刘巧, 吉艳芝, 郭艳杰^,, 张丽娟^,, 张杰, 韩建河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定 071001

Effects of Water and Nitrogen Regulation on Greenhouse Gas Emissions and Warming Potential in Vineyard Soil

LIU Qiao, JI YanZhi, GUO YanJie^,, ZHANG LiJuan^,, ZHANG Jie, HAN JianCollege of Resources & Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei/Key Laboratory for Farmland Eco-Environment of Hebei Province, Baoding 071001, Hebei

通讯作者: 郭艳杰,E-mail：guoyanjie928@126.com。张丽娟,E-mail：lj_zh2001@163.com

收稿日期:2018-10-10接受日期:2018-11-30网络出版日期:2019-04-16

基金资助:

国家重点研发计划课题.2017YFD0200106

Received:2018-10-10Accepted:2018-11-30Online:2019-04-16
作者简介 About authors
刘巧,E-mail：351117154@qq.com。








摘要
【目的】探究不同水氮调控下鲜食葡萄园土壤N₂O、CO₂和CH₄ 3种温室气体的排放特征及其增温潜势,以期了解水氮调控对温室气体排放的贡献,旨在筛选出更为合理的水氮调控管理模式,从而为减缓葡萄园温室气体排放,促进葡萄产业可持续生产提供科学依据和技术参考。【方法】于2017年4—12月,选择在河北省葡萄主产区—昌黎,以鲜食葡萄‘红地球’为供试葡萄品种,通过田间小区设置传统水氮、移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP（3,4-二甲基吡唑磷酸盐,一种新型的硝化抑制剂） 4个处理,采用密闭静态箱-气相色谱法对鲜食葡萄园土壤3种温室气体（N₂O、CO₂和CH₄）排放量进行监测,比较其综合增温潜势差异,并测定葡萄产量。【结果】N₂O排放通量施肥后呈现单峰趋势,在施肥灌水后的1—2 d出现峰值。氮肥能显著提高土壤N₂O排放通量,与传统水氮相比,减氮控水处理能降低73.03%—88.19%的N₂O平均排放通量,达到显著性差异（P<0.05）。等氮条件下配施DMPP能平均降低50.08%的N₂O排放通量;各处理CO₂排放通量变化趋势一致,在施肥后2—3 d达到排放高峰,在生长期内表现为季节变化规律。减氮控水处理能减少60.56%—62.13%的CO₂排放,达到减排效果;CH₄排放通量则无明显变化趋势,施肥后CH₄排放通量时正时负,其中传统水氮CH₄排放通量波动性较大,范围在-0.132—0.238 μg·m ^-2·h ^-1,减氮控水处理之间变化趋势平缓,无显著性差异（P>0.05）。在整个试验期间,各处理土壤N₂O排放总量从高到低依次是传统水氮、优化水氮、移动水肥和优化水氮+DMPP,分别为3.90、2.83、2.76和2.65 kg·hm ^-2,排放系数介于0.58%—0.67%。与传统水氮处理相比,减氮控水处理（移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP）可使N₂O总排放累积量降低27.56%—32.09%;各处理土壤CO₂和CH₄的累积排放量,分别为传统水氮（3 816.05 kg·hm ^-2、0.060 g·hm ^-2）,移动水肥（3 387.33 kg·hm ^-2、-0.075 g·hm ^-2）,优化水氮（3 410.95 kg·hm ^-2、-0.036 g·hm ^-2）和优化水氮+DMPP（3 412.06 kg·hm ^-2、-0.030 g·hm ^-2）。减氮控水处理可分别使CO₂排放累积量降低10.59%—11.23%,CH₄总排放累积量降低150.23%—224.38%。结合葡萄产量,减氮控水处理葡萄产量较传统水氮处理增加8.81%—19.35%,其中以优化+DMPP处理增幅最大,且比优化水氮和移动水肥处理也高出9.69%和2.25%。 【结论】与传统水氮相比,优化水氮+DMPP处理土壤N₂O、CO₂和CH₄累积排放量分别降低了32.09%、10.59%和150.23%,总GWP 降低了12.82%,实现了葡萄园温室气体减排,同时可使葡萄产量增加19.35%,达到了经济与环境双赢,综合评价为本研究中最佳水氮调控措施。
关键词： 葡萄园;水氮调控;温室气体;全球增温潜势

Abstract
【Objective】The objective of this paper was to explore the emission characteristics and warming potential of the greenhouse gases N₂O, CO₂ and CH₄ from table grape vineyard soils under different water and nitrogen regulation, and to understand the contribution of water and nitrogen regulation to greenhouse gas emissions, thus screening out a more reasonable management model of water and nitrogen regulation, so as to provide scientific basis and technical reference for reducing greenhouse gas emissions from vineyards and promoting grape industry sustainable production. 【Method】From April 2017 to December 2017, Changli, the main grape producing area in Hebei Province, was selected as the experimental site and the table grape “Red globe” was used as the tested grape variety. A field microplot experiment was employed with four treatments, including traditional water and nitrogen, mobile water and fertilizer, optimized water and nitrogen, as well as optimized water and nitrogen + DMPP. The greenhouse gas emissions (N₂O, CO₂ and CH₄) from the vineyard soil were monitored by using closed static chamber-gas chromatography, and then their comprehensive warming potential differences were compared. Final, the grape yields were measured. 【Result】N₂O emission flux showed a single peak trend after fertilization, and the peak appeared on the 1-2 day after fertilization. Nitrogen fertilizer could significantly increase soil N₂O emission flux. Compared with the traditional water and nitrogen treatment, nitrogen reduction and water control treatments could reduce the average N₂O emission flux by 73.03%-88.19%, and their difference was significant (P<0.05). Optimized water and nitrogen + DMPP treatment could reduce the N₂O emission flux by 50.08% on average under the condition of equal nitrogen, and the trend of CO₂ emission flux was the same in all treatments, reaching the peak 2-3 days after fertilization, showing seasonal variation in the growth period. Nitrogen reduction and water control treatments could reduce CO₂ emissions by 60.56%-62.13%. CH₄ emission flux had no obvious change trend, but CH₄ emission flux was positive or negative after fertilization. The traditional CH₄ emission flux fluctuated greatly, ranging from -0.132 to 0.238 μg·m ^-2·h ^-1. There was no significant difference between nitrogen reduction and water control treatments (P>0.05). During the whole experiment period, the total N₂O emissions of the treatments were in the order of traditional water and nitrogen, optimized water and nitrogen, mobile water and fertilizer and optimized water and nitrogen+DMPP, which were 3.90, 2.83, 2.76 and 2.65 kg·hm ^-2 with the emission coefficients were 0.58%-0.67%, respectively. Comparing with traditional water and nitrogen treatment, the nitrogen reduction and water control treatments (mobile water and fertilizer, optimized water and nitrogen and optimized water and nitrogen+DMPP ) could reduce the total N₂O emissions by 27.56%-32.09%. The cumulative emissions of CO₂ and CH₄ were 3 816.05 kg·hm ^-2and 0.060 g·hm ^-2 in traditional water and nitrogen treatment, 3 387.33 kg·hm ^-2and -0.075 g·hm ^-2 in mobile water and fertilizer treatment, 3 410.95 kg·hm ^-2and -0.036 g·hm ^-2 in optimized water and nitrogen treatment, and 3 412.06 kg·hm ^-2 and -0.030 g·hm ^-2 in optimized water and nitrogen +DMPP treatment, respectively. Nitrogen reduction and water treatments could reduce the total cumulative CO₂ emissions by 10.59%-11.23% and CH₄ emissions by 150.23%-224.38%, respectively. Combining with the grape yield, the grape yield in nitrogen reduction and water control treatments was increased by 8.81% to 19.35% compared with traditional water-nitrogen treatment, and the largest increase was found under the optimized water and nitrogen + DMPP treatment, which was 9.69% and 2.25% higher than that under optimized water and nitrogen and mobile water and fertilizer treatment.【Conclusion】 Compared with the traditional water and nitrogen treatment, the cumulative emission of N₂O, CO₂ and CH₄ in soils treated with optimized water and nitrogen + DMPP was decreased by 32.09%, 10.59% and 150.23%, respectively, and the total GWP was decreased by 12.82%, achieving greenhouse gas emission reduction in vineyards; at the same time, it could increase the grape yield by 19.35%, achieving a win-win situation for both economy and environment, which was evaluated as the best water and fertilizer regulation measures in this study.
Keywords：vineyard;water and nitrogen regulation;greenhouse gases;global warming potential


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刘巧, 吉艳芝, 郭艳杰, 张丽娟, 张杰, 韩建. 水氮调控对葡萄园土壤温室气体排放及其增温潜势的影响[J]. 中国农业科学, 2019, 52(8): 1413-1424 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.011
LIU Qiao, JI YanZhi, GUO YanJie, ZHANG LiJuan, ZHANG Jie, HAN Jian. Effects of Water and Nitrogen Regulation on Greenhouse Gas Emissions and Warming Potential in Vineyard Soil[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(8): 1413-1424 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.011

0 引言

【研究意义】当前全球变暖问题日趋严峻,由此引发的一系列生态环境问题正严重威胁着人类的生存和发展。N₂O、CH₄和CO₂被公认为是最重要的3种温室气体^[1]。据研究,3种气体浓度在以每年N₂O 0.31%、CH₄ 0.28%和CO₂ 0.51%的速度不断增加^[2]。据预测,如果按目前速度发展下去,到2025年,全球气温将约升高1.0℃;而到下世纪末,全球气温会增高达3.0℃之多^[3]。其中,农业土壤是温室气体最大的排放源,据估计,每年大气中有大约70%的N₂O,5%—20%的CO₂和15%—30%的CH₄生成自土壤^[4]。果园作为一种重要农用型的植被类型,占我国土地面积的1.15%^[5]。其中,葡萄产量与面积分别占世界第一和第二位,2015年中国葡萄产量达1 262.8万吨,面积占全球种植面积的10.8%,达77.01万公顷,尤其是鲜食葡萄生产规模已多年居世界第一^[6,7]。在葡萄生产过程中,葡萄园土壤排放的N₂O、CH₄和CO₂是全球温室气体增加不可忽视的一部分。因此,在保证葡萄产量的前提下研究合理有效的减排措施,对于缓解全球增温具有重要意义。【前人研究进展】影响果园土壤温室气体排放及产量形成和品质的因素较多,其中最为重要的是水肥管理。有研究表明,与沟灌系统（单次灌水量1 200 m³·hm^-2）相比,滴管系统（单次灌水量225或300 m³·hm^-2）可有效抑制土壤N₂O、CO₂和CH₄排放,分别减排61.1%—78.9%^[8],16.5%—21.3%和15.1%—40.2%^[9]。有研究表明,N₂O排放量有75.6%—90.0%是由施氮造成,减氮25%和减氮50%,N₂O排放量降低40.4%和59.3%^[10]。马艳芹等^[11]研究表明,CH₄排放与施氮量呈正比,减氮40%、常规施氮和增氮50%与对照相比增加了58.70%—96.15%的CH₄排放,9.62%—37.32%的CO₂排放,增温潜势增加了22.34%—52.92%。移动式水肥一体化（移动水肥）是滴管施肥水溶肥的轻简方式,其特点是将肥料溶液直接输送到活跃根区供植物直接吸收利用,可以明显提高水肥利用效率。孙卓玲^[12]研究表明,与传统灌溉施肥相比,移动水肥处理可使葡萄产量提高22.7%,水分利用效率提高22.76%,N、P₂O₅、K₂O的偏生产力分别提高504.94%、465.16%和147.49%,化肥偏生产力提高了92倍。然而,对于移动水肥管理对于葡萄园土壤温室气体排放的相关研究还鲜有报道。另外,在化肥中添加硝化抑制剂,也是目前较为广泛的土壤温室气体减排方式。3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）是一种新型的硝化抑制剂,具有用量低,抑制效果好的优点。WEISKE等^[13]3年的田间试验研究结果得出,DMPP可使农田土壤N₂O和CO₂的年均排放量分别减少49%和28%,但对烷氧化物的释放无影响,每年能够降低30%的全球变暖潜能值。但也有研究表明,DMPP也是能够抑制24%—55%的CH₄排放^[14],HATCH等^[15]的研究则表明DMPP促进了CH₄的排放。但目前我国关于化肥配施DMPP对土壤温室气体排放的影响,多集中在小麦、玉米等大田作物和蔬菜生产体系,还缺乏对葡萄园温室气体排放的相关研究,因此需要进一步确定其减排效果。【本研究切入点】当前葡萄园生产上水氮投入过高,化肥氮和有机肥氮施用量分别高达930.4和211.7 kgN·hm^-2,氮盈余量高达911 kgN·hm^{-2 [16]},同时普遍采用传统漫灌,水分利用率仅为30%—40%^[17],因此合理的水氮调控对葡萄生产具有重要作用;移动水肥管理下葡萄园土壤温室气体排放方面尚无报道;化肥与DMPP配施对土壤温室气体是减排还是增排,以及对产量有无影响,还不确定;而且前人多是以大田作物和蔬菜作为研究对象,果园（葡萄园）的很少,尤其是缺乏考虑水氮调控在葡萄园温室气体排放和葡萄产量两方面的综合效应。【拟解决的关键问题】本文选取河北省葡萄主产区秦皇岛昌黎地区鲜食葡萄为研究对象,通过传统水氮、移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP处理的田间小区试验,综合分析和比较不同水氮调控下葡萄土壤温室气体排放特征和增温潜势,并结合葡萄产量,旨在筛选出既能保证产量又能减排的水氮调控模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在河北省秦皇岛市昌黎县十里铺村耿氏酒堡鲜食葡萄园（N 39°45′,E 119°05′）。该地区位于河北省东北部,属于半湿润大陆性气候。昌黎县是全国闻名的葡萄主产区,栽培历史悠久。该地区阳光充足,年平均气温为11℃,有明显的四季变化,秋季持续时间长,平均年降水量为638 mm,主要集中在7、8、9月。无霜期长,年无霜期平均为186 d,水热系数小。年日照时数平均可达2 809 h,占可照时数的63%。供试土壤为砂质土,pH 4.39,全氮1.35 g·kg^-1,有机质19.08 g·kg^-1,速效磷107.02 mg·kg^-1,速效钾29.96 mg·kg^-1。

1.2 供试材料

供试氮肥为尿素（N,46%）,磷钾肥萌芽期采用过磷酸钙（P₂O₅,12%）和硫酸钾（K₂O,50%）,其余3个时期分别为磷酸二氢钾（P₂O₅,51.5%;K₂O,34%）和硫酸钾（K₂O,50%）;硝化抑制剂为3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）。供试作物为12龄鲜食葡萄,品种‘红地球’。

1.3 试验设计

试验共设置4个处理,分别为：传统水氮、移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP（3,4-二甲基吡唑磷酸盐,一种硝化抑制剂）,每个处理3次重复,共12个小区（2.2 m×5 m）,采用随机区组设计,每小区选取生长势均匀,无病虫害的植株6株。根据1 800株/hm²葡萄种植密度计算施肥量,其中传统施肥总量按照当地农民传统,优化水氮及优化水氮+DMPP处理施氮总量在传统基础上减量30%,移动水肥处理施氮总量则在传统水氮基础上减量38%,各时期肥料具体施用量根据葡萄生长发育情况合理分配,各处理纯养分投入详见表1。

Table 1
表1
表1本研究的施肥方案设计
Table 1Description of experiment treatments

施肥时期 Fertilization time	N（kg·hm-2）				P2O5（kg·hm-2）	K2O（kg·hm-2）
	传统水氮 Traditional water and nitrogen	移动水肥 Mobile water and fertilizer	优化水氮 Optimized water and nitrogen	优化水氮+DMPP Optimized water and nitrogen+DMPP
萌芽期Germination stage（30 April）	153	7	1	1	180	0
膨大期Expanding stage（3 July）	153	2	2	2	5	115
着色期Coloring stage（30 July）	184	147	163	163	0	220
成熟期Maturation stage（7 November）	174	147	164	164	0	190
总计 Total	664	413	460	460	315	535

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移动水肥处理将肥料先溶解于水后使用水肥枪施肥,施肥位置在以葡萄树为中心的半径为20 cm的圆内。其余处理施肥方式与农民传统一致,均为沟施,与葡萄树体相距10 cm左右,施肥深度约15 cm。传统处理灌水量与农民传统一致,用TDS-100型手持式超声波流量计记录流速,生育期内随肥灌溉4次,每次灌溉水量910 m³·hm^-2,优化水氮处理和优化水氮+DMPP处理灌水量在传统处理基础上减量30%,移动水肥处理在传统基础上减量40%。所有处理其余田间管理与当地农民传统葡萄园管理一致。试验于2017年4月开始直至2017年12月葡萄收获完全结束。

1.4 样品采集与测定

（1）N₂O、CO₂和CH₄气体样品的采集与测定。采用静态箱-气相色谱法,箱体由PVC材料制成,圆柱体,高15.50 cm,底面直径13.80 cm^[18],箱体顶端安装气体采样装置和数显温度计（-50—110℃）,取样时将静态箱安放在底部凹槽内并用水密封。每小区在施肥处设一套气体采气装置,同时在每小区内部灌水不施肥区布设一套气体采气装置,在不施肥不灌水的田垄处设置5套采气装置。采样时先将箱内气体均匀混合,然后利用50 mL注射器进行采样,每次采集30 mL。采样时间为每天上午9：00—11：00,每隔15 min采样1次,共采集3次,采气同时记录箱内温度、5 cm和10 cm地温以及大气温度。采气频率为每次水肥处理后的第1—3、5、7天,当遇到≥20 mm降水后加测3天。按季节变化每隔10天或1个月进行动态取气。采集到的气体样品利用Agilent 7890A型气相色谱仪（N₂O检测器为电子捕获检测器ECD,分离柱内填充料为80—100目Porapak Q,载气为氮气,流量25 cm³·min^-1,检测器温度为350℃,分离柱温度为55℃;CO₂检测器为氢火焰离子检测器FID,分离柱内填充料为60—80目13XMS,载气为氮气,流量30 mL·min^-1,检测器温度为250℃,分离柱温度为55℃;CH₄检测器为氢火焰离子检测器FID,分离柱内填充料为80—100目Porapak Q,载气为氮气,流量25 mL·min^-1,检测器温度为250℃,分离柱温度为55℃）进行分析测定。

气体排放通量的计算公式：

F=ρ×H×Δc/Δt×273×(273+θ)×60

式中：F为N₂O、CO₂或CH₄排放通量（μg·m^-2·h^-1）;ρ为箱体内气体密度（g·cm^-3）;H为静态箱高度（cm）;Δc/Δt为单位时间静态箱内N₂O、CO₂或CH₄浓度变化率（10^-10 V·V^-1·min^-1）;θ为测定时箱体内的平均温度（℃）。

通过内插法来计算未观测的日排放通量,之后将测定值和计算值逐日累加从而得出气体排放累积量,葡萄园实际温室气体累积排放量按照施肥区﹕灌水不施肥区﹕不灌水不施肥区面积比1﹕10﹕10加权计算获得。

（2）葡萄产量。果实成熟后每个处理分别选出5株代表性植株,用天平称出每个植株的单穗重,统计每株总穗数,采用实收产量与代表点产量相结合法计算葡萄产量,3次重复的平均值代表该处理实际的葡萄产量水平。

1.5 综合增温潜势计算

全球增温潜势（GWP）目前主要按照20年、100年和500年时间尺度分为3种计算方式。本试验以100年时间尺度为计,即1 kg CH₄的增温潜势是1 kg CO₂的28倍,1 kg N₂O的增温潜势是1 kg CO₂的265倍^[19]。

CO₂ GWP（kg C·hm^-2）=CO₂累积排放量（kg C·hm^-2）;

CH₄ GWP（kg C·hm^-2）= CH₄累积排放量（kg C·hm^-2）×16/12×12/44×28;

N₂O GWP（kg C·hm^-2）= N₂O累积排放量（kg C·hm^-2）×44/28×12/44×265;

总GWP（kg C·hm^-2）=CO₂ GWP+N₂O GWP+CH₄ GWP。

1.6 数据统计与分析

所有数据均为3次重复的平均值,利用Microsoft Excel进行处理和绘图,采用SPSS19.0统计软件进行方差等统计分析。

2 结果

2.1 试验期间土壤地温和降雨量变化

试验期间降雨量和地温变化见图1所示。可以明显看出,葡萄整个生育期降雨量呈明显季节性变化,春秋两季较少,冬季最少,主要集中在夏季（6—8月）,7月21日时最高达104.3 mm。5 cm、10 cm地温的季节性变化也非常明显,其中5 cm地温变化范围为5—38℃,10 cm地温变化范围为5—34℃。

图1

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图1试验期间土壤地温和降雨量

Fig. 1The soil temperature and rainfall during the experimental period

2.2 不同水氮调控下土壤N₂O排放特征

从图2可以看出,氮肥施用能显著提高N₂O排放通量,且每次施肥灌水后各处理呈现单峰趋势,高峰值出现在施肥灌水后的第1—2 d。除成熟期外,其余3个时期各处理施肥后传统水氮处理的土壤N₂O排放通量均处在较高水平,平均值为592.98 μg·m^-2·h^-1,这是由于成熟期在11月份,土壤温度较低,硝化和反硝化作用就会受到抑制,从而减弱土壤N₂O的排放速率。与传统水氮处理相比,移动水肥、优化水氮、优化水氮+DMPP处理N₂O平均排放通量分别降低了73.03%、76.34%和88.19%,达到显著性差异（P<0.05）,但3个减氮控水处理间则差异不显著（P>0.05）。在减氮控水处理中,相比较而言,移动水肥处理N₂O排放通量高峰高于优化水氮、优化水氮+DMPP处理,但随后明显下降,这可能是由于移动水肥处理时肥料充分溶于水,施入后土壤中可利用氮含量迅速增加,为土壤硝化和反硝化作用提供了丰富底物,从而在短时间内增加了N₂O排放强度。在等氮条件下,与优化水氮处理相比,优化水氮+DMPP处理N₂O平均排放通量降低50.08%。由此可见,减氮控水可明显降低葡萄园N₂O排放通量,相比较而言,优化水氮+DMPP效果较优。

图2

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图2不同水氮调控下土壤NO₂排放通量的动态变化

箭头所指为施肥时间
Fig. 2Dynamic changes of soil N₂O emission flux under different water and fertilizer regulation

Arrows represent fertilization time

2.3 不同水氮调控下土壤CO₂排放特征

图3为不同水肥调控下土壤CO₂排放通量的动态变化曲线。各施氮处理变化趋势较为一致,均在各时期施肥后2—3 d内达到排放高峰。同时在葡萄整个生长期内,还表现出明显的季节变化规律,除5月传统处理CO₂排放通量较高外,各处理CO₂平均排放通量5—11月呈现先上升后下降趋势,8月达最大值分别为584.99 mg·m^-2·h^-1（传统水氮）、202.16 mg·m^-2·h^-1（移动水肥）、215.7 mg·m^-2·h^-1（优化水氮）和242.68 mg·m^-2·h^-1（优化水氮+DMPP）。这主要是由于夏季高温多雨,地温升高,降雨量较大,土壤中微生物活性增强,导致CO₂排放通量变化较大。随着季节的转变,秋季降雨量下降,地温降低,土壤微生物活性也随之变弱,CO₂排放量相应减少^[20]。传统水氮处理CO₂排放通量整个监测过程中波动较大,在29.31—584.99 mg·m^-2·h^-1之间,平均值为284.96 mg·m^-2·h^-1。减氮控水的移动水肥、优化水氮和优化水氮+DMPP处理CO₂排放通量则变化不大,在21.21—242.68 mg·m^-2·h^-1之间,平均值分别为107.91 mg·m^-2·h^-1、112.38 mg·m^-2·h^-1和111.46 mg·m^-2·h^-1。与传统水氮处理相比,分别降低了62.13%、60.56%和60.89%,达到显著性差异（P<0.05）。由此可见,减氮控水调控也可明显减少葡萄园土壤CO₂气体的排放。

图3

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图3不同水氮调控下土壤CO₂排放通量动态变化

箭头表示施肥时间
Fig.3Dynamic changes of soil CO₂ emission flux under different water and fertilizer regulation

Arrows represent fertilization time

2.4 不同水氮调控下土壤CH₄排放特征

图4显示了葡萄生育期内土壤CH₄排放通量的变化特征。施肥后各处理土壤CH₄排放通量有的上升,有的下降,形成无规律波动,但相比较而言,传统水氮处理CH₄排放通量波动性较大,变化范围在-0.132— 0.238 μg·m^-2·h^-1之间,平均值为0.056 μg·m^-2·h^-1。CH₄排放主要发生在5—8月,这可能是温度有关。王明星等^[21]相关研究表明,温度在25—35℃范围内,土壤中CH₄氧化率与温度呈正相关。ZHONG等^[22]的研究也发现,土温会影响CH₄的排放,二者呈正相关。随着土壤温度升高,土壤中根系分泌物会增加,从而更多的可利用性碳被产甲烷菌所利用,促进甲烷排放^[23]。与传统水氮处理相比,优化水氮,优化水氮+DMPP和移动水肥处理土壤CH₄排放通量在整个监测期间变化幅度不大,整体变化趋势较平缓,变化范围为-0.061—0.07945 μg·m^-2·h^-1,平均值分别为-0.0024 μg·m^-2·h^-1、0.00055 μg·m^-2·h^-1和-0.0032 μg·m^-2·h^-1,差异达显著性水平（P<0.01）,但3个处理间差异不显著（P>0.05）。由此可见,减氮控水调控对于降低葡萄园土壤CH₄气体排放的效果也很明显。

图4

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图4不同水氮调控下土壤CH₄排放通量的动态变化

箭头表示施肥时间
Fig. 4Dynamic changes of soil CH₄ emission flux under different water and fertilizer regulation

Arrows represent fertilization time

2.5 不同水肥调控下的土壤N₂O、CO₂和CH₄累积排放量

在不同施肥时期各处理土壤温室气体（N₂O、CO₂和CH₄）累积排放量如图5所示。各时期各处理N₂O累积排放量均随着施氮量增加而增加。对于传统水氮、优化水氮和移动水肥3个处理来说,随着施氮量的增加,土壤N₂O、CO₂和CH₄累积排放量呈上升趋势,经Pearson相关性分析,二者相关性R值分别为0.995、0.994和0.991。在整个试验期间,各处理土壤N₂O排放总量从高到低依次是传统水氮、优化水氮、移动水肥和优化水氮+DMPP,分别为3.90、2.83、2.76和2.65 kg·hm^-2,排放系数在0.58%—0.67%之间。其中,传统水氮处理4个施肥时期土壤N₂O加权累积排放量分别为1.76、0.59、1.44和0.11 kg·hm^-2,除成熟期外,其余时期累积排放量均显著高于其他处理（P<0.05）。减氮控水处理中,各时期N₂O累积排放量均表现为优化水氮>移动水肥>优化水氮+DMPP。在等氮处理下,与优化处理相比,优化水氮+DMPP处理各时期累积量分别降低3.9%（萌芽期）、5.7%（膨大期）、10.0%（着色期）和0.1%（成熟期）,总排放量降低了6.3%。

图5

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图5不同施肥时期不同水氮调控下葡萄园土壤N₂O、CO₂和CH₄累积排放量

Fig. 5The cumulative emissions of N₂O, CO₂ and CH₄ in vineyard soil under different water and fertilizer regulation at different fertilization periods



从图5中可看出,各时期传统水氮处理土壤CO₂累积排放量分别为1 507.90、710.40、1 475.12和122.63 kg·hm^-2。与传统水氮处理相比,3个减氮控水处理在4个生育期内土壤CO₂累积排放量有所降低,但未达到显著性差异水平（P>0.05）,降低率为0.37%— 7.14%。优化、优化+DMPP和移动水肥处理在各施肥期间累积量无明显差别,总累积量分别为3 410.95、3 412.06和3 387.33 kg·hm^-2,随着施氮量的减少,CO₂总累积排放量也随之减少。

萌芽期和膨大期传统水氮处理各时期CH₄累积排放量均表现为正值,与减氮控水处理差异显著（P<0.05）;减氮控水处理间CH₄累积排放量有正有负,无明显差异。着色期和成熟期,各处理累积量均为负值,这可能一是因为在9月中下旬葡萄收获后葡萄园人为扰动较少,在自然土壤状态下土壤为CH₄的吸收汇^[24],二是因为产CH₄微生物的活性在冬季低温条件下受到了抑制^[25]。CH₄总累积量表现为传统水氮（0.06018 g·hm^-2）>优化水氮+DMPP（-0.03023 g·hm^-2）>优化水氮（-0.03602 g·hm^-2）>移动水肥（-0.07486 g·hm^-2）;处理相比,优化+DMPP在减少CH₄排放方面效果较好。

2.6 不同水肥调控下综合增温潜势

从表2看出,本研究中各处理N₂OGWP和CO₂ GWP均为正值,即葡萄园是N₂O和CO₂的排放源;而CH₄ GWP则只有传统水氮处理为正值,减氮控水的移动水肥、优化水氮、优化水氮+DMPP处理则为负值,即传统水氮下葡萄园是CH₄的排放源,优化水氮条件下是CH₄的吸收汇,表明减氮控水调控措施可以减缓CH₄排放。葡萄园内总GWP表现为传统水氮>优化水氮>优化水氮+DMPP>移动水肥。3个减氮控水处理总GWP比传统水氮处理减少了12.38%— 3.12%,其中移动水肥处理减幅最大,减排效果明显。综合增温潜势中,CO₂GWP贡献率在89.59%以上,N₂O GWP贡献率在8.89%之间,CH₄ GWP贡献极低,可以忽略不计。同时结合葡萄产量,与传统水氮处理相比,减氮控水处理葡萄产量增加了8.81%—19.35%,但未达到显著性差异水平（P>0.05）,这表明减氮控水尽管减少了水肥投入,但仍能保证葡萄稳产,其中以优化+DMPP处理增幅最大,且比优化和移动水肥处理也高出9.69%和2.25%。综合可知,优化+DMPP处理能够在稳产的同时实现温室气体的减排,实现经济效益和环境效益双赢,在本研究为最优的水肥调控措施。

Table 2
表2
表2N₂O、CO₂和CH₄的全球增温潜势
Table 2The GWPs of N₂O, CO₂ and CH₄

处理 Treatment	CO2 GWP （kg C·hm-2）	CH4 GWP （g C·hm-2）	N2O GWP （kg C·hm-2）	总GWP Total GWP （kg C·hm-2）	葡萄产量 Yield （kg·hm-2）
传统水氮Traditional water and nitrogen	3816.05	0.61	443.29	4259.35	12816.75a
移动水肥Mobile water and fertilizer	3387.33	-0.76	312.98	3700.32	14960.40a
优化水氮Optimized water and nitrogen	3410.95	-0.37	321.13	3732.08	13946.10a
优化水氮+DMPP Optimized water and nitrogen+DMPP	3412.06	-0.31	301.04	3713.10	15296.85a

Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)
表中每列数字后的不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）

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3 讨论

3.1 水氮调控下的土壤N₂O、CO₂和CH₄排放

已有大量研究表明,优化水氮和施加硝化抑制剂是影响土壤温室气体排放的重要影响因素,也是有效的调控措施^[8,9,10,11]。本研究中,传统水氮、优化水氮和移动水肥3个处理,随着施氮量的增加,土壤N₂O、CO₂和CH₄排放累积量呈上升趋势,优化水氮可显著降低葡萄园增温潜势。但葡萄园土壤N₂O、CO₂和CH₄排放受减氮控水措施影响程度有所不同,其中CH₄排放受水氮管理影响较大。与传统水氮相比,优化水氮处理CH₄增温潜势降低了150.23%—224.38%,由排放源降低为吸收汇,这可能是由于在萌芽期和膨大期传统水氮处理施氮量与优化水氮处理相差较大,尿素的大量施入提高了产甲烷菌所需底物的有效性,促进了CH₄大量产生。其次,试验地土壤偏酸性,施加大量尿素后土壤pH提高,利于CH₄形成。秋冬季温度低,抑制了微生物的活性,一方面土壤形成CH₄的能力相对较弱,另一方面大气CH₄扩散进土壤的速率高于甲烷氧化菌对CH₄的消耗速率,限制了CH₄氧化^[25]。然而优化水氮会显著降低N₂O和CO₂排放,实现温室气体减排。与传统水氮相比,减氮控水处理N₂O增温潜势降低了27.56%—32.09%,CO₂增温潜势降低了10.59%—11.23%,减排效果显著。而土壤水分含量会影响土壤通气状况和微生物种类、数量及活性,从而影响N₂O和CO₂排放^[26]。而氮素的输入会增加植物和微生物所需营养,增强土壤微生物活性,增加土壤有机质含量,促使CO₂排放^[27]。N₂O排放和氮素呈现线性关系^[28],氮素提供了土壤硝化反硝化作用的底物,促使N₂O排放。

3.2 配施硝化抑制剂下的土壤N₂O、CO₂和CH₄排放

配施硝化抑制剂——DMPP对3种温室气体的影响结果显示,DMPP降低了6.28%N₂O累积排放量,与HATCH等^[15]和KONG等^[29]试验结果一致,DMPP能够减土壤少N₂O排放,施加DMPP延缓了土壤铵态氮转化过程,进而减少了土壤反硝化作物的底物来源,降低了N₂O排放。而本文降低幅度小于17%—45%,这可能是由于葡萄园施肥区占地面积较少。配施DMPP对CO₂排放的影响,优化水氮处理相比,优化水氮+DMPP处理各时期CO₂排放累积量有所减少,但平均排放累积量减少不足1%,表明添加DMPP并不会对土壤CO₂排放产生影响,与MENéNDEZ等^[30]和HUéRFANO^[31]等的研究发现一致。而DMPP能够减少CO₂排放,可能由于DMPP减少了土壤中有机碳的矿化而减少了土壤碳分解^[32],但DMPP对CO₂排放作用效果与土壤质地、土壤温湿度和土壤酸碱性等多因素相关,还需进一步探讨分析。而施加DMPP对CH₄排放的影响目前报道不一,HATCH等^[15]研究结果表明DMPP能促进CH₄的排放,而HUéRFANO等^[31]和WEISKE^[13]等试验发现DMPP能减少CH₄的排放,增加土壤对CH₄的吸收。对此目前有两种学说,一是DMPP抑制了产甲烷菌的活性,二是DMPP通过抑制甲烷氧化菌活性提高甲烷排放^[33]。本研究中,优化+DMPP处理和优化处理CH₄累积量均为负值,表现为葡萄园的吸收汇。施加DMPP处理CH₄累积量比优化处理增加了16.08%,但未造成显著差。

4 结论

4.1 不同水肥调控下,土壤N₂O和CO₂排放通量均在每次施肥后1—3 d内达到排放高峰,CH₄排放通量则无明显变化趋势。与传统水氮处理相比,减氮控水调控（优化水氮、移动水肥和优化水氮+DMPP）措施能够显著降低土壤N₂O、CO₂和CH₄排放通量和排放累积量。其中,N₂O平均排放通量降低73.03%— 88.19%,排放累积量降低27.56%—32.09%;CO₂平均排放通量降低60.56%—62.13%,排放累积量降低10.59%—11.23%,CH₄平均排放通量降低99.02%— 105.71%,排放累积量降低150.23%—224.38%。说明合理调控氮肥投入和灌水量,能减缓温室效应,减轻环境负效应。

4.2 葡萄园总GWP主要由CO₂的GWP决定,N₂O的GWP和CH₄的GWP贡献率较低。从减排效果来看,移动水肥处理>优化水氮+DMPP处理>优化水氮处理;从产量来看,优化水氮+DMPP处理>移动水肥处理>优化水氮处理>传统水氮处理。其中,优化水氮+DMPP处理与传统水氮处理相比土壤的N₂O、CO₂和CH₄排放量分别降低了32.09%、10.58%和150.23%,总GWP降低了12.82%,葡萄产量增加了19.35%。在实现葡萄园温室气体减排,有效缓解了葡萄园温室效应的同时达到了经济与环境双赢,综合评价为本研究中最佳水氮调控措施。

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为探讨日光温室黄瓜-番茄种植体系内N2O排放动态变化及其对不同氮水平的响应规律，采用密闭静态箱法，研究了常规氮量（黄瓜季1 200 kg/hm2，番茄季900 kg/hm2）、比常规氮量减25%（黄瓜季900 kg/hm2，番茄季675 kg/hm2）、减50%（黄瓜季600 kg/hm2，番茄季450 kg/hm2）以及不施氮对日光温室土壤N2O排放的影响。结果表明，温度是影响日光温室土壤N2O排放强度的重要因素，4－10月（平均气温为27.4℃）的N2O排放通量最高达818.4μg/(m2·h)；而2－3月（平均气温15.1℃）以及11－12月（平均气温14.7℃）期间的N2O排放通量最高仅为464.5 μg/(m2·h)，比4－10月的N2O排放峰值降低了43.2%。N2O排放峰值在氮肥追施后5 d内出现，N2O排放量集中在氮肥施用后7 d内，可占整个监测期（271 d）排放量的64.7%～67.8%。施氮因增加了土壤硝态氮含量而引起N2O排放爆发式增长，0～10 cm土壤硝态氮含量与N2O排放量呈指数函数关系（P<0.01）。日光温室黄瓜-番茄种植体系内的N2O排放量为0.99～9.92 kg/hm2，其中75.6%～90.0%由施氮造成。与常规氮用量相比，氮减量25%和50%处理的N2O排放量分别降低了40.4%和59.3%，总产量却增加4.9%和7.4%。综上所述，合理减少氮用量不仅可显著降低日光温室土壤N2O排放，而且不会引起产量的降低。该研究为日光温室蔬菜生产构建科学合理的施氮技术及估算中国设施农田温室气体排放量提供参考。
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