不同施肥量对设施菜地N2O排放通量的影响张仲新

第26卷第5期农业工程学报Vol.26No.52010年5月TransactionsoftheCSAEMay2010269不同施肥量对设施菜地N2O排放通量的影响张仲新1,2，李玉娥2※，华珞1，万运帆2，姜宁宁1,2（1．首都师范大学资源环境与旅游学院，北京100037；2．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境与气候变化重点实验室，北京100081）摘要：为明确北京地区设施菜地的N2O排放特征，寻求既能减少N2O排放又使蔬菜增产或保持原有产量的切实有效措施，该研究采用静态箱/气相色谱法对北京地区设施菜地的黄瓜进行了全生长季N2O排放通量的观测，并分析了不同施肥量对N2O排放量、蔬菜产量和经济效益的影响。结果如下：土壤N2O排放通量的季节变化有明显的时间变异性，试验初期受基肥的影响，N2O排放量较大，随着时间的推移，土壤N2O排放量有所减少并保持稳定；试验后期由于追肥，出现一次排放高峰，且持续时间较长。各处理土壤N2O排放总量的次序是：T4（常规施肥量+鸡粪）＞T3（3/4常规施肥量+鸡粪）＞T1（1/4常规施肥量+鸡粪）＞T2（1/2常规施肥量+鸡粪）＞Tn（鸡粪）＞T0（无肥处理），各处理之间N2O排放量差异达到极显著水平。综合考虑施肥量、N2O排放量和黄瓜产量，研究认为T3（3/4常规施肥量+鸡粪）的施肥量比较合理，可以为合理施肥、降低农民生产成本以及估算中国农田温室气体排放量和编制温室气体排放清单提供依据。关键词：肥料，排放控制，温室气体，设施菜地，排放系数doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.05.046中图分类号：X511文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-05-0269-07张仲新，李玉娥，华珞，等.不同施肥量对设施菜地N2O排放通量的影响[J].农业工程学报，2010，26(5)：269－275.ZhangZhongxin,LiYu’e,HuaLuo,etal.EffectsofdifferentfertilizerlevelsonN2Ofluxfromprotectedvegetableland[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(5):269－275.(inChinesewithEnglishabstract)0引言由于大气中温室气体浓度的不断增加造成气候变暖，是当今国际社会普遍关注的全球性的环境问题。N2O是一种重要的温室气体，1750年以来，大气中N2O体积浓度已从275×10-9上升到了2005年的319×10-9[1]，目前以每年0.25%的速率增长[2]，且N2O有较大的辐射强迫潜力[3]，以100a为时间尺度，等摩尔浓度的N2O的增温潜势是CO2的310倍[4]。而农业土壤是N2O一个重要的源，在全球年排放量中占到的份额为35%[5]。由于设施蔬菜有“封闭性、可控性、缺少雨水淋洗、复种指数高”[6]的特性，因此，设施蔬菜施肥量普遍较大，据悉，有的地方大棚化肥氮素投入为1468.3kg/hm2，有机肥氮2596.0kg/hm2[7]。如此高的氮肥投入量，势必引起相当大的氮素损失和环境风险[8]，同时，由于高浓度的尿素和速效的碳铵等氮肥易于烧苗，加上设施大棚处于封闭或半封闭状态，如果施用上述尿素、碳铵等化学氮肥，将会灼烧作物叶片，对作物植株生长不利，所以在收稿日期：2010-01-21修订日期：2010-04-19基金项目：国家十一五支撑计划课题：农田污染物源头控制关键技术研究(2006BAD17B01)；减缓气候变化关键技术研究（2007BAC03A03）作者简介：张仲新（1980－），男，河北鸡泽人，博士生，主要从事农田温室气体排放与气候变化研究。北京首都师范大学资源环境与旅游学院，100037。Email:[e-mail]。※通信作者：李玉娥，女，研究员，主要从事农业源温室气体排放与气候变化研究。北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email:[e-mail]目前的设施蔬菜种植中，人们更多的倾向于选择复合肥。到目前为止，国内外学者对设施蔬菜种植中N2O排放通量的季节变化特征、影响因素等方面进行了少量研究[9]，但是有关设施蔬菜栽培中施用复合肥的N2O排放特征的报道尚未出现。因此，本研究选取素有“北京南菜园”之称的大兴区礼贤镇，研究在当地种植与管理习惯下不同复合肥施肥量对设施蔬菜土壤N2O排放量、N2O排放系数和蔬菜产量的影响，以期寻求合理的施肥量，降低农民生产成本，同时也为中国农田温室气体排放的估算和清单的编制提供依据。1材料与方法1.1试验地概况试验地点设在北京市大兴区礼贤镇，属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温11.5℃，年平均降水量611mm。供试温室大棚为普通塑料大棚，拱圆形，长80m，宽7m，顶高2.8m，大棚顶部和下部有通风口以缓解棚内温湿度，覆盖大棚的塑料膜无色透明，厚约0.1mm，冬、春季棚膜上覆盖草被（草被用稻草编制而成，保温性能较好）用以夜间保温。冬、春季早上9:00左右将草被人工拉上，下午4:30左右放下，夏季则将草被卸下，晴天时，适时地打开大棚顶部和下部通风口，与外界交换空气和降低棚内温度。该大棚3a来连续种植蔬菜，土壤为砂质壤土，有机质含量较低，结构松散，棚内土壤的农化性质见表1。供试蔬菜为黄瓜（CucumissativusL.），品种为中农270农业工程学报2010年16，适宜早春大棚栽培，于2009年1月15日在苗棚播种育苗，2月8日嫁接，2月26日移栽定植，7月1日收获完毕拉秧。栽培方式为畦栽，株距20cm，移栽之前4d沟畦盖塑料薄膜以保持水分。表1试验地土壤的农化性质Table1Soilchemicalcharacteristicsofexperimentalfield土壤养分质量分数土层/cm有机质质量分数/(g·kg-1)全氮质量分数/(g·kg-1)碱解氮质量分数/(mg·kg-1)速效磷质量分数/(mg·kg-1)速效钾质量分数/(mg·kg-1)pH值0～209.970.7135.9118.75136.507.821.2试验设计试验设6个处理，处理及施肥量见表2，每个处理3次重复，其中，T4为当地农民常规施肥水平。试验小区面积为14.4m2。所施肥料为复合肥，氮磷钾的比例为N︰P2O5︰K2O=28︰4︰18，试验之前各处理化肥施肥量的20%与全部腐熟鸡粪作为基肥施入各施肥小区，其他田间管理措施按当地农户习惯进行。表2不同处理的施肥水平Table2Fertilizerlevelsofdifferenttreatmentskg·hm-2处理NP2O5K2OT0000Tn0+285.60+236.40+194.4T1250.0+285.635.71+236.4160.71+194.4T2500.0+285.671.42+236.4321.42+194.4T3750.0+285.6107.13+236.4482.13+194.4T41000.0+285.6142.84+236.4642.84+194.4注：x+y中的x表示化肥某元素的施肥水平，y表示鸡粪中某元素的质量分数。1.3气体样品采集及测定试验中每个小区放置一个静态箱，箱体以角钢作为支架，四面及顶盖由透明有机玻璃制成，箱体内顶部固定一个风扇以混匀气体，箱体内部分别放置采气管、温湿度探头。静态密闭采样箱长宽均为70cm，高140cm，无底座，底部有四脚直接插入土中并以土密封。静态箱密闭时间为30min，于采样箱刚闭合时和打开前各采气一次，气样带回实验室进行测定，利用式（1）计算N2O排放通量。每5min记录一次箱内空气气温及土壤5、10cm处温湿度数据，并存储在数据采集器Em50上，定期将数据采集器上的数据传回计算机以方便计算。测定使用的气相色谱仪型号为HP7890，测定N2O的检测器为电子捕获检测器（ECD），测定温度为330℃，色谱柱为PorpakQ柱，柱温70℃，载气为高纯N2，流速为25L/min。采样器放置在控制箱里面，采样器的制作及其计算机程序编制均由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所万运帆副研究员提供。采样及测定的基本原理是，从放置于田间的密闭静态采样箱自动抽取空气样品，之后带回实验室用气相色谱仪分析N2O浓度，然后据下式计算通量2120102121273273273273()22.4mmmFAtAtCVMCVMTTAtt（1）式中：F——N2O排放通量，mg/(m2·h)，正值为排放，负值为吸收；A——采样箱的底面积，m2；V——采样箱体积，m3；m1、m2——采样箱闭合前和开启前箱内N2O的质量，g；t1、t2——采样箱闭合前和开启前的时刻；T1、T2——采样箱闭合前和开启前箱内空气温度，℃；C1、C2——采样箱关闭前和开启前温室气体的体积分数；M0——N2O的摩尔质量，g/mol；22.4——101.325kPa、273K时的N2O摩尔体积，L/mol。2结果与分析2.1设施菜地土壤N2O排放通量的季节变化设施菜地土壤N2O排放通量的季节变化有明显的时间变异性（图1），各处理总体变化趋势基本一致。试验初期除T0外其他处理施入了大量鸡粪和化肥作底肥，这大大提高了土壤中有机质和氮素含量，同时，此时期的黄瓜幼苗根系和植株尚未发育成熟，对土壤中的氮素吸收利用率较低，土壤中势必会有较多的氮素被微生物利用，加上初春时节大棚密闭，棚内保持了良好的土壤温度和湿度，这都有利于硝化和反硝化过程的顺利进行，导致此间有大量N2O释放；之后黄瓜生长期间除施肥灌溉时偶有排放峰出现以外，其余大部分时间的N2O通量低于0.5mg/(m2·h)，甚至出现负值，这种土壤吸收N2O的现象在其他研究中也有出现[10-11]，其原因可能是，黄瓜生长期间植株生长迅速对氮素需求量大而外源氮的输入又不足以满足黄瓜植株对氮素的吸收利用。因此，土壤中就没有较多而又多余的氮素供硝化反硝化过程利用，N2O排放量有所降低；试验后期，由于追肥量的加大为黄瓜植株生长发育提供了充足的养分，同时也增强了土壤中硝化反硝化作用，导致出现了一次排放峰值，且持续时间较长。在整个黄瓜生长周期内，试验初期由于有机肥和氮肥的投入，N2O排放量较大，之后所有处理共有3次明显的N2O排放峰出现，分别是3月29日、4月7日和6月13日，均由追肥和灌溉引起。追肥主要是提高了土壤第5期张仲新等：不同施肥量对设施菜地N2O排放通量的影响271氮素含量，促进硝化或反硝化过程的进行，引起土壤N2O排放峰值的出现，一般认为是在施肥后的几天内出现[12]，本研究中排放峰出现的时间为施肥之后的0～3d。由图1可以看出，除排放峰外，基肥施用之后的数天内N2O排放量都较大，持续时间近20d，而追肥和灌溉引起的排放量相对来说要小的多，持续时间也较短，前2次持续时间为3～5d，最后1次由于追肥量是平时的3倍，因此排放峰值较大，持续时间较长约16d。注：T0——无肥处理；Tn——鸡粪；T1——1/4常规施肥量+鸡粪；T2——1/2常规施肥量+鸡粪；T3——3/4常规施肥量+鸡粪；T4——常规施肥量+鸡粪图1不同施肥条件下N2O排放通量的季节变化Fig.1SeasonalvariationsofN2Ofluxwithdifferenttreatments2.2设施菜地不同施肥处理的N2O排放通量及排放系数比较不同施肥量对设施菜地土壤N2O排放通量的影响比较明显（见表3），各处理N2O排放通量的次序是：T4＞T3＞T1＞T2＞Tn＞T0。在整个黄瓜生育期，T0处理由于没有碳源和氮源的投入一直保持着较低的排放通量，其平均通量为0.036mg/(m2·h)，即使在灌溉时的排放峰也才0.908mg/(m2·h)。T3、T4处理由于化肥施用量较大，为土壤带入了大量氮素，极大改变了土壤C/N比，从而大大促进了土壤N2O排放[13]；T1、T2和Tn处理投入氮肥较