2018, Vol. 39
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081;
3. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
4. 北京市大兴区土肥工作站, 北京 102600
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Daxing Soil and Fertilizer Workstation, Beijing 102600, China
设施菜地具有集约化程度高, 复种指数高, 有机肥用量大, 养分投入高且损失多, 易受人类活动影响等特点[1~5].大量有机肥和铵态氮肥施入后很快转化为硝态氮, 不仅造成土壤硝态氮的累积[6, 7]并且是氨挥发(NH3)和氧化亚氮(N2O)排放的主要来源[8~10], NH3挥发损失占土壤氮素损失的近30%[11~16].有研究表明氮肥施入设施菜地后, 土壤以NH3和N2O的气体形式损失的氮素约占投入氮素的10%, 菜田的N2O排放占我国农田N2O总排放量的20%[17].
设施菜田作为一个特殊的生态系统, 受到施肥措施, 灌溉方式和种植手段等多种人为因素影响, 造成影响NH3和N2O的产生和损失量存在巨大的复杂性和不确定性.罗健航等[18]采用密闭室间歇通气法测定结果表明, 减少化肥用量配合施用有机肥可减少设施菜田土壤NH3挥发损失率82.96%~90.45%.毕智超等[19]采用静态暗箱-气相色谱法, 得出不同比例有机肥施用香菜、空心菜、菜秧、菠菜等不同菜田N2O排放的影响, 结果表明不同比例有机肥施入4种蔬菜的N2O排放系数为0.09%~1.92%, 施用有机肥比单施化肥可降低土壤N2O排放最高达64%;郝小雨等[20]通过对设施番茄和芹菜地的研究发现有机无机肥料配施较单施化肥可显著降低N2O排放量, 而刘丽鹃[21]则发现, 25%化肥+75%猪粪堆肥配合施用较单施化肥会促进菜地N2O排放.畜禽粪便作为有机肥施入设施菜地引起的土壤NH3和N2O气体排放损失, 不仅造成严重的环境问题, 而且降低肥料养分的利用效率[22].综合目前的研究, 有关菜地土壤肥料气体排放损失的研究日益得到关注, 但缺乏农民传统堆放畜禽粪肥与工厂化畜禽粪便堆肥施用于菜地后, 土壤NH3和N2O同时排放损失的相关研究.因此, 针对当前国内外设施菜地N2O和NH3排放现状, 揭示不同施肥管理措施对设施菜田的NH3和N2O影响意义重大, 本文以农民传统猪粪堆放与工厂化堆肥猪粪产品为研究对象, 探讨不同肥料施用对设施菜田土壤NH3和N2O的排放规律, 以期为我国菜田以NH3和N2O形式的气态氮素损失及其减排措施制订提供科学数据.
1 材料与方法 1.1 实验设计本实验于2013年12月~2014年2月在湖南省长沙市湖南农业大学实验基地的蔬菜大棚中进行, 供试蔬菜为菠菜, 生长周期为50 d.实验设置4个处理, 分别为不施肥处理(control blank, CK处理)、施用工厂化堆肥有机肥处理(swine compost, SC处理)、施用猪粪固体堆放有机肥处理(solid storage, SS处理)、和施用化肥(复合肥, NPK=16%16%16%)处理(chemical fertilizer, FC处理).其中农民传统堆放方式猪粪肥料来自湖南长沙周边农家, 工厂化堆肥肥料来自湖南鑫广安农牧股份有限公司槽式堆肥肥料[23, 24].每个处理随机设置3次重复.施肥量按照当地的菜地施肥标准, 每个处理的肥料以基肥形式一次性施入, 施入标准以N含量为准, 施用纯氮273 kg·hm-2. 2013年12月21日进行播种和施肥, 施肥后第2 d灌溉(120 mm), 此后其他田间管理方式按照当地农民习惯方式管理.两种猪粪肥品及实验区土壤基本性状见表 1.
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表 1 肥料和土壤基础理化性质 Table 1 Properties of different manure compost products and soil |
1.2 样品采集及分析
N2O采集与分析:采用密闭式静态箱法[25]测定, 采集N2O气体的装置为组合式静态箱, 由顶箱和底座构成, 均为不锈钢材质.底座凹槽内径为5 cm, 顶部设置水封槽, 将底座插入土壤表层, 上沿高出土壤表层10 cm, 水封槽与土壤表面保持水平.顶箱由长宽高分别为50 cm×50 cm×50 cm的箱体组成, 箱体外层包了一层保护膜, 用来避免由于太阳辐射导致箱体内温度升高而产生的误差.顶箱内部设置数字温度计探头, 风扇(用来加速箱体内部气体的混匀), 顶箱顶部设置气体平衡管和采气口, 采样口连接60 mL的气密注射器.采气时将水装入水封槽用来进行箱体内部气体的密封, 防止箱内气体扩散.将顶箱罩在底座上, 每隔5 min收集一次气体, 每个采样点都采集5次气样, 记录箱体内的温度.每次采气样的同时记录环境温度.当天采集的气体当天用气相色谱仪(安捷伦7890D)进行监测.
N2O交换通量计算公式[26]为:
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(1) |
式中, F为N2O排放通量, μg·(m2·h)-1; ρ为标准状态下N2O的密度, μg·cm-3; V为密闭静态箱的体积, cm3; A为采样土壤的面积, cm2; P为密闭静态箱内的气压, Pa; P0为标准大气压1.01×105Pa, 可将实验地区气压视为标准大气压. Δc/Δt为单位时间静态箱内的N2O浓度变化量, 10-9 min-1; T为测定时箱体内的平均温度, ℃.
NH3采集与分析:采用通气酸吸收法[27].吸收NH3的海绵浸泡在KCl溶液中经过振荡1 h, 抽取浸出液, 并测出浸提液的体积V, 用流动注射分析仪测定NH3浓度.
NH3排放通量计算公式:
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(2) |
式中, F为NH3挥发通量(以N计, 下同), mg·(m2·h)-1; c1和c2分别为浸提液中铵态氮和硝态氮的浓度, mg·L-1; V为浸提液的体积, mL; A为吸收NH3的海绵的有效面积(m2); t为采样时间(h).
NH3或N2O气体累积排放量M (N2O或NH3)计算公式[28]如下:
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(3) |
式中, M为全生育期内气体累积排放量, kg·hm-2; F为气体排放通量, mg·(m2·h)-1; N为采样次数; t为采样时间即距初次采样的天数.用内插法计算相邻两次监测之间未观测日期的排放通量, 然后将观测值和未观测日计算值逐日累加得到N2O和NH3排放总量.
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(4) |
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(5) |
采样时间从2013年12月22日~2014年2月9日, 共50 d.气体采样时间定为09:00~11:00进行.氮素肥料基施于冬季土壤, 较高浓度的气体排放主要集中于施肥前3 d, 作物生长后期气体排放量较少[29~31], 因此本实验期间, 前2~7 d连续采集气样, 之后间隔1 d采样; 第15 d后, 间隔2 d采样; 第27 d后, 间隔3 d采样; 第35 d后, 间隔4 d采样.
使用气相色谱仪(Agilent 7890D, 美国)对气体样品进行测定, 高纯氮为载气, 柱温55℃, 电子捕获检测器(ECD)温度为350℃, 通过ECD测定N2O, 并用体积比为1:9的CO2/N2混合气作为尾吹, 以减少样品中的CO2对N2O测定的影响[32].
气体样品采集后, 采集土壤固体样品, 进行土壤水分测定, 分析方法按照文献[33].菠菜样品在第50 d采集, 对菠菜的产量进行测定.
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(6) |
N2O或NH3排放强度:指形成单位经济产量N2O(NH3)排放量, 即N2O(NH3)排放总量与相应处理作物产量的比值[34].
计算公式为:
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(7) |
式中, I为排放强度(以N计), g·kg-1; F为供试土壤N2O(NH3)排放通量(以N计), g·hm-2; Y为作物产量, kg·hm-2.
1.3 数据处理运用Excel 2003进行数据处理及作图, 统计分析应用IBM SPSS statics 19.0.
2 结果与分析 2.1 土壤NH3挥发通量和累积量变化不同施肥处理菠菜生育期内均观测到NH3的挥发, 整个生长季NH3挥发通量波动明显(图 1).与大田粮食作物生产系统NH3挥发施肥后集中释放“高开低走”的规律不同[35]. 4个施肥处理NH3挥发动态变化趋势基本一致, NH3挥发通量在1~5 d内出现第一个峰值, 随着菠菜生长进程, 在施肥后第45 d土壤NH3挥发排放通量达到最大值, 分别为2.91、4.85、4.66和3.67 mg·(m2·h)-1.4个处理的NH3挥发通量变化范围分别是:CK 0.96~2.91 mg·(m2·h)-1、SC 0.88~4.85 mg·(m2·h)-1、SS 1.11~4.66 mg·(m2·h)-1和FC 1.17~3.67 mg·(m2·h)-1.
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图 1 不同肥料处理温室菠菜田土壤的NH3排放通量 Fig. 1 flux during the planting period of greenhouse vegetables with different fertilizers |
设施蔬菜种植体系中, 不同猪粪固体处理肥料基施入温室种植菠菜田后, 随着施肥天数的增加, 设施菜田土壤的NH3累积挥发排放量也出现增加的趋势(图 2).4个处理条件下, 施肥后第1 d土壤NH3挥发排放量分别为0.05、0.06、0.05和0.10 g·m-2, 第1 d损失比例(第1 d的NH3挥发量/第50 d的NH3挥发总量, 下同)分别为2.14%、2.28%、1.46%和3.44%(图 2).施肥后31 d内的NH3挥发累积损失比例分别为60.73%、50.45%、53.76%和56.81%.与第1 d相比, 增加了58.59、48.17、52.30和53.37个百分点.粮食作物土壤施肥后在2 d内NH3挥发损失率即达到50%[32].第45 d NH3挥发累积排放量为1.96、2.42、2.47和2.36 g·hm-2, NH3挥发累积损失比例为86.42%、88.78%、89.23%和84.78%.施肥45 d后温室种植菠菜土壤NH3挥发排放量占10%左右.与粮食作物不同, 华北地区种植小麦在施肥后7 d土壤NH3挥发损失率即达到90%[35].4个处理(CK、SC、SS、FC)基肥施用50 d的土壤NH3累积挥发量分别为SS (3.48 g·m-2)＞FC (2.79 g·m-2)＞SC (2.64 g·m-2)＞CK (2.36 g·m-2).
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图 2 不同肥料处理菠菜田土壤NH3挥发排放损失量与损失率 Fig. 2 Emissions of ammonia volatilization, accumulated loss, and loss rate for greenhouse vegetables with different fertilizers |
t检验结果表明, SC与SS (P=0.044)之间的NH3挥发累积损失量具有显著差异, SS与FC (P=0.002)之间的NH3挥发累积损失量具有极显著差异; CK与SC (P=0.664)、CK与SS (P=0.258)、CK与FC (P=0.734)、SC与FC (P=0.473)的NH3挥发累积损失量不显著.
2.2 土壤N2O变化通量和累积量变化不同施肥处理N2O排放具有相似的变化规律(图 3), 整个监测期内, 4个处理菠菜地土壤N2O排放通量总体呈现“前期高后期低”的逐渐下降趋势, 排放峰值主要集中在前13 d, 但FC处理后期的N2O排放通量高于其他处理. SC、SS、FC处理条件下菠菜田施肥后前2 d土壤N2O排放通量逐渐增加, 在施肥后第2 d达到N2O排放通量峰值, 分别为1.26、1.15、1.04 mg·(m2·h)-1, 但CK处理N2O排放通量峰值出现在第7 d, 为1.49 mg·(m2·h)-1, 可能是由于施肥改变了土壤C/N和土壤微生物活性, 增强土壤微生物的硝化和反硝化作用, 促进N2O排放[36].实验进行至50 d, SC、SS和FC处理的菠菜地土壤N2O排放通量趋近于0, 基本结束, 但FC处理后期的N2O排放通量高于其他处理.4个处理N2O的排放通量变化范围分别是: CK 0.05~1.49 mg·(m2·h)-1、SC 0.10~2.40 mg·(m2·h)-1、SS 0.07~1.41 mg·(m2·h)-1、FC 0.42~2.15 mg·(m2·h)-1.
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图 3 不同肥料处理温室菠菜田土壤的N2O排放通量 Fig. 3 N2O flux during the planting period of greenhouse vegetables with different fertilizers |
不同氮素肥料基肥一次施入条件下, 4个处理以N2O形式累积N排放量(cumulative N)分别为CK(0.35 g·m-2)＜SS(0.41 g·m-2)＜SC (0.57 g·m-2)＜FC(0.80 g·m-2), 见图 4.从整个过程看, FC处理排放的N2O高于其它处理.4个处理条件下, 施肥后第1 d土壤N2O累积排放量分别为0.01、0.02、0.01和0.04 g·m-2, 第1 d损失比例(第1 d的N2O排放量/第50 d的N2O排放总量, 下同)分别为1.52%、3.10%、3.60%和4.88%.施肥后11 d内的N2O累积损失比例分别为52.47%、48.43%、54.64%和36.87%.与第1 d相比, 增加了50.95、45.33、51.04和31.99个百分点. CK和SS处理在施肥后11 d菠菜田土壤N2O累积损失率达到50%, SC和FC处理分别在施肥后第13 d和18 d菠菜田土壤N2O累积损失率达到50%以上, 分别为51.88%和50.21%, 说明经过不同处理工艺的猪粪有机肥施入设施菜地土壤, 无论在硝化-反硝化进程还是排放总量上均受到影响.第40 d N2O累积排放量为0.32、0.53、0.38和0.69 g·m-2, N2O累积损失比例为93.36%、93.72%、92.56%和85.71%.
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图 4 不同肥料处理设施菜田土壤N2O累积排放量与累积损失率 Fig. 4 Emissions of N2O, accumulated loss and loss rate for greenhouse vegetables with different fertilizers |
t检验结果表明, CK与SC (P=0.026)、CK与SS(P=0.081)之间N2O累积损失量无显著差异; SC与SS (P=0.011)、SC与FC (P=0.018), 表明SS、FC与SC处理之间N2O累积损失量差异显著; CK与FC (P=0.000)、SS与FC (P=0.001), CK、SS与FC处理之间温室种植菠菜土壤N2O累积损失量差异极显著.
2.3 土壤水分变化及其对气体排放的影响以不同施肥处理的NH3挥发和土壤N2O排放的通量进行平均, 作为各处理土壤NH3挥发和土壤N2O排放平均通量.以各处理土壤NH3挥发和土壤N2O排放平均通量为因变量, 环境气温、土壤温度和土壤水分为自变量进行逐步回归分析, 得知土壤水分条件是影响NH3挥发和N2O排放的主要环境因子.结果表明在显著性P=0.05水平上, 各处理土壤NH3挥发平均通量与土壤水分可建立如下回归方程:
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各处理土壤N2O排放平均通量与土壤水分可建立如下回归方程:
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观测期间各处理土壤水分变化动态基本一致(图 5), 菠菜种植第1 d施肥后灌水, 4个处理土壤水分在第2 d达到最高值(27.15%~27.47%), 随着种植时间的延长各处理土壤水分逐渐降低. 4个处理土壤水分分别CK: 17.00%~27.15%、SC: 17.02%~27.26%、SS: 17.06%~27.47%和FC: 17.01%~27.23%. SS处理条件下土壤水分与CK、SC和FC处理差异显著, CK、SC和FC这3个处理之间差异不显著.
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图 5 各处理土壤水分变化 Fig. 5 Dynamic changes of soil water for each treatment |
相关分析表明(表 2), 菠菜生长季的CK、SC和SS处理土壤N2O排放通量与土壤水分呈极显著正相关, FC处理与土壤水分呈显著正相关; SC和SS处理土壤NH3挥发通量与土壤水分呈极显著负相关, FC处理与土壤水分呈显著负相关, CK处理土壤NH3挥发通量与土壤水分无相关性.
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表 2 不同处理菠菜生长季NH3和N2O排放通量与土壤水分相关性分析1) Table 2 Correlations of NH3 and N2O fluxes in the spinach field with soil water across the treatments |
2.4 排放强度与氮素去向
肥料品种不同, 菠菜株高和产量不同(图 6).4个处理菠菜产量分别为: FC (20 333.30 kg·hm-2)＞SC(17 000 kg·hm-2)＞SS(14 666.70 kg·hm-2)＞CK(10 000 kg·hm-2). FC、SC和SS相对CK分别增产103.3%、70%、46.67%, 说明施加氮素肥料能够增加蔬菜产量, 相同施氮水平下SC和SS处理蔬菜产量比商品肥FC处理产量低很多, 说明化肥氮分解快, 而有机肥分解较慢, 随着作物的生长, 植物对氮素吸收量增大[37], 化肥N的投入能够快速供给作物生长必须的N素营养, 保证作物获得较高的产量.
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图 6 不同肥料处理温室菠菜产量 Fig. 6 Yields of greenhouse spinach with different fertilizers |
不同施肥处理条件下NH3和N2O的排放强度不同. 4个处理NH3排放强度(以N计, 下同)分别为: FC(1.37 g·kg-1)＜SC(1.55 g·kg-1)＜CK(2.36 g·kg-1)＜SS(2.37 g·kg-1)，见图 7; 与FC处理相比, SC处理和SS处理分别增加了18.17%和42.19%(P＜0.05)的NH3排放强度, 各处理间NH3排放强度差异不显著.对于N2O排放强度(图 8), 4个处理分别为: SS(0.28 g·kg-1)＜SC(0.34 g·kg-1)＜CK(0.35 g·kg-1)＜FC(0.40 g·kg-1); 与FC处理相比, SC处理和SS处理分别显著减少了15.0%和30.0%的N2O排放强度.综合来看, 施用工厂化堆肥有机肥(SC)处理在保持菠菜产量的基础上能有效地减少NH3和N2O排放, 值得推荐.
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图 7 不同处理条件下NH3排放强度 Fig. 7 NH3 emission intensities from four different management treatments |
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图 8 不同处理条件下N2O排放强度 Fig. 8 N2O emission intensities from four different management treatments |
本研究考察了以NH3挥发、N2O排放和蔬菜吸收利用这3种N素去向(表 3).4个处理中菠菜对氮素的吸收利用量分别为FC(12.60 g·m-2)＞SC(10.91 g·m-2)＞SS(7.50 g·m-2)＞CK(5.38 g·m-2), 施用肥料SC和FC处理的菠菜植株吸氮量显著高于不施肥处理(CK), 分别增加了1.03倍和1.34倍, 且SC处理与FC处理之间差异不显著, 有机肥料的施入促进了土壤微生物的大量繁殖, 增加了土壤对无机肥料的固持, 减少了作物生育前期的氮素损失, 从而使得成熟期作物体内氮素吸收量均与单施化肥处理差异不显著[38].张树清等[39]的研究表明, 畜禽粪中多种重金属元素、兽药残留、盐分含量以及一些有害微生物含量超高, 这些也可能是导致SS处理产量等指标低于SC处理, 且SS处理条件下菠菜植株吸氮量较CK增加不显著的因素.氮素损失比例最大的是以NH3挥发气态形式损失的氮素, 其中SC、SS和FC处理的NH3挥发占投入氮素比例分别为2.74%、10.97%和4.19%; N2O损失率分别为2.21%、0.60%和4.50%. SC处理条件下NH3和N2O气体排放损失最小, 菠菜对氮素肥料的吸收率与FC处理差异不显著.综合分析温室气体减排及生物产量, 施用工厂化堆肥处理猪粪有机肥(SC)比单独施用N素化肥(FC)和农民传统堆放猪粪有机肥(SS)处理更有利于温室气体减排及增加作物产量, 可见合理施用高品质的有机肥不仅可以提高蔬菜产量, 还可以节约施肥成本, 减少环境污染风险.
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表 3 温室菠菜田土壤不同处理肥料氮素去向1) Table 3 Fate of fertilizer N under different kinds of application in spinach filed |
3 讨论 3.1 不同肥料对设施菜田NH3、N2O损失的影响
不同肥料类型主要通过影响土壤中铵态氮浓度, 进而影响NH3挥发.不同的肥料对土壤微生物生物量氮的影响不同, 本实验中SC处理, 秸秆和猪粪两种有机物料经高温好氧堆肥后C/N比上升, 所能提供的碳源也增加[40], 猪粪经工厂高温好氧堆肥后施入土壤使得最初带入的NH4+较少[41], 减少了NH3挥发量; 而SS处理只由农民简单堆置于户外, 不能满足微生物发酵所需要的最佳条件, 不但堆积时间长, 且堆料未达到完全腐熟程度, 猪粪与秸秆未能充分反应, 氮素肥料可能大量累积于土壤中, 或者通过其他途径如N2排放和N素淋洗损失, 有许多研究表明土壤N素养分主要以反硝化成N2损失和硝酸盐的迁移及淋洗为主, 以不同形态残留在土壤的N素占投入总氮的37.5%[42, 43]; 且SS处理猪粪未经高温翻堆处理, 含有较高的兽药、盐分以及一些有害微生物[39], 这些也可能是导致SS处理产量等较低, 损失量较大的原因.无机氮肥施入土壤迅速水解成铵态氮, 易挥发损失, 故FC处理前15 d的NH3挥发累积损失量高于其他处理, 为0.93 g·m-2, 第18 d以后SS处理NH3挥发累积损失量成为超过其他处理最高值, 说明有机肥施入土壤有明显的损失滞后性.
本实验中, SC和SS处理的有机肥施入菠菜地后土壤能使投入的氮素缓慢释放, 降低土壤有效氮含量, 从而减少N2O的排放, 其排放因子较化肥氮(FC)处理显著降低, 其N2O的排放系数分别为2.21%和0.60%. Aguilera等[44]也指出在控制水分条件下, 有机肥的施用可以减少N2O的排放. SS处理土壤N2O排放损失最低, 且该处理条件下菠菜产量较低, 可能由于农田土壤N素大部分以硝态氮的形式大量盈余[45]. SC处理N2O排放因子低于FC, 可能由于猪粪经过工厂化堆肥后, 适宜的C/N条件提高了土壤中微生物活性, 土壤矿化产生的无机氮增加, 促进了作物的生长和提高了氮素利用率[46], 土壤有效氮源少, N2O排放少. SC处理的工厂化堆肥有机肥作为氮素肥料替代化肥, 可使投入的氮素缓慢释放, 降低土壤有效氮含量, 从而减少N2O的排放, 其排放因子显著小于化肥处理. FC处理条件下, 菠菜地土壤N2O排放系数最大, 可能是由于其过量的化肥N素投入, 增加土壤中铵态氮浓度, 加之冬季气温低, 土壤矿化产生的无机氮量也低, 从而为土壤硝化-反硝化微生物提供更多的反应底物, 增加N2O的排放. SC处理土壤N2O排放系数值在全球水平上因施肥引起的土壤N2O排放系数范围内(2.2%~2.7%)[47], SS处理介于国内研究的0.27%~1.13%之间[48], 且与南京郊区菜地土壤N2O平均排放系数0.73%较接近[17, 49]. FC处理土壤N2O排放系数为4.50%, 符合其他人研究化肥和有机肥施入设施蔬菜地N2O-N排放系数在0~6.8%之间[50], 且与贾俊香等[51]研究南京郊区芹菜-空心菜-小白菜-苋菜轮作菜地的土壤N2O排放系数为4.6%较为接近. SC和FC处理N2O排放系数均高于IPCC 1%的推荐值.
3.2 影响设施菜田土壤NH3、N2O排放的因子作物生长期间, 氮素肥料的NH3挥发引起的气态损失是氮肥损失的主要途径之一[52, 53].氮肥施入土壤迅速水解成铵态氮, 易挥发损失, 导致实验期间施肥后前3 d菠菜地NH3挥发变化通量较高.研究显示氮肥施用后1~2周是氮素发生NH3挥发和反硝化损失的主要阶段[54, 55].气象因子中除风速外, 温度是影响NH3挥发的一个重要因子.本实验期间(图 1), 温度-0.4~18.65℃, 温度较低, N素肥料水解慢, 延缓了氮素的水解和铵态氮形成进程, 表层土壤的NH3分压(浓度)较低, 导致菠菜生长期间NH3挥发持续进行, 到施肥后30 d累积NH3挥发损失率才达到50%.当温度低时, 脲酶活性低, 不利于尿素水解, 因而产生NH3少[56], 所以温度波动是后期NH3挥发波动的一个因素.本实验中, 施肥后第45 d出现的NH3排放高峰是由于温度升高出现, 温度突升到10.2℃, CK、SC、SS、FC这4个处理的土壤NH3挥发通量在温度突升条件下分别为2.91、4.85、4.66和3.67 mg·(m2·h)-1, 且CK处理土壤NH3挥发通量与温度的相关系数分别为r=1.000(n=3, P＜0.05), 呈显著相关; FC处理土壤NH3挥发通量与温度的相关系数分别为r=1.000(n=3, P＜0.01), 呈极显著相关, 山楠等[35]通过对2011~2012年京郊地区化肥施入小麦田NH3挥发规律, 发现温度回升是影响NH3挥发通量短暂升高的一个重要的环境因素; 而SC和SS处理NH3挥发与环境温度无显著相关, 由于猪粪与秸秆混合处理后施入土壤, 秸秆的添加有可能对铵态氮有固定作用, 使得温度不再是影响NH3挥发显著因子.总体来看, 4个处理土壤NH3挥发与温度无显著相关性, 可能是冬季温度较低, 脲酶活性降低, 不利于N素水解.此外, 有研究指出60%左右的土壤水分环境为NH3排放提供了较高的潜势[17, 57], NH3挥发量与土壤水分散失呈正相关[58].在本研究中, 土壤水分含量在17.00%~27.47%之间, 除CK外, 各处理土壤NH3挥发损失与土壤水分呈显著负相关(表 2), 可能由于土壤水分含量降低时, 土壤中含有较多的NH3, NH3扩散作用增强, NH3挥发量增大[58], 与万合锋等[16]在北京通州地区研究2011年~2012年冬季施用不同畜禽粪便堆肥品的温室油麦菜地的NH3排放特征结果一致.以各处理土壤NH3挥发平均通量为因变量, 环境气温、土壤温度和土壤水分为自变量进行逐步回归分析, 得出回归方程:
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综合结果表明, 本研究中土壤水分是影响NH3挥发的主要环境因子.测定方法也是影响土壤NH3挥发测定结果的因子之一.本实验结果中, SC和FC处理土壤NH3损失率(2.74%和4.19%)较低, 可能是由于NH3采集装置采用较为简单的通气法[27], 与郝小雨等[59]采用通气法研究天津地区温室内种植芹菜施用有机肥NH3挥发排放率为0.65%~4.40%范围相近, 且与万合锋等[16]利用通气法研究北京通州温室种植油麦菜施用堆肥有机肥条件下土壤NH3损失率2.0%~3.98%接近.龚巍巍等[60]利用在线风洞系统收集NH3效率达90%, 其研究结果表明深圳地区青菜地化肥施入土壤NH3的挥发损失率达24.0%, 说明改进NH3挥发收集方式可以提高监测NH3挥发精度.
氮肥施入土壤易发生硝化与反硝化反应, N2O是这2个过程中氮素损失的主要形式, 土壤水分和温度是影响土壤硝化与反硝化作用的重要因子.氮肥施入土壤后发生硝化与反硝化作用, 在生成N2O的过程中, 介质的温度条件起着至关重要的作用.环境温度显著影响着农田土壤N2O日排放通量[61].土壤N2O排放所呈现的日变化与季节变化规律均与当日和当年的平均气温有关[62].然而本研究中, 菠菜地土壤N2O排放与环境温度无相关性, 可能是菠菜生长时期为冬季, 平均气温为-0.4~18.65℃, 低温环境不利于微生物活动, 影响了土壤硝化反硝化顺利进行, 与于亚军等[63]研究成都平原地区菜地土壤N2O排放在冬季与环境温度相关不显著结果一致, 有研究显示硝化微生物活动的适宜温度范围是15~35℃[61, 64, 65].土壤水分高低均通过反硝化和硝化作用产生N2O, 土壤空隙含水率在40%~60%之间有利于N2O产生和排放[63].本实验中, FC处理N2O排放通量与土壤水分相关系数为r=0.505(n=18, P＜0.05), 呈显著相关; 其他3个处理条件下土壤N2O与土壤水分均呈极显著相关性, 可能由于无机氮素肥料施入土壤消耗土壤水分进行水解作用, 从而导致施用化肥处理(FC)土壤水分与N2O排放响应机制不敏感.3种施肥处理菠菜地土壤N2O排放均高于CK处理, 可能由于人工施肥措施造成土壤扰动, 导致土壤产生的N2O更易向大气排放, 与Pihlatie等[66]的研究结果一致:土壤耕作对上层土壤的扰动程度大于下层, 从而造成表层土壤疏松多孔, 利于产生的土壤气体向大气扩散.本研究结果中, 以各处理土壤N2O排放平均通量为因变量, 环境气温、土壤温度和土壤水分为自变量进行逐步回归分析, 得出回归方程:
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综合结果表明, 本研究中土壤水分是影响N2O排放的主要环境因子.农田土壤中的N2O产生与排放受到土壤固有的物理性状、参与反应的土壤活性酶和微生物的影响, 农田周围的自然环境条件也是影响土壤N2O排放的因素之一.张婧等[67]研究北京郊区设施菜地典型种植模式(番茄-白菜-生菜)下土壤N2O排放特征结果除温度和水分等环境因子外, 土壤铵态氮和硝态氮含量变化是土壤硝化-反硝化作用和N2O排放的限制因子.设施蔬菜种植系统中, 反应底物如铵态氮、硝态氮、微生物量碳、可溶性有机碳的变化以及一些功能菌群与土壤酶的作用下各个氮转化过程反应机制, 尚不清楚, 有待进一步研究.
4 结论(1) 本实验中, 设施菜田SC、SS和FC处理下土壤的NH3挥发损失率分别为: 2.74%、10.97%和4.19%; N2O排放系数分别为2.21%, 0.60%和4.50%.同等施氮水平下, 与FC相比, SC处理能减少NH3和N2O排放量, 分别减少52.9%和95.12%(P＜0.01).该实验冬季温室种植菠菜, 整个生长周期中水分是与土壤NH3和N2O排放呈极显著线性关系, 分别为(R2=0.404, P＜0.01)和(R2=0.596, P＜0.01), 是不同肥料施用条件下温室种植菠菜土壤NH3和N2O排放的主要因素, 环境温度不是其主要影响因素.
(2) 冬季温室菠菜种植过程中, 3种处理产量分别为FC(20 333.30 kg·hm-2)＞SC(17 000 kg·hm-2)＞SS(14 666.70 kg·hm-2).设施菜地施用氮素肥料可以增加作物产量, SC的菠菜可保证产量的同时, 减少NH3挥发和N2O排放损失.优化畜禽粪便处理措施不仅可以提高设施蔬菜产量, 同时减少有畜禽粪便对环境的污染, 提高肥料利用率.本实验中施用工厂化堆肥有机肥处理(SC), 温室菠菜产量较高, NH3和N2O损失较低.
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