设施甜椒土垄内嵌式基质栽培垄的N2O排放通量昼夜变化

李宝石, 刘文科, 李宗耕, 张玉彬, 查凌雁, 周成波, 邵明杰

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室, 北京 100081)

近年来，全球气候变暖问题引发各国高度重视，这种现象主要由CO2、N2O、CH4三种温室气体所致，CO2作为最主要的温室气体对于全球气候变暖的贡献率约为55%，N2O增温的潜势是CO2的298倍[1]。农业生态系统排放是全球N2O排放的主要来源之一[2]，每年农业N2O的排放量约占全球排放总量的25%～39%[3-4]。我国是世界上氮肥施用最多的国家之一，氮肥施用的不合理现象极其普遍[5]，尤以设施菜地最为严重。为了追求高产量，以获得更好的经济回报，菜农普遍超量施用氮肥，日光温室中独特的高温高湿环境，极大地促进了N2O的排放[6]，成为农业重要的排放源[7-8]。截至2015年，中国日光温室栽培面积已超过400万hm2以上，设施菜地N2O排放因此急剧增多[9]。由此可见，明确设施菜地温室气体的排放规律可为制定合理减排措施提供理论参考。

针对日光温室生产过程中存在的低温胁迫和各种资源环境问题，傅国海等[10-11]提出了一种新的栽培方式——土垄内嵌式基质栽培方法(soil-ridged substrate-embedded cultivation, SSC)，即采用一定的工程技术手段将基质嵌在土壤中进行栽培。SSC作为一种限根基质栽培，在根区环境上与土壤栽培有所差异，栽培介质理化性质和微生物群有所不同，昼夜温热条件有所区别，势必造成不同土垄栽培方式的N2O排放特征差异[12-14]。而以往对于设施菜地N2O排放的研究中，大多研究以土壤栽培为主，对无土栽培N2O排放的研究较少，并且设施蔬菜N2O排放通量的观测频率多为几天观测一次[15-17]，影响了估算结果的准确性。因此，为了量化N2O排放量，进行N2O排放通量的昼夜变化研究尤为重要。

本研究通过对新型栽培方式的不同栽培模式下甜椒苗期的N2O排放通量进行连续监测分析，以期探明SSC栽培方式对根区N2O排放量、排放特征的影响及其昼夜变化特征，确定新型栽培方式下的最佳减排增产栽培模式，为SSC垄栽培条件下N2O排放量的估算和新型栽培方式的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在北京市顺义区大孙各庄镇的中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地(N40°15′，E116°55′)，位于华北平原北部，平均海拔为30 m，属于典型的暖温带半湿润大陆季风气候。年平均气温12.5 ℃，供试日光温室东西长60 m，跨度为8 m，脊高3.8 m，供试日光温室室龄为4 a。试验小区距后墙体1.5 m，距西侧山墙4 m，冬、春两季种植作物时棚膜上覆盖棉被，试验当天棉被8:00自动卷上，16:00棉被放下，试验当天为晴天，通风口未打开，外界空气与室内气体交换较弱。供试作物为甜椒，品种为‘海丰16号’，2018年9月21日穴盘育苗，两叶一心时移栽定植，定植时间为10月17日。

甜椒栽培采用基质和土壤两种方式，采用水肥一体化自动滴管，营养液组成每20 L药品用量为：2.61 g硫酸钾、1.36 g磷酸二氢钾、0.149 g氯化钾、3.2 g七水合硫酸镁、11.8 g四水合硝酸钙、0.746 g乙二胺二乙酸二钠、0.556 g七水合硫酸亚铁、0.12 mg硼酸、3.38 mg二水合硫酸锰、0.50 mg五水合硫酸铜、5.76 mg七水合硫酸锌、0.12 mg钼酸铵。pH控制在6.5左右。基质体积配比为草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1，每天上午11:00滴灌1 min，流速为20 mL·min-1·株-1，即每天每株的纯氮量为14 mg。因与传统施肥方式不同，水肥一体化滴灌施肥，每日施相同肥量，选取苗期一天温湿度变化剧烈的时间段内测定其N2O排放通量的排放特征进行分析。试验以土垄内嵌式基质栽培(SSC)为基础，SSC标准垄为梯形垄，规格为长3 m，上底宽20 cm，下底宽40 cm，垄高15 cm；SSC矮垄为梯形垄，规格为长3 m，上底宽20 cm，下底宽40 cm，垄高10 cm(图1)。

1.2 试验设计

试验共设置3个处理，每个处理3次重复，共6个不同测试区域，分别为SSC标准垄的内嵌基质区域和整垄部分、SSC矮垄的内嵌基质区域和整垄部分、SSC栽培内嵌区域相对应的土垄位置和土垄的整垄部分。3个处理分别为梯形土垄(A)、SSC标准垄(B)和SSC矮垄(C)。3种处理的不同测试位置如图2所示。

注：1—土壤；2—地膜；3—营养元素；4—基质栽培槽；5—内嵌膜；6—孔洞；7—地面。Note：1—Soil; 2—Plastic film; 3—Nutrient elements; 4—Substate groove; 5—Inlay membrane; 6—Vent hole; 7—Ground.图1 不同栽培方式的截面示意图Fig.1 Schematic diagram of different cultivation methods

注：1—整垄；2—内嵌区。Note: 1—Full ridge; 2—Embedded area.图2 3种栽培方式的不同测试位置Fig.2 Different test locations of 3 cultivation methods

1.3 气体样品采集及测定

试验中每垄放置两个不同规格的静态箱，内嵌采样装置由底座(20 cm×25 cm×10 cm，带凹槽)和箱体(11 cm×21 cm×40 cm)组成；整垄采样装置由底座(50 cm×25 cm×20 cm，带凹槽)和箱体(41 cm×21 cm×40 cm)组成，上述均为外径尺寸，板材厚度为5 mm，由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和温度探头。取样从当日8:00开始，至22:00结束，每隔1 h采集1次气体样品，采样时将采样箱扣在底座凹槽内并加水密封，扣箱后用30 mL塑料注射器抽取箱内气体，每次取样结束后，将上罩打开，并准确记录采样时箱体内气温，以及5 cm地温(YM-CJ型智能土壤温度记录仪)。气样带回实验室，使用7890A气相色谱仪(美国，安捷伦)进行测定。

气体通量(F)计算公式为：F=p×V/A×dc/dt×273/(273+T)×P/P0

式中，F为N2O的排放通量，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；V为采样箱体积，A为土壤面积；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；P为采样时气压；P0为标准大气压；P/P0≈1。

1.4 甜椒生理指标检测

于2018年12月14日对每个处理选取5株甜椒植株，测定甜椒的生长指标。采用游标卡尺测定茎粗；采用直尺测定甜椒株高；采用SPAD叶绿素仪测定甜椒叶片叶绿素含量。分别于2019年2月22日、3月1日、3月8日、3月15日、3月22日、3月29日分6次采摘成熟果实,累加果实鲜重总和，即为整个阶段单株甜椒产量。同时，于3月29日拉秧时，将选取的5株甜椒的地上部和地下部分开，测定鲜重，然后用电热鼓风干燥箱(DHG-9620-A)于105 ℃杀青2 h，80 ℃烘干至恒重，测定植株干重。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理及作图，并采用SPSS 23.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 设施甜椒三种栽培方式内嵌部分N2O排放通量的昼夜变化

三种栽培方式内嵌部分的N2O昼夜变化(图3)均表现为明显的昼高夜低现象，在9:00和19:00出现两个排放峰值，且显著高于其他时间段的观测值。在9:00，土垄栽培排放峰值最高，为0.716 mg·m-2·h-1，SSC矮垄排放通量最低，为0.403 mg·m-2·h-1，SSC标准垄排放通量为0.498 mg·m-2·h-1；在19:00，SSC矮垄排放通量最高，为0.398 mg·m-2·h-1，SSC标准垄排放最低，为0.230 mg·m-2·h-1，土垄栽培排放通量为0.339 mg·m-2·h-1。在观测时间段内，不同栽培方式在不同时间内均出现负值，尤其是土垄栽培在11:00—13:00时间段内，一直处于负值，SSC栽培在12:00—13:00时间段内也出现负值，表明这一时间段内栽培区域部分出现了吸收现象，在21:00，SSC矮垄再次出现负值。其他时间段内，土垄栽培方式的观测值基本保持在0.004～0.313 mg·m-2·h-1范围内，SSC标准垄的观测值基本保持在0.007～0.248 mg·m-2·h-1范围内，SSC矮垄的观测值基本保持在0.024～0.282 mg·m-2·h-1范围内。在观测时间段内，不同栽培方式N2O排放通量的最大值与最小值的差值分别为：土垄栽培方式为0.806 mg·m-2·h-1，SSC标准垄为0.537 mg·m-2·h-1，SSC矮垄为0.575 mg·m-2·h-1，由此可见土垄栽培N2O排放昼夜变化波动较大。由观测时间段内的昼夜N2O排放通量的平均值可知，在8:00—16:00时间段内，SSC标准垄的排放通量最小，为0.101 mg·m-2·h-1，但在17:00—22:00时间段内，SSC标准垄的排放通量最大，为0.087 mg·m-2·h-1。由此可知，不同栽培方式的内嵌区N2O排放通量略有差异。

注：时间为9:00和21:00处的不同小写字母表明不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase letters at the time of 9:00 and 21:00 indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图3 SSC内嵌基质与土垄对应部分N2O排放通量的变化Fig.3 Variations of N2O emission flux in the corresponding part of SSC embedded substrate and soil ridge

2.2 设施甜椒三种栽培方式整垄N2O排放通量的昼夜变化

由图4可知，SSC标准垄在10:00和19:00出现两个较小的排放峰值，在10:00，N2O排放通量为0.532 mg·m-2·h-1，19:00再次出现排放峰值，为0.441 mg·m-2·h-1，在13:00和15:00出现负值，说明在这一段时间内出现了吸收现象。除了两次排放峰值以外，其他时间段内均保持在-0.047～0.350 mg·m-2·h-1范围内；SSC矮垄在11:00和17:00出现两次排放峰值，在11:00的N2O排放通量为0.598 mg·m-2·h-1，在17:00再次出现排放峰值，为0.221 mg·m-2·h-1，在14:00出现负值，说明在这一段时间内SSC矮垄出现了吸收现象。除了排放峰值以外其他时间段内均保持在-0.010～0.361 mg·m-2·h-1范围内；土垄排放通量较为稳定，在10:00出现一次较小峰值以外，其他时间段内均保持在-0.050～0.227 mg·m-2·h-1范围内，在10:00排放通量为0.342 mg·m-2·h-1，3种栽培方式均在13:00—15:00这一时间段内出现不同程度的吸收现象。由此可看出，起垄栽培会影响N2O排放通量的昼夜变化。

2.3 设施甜椒三种栽培方式根区温度与室内气温间的关系

三种栽培方式的日光温室内气温、基质温度和土壤温度结果(图5)可知，根区温度与室内气温的变化基本一致，峰值滞后于气温1～3 h，且观测时间内，气温的变化比根区温度的变化更为剧烈。三种栽培方式的根区温度有所差别，观测时间段内，SSC矮垄的最高温度>土垄的最高温度>SSC标准垄的最高温度；SSC标准垄的最高温度的昼夜变化较为稳定，对于高温的缓冲效果比其他两种栽培方式较好，且在夜间能够有效维持根区储存的热量。5 cm土壤温度与5 cm基质温度维持在11～27 ℃，能够满足硝化(15～35 ℃)、反硝化(5～75 ℃)微生物活动所要求的适宜温度，在观测时间段内，不同介质的根区温度有所差异，SSC矮垄的昼夜变化波动较大，且升温速度比土垄的根区温度变化要快，说明基质栽培根区温度吸热较快。从SSC标准垄的温度变化来看，基质体积比例也会影响根区温度的变化。

注：不同小写字母表明不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图4 SSC垄与土垄N2O整垄排放通量的变化Fig.4 Variation of N2O emission flux from SSC ridge and soil ridge

图5 日光温室内气温与基质温度、土壤温度的变化规律Fig.5 Variation of air temperature, matrix temperature, and soil temperature in solar greenhouse

2.4 设施甜椒三种栽培方式对甜椒幼苗生长以及N2O排放通量的影响

由表1可知，不同栽培处理的甜椒苗期生长的株高、茎粗和叶绿素含量等各项指标都存在差异。以土垄栽培为对照，SSC两种栽培方式下的株高、茎粗都高于土壤栽培的甜椒，SSC矮垄栽培生产性能较优越。土垄栽培和SSC标准垄的茎粗差异并不显著，但是株高和叶绿素含量差异显著；SSC矮垄与土垄栽培的株高、茎粗差异显著，叶绿素含量差异不显著；三种栽培方式的甜椒地上部及地下部的生物量均有差异，SSC栽培能够增加甜椒地上部及地下部的生物量，但对甜椒干重无显著提高。SSC栽培显著提高了甜椒产量，SSC标准垄与SSC矮垄的产量无显著差异，但从经济投入来看，SSC矮垄减少了基质的使用量，减少了前期成本投入。因此，SSC矮垄生产性能较为合适。由表2可知，三种栽培处理的不同检测点无论在白天还是夜间的N2O累积排放量均无显著差异，测试时间段内的昼夜累积N2O排放总量也无显著差异。

表1 三种栽培方式下甜椒的形态和生物量指标Table 1 Morphological parameters of sweet pepper under three cultivation methods

表2 日光温室中三种栽培方式下的N2O排放通量Table 2 N2O emission flux under three cultivation modes in solar greenhouse

3 讨论

3.1 不同栽培方式下N2O排放特征及影响因素

本研究结果表明，三种栽培方式条件下N2O排放通量昼夜变化呈现双峰的变化规律，这可能由于N2O排放峰值与土壤表层湿度、土壤温度等相关环境因子协同作用所致，下午出现的排放峰值较土壤温度的峰值滞后2～5 h，这与徐钰等[18]在北方设施蔬菜观测到的滞后约2 h，Blackmer等[19]观测到的滞后2～12 h，具有相似性。导致N2O排放通量的峰值滞后，可能是日光温室内气温向土壤传递热量需要时间，而土壤温度和其他相关环境因子协同作用影响N2O产生与扩散；本研究中由于栽培方式、栽培介质的不同，空气温度将热量传递到土壤，致使土壤温度尤其是根区温度达到峰值的时间也不尽相同，这与傅国海等[20]、李宗耕等[21]的研究一致。此外，在上午9:00出现高峰值可能与土壤湿度有关，由于棉被打开，室内的气温逐渐上升，使得土壤N2O的排放速率急剧升高。此外，三种栽培模式N2O排放通量呈现明显的昼高夜低现象，对于整个垄部而言，SSC矮垄与SSC标准垄、土垄差异不显著，原因可能是在甜椒苗期水肥供应充足，而植株不能完全利用，致使基质或土壤中的湿度过大，从而使基质的透气性减弱，抑制N2O排放。从各栽培处理的取气区域来看，N2O排放通量在内嵌区域排放波动较大，出现这种现象的原因是采用滴灌方式给植物根系补给养分，使得这一部分的温湿度变化较大，但由于基质栽培对于养分的扩散速率较快。因此，SSC标准垄栽培和SSC矮垄栽培的波动范围相较于土垄栽培更加稳定。

土壤温湿度是影响N2O排放的重要环境因子[22]，但本研究表明5 cm处土壤温度与N2O排放并无显著相关性，这可能因为影响N2O排放的因子不仅仅只受单因素影响，而是不同环境因素协同作用的结果，尤其是当某一环境因子超过一定范围时，N2O排放速率就会急剧上升，这在杜娅丹等[23]研究中也有相关表述。此外，由于新型栽培模式结合了土壤与基质的各自优势，改变了作物根区的区域环境，从而导致SSC栽培与土垄栽培模式下N2O排放略有差异。本研究采用了水肥一体化滴灌施水施肥，因而利于N2O排放[24-25]，但是不同水肥配比下N2O排放机理与排放规律尚需深入研究。

3.2 不同栽培方式对N2O累积排放量及植株生长差异的影响

本研究观测时间段内，三种处理不同测试位置的N2O累积排放量无显著差异，但由于基质与土壤相比孔隙度较大，含氧量较高，在甜椒幼苗时期氮肥供应充足，硝化细菌较多，硝化作用较强[26]，在适宜的温度范围内，硝化作用(25～35 ℃)和反硝化作用(30～67 ℃)[27]得以顺利反应。因此在甜椒幼苗时期，基质栽培要比土壤栽培受环境因子影响更为明显，本研究证明在白天适宜的土壤温度条件下，SSC标准垄栽培要比土垄栽培排放量要少。但到了夜晚，室内温度下降，SSC标准垄的根区温度高于土垄的根区温度时，N2O排放量也随之增加。由于甜椒幼苗生长期对于养分的需求较低，而养分供应充足，除一部分被植物根系吸收利用外，剩余的残留在土壤、基质中，或者以气体的方式释放，极大地浪费了资源。随着甜椒的生长，对于养分的吸收逐渐增大，基质栽培相较于土壤栽培的N2O排放量会略有减小。本研究测定时间较短，只测定了日变化中温湿度变化剧烈的时间段，可能导致N2O排放的日变化没有完全捕捉，以及其它生长季的N2O排放机理尚不明确，有待在将来的试验中加以完善。

三种栽培处理对于甜椒苗期生长指标的影响各有差异，SSC矮垄栽培生产性能比较优越。因此，综合考虑N2O排放与植株生长，在保证产量的前提下，仍需进一步探究植株生长季的N2O排放量，以及探明新型栽培方式下，滴灌时间与温湿度等环境因子协同互作下N2O排放的影响机理，为优化一种高产、节能减排的栽培技术提供新的思路。