我国是蔬菜生产和消费大国，目前蔬菜种植面积占农作物总播种面积的25.56%^[1]，其中设施菜地占蔬菜种植面积的18%^[2]。与种植粮食作物的农田相比，设施菜地具有施肥量大、灌溉频繁、复种指数高等特点，其平均每公顷施氮量甚至高达1500 kg，是大田作物的4~6 倍，而氮肥当季利用效率甚至不到10%^[3]。过量肥料投入所导致的环境污染、土壤质量退化等一系列后果也越来越严重，而且导致N₂O 大量排放^[4]。有研究表明，我国农田N₂O 排放＜20%来源于蔬菜种植^[5]，总体上呈现出高能耗、高排放和高污染等特征。以北京市为例，目前设施菜地面积＜为4万hm²，平均施氮量为1732 kg·hm^-2，为一般蔬菜氮素吸收量的4. 5倍，相当于大田的3. 8倍^[6-7]。随着人口的增长和人民生活水平的提高，未来十年我国蔬菜需求量也将呈现刚性增长趋势，由蔬菜种植引起的温室气体排放等环境问题也将会越来越突出。同时，由于水资源供需矛盾突出，未来可能难以用高耗水的传统种植模式(大水漫灌)来达到需求的蔬菜产量。因此，在保障农产品的有效供给下，解决日℃突出的用水矛盾同时减少农业温室气体排放，是我国农业可持续发展的现实要求。

滴灌施肥是利用管道灌溉系统，能同时将水、肥溶液输送到作物根部以供其直接吸收利用，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的农业节水节肥技术，目前已成为我国干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式。研究表明，相比传统大水漫灌方式，滴灌施肥技术不仅能提高水肥利用效率分别达到110%和80%^[8-9]，而且在相同施氮量情况下，比常规漫灌施氮能减少30%~40%的N₂O 累积排放量^[10]。目前我国滴灌施肥技术不仅在干旱、半干旱地区使用，而且已经成为非干旱区大田作物、设施蔬菜、果树等常用的一种节水、节肥措施。然而，滴灌施肥由于灌溉时间长、频率高、水肥交互作用较强，会显著影响到土壤水分状况及O₂供应，势必会对土壤有机质的矿化分解、氮素的迁移转化产生重要的影响，从而影响N₂O 产生和排放过程。然而，目前的研究都集中在滴灌施肥对设施菜地的水氮利用率的影响上，对N₂O 等温室气体排放的影响及减排的贡献研究仍不足。因此，本研究拟同时探讨设施菜地滴灌施肥对水氮利用率和N₂O排放的影响，明确其减排贡献，以期为设施蔬菜水肥优化管理提供技术储备，并为农业应对气候变化提供基础数据。这不仅是当前科学领Ⅱ的前沿研究内容，也是滴灌节水技术广泛推广应用的依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

试验地点位于北京市房山区窦店镇芦村芦西园，地处东经116º01′、北纬39º38′，四季分明，年平均气温11.9 ℃，年平均降水量583 mm，年相对湿度为61%，全年平均日照时数2554 h。供试大棚长155 m、宽6 m，为普通的半拱圆形塑料大棚。大棚塑料膜无色透明，在顶部和底部分别设有通风口。温室塑料膜上覆盖棉被，以保持夜间温室温度，雨雪天气时封闭通风口防止雨水进入。黄瓜定植后覆盖黑色地膜以保持水分、提高地温、防止杂草。由于试验设置于蔬菜大棚内，其气温高、湿度大的特点显著有别于大田环境，年均温21.22 ℃，最高温可达60.1 ℃，年平均相对湿度为72.1%。试验开始之前该日光温室连续5 年种植蔬菜。每年种植两茬蔬菜，黄瓜和芹菜轮作：2 月初至6 月底种植黄瓜，7 月至8 月休闲闷棚，9 月至12 月初种植芹菜。供试土壤为褐土，质地为粉质壤土，土壤容重为1.21 g·cm^-3，0~20 cm 土层全氮0.32 g·kg^-1、全磷0.16 g·kg^-1、全钾2.69 g·kg^-1、碱解氮145.56 mg·kg^-1、速效钾782.84 mg·kg^-1、有效磷105.04 mg·kg^-1、有机质含量5.5%。黄瓜品种为金胚98。

1.2 试验设计

试验设计了4 个处理，分别为：对照处理(CK)，农民习惯处理(FP)，滴灌施肥处理(FPD)，优化滴灌施肥处理(OPTD)。每个处理设置3 次重复，共12 个试验小区，每个小区间由隔离带隔开，小区面积为6m×8 m=48 m²。各处理肥料施用量和水肥管理措施如表 1、表 2 所示。有机肥和磷肥均做底肥于定植前一次性施入，钾肥和氮肥分基肥和追肥施用于各处理。有机肥为牛粪(含水量41.59%，含氮量1.33%)，氮肥为尿素(含氮量46.4%)，磷肥为过磷酸钙(P₂O₅12%)，钾肥为硫酸钾(K₂O 33%)。基肥撒施后翻耕入土中，作物定植后漫灌。追肥时CK 处理和FP 处理用漫灌，肥料溶于灌溉水后随水施入；而FPD 处理和OPTD 处理采用滴灌，肥料随水滴入作物根部附近土壤。黄瓜生长季滴灌水量是漫灌的25%(基肥时统一为漫灌灌溉，灌溉量无差异)，化肥氮和钾肥基追比例3:7。黄瓜于2015年2 月6 日定植，6 月26日拉秧。

1.3 气体采集与测定

采用自动静态箱-气相色谱法进行N₂O 气体的采集。箱体由不锈钢材料(厚度2 mm)制成，箱体外均用30 mm 厚的塑料泡沫板包裹保温，当植株生长超过60 cm时，增加中段箱。根据设施黄瓜的行株距，顶箱和中段箱箱体大小设计为长80 cm 、宽70 cm、高60 cm，以便覆盖一部分植株一部分裸露的土壤，从而最大限度的保障原位监测气体取样的代表性。箱体上部装有自动取气系统，能根据需要每隔一定时间将箱内气体抽取到气袋中(图 1)，采集气体的气管顶部处于箱体中部，箱体内部装有搅拌空气的小风扇，保证箱体内气体均匀性，并配有温湿度传感器，箱体和底座之间用水密封，底座长70 cm、宽80 cm、高25 cm，同样由不锈钢制成，于定植前埋入地下。采样时，将箱体置于底座上，打开电源开关，自动抽取箱内气体于气袋中，每隔6 min抽取一次，共取样5 次。通过箱体上的显示屏同时读取箱体内温度以及5 cm 土壤温度。每次取样时间一般为早上8：00—10：00^[11-13]，施肥和灌水后逐日观测一周，基肥延长观测时间，直至各处理与不施氮处理的N₂O排放通量无差异时为止，其余时间每周采样1~2 次。气袋中的样品用改进的Agilent 7890A气相色谱仪分析N₂O 浓度。各处理15cm土壤体积含水量用TRIME-PICO 64测定。

1.4 数据计算与分析

(1) N₂O 排放通量：根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量，公式^[14]为：

式中：F为N₂O 的排放通量，g N₂O-N·m^-2·h^-1，负值表示土壤从大气中吸收气体，正值表示土壤向大气排放气体；p为标准大气压下N₂O 的密度，g·L^-1；H 为采样箱气室高度，m；T 为采样箱内气温，℃；dc/dt 为采样箱内N₂O-N 浓度的变化速率，μL·L^-1·h^-1；t 为扣箱后时间，h；P为采样时气压，mmHg；P0 为标准大气压，mmHg；P/P₀≈1。

(2) N₂O 排放总量：利用内插法计算相邻两次监测之间未监测日期的排放总量，然后将每天的交换通量累加即可得到年度气体排放总量。

(3) N₂O 排放强度：指形成单位经济产量N₂O 排放量，即N₂O 排放总量与相应处理作物产量的比值。计算公式为：

式中：I 为排放强度，kg N·t^-1；F 为供试土壤N₂O 排放通量，kg N·hm^-2；Y 为作物产量，t·hm^-2。

(4) 作物产量：

式中：W 为每小区单位面积作物产量，t；S 为小区面积，hm²。

(5) N₂O 排放系数：IPCC(Intergovernmental Panelon Climate Change)将同期内由化肥氮施用引起的N₂O-N 排放量占总施氮量的百分比定义为N₂O 排放系数，并建议化肥氮的N₂O-N 排放系数为1%。计算公式为：

式中：E_F 和E_C 分别为施氮肥和对照处理下作物生长季N₂O 排放总量，kg N·hm^-2；N 为当季施氮肥量，kg N·hm^-2。

(6) 土壤孔隙含水量(WFPS)：为TRIME-PICO64所测体积含水率转化而来。计算公式为：

式中：θ_v 是土壤体积含水量，cm³·cm^-3；p_b 是土壤容重，g·cm^-3；p_s 为土壤比重。

(7) 氮肥利用率，用氮肥偏生产力(PFP，kg·kg^-1)表示：

式中：Y 为作物处理产量，kg·hm^-2；F 为施氮量，kg·hm^-2。

(8) 灌溉水利用效率(Irrigation water utilization efficiency，iWUE)：

式中：Y 为作物产量，kg·hm^-2；W 为灌溉水量，m³·hm^-2。

采用Excel 2007 和SAS9.2 统计软件对实验数据进行计算、制图和统计分析，处理间各指标数值的双方面分类的方差分析采用Duncan 法。

2 结果与分析 2.1 滴灌条件下N2O 排放特征及影响因素

实验中各处理土壤N₂O 排放峰值均发生在施肥和灌溉后，一共出现7 次N₂O 排放高峰，由于外源氮施入土壤促进了土壤硝化反硝化过程的进行，从而促进了N₂O的排放。其中2015年2月6 日施基肥定植后，N₂O 排放峰持续了7~10 d(图 2)，而追肥灌溉排放后峰值持续时间为3~5 d。持续时间的差异是由于氮肥施入量不同以及反应底物不同所致，基肥施入了折纯量为500 kg N·hm^-2 的有机肥以及30%的化肥氮，而追肥分别施入10%化肥氮，可见施用氮肥能显著提高N₂O 的排放。整个黄瓜生长季N₂O 排放最高出现在黄瓜定植后施基肥后的第1 d，以FP处理排放通量最高，达到16.09 mg N·m^-2·h^-1，而在相同施肥量的条件下，FPD 处理相比FP 处理降低了N₂O 排放峰(13.57 mg N·m^-2·h^-1)及其持续的时间(图 2)。整个黄瓜季CK、FP、FPD 和OPTD 处理排放通量变化范围分别为：0.04~4.40、0.10~16.09、-0.22~13.57、0.00~6.81 mg N·m^-2·h^-1。N₂O 平均排放通量从大到小排列为FP＞FPD＞OPTD＞CK，分别为：(0.67±0.21)、(1.75±0.44)、(1.29±0.64)、(1.03±0.33)mg N·m^-2·h^-1。

水热条件是影响N₂O 排放的主要环境因子。观测期间各处理土壤水分变化动态基本一致，处理间平均WFPS 也没有明显差异(图 3)，漫灌处理土壤表层WFPS为56.00~80.69%，滴灌处理为50.27%~78.57%。各处理土壤表层温度(5 cm深度)处于8.64~27.07 ℃，温度随季节变化明显。对各处理的N₂O 排放通量与5cm 深度土壤温度的偏相关分析表明，CK、FP 和OPTD 处理土壤5 cm 温度和N₂O 排放通量呈现显著的负相关关系(P ＜0.05)，而FPD 与土壤温度无显著相关关系(表 3)。对各处理的N₂O 排放通量与WFPS的偏相关分析表明，只有OPTD 处理土壤含水量与N₂O 排放通量呈显著相关性(P＜0.05)，其余各处理WFPS与N₂O 排放通量无相关性(表 3)。

2.2 滴灌条件下N2O 排放总量、排放强度和排放系数

不同施肥量与灌溉量对于作物生长期农田N₂O排放总量影响不同。黄瓜季实验中各处理的排放总量从大到小排序为FP＞FPD＞OPTD＞CK，常规施氮肥的处理N₂O 年排放总量最高，各处理分别为(11.36±1.77)、(29.77±1.89)、(21.01±2.61)、(20.06±1.04)kg·N·hm^-2( 图 4)。不同处理间排放系数介于0.72%~1.53%间，排放系数从大到小排序为FP＞FPD＞OPTD。其中FP 处理排放系数为1.53%，超出IPCC 的默认值(1%)；FPD 处理与OPTD 处理排放系数分别为0.80%、0.72%，低于默认值。FPD 比FP处理减少N₂O排放总量29.41%(P＜0.05)，OPTD 比FP 处理N₂O 排放总量减少32.63%(P＜0.05)，且均达到了显著水平，说明在相同施肥量下改变施肥方式可显著减少N₂O排放。而FPD 与OPTD 处理间排放总量差异不显著，即在相同滴灌条件下降低氮肥施用量没有显著降低N₂O 排放。对于各处理N₂O 排放强度，与FP 处理(0.29 kg N·t ^-1)相比，FPD 处理(0.19 kg N·t ^-1)减少了36.77%的N₂O排放强度，而OPTD 减少了33.65%(图 4)。可见滴灌施肥措施在保持作物产量的条件下能有效减少N₂O排放，值得推荐。

2.3 滴灌条件下水氮利用效率及其与N2O排放的关系

由表 4 可以看出，与FP 处理相比，FPD 处理提高了设施黄瓜的产量。这是由于滴灌施肥可以精确而直接地将水分和养分输送到作物主要根系分布区，使灌溉水和氮肥利用效率分别提高了45.54%和14.62%，从而增加了产量。值得一提的是，OPTD 处理相比FP 处理虽然降低了40%的氮肥和25%的水分投入，但设施黄瓜的产量并没有降低，灌溉水和氮肥利用效率也分别提高了27.59%和32.90%。此外，结合2013—2014 年的观测数据^[22]与本研究的数据，发现水肥利用效率与N₂O 排放强度具有显著的相关关系，R²分别为0.836 和0.791(图 5)，灌溉水利用效率和氮肥施用效率的提高均显著减少了N₂O 的排放强度。可见，适宜的滴灌水肥管理方式在提高水肥利用效率的条件下，不仅能促进植株的营养和生殖生长、提高产量，而且对于减少N₂O排放强度有着非常重要的作用。

3 讨论 3.1 滴灌施肥条件下N2O 排放特征及影响因素

滴灌施肥是影响N₂O排放的主要因素，本研究中每次施肥灌溉后各处理都会出现N₂O 的排放峰，施入基肥后N₂O排放持续10d左右，追肥一般持续3~5d，主要是由于本实验中基肥施入了大量的有机肥(牛粪)和化肥氮，并且远超出每次追肥的量。张婧等^[14]、王艳丽等^[10]对京郊设施菜地的监测结果也表明，N₂O 排放峰在基肥后持续10~15 d，追肥后持续3~4 d。张仲新等^[15]对设施菜地的研究也发现N₂O 排放出现在施肥后0~3 d内，但持续时间不长。而对于各处理之间，漫灌处理N₂O 每次排放峰值明显高于滴灌处理，可能由于滴灌处理湿润区是一个逐步扩大的过程，土壤水分条件不能迅速满足硝化或反硝化条件，影响了硝化和反硝化速率，因而滴灌施肥一般会产生稳定且少量的N₂O排放，相关研究也得到类似的结果^[11-13]，但王维汉等、于亚军等^[16-17]研究表明滴灌形成了明显的干湿交替过程，因而促进了N₂O 排放。可见，滴灌施肥在不同的环境条件中对N₂O排放的影响不同。

土壤温度是影响N₂O 排放的重要因子。本研究中滴灌与漫灌处理间温度差异不明显，灌溉水量的不同并没有造成两处理间的温度不同^[18]。N₂O 排放与CK、FP 和OPTD 处理土温均呈显著负相关，其主要由于在基肥期间N₂O 平均排放通量大，随后是一个缓慢下降的过程，而土壤温度恰好是随着季节变化从春季到夏季而出现缓慢上升的过程，因而N₂O排放并没有表现出明显的季节动态变化规律。王艳丽等^{[10, 22]}对京郊设施黄瓜季的观测也得到了类似的结果。而于亚军等^[17]研究表明，土壤温度与春季蔬菜生长期N₂O 排放通量呈显著正相关，可能由于施氮量的不同造成了硝化或反硝化的反应底物浓度不同，从而温度对N₂O排放的影响也不同。土壤湿度是影响N₂O 排放的又一重要因子，在同一实验基地2013—2014 年的研究中^{[10, 22]}土壤中WFPS为N₂O 排放主要影响因子。在本季试验中，WFPS 只对于OPTD 处理影响显著，而对其他两个处理的影响不显著，可能由于灌水间隔时间较前两年长，土壤湿度和温度的年际差异变化造成的影响不同，而且温度和水分的交互作用可能掩盖了单一的水分对N₂O 排放的影响。

综上可见，由于滴灌施肥可引起土壤中一系列的物理、化学及生物学属性的变化(如通气性、酸碱度、微生物群落大小与活性等)，进而影响N₂O 产生和排放的过程，这种影响会由于土壤条件、气候条件、反应底物浓度等的不同而不同。因此，未来在灌溉方式变化的条件下，应加强水、肥、温湿度等以及它们之间的交互作用对土壤N₂O 排放的影响机理研究。

3.2 滴灌施肥条件下N2O 排放总量及减排贡献

本研究中，设施黄瓜季在不改变施肥量的条件下，从漫灌方式改为滴灌方式，N₂O 排放量从(29.77±1.89)kg N·hm^-2 减少到(21.01±2.61)kg N·hm^-2，滴灌N₂O 排放总量比漫灌减少了29.41%，而在减氮40%的条件下，N₂O 排放总量滴灌比漫灌减少了32.63%。本研究是在王艳丽等^{[10, 22]}的基础上进行的第三年实验，结合前两年的研究也表明N₂O排放总量年际差异不大，黄瓜季N₂O 排放量滴灌比漫灌分别减少7.79%以及36.35%，多年的综合结果表明滴灌技术没有显著降低作物的产量，但显著减少了N₂O 排放量。黄丽华等^[23]对上海设施蔬菜地N₂O 排放的研究表明，2006 年和2007 年滴灌施肥区的单位作物产量N₂O排放量比常规区分别减少1.50、1.56 g N·kg^-1，削减率分别达到53.2%和58.9%。分析其原因，滴灌条件下较低的土壤孔隙含水量使得土壤中硝化作用高于反硝化作用，同时其NH+4-N 和NO^-3-N 比漫灌更高，更能抑制反硝化作用^[19-21]，从而减少了N₂O 排放。也有研究表明^[32]，滴灌滴头附近湿润的区Ⅱ为N₂O 排放源的可能性比较大，但滴头处的土壤WFPS 通常会大于80%，使得这部分土壤出现较强的反硝化作用，使N₂O进一步还原为N₂，从而降低了N₂O 的排放量。而另外一些研究者认为滴灌施肥减少N₂O 排放的原因主要是：滴灌施肥条件下肥料直接施到作物根区，提高了作物肥料利用效率；滴灌施肥土壤含水量较低，反硝化产生的N₂O 受到抑制^{[20, 24-25]}。Kennedy 等^[26]研究也表明滴灌施肥增加了番茄产量，促进了番茄对水肥的吸收利用，减少了土壤中残留的氮素含量，因而减少了N₂O的排放。由于本文仅结合黄瓜季进行了综合研究，滴灌技术的减排机理仍需要进一步长期的观测研究。

3.3 滴灌施肥条件下作物产量、水肥利用效率与N₂O排放的关系

由于滴灌适时适量地提供了设施黄瓜需要的水肥条件，促进了根系活力和对养分的吸收，有利于设施黄瓜的增产、丰产。本实验中相同施肥量下FPD 处理产量(114.89 t·hm^-2)高于FP 处理(100.24 t·hm^-2)，结合2013 和2014 年两年的观测数据^{[10, 22]}表明，滴灌施肥条件下黄瓜产量虽然存在年际间的变化，但均比农民习惯增加了作物产量。聂斌等^[27]对山东寿光的设施菜地研究结果也表明滴灌处理的产量显著高于农民习惯处理的产量。滴灌施肥降低养分及水分流失从而提高了水肥利用效率。本研究结合前两年的监测，从2013—2015 年FPD 处理的氮肥偏生产力分别为72.07、90.30、95.74 kg·kg^-1，与樊兆博等^[28]在山东寿光的研究结果相近(85.64 kg·kg^-1)。Zotarelli 等^[29]研究也表明，滴灌较常规漫灌氮肥利用效率提高37%~68%。周博等^[30]对番茄的研究表明在相同施肥量的情况下，节水灌溉措施的水分利用效率显著高于常规灌溉。韦彦等^[31]对温室黄瓜的研究结果表明，滴灌处理较漫灌水分利用效率可提高49.90%。本研究表明滴灌能有效地提高氮肥利用效率14.62%~32.90%，灌溉水利用效率27.58%~43.54%。作物水肥利用率的提高，对于减少N₂O 排放强度具有重要的作用。VanGroenigen 等^[33]的研究表明提高水肥利用率与减少农业源N₂O排放有着最直接的关系，王艳丽等^[10]的研究也表明，滴灌施肥促进了作物的氮素吸收利用，相比漫灌处理其硝化和反硝化作用反应底物浓度降低，因而使得滴灌条件下N₂O 排放量更少。本研究中设施菜地土壤含水量一直保持在较高的水平，虽然形成了有利于硝化和反硝化反应的有利条件，但滴灌施肥提高了水肥利用效率，故具有显著的N₂O减排效果。可见，滴灌施肥在保持或增加产量的前提下，既节水节肥又减排，不失为设施菜地值得推荐的一种技术。

4 结论

(1) 设施黄瓜生长季N₂O排放峰值主要集中于灌水施肥事件后，基肥持续10 d 左右，追肥持续3~5 d，滴灌施肥能降低N₂O 排放峰值和其持续时间。

(2) 相同氮肥施用量的条件下，只改变灌溉方式，滴灌相比常规漫灌能减少N₂O 排放总量29.41%，而在减少40%氮肥量下，在保持作物产量的条件下，滴灌施肥能显著减少N₂O 排放总量32.63%。

(3) 相同氮肥施用量的条件下，滴灌施肥比常规漫灌施肥产量能提高14.61%，并且氮肥偏生产力和灌溉水利用效率能分别增加14.62%和43.54%。同时水肥利用效率与N₂O 排放强度呈显著负相关，水肥利用率的提高对减少N₂O 排放具有重要作用。