藍(lán)比色法(日立，UV-2900)測(cè)定浸提液中NH4+質(zhì)量分?jǐn)?shù).NH3揮發(fā)速率的計(jì)算公式如下：

(2)

其中：vNH3-N，i為第i次采樣的NH3揮發(fā)速率，單位為kg/(hm2·d)，以N計(jì)；Mi為單個(gè)通氣法裝置第i次采樣測(cè)得的NH3-N，mg；S為圓形管的橫截面積，m2；Di為第i次采樣的NH3揮發(fā)歷時(shí)，h；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù).

NH3揮發(fā)累積量計(jì)算公式如下：

(3)

其中：P為NH3揮發(fā)排放累積量，kg/hm2；Ti為第i次測(cè)定的施肥后的天數(shù)，d；n為施肥后測(cè)定總次數(shù).

圖1 整個(gè)蔬菜生長期間土壤溫度和土壤充水孔隙度(WFPS)動(dòng)態(tài)變化

(4)

(5)

其中：φWC表示體積含水量，cm3/cm3；ηSP表示土壤總孔隙度，cm3/cm3；wSBD表示土壤容重，g/cm3；2.65為假定的土壤密度，g/cm3.

整個(gè)采樣期間，大棚內(nèi)的土壤溫度變化范圍為20～28 ℃，WFPS值的變化范圍為32.23%～56.41%，通過線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，N2O的排放量與WFPS呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05，n=27).

1.4 蔬菜產(chǎn)量、活性氣態(tài)氮累積排放量及其排放強(qiáng)度

小白菜收獲時(shí)，收取小區(qū)內(nèi)所有植株，稱量其鮮質(zhì)量.

將整個(gè)蔬菜生長季N2O和NH3的累積排放量加和，得活性氣態(tài)氮的累積排放量.同時(shí)，運(yùn)用活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度來表征菜地土壤活性氣態(tài)氮的排放量以及蔬菜產(chǎn)量的關(guān)系[25]，計(jì)算公式如下：

(6)

其中：IGNr為活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度，kg/t(以N計(jì))；sGNrE為活性氣態(tài)氮累積排放量，kg/hm2(以N計(jì))；yv為蔬菜產(chǎn)量，t/hm2.

采用Microsoft excel 2019和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.采用Student’s t法對(duì)不同處理間的N2O和NH3排放通量、活性氣態(tài)氮累積排放量、活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度和蔬菜產(chǎn)量進(jìn)行比較分析.

2 結(jié)果分析

2.1 蔬菜產(chǎn)量與輔助指標(biāo)的分析

不同處理間小白菜產(chǎn)量有顯著差異(圖2，圖中不同大寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))，EM處理的小白菜產(chǎn)量最高，為34.14 t/hm2，CK處理的小白菜產(chǎn)量最低，為27.92 t/hm2.與CK和U處理相比，EM處理小白菜產(chǎn)量分別提高了22.28%(P<0.05)和17.94%(P<0.05)，而CK與U處理間小白菜產(chǎn)量差異不顯著，尿素配施EM菌劑增產(chǎn)效果較明顯.

圖2 各處理小白菜產(chǎn)量

圖3 不同處理間硝態(tài)氮(a)、銨態(tài)氮(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化

2.2 尿素與EM菌劑對(duì)N2O排放的影響

所有處理的N2O排放通量的變化趨勢(shì)基本一致(圖4)，均為先快速增加，隨后快速下降的趨勢(shì)，其中EM處理N2O排放通量增加最明顯.在整個(gè)小白菜生長期間，3個(gè)處理均在6月15日達(dá)到其N2O排放通量最大值，而其中EM處理值最大，為3 094.34 μg/(m2·h).

圖4 尿素與EM菌劑配施對(duì)小白菜N2O排放通量的影響

3個(gè)處理中N2O累積排放量如表1所示：最高的是EM處理，為6.47 kg/hm2；最低的是CK處理，為3.18 kg/hm2.與CK處理相比，EM處理和U處理N2O累積排放量分別提高了103.46%(P<0.05)和43.40%.與U處理相比，EM處理的N2O累積排放量增加了41.88%，差異顯著(P<0.05).

表1 活性氣態(tài)氮累積排放量及排放強(qiáng)度

2.3 尿素與EM菌劑對(duì)NH3排放的影響

各處理的NH3累積排放量如表1所示：最高的是EM處理，為1.03 kg/hm2；最低的是CK處理，為0.71 kg/hm2.與CK處理相比，EM處理和U處理NH3累積排放量分別提高了45.07%(P<0.05)和16.90%.與U處理相比，EM處理增加了NH3累積排放量的24.10%(P<0.05).

2.4 各處理活性氣態(tài)氮累積排放量及排放強(qiáng)度

3個(gè)處理活性氣態(tài)氮累積排放量如表1所示：最高的是EM處理，為7.50 kg/hm2；最低的是CK處理，為3.89 kg/hm2.與CK處理相比，EM處理和U處理的活性氣態(tài)氮累積排放量分別提高了92.80%(P<0.05)和38.56%.與U處理相比，EM處理增加了活性氣態(tài)氮累積排放量的39.15%.各處理中活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度最高的是EM處理(表1)，為0.22 kg/t；最低的是CK處理，為0.14 kg/t.與CK處理相比，EM處理和U處理的活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度分別提高了57.14%(P<0.05)和35.71%.與U處理相比，EM處理增加了活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度的15.79%(P<0.05).

3 討論

3.1 尿素配施EM菌劑對(duì)蔬菜產(chǎn)量的影響

微生物菌劑被大量研究證明具有明顯提高作物產(chǎn)量的作用[26-27]，這與本研究得到的結(jié)果一致.尿素配施EM菌劑處理的小白菜產(chǎn)量顯著高于其他兩個(gè)處理.施用EM菌劑增加蔬菜產(chǎn)量的原因可能是：施用生物菌劑后，土壤生物活性顯著增加，土壤速效養(yǎng)分明顯增加[17]；作物根系結(jié)構(gòu)改善[28]，光合作用增強(qiáng)[11]，進(jìn)而增加了蔬菜產(chǎn)量.而在本研究中，與CK處理相比，U處理并沒有顯著增加小白菜產(chǎn)量，主要原因可能是設(shè)施菜地施入的氮肥量過大，而且土壤背景的無機(jī)氮含量較高[29].

3.2 尿素配施EM菌劑對(duì)設(shè)施菜地活性氣態(tài)氮累積排放量及其排放強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，與單施尿素相比，尿素配施EM菌劑處理有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，但同時(shí)增加了設(shè)施菜地N2O和NH3的排放，造成尿素配施EM菌劑處理的活性氣態(tài)氮排放強(qiáng)度高于其他兩個(gè)處理.因此從對(duì)環(huán)境的損益角度上來看，尿素配施EM菌劑對(duì)于設(shè)施小白菜種植的適用性需要有更多的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步評(píng)估.