2016, Vol. 35文章信息
- 易琼, 黄旭, 张木, 黄巧义, 逄玉万, 唐拴虎
- YI Qiong, HUANG Xu, ZHANG Mu, HUANG Qiao-yi, PANG Yu-wan, TANG Shuan-hu
- 氮肥施用水平及种类对生菜产量及菜地N2O排放的影响
- Effects of nitrogen application rate and sources on yield of lettuce and nitrous oxide emission in vegetable soil
- 农业环境科学学报, 2016, 35(10): 2019-2025
- Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(10): 2019-2025
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-0471
文章历史
- 收稿日期: 2016-04-07
大气温室气体浓度的持续增加是全球气候变暖的重要诱因之一。N2O作为重要温室气体之一，因具有在大气中滞留时间长、增温潜势大和对臭氧层的破坏作用等特点而备受人们关注。由于蔬菜生长周期短、产量高、施肥量大、灌溉频繁，菜地温室气体排放量居高不下[1]。作为N2O的主要排放源之一，菜地土壤N2O排放规律及其减排技术研究已成为国内外研究的热点[2-3]。氮肥的施用是导致菜地土壤N2O排放增加的主要原因之一[4]。例如，生菜（Lactuca sativa L.）具有生长周期相对较短、病虫害较少、经济产值较高等特点，是当地主要种植的蔬菜种类之一。生菜生产中氮肥用量随空间与品种的变化差异较大，总体而言过量施用氮肥是生菜生产过程中普遍存在的现象，施氮量高达207~300 kg·hm-2 [5-6]，这既是养分资源的浪费，也是对生态环境的污染与破坏。N2O的排放是土壤硝化与反硝化综合作用的结果，其排放受外界环境条件和内在土壤性质的共同制约和影响[7-9]。目前国内外有关N2O等温室气体排放通量的研究多集中在大田作物生产过程中，包括耕作制度、水分灌排及秸秆还田等农作措施对温室气体排放的相关研究[10-11]，而有关蔬菜生产过程中N2O气体释放规律，尤其是华南地区有关科学合理施肥结合温室气体减排技术措施相关研究相对较少。综上，本研究主要从优化蔬菜氮肥施用和N2O温室气体减排两方面进行阐述，以期为蔬菜科学合理施肥、评价菜地土壤N2O减排措施提供技术支持。
1 材料与方法 1.1 试验地点田间试验于2013年9月在广东省农科院试验基地（23.15°N，113.36°E）进行。该地区属于典型的亚热带海洋性季风气候，全年平均气温22.5 ℃，年温差15~17 ℃，年平均降水量1517 mm，年平均相对湿度77%。供试土壤为赤红壤，前茬为甜玉米，玉米收获后匀地2个月左右。土壤基本理化性状如表 1。供试蔬菜为生菜，品种为“意大利全年耐抽苔抗热生菜”。
试验共设7个处理:不施氮肥（N0），施氮112.5 kg N·hm-2（N1），施氮225 kg N·hm-2（N2，常规施肥），施氮337.5 kg N·hm-2（N3），控释氮肥（CRU-N2，加阳公司购买，树脂包膜，施氮量为225 kg N·hm-2，下同），稳定性氮肥（SN-N2，由腐植酸和双氰胺包膜而成），有机无机氮肥配施（MN-N2，有机无机氮肥施用比例为1:1，供试有机肥为腐熟商品有机肥，原料主要为鸡粪，总养分含量≥4%，N:P2O5:K2O=1.5:1:1.5）。供试氮肥为尿素（控释氮肥与稳定性氮肥除外），供试磷、钾肥分别为过磷酸钙和硫酸钾，每个处理磷钾肥用量相同，分别为P2O5 75 kg·hm-2和K2O 165 kg·hm-2。有机肥和磷肥全部作基肥，除控释尿素处理氮肥全部作基肥一次施用外，其他各处理30%的氮、钾肥用作基肥施入，70%的按0.15:0.25:0.30的比例分别于蔬菜生长中后期作追肥施入。每个小区面积为10.3 m2，完全随机排列，重复3次。蔬菜于9月26日播种，10月23日移栽，11月27日收获。
1.3 测定项目及方法采用静态暗箱-气相色谱法测定菜地N2O温室气体的排放。密闭箱由有机玻璃（5 mm）材料制成，箱体尺寸为40 cm×40 cm×40 cm，箱体内壁粘贴锡箔纸隔绝光线，每个小区填埋一个与密闭箱配套的不锈钢底座（箱内种植4棵生菜），每次气体收集前，用水密封底座凹槽，使箱内空气与外界环境无交换。自生菜移栽开始，每隔3~4 d采集一次气体。每次采气时间控制在上午8:00-12:00之间，盖箱后经0、10、20、30 min分别用60 mL注射器收集气体带回实验室，当日采用气相色谱仪（Agilent 7890B，美国）分析测定。收集气体的同时记录每个小区箱内温度、大气温度及5 cm土温。
采气当天采取0~30 cm土壤样品，-4 ℃保存用于测定土壤矿质氮（Nmin=NO3--N+NH4+-N）含量。土壤矿质氮采用2 mol·L-1 KCl溶液提取并用连续流动分析仪（Futura，法国）进行测定。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷和有效钾分别采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法和NH4OAc浸提法测定，pH值采用电位法测定[12]。
1.4 数据处理与分析N2O气体排放通量计算公式为:
式中:F为N2O的排放通量，μg·m-2·h-1；ρ为N2O标准状态下的密度，ρ=1.25 mg·m-3·h-1；h为箱子高度；dc/dt为采样箱内N2O气体浓度变化率；T为采样时箱内的平均温度。
N2O季节排放总量由相邻两次气体排放通量的平均值与观测间隔时间相乘，然后逐次累加而得，以N2O-N计。
N2O排放系数（Emission factor，EF，%）=（施氮处理N2O-N排放量-不施氮处理N2O-N排放量）/氮肥用量×100%
全球增温潜势（GWP，以100年计，t CO2 equivalent·hm-2）是基于CO2、CH4和N2O转化为CO2当量进行估算:
式中RCO2、RCH4、RN2O分别为生长季CO2、CH4和N2O排放总量，kg·hm-2 [13]。
温室气体排放强度（GHGI）为单位生菜产量的综合温室效应CO2当量，即:
本文采用Microsoft Excel 2007和SAS 9.0软件进行数据计算和图表制作与方差分析等。
2 结果与分析 2.1 不同处理N2O排放通量和累积排放量动态变化从图 1（a）可以看出，生菜整个生长过程中土壤N2O排放通量变化范围为6.6~1 781.8 μg·m-2·h-1，各施氮处理土壤N2O气体排放均较不施氮肥处理高，各处理N2O排放通量随着氮肥量的增加而增加，表明氮肥施用是促进菜地N2O气体净排放的一个非常重要的因素。自生菜移栽后11 d起，N2O排放通量呈明显增加趋势，N3处理增幅尤为突出，各施肥处理N2O排放峰出现的时间和规律并不完全一致，表现为N3>N2>MN-N2，其他各处理并未呈现明显的排放峰值。
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| 图 1 不同处理生菜地N2O排放通量和累积排放量动态变化 Figure 1 Dynamic changes of different treatments on N2O emissions fluxes and N2O cumulative fluxes in lettuce 图中箭头表示追肥 |
由N2O累积排放量图 1（b）可知，各处理生菜生长前期N2O排放累积相对较小，生菜移栽后11~23 d N2O累积排放量明显增加，尤其是N3处理最多，N2处理次之。相同施氮水平下，N2O累积排放量表现为N2>MN-N2>CRU-N2>SN-N2，表明稳定性氮肥处理较常规尿素处理能有效控制菜地N2O气体释放，CRU-N2处理效果次之。此外，生菜生长前期，MN-N2处理N2O累积排放量高于N2处理，直至生菜移栽后14 d，该趋势发生逆转，有机无机配施处理也能在一定程度上减少N2O气体的累积释放量，其抑制效果主要体现在作物生长后期。
2.2 不同处理蔬菜产量和N2O季节综合排放特征由表 2可知，适量增施氮肥可提高生菜地上部商品产量，然而，当氮肥用量达到N3水平时，生菜商品产量急剧下降。与常规施肥N2处理相比，N3处理显著减产，降幅达23.4%。SN-N2与MN-N2处理较N2处理增幅分别为13.3%和17.2%，但差异未达显著水平。整个生菜生长季，各处理N2O排放总量在0.23~9.12 kg N·hm-2之间，由氮肥直接引起的N2O-N排放系数范围为0.36%~2.71%，且各处理N2O排放总量与N2O排放系数差异规律表现一致，均随氮肥用量的增加而增加。N3处理N2O排放总量和N2O排放系数分别是N2处理的1.74倍和1.16倍。等氮量条件下，SN-N2处理N2O排放总量仅为0.80 kg N·hm-2，较常规施肥处理降低了84.8%，且其N2O排放系数仅为0.36%，较N2处理降低了1.97个百分点。CRU-N2和MN-N2处理也在一定程度上降低了土壤N2O排放总量和N2O排放系数。各处理全球增温潜势及温室气体排放强度与N2O总排放量差异规律一致。全球增温潜势与温室气体排放强度随氮肥用量的增加明显升高，表明生菜生产过程中过量氮肥的施用可能是导致菜地N2O释放的主要因素之一。同等施氮水平下，不同氮肥形态对土壤温室气体排放强度影响不同。与N2处理相比，SN-N2处理能明显降低菜地土壤温室气体排放强度及其全球增温潜势，降幅分别达21.9%和14.1%。CRU-N2处理也能在一定程度上有效降低菜地土壤温室气体排放强度和全球增温潜势。
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如图 2所示，不同施肥措施对0~30 cm土层土壤矿质氮（Nmin）含量的影响不同，各施氮处理土壤矿质氮（尤其是土壤铵态氮）残留量相对较高。生菜收获期土壤矿质氮含量随氮肥用量的增加明显增加，N3处理土壤矿质氮含量最高，达237.5 mg·kg-1。等氮条件下，MN-N2较N2处理土壤矿质氮含量降低了75.1 mg·kg-1，差异达显著水平。CRU-N2和SN-N2处理较N2处理土壤矿质氮含量分别降低了40.8 mg·kg-1和24.2 mg·kg-1，但差异未达显著水平。
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| 图 2 不同处理对生菜土壤矿质氮含量的影响 Figure 2 Effects of different fertilization practices on soil Nmin content of lettuce |
菜地土壤矿质氮含量与氮肥用量之间呈二次函数关系（R2=0.999**），随着施氮量的增加土壤矿质氮含量也增加，增幅逐渐趋于平缓（图 3a）。同样，菜地N2O累积排放量与氮肥用量也能很好地用一元二次方程拟合（R2=0.988 4**），即在本试验条件下，随着氮肥用量的增加，N2O累积排放量增加，增幅呈急剧上升趋势（图 3b）。生菜产量（y）与施氮量（x）的回归关系呈抛物线方程:
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| 图 3 不同施肥措施生菜产量、N2O累积排放、土壤矿质氮含量及氮肥用量之间的相关性 Figure 3 Correlation of lettuce yield, N2O accumulation emission fluxes, Nmin content with N rate under different fertilization practices * P < 0.05，** P < 0.001 |
根据该方程可求得生菜获得最高理论产量对应的施氮量为125 kg N·hm-2，该回归方程对实际生菜生产氮肥施用量具有指导意义（图 3b）。此外，菜地土壤矿质氮含量与N2O累积排放量呈指数相关关系（R2=0.989 7**），表明土壤残留矿质氮越高，N2O累积排放量越大（图 3c）。因此，在高肥力土壤上，综合考虑土壤矿质氮本底值，减少生菜氮肥施用量能有效降低因过量施肥而造成N2O高排放的现状。
3 讨论 3.1 优化施肥蔬菜种植是仅次于粮食作物生产的另一重要作物类别，目前广东省蔬菜种植面积约为123万hm2，占全省农作物总播种面积的26.4%[14]。由于蔬菜生产过程中土地利用强度和复种指数非常高，单位耕地面积氮素养分投入较水稻高出几倍甚至十几倍，以致菜地土壤氮肥利用率极低，养分资源浪费与环境污染问题凸显[15]。针对上述问题，优化氮肥用量、合理调控肥料品种与施肥措施对提高氮肥利用率、减少养分负效应显得尤为重要。本试验结果表明，氮肥的施用对蔬菜增产具有促进作用，但过量氮肥投入反而导致减产，其原因可能是作物施肥报酬递减原理与生菜生理病害的产生或加重导致生菜在N3水平出现明显减产现象。通过回归分析可知，生菜产量与施氮量呈抛物线方程关系，生菜获得最高理论产量时对应的施氮量为125 kg N·hm-2，较N2水平氮肥用量降低了30.6%，表明生菜生产中氮肥减施存在很大空间。本试验中菜地N2O累积排放通量与氮肥用量、菜地土壤矿质氮含量与氮肥用量之间均存在显著的相关关系，表明在保证生菜不减产条件下，适度减少氮肥用量不仅能够有效减少温室气体的排放，还能在一定程度上减少土壤中氮的残留量。相关研究同样认为氮肥用量的减少始终是N2O减排的一个有效途径[16-17]。
N2O排放系数被认为是评估化肥直接诱导N2O排放的一个重要参数[18]，菜地土壤N2O排放占总合成肥料直接引起的N2O排放量的9%，菜地全球季节排放系数占氮肥用量的0.94%[19]。然而，土壤N2O EF并非固定值，不同地区、不同氮肥品种差异较大[20-21]。Wang等[22]研究表明，肥料诱导的N2O排放量及其背景排放量与测定周期的长短相关，当测定周期小于100 d时EF值降低，而当测定周期在100~200 d之间其背景排放量增加。本研究结果显示菜地土壤N2O EF值范围为0.36%~2.71%，施氮量越高，N2O排放系数越大。同等施氮量前提下，SN-N2处理与CRU-N2处理EF值较N2处理分别降低了1.97、1.74个百分点。因此，优化氮肥施用是缓解菜地N2O排放的重要措施。
3.2 减排措施硝化作用与反硝化作用是土壤N2O生成的主要途径。旱地作物生长过程中，土壤N2O的产生和释放不仅受降雨、灌溉、温度等气候条件的影响，而且受养分管理、耕作方式和作物种类的影响[23-24]。有关温室气体减排措施的研究国内外已开展了不少工作[25]。氮稳定剂和薄膜尿素被认为是减少N2O排放的一个有效缓解策略[20, 26]。前人研究报道，硝化抑制剂DCD能够有效降低农田土壤N2O的释放主要归因于DCD处理显著减少了氨氧化细菌amoA基因拷贝数，尤其是在高氮肥用量条件下，DCD对N2O减排效果最显著[27]。有研究认为，菜地土壤长期高量氮肥施用土壤AOB群体数量发现显著改变，该微生物群体对DCD比较敏感，但反硝化细菌对DCD的影响尚不完全清楚[28]。李香兰等[29]开展水稻试验研究认为，硝化抑制剂和缓控释肥对降低稻田温室气体排放效果明显。本试验结果表明，SN-N2和CRU-N2处理N2O排放总量分别为0.80 kg N·hm-2和1.31 kg N·hm-2，较常规施肥N2处理极显著地降低了菜地N2O累积排放量，降幅分别达84.8%和75.0%。同样，SN-N2和CRU-N2处理对降低菜地温室气体排放强度和土壤全球增温潜势效果也非常明显。SN-N2处理对菜地N2O减排效果显著的原因可能主要与SN-N2处理有效降低了土壤矿质氮含量有关，但关于稳定性氮肥处理如何调节硝化与反硝化过程的微生物机理还需下一步深入探究。CRU-N2处理则可能是通过延长肥料养分在土壤中的释放期，防止氮通过硝化与反硝化作用转变为气态氮排放，从而有效降低土壤N2O的排放量[30]。VanderZaag等[31]研究表明，有机肥能有效降低土壤N2O排放达17%。本研究获得类似结论，即无机氮配施有机氮肥不仅能增加生菜产量，还能减少52.4%的N2O排放量。然而，Köter等[32]研究表明，与相同氮量无机化肥相比，有机肥处理反而产生更高的N2O。有机肥的施用对菜地土壤N2O释放的影响至今存在争议，因此仍需开展进一步的研究。此外，CRU-N2和MN-N2处理还能显著降低表层土壤矿质氮含量，对降低土壤氮的损失具有重要意义。
4 结论（1）本试验条件下（高肥力菜地），适量优化生菜氮肥用量（125 kg N·hm-2），蔬菜产量未降低，土壤N2O排放总量与土壤残留矿质氮含量明显减少，这为蔬菜生产节本增效和缓解蔬菜过量施肥造成的环境负效应提供重要支撑。
（2）在保证产量不降低的前提下，稳定性氮肥处理能显著减少生菜季土壤N2O排放量，同时还能明显降低N2O排放系数，对菜地N2O减排效果非常显著，可作为缓解菜地N2O气体排放的有效途径之一。
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