雷豪杰^,1, 李贵春², 柯华东¹, 魏崃¹, 丁武汉¹, 徐驰¹, 李虎^,11中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/中国农业绿色发展研究中心,北京 100081
²中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081

Analysis of Impacts and Regulation Differences on Soil N₂O Emissions from Two Typical Crop Systems Under Drip Irrigation and Fertilization

LEI HaoJie^,1, LI GuiChun², KE HuaDong¹, WEI Lai¹, DING WuHan¹, XU Chi¹, LI Hu^{,1 1}Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Research Center for Agricultural Green Development in China, Beijing 100081
²Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

通讯作者: 李虎,E-mail： lihu0728@sina.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-05-19接受日期:2020-09-11网络出版日期:2021-02-16

基金资助:

国家自然科学基金.41671303 国家重点研发计划.2018YFD0800402

Received:2020-05-19Accepted:2020-09-11Online:2021-02-16
作者简介 About authors
雷豪杰,E-mail： haojielink@126.com。









摘要
【目的】探明滴灌施肥对华北典型种植类型农田N₂O排放的影响差异与减排贡献,并明确其综合调控机制,为区域农业生产碳氮优化调控及滴灌施肥技术在华北推广应用提供科学支撑和技术储备。【方法】选择两种典型的作物种植模式（冬小麦-夏玉米轮作和设施菜地）为研究对象,分别设置了4个处理,即对照（CK）、常规漫灌施肥（FP）、滴灌施肥（FPD）和滴灌优化施肥（OPTD）,利用自动静态箱-气相色谱法对这两种系统土壤N₂O排放进行了连续观测分析。【结果】两种作物系统N₂O排放通量变化均与5 cm深土壤温度显著正相关（P＜0.05）,均在基肥期出现最高排放峰值。在设施蔬菜和粮食作物系统中,FP处理N₂O排放总量均为最高,分别达到（5.47±0.23）和（1.70±0.02）kg N·hm^-2。对于N₂O排放强度,设施蔬菜系统中FP处理为（159.72±2.47）g N·t^-1,远低于粮食作物系统（258.41±6.35）g N·t^-1,未来N₂O减排的关注点仍在粮食作物生产。滴灌施肥可显著降低两种系统N₂O排放总量,相比FP处理,在设施蔬菜系统中滴灌施肥可显著减少19.0%（P＜0.05）,而在粮食作物系统中可减少达到35.0%（P＜0.05）。此外,当两种系统施氮量分别降低50%和30%后,在保证作物产量下其减排贡献可分别扩大到30.2%和45.8%。【结论】设施蔬菜和粮食作物系统土壤N₂O排放特征存在明显差异,粮食作物生产N₂O排放强度明显高于设施蔬菜生产,应进一步关注。同时,滴灌施肥技术在华北农田两种典型的作物系统中均能较好地减少N₂O排放,对冬小麦-夏玉米轮作系统N₂O减排贡献更大,具有在华北平原进一步推广应用的潜力。
关键词： 滴灌施肥;设施蔬菜;粮食作物;氧化亚氮（N₂O）;减排贡献

Abstract
【Objective】The aim of this study was to ascertain the impact differences and emission reduction contribution of drip irrigation and fertilization on N₂O emissions from farmland of typical planting types in North China, and to clarify its comprehensive control mechanism, so as to provide scientific support and technical reserves for the optimization and control of regional agricultural production carbon and nitrogen and the promotion and application of drip fertilization technology in North China.【Method】Two typical crop planting modes (winter wheat-summer corn rotation and facility vegetable fields) were selected as the research objects, and four treatments were set, namely control (CK), conventional flood irrigation fertilization (FP), drip irrigation fertilization (FPD), and drip irrigation Optimized fertilization (OPTD). Continuous static observation and analysis of soil N₂O emissions from these two systems were performed by using automatic static chamber-gas chromatography.【Result】The changes of N₂O fluxes from the two crop systems were significantly positively correlated with the soil temperature of 5cm (P＜0.05), and both crop systems had the highest N₂O emission peak during the basal fertilizer period. In the greenhouse vegetable and food crop systems, the total cumulative N₂O emissions of FP treatment were the highest, reaching (5.47±0.23) and (1.70±0.02) kg N·hm^-2, respectively. For the N₂O emission intensity per unit yield, the FP treatment in the facility vegetable system was (159.72±2.47) g N·t^-1, which was much lower than the grain crop system (258.41±6.35) g N·t^-1. The focus of future N₂O emission reduction was still food crop production. Drip irrigation and fertilization could significantly reduce the total N₂O emissions of the two systems. Compared with FP treatment, drip irrigation and fertilization in facility vegetable systems could significantly reduce the total N₂O emissions by 19.0% (P＜0.05), while in food crop systems could be reduced by 35.0% (P＜0.05). In addition, when the nitrogen application rates of the two systems were reduced by 50% and 30%, the emission reduction contribution was expanded to 30.2% and 45.8%, respectively, while ensuring crop yields.【Conclusion】There were obvious differences in the characteristics of soil N₂O emissions from facility vegetable and food crop systems. The N₂O emission intensity of food crop production was significantly higher than that of facility vegetable production, and the further attention should be paid. At the same time, drip irrigation and fertilization technology could reduce N₂O emissions in two typical crop systems in North China farmland, but it had a greater contribution to N₂O emission reduction in the winter wheat-summer corn rotation system, and it had the potential for further application in the North China Plain.
Keywords：drip irrigation and fertilization;facility vegetables;food crops;N₂O;emission reduction contribution


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本文引用格式
雷豪杰, 李贵春, 柯华东, 魏崃, 丁武汉, 徐驰, 李虎. 滴灌施肥对两种典型作物系统土壤N₂O排放的影响及其调控差异[J]. 中国农业科学, 2021, 54(4): 768-779 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.04.009
LEI HaoJie, LI GuiChun, KE HuaDong, WEI Lai, DING WuHan, XU Chi, LI Hu. Analysis of Impacts and Regulation Differences on Soil N₂O Emissions from Two Typical Crop Systems Under Drip Irrigation and Fertilization[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(4): 768-779 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.04.009


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0 引言

【研究意义】2004年以来,我国粮食产量稳增,实现了“十五连丰”,2015—2018年产量均稳定在6.5亿吨以上。不断增加的水肥投入对保障中国粮食安全贡献巨大,但由此造成的温室气体,如氧化亚氮（N₂O）排放的增加等问题对区域乃至全球大气环境带来重大影响。相比于粮食作物产量,我国蔬菜产量自2011年起已超过粮食产量成为第一大农产品^[1]。其中,设施菜地占蔬菜总种植面积的32.3%以上^[2],其“大水大肥”的种植模式极易导致土壤硝态氮累积、硝态氮淋失和N₂O排放^[3]。根据《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》,中国农业活动产生的N₂O占全国总排放量的65.4%,而且在人为扰动不断加强下,未来排放总量还将继续增加。同时,我国农业生产也面临着水资源短缺、农业面源污染日趋严重的矛盾和巨大挑战。以我国重要的粮食主产区华北平原为例,温室气体排放已经成为不可忽视的环境问题。前人已有研究得到,华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统在常规种植管理模式下N₂O排放量可达4.1—7.6 kgN·hm^-2·a^-1[4,5];而且水资源供需矛盾突出,农业耗水高达用水总量的75%以上,传统大水漫灌的高耗水种植方式不能适应农业的发展,未来必须通过节水灌溉技术来满足粮食产量需求。因此,如何平衡农产品有效供给、缓解水资源缺乏和减少农业源温室气体排放之间的关系,不仅是当前科学领域的前沿研究内容,也是我国农业可持续发展的现实要求。【前人研究进展】滴灌施肥是实现“资源节约和环境友好”两型农业的关键技术。该技术可节水40%以上,节肥20%以上,增产幅度达30%—50%,能有效保护生态环境^[6],也被认为是最高效的施肥技术^[7,8]。当前,滴灌水肥一体化技术在我国华北地区得到良好发展^[9]。然而,不同于漫灌,滴灌施肥具有较高的灌溉频率,使土壤干湿交替过程频繁而影响土壤水分状况及O₂供应,势必会对土壤N₂O排放以及其通量特征产生重要的影响。因此,水分管理是减缓农田N₂O排放的重要措施^[10]。研究表明,土壤水分饱和时会阻碍土壤中气体的扩散,嫌气环境抑制硝化过程,增加了反硝化潜势、速率和N₂O排放。而未饱和时,反硝化作用一般发生在土壤团聚体、植物凋落物降解和根际微域环境中^[11]。王艳丽等^[12]对滴灌施肥条件下设施蔬菜N₂O排放研究表明,滴灌施肥既提高了氮素的利用率,又降低了硝化-反硝化反应的底物浓度。张西超等^[13]对设施土壤温室气体排放的影响也表明,覆膜滴灌方式可以使N₂O、CO₂、CH₄的综合排放量最少,达到最大程度的减排效果。陈静等^[14]对冬小麦-夏玉米作物系统研究认为,由于降雨驱动的作用减少了土壤表层NO₃^--N的含量,滴灌施肥比漫灌施肥减少了43%的N₂O排放量。但王维汉等^[15]研究表明,滴灌施肥促进了N₂O排放,其主要原因是增加了土壤干湿交替过程。郭树芳等^[16]研究得到,微喷水肥一体化下华北平原冬小麦田土壤湿度更大,导致土壤N₂O排放通量值比漫灌高76.22%。【本研究切入点】以往对滴灌条件下N₂O排放的研究多集中于单一系统^[17,18,19],且研究结果存在争议,不利于对滴灌减排效果的系统评价。而灌溉方式改变下不同作物体系N₂O排放通量如何变化,尤其在人为设施影响和自然降水驱动下N₂O排放差异及其调控机制仍不明晰。基于此,加强滴灌条件下不同种植模式N₂O气体排放的研究和探讨,可为农业土壤增汇减排提供技术参考,也是农业绿色发展的需要。【拟解决的关键问题】本研究以华北平原地区两种主要的作物系统——设施蔬菜和大田粮食作物种植的N₂O气体排放为研究对象,同时开展田间原位监测,以期弄清不同种植系统之间N₂O的排放差异及主要影响因子,明确滴灌施肥对农田土壤N₂O的减排贡献,从而为进一步推广应用滴灌施肥技术提供科学指导和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验点分别设在北京市顺义区大孙各庄镇（116°28'E,40°00'N）和山东省桓台县新城镇逯家村（117°58'E,36°57'N）。气候类型均为暖温带大陆性季风气候。其中,顺义年均气温11.5℃,年均降水量625 mm,年相对湿度50%,土壤类型为潮褐土。桓台年均日照时数2 832.7 h,年均气温12.5℃,无霜期平均198 d,年降水量587 mm左右,土壤质地为粉壤土。供试土壤基础理化性质见表1。

Table 1
表1
表1供试农田土壤基础理化性质
Table 1Physical and chemical properties of soil foundation of the tested farmland

试验点 Site	有机质 SOM (g·kg-1)	pH	有效磷 Available P (mg·kg-1)	速效钾 Available K (mg·kg-1)	容重 Bulk density (g·cm-3)	全氮 Total N (g·kg-1)	铵态氮 NH4+-N (mg·kg-1)	硝态氮 NO3--N (mg·kg-1)
顺义Shunyi	14.3	7.2	1.22	128.1	1.69	11.7	3.2	147.5
桓台Huantai	19.6	—	29.81	167.9	1.58	—	0.7	18.4

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1.2 试验设计

顺义试验点：供试蔬菜系统为普通半拱形塑料温室大棚（75 m×7 m）。棚面为无色透明塑料棚膜,膜上盖有保温棉被。温室顶部和低端设有通风口,以控制温室内的温度和湿度。试验观测期为2017年9—12月,作物类型选择黄瓜。分别设置了对照（CK）、农民习惯漫灌施肥（FP）、滴灌施肥（FPD）和滴灌优化施肥（OPTD）4个处理,其中,对照处理为不施氮肥处理,灌溉管理与农民习惯处理保持一致。每个处理有3次重复,共12个小区,小区面积为24 m²（4 m×6 m）,小区之间由隔离带（埋1 m深,长6 m塑料布）隔开。滴灌系统采用滴灌管,每个小区配有水表,用来记录和控制灌溉水量。灌溉和施肥同时进行,滴灌下肥料随水滴施,漫灌下将肥料溶于水后随水施入。灌溉量依据田间持水量和当地灌溉水量确定。黄瓜季分别在幼苗期、初花期和结果期进行追肥。各处理肥料施用量、灌溉水用量及灌溉施肥日期如表2所示。

Table 2
表2
表2各处理施肥量和灌溉量
Table 2Total fertilizer and irrigation rate in different treatments

试验点 Site	处理 Treatment	有机肥 Organic fertilizer (kg N·hm-2)	化肥 Fertilizer (kg N·hm-2)			灌溉方式 Irrigation method	总灌溉量 Irrigation water (mm)	施肥灌溉日期 Date
			N	P2O5	K2O
顺义 Shunyi	CK	500	0	120	200	漫灌Flood	365	9/13;10/12;11/1;11/20;12/4
	FP	500	700	120	200	漫灌Flood	365
	FPD	500	700	120	200	滴灌Drip	269
	OPTD	500	350	120	200	滴灌Drip	269
桓台 Huantai	CK	—	0	84.7	118.3	漫灌Flood	591	10/14;11/7;4/6;4/30;5/13;5/28
	FP	—	270	84.7	118.3	漫灌Flood	591
	FPD	—	270	84.7	118.3	滴灌Drip	591
	OPTD	—	189	84.7	118.3	滴灌Drip	591

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桓台试验点：供试粮食作物系统为已多年免耕和秸秆还田管理的冬小麦-夏玉米轮作农田,采用随机区组设计,于小麦季开展试验,观测期为2016年10月至2017年6月。滴灌系统采用滴灌线,每行小麦布设1条毛管,滴头间距30 cm,滴灌量与当地滴灌灌溉水量一致。试验小区面积50 m²（5 m×10 m）,小区四周均有宽2.5m的保护行,以保证小区间单独灌水和施肥。试验处理设置及肥料施用量见表2,各处理重复3次。其中,FP处理的施肥方式为撒施,灌溉、施肥量和时间与当地农民习惯一致。底肥使用NPK复合肥料,氮肥和钾肥全部滴施,磷肥的20%作为底肥施入,其余80%追肥滴施。

1.3 样品采集和数据获取

土壤N₂O气体的采集和分析利用自动静态箱-气相色谱法。取样时,将箱体置于底座凹槽中,并在凹槽中注水以确保密封性良好。每个小区每次取5袋气体样品,取样间隔为6 min。取样时间保持在当地时间的9：00—11：00之间,以便于比较和减少日变化所导致的N₂O排放通量差异。每次灌溉和施肥后连续取样1周,直至各处理气体浓度无明显差异停止。顺义试验点其他时间取样频率为每周2—3次;桓台试验点每次10 mm以上日降雨后,增加逐日采样5 d,3—11月每周采样1次,12月、1月和2月份每2周采样1次,降雨量的观测设备为田间气象站。采气时,通过箱体上的温度传感器,记录箱体内部和5 cm深度土壤的温度。采集的气体样品用Agilent 7890A气相色谱仪分析N₂O浓度。采样过程中同步记录样地的气温、土温、土壤含水量等环境因子。

1.4 土壤N₂O气体的分析计算

N₂O排放通量：

（1）$F=\rho H \frac{\mathrm{d} c}{\mathrm{~d} t} \times \frac{273}{273+T} \times \frac{P}{P_{0}} \times 10^{3}$
式中：F代表N₂O排放通量（μg N·m^-2·h^-1）,正值表示土壤向大气排放,负值表示吸收;ρ为标准状态下气体的密度（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气体浓度随时间变化的速率（μl·L^-1·h^-1）;P为采样时气压（mmHg）;P₀为标准大气压（mmHg）;P/P₀≈1。

N₂O气体累积排放量：利用内插法计算相邻两个监测日之间未监测的排放通量,将观测值和内插法计算出的值累加便可算出N₂O排放总量。

N₂O排放强度：N₂O排放强度为N₂O排放总量与产量的比值,可以反映作物产量的环境效益。计算公

式如下：

(2)I=10³×E_f/Y
式中,I为N₂O排放强度（g N·t^-1）;E_f为N₂O排放总量（kg N·hm^-2）;Y是相应处理的蔬菜产量（t·hm^-2）。

N₂O排放系数：N₂O排放系数为由化肥氮施用引起的N₂O-N排放总量与施氮量的比值,计算公式如下：

(3)EF_d=100（E_F-E_C）/F_N
式中,EF_d为N₂O排放系数（%）;E_F和E_C分别为施化肥氮和不施化肥氮处理下N₂O排放总量（kg N·hm^-2）,F_N是化肥氮施用量,kg N·hm^-2。

1.5 土壤孔隙含水量计算

土壤孔隙含水量：由体积含水量计算得到。计算公式为：

(4)WFPS=$\frac{{{\theta }_{v}}}{1-{{\rho }_{b}}/{{\rho }_{s}}}$
式中,WFPS是土壤孔隙含水量（%）;θ_ν是土壤体积含水量（cm³·cm^-3）;ρ_b是土壤容重（g·cm^-3）;ρ_s为土壤比重。

1.6 数据处理

采用Excel 2016、Origin 2017对试验数据进行计算和制图。采用SPSS 24.0软件对N₂O排放指标（排放通量、总量、强度及系数）进行方差分析或相关性分析。方差分析时,处理间多重比较选用Duncan_0.05法。

2 结果

2.1 N₂O排放通量特征和关键影响因子

两个系统整个生长季N₂O的排放通量变化见图1。由于外源氮肥的施入提高底物浓度进而促进土壤硝化和反硝化反应,两个系统中N₂O排放高峰均出现在每次灌溉及施肥之后,各处理N₂O的排放通量排序一致,均为FP处理>FPD处理>OPTD处理>CK处理。不同的是,设施蔬菜系统N₂O的排放通量随生长季下降趋势明显,且与追肥期相比,基肥期N₂O的排放峰值持续时间更长,为6—8 d。粮食作物系统N₂O的排放通量变化随季节动态和灌溉施肥事件变化更明显。在设施蔬菜生产系统中,FP、FPD、OPTD、CK处理N₂O的平均排放通量分别为（798.08±28.12）、（610.29±21.03）、（421.30±16.86）、（149.75±22.62）μg N·m^-2·h^-1。相比FP处理,N₂O的排放通量在FPD和OPTD处理中分别显著降低23.53%和47.21%（P＜0.05）;粮食作物系统中,FP、FPD、OPTD、CK处理N₂O的平均排放通量分别为（46.82±2.23）、（34.91±0.70）、（23.40±2.31）、（9.80±0.37）μg N·m^-2·h^-1。相比FP处理,N₂O的排放通量在FPD处理中显著降低25.43%（P＜0.05）,OPTD处理中显著降低50.01%（P＜0.05）。可见,不同处理间N₂O的排放通量存在显著差异。

图1

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图1设施蔬菜和粮食作物系统各处理N₂O排放通量

图中的红色向下箭头表示每次施肥灌溉事件
Fig. 1N₂O emission flux of each treatment in facility vegetable system and food crop system

The red downward arrow in the figure represents each fertilization and irrigation event


设施蔬菜和粮食作物系统各处理N₂O排放通量与5 cm土温、WFPS及气温的相关性分析结果见图2。水热条件是影响N₂O排放的重要因子,5 cm土温与季节气温均达到极显著正相关关系（P0.01）,设施蔬菜土温范围为（12.97—30.65）℃,粮食作物土温变化范围为（-0.47—23.85）℃;从土壤WFPS（0—15 cm）的变化来看,设施蔬菜和粮食作物系统的土壤WFPS均受灌溉影响较大,其变化范围分别为46.58%— 75.55%和9.14%—95.41%。可见,设施菜地温度和湿度都相对较高,并比较恒定。整个观测周期内,粮食作物系统各处理土壤WFPS没有显著差异,而设施蔬菜系统中,OPTD处理的土壤WFPS显著低于FP和FPD处理（P＜0.05）;两个系统中CK处理N₂O排放通量均与5 cm土壤温度达到极显著正相关（P＜0.01）。在设施蔬菜系统中,FP处理N₂O排放通量与5 cm土壤温度呈极显著正相关关系（P＜0.01）,FPD和OPTD处理N₂O排放通量均与5 cm土壤温度和WFPS达到极显著正相关（P＜0.01）;粮食作物系统中FP处理的N₂O排放通量仅与土壤WFPS、5 cm土温达到极显著正相关（P＜0.01）,FPD处理N₂O排放通量与5 cm土壤温度和WFPS达到显著正相关（P＜0.01）,OPTD处理N₂O排放通量与5 cm土壤温度呈极显著正相关关系（P＜0.01）,可见,不同环境条件下影响N₂O排放的关键环境因子不同。

图2

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图2N₂O排放通量与5 cm土温、WFPS和气温的相关性分析结果

1-设施蔬菜系统Facility vegetable system;2-粮食作物系统Food crop system图中圆形或三角形的图形大小表示相关性系数值的高低,图形越大,相关系数越大
Fig. 2Correlation analysis of N₂O emission flux with 5 cm soil temperature, WFPS and air temperature

The size of the circle or triangle in the figure represents the value of the correlation coefficient. The larger the size, the larger the correlation coefficient

2.2 N₂O排放总量和排放系数

设施蔬菜和粮食作物系统中N₂O排放总量情况如表3所示。各处理N₂O季节排放总量排序在两个系统内一致,均为FP处理>FPD处理>OPTD处理>CK处理,FP、OPTD和FPD处理N₂O排放量均显著高于CK处理（P＜0.05）。在设施蔬菜系统中,与FP相比,FPD处理N₂O排放总量显著减少19.0%（P＜0.05）,OPTD处理在FPD处理的基础上使N₂O季节排放总量进一步减少13.7%;在粮食作物系统中,与FP相比,OPTD和FPD处理的N₂O排放总量分别显著减少45.8%、35.0%（P＜0.05）,施氮量和灌溉方式的改变都显著影响了N₂O的排放总量。各处理的N₂O排放系数都低于IPCC的默认值（1%）。设施蔬菜系统中,不同处理间N₂O排放系数排序为OPTD（0.66%）>FP（0.57%）>FPD（0.42%）;粮食作物系统不同处理间N₂O排放系数排序为FP（0.47%）>OPTD（0.31%）>FPD（0.29%）。

Table 3
表3
表3设施蔬菜系统和粮食作物系统各处理季度N₂O累积排放总量及排放系数
Table 3Cumulative emissions and emission coefficients of the facility vegetable system and food crop system

处理 Treatment	设施菜地系统 Facility vegetable system		粮食作物系统 Food crop system
	排放总量 Cumulative emissions (kg N·hm-2)	排放系数 Emission coefficient (%)	排放总量 Cumulative emissions (kg N·hm-2)	排放系数 Emission coefficient (%)
CK	1.50±0.12d	—	0.43±0.02d	—
FP	5.47±0.23a	0.57±0.05a	1.70±0.02a	0.47±0.01a
FPD	4.43±0.14b	0.42±0.00b	1.11±0.03b	0.29±0.01b
OPTD	3.82±0.06c	0.66±0.04a	0.92±0.10c	0.31±0.04b

不同字母表示系统内处理之间的N₂O排放总量差异显著（P＜0.05）
Different letters indicate significant differences in total N₂O emissions between treatments in the same system (P＜0.05)

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2.3 不同系统N₂O的排放强度及差异

设施蔬菜和粮食作物系统的N₂O排放强度如图3所示。两个系统的N₂O排放强度排序均为：FP处理>FPD处理>OPTD处理>CK处理。设施蔬菜系统中,FP、FPD、OPTD和CK处理的排放强度分别为：（159.72±2.47）、（138.13±12.04）、（113.61±7.70）、（46.36±8.03）g N·t^-1。在粮食作物系统中,FP、FPD、OPTD和CK处理的N₂O排放强度分别为：（258.41± 6.35）、（169.67±11.11）、（142.97±28.39）、（119.41±2.63）g N·t^-1,FP和FPD处理N₂O的排放强度在粮食作物系统中均大于其在设施菜地系统的强度。从滴灌施肥对N₂O减排效果差异上分析表明,与FP处理相比,FPD处理在设施蔬菜系统中减少了13.5%的N₂O排放强度,但未达到显著水平,而在粮食作物系统中能够显著降低34.3%的N₂O排放强度（P＜0.05）。此外,OPTD处理在设施蔬菜和粮食作物系统中均可以进一步降低N₂O排放强度,较FP处理分别降低28.9%和44.7%。因此,相比设施蔬菜系统,粮食作物系统的N₂O的排放强度较高,但滴灌施肥技术下其排放强度减排效果明显,依然是N₂O减排的关注重点。

图3

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图3设施蔬菜和粮食作物系统各处理N₂O排放强度

Fig. 3N₂O emission intensity of each treatment in facility vegetable system and food crop system respectively

3 讨论

3.1 不同作物系统N₂O排放特征

设施蔬菜系统基肥期后N₂O排放通量变化下降趋势明显,而粮食作物系统中N₂O排放通量在越冬后逐渐升高且随季节动态和灌溉施肥事件变化更明显。和以往研究结果一致^[20,21],两个系统内各处理均在每次灌溉施肥后观察到排放高峰,峰值的持续时间会因处理间化肥施用量和灌溉水量的不同而出现差异^[22,23]。设施菜地系统峰值高、持续时间短（除基肥期）,约3—5 d,尤其是施入大量化肥和有机肥的基肥期,较高的碳源和底物浓度有效地促进了反硝化作用的速率^[24,25],且其土壤温度和湿度一直保持在较高水平,土壤中硝化-反硝化反应的微生物及酶的活性高,利于N₂O的产生和排放。而粮食作物系统由于生长周期较长,越冬时节的低温抑制了土壤中硝化-反硝化过程,导致N₂O排放通量处于较低水平。开春后,温度回升,N₂O的排放通量也随之升高。王艳丽等^[12]对春夏季黄瓜的研究和张婧等^[26]对冬小麦/夏玉米轮作系统的研究也观测到类似N₂O季节动态特征。刘巧等^[27]研究得到,葡萄种植系统中N₂O排放通量受水氮调控显著影响,且各处理均在灌溉施肥后出现排放峰。同样,本研究中两个系统N₂O排放峰出现的频率及时间和灌溉施肥事件保持一致,水氮的投入明显激发了N₂O的产生^[25,28],但设施菜地中N₂O更易被激发,其FP处理的N₂O排放通量介于（27.01—4524.69）μg N·m^-2·h^-1,与其他观测结果一致^[29]。而粮食作物N₂O排放通量介于（-6.34—330.29）μg N·m^-2·h^-1之间,与黄淮海地区其他研究结果类似^[5,30]。对比两个系统CK处理,设施菜地系统背景N₂O排放通量达到149.75 μg N·m^-2·h^-1,远高于粮食作物系统。可见,设施菜地系统N₂O的排放通量远高于大田作物系统,系统差异主要来自N₂O排放通量的背景值^[31]。徐玉秀等^[32]对旱地农田N₂O背景排放量的研究也表明,蔬菜系统的N₂O背景排放量最高,系统间的不同土壤背景、水热条件和人为管理共同影响土壤硝化和反硝化作用。目前对N₂O的研究多集中于灌溉、施肥等宏观因子的探讨,有待加强农田环境因子变化与土壤N₂O排放的关系方面的研究^[33],进一步明确N₂O排放的微观机理及系统间的排放差异来源。

3.2 不同作物系统N₂O排放量和排放强度

在设施蔬菜和粮食作物系统内,FP、FPD和OPTD处理N₂O排放量一致显著高于CK处理（P＜0.05）,且FP处理均出现季节最高N₂O排放总量。灌施肥可显著降低两种系统N₂O排放量。相比FP处理,滴灌施肥FPD处理在设施菜地和粮食作物系统中N₂O排放总量可分别显著减少19.0%和35.0%（P＜0.05）。可见,N₂O排放量除了与施氮量呈显著相关关系外^[34,35,36],也与灌溉方式的改变密切相关。此外,粮食作物系统N₂O排放强度明显大于设施蔬菜系统。本研究中设施蔬菜系统N₂O排放强度为（46.36—159.72）g N·t^-1,低于谢海宽等^[19]的研究结果（（80—240）g N·t^-1）。而在粮食作物系统中单位产量N₂O排放强度为（119.41— 258.41）g N·t^-1,与徐钰等^[37,38]在华北地区的研究结果基本一致。CUI等^[39]对中国水稻、小麦和玉米生产系统的205项已发表研究进行meta分析得到,水稻、小麦和玉米系统单位产量N₂O排放强度范围分别为（140—290）、（160—450）和（210—440）g N·t^-1。虽然设施蔬菜季节N₂O排放量是粮食作物的3—4倍,然而其季节产量是粮食作物系统的5—9倍,使得生产单位产量的N₂O排放量设施蔬菜系统要明显低于粮食作物生产系统。可见,粮食作物系统中N₂O排放强度由于基础水平较高,减排潜力巨大。另外,有研究也表明,在滴灌条件下优化施氮量后,两个系统的N₂O排放强度均可进一步降低。ZHANG等^[40]对典型蔬菜集约种植体系的研究也发现,菜地减少1/3的施氮量能有效降低菜地单位产量N₂O排放量。吴震等^[41]基于文献整合分析对集约化菜地N₂O排放及减排的研究结果也证明了这一点。巨晓棠等^[42]揭示了华北平原小麦季N₂O的排放强度会随施氮量增加呈二次增长模式。综上分析,在两个系统中减少氮肥的使用量是N₂O减排的关键,但相比设施蔬菜系统,粮食作物系统N₂O减排潜力巨大,其较高的N₂O排放强度不能忽视,未来N₂O减排的关注点仍是粮食作物系统。

3.3 滴灌施肥对不同系统间的N₂O减排贡献

施氮量不变的条件下改漫灌为滴灌,设施蔬菜和粮食作物系统N₂O排放总量分别显著减少19.0%和35.0%,N₂O排放强度分别减少13.5%和34.3%（P0.05）。而分别减氮50%和30%后,两系统N₂O排放总量、强度分别显著减少30.2%和45.8%、28.9%和44.7%（P0.05）。黄丽华等^[43]的研究表明,滴灌施肥区的设施蔬菜地单位产量N₂O排放量能减少53.2%—58.9%。江雨倩等^[21]研究也表明,施氮量不变下滴灌施肥能比漫灌减少29.41%的N₂O排放总量,减氮40%其减排效果可达到32.63%。可见,滴灌施肥技术N₂O减排效果显著^[44,45],优化施氮量能够进一步减排,且在两个系统中粮食作物系统的减排效果更大。一般认为,灌溉方式的改变引起土壤WFPS差异而影响N₂O排放^[46],如漫灌条件下土壤表面氮素、湿度均匀分布,表层饱和后易形成厌氧环境,促进反硝化反应。滴灌施肥条件下土壤WFPS较低,有效抑制土壤的反硝化作用^[47,48,49]。同时,不同水肥管理模式会导致硝化和反硝化细菌群落结构改变进而显著影响N₂O排放量。优化氮肥用量后,N₂O的排放过程由氨氧化细菌（AOB）主导逐渐转为氨氧化古菌(AOA)主导^[50]。曹子敏^[51]的研究也证明了增加施肥会显著增加AOB的数量,当AOB的数量增加时,N₂O的排放量也会增加,而滴灌施肥能够显著增加氨氧化古菌（AOA）的数量。在本研究中,两个系统中漫灌和滴灌处理之间WFPS均未观察到显著差异,土壤5 cm土温也未显著差异,说明每个系统中漫灌和滴灌下土壤硝化-反硝化作用受水热条件影响一致,土壤硝化-反硝化作用的整体方向没有因滴灌施肥而发生变化。故滴灌施肥虽在设施蔬菜和粮食作物系统中均形成了土壤硝化-反硝化反应的有利环境,但其显著的减排效果主要是因为水肥利用效率的提高。因为滴灌施肥显著提高0—40 cm土层脲酶活性,进而促进施入土壤中尿素的水解,保证植物生长所需的氮源,促进氮素吸收利用率升高,反而降低了土壤进行硝化-反硝化作用反应底物浓度,削减了N₂O的排放量^[21,52]。其次,本研究中滴灌施肥在两个系统中N₂O减排量差异较大,主要因为两个系统间土壤本底、施氮量和作物类型不一致,共同导致土壤硝化或反硝化的反应底物浓度出现差异,最终影响滴灌施肥的N₂O减排效果。此外,设施菜地是封闭系统,土壤表面覆膜的增温保湿作用使滴头附近湿润区WFPS较高,而该区域强反硝化作用的发生将土壤中来不及释放到空气中的N₂O进一步被还原为N₂,从而抵消了一部分减排效果^[48,53]。而粮食作物为开放系统,滴灌施肥条件下土壤经常达到饱和含水量,土壤中残留的N素更易受到降雨影响淋失到土壤深处,减少了土壤表层多余氮素残留,一定程度地促进了N₂O减排。综上分析,在粮食作物系统中滴灌施肥的减排效果影响因素更多,除提高作物根部养分利用率^[54],同时受氮素损失途径、气候条件的多重影响。鉴于N₂O仅是氮素损失的一种途径,而不同途径之间存在“trade-off”效应^[55],因此有必要同步开展N₂O排放、氨挥发、硝酸盐淋洗的长期研究。

4 结论

4.1 设施蔬菜和粮食作物系统N₂O排放通量均在常规漫灌下最高,分别达到4 524.69和330.29 μg N·m^-2·h^-1。N₂O排放通量均与5 cm深土壤温度达到显著正相关（P0.05）,灌溉施肥激发了N₂O排放。设施蔬菜系统基肥期N₂O排放峰最高,随后下降。而粮食作物系统中其随季节和灌溉施肥的变化趋势更明显。

4.2 设施蔬菜和粮食作物系统的N₂O季节排放总量分别为1.50—5.47和0.43—1.70 kg N·hm^-2,以常规漫灌处理排放最高。N₂O排放强度在粮食作物系统中显著高于设施菜地系统,分别为258.41和159.72 g N·t^-1,未来N₂O减排的关注点仍在粮食作物生产,减排潜力较大。

4.3 滴灌施肥能显著降低N₂O排放总量,粮食作物系统中可显著降低35.0%（P0.05）,设施蔬菜系统中为19.0%。进一步优化施氮量和灌溉水量后,在设施蔬菜和粮食作物系统中减排量可扩大为30.2%和45.8%。滴灌施肥技术在设施蔬菜和粮食作物系统均具有显著的减排效果,特别是粮食作物系统,值得在华北农业生产中进一步推广应用。

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