水肥气一体化灌溉对温室辣椒地土壤N2O排放的影响

2019-04-01雷宏军潘红卫陈德立

农业机械学报 2019年3期

雷宏军刘欢刘鑫潘红卫陈德立

(1.华北水利水电大学水利学院，郑州 450046； 2.墨尔本大学兽医与农业科学学院，维多利亚 3010)

0 引言

氧化亚氮(Nitrous oxide，N2O)是目前最重要的温室气体之一，是大气臭氧层破坏的主要参与者[1]。灌溉农田是N2O排放的主要来源之一，氮肥的广泛使用和投入的增加造成N2O排放的急剧增加[2]。目前农田N2O的排放量占全球N2O排放总量的39%～52%[3]。据估计，到2030年，每年农田N2O排放量将达到7.60×106t[2]。我国是蔬菜生产和消费大国，其种植面积占农作物总面积的25.60%，其中设施菜地占蔬菜种植面积的18.00%[4]。设施菜地具有施肥量大、复种指数高和灌溉频繁等特点，但氮肥当季利用率低于10%，导致N2O大量排放[5-6]，约12%的人为N2O排放来源于蔬菜种植[4]。水肥气一体化灌溉(Oxyfertigation)是水肥一体化灌溉的升级，不仅显著提高作物的水肥利用效率，还可为土壤提供充足的有效氧，促进作物的生长，实现作物的增产提质[7-8]。

施肥对N2O排放的影响很大程度上依赖于土壤水分[9]。滴灌通过影响土壤水分动态和微生物氮循环过程影响N2O的产生和排放[10]。目前，国内外部分研究者关于水气一体化灌溉对N2O排放的影响进行了积极的探索。陈慧等[11]研究了单次曝气对温室番茄地N2O排放的影响，结果表明曝气增加了番茄生育期的N2O排放总量。HOU等[12]研究了单次曝气对温室番茄地综合温室效应的影响，结果表明曝气灌溉不会显著增加土壤CO2和N2O的综合温室效应。杜娅丹等[13]研究了灌溉后机械通气对温室芹菜地N2O排放的影响，结果表明N2O排放总量随灌水量和施氮量的增加而增加。然而，目前关于水肥气一体化灌溉对设施菜地N2O排放的影响研究较少。

为明确施氮、增氧和灌水对温室辣椒地土壤N2O排放的影响，本文系统研究不同水肥气组合方案对温室辣椒地土壤N2O排放的影响，优化水肥气组合方案，并通过SEM分析各影响因子对土壤N2O排放的综合贡献，以期明确水肥气一体化灌溉下温室辣椒地土壤N2O排放的影响机制，并为水肥气管理模式的优化提供支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年3月20日—6月30日在华北水利水电大学龙子湖校区农业高效用水实验室温室大棚(34°46′56″ N, 113°47′21″ E)开展。试验地的年平均气温为14.4℃，年日照时数为2 400 h。辣椒生育期温室气温和湿度动态如图1所示。

图1 辣椒生育期温室气温和湿度动态Fig.1 Dynamics of air temperature and humidity during pepper cropping season in greenhouse

1.2 试验材料与试验设计

试验中供试辣椒的品种为康大301(郑州郑研种苗科技有限公司)。种植桶为圆柱形，直径30 cm，高40 cm，采用全埋式布设，以模拟田间作物生长的光照和温度。供试土壤为黏质壤土，其中砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(0～0.002 mm)的质量分数分别为42.87%、35.26%和21.87%，土壤容重1.20 g/cm3，土壤碱解氮质量比38.87 mg/kg，速效钾质量比3.42 mg/kg，速效磷质量比9.98 mg/kg，有机质质量比21.54 g/kg，pH值7.50。采用地下滴灌进行灌溉，滴头型号为Netafim(以色列奈特菲姆灌溉公司)，额定流量2.2 L/h，滴头埋深10 cm。

设计了施氮、增氧和灌水3因素2水平试验，共计8个处理，每个处理8次重复，采用完全随机布设。试验设计如表1所示。

表1 水肥气一体化灌溉试验设计Tab.1 Experimental design of oxyfertigation

注：W为充分灌溉时的灌水量。N1为常量施氮，N2为减量施氮；W1为充分灌溉，W2为非充分灌溉；A为增氧滴灌，C为常规滴灌。

1.3 试验管理

采用海蓝科技微纳米气泡机(50 Hz，宜兴市海蓝科技有限公司)利用变压吸附分离原理制备纯氧，通过外置的储水罐进行循环，可制备超高溶解氧微纳米气泡水。于循环装置出水口安装供水干管，接入压力表和水表。待灌溉水溶氧量达到40 mg/L时(约5 min)开始灌溉。滴灌带首部供水压力控制为0.10 MPa。

充分灌溉的灌水量计算式[13]为

W=EpKc

(1)

式中W——充分灌溉时的灌水量，mm

Ep——2次灌溉间蒸发皿的蒸发量，mm

Kc——蒸发皿系数

每日08:00定时监测Φ601标准蒸发皿读数。表2为辣椒生育期内灌水量。

肥料采用水肥气一体化灌溉的方式施入。供试的氮、磷和钾肥分别为NH4NO3、P2O5和K2O，于移栽后21、30、40、51、62、70、85 d进行施氮，施氮比例为2∶3∶2∶2∶3∶2∶1。温室辣椒的施肥方案如表3所示。

表3 温室辣椒的施肥方案Tab.3 Fertilization scheme of pepper in greenhouse

1.4 指标测定及计算

试验中采用静态箱原位采集气样，静态箱为圆柱形，直径10 cm，高度15 cm，于静态箱顶部打孔，装入软管和三通阀，并用胶密封。由于静态箱的尺寸较小，气体较易混匀，故不需通过静态箱顶部装入风扇使气体扰动混匀。通过预试验，采用该装置采集气体，N2O浓度测量值随时间的回归系数可达0.85以上。每个处理随机选取3个盆栽进行静态箱底座的埋设，用于气样的采集。通过预试验，以NH4NO3为供试氮肥进行水肥气一体化灌溉时，N2O排放峰值出现在施肥灌溉后1 d，且变化过程较为平缓，故试验中于施肥灌溉后1 d进行气样的采集。采用带三通阀的注射器于0、10、20、30 min分别抽取静态箱气体，其中2 mL用于三通阀和针头的润洗，10 mL注入抽成真空的容积12 mL的气瓶中[18]。待气样采集完成后，注入20 mL的N2，放入4℃冰箱中保存，14 d内进行测试。

利用气相色谱仪(GC-2010 PLUS型，(岛津)有限公司)测定气体样品中N2O的浓度。N2O排放通量的计算式[11]为

(2)

式中F——N2O排放通量，μg/(m2·h)

ρ——标准气体的浓度，取1.96 g/cm3

h——土面与静态箱顶部距离，m

T——采集N2O时静态箱内温度，℃

P——采集N2O时静态箱内压强，kPa

P0——标准大气压，kPa

c——测定的气体浓度，mg/L

t——采集气样的时间，min

N2O排放总量的计算式[14]为

(3)

式中Et——研究时段N2O排放总量，mg/m2

Fi+1——第i+1次N2O排放通量，μg/(m2·h)

Fi——第i次N2O排放通量，μg/(m2·h)

ti+1——第i+1次采气时的时间，h

ti——第i次采气时的时间，h

氮素利用效率为作物产量和施氮量的比值，计算式[13]为

(4)

式中NUE——氮素利用效率，%

Y——作物产量，kg/hm2

FN——温室辣椒施氮量，kg/hm2

单产N2O排放量为土壤N2O排放总量与作物产量的比值，计算式[13]为

(5)

式中Eu——单产N2O排放量，mg/kg

采气的同时，通过温度计测定箱内温度；通过埋于静态箱底座附近的地温计测定10 cm土层的温度；采用预埋于径向5 cm处的土壤水分探头，通过便携式土壤水分测量仪(TRIME-PICO TDR，德国IMKO公司)监测0～10 cm土层的体积含水率，计算土壤的充水孔隙度；采用水平埋设于土深10 cm处的溶解氧探针，相连便携式溶解氧测定仪(PyroScience GmbH, Aachen, 德国)测定土壤溶解氧含量。土壤充水孔隙度(Water-filled pore space，WFPS)的计算式为

(6)

式中ρWFPS——土壤充水孔隙度，%

θv——土壤体积含水率，cm3/cm3

γ——土壤容重，g/cm3

ρs——土粒密度，取2.65 g/cm3

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2013软件进行数据统计及分析；采用SPSS 22统计软件进行显著性分析。使用R统计软件Amos Graphics CLI结构方程模型分析N2O通量与土壤理化因子之间的关系。

2 结果与分析

2.1 水肥气一体化灌溉对温室辣椒地土壤N2O排放的影响

图2为水肥气一体化灌溉下温室辣椒地土壤N2O排放通量。水肥气一体化灌溉下温室辣椒地土壤N2O排放通量峰值出现在辣椒移栽后31、63 d，而试验中其余监测时间呈较低水平。增氧、灌水量和施氮量的增加可显著增加温室辣椒地土壤N2O排放通量峰值。移栽后31 d时，增氧处理的N2O排放通量峰值较对照平均增加了34.94%，W1处理的N2O排放通量峰值较W2平均增加了64.60%，N1水平的N2O排放通量峰值较N2平均增加了31.35%(P<0.05)；移栽63 d时，增氧处理的N2O排放通量峰值较对照平均增加了34.75%，W1处理的N2O排放通量峰值较W2平均增加了37.09%，N1水平的N2O排放通量峰值较N2平均增加了23.12%(P<0.05)。

表4为水肥气一体化灌溉下辣椒产量及N2O排放量。增氧处理、灌水量和施氮量的增加可增加温室辣椒地土壤N2O排放总量。N1水平下，处理W1A和W2A的N2O排放总量较对照增加了40.00%和34.48%(P<0.05)；N2水平下，处理W1A的N2O排放总量较对照增加21.21%，故增氧条件下N2O排放总量较对照平均增加31.90%。N1水平下，处理W1A和W1C的N2O排放总量较W2相应处理分别增加了43.59%和37.93%(P<0.05)；N2水平下，处理W1A和W1C的N2O排放总量较W2相应处理分别增加了53.85%和37.50%(P<0.05)，故充分灌溉下N2O排放总量较非充分灌溉平均增加了43.22%。N1水平下W1A、W1C、W2A和W2C的N2O排放总量较N2水平下各相应处理分别增加了40.00%、21.21%、50.00%和20.83%(P<0.05)，故常量施氮的N2O排放总量较减量施氮平均增加了33.01%。

图2 水肥气一体化灌溉下温室辣椒地N2O排放通量Fig.2 Soil N2O emission flux in greenhouse pepper production system under oxyfertigation

处理N2O排放总量/(kg·hm-2)产量/(t·hm-2)氮素利用效率/%单产N2O排放量/(mg·kg-1)N1W1A(0.56±0.05)a(98.94±7.62)a(329.81±21.92)b(5.66±0.08)aN1W1C(0.40±0.02)b(86.72±5.97)b(289.08±24.83)c(4.61±0.35)cN1W2A(0.39±0.02)b(73.12±5.84)c(243.72±20.36)e(5.33±0.51)bN1W2C(0.29±0.01)c(66.43±3.36)d(221.42±18.14)f(4.37±0.27)dN2W1A(0.40±0.03)b(83.19±3.01)b(369.73±24.03)a(4.81±0.58)cN2W1C(0.33±0.03)c(79.13±5.84)b(358.25±28.11)a(4.17±0.28)dN2W2A(0.26±0.03)cd(64.50±1.61)d(282.88±16.23)c(4.03±0.44)deN2W2C (0.24±0.02)d(59.79±9.69)e(265.73±38.77)d(4.01±0.20)e

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

增氧处理和灌水量的增加可显著提高辣椒的氮素利用效率，而施氮量的增加降低了辣椒的氮素利用效率。N1水平下，处理W1A和W2A的氮素利用效率较对照提高14.09%和10.07%；N2水平下，W2A的氮素利用效率较对照提高6.45%(P<0.05)。N1水平下，处理W1A和W1C的氮素利用效率较W2相应处理分别提高35.32%和30.56%；N2水平下，处理W1A和W1C的氮素利用效率较W2相应处理分别提高30.70%和34.82%(P<0.05)。N1水平下，处理W1A、W1C、W2A和W2C的氮素利用效率较N2相应处理分别降低10.80%、19.31%、13.84%和16.67%(P<0.05)。

增氧处理、灌水量和施氮量的增加可增加单产N2O排放量。N1水平下，处理W1A和W2A的单产N2O排放量较对照增加了22.78%和21.97%；N2水平下，处理W1A的单产N2O排放量较对照增加了15.35%(P<0.05)，而处理W2A的单产N2O排放量较对照无显著性差异(P>0.05)。N1水平下，处理W1A和W1C的单产N2O排放量较W2相应处理分别增加了6.19%和5.49%；N2水平下，处理W1A和W1C的单产N2O排放量较W2相应处理分别增加了19.35%和3.99%(P<0.05)。N1水平下，处理W1A、W1C、W2A和W2C的单产N2O排放量较N2相应处理分别增加了17.67%、10.55%、32.26%和8.98%(P<0.05)。

单产N2O排放量是反映作物产量和N2O排放潜力的综合指标。处理N2W2A和N2W2C的单产N2O排放量均较小，且差异不显著(P>0.05)，而处理N2W2A的产量和氮素利用效率较N2W2C显著提高了7.88%和6.45%(P<0.05)。综合考虑温室辣椒产量、氮素利用效率和单产N2O排放量，减量施氮非充分灌溉增氧处理(N2W2A)是试验中推荐的水肥气一体化灌溉方案。

2.2 水肥气一体化灌溉对各影响因子的影响

2.2.1物理因子

图3为N2O排放的物理影响因子动态变化曲线。增氧处理、灌水量和施氮量的增加对土壤温度无显著影响(图3a、3b)。灌水量的增加可显著提高土壤的WFPS，而增氧和施氮对WFPS无显著影响(图3c、3d)。N1水平下，处理W1A和W1C的平均WFPS较W2相应处理增加了16.23%和13.61%(P<0.05)；N2水平下，处理W1A和W1C的平均WFPS较W2相应处理增加了20.30%和19.32%(P<0.05)。

增氧处理可显著提高土壤溶解氧含量，而灌水和施氮处理对土壤溶解氧含量无显著影响(图3e、3f)。N1水平下，处理W1A和W2A的土壤溶解氧含量较对照分别提高了10.68%和13.80%(P<0.05)；N2水平下，处理W1A和W2A的土壤溶解氧含量较对照分别增加了15.05%和16.06%(P<0.05)。

图3 N2O排放的物理影响因子动态变化曲线Fig.3 Dynamics of soil physical factors affecting soil N2O emission

图4 土壤和质量比动态变化曲线Fig.4 Dynamics of soil and contents

2.2.2化学因子

2.3 水肥气一体化灌溉下N2O排放的结构方程模型

水肥气一体化灌溉下土壤N2O排放的结构方程模型如图5所示。

图5 水肥气一体化灌溉下土壤N2O排放的结构方程模型Fig.5 SEM of soil N2O emission under oxyfertigation

3 讨论

3.1 水肥气一体化灌溉对温室辣椒地土壤N2O排放的影响

高频率的滴灌和施肥使得根区土壤水分和营养保持良好状态，影响着土壤碳氮循环和硝化反硝化过程，进而影响着土壤N2O的排放[19-20]。增氧灌溉可有效增加土壤有效氧含量，促进土壤的硝化作用[12]，并提供良好的气体排放通道，促进N2O的排放[21]。本文采用纯氧曝气装置制得的超高溶解氧微纳米气泡水进行灌溉，提高了土壤氧气含量，增氧处理的N2O排放总量较对照增加了31.90%，与HOU等[12]和杜娅丹等[13]研究结果相似。有研究表明减量施氮可有效降低土壤硝化、反硝化底物含量[22]，且N2O排放量随着施氮量的减少而显著减少[13]，故在相同的增氧和灌水条件下，减量施氮的土壤N2O排放显著低于常量施氮。土壤干湿变化可通过土壤理化特性的改变增加土壤碳氮的可利用性，造成土壤N2O排放增加[23]。灌溉是造成温室作物土壤干湿变化最主要的因素。灌水量的增加会激发土壤微生物的繁殖潜力，促进N2O的排放[24]，故本文中相同增氧和施氮水平下充分灌溉的N2O排放量较非充分灌溉显著增加。

作物生育期内土壤N2O排放通量峰值与土壤温度、灌溉和施肥措施紧密相连[12-13,20]。施氮量的增加导致硝化、反硝化反应底物有所增加，促进土壤N2O的排放[25]。本文于辣椒移栽后的30、62 d进行灌溉施氮，且灌水量和施氮量较生育期内其他灌水量和施氮量有所增加。施氮量的增加为辣椒根系土壤提供了充足的硝化、反硝化反应底物，灌水量的增加充分激活了土壤微生物的繁殖潜力，导致N2O排放有所增加，故辣椒生育期内出现了2次N2O排放通量峰值。试验中水肥气一体化灌溉下温室辣椒生育期N2O排放总量较常规的施入基肥再追肥的施肥方式[25]实现了减排，与王艳丽等[20]研究结果相似。这主要是肥料随水少量多次的协调施入作物根区，保证了土壤氮素尽可能多地被作物吸收利用，从而降低了土壤氮素以N2O形式排放的直接损失。

3.2 水肥气一体化灌溉下土壤N2O排放与各影响因子间的关系

土壤水分主要通过影响土壤的有效氧含量、氮素迁移转化和微生物活性等影响N2O排放[28]。当土壤含水率在充水孔隙度的35%～60%时，N2O排放主要来源于硝化反应，当含水率超过充水孔隙度的70%时，土壤N2O排放主要来源于反硝化反应[29]。本文中N1水平下监测的土壤充水孔隙度均值为40.84%～47.11%；N2水平下监测的土壤充水孔隙度均值为38.46%～47.30%，表明N2O产生主要来源于硝化反应，充水孔隙度可解释水肥气一体化灌溉下N2O排放的60%。