N₂O和NO是大气中重要的痕量气体，可破坏臭氧层，且对全球气候变暖起到重要作用^{[1, 2, 3]}。农田是N₂O和NO重要排放源。全球耕地N₂O年排放量约为3.3 Tg N^[4]，占人为排放总量的50%^[5]。耕地的NO年排放约为1.4 Tg N，约是全球土壤NO总排放量的18% ^[4]。农田N₂O和NO的排放与活性氮的投入密切相关^{[6, 7]}。在中国农田系统中，设施菜田无疑是氮肥投入最多的系统，每年仅化学氮肥的投入量就在1200 kg·hm^-2以上^{[8, 9]}，是粮田的2~4倍^[10]。如此高的氮肥投入必然会极大促进N₂O和NO的排放。研究表明，北京一年两茬设施菜田的年排放量可达15.9 kg N·hm^-2[11]，是粮田N₂O排放量的4~5倍^{[12, 13]}。可见，设施菜田是重要的N₂O农业排放源。近年来，设施菜田作为蔬菜生产的主导产业种植面积在不断扩大，与1980年相比增加了500倍，2008年已达334.7万hm^{2[14, 15]}。因此，准确估算该系统的N₂O和NO排放量，对编制我国农田温室气体排放清单，降低菜地痕量气体排放估算的不确定性具有重要意义。

近年来对设施菜田N₂O排放的有限研究主要集中在菜地的畦上进行，没有考虑垄的N₂O排放^{[7, 11, 16]}。我国的设施菜地，特别是北方的菜地一般由畦和垄两部分组成，畦较低，种植作物有利于灌溉和施肥，而垄较高且土壤紧实度高，方便蔬菜的采摘和喷洒农药。我们调查发现畦和垄的面积比约为3∶1，可见，垄在设施菜田中所占面积较大，忽略垄上的N₂O排放将会影响设施菜田N₂O排放估算的准确性。此外，通过侧渗作用垄上会聚集大量来自畦的无机氮素，这为氮素硝化和反硝化作用提供了大量的底物，可能会造成N₂O的大量排放。本研究通过一年的设施蔬菜田间试验观察，定量测定垄上N₂O和NO的排放，希望为未来准确定量我国设施菜田N₂O和NO排放，提出有效减排措施提供基础和依据。 1 材料与方法 1.1 试验地点概况

长期定位试验点位于山东省寿光市罗家村（36°55′N，118°45′E），始于2004年2月，每年种植冬春季和秋冬季两季番茄，在两个生长季之间有1~2个月的休闲季，不种任何作物。该地区年平均温度为12.4　℃，降雨量约为558 mm。初始试验点表层土壤有机质含量为18.3 g·kg^-1，全氮含量1.37 g·kg^-1，NO₃^--N 为160 mg·kg^-1，速效钾和速效磷均为299 mg·kg^-1，pH为5.71^[17]。供试温室为北方典型的冬温式大棚，采用后土墙-两侧扇形土墙构成，全年用乙烯-醋酸乙烯复合膜覆盖，冬天晚上加盖草帘子保温，全年不接受自然降雨，但在2010年7月31日，因更换新棚膜，接受一次自然降雨，面积为655 m²（84 m×7.8 m）。 1.2 试验处理

试验处理主要包括两个：垄上处理（RT），垄上土壤全年没有翻耕和施肥。畦上处理（FT），施肥量和当地农民传统的施肥量一致，在番茄移栽前，撒施风干的鸡粪并翻耕到田里，其中冬春季8 t·hm^-2，相当于146 kg N·hm^-2，秋冬季10 t·hm^-2，相当于211 kg N·hm^-2。尿素随灌溉水一起施用，每次用量120 kg N·hm^-2，冬春季施肥灌溉6次，秋冬季共5次。全年除溶肥灌溉11次外，还有9次是纯水灌溉（无肥）。全年投入灌溉水9192 m³·hm^-2，年平均铵态氮、硝态氮和全氮浓度分别为16.0、18.1、34.1 g N·L^-1，全年灌溉水带来的氮为313 kg N·hm^-2。单次灌溉量约为50 mm，钾肥和磷肥施用量分别为460 kg K₂O·hm^-2 和180 kg P₂O₅ hm^-2。垄上处理的小区尺寸为 7.8 m × 0.6 m，畦上处理小区尺寸为 7.8 m × 1.8 m，每个处理三次重复。本试验监测时间为2010年1月11日—2011年1月13日。 1.3 N₂O、NO和CO₂排放通量测定

采用静态暗箱-气相色谱法测定设施菜田N₂O和CO₂气体的排放通量，NO排放通量采用静态暗箱-氮氧化物分析仪法测定。取样前3周，在各小区土壤中安装带有水槽的不锈钢箱底座，箱底座下面刀口约10 cm埋在土中，其上面的水槽下沿与地表平，边缘用土压实。垄上土壤由于较为紧实且离根较远，几乎不受根系影响，而畦上处理土壤受根系影响较大。为了更好地比较垄上处理和畦上处理的差异，消除根系干扰，在畦上处理箱底座埋设4张0.3 m的塑料薄膜。取样箱的长、宽和高分别为0.5、0.3 m和 0.5 m。材料为聚甲基丙烯酸甲酯，外面锡纸胶带和绝热材料缠绕包装成绝热暗箱。取样箱的一侧连接电子温度计探头测箱内温度，为了保证箱与底座连接处的气密性，取样前密封水槽内注水。取样时间为上午8：30—11：00，每1~3 d取样一次。N₂O和CO₂用60 cm注射器取样，由三通阀保证气密性，每6 min一次，共5次。五点线性回归系数保证大于0.95。NO由5 L不透明气袋取样，通过气泵（KNF Neuberger GmbH，Freiburg，德国）抽取，每5 min一次，共2次，抽取约1.5 L气体^[18]。由于仪器出现故障，2010年9月27日—10月22日，NO气体的排放通量没有监测。

气体采集后，在24 h内上气相色谱（Agilent 6890，美国）测量N₂O和CO₂浓度。该色谱采用装有微池电子捕获检测器HP 6890 Miceo-ECD和TCD，检测器温度分别为330 ℃和250 ℃，柱温为55 ℃。载气流速为25 mL·min^-1，纯度为99.999%的高纯氮气。NO浓度用化学发光式氮氧化物分析仪（Thermo Environmental Instruments Inc，美国）测量。NO通量计算方法与Mei等^[18] 相同。

N₂O 和CO₂通量按下式计算：

F=ρ×V/A×Δc/Δt×273/（273+T）

式中：F为换算成N₂O-N的N₂O 排放通量，μg·m^-2·h^-1或CO₂-C 的CO₂排放通量，mg·m^-2·h^-1；ρ为标准状态下N₂O和 CO₂浓度，mg·L^-1和g·L^-1；V为气体采样箱体积，m³；A为气体采样箱下的土壤面积，m²；Δc/Δt为单位时间内采样箱N₂O和CO₂随时间的浓度变化率，10^-6 mol·moL^-1·h^-1；T为气体采样箱内平均空气温度，℃。

N₂O和NO 的年累计排放量是一年内每天排放累加值。日排放量为排放通量乘以24 h，两次间的排放通量采用插值法计算。 1.4 土壤无机氮含量和土壤孔隙含水量的测定

与每次采气同步，取0~5 cm表层土壤，用1 mol·L^-1 KCl溶液进行浸提过滤，放在-20 ℃冰箱冷藏。解冻后由连续流动分析仪（TRACCS2000，德国）测定土壤样品中NH+4-N和NO₃^--N的含量并换算成每克干土无机氮含量。土壤的质量含水量是在105 ℃条件下烘干土壤12 h后测定。土壤孔隙含水量由以下公式换算：

WFPS（%）=土壤体积含水量/（1-土壤容重/2.65）×100% 1.5 数据处理

数据由Excel 2007作图，用SPSS 19分析软件进行单因素方差分析，其显著水平为P<0.05。图表中数据为处理平均值 ± 标准误。 2 结果与分析 2.1 土壤无机氮含量和土壤孔隙含水量变化

从图 1可以看出，垄上处理土壤的铵态氮含量高于畦上处理土壤，在每个生长季的后期这种表现更加突出。垄上土壤铵态氮年平均含量为21.2 mg·kg^-1，几乎是畦上土壤（11.7 mg·kg^-1）的两倍。两个处理土壤硝态氮的监测结果（图 2）显示，垄上处理的硝态氮含量远高于畦上处理，最高时达到7036 mg·kg^-1，其年平均含量为1 101.8 mg·kg^-1，是畦上土壤（91.2 mg·kg^-1）的10倍以上。在两个生长季中，冬春季的无机氮含量显著高于秋冬季，可能和两季鸡粪的质量有关：在番茄移栽前，鸡粪会在棚外储存1个月左右，因在秋冬季前的夏季温度较高，鸡粪分解较快，而冬春季前则温度较低鸡粪分解慢，所以冬春季鸡粪质量要优于秋冬季。从图 3看出，设施菜田畦上土壤和垄上土壤的孔隙含水量（WFPS）均较高，年平均值分别为54.2%和63.2%。

图 1 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理 0~5 cm 土层土壤铵态氮变化 Figure 1 Dynamics of ammonium-N contents in 0~5 cm soil layer under different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

图 2 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理 0~5 cm 土层土壤硝态氮变化 Figure 2 Dynamics of nitrate-N contents in 0~5 cm soil layer under different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

图 3 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理 0~5 cm 土层土壤孔隙含水量变化 Figure 3 Dynamics of soil water-filled pore space （ WFPS ） in 0~5 cm soil layer under different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

图 4显示两个处理的N₂O排放峰值主要集中在每个生长季的前期，可能与鸡粪施用有关。虽然和畦上N₂O排放量相比，垄上处理的N₂O排放量较低，但垄上仍有一定排放，其N₂O年平均排放通量可达50.2 μg N·m^-2·h^-1。两个处理CO₂的排放峰值也出现在每个生长季鸡粪施用后两周左右的时间里（图 5）。畦上处理的CO₂年平均排放通量为106.7 mg C·m^-2·h^-1，是垄上处理的两倍多。与N₂O和CO₂的排放规律不同，NO的排放受鸡粪施用的影响较小，排放峰值主要集中在3月底至10月底这段温度较高时期（图 6）。尽管垄上处理的NO排放低于畦上，但仍有一定的排放。

图 4 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理下土壤 N2O 排放变化 Figure 4 Dynamics of N2O emissions under different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

图 5 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理下土壤 CO2排放变化 Figure 5 Dynamics of CO2 emissions in different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

图 6 2010 年 1 月—2011 年 1 月供试温室不同处理下土壤 NO 排放变化 Figure 6 Dynamics of NO emissions in different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

图选项

从表 1可以看出，畦上和垄上N₂O和NO年排放量差异显著，其中畦上和垄上N₂O累计年排放分别为11.60、4.23 kg N·hm^-2，NO的累计年排放分别为1.27、0.43 kg N·hm^-2。考虑到垄上和畦上的面积比为1∶3，我们经过修正发现菜田N₂O和NO的年累计排放量分别为9.65、1.06 kg N·hm^-2，这意味着如果气体取样点全部在畦上，N₂O和NO年排放量分别高估了1.95 kg N·hm^-2和0.21 kg N·hm^-2。

表 1 2010 年 1 月—2011 年 1 月不同处理的 N₂O 和NO 累计排放量 Table 1 Cumulative emissions of N₂O and NO in different treatments from Jan. 2010 to Jan. 2011

表选项

与其他农业生产系统相比，设施菜田获得最高的水肥投入，其痕量气体N₂O和NO的排放量也被认为最不确定^[7]。区分垄上和畦上的N₂O和NO排放贡献量是准确估算我国设施菜田痕量气体排放量的关键。本研究通过一年的田间原位监测发现，垄上和畦上土壤N₂O和NO年排放量相差较大。畦上处理的N₂O排放量为11.6 kg N·hm^-2，是粮田的3~4倍^{[12, 13]}，也是一般菜田的2倍以上^[19]，该排放量与He等^[16]的研究结果相近。畦上N₂O排放系数为0.58%（结果未显示），在其他有关设施菜田N₂O排放系数研究的范围（0.3%~2.2%）内^{[16, 20]}。垄上处理的N₂O排放量显著低于畦上，其排放量为4.23 kg N·hm^-2，该排放量与传统施肥的粮田相当^{[12, 13]}。在设施菜田N₂O排放的估算研究中，如果气体取样点全部在畦上，N₂O年排放量将高估了1.95 kg N·hm^-2，整个环渤海湾地区设施菜田一年所高估的N₂O排放量高达29.1 t N。

与N₂O相比，畦上NO的排放量较低，仅为1.27 kg N·hm^-2，低于玉米-小麦田的3.0 kg N·hm^-2[13]，与施肥量更低的棉田的排放量相当^[21]。这可能与含水量有关，本供试菜田畦上的年平均含水量高达54.2%，Laville等^[22] 研究发现，NO受土壤孔隙含水量的影响较大，高含水量将会促进NO的还原，当孔隙含水量超过60%时其排放量几乎可以忽略。垄上孔隙含水量高达63.2%，所以垄上NO的排放量更低，仅为0.43 kg N·hm^-2。NO排放的估算研究时，如果气体取样点全部在畦上，NO年排放量会被高估0.21 kg N·hm^-2。

此外，比较垄上和畦上土壤发现，垄上土壤的无机氮含量显著高于畦上，但其N₂O和NO的排放量却低于垄上。造成这一现象的根本原因可能在于垄上土壤缺少微生物可利用碳源，进而限制了反硝化过程。我们发现垄上土壤CO₂的排放量显著低于畦上，而CO₂反映可利用有机碳的含量^[23]。因此，为了降低氮素反硝化损失，在施用有机肥的时候应适当远离垄。此外，由于垄上NO₃^--N含量远高于畦上，而目前很多菜田NO₃^--N淋洗的研究主要集中在畦上^{[24, 25]}，而没有考虑到垄上NO₃^--N含量，这将明显低估NO₃^--N的淋洗排放量。同样，由于垄上是重要的无机氮的汇，在研究设施菜田氮素平衡的时候应该给予充分考虑，以免无法查清氮素转化主要路径。 4 结论

设施菜田垄上和畦上的N₂O和NO年排放通量差异较大，在定量设施菜田痕量气体排放时应充分考虑垄上和畦上土壤排放差异，区分它们的排放贡献。把垄和畦作为一个整体的研究无法准确定量设施菜田痕量气体的排放量。此外，垄是重要的无机氮的汇，估算氮素平衡和研究硝酸盐淋洗时，应该给予足够重视。