根区施用硝化抑制剂DMPP对不同栽培方式下黄瓜产量及根区温室气体排放的影响

李宝石, 刘文科, 王奇, 查凌雁, 张玉彬, 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)

大气中温室气体浓度呈逐渐递增趋势，由此导致的全球气温升高和臭氧层破坏已成为全球关注的重要环境问题[1-2]。二氧化碳(CO2)和氧化亚氮(N2O)是大气中重要的温室气体[1]，不仅会破坏臭氧层[3-4]，也会导致温室效应。据统计，2018年我国的农田氮肥总用量已达2 065万t氮[5]。菜地氮肥投入量和复种指数远高于一般农田，温室菜地氮肥用量是露天菜地的2～5倍[6-7]，而且未来10年我国蔬菜需求量仍将呈现刚性增长趋势，由蔬菜种植引起的温室气体排放等环境问题也会越来越突出。因此，高效生产、节能低排的栽培方式是促进农业可持续发展的必经之路。

近年来，无土栽培技术在全世界兴盛发展，成为解决土壤栽培问题的有效途径[8]。Yoshihara等[9]通过研究岩棉栽培的番茄作物发现，相比土壤栽培，岩棉栽培能够提高作物氮素利用效率，减少N2O排放；Lorach-Massana等[10]通过珍珠岩袋栽培生菜试验发现，无土栽培存在减排的潜势。然而，无土栽培基质结构性质造成其稳定性较差，日光温室夏季的高温胁迫影响了其生产性能的发挥。针对此问题，傅国海等[11]研究发现，利用起垄内嵌基质栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)能够充分发挥土壤对环境温度的缓冲作用，同时又能充分发挥基质栽培高产高效的优点。此外，有研究证明，采用强反光膜覆盖的起垄内嵌基质栽培降温效果最好，有利于番茄苗期的生长[12]。Díaz-Pérez[13]研究也表明，采用反光地膜覆盖的甜椒果实产量有所增加。目前，相关研究仅仅关注的是根区温热性能[11-12,14]，并未针对温室气体排放做过深入研究。SSC作为限根基质栽培方法，其栽培介质理化性质和微生物群与土壤栽培不同，这些差异导致SSC方法在温室气体排放特征上与土壤栽培存在差异。因此，明确SSC根区温室气体排放特征及其调控机制不仅是当前科学领域的前沿内容，也是SSC技术广泛推广应用的重要依据。硝化抑制剂是能提高肥料利用率、减少氮肥损失的一类化学氮肥或生物制剂[15-16]。近些年，硝化抑制剂在降低N2O排放、减少硝态氮淋失、提高氮肥利用率、提高作物产量等方面起到了很好的效果[17-18]。因此，在复种指数高、氮肥施用量大的设施蔬菜田中使用硝化抑制剂，这一减排措施对控制气候变暖具有重要意义。

本研究利用静态箱-气相色谱法对日光温室中土垄栽培和SSC栽培根区温室气体排放进行观测，探究了日光温室中2种栽培模式下温室气体排放特征差异及其主要影响因素，定量研究了硝化抑制剂对日光温室中SSC栽培模式下的温室气体减排贡献及对黄瓜产量的影响，确定了有效的减排调控途径，旨在为设施菜地温室气体减排提供基础数据和科学依据，为农业生产实践提供服务。

1 材料与方法

1.1 温室概况

试验在北京市顺义区大孙各庄镇中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地的日光温室中进行。温室东西长60 m，跨度8 m，脊高3.8 m，室龄为4 a。小区面积48 m2，距温室南端2 m，离西侧山墙4 m。

1.2 试验材料

1.3 试验设计

本试验设置5个处理：土垄，不施氮肥(CK)；起垄内嵌式基质栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)；土垄(soil cultivation，SC)；起垄内嵌式基质栽培+DMPP(soil-ridged substrate-embedded cultivation+DMPP，SSC+D)；土垄+DMPP(soil cultivation+DMPP，SC+D)。除对照外，其他4种处理施氮肥均为188 kg·hm-2，DMPP的添加量为总氮肥用量的1%。垄规格(上底×下底×垄高)为20 cm×40 cm×10 cm，起垄内嵌槽尺寸(长×宽×高)为300 cm×10 cm×10 cm。每垄种植10株黄瓜，每个处理均重复3次。

1.4 测定指标与方法

1.4.1温室气体通量 采用静态暗箱观测法测定温室气体通量。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，均为外径尺寸，板材厚度为5 mm。在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。2019年5月29日、31日(以后每隔一周采气一次)，每次上午10:00、10:10、10:20、10:30、10:40进行采气。采气结束后将气样带到实验室，用安捷伦气相色谱仪(7890A，美国)测定气体样品中N2O和CO2气体的积分面积。N2O使用电子捕获检测器(ECD)检测，CO2经Porapak Q填充柱分离并经镍转化炉还原后使用FID检测。镍转化炉、FID及ECD 运行温度分别为375、200和300 ℃，炉温55 ℃。每次采集气体样品的同时，同步记录采样箱内温度、大气温度、5 cm土层温度(YM-CJ型智能土壤温度记录仪测定)。气体通量(F)计算公式[19]如下。

(1)

式中，F为温室气体的排放通量，正值表示土壤向大气排放，负值表示吸收，mg·m-2·h-1；ρ为标准状态下气体的密度，g·L-1；V为采样箱体积；A为土壤面积；T为采样箱内气温，℃；dc/dt为采样箱内温室气体气体浓度随时间变化的速率，μL·L-1·h-1。

在 100 a 时间尺度的气候变化上，设CO2的综合增温潜势(comprehensive global warming potential，GWP)为1，则N2O气体的GWP为298[19]。GWP计算公式如下。

GWP(CO2-eq kg·hm-2)= CO2累积排放量+N2O累积排放量×298

(2)

1.4.2土壤基质pH和电导率测定 气体样品采集完毕之后，用土钻采集底座框内的0—10 cm 土壤或基质样品。然后将新鲜样品风干，称取10 g样品置于50 mL离心管中，加入25 mL水。将离心管密封后，用摇床搅拌30 min，然后静置1 h，用 pH 计(PHS-2F，上海仪电科学仪器股份有限公司，中国)测定基质的pH，用电导率仪(DDSJ-308F，上海仪电科学仪器股份有限公司，中国)测定基质电导率(electrical conductivity，EC)。

1.4.3黄瓜指标测定 ①黄瓜生长及生理指标测定。于移植25、50 d时，采用游标卡尺测定茎粗，用直尺测定株高，计数法测定叶片数，采用SPAD叶绿素仪测定黄瓜叶片叶绿素含量。

②黄瓜生物量指标测定。于移植50 d时果实采收后，分别测定其黄瓜果实长度和果实直径以及单果重。2019年6月3日开始采收，每个处理选取5株黄瓜植株，采收果实并称重，以后每隔3～5 d采收一次，累加果实鲜重总和，即为整个阶段单株黄瓜产量。7月12日测产结束后进行拉秧，将选取的5株黄瓜植株的地上部和根系分开，然后用电热鼓风干燥箱(DHG-9620-A)于105 ℃杀青2 h，于80 ℃烘干至恒重，分别测定地上部和根系的干重。

1.5 数据统计分析

将气体通量平均值作为日均值，采用线性内插法计算气体的累积排放量。利用SPSS 25.0软件的One-way ANOVA比较处理间黄瓜各指标和气体通量的差异显著性。采用Microsoft Office Excel 2010绘制图表。

2 结果与分析

2.1 DMPP对N2O排放通量的影响

由图1可知，各处理N2O排放通量高峰均在移植后33 d，CK、SC、SC+D、SSC、SSC+D处理分别为0.075、0.287、0.165、0.232、0.112 mg·m-2·h-1，SC、SSC处理N2O排放通量显著高于CK(P<0.05)，而SC+D、SSC+D处理与CK相比则没有显著差异；与SC、SSC处理相比，SC+D、SSC+D处理显著降低了N2O排放通量，SC处理比SC+D处理高出73.3%，SSC处理比SSC+D处理高出106.6%(P<0.05)。移植后40 d各处理N2O排放通量急剧回落，之后一直到移植后75 d，各处理N2O排放通量几乎趋于“一条直线”。在整个生长时段内，CK处理的N2O排放通量始终保持较低水平。

2.2 DMPP对CO2排放通量的影响

由图2可知，各处理的CO2排放通量表现为多波峰交错波动的动态变化趋势。在移植后40、54、61、68和75 d各处理间出现显著差异(P<0.05)。在移植后33 d时，SC处理的CO2排放通量最高，达450.7 mg·m-2·h-1，但与CK相比无显著差异。总体上看，整个生长阶段中，SC处理的CO2排放通量始终保持较高水平，而SSC+D处理的CO2排放通量始终保持较低水平。与CK相比，SC处理(304.5 mg·m-2·h-1)的CO2排放通量只在54 d显著高出CK(100.7 mg·m-2·h-1)近3倍，SC+D、SSC和SSC+D处理在68和75 d均显著低于CK(P<0.05)。

2.3 施加DMPP条件下起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培理化指标的变化

图3为起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培理化指标的变化趋势。土壤栽培的pH显著高于起垄内嵌式基质栽培(P<0.05)，SSC处理和SSC+D处理的整体变化趋势大致相同，施用DMPP后的SSC+D处理的pH始终高于SSC处理，说明施用DMPP提高了起垄内嵌式基质栽培根区环境的pH。SC处理和SC+D处理在前期的pH基本处于“一条直线”，在移植68 d时，SC处理急剧下降，然而SC+D处理明显上升。与pH不同的是，起垄内嵌式基质栽培的电导率(EC)值显著高于土壤栽培(P<0.05)。各处理间的变化趋势大致相同，施用DMPP后的SSC+D处理的EC值始终低于SSC处理。土壤栽培的3个处理的EC值均处于较低水平。

2.4 N2O和CO2累积排放量、N2O排放系数及增温潜势

由表1可知，与CK相比，SC处理和SSC处理均显著增加了N2O累计排放量(P<0.05)，增幅分别为126.7%和63.3%，而SC+D处理和SSC+D处理对N2O累计排放量的影响差异不显著。此外，SC处理显著增加了CO2累计排放量(P<0.05)，增幅为27.6%，SSC+D处理显著降低了CO2累积排放量，降幅为27.6%，SC+D处理和SSC处理对CO2累计排放量的影响差异不显著。各处理的N2O排放系数均低于IPCC的1%这个默认值。各处理在100 a时间尺度上的综合增温潜势显示的结果可知，SC的CO2和N2O排放的综合增温潜势最高，SSC+D处理的CO2和N2O排放的综合增温潜势最低。相比SC处理，SSC处理显著降低了CO2和N2O排放的综合增温潜势；此外，SC+D处理显著低于SC处理，SSC+D处理显著低于SSC处理(P<0.05)。

表1 不同处理下CO2和N2O累积排放量、N2O排放系数及增温潜势Table 1 Cumulative emissions of CO2 and N2O, N2O emission factor, and GWP under different treatments

2.5 黄瓜生长及生理指标

由表2可知，黄瓜移植25 d时，5种处理下黄瓜生长指标存在差异。SSC+D处理和SC+D处理的黄瓜植株株高、SPAD和叶片数均显著高于CK处理(P<0.05)，各处理间的茎粗无显著差异。移植50 d时，SC处理、SC+D处理、SSC处理和SSC+D处理的株高、茎粗、SPAD和叶片数均显著高于CK处理(P<0.05)；SSC处理的SPAD显著高于SC处理(P<0.05)，其他指标两者无显著差异；相比未施加DMPP的SC处理和SSC处理，SC+D处理和SSC+D处理显著增加了黄瓜植株茎粗指标(P<0.05)，说明施加DMPP后对黄瓜植株生长有促进作用。

表2 移植25、50 d后不同处理下黄瓜生长及生理指标Table 2 Growth and physiological indicator of cucumber under different treatments at 25 and 50 d after transplanting

2.6 黄瓜生物量与果实产量

由表3可知，与CK相比，SC处理、SC+D处理、SSC处理和SSC+D处理显著增加了黄瓜植株的地上部干重(P<0.05)。SSC处理较SC处理，显著提高了黄瓜产量和地上部、根系的干物质量(P<0.05)，分别为5.1%、8.4%、66.1%。相比SC处理，SC+D处理显著提高了黄瓜产量和地上部、根系的干物质量(P<0.05)，分别为11.6%、17.1%、27.5%；相比SSC处理，SSC+D处理显著提高了黄瓜产量和地上部干物质量(P<0.05)，分别为6.7%、9.9%。与CK相比，其他4种处理均显著提高了单果重(P<0.05)，以SSC+D处理的增幅最大，为30.0%。施用氮肥显著增加了黄瓜产量(P<0.05)，此外，SSC处理比SC处理显著提高了黄瓜产量(P<0.05)，但施加DMPP后的SC+D和SSC+D处理在黄瓜产量上无显著差异，说明起垄内嵌式基质栽培具有一定增产的效果，配合施用DMPP仍具备再次增产的潜势。

表3 不同处理下植株生物量与黄瓜果实性状及产量指标Table 3 Plant biomass, fruit morphology and yield of cucumber under different treatments

3 讨论

3.1 DMPP对日光温室起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培黄瓜根区N2O排放的影响

众多研究表明，施用氮肥是导致根区N2O排放增加的主要因素之一[19-20]。本研究结果表明，施用氮肥后的SC处理和SSC处理均比不施氮肥的CK显著促进了根区N2O排放。这是因为施氮肥向根区提供了大量氮素，为根区硝化和反硝化作用提供了充足的底物，从而更利于微生物作用产生N2O排放[21]。本研究中水肥条件一致情况下，SC处理比SSC处理的根区N2O累积排放量高1.4倍，SSC处理的根区N2O累积排放量较低，说明SSC处理改变了根区理化性质，引起根区通气性等发生变化，从而降低了N2O气体排放；另一方面，Ruser等[22]研究表明，以土壤为栽培介质的作物，N2O排放是硝化和反硝化作用共同的结果，而无土栽培中使用的基质疏松多孔具有良好的保水性和通气性，缺少有机肥和微生物，也会削弱反硝化作用。

3.2 DMPP对日光温室起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培根区CO2排放的影响

本研究中起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培根区CO2平均排放通量变化范围为129.16～265.69 mg·m-2·h-1，CO2排放较低的原因可能是，一方面土壤呼吸排放的CO2中有 30%～50% 来自于作物根系活动或自养呼吸作用，肥料的施用增加矿质氮等养分的含量，促进作物根系呼吸[24]，本研究由于采用水肥一体化滴灌施肥，提高了水肥利用效率，所提供的养分大部分被黄瓜生长所消耗，土壤有机质含量的降低进而抑制了土壤微生物活性，减少了CO2排放；另一方面，起垄内嵌式基质栽培的根区环境是由草炭、蛭石和珍珠岩所制成，土壤中16S rRNA基因丰度要比基质栽培高10倍[9]，因此起垄内嵌式基质栽培CO2排放降低的原因可能是其本身含有少量的微生物进行呼吸。施用硝化抑制剂DMPP是否减少CO2排放的结果不一致，Zhu等[25]报告说，CO2排放不受DMPP的影响；Weiske等[26]研究则表明，DMPP导致的CO2和CH4排放减少的结果。本研究结果表明，在土壤中施用DMPP的SC+D处理比SC处理显著降低了根区CO2累积排放量，后者是前者的1.4倍，而SSC+D处理虽比SSC处理降低了根区CO2累积排放量，但未达到显著水平，可能是因为DMPP减少了土壤中有机碳的矿化，进而降低了土壤碳的分解[27]。

3.3 日光温室起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培根区温室气体排放与影响因子之间关系

土壤pH可通过影响氮相关功能微生物的活性及改变相应的氮素转化过程而影响N2O的排放[28]。以往的研究表明，土壤pH是驱动氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古细菌(AOA)群落组成及其对N2O排放的贡献的主要因素[29]。一般来说，AOA是酸性土壤中氨氧化和N2O排放的主要贡献者，而AOB则主要是碱性土壤中氨氧化和N2O排放的主要贡献者[30]。土壤pH影响反硝化酶Nos的活性：当pH>7时其活性增强，然而当pH<7时其活性逐渐减小，而其他反硝化酶的活性增强，从而导致反硝化过程产生更多的N2O[27]。另外，有报道指出，当pH在3.4～8.6时，硝化作用与pH呈正相关，较低的pH会使硝化菌群数量降低，因而对硝化过程起到抑制作用[31]，本研究结果表明，土垄栽培的pH范围是7.5～8.5，而起垄内嵌式基质栽培根区pH范围是5.0～6.0，这也解释了上述所提到无土栽培产生N2O是以反硝化过程为主导。Shi等[32]研究表明，DMPP通过抑制pH在5.44～7.96之间的牧草、小麦和蔬菜土壤中AOB的生长和丰度而不是AOA来减缓硝化作用，因此，本研究中在土壤栽培中施加DMPP的减排效果比起垄内嵌式基质栽培的减排效果更加明显。研究表明，水分与盐分对土壤CO2排放的影响存在交互作用，土壤CO2排放与土壤电导率存在显著负相关，且电导率对 CO2排放的影响较大。当土壤盐分含量较高时，土壤微生物活性和生长都会受到渗透胁迫，从而降低土壤CO2排放[33-34]，这与本研究结果一致。

3.4 DMPP对日光温室起垄内嵌式基质栽培与土垄栽培黄瓜生长及产量的影响

施用氮肥显著提高了黄瓜产量，适量增施氮肥能改善植物养分吸收累积和分配，促进根系对水分的吸收，提高植株净光合速率，增加产量[35]。本研究结果表明，与CK处理相比，SC、SC+D、SSC和SSC+D处理的黄瓜产量分别提高了23.7%、38.0%、30.0%和38.7%。SSC处理较SC处理相比，显著提高了黄瓜产量和地上部、根系的干物质量，起垄内嵌式基质栽培促进黄瓜生长和提高产量主要原因可能是基质栽培良好的透气性减轻了根区的缺氧状况，在灌水的同时更有利于根系呼吸，促进根冠部生长，提高黄瓜产量。

DMPP施入土壤提高了植物体对氮的吸收利用率，显著提高叶片、茎秆和根系中氮的累积量和干物质产量[36]。伍少福等[37]采用田间试验研究了含 DMPP 复合肥对西瓜和黄瓜生长与品质的影响，表明含 DMPP 复合肥可以使西瓜产量提高 6.50%～44.55%，黄瓜产量提高8.40%。本研究结果表明，施用DMPP显著增加了黄瓜地上部干物质量和黄瓜产量，与不施用DMPP的SC处理和SSC处理相比，SC+D处理和SSC+D处理的地上部干物质量分别提高了17.1%和10.0%，产量分别提高了11.6%和7%。