论文部分内容阅读
摘 要 设施菜地系统是重要的农田生态系统，其土壤N2O的排放引起了人们的关注，总结设施菜地不同水肥管理条件的土壤N2O排放具有重要的现实意义。基于此，总结了土壤水分、施用氮肥等对土壤N2O排放的研究现状，分析了设施菜地土壤N2O排放的研究进展，最后提出了今后的研究方向。
关键词 设施菜地;N2O;土壤水分;施肥;温室气体
中图分类号：S152.7 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.33.017
1 研究背景
N2O是3种最主要的温室气体之一，也是增温趋势最为明显的气体之一，被誉为21世纪温室效益最大的影响因子[1]。N2O会破坏臭氧层，增加太阳辐射，阻止大气热量向外太空扩散，带来温室效应，影响人类生存环境。农业生产活动是影响土壤N2O气体排放的重要因素，也是N2O气体排放的重要来源，更是近期大气中N2O气体浓度上升的重要原因。设施菜地生产是重要的农业生产活动，近年来受到越来越多的关注。
我国是世界上重要的蔬菜大国，是世界上设施蔬菜栽培面积最大的国家，而且随着人民生活水平的提高，设施蔬菜在我国发展潜力巨大[2-3]。设施蔬菜生长期较短的特点决定了其施肥量特别大，远远高于大田作物[4]。有统计资料显示，设施菜地氮肥施用量占全国氮肥施用量的17%，大量施用氮肥必然导致土壤氮素含量上升，进而会影响土壤硝化反硝化过程。设施蔬菜的生长环境决定了其复种指数较高，灌溉和施肥较为频繁，其目前主要采用滴灌、微喷等高效节水灌溉方式，良好的水肥条件会加速土壤氮素的硝化与反硝化过程，进而影响土壤N2O排放[5]，目前，这一领域的研究尚不够充分[6]。因此，总结设施菜地不同水肥管理条件的土壤N2O排放就显得十分有意义。
2 农田土壤N2O排放及其与土壤水分关系
农田土壤N2O排放的环境影响因子很多，包括土壤理化特性、微生物活动、水分和肥料情况等，而影响土壤N2O排放的人类活动因子主要是农田灌溉、人工施肥及作物种植等[7]。
土壤中含水量是农田N2O气体排放的一个重要影响因素，其高低会影响土壤中氨态氮和硝态氮的分布及微生物的有效性。在土壤含水量较低时，土壤中的硝化作用和反硝化作用较弱，随着土壤含水量的增加，N2O的排放通量逐渐增加，但是当土壤含水量超过一定的范围，比如77%～86%的饱和含水率或90%～100%的田间持水率范围，N2O的排放通量反而会逐渐降低。在土壤含水量较低时，土壤空隙较大，氧气含量的增加加速了硝化作用，土壤含水量增加时，土壤含氧量降低促进了反硝化作用。农田的灌溉或降雨将导致土壤存在一定的干湿交替，进而影响土壤N2O的排放。很多学者在淹水灌溉、稻田的控制灌溉、降雨等试验处理上对土壤N2O的排放进行了研究，提出了很多关于土壤N2O排放规律的成果。
3 农田土壤N2O排放及其与施用氮肥的关系
土壤铵态氮和硝态氮是土壤硝化作用和反硝化作用的底物，其大小直接影响土壤N2O的排放，其排放量会随着氮肥施用量的增加以指数形式增长[8]。据统计，中国农田N2O排放中的77.64%是由施用化学氮肥导致的，且有机构提出采用1.25%作为农田化学氮肥的N2O排放因子。
施用氮肥能够促进土壤N2O排放，且会导致短期内剧烈排放，主要原因是施用氮肥加剧了土壤硝化和反硝化作用，且研究表明酰胺态氮肥对N2O排放的影响高于铵态氮肥和硝态氮肥。也有研究表明，硝态氮的大量存在会影响土壤硝化反硝化过程，从而抑制N2O还原为N2[9]，且反硝化速率与可矿化碳含量的相关性较大，与全碳含量也会呈显著相关。氮肥对N2O排放的影与施用氮肥的种类、施用肥料的类型、施肥量及环境因素等都有关系。有研究表明，常规施氮土壤N2O排放通量高于控制施肥，控制施肥可以有效降低土壤N2O的排放。
4 设施菜地系统的N2O排放研究
设施菜地系统是一个典型的农田生态系统，良好的湿热条件加上灌溉频繁，大量施肥量，导致消化反硝化作用明显，N2O排放不同于大田生态系统。
有研究指出，设施菜地系统中的土壤N2O排放通量远高于大田作物，土壤N2O排放总量与生育期的施氮量间呈显著的指数函数关系，且肥水管理模式对N2O排放影响较大，尤其是农田灌溉和人工施肥措施对N2O产生和排放影响巨大。
也有研究表明，频繁灌溉是促进土壤N2O排放量高的主要原因之一，使用滴灌施肥一体化技术可以减缓土壤水分干湿交替的剧烈程度，进而削弱土壤硝化和反硝化的强度，降低土壤N2O排放。在设施菜地滴灌时，土壤湿润的方式与常规灌溉不同，相对于沟灌处理，滴灌土壤含水量相对较低，反硝化作用强烈，N2O累积排放量降低了。有研究表明，精确滴灌施肥技术可以有效降低氮素的流失率，与常规灌溉相比，滴灌施肥区域的N2O排放通量降低较多。
5 结论与展望
设施菜地系统是重要的农田生态系统，对农田N2O排放有着重要影响。设施蔬菜特殊的种植模式，往往需要“大水大肥”，会导致剧烈的硝化和反硝化作用，进而影响着土壤N2O的排放。基于此，总结了土壤N2O排放与水分、施肥的关系，分析了设施菜地系统的土壤N2O排放。
通过总结与分析可以得出以下结论。1）很多学者已经注意到水分管理对于设施菜地生态系统土壤N2O排放的重要性，但很少从设施菜地的灌溉方法或土壤水分分布等方面入手进行土壤N2O排放的研究。2）滴灌技术是近代世界各国积极倡导和实践的先进節水灌溉方法，随着滴灌技术的大量应用，其带来的农田生态环境效应（水分深层渗漏、硝态氮淋失等）也引起了人们的关注，但对另外一个农田生态环境问题“温室气体排放”关注度不够，还有待进行系统研究。3）设施菜地系统是一个重要的农田生态系统，其温室气体（主要是N2O）排放规律及影响因素往往和大田作物不同，且目前相关的研究较为薄弱。因此，设施菜地系统的N2O排放规律和影响机理有待进行深入的研究。 参考文献：
[1] IPCC.Climate Change 2013： Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report[R].The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013.
[2] 喻景权.“十一五”我国设施蔬菜生产和科技进展及其展望[J].中国蔬菜，2011（2）：11-23.
[3] 段志坚，马君珂，刘记强，等.我国设施蔬菜产业发展态势-访中国农科院蔬菜花卉所栽培与产后加工室主任张志斌[J].农家参谋，2010（4）：1-2.
[4] Cui M，Sun X，Hu C， et al.Effective Mitigation of Nitrate Leaching and Nitrous Oxide Emissions in Intensive Vegetable Production Systems Using A Nitrification Inhibitor， Dicyandiamide[J].Journal of Soils and Sediments，2011，11（5）：722-730.
[5] 陈海燕，李虎，王立刚，等.京郊典型设施蔬菜地N2O排放规律及影响因素研究[J].中国土壤与肥料，2012（5）：5-10.
[6] He F， Jiang R， Chen Q， et al. Nitrous Oxide Emissions from an Intensively Managed Greenhouse Vegetable Cropping System in Northern China[J].Environmental Pollution，2009，157（5）：1666-1672.
[7] Van Groenigen J W， Zwart K B， Harris D， et al.Vertical Gradients of δ15N and δ18O in Soil Atmospheric N2O-temporal Dynamics in a Sandy Soil[J].Rapid Commun Mass Spectrom，2005，19（10）：1289-1295.
[8] 邹建文，刘树伟，秦艳梅，等.不同水分管理方式下水稻生长季N2O排放量估算：模型应用[J].環境科学，2009，30（4）：949-955.
[9] 蔡祖聪，徐华，马静.稻田生态系统CH4和N2O排放[M].北京：中国科学技术大学出版社，2009.
关键词 设施菜地;N2O;土壤水分;施肥;温室气体
中图分类号：S152.7 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.33.017
1 研究背景
N2O是3种最主要的温室气体之一，也是增温趋势最为明显的气体之一，被誉为21世纪温室效益最大的影响因子[1]。N2O会破坏臭氧层，增加太阳辐射，阻止大气热量向外太空扩散，带来温室效应，影响人类生存环境。农业生产活动是影响土壤N2O气体排放的重要因素，也是N2O气体排放的重要来源，更是近期大气中N2O气体浓度上升的重要原因。设施菜地生产是重要的农业生产活动，近年来受到越来越多的关注。
我国是世界上重要的蔬菜大国，是世界上设施蔬菜栽培面积最大的国家，而且随着人民生活水平的提高，设施蔬菜在我国发展潜力巨大[2-3]。设施蔬菜生长期较短的特点决定了其施肥量特别大，远远高于大田作物[4]。有统计资料显示，设施菜地氮肥施用量占全国氮肥施用量的17%，大量施用氮肥必然导致土壤氮素含量上升，进而会影响土壤硝化反硝化过程。设施蔬菜的生长环境决定了其复种指数较高，灌溉和施肥较为频繁，其目前主要采用滴灌、微喷等高效节水灌溉方式，良好的水肥条件会加速土壤氮素的硝化与反硝化过程，进而影响土壤N2O排放[5]，目前，这一领域的研究尚不够充分[6]。因此，总结设施菜地不同水肥管理条件的土壤N2O排放就显得十分有意义。
2 农田土壤N2O排放及其与土壤水分关系
农田土壤N2O排放的环境影响因子很多，包括土壤理化特性、微生物活动、水分和肥料情况等，而影响土壤N2O排放的人类活动因子主要是农田灌溉、人工施肥及作物种植等[7]。
土壤中含水量是农田N2O气体排放的一个重要影响因素，其高低会影响土壤中氨态氮和硝态氮的分布及微生物的有效性。在土壤含水量较低时，土壤中的硝化作用和反硝化作用较弱，随着土壤含水量的增加，N2O的排放通量逐渐增加，但是当土壤含水量超过一定的范围，比如77%～86%的饱和含水率或90%～100%的田间持水率范围，N2O的排放通量反而会逐渐降低。在土壤含水量较低时，土壤空隙较大，氧气含量的增加加速了硝化作用，土壤含水量增加时，土壤含氧量降低促进了反硝化作用。农田的灌溉或降雨将导致土壤存在一定的干湿交替，进而影响土壤N2O的排放。很多学者在淹水灌溉、稻田的控制灌溉、降雨等试验处理上对土壤N2O的排放进行了研究，提出了很多关于土壤N2O排放规律的成果。
3 农田土壤N2O排放及其与施用氮肥的关系
土壤铵态氮和硝态氮是土壤硝化作用和反硝化作用的底物，其大小直接影响土壤N2O的排放，其排放量会随着氮肥施用量的增加以指数形式增长[8]。据统计，中国农田N2O排放中的77.64%是由施用化学氮肥导致的，且有机构提出采用1.25%作为农田化学氮肥的N2O排放因子。
施用氮肥能够促进土壤N2O排放，且会导致短期内剧烈排放，主要原因是施用氮肥加剧了土壤硝化和反硝化作用，且研究表明酰胺态氮肥对N2O排放的影响高于铵态氮肥和硝态氮肥。也有研究表明，硝态氮的大量存在会影响土壤硝化反硝化过程，从而抑制N2O还原为N2[9]，且反硝化速率与可矿化碳含量的相关性较大，与全碳含量也会呈显著相关。氮肥对N2O排放的影与施用氮肥的种类、施用肥料的类型、施肥量及环境因素等都有关系。有研究表明，常规施氮土壤N2O排放通量高于控制施肥，控制施肥可以有效降低土壤N2O的排放。
4 设施菜地系统的N2O排放研究
设施菜地系统是一个典型的农田生态系统，良好的湿热条件加上灌溉频繁，大量施肥量，导致消化反硝化作用明显，N2O排放不同于大田生态系统。
有研究指出，设施菜地系统中的土壤N2O排放通量远高于大田作物，土壤N2O排放总量与生育期的施氮量间呈显著的指数函数关系，且肥水管理模式对N2O排放影响较大，尤其是农田灌溉和人工施肥措施对N2O产生和排放影响巨大。
也有研究表明，频繁灌溉是促进土壤N2O排放量高的主要原因之一，使用滴灌施肥一体化技术可以减缓土壤水分干湿交替的剧烈程度，进而削弱土壤硝化和反硝化的强度，降低土壤N2O排放。在设施菜地滴灌时，土壤湿润的方式与常规灌溉不同，相对于沟灌处理，滴灌土壤含水量相对较低，反硝化作用强烈，N2O累积排放量降低了。有研究表明，精确滴灌施肥技术可以有效降低氮素的流失率，与常规灌溉相比，滴灌施肥区域的N2O排放通量降低较多。
5 结论与展望
设施菜地系统是重要的农田生态系统，对农田N2O排放有着重要影响。设施蔬菜特殊的种植模式，往往需要“大水大肥”，会导致剧烈的硝化和反硝化作用，进而影响着土壤N2O的排放。基于此，总结了土壤N2O排放与水分、施肥的关系，分析了设施菜地系统的土壤N2O排放。
通过总结与分析可以得出以下结论。1）很多学者已经注意到水分管理对于设施菜地生态系统土壤N2O排放的重要性，但很少从设施菜地的灌溉方法或土壤水分分布等方面入手进行土壤N2O排放的研究。2）滴灌技术是近代世界各国积极倡导和实践的先进節水灌溉方法，随着滴灌技术的大量应用，其带来的农田生态环境效应（水分深层渗漏、硝态氮淋失等）也引起了人们的关注，但对另外一个农田生态环境问题“温室气体排放”关注度不够，还有待进行系统研究。3）设施菜地系统是一个重要的农田生态系统，其温室气体（主要是N2O）排放规律及影响因素往往和大田作物不同，且目前相关的研究较为薄弱。因此，设施菜地系统的N2O排放规律和影响机理有待进行深入的研究。 参考文献：
[1] IPCC.Climate Change 2013： Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report[R].The Physical Science Basis Summary for Policymakers，2013.
[2] 喻景权.“十一五”我国设施蔬菜生产和科技进展及其展望[J].中国蔬菜，2011（2）：11-23.
[3] 段志坚，马君珂，刘记强，等.我国设施蔬菜产业发展态势-访中国农科院蔬菜花卉所栽培与产后加工室主任张志斌[J].农家参谋，2010（4）：1-2.
[4] Cui M，Sun X，Hu C， et al.Effective Mitigation of Nitrate Leaching and Nitrous Oxide Emissions in Intensive Vegetable Production Systems Using A Nitrification Inhibitor， Dicyandiamide[J].Journal of Soils and Sediments，2011，11（5）：722-730.
[5] 陈海燕，李虎，王立刚，等.京郊典型设施蔬菜地N2O排放规律及影响因素研究[J].中国土壤与肥料，2012（5）：5-10.
[6] He F， Jiang R， Chen Q， et al. Nitrous Oxide Emissions from an Intensively Managed Greenhouse Vegetable Cropping System in Northern China[J].Environmental Pollution，2009，157（5）：1666-1672.
[7] Van Groenigen J W， Zwart K B， Harris D， et al.Vertical Gradients of δ15N and δ18O in Soil Atmospheric N2O-temporal Dynamics in a Sandy Soil[J].Rapid Commun Mass Spectrom，2005，19（10）：1289-1295.
[8] 邹建文，刘树伟，秦艳梅，等.不同水分管理方式下水稻生长季N2O排放量估算：模型应用[J].環境科学，2009，30（4）：949-955.
[9] 蔡祖聪，徐华，马静.稻田生态系统CH4和N2O排放[M].北京：中国科学技术大学出版社，2009.