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不同配比有机无机肥料对菜地N2O排放的影响

花匠小妙招
2024-11-26 20:57

集约化菜地是特殊的旱地生态系统，具有施肥量大、复种指数高以及农事操作频繁等特点，其施肥量通常是其他农业生态系统的 3～4 倍[1]。化学氮肥的大量施用造成大量 N2O 排放[2]、土壤 NO3–-N 积累、土壤酸化板结、土壤肥力下降等一系列环境问题[3]。而施用有机肥是中国传统的耕作方式，大量试验证明有机肥的施用具有保持土壤肥力和增加产量的双重效果，并且能够有效改善土壤物理、化学和生物学特性，提高土壤固碳能力等[4]。但是有机肥肥效缓长，前期氮素供应能力不及化学氮肥[5]，而蔬菜生长周期短，生长发育前期对氮素需求量较大，单施有机肥不能满足蔬菜的生长需要。因此有机肥和无机肥配合施用可能是降低蔬菜生产成本、增加蔬菜产量和土壤肥力的有效技术措施[6–8]。

同时，施肥也是影响农田温室气体 N2O 排放的重要措施[9]。相关研究表明，从 1750 年到 2011 年之间大气中 N2O 浓度增加了 20%[10]，N2O 能在大气中滞留较长时间，并参与大气中许多光化学反应，最终破坏大气臭氧层[11]。目前，关于有机无机肥料配施对 N2O 排放的研究大多集中在玉米、小麦和水稻等粮食作物上[12–13]，对集约化菜地研究较少，且结果不一。郝小雨等[14]通过设施番茄和芹菜地试验发现，有机无机肥料配施较单施化肥可显著降低 N2O 排放量，但施用秸秆有机肥和粪便有机肥的结果存在显著差异。刘丽娟等[15]则发现，25% 无机氮肥 + 75% 有机氮肥 (猪粪堆肥) 较单施化肥会促进菜地 N2O 排放。此外，Jia 等[16]盆栽试验表明，有机无机肥料配施与单施化肥处理间菜地 N2O 排放无显著差异。

本试验采用静态暗箱–气相色谱法，研究在不同比例有机无机肥料配施下，菜地 N2O 的排放特征和影响因素，为集约化菜地生态系统科学减排 N2O 提供理论依据。

1. 材料和方法

1.1 试验点概况

试验点位于南京市高桥门镇上坊村 (32°01′N，118°52′E)，地处长江中下游，属于亚热带季风气候，年平均气温 15.4℃，年降水量 1107 mm。试验地是有数十年的蔬菜种植历史的中国南方典型集约化菜地，一年可以种植 3～5 茬蔬菜。本试验是在当地农民连续多年蔬菜种植的基础上进行。试验地土壤 pH 值为 5.1、有机碳 14.3 g/kg、总氮 1.7 g/kg、容重 1.2 g/cm3、土壤质地为黏土 (其中砂粒 3.5%、粉粒 67.9%、粘粒 28.6%)。

1.2 试验设计

田间试验共设四个处理，分别为：不施氮对照 (CK)、单施化肥 (NPK)、有机无机肥料 1∶1 配施 (M1N1)和有机无机肥料 2∶1 配施 (M2N1)，每个处理 3 次重复，各处理小区面积 7.5 m2。施肥、翻耕、灌溉的水平、方法及时间等都按照当地管理措施进行。试验期间连续种植了 4 季蔬菜，分别为香菜、空心菜、菜秧、菠菜，其中香菜和菠菜种植期间有塑料大棚覆盖。每季蔬菜收获后至下季蔬菜种植前有时间不等的休耕期。在每季蔬菜种植前肥料作为基肥一次性施入，施肥量均为 N 250 kg /hm2，其中空心菜生长周期较长，共分为四次收获，因此在第二茬收获后按照 N 250 kg /hm2追肥一次。整个观测期共施肥 5 次，各施氮处理总施氮量为 N 1250 kg/hm2，同时施入等量 (以 N、P2O5、K2O 计) 的磷肥 (钙镁磷肥，含 P2O514%) 和钾肥 (氯化钾，含 K2O 63.2%)(表 1)，不施氮处理补充相应数量磷钾肥。试验所用无机肥为尿素，含氮量 46%，有机肥为南京市土壤肥料站研制的金达牌有机肥，有机质含量 35%，含氮量 3.2%，原材料为发酵微生物菌、发酵鸡粪、风化煤、饼粕等。

表 1 田间管理时间、灌溉量、降雨量和施肥量

Table 1. Dates of tillage practices, irrigation rate, rainfall and fertilizer application rates

蔬菜种类
Vegetable 管理日期 Management date(y/m/d) 灌溉量
Irrigation
(m3/hm2) 降雨量
Precipitation
(mm) 施肥量 Nutrient input (kg/hm2) 施肥Nutrient input 灌溉Irrigation 除草剂Herbicide N P2O5 K2O 香菜 Coriander herb 2015/1/2 2015/1/4 2014/12/27 500 238 250 250 250 空心菜 Water spinach 2015/4/23 2015/4/27 2015/4/15 600 637 250 250 250 2015/5/20 400 2015/6/26 2015/6/27 700 250 250 250 2015/7/20 600 菜秧 Baby bok choy 2015/9/10 2015/9/15 2015/9/3 1000 146 250 250 250 菠菜 Spinacia oleracea 2015/10/25 2015/10/29 2015/10/20 800 86 250 250 250 周年 Annual 1250 1250 1250 1.3 样品采集与测定

N2O 排放通量的测定采用静态暗箱–气相色谱法。通常每周采集 1 次样品，施肥和灌溉后加密采样，1～2 天一次，持续 10 天左右。采样时间为上午 9:00～11:00，在箱子密闭后的 0、10、20 和 30 min 用 20 mL 注射器针筒采集 4 个气体样品，采用气相色谱仪 (Agilent 7890A) 测定样品中的 N2O 浓度，检测器为 ECD，载气为体积分数 5% 的氩甲烷，检测温度为 300℃。根据 4 个样品的 N2O 浓度值和采样时间的直线回归方程的斜率求得 N2O 的排放通量。

每次采集气体样品时，用便携式温度计 (JM624，中国天津金明仪器有限公司) 测定采样箱内温度、大气温度以及 10 cm 土层土壤温度。同时用环刀和土钻采集 0—10 cm 表层土壤样品，测定土壤容重和质量含水量并计算土壤充水孔隙度 (water filled pore space, WFPS)。每季产量为当季蔬菜收获时，收取试验小区内的所有植株地上部，称鲜重计为产量，适用于叶菜类。周年蔬菜总产量为 4 季蔬菜产量之和。

为了明确不同配比的有机无机肥料配施对菜地 N2O 排放的影响，根据各处理 N2O 累积排放量和施肥量计算菜地生态系统的每季和周年 N2O 排放系数：

土壤充水孔隙度 (water filled pore space, WFPS) =土壤体积含水量/土壤总孔隙度 × 100%

土壤总孔隙度 = 1 – 土壤容重/2.65

N2O 排放系数 = (施氮处理 N2O 排放量 – 不施氮处理 N2O 排放量)/施氮量 × 100%

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2013 软件进行数据计算和图表制作，采用 JMP7.0 软件对 N2O 排放通量与土壤 WFPS、土壤温度进行相关性分析，对不同处理间 N2O 累积排放量、蔬菜产量和排放系数进行方差分析，并运用 Tukey 法进行多重比较。

2. 结果与分析

2.1 N2O 排放通量和土壤铵态氮、硝态氮动态变化

从图 1可以看出，各处理 N2O 排放通量的季节性变化规律基本一致，但不同蔬菜生长季间排放规律明显不同。N2O 排放与土壤温度密切相关，主要集中在土壤温度较高的 4～10 月 (图 2)，其他月份排放较小。在 4～10 月，每次施肥灌溉后各处理菜地 N2O 排放均出现明显的排放峰，持续 7～10 d。各处理排放峰值有较大差异，从高到低依次为 NPK、M2N1、M1N1、CK。其中 N2O 最大排放峰值出现在菜秧种植期间，为 2261 μg/(m2·h)。在 1～4 月和 10～12 月这段时间内，施肥灌溉后各处理均未出现明显的排放峰。与 NPK 相比，有机无机肥料配施处理 (M1N1 和 M2N1) 在施肥灌溉后 1～10 d 内的 N2O 排放峰值较小，且 M2N1 处理的排放峰值明显高于 M1N1 处理。

图 1 菜地不同配比有机无机肥料各处理 N2O 排放通量动态变化

[注（Note）：虚线隔开不同蔬菜生长季 Different vegetable crop growing seasons were separated by a dotted line, 2014-12-27～2015-4-12 是香菜生长季 Coriander herb, 2015-4-25～2015-9-1 是空心菜生长季 Water spinach, 2015-9-15～2015-10-20 是菜秧生长季 Baby bok choy, 2015-11-2～2016-1-10 是菠菜生长季 Spinacia oleracea; 箭头表示施肥措施 Arrows represented fertilization date.]

Figure 1. N2O emission in vegetable field under various fertilizer treatments

图 2 菜地土壤温度和土壤充水孔隙度

Figure 2. Soil water-filled pore space (WFPS) and soil temperature in the vegetable field

如图 3所示，所有处理的土壤 NH4+-N 含量在 35～289 mg/kg 之间波动，CK、M1N1、M2N1 和 NPK 四个处理的平均 NH4+-N 含量分别为 51.2 ± 10.9、124.6 ± 59.1、102.5 ± 42.6 和 119.3 ± 82.2 mg/kg；所有处理的 NO3–-N 含量在 45～252 mg/kg 之间波动，CK、M1N1、M2N1 和 NPK 四个处理的平均 NO3–-N 含量分别为 69.1 ± 14.2、106.5 ± 30.9、127.3 ± 31.7 和 105.7 ± 52.4 mg/kg。施肥和灌溉措施会导致土壤铵态氮与硝态氮含量的变化。

图 3 菜地不同处理土壤铵态氮和硝态氮动态变化

Figure 3. Soil NH4+-N and NO3–-N dynamics under combined organic and inorganic fertilizers in the vegetable field

2.2 不同处理各季及周年蔬菜产量

从图 4可以看出，整个试验期间内 CK 处理周年蔬菜产量最低，为 154.2 t/hm2。施用氮肥能够显著增加蔬菜产量 (P< 0.05)。与 NPK 处理相比，有机肥无机肥料混合施用显著增加了空心菜的产量 (P< 0.05)，但对香菜、菜秧、菠菜的产量和周年蔬菜产量无显著影响。不同有机无机肥料配比处理间，各季蔬菜产量和周年蔬菜产量无显著差异。

图 4 不同处理各季及周年蔬菜产量

[注（Note）：柱上不同大写字母表示蔬菜总产量差异显著 Different capital letters above the bars represent significant difference among treatments in total vegetable yields; 不同小写字母表示空心菜产量差异显著 Different lowercase letters represent significant difference among treatments in water spinach yield (P< 0.05).]

Figure 4. Vegetable yield under different treatments

2.3 土壤 WFPS、温度、铵态氮和硝态氮含量对菜地 N2O 排放通量的影响

本试验中，整个观测期内土壤 WFPS 值介于 39%～59% 之间，平均值为 51%。相关分析表明 WFPS 的变化并未对菜地 N2O 排放通量产生显著影响 (表 2)。菜地 N2O 排放与全年土壤温度呈极显著相关 (表 2，P< 0.01)。另外，图 1可以看出，4～10 月份的菜地 N2O 排放通量要明显高于其他月份，并且该时期内的土壤温度要高于 15℃(图 2)。因此，我们以 15℃ 为分隔点，以研究土壤温度与菜地 N2O 排放通量的相关关系 (表 2)。当土壤温度低于 15℃ 时，各处理菜地 N2O 排放通量与土壤温度无显著相关。当土壤温度高于 15℃ 时，CK、M1N1、M2N1 处理菜地 N2O 排放通量均与土壤温度显著相关 (表 2，P< 0.05)，而 NPK 处理未发现此规律。通过进一步分析发现，NPK 处理的菜地 N2O 排放通量与土壤无机氮含量显著相关 (表 2，P< 0.05)，而其余处理菜地 N2O 排放通量与土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量间均无显著相关，这可能与 N2O 的阵发性排放峰有关，是多种因素综合作用的结果[17]。

表 2 N2O 排放通量与土壤 WFPS、温度、铵态氮和硝态氮含量的相关关系(r)

Table 2. Correlation between N2O fluxes and soil water-filled pore space (WFPS), soil temperature, contents of NH4+-N, NO3–-N and inorganic nitrogen

处理
Treatment WFPS
(%) 土壤温度 Soil temperature NH4+-N
(mg/kg) NO3–-N
(mg/kg) NH4+-N + NO3–-N
(mg/kg) < 15℃ > 15℃ 全年温度℃ CK –0.027 0.097 0.444* 0.556** 0.141 –0.025 0.055 M1N1 –0.089 0.045 0.391* 0.516** –0.106 0.012 0.086 M2N1 –0.101 0.034 0.431* 0.512** –0.236 0.169 –0.085 NPK –0.035 0.046 0.224 0.367 0.318 0.261 0.392* 　注（Note）：* 和 ** 表示处理间在 0.05 和 0.01 水平差异显著 Represent significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively; 无机氮 = 铵态氮 + 硝态氮 Inorganic N = NH4+-N + NO3–-N 2.4 不同处理菜地各季及周年 N2O 累积排放量和排放系数

从表 3中可以看出，在周年种植四种蔬菜过程中，与 CK 处理相比，施用氮肥能够显著增加 N2O 排放。香菜生长季，N2O 累积排放量最低，且各施氮处理间没有显著差异。N2O 排放主要发生在空心菜生长季，较 M2N1 和 NPK 处理，M1N1 处理的 N2O 累积排放量和排放系数显著降低 (P< 0.05)，但 M2N1 处理和 NPK 处理间无显著差异。在菜秧生长季和菠菜生长季，M1N1 处理和 M2N1 处理的 N2O 累积排放量和排放系数较 NPK 处理显著降低 (P< 0.05)，但 M1N1 处理和 M2N1 处理间无显著差异。

表 3 不同处理菜地各季及周年 N2O 累积排放量和排放系数

Table 3. Cumulative N2O emissions and N2O emission factors under different treatments

蔬菜种类 Vegetable 项目 Item CK M1N1 M2N1 NPK 香菜季 Coriander herb 累积量 Cumulative emission (N kg/hm2) 1.13 ± 0.11 a 1.40 ± 0.18 a 1.36 ± 0.23 a 1.35 ± 0.21 a (2014/12/27～2015/4/12) 排放系数 Emission factor (%) 0.11 a 0.09 a 0.09 a 空心菜季 Water spinach 累积量 Cumulative emission(N kg/hm2) 5.77 ± 0.84 c 8.05 ± 1.12 b 15.09 ± 1.37 a 15.38 ± 1.76 a (2015/4/25～2015/9/1) 排放系数 Emission factor (%) 0.46 b 1.86 a 1.92 a 菜秧季 Baby bok choy 累积量 Cumulative emission(N kg/hm2) 3.03 ± 0.46 c 4.51 ± 0.32 b 4.73 ± 0.31 b 6.06 ± 0.77 a (2015/9/15～2015/10/20) 排放系数 Emission factor (%) 0.59 b 0.68 b 1.21 a 菠菜季 Spinacia oleracea 累积量 Cumulative emission(N kg/hm2) 1.56 ± 0.24 c 3.01 ± 0.26 b 2.57 ± 0.47 b 3.61 ± 0.29 a (2015/11/2～2016/1/10) 排放系数 Emission factor (%) 0.58 b 0.40 b 0.82 a 周年观测期 Annual 累积量 Cumulative emission(N kg/hm2) 11.5 ± 1.61 c 16.9 ± 1.41 b 23.8 ± 2.02 a 26.4 ± 2.97 a (2014/12/27～2016/1/10) 排放系数 Emission factor (%) 0.43 b 0.98 a 1.19 a 　注（Note）：N2O 排放系数 = (施氮处理 N2O 排放量 – 不施氮处理 N2O 排放量)/施氮量 × 100% N2O emission = (N2O emission in N treatment – N2O emission in no N treatment)/N application rate × 100%; 数字表示平均值 ± 标准差 (n= 3), 同行不同字母表示处理间差异显著 (P< 0.05) Data = mean ± SD (n= 3). Values followed by different letters in the same row are significantly different among treatments (P< 0.05).

不同处理间 N2O 周年累积排放量存在显著差异 (P< 0.05)。其中 CK 处理最低，为 N 11.5 kg /hm2；NPK 处理最高，为 N 26.4 kg /hm2。与 NPK 处理相比，M1N1 处理的菜地 N2O 周年累积排放量显著降低了 36% (P< 0.05)，周年排放系数显著降低 64%，而 M2N1 处理减排效果不显著。同时，M1N1 处理比 M2N1 处理菜地 N2O 周年累积排放量和周年排放系数分别显著降低了 29% 和 56% (P< 0.05)。

3. 讨论

3.1 环境因子对 N2O 排放的影响

土壤温度和水分的变化是影响 N2O 排放的主要因素[18]。土壤水分含量能够影响土壤通气状况、微生物活性，进而对土壤中 N2O 的产生、消耗和传输过程产生影响[17]。土壤温度能够影响土壤硝化、反硝化作用的反应速率，进而影响土壤 N2O 的产生与排放。在本试验中，虽然土壤水分含量有所变化，但由于菜地频繁灌溉使得土壤含水量一直维持在相对较高的水平 (图 2)，因此 N2O 排放通量与土壤水分含量无显著相关。研究发现，土壤温度在 15～25℃ 时，会产生更多 N2O[19]。因此在本试验中，当土壤温度高于 15℃ 时，CK、M1N1 和 M2N1 处理的菜地 N2O 排放通量与土壤温度显著相关 (表 2，P< 0.05)；而 NPK 处理菜地 N2O 排放通量与土壤温度无显著相关关系，可能是由于无机氮肥的大量投入，使得无机氮成为决定 N2O 产生和排放的主要因素 (表 2)，因此与土壤温度相关不显著。在土壤温度低于 15℃ 时，各处理 N2O 排放通量与土壤温度间均无显著相关(表 2)，可能是当温度较低时，微生物活性较低。

3.2 不同施肥处理对各季及周年蔬菜产量和菜地 N2O 排放的影响

有研究表明，采用有机无机肥料混合施用是增加土壤肥力、提高蔬菜产量、降低化学氮肥用量的最佳管理方式[20]。本试验中，较 NPK 处理，尽管 M1N1 处理和 M2N1 处理中可被作物直接吸收利用的无机氮素含量大幅减少，但对香菜、菜秧、菠菜的产量和周年蔬菜产量没有产生显著影响，同时显著提高了空心菜产量 (P< 0.05)。可能是有机无机肥料混合施用有利于改善土壤理化性质，减少化学氮肥的损失，加速有机肥的矿化，从而促进作物对氮素的吸收[21]，保证作物产量。空心菜生长周期长，有机肥分解释放的氮素能够及时补充作物后期生长所需，因此，有机无机肥料混合施用能够显著提高空心菜产量 (图 4)。

N2O 排放主要来源于土壤中硝化和反硝化作用[22]，受到土壤中碳、氮含量的影响[23]。有机无机肥料配施不仅为土壤中微生物提供了碳源，还改变了氮素形态及土壤 C/N，影响微生物活动和 N2O 排放[14]。虽然施用有机肥对 N2O 排放影响的研究较多，但结论不一[24–27]。本研究中不同比例有机无机肥料配施对菜地 N2O 排放存在显著不同的影响 (表 3)。与 NPK 相比，M1N1 处理显著降低了菜地空心菜季、菜秧季和菠菜季的 N2O 累积排放量和周年累积排放量，而对香菜季 N2O 累积排放量无显著影响 (表 3，P< 0.05)，可能是香菜季温度较低，土壤微生物活性低。空心菜季、菜秧季和菠菜季 M1N1 处理 N2O 累积排放量显著低于 NPK 处理，这主要是因为有机氮部分替代无机氮，使得微生物可以直接利用的无机氮量减少，从而减少 N2O 排放[28]。

然而，与 NPK 处理相比，M2N1 处理菜地 N2O 周年累积排放量没有显著差异。同时，与 M1N1 处理相比，M2N1 处理显著增加了空心菜季菜地 N2O 累积排放量和周年累积排放量 (表 3，P< 0.05)。原因可能是，M2N1 处理较 M1N1 处理施入了更多的外源碳，提供了更加充足的电子供体，促进微生物活动[30]。M2N1 处理更高的 C/N 提高了反硝化微生物对氮素的竞争力，形成一个更加有利于反硝化过程进行的环境，进一步促进了菜地氮素反硝化过程[30–32]，从而使 N2O 累积排放量较 M1N1 处理显著增加，同时 M2N1 处理较 NPK 处理减排效果不显著。因此，M2N1 处理在施肥灌溉后的 N2O 排放峰值高于 M1N1 处理 (图 1)。同时，空心菜季作物生长周期长，微生物活性高，M2N1 处理的有机肥在土壤中分解持续时间更长，同时所释放的氮素在后期也较高，进而排放更多的 N2O。在菜秧季由于生长周期短，有机肥分解程度低，M2N1 处理较 M1N1 处理 N2O 累积排放量虽然有所增加，但未达到显著水平。

因此，本试验中 M1N1 处理在保证蔬菜产量的同时，显著降低了菜地 N2O 排放量及排放系数，是一种值得推荐的菜地施肥方式；M2N1 处理则与 NPK 处理具有相当的蔬菜产量和 N2O 排放量及排放系数。总体来说，施用有机肥对 N2O 排放的影响受外源碳、氮供应水平、土壤供氮水平、微生物对有机碳的分解及作物对氮素的利用等因素的综合影响。因此，有关有机肥料配合施用对土壤 N2O 排放影响的机理尚需进一步研究。