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不同减氮措施对设施番茄氧化亚氮排放的影响

  • 投稿温酒
  • 更新时间2015-09-11
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摘要:以北京郊区设施番茄地种植模式为例,通过田间试验,研究了不同的减氮施肥处理(不施氮肥CK、农民常规施肥FP、减量施氮OPT、减量施氮 + 硝化抑制剂OPTD)对N2O排放的影响。结果表明,每次施肥和灌溉后,设施番茄地会出现短而强的N2O排放峰,持续时间通常为3 ~ 6 d,不同处理的N2O排放总量表现为FP > OPT > OPTD > CK。施肥造成的土壤 N2O 排放系数为0.29% ~ 0.74%,均低于IPCC默认值1%。在保证产量的前提下,减氮措施能够有效的减少N2O的排放。

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关键词 :番茄;氧化亚氮;排放

近年来,随着人民需求的增加和农业产业结构的调整,大中城市郊区的粮田逐渐转换为设施蔬菜地[1]。由于设施蔬菜地属于高投入获得高产出的生产体系,相对于其它营养元素,氮素具有更加突出的增产作用[2]。因此,长期以来设施蔬菜的生产方式一直是以施用大量氮肥来维持高产。大棚的塑料薄膜覆盖阻断了雨水对土壤的淋洗,具有高温高湿的内部环境,大量施用化肥,以及有机肥料投入量少,再加上多茬连作,很难引进大型机械耕翻等原因,很容易造成N2O排放量增加等问题。而温室气体氧化亚氮(N2O)被认为是21世纪破坏臭氧层的最大影响因子,其增温潜势是CO2的296倍,并且还具有滞留时间长的特点[3]。有研究表明,设施栽培土壤N2O排放通量明显高于露地栽培土壤,高达1.39倍[4]。因此,明确设施蔬菜地氧化亚氮排放特征,提出合理的减排措施,对大气污染、提高氮肥利用率等具有重要的意义。已有研究表明,施用硝化抑制剂双氰胺(DCD)可以显著的降低温室黄瓜N2O气体的排放[5],较长时间内使土壤铵态氮含量保持相对较高水平,并且减少硝态氮的淋失量,但目前有关硝化抑制剂(DCD)的研究在设施蔬菜田中较少。因此,本研究以京郊典型设施蔬菜地番茄种植模式为例,探讨持续减氮,添加硝化抑制剂措施对N2O排放的影响,为设施蔬菜地的温室气体减排技术的提出提供科学依据,并对深入研究设施蔬菜地提高氮肥利用率,应对全球变化和保护环境具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试供材料

试验于2014年2 ~ 7月在北京市的房山区窦店镇的塑料试验大棚进行。供试大棚长为150 m,宽为7 m。土壤质地为粉质壤土,肥力水平为中等,土壤容重为1.21 g/cm3,表层土壤的有机质的含量为3.63%,全氮、全钾及全磷的含量分别为0.21%、0.12%和1.65%,碱解氮、速效钾及有效磷的含量分别为283.67 mg/kg、371.83 mg/kg和183.36 mg/kg,pH值为7.74。

1.2 试验设计

本研究观测时间为2014年2月28日至2014年7月10日,种植作物为番茄。试验采用随机区组设计,共设4个不同的减氮处理,分别是不施氮肥处理(CK)、农民常规施肥处理(FP)、减量施氮处理(OPT)、减量施氮 + 硝化抑制剂处理(OPTD)。每个处理设置3个重复,共计12个试验小区,每个小区面积为60 m2。各处理氮肥用量如表1所示,化学氮肥品种为含氮量为46.4%的尿素,钾肥为硫酸钾,K2O含量为51%,磷肥为过磷酸钙,P2O5含量为12%。试验开始前测定有机肥(牛粪)中的含水量及含氮量,分别为41.59%、1.33%。

化学氮肥和钾肥分5次施用,于2月26日将20%作为基肥施入,其余部分在4月21日、5月11日、5月23日、6月11日分别按20%的比例追施;有机肥和磷肥作为基肥在番茄种植前一次性施入。

OPTD处理的双氰胺(DCD)施用总量为化学氮肥的5%,分2次施用,基肥50%,第1次追肥50%。施肥灌溉方式同农民常规施肥方式,基肥为撒施后旋耕入土,追肥为先将肥料溶于水,后随水冲施。 1.3 测定项目与方法

根据气体浓度随时间的变化速率计算N2O气体排放通量。气体通量(F)计算公式为:

F = ρ·H·■·■·■(1)

(1)式中,F为N2O的排放通量(mg /m2·h),F为负值表示土壤从大气中吸收该气体,为正值表示土壤向大气排放该气体;ρ为标准大气压下N2O气体的密度(g/L);H为采样箱内气室高度(cm); T为采样箱内气温(℃);P为采样时气压(mmHg);P0为标准大气压(mmHg);P / P0 ≈ 1;dc/dt为采样箱内N2O - N浓度的变化速率(μl/L/h)。

未观测日期的排放通量用相邻2次观测值的平均值来计算(内插法),将观测值和未观测日计算值逐日累加得到N2O排放总量。

2 结果与分析

2.1 不同减氮措施N2O排放规律

在番茄生长期间,除不施氮肥处理外,不同施肥处理N2O排放规律基本一致,均呈“脉冲式”排放(图1),且N2O排放峰值均发生在施肥 + 灌溉事件后,但单独灌溉并没有引起明显的N2O排放峰值,其余时间N2O排放通量波动较小。在番茄定植初期,N2O排放时间较长,一般持续时间为7 ~ 11 d,且最高值达到了5.31 m/(m2·h), 这是由于在番茄定植期间,人为的对土壤进行翻耕,影响了土壤通气状况和微生物活性,并且此时土壤具有微生物活动的最适温度范围(16.6 ~ 21.6 ℃)和湿度范围(WFPS:58.8% ~ 66.6%),而作为底肥施入大量有机肥和化肥,使土壤中的有机质和氮素含量迅速提高,为N2O排放提供了充足的底物,由于番茄处在幼苗期,其根系和植株都尚未发育完全,对土壤中的氮素吸收利用效率较低,致使定植期土壤N2O排放峰值持续时间较长。在番茄追肥 + 灌溉后,N2O排放时间较短促,一般持续3 ~ 6 d,但是单独灌溉(3月10日)并没有引起明显的N2O排放,可能是因为灌溉时底物浓度较低,影响了N2O的产生与排放。

本试验中,各处理的N2O平均排放通量介于0.02 ~ 0.31 mg/(m2·h)之间,其平均排放通量大小为FP > OPT > OPTD > CK。FP处理的平均排放通量明显高于其他处理,分别高出OPT处理2.21倍,OPTD处理3.1倍,CK处理15.5倍。与其他处理相比,CK处理的N2O平均排放通量最低,为0.02 mg/(m2·h),原因是土壤中未投入氮素使其浓度较低所致。在整个生长季中,FP、OPT、OPTD和CK处理的N2O排放通量范围分别为-0.001 ~ 10.798 mg/(m2·h)、 -0.202 ~ 5.095 mg/(m2·h)、0.020 ~ 2.328 mg/(m2·h)、-0.091 ~ 0.505 mg/(m2·h)。

2.2 设施番茄N2O排放总量及排放系数

在设施蔬菜地,施氮提高了土壤的N2O排放总量,番茄生长季中土壤N2O排放总量均随着施氮水平的提高而增加,且在不同减氮处理之间,土壤 N2O排放总量差异达显著性水平(表2)。CK、FP、OPT、 OPTD各处理的N2O排放总量分别为0.86 ± 0.14 kg N/hm2、12.32 ± 1.28 kgN/hm2、5.45 ± 0.62 kgN/hm2、4.01 ± 0.15 kgN/hm2。相对于FP处理、OPT、OPTD处理在减少60%化肥氮的情况下,氧化亚氮排放总量分别减少了55.73%和67.44%。各处理排放系数介于0.29% ~ 0.74%之间。本试验各处理的排放系数均低于IPCC默认的1%,农民常规处理为0.74%,最接近IPCC默认值,其余减氮施肥处理均显著低于默认值。

2.3 不同减氮措施对番茄产量的影响

由表2可以看出,不同减氮措施设施蔬菜地番茄产量之间均无显著性差异,这表明在现行农民常规施肥处理下,设施番茄地具有一定的减氮潜力。

3 小结

(1)施肥量决定了氧化亚氮峰值大小,施肥量越高,氧化亚氮排放峰值越高;(2)减量施氮处理与减量施氮 + 硝化抑制剂施肥处理均能有效的减少氧化亚氮的排放,其中添加硝化抑制剂处理减少幅度最大,为67.44%;(3)不同的减氮措施均能够在保证产量的前提下有效减少氧化亚氮排放,因此,减氮对提高设施蔬菜地氮肥利用率,保护环境都有重要的意义。

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参考文献

[1]王朝辉,宗志强,李生秀,等. 蔬菜的硝态氮累积及菜地土壤的硝态氮残留[J].环境科学,2002,23(3):79-83.

[2] Tremblay,Scharof H C,Weier U et al. Nitrogen management in field vegetable a guide to different fertilization [J/OL].Chinese weather report,2010(5):56-60.

[3] 石 龙. WM公报称 2012 年大气中温室气体浓度再创新高[J/OL]. 中国气象报,2012(1):1.

[4]张光亚,陈美慈, 闵航,等. 设施栽培土壤氧化亚氮释放及硝化、反硝化细菌数量的研究[J]. 植物营养与肥料学报,2002, 8(2):239-243.

[5]林杉,冯明磊,阮雷雷,等. 三峡库区不同土地利用方式下土壤氧化亚氮排放及其影响因素[J]. 应用生态学报,2008,19(6):1269-1276.