2019, Vol. 51
2. 长沙环境保护职业技术学院，长沙 410004;
3. 湖南省农业科学院土壤肥料研究所，长沙 410125
氧化亚氮(N2O)是一种受人类活动影响较大的温室气体，其增温效应是CO2的296倍~ 310倍，能在大气中滞留较长时间，参与大气中的光化学反应，破坏臭氧层[1]。氮(N)肥在农田中的大量投入是大气N2O浓度增长的最主要因素[2]。我国蔬菜种植面积逐年增加，2010年增加到1.84 × 107 hm2，占全部作物种植面积的11.6%。菜地土壤施肥量高、施肥次数多，且肥水同期，是重要的N2O排放源[3-5]。菜地单季投入氮肥量可达N 1 000 kg/hm2或更高，京郊菜地的氮肥用量是粮田的3倍~ 4倍[6]，保护地蔬菜肥料用量是大田作物的4倍~ 5倍[7-8]。土壤高氮含量为N2O的生成和排放创造有利条件[9]。此外，设施菜田不仅受自然因素如气温、光照及土壤条件等影响，而且人为因素如耕作、施肥及灌溉等效应更加直接和强烈，导致N2O排放存在明显的时空变异[10]。
近年来，规模化畜禽养殖粪便的集中排放，给养殖场周边的环境造成巨大压力[11]。随着沼气工程发展步伐的加快，养殖场畜禽污水经沼气工程处理后产生的大量沼渣、沼液又成为新的污染源，这使废弃物再利用与净化技术研究显得更加迫切[12]。目前，有机无机肥料配合施用是设施菜田较为常见的施肥方式，可协调养分平衡供应，满足作物整个生育期对养分的需求，同时减少化肥的用量。莴苣(Lactuca sativa L.)具有生长周期相对较短、病虫害较少、经济产值较高等特点，是湖南省主要种植的蔬菜种类之一。Xiong等[13]研究发现，南京郊区蔬菜地一年5茬蔬菜N2O平均排放系数为0.73%，莴苣当茬高达2.2%。目前，已有设施菜田N2O排放的研究主要集中在肥料用量上[14-15]，而关于不同来源有机肥与化肥配施对菜地土壤温室气体排放影响的研究鲜有报道[16]。本文采用盆栽试验，开展不同有机无机肥(猪粪、猪粪堆肥及沼渣沼液与化肥)配施对菜地土壤N2O排放影响的研究，探讨不同有机无机配施条件下，菜地土壤N2O排放规律和排放量的差异，以及N2O排放系数之间的关系，为菜地土壤的合理培肥、温室气体减排和高产增效提供科学理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤采自湖南省长沙市长沙县榔梨镇大元村(28°11′0.72″ N，113°06′23.79″ E)蔬菜基地的耕作层(0 ~ 20 cm)。该地属于亚热带大陆性季风气候，年平均气温为17.2℃，年降雨量为1 360 mm，为紫色菜园土。土样采集后风干，挑去肉眼可见的细根和石块后过5 mm筛备用。土壤基本理化性质为：土壤容重1.11 g/cm3，pH 5.18，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为14.66、2.30、0.76、13.91 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为123.62、51.10、224.75 mg/kg。供试莴苣品种为“四季白尖叶”，由四川种都种业有限公司提供。供试氮肥为尿素(含N 460 g/kg)，钾肥为氯化钾(含K2O 600 g/kg)，磷肥为钙镁磷肥(含P2O5 120 g/kg)。供试有机肥中猪粪、沼渣沼液从农户家收集，猪粪堆肥自制。供试有机肥的养分含量见表 1。
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表 1 供试有机肥养分含量(g/kg) Table 1 Nutrient contents of organic fertilizers tested |
本试验在湖南农业大学盆栽试验基地进行。试验共设置6个处理，分别为：不施肥处理(CK)、不施氮肥处理(PK)、施纯化肥处理(NPK)、有机无机肥配施处理1(20%猪粪氮+ 80%化肥氮，NPKM1)、有机无机肥配施处理2(20%沼渣沼液氮+ 80%化肥氮，NPKM2)、有机无机肥配施处理3(20%猪粪堆肥氮+ 80%化肥氮，NPKM3)。各处理随机区组排列，重复6次。试验用盆钵高为34 cm，内圆直径为33 cm，装土6.25 kg。所有施肥处理氮、磷、钾用量相等，N 300 kg/hm2，P2O5 220 kg/hm2，K2O 220 kg/hm2。有机肥和磷肥全作基肥一次性施用，氮、钾肥60%作基肥，40%作追肥。每盆种植1株莴苣。2013年9月2日播种，10月1日移栽，10月12日追肥，11月23日收获计产。
1.3 温室气体采集和测定采用密闭箱-气相色谱法采集和测定土壤N2O排放。密闭箱箱体呈圆柱状，直径30 cm，高60 cm，由气体收集箱和底座两部分组成[17]。采样时间为上午8:00—11:00，以此时间段代表全天N2O排放通量平均值。移栽、翻耕、施肥后第1、2、3、5和7天分别采集气样，其余时间每周采集1次。收集气体的同时记录箱内温度、大气温度及5 cm土温[18]。采样结束后，立即移开采样箱，将样品带回实验室，采用GC7900型气相色谱仪进行分析测定。
1.4 数据处理N2O排放通量计算公式为：
| $ F = \rho \times h \times \frac{{\Delta c}}{{\Delta t}} \times \frac{{273}}{{(273 + T)}} $ | (1) |
式中：F为N2O排放通量(mg/(m2·h))；ρ为标准状态下N2O密度(kg/m3)；h为采气箱高度(m)；Δc/Δt为Δt时间内采气箱内N2O气体浓度的变化率(μl/(L·h))；T为采气箱内温度(℃)。
N2O累积排放量计算公式[17]为：
| $ M = \sum {(\frac{{{F_{i + 1}} + {F_i}}}{2}) \times ({t_{i + 1}} - {t_i}) \times 24} $ | (2) |
式中：M为N2O累积排放量(kg/hm2)；F为N2O排放通量(mg/(m2·h))；i为采样次数；t为采样时间即定植后天数(d)；24为一天小时数。
N2O排放系数计算公式为：
| $ {\rm N_2O}排放系数(\%)=(施氮处理{\rm N_2O}排放量-不施氮处理{\rm N_2O}排放量)/施氮量×100 $ | (3) |
本研究采用DPS V14.10数据处理系统和Microsoft Excel 2003软件进行数据分析，处理间差异显著性检验采用LSD法。
2 结果与分析 2.1 莴苣生育期土壤N2O排放 2.1.1 土壤N2O排放规律及平均排放通量由图 1可知，基肥施用一周内，CK和PK处理趋势一致，未出现明显N2O排放。NPK处理施肥后第2天最先出现N2O排放峰值(1.16 mg/(m2·h))。表明纯化肥处理会促进土壤的硝化/反硝化作用，加速土壤N2O的产生和排放。NPKM1、NPKM2、NPKM3处理相继于第4、4、7天出现N2O排放峰值。基肥期各处理峰值大小表现为：NPK > NPKM2 > NPKM1 > NPKM3 > CK > PK。表明施用氮肥促进土壤N2O排放，以纯化肥处理尤为明显。追肥后，土壤N2O排放通量再次出现峰值，整体表现为先上升再下降，最后趋于平稳。NPK和NPKM1处理峰值出现在追肥后第3天，分别为0.96、1.30 mg/(m2·h)；PK和NPKM2处理峰值出现在追肥后第5天，分别为0.61、0.49 mg/(m2·h)；NPKM3处理在第7天出现峰值(0.48 mg/(m2·h))。追肥期各处理峰值大小表现为：NPKM1 > NPK > PK > NPKM2 > NPKM3 > CK。说明不同种类施肥处理后期对土壤N2O的产生和排放均有促进作用。
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(“↓”为追肥时间，下同) 图 1 不同有机无机肥配施下莴苣土壤N2O的排放通量 Fig. 1 Emission fluxes of soil N2O during lettuce growing season under different combined application of organic and inorganic N fertilizers |
由表 2可知，莴苣生育期各处理土壤N2O平均排放通量介于0.10 ~ 0.25 mg/(m2·h)，大小表现为NPK > NPKM2 > PK > NPKM1 > NPKM3 > CK。与CK相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O平均排放通量分别增加36.07%、149.21%、29.40%、85.03%和28.85%，其中NPK处理增加最显著。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O平均排放通量分别增加60.26%、-16.79%、18.98%和-17.14%，其中NPK处理增加最显著。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O平均排放通量分别显著降低48.08%、25.75%和48.30%。可见，有机无机配比施肥较纯化肥处理能有效降低菜地土壤N2O平均排放通量。
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表 2 不同有机无机肥配施下莴苣土壤N2O排放量和排放系数及产量 Table 2 Soil N2O emission flux, emission factors and lettuce yield under different combined application of organic and inorganic N fertilizers |
由图 2可知，莴苣生育期土壤N2O累积排放量变化呈上升趋势。基肥施用一周内，土壤N2O累积排放量增长速度缓慢，追肥后出现拐点，然后平缓增加；追肥7天之后，再次出现拐点，后期呈逐渐上升趋势。其中，以NPK和NPKM2处理土壤N2O排放量累积速度较快。
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图 2 不同有机无机肥配施下莴苣土壤N2O的累积排放量 Fig. 2 Accumulation emission fluxes of soil N2O during lettuce growing season under different combined application of organic and inorganic N fertilizers |
由表 2可知，莴苣生育期各处理土壤N2O累积排放量介于1.37 ~ 3.42 kg/hm2，大小表现为NPK > NPKM2 > PK > NPKM1 > NPKM3 > CK。与CK相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O累积排放量分别增加36.07%、149.21%、29.40%、85.03%和28.85%，其中NPK处理增加最显著。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O累积排放量分别增加83.15%、-4.90%、35.98%和-5.31%，其中NPK处理增加最显著。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理分别显著降低48.08%、25.75%和48.30%。可见，有机无机配比施肥较纯化肥处理能有效减少土壤N2O排放，以猪粪类配施效果最好。
2.1.3 土壤N2O排放系数由表 2可知，莴苣生育期各处理土壤N2O排放系数介于0.13% ~ 0.68%，大小表现为NPK > NPKM2 > NPKM1 > NPKM3。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理土壤N2O排放系数分别降低0.55、0.29和0.55个百分点。可见，有机无机配比施肥较纯化肥处理能有效降低菜地土壤N2O排放系数。
2.2 莴苣产量由表 2可知，各处理莴苣产量介于0.26 ~ 0.57 kg/株，大小表现为NPKM3 > NPKM1 > NPKM2 > NPK > PK > CK。与CK相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理莴苣产量分别增加17.05%、44.31%、114.53%、76.24%和121.89%。与PK处理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理莴苣产量分别增加23.29%、83.28%、50.57%和89.57%。与NPK处理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理莴苣产量分别增加48.66%、22.13%和53.76%。可见，有机无机配比施肥较纯化肥处理能提供多种无机和有机养分，肥效持久稳定，更易为植物所吸收，有效提高莴苣产量。
3 讨论 3.1 有机无机氮肥配施对莴苣土壤N2O排放规律的影响施用氮肥的农田类型及所用氮肥种类、施用量等都会影响其对N2O排放的贡献[10]。郝小雨等[19]研究发现，不论芹菜季还是番茄季，施氮后土壤N2O排放均出现上升趋势，在施肥(结合灌水)后7 d内出现排放峰。张仲新等[15]研究发现，设施菜地土壤N2O排放通量的季节变化有明显的时间变异性，初期受基肥影响，土壤N2O排放量较大，随着时间的推移有所减少并保持稳定；后期由于追肥，出现一次排放高峰，且持续时间较长。本研究结果与上述研究一致，基肥施用后NPK处理莴苣土壤N2O排放先出现峰值，峰值大小表现为NPK > NPKM2 > NPKM1 > NPKM3 > CK > PK，且NPK处理在移栽后12 d又出现N2O排放高峰，主要是由于纯化肥处理养分释放快，底物增多，促进硝化/反硝化作用产生。追肥施用后NPK和NPKM1处理土壤N2O排放先出现峰值，峰值大小表现为NPKM1 > NPK > PK > NPKM2 > NPKM3 > CK。
土壤微生物参与的硝化/反硝化过程是生成N2O的主要途径，其生成与排放受反应底物碳和氮的双重影响。当有机肥料等碳量施用时，N2O的排放主要受外源氮供应水平的制约；而当有机肥料等氮量施用时，则主要受外源碳供应水平的制约[20]。可见，有机肥替代化肥不仅为微生物活动提供所需能量，而且改变氮素输入形态，调节土壤C/N比来影响微生物活动，进而影响硝化/反硝化作用产物N2O的生成与排放。目前，对于施用有机肥影响土壤N2O排放的报道较多，但结论不一[21]。通常土壤微生物适宜的C/N比为(25 ~ 30)/1；大于此，则有机质分解变慢，微生物活性减弱，N2O排放受到抑制；反之，则促进N2O排放[22]。而Miller等[23]认为，由于有机肥含有大量的可溶性有机碳，施入土壤后微生物活性比单施化肥处理强，硝化/反硝化过程共同产生的N2O增高，从而排放通量较高。
Vallejo等[24]研究发现，等氮量施肥条件下，猪粪较化肥能减少马铃薯田中N2O的排放。孟磊等[25]研究发现，等氮条件下，施用化肥、有机肥(秸秆和饼肥堆肥)、1/2化肥+1/2有机肥处理间潮土的N2O排放通量差异不显著。张仲新等[15]研究发现，设施菜地各处理土壤N2O排放总量的次序：常规施肥量+鸡粪 > 3/4常规施肥量+鸡粪 > 1/4常规施肥量+鸡粪 > 1/2常规施肥量+鸡粪 > 鸡粪 > 无肥处理。郝小雨等[19]研究发现，芹菜季和番茄季施用秸秆和猪粪肥较化肥均显著降低N2O的排放；相同有机肥氮用量下，施用秸秆较有机肥有效降低土壤N2O的排放，且与猪粪和秸秆化学组成的不同有关。彭永红等[26]研究发现，以相同施氮量计，潮土施加沼液引起的N2O排放速率远高于尿素或硫铵等氮肥。杨园园等[27]研究发现，单施尿素、腐熟牛粪混施、沼液混施和减量尿素牛粪混施处理苜蓿中N2O排放分别增加52.2%、89.1%、133.7%和59.4%。易琼等[18]研究发现，无机氮配施有机氮肥减少生菜土壤52.4%的N2O排放量。可见，因试验地区的环境因素、土壤类型、耕作制度及肥料投入比例和类型等因素的不同，有机肥对土壤N2O排放的影响也不同[28]。
本研究中，莴苣生育期各处理土壤N2O平均排放通量及累积排放量分别介于0.10 ~ 0.25 mg/(m2·h)和1.37 ~ 3.42 kg/hm2，大小均表现为NPK > NPKM2 > PK > NPKM1 > NPKM3 > CK。其中，PK处理土壤N2O平均排放通量及累积排放量均比CK高，可能是由于土壤磷供应状况的改善会促进硝化作用所致[29]。而NPK处理土壤N2O平均排放通量及累积排放量均最高，可能是由于施用氮肥会提高酸性土壤的硝化活性，而鲜猪粪或猪粪堆肥配施无机肥能减缓酸性菜地土的硝化作用[30]。因此，菜地土壤施用纯化肥会促进N2O的排放，而不同种类有机无机氮肥配施可减少土壤N2O生成和排放，其中以猪粪类配施效果最佳。
3.2 有机无机氮肥配施对莴苣土壤N2O排放系数的影响我国旱地农田N2O背景排放量为N2O-N 0.70 ~ 3.14 kg/hm2，其中蔬菜地N2O排放系数最高(0.61% ~ 1.13%)，随无机氮肥施用量的增加而增加[31]。Kusa等[32]研究发现，持续6 a洋葱生长季(4—10月)肥料引起的N2O排放系数为1.1% ~ 6.4%。丁洪等[33]研究发现，茄子地N2O排放量占施肥量的8.6%。Cao等[34]研究发现，南京地区大白菜地N2O排放系数为1.09% ~ 1.63%。He等[14]研究发现，山东寿光温室大棚中番茄轮作体系下N2O排放系数仅为0.27% ~ 0.30%。邱炜红等[35]研究发现，武汉地区种植辣椒、萝卜、菠菜和小白菜地N2O排放系数为0.33% ~ 1.13%。林淼等[36]研究表明，春黄瓜生育期间化肥氮的N2O排放系数为1.86% ~ 4.71%，其中新菜地排放系数高于老菜地，设施菜地排放系数高于露地；但有机肥氮排放系数(0.11%)则远远低于化肥氮。杨园园等[27]研究发现，苜蓿生产中尿素和牛粪处理N2O排放系数为0.25% ~ 0.28%，而沼液处理为0.64%。可见，N2O排放系数差别较大，可能是由于时间地域差异、气候因素、土壤特性、施肥量及作物种类的不同而造成的。本研究中，莴苣生育期各处理的土壤N2O排放系数范围介于0.13% ~ 0.68%，大小表现为NPK > NPKM2 > NPKM1 > NPKM3。且各施肥处理N2O排放系数均较低，可能与土壤中硝化/反硝化作用的强度有关，涉及土壤中与微生物活性有关的有机碳和氮素含量。
4 结论1) 莴苣生育期各处理土壤N2O平均排放通量及累积排放量大小均表现为NPK > NPKM2 > PK > NPKM1 > NPKM3 > CK。施用纯化肥会促进菜地土壤N2O的排放，而有机无机氮肥配施可减少土壤N2O的排放，其中以猪粪类配施效果最佳。
2) 不同种类有机肥配施无机氮肥条件下，莴苣生育期各处理土壤N2O排放系数范围介于0.13% ~ 0.68%，大小表现为NPK > NPKM2 > NPKM1 > NPKM3。
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2. Changsha Environmental Protection College, Changsha 410004, China;
3. Soil and Fertilizer Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China