生物质炭不同施用量对设施菜地N2O及NOx排放的减排效应研究.pdf 14页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn生物质炭不同施用量对设施菜地N2O及#NOx排放的减排效应研究1222222**张要军，李舒清，张一荷，冯秀伟，闫嘉韫，刘树伟，邹建文5（1.河南大学生命科学学院，河南郑州，475004；2.江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室，南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京210095）摘要：设施菜地是N2O和NOx排放的主要人为排放源。生物质炭作为一种有效的N2O与10NOx减排措施受到了越来越多的关注。本研究主要通过田间原位试验，采用静态暗箱-气相色谱法田间原位同步观测N2O、NO和NO2的排放通量，探讨生物质炭不同施用量对设施菜地系统N2O和NOx排放的影响效应。研究结果显示氮肥施用条件下N2O和NO排放量分别-1-1为11.26-14.07kgN2O-Nha和7.55-9.25kgNO-Nha。N2O排放与土壤湿度呈显著指数相关关系，NO-N/（N2O+NO）-N和NO-N/N2O-N与土壤湿度呈显著线性相关关系。N2O和15NO排放与土壤无机态氮含量呈显著线性相关关系。同时，在当地常规氮肥施用量下，生物-1-1-1质炭不同施用量对N2O减排效果依次为FB2（20tha）>FB3（40tha）>FB1（10tha），-1-1-1对NO减排效果依次为FB1（10tha）>FB2（20tha）>FB3（40tha）。综合而言，生-1物质炭施用显著降低设施菜地系统N2O和NO排放量和排放系数，20tha生物质炭施用量对设施菜地N2O和NO综合减排潜力最为显著。20关键词：生物质炭；施用量；N2O；NOx中图分类号：X511EffectsofdifferentbiocharapplicationratesonN2OandNOxemissionsfromgreenhousevegetablefields1222225ZHANGYaojun,LIShuqing,ZHANGYihe,FENGXiuwei,YANJiayun,LIU22Shuwei,ZOUJianwen(1.SchoolofLifeScience,HenanUniversity,Zhengzhou475004;2.JiangsuKeyLaboratoryofLowCarbonAgricultureandGHGsMitigation,CollegeofResources&EnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095)30Abstract:Greenhousevegetablesystemsplayanimportantroleintheland-atmospherefluxofgreenhousegases,whichareconsideredasamajoranthropogenicsourceofgreenhousegasesemission.Meanwhile,biocharhasreceivedmoreandmoreattentionasaneffectivemitigationactionofN2OandNOemissions.FieldexperimentswereconductedinourstudytoexploreandilluminatetheeffectsofdifferentbiocharapplicationratesonN2OandNOxemissionsfromgreenhousevegetablesystems.35N2OandNOxemissionfluxeswasmeasuredwithstaticopaquechamber-gaschromatograph(GC)method.TheresultsshowedthatthecumulativeN2OandNOemissionswithNfertilizerapplication-1-1were11.26-14.07kgN2O-Nhaand7.55-9.25kgNO-Nha,respectively.N2Oemissionshadasignificantlyexponentrelationshipwithsoilmoisture,whileNO-N/(N2O+NO)-NandNO-N/N2O-Nshowedasignificantlylinearrelationshipwithsoilmoisture.N2OandNOemissionsshowed40significantlylinearrelationshipwithsoilmineralN.ThebiocharmitigationeffectsonN2Owith-1-1-1differentapplicationrateswereFB2(20tha)>FB3(40tha)>FB1(10tha)andonNOmitigation-1-1-1effectswereFB1(10tha)>FB2(20tha)>FB3(40tha),respectively.Inconclusion,biocharapplicationwouldmitigateN2OandNOemissionssignificantlyingreenhousevegetablesystems,and-120thabiocharapplicationquantityhasthebestmitigationpotentialonN2OandNOemissionsfrom45greenhousevegetablesystems.Keywords:biochar;applicationrate;N2O;NOx基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120097110011)作者简介：张要军（1987-），男，讲师，主要研究方向：农田土壤碳氮循环与全球变化通信联系人：李舒清（1985-），讲师，主要研究方向：全球变化与碳氮循环.E-mail:shuqingli@njau.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn0引言设施菜地系统中过量氮肥施用所引起的N2O和NO的大量排放已引起人们的广泛关注。50生物质炭施用显著降低农田土壤N2O和NO排放是目前全球变化研究领域关注的热点问题[1-5][2,4,6,7]。然而生物质炭施用量、田间管理措施、土壤类型等等均会引起研究结果的差异。[2]Zhang等（2012）研究结果表明，生物质炭的施用对玉米地系统N2O排放具有显著的减排-1-1效果，且40t·ha的生物质炭施用量相较20t·ha施用量对N2O减排效果更为显著。Suddick[6]-1和Six（2013）研究结果显示，生物质炭施用量为10t·ha时对菜地轮作系统N2O年排放[8]-155量影响不显著。而Taghizadeh-Toosi等（2011）研究结果显示，生物质炭施用量30t·ha-1时能够显著降低草地土壤70%的N2O排放量，而施用量为15t·ha时对N2O排放无明显影响。同时，也有研究报道指出生物质炭施用对N2O和NO排放没有显著的减排效果，甚至[6,9,10][10]能够促进土壤N2O的排放。Xiang等（2015）对我国苏州地区稻麦轮作系统小麦生-1长季观测研究发现，生物质炭施用量3.75和7.5t·ha对N2O和NO排放均没有显著的减排60效果。基于目前生物质炭对农田生态系统N2O和NOx排放研究结果的不一致性，同时考虑到当前我国设施菜地施肥量大和灌溉频繁等特点，寻求设施菜地生物质炭的最佳施用量，对于提高我国设施菜地氮肥利用效率及减少设施菜地N2O和NOx排放具有十分重要的意义。1材料与方法1.1试验点概况65试验田位于江苏省南京市麒麟镇锁石村蔬菜生产基地（32°04′N,118°58′E）。该地区属于典型的亚热带季风气候，年平均气温为17.8°C，年平均降水量为1090mm。试验地土壤类型为潴育型水稻土，耕层深厚，保水保肥性能好，土壤砂粉粘比例分别为15.2%、30.4%和-1354.4%。此菜地土壤pH为5.4，有机碳含量为15.8g·kg，全氮2.1g·kg-1，容重1.11gcm，-1-1铵态氮硝态氮含量分别为22.95mg·kg、172.63mg·kg。701.2供试生物质炭供试生物质炭原料为小麦秸秆，采用连续竖式生物质炭转化炉生产，炭化温度为350-500°C，生产地为河南商丘三利新能源有限公司。试验用生物质炭过5mm筛，本试验-1使用生物质炭pH为10.9，有机碳含量为467.2g·kg。1.3试验设计75本试验于2013.08-2014.08进行，设施菜地选用连续种植10年以上的塑料大棚，面积为280×5m（长×宽）。本研究中蔬菜轮作体系为西红柿（Solanumlycopersicum）-小青菜（Brassicachinensis）-毛豆（Glycinemax）。田间试验共设置5个处理，分别为不施氮肥的对照处理-1（Control）、常规氮肥处理（F，农户常规氮肥施用量）、常规氮肥+低生物质炭处理（10t·ha，-1-1F+B1）、常规氮肥+中生物质炭处理（20t·ha，F+B2）、常规氮肥+高生物质炭处理（40t·ha，80F+B3）。每处理设置三个重复，共15个试验小区。所有试验小区进行完全随机排列，每个2小区面积为1.8×1.8m。为减少不同小区之间氮肥施用可能造成的影响，不同小区之间由0.5m宽的保护垄隔开。其中氮肥为商品化的复合肥，含氮量为15%（N:P2O5:K2O=15%:15%:15%）。基肥施用为复合肥撒施土壤表面，然后人工耙匀翻入土壤中。追肥为复合肥先溶解-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn在水中，然后随灌溉水浇入氮肥处理的小区中，而不施氮肥的对照处理进行相同水量的灌溉。85相关菜地种植模式和施肥情况见表1。表1设施菜地蔬菜种植模式和氮肥施用管理Tab.1Vegetablecroppingsystemandfertilizationmanagementsinannualgreenhousevegetablecroppingsystems种植模式(Croppingsystem)氮肥施用(Nfertilization)移栽或播种日期收获日期施用日期施用类型蔬菜类型Transplanting/HarvestFertilization氮肥施用量Fertilizer-1CroptypeSowingdatedatedateNapplication(kg·N·ha)type(dd/mm/yy)(dd/mm/yy)(dd/mm/yy)西红柿24/08/1309/01/1423/08/13基肥20010/10/13追肥12004/11/13追肥80小青菜04/03/1420/04/1428/02/14基肥150毛豆10/05/1422/07/1405/05/14基肥901.4气体样品采集与分析[11,12]90N2O排放速率采用静态暗箱-气相色谱法进行测定。通常每周采样两次，施肥和灌溉之后加密。采样时间为当天上午08:00-10:00。箱体密闭后的0、5、10、15和20min，每[12-14]次采样60ml，用Agilent7890A气相色谱仪测定N2O浓度。NOx（NO和NO2）气样采集和N2O同步采集，所采集的气样保存在1.5L的铝箔采样袋中（DelinGasPackingCo.,LTD,Dalian,China），NO和NO2气体浓度采用NO-NO2-NOx95分析仪（Model42i,ThermoEnvironmentInstrumentsInc.,USA）进行测定。1.5土壤理化性质及蔬菜产量测定在整个观测周期内，大田试验中土壤温度和湿度（0-10cm）测定与气体采样频率同步进行，土壤湿度采用便携式土壤湿度仪测定（MPM-160）。大田试验开始前采集耕层土壤3（0-15cm），进行土壤背景理化性质的测定。土壤容重的测定采用环刀法，即用100cm环100刀压入耕层土壤带回实验室进行烘干测定。土壤pH采用复合玻璃电极仪（PHS-3Cmv/pHdetector,Shanghai,China）进行测定，测定时土水比为1:2.5。新鲜土壤样品过2mm筛，按-1照1:5的土水比，用浓度为2molL的KCl溶液进行浸提，浸提液用紫外分光光度计（HITACHI,U-2900,Japan）测定铵态氮硝态氮含量。采用双波长（220nm和275nm）分光-+光度法直接测定NO3-N浓度，采用靛酚蓝比色法（625nm）进行测定NH4-N浓度。105青椒和西红柿成熟后，蔬菜果实分批次收获计算鲜重为产量，植株收获时一次性称重生物量；小青菜成熟后一次性收获计算鲜重为产量。1.6统计分析数据分析使用SPSS和JMP9.0（SASInst.,NC,USA,2010）软件进行分析。数据计算及图表制作采用Excel（2003）软件生成，不同处理间单季及年N2O和NOx排放进行单因素方110差分析；土壤理化性质对N2O和NO排放的影响进行相关分析（Pearson双侧检验），土壤湿度对N2O和NO排放的影响进行线性或非线性回归分析。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2结果与分析2.1土壤温湿度及铵态氮、硝态氮动态变化如图1所示，在整个观测周期内，设施菜地土壤温度和空气温度表现为相似的季节变化115趋势，且空气温度整体略高于土壤温度（图1a）。蔬菜生长期间灌溉较为频繁（10天左右一次），因此蔬菜生长期间土壤湿度一般维持在50-90%WFPS，而休闲期土壤湿度一般低于+50%WFPS，而不同处理之间土壤湿度表现为相似的变化趋势（图1b）。土壤矿物质氮（NH4-N-和NO3-N）含量随施肥和灌溉的进行而有所升高（图1c和d）。其中，对照处理由于不施用氮肥，土壤无机态氮变化较为平缓，并且显著低于施氮处理的含量水平。35(a)S-TA-T25空气温度/15土壤Soilandairtemperature(°C)5100(b)8060/WFPS(%)40土壤湿度20ControlFF+B1F+B2F+B30150(c))120soil-19060-N(mgkg+4土壤铵态氮含量30NH0600(d))soil450-1300--N(mgkg3土壤硝态氮含量150NO008/19/1310/31/1301/12/1403/26/1406/07/1408/19/14观测日期/Date(mm/dd/yy)120图1土壤和空气温度(a)、土壤湿度(b)、土壤铵态氮含量(c)和硝态氮含量(d)动态变化+Fig.1Seasonaldynamicsofsoilandairtemperature(a),soilmoisture(WFPS,b),andsoilammonium(NH4-N,-c)andnitrate(NO3-N,d)ingreenhousevegetablecroppingsystems注：S-T和A-T分别表示设施菜地土壤温度和空气温度.125Note:S-TandA-Trepresentsoiltemperatureandairtemperature,respectively.-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.2N2O排放变化及累计排放量整体而言，所有施肥处理的N2O季节排放变化趋势基本一致，主要取决于氮肥的施用及土壤水分含量的变化，而生物质炭的施用对其影响不明显。在整个观测周期内，不施肥的-2-1对照处理小区N2O平均排放通量为53.60µgN2O-Nmh。相较而言，施肥处理小区N2O130平均排放排量在生物质炭施用和不施用情况下分别提高了172%和226%。施肥处理小区N2O排放峰主要发生在氮肥施用后一周以内，通常伴随着灌溉的进行。而在不同的蔬菜生长季，毛豆生长季土壤N2O排放通量显著高于西红柿和青菜生长季（图2）。相应的，N2O季节和全年累积排放量见表2。在整个轮作周期内，对照处理小区N2O年-1累积排放量为4.41kgN2O-Nha，施肥处理小区N2O年累积排放量为11.26-14.07kgN2O-N-1-1-1135ha。这与近年已有关于我国菜地系统N2O排放量1.77-66.6kgN2O-Nhayr的研究报道结[12,15-19][20]果相一致。然而，本研究结果显著低于Jia等（2012a）对南京郊区露天菜地N2O-1-1-1排放的观测（56.4-238kgNhayr），原因可能是由于其施肥量过高（2302-5572kgNha-1yr）从而导致菜地土壤大量N2O的排放。相反，本研究结果显著高于氮肥施用量低于200kg-1-1[6,21-23]Nhayr的露天菜地的研究报道。相较对照处理，施肥处理小区N2O年累积排放量在140生物质炭施用和不施用情况下分别提高了155-187%和219%，且主要发生在西红柿生长季（34-47%）和毛豆生长季（48-52%），而小青菜生长N2O排放量只占全年排放总量的13.7-14.9%。同时，生物质炭的施用显著降低了施肥处理小区的N2O排放量，分别降低了单-1季和全年N2O排放量的7-27%和10-20%。并且，20tha（F+B2）生物质炭施用量对N2O-1-1减排效果最为显著，其次为40tha施用量，而10tha生物质炭施用量减排效果相对最小。145施肥处理小区N2O季节排放系数在生物质炭施用和不施用情况下分别为0.64-4.01%和0.98-4.54%（表2），其中毛豆生长季N2O排放系数最高，是西红柿和小青菜季N2O排放系数的4-5倍，而西红柿季和小青菜季N2O排放系数相差不大。在整个轮作周期内，生物质炭施用处理小区的N2O年平均排放系数为1.18%（1.07-1.29%），相较常规氮肥施用处理降低了21.5%。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1200西红柿季小青菜季毛豆季(a))-1h-2800gmμ排放通量O2N400Ofluxes(2N010(b))0-1h-2gm-10μ排放通量2-20ControlFNOfluxes(2F+B1F+B2NO-30F+B3-40900(c))-1h600-2gmμ300排放通量NONOfluxes(0-30008/19/1310/31/1301/12/1403/26/1406/07/1408/19/14观测日期/Date(mm/dd/yy)150图2设施菜地系统N2O(a)、NO2(b)和NO(c)排放通量观测Fig.2DynamicsofN2O(a),NO2(b)andNO(c)emissionfluxesinthegreenhousevegetablecroppingsystems注：实线箭头和虚线箭头分别表示施用基肥和追肥.Note:Solidanddotarrowsrepresentbasalfertilizationandtopdressingevents,respectively.155-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn表2设施菜地轮作系统N2O和NOx累积排放量、排放系数及蔬菜产量(鲜重)Tab.2CumulativeN2OandNOxemissions,emissionfactorsandvegetableyield(freshyield)duringthewholevegetablerotationsystemsNO-NNO-NNO-N(NO+NOx)-N排放系数蔬菜产量222观测周期处理EmissionNO-NemissionNO-NemissionNO-Nemission(NO+NOx)-NVegetableyield222MeasurementperiodTreatmentfactor(%)kgNha-1N2ONOtha-1西红柿季Control1.09±0.15ef0.63±0.11fgh-0.03±0.01ab1.69±0.14b112.40±5.38a(2013.08.24-2014.03.03/F5.20±0.37abc5.08±0.56a-0.05±0.01bcde10.23±0.45a1.031.11123.07±5.73a共190天)F+B14.61±0.63abcd3.75±0.45abcd-0.07±0.00def8.30±0.91a0.880.78126.00±8.08aF+B23.79±0.31bcde4.13±0.60abc-0.05±0.01bcde7.88±0.74a0.680.88131.47±2.53aF+B34.49±0.17abcd4.24±0.53ab-0.05±0.01bcdef8.67±0.65a0.850.90122.40±7.20a小青菜季Control0.62±0.02f0.21±0.02h-0.01±0.00a0.82±0.04b71.41±8.57b(2014.03.04-2014.05.07/F2.09±0.22def1.55±0.26efgh-0.04±0.01abcd3.60±0.29b0.980.8973.17±4.52b共65天)F+B11.73±0.20def1.19±0.12efgh-0.04±0.01bcde2.88±0.29b0.740.6671.80±5.98bF+B21.59±0.17ef1.13±0.12efgh-0.05±0.00bcde2.67±0.29b0.640.6272.57±10.29bF+B31.80±0.20def1.21±0.15efgh-0.03±0.01abc2.98±0.31b0.790.6772.86±13.20b毛豆季Control2.71±0.18cdef0.42±0.01gh-0.03±0.00ab3.10±0.17b8.39±1.07c(2014.05.08-2014.08.13/F6.79±1.61a2.62±0.03bcde-0.07±0.00cdef9.35±1.58a4.542.459.26±0.92c共98天)F+B16.32±0.19ab2.55±0.48cde-0.07±0.01ef8.79±0.58a4.012.379.89±0.38cF+B25.88±0.80ab2.27±0.13def-0.07±0.01def8.08±0.93a3.532.0510.35±0.12cF+B35.78±0.66ab2.10±0.17defg-0.08±0.01f7.80±0.81a3.411.8710.72±1.17c全年Control4.41±0.05B1.26±0.12B-0.07±0.01A5.61±0.17B192.20±15.01AF14.07±1.54A9.25±0.86A-0.15±0.02B23.17±0.83A1.511.25205.50±11.17A(2013.08.24-2014.08.13/共353天)F+B112.66±0.63A7.50±0.92A-0.18±0.01B19.98±1.10A1.290.97207.69±14.44AF+B211.26±0.99A7.53±0.84A-0.16±0.01B18.63±1.83A1.070.98214.39±12.94AF+B312.06±1.00A7.55±0.83A-0.17±0.02B19.44±1.70A1.200.98205.98±21.57A160说明：1.表中数据为平均值±标准误（n=3），N2O及NOx累积排放量包括当季蔬菜生长季和接下来休闲期的排放总量；2.同一列中小写字母表示每季蔬菜观测期内不同处理之间差异显著，大写字母表示全年观测总量不同处理差异显著（P<0.05），均采用Turkey’s单因素方差比较。Note:1.Datashownaremeans±standarderrorsofthreereplicates.CumulativeN2O-NandNOxemissionsincludethevegetablegrowingseasonandthefollowingfallowperiodcumulativeemissions;2.Differentsmalland165capitalletterswithinthesamelineindicatesignificantdifferencesamongtreatmentsduringindividualvegetablegrowingseasonsandtheannualobservation,theTurkey’sone-wayANOVAtestwasusedatP<0.05.2.3NOx排放动态变化及累计排放量与N2O排放相似，氮肥施用对NO和NO2季节排放通量模式没有显著影响，整个生长170周期内NO排放呈现脉冲式动态变化（图2）。而与N2O排放不同的是，部分NO排放峰早-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn于N2O排放峰出现，同时从西红柿生长后期开始到试验观测结束，施肥处理小区NO排放与N2O排放表现为比较明显的此消彼长的关系。在整个观测周期内，不施肥的对照处理小-2-1区NO平均排放通量为20.6µgNO-Nmh，施肥施用处理小区NO平均排放通量在生物质-2-1-2-1炭施用和不施用情况下分别为96.2µgNO-Nmh和120.5µgNO-Nmh。相较施肥处理175小区，不施肥的对照处理小区NO排放较为平缓，且整体偏低。而与N2O和NO表现为明显的排放不同，设施菜地NO2排放通量表现为吸收现象，特别是在小青菜和毛豆生长季，而且不同处理之间NO2的吸收现象也几无差别（图2）。-1相应的，在整个观测周期内，NO背景排放总量为1.26kgNO-Nha，远远低于施肥处-1理小区的7.53-9.25kgNO-Nha，且本研究中超过一半（50-56%）的NO年排放量发生在西180红柿生长季（表2）。对于施肥处理小区，生物质炭不同施用量显著降低了NO季节排放量2.9-26.9%。施肥处理小区在生物质炭施用和不施用情况下NO平均排放系数分别为0.98%和1.25%。与N2O排放不同，毛豆季NO排放比西红柿季排放量低.然而在整个观测周期内，毛豆生长季NO排放系数最高，甚至是西红柿季和小青菜季NO排放系数的2-4倍。因此，相较其它蔬菜种植而言，毛豆种植会是潜力较大的NO排放源。1852.4蔬菜产量总体而言，本研究中西红柿、小青菜和毛豆的蔬菜产量（鲜重）因蔬菜种类的不同而差异显著，但是氮肥施用及生物质炭施用与否对蔬菜产量影响不显著（表2）。同时，本研究中西红柿产量最高，小青菜次之，毛豆产量最低。相较常规氮肥施用处理而言，生物质炭施用提高了蔬菜产量0.23-4.33%，但并没有达到统计学上显著水平（P>0.05）。且在整个观-1190测周期内，蔬菜产量最高的为20tha的生物质炭施用处理（F+B2，表2）。3讨论3.1土壤理化性质与N2O和NO排放的关系[24,25]土壤N2O和NO主要是通过土壤微生物的硝化和反硝化作用过程产生，土壤湿度[16]和矿物质氮含量是影响其排放的两个主要因素。在本研究中，N2O和NO排放峰主要伴195随氮肥施用和灌溉的进行而产生，这和前人有关菜地N2O和NO排放的研究报道结果相一[18,26-28]致。主要原因是由于氮肥施用和灌溉显著提高了土壤中矿物质氮含量，供应土壤微生[29]物活动所需的充足的底物浓度氮源，刺激土壤N2O和NO的产生和排放。表3土壤理化性质与N2O和NO排放的相关关系Tab.3CorrelationcoefficientsbetweenN2OandNOemissionsandsoilphysicochemicalproperties200注：SUM表示（N2O+NO）-N；Ratio表示NO-N/N2O-N；WFPS表示土壤湿度；TEMP表示土壤温度；TN表示土壤矿物质氮总和（NO3--N+NH4+-N）；*和**分别表示0.05和0.01的显著水平。Note:SUM,Ratio,-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnWFPS,TEMPandTNrepresent(N2O+NO)-N,NO-N/N2O-N,soilmoisture,soiltemperatureandtotalmineralN(NO3--N+NH4+-N),respectively;*and**indicatesignificanceatthe0.05and0.01level,respectively.205在整个轮作周期内，如表3所示，对土壤理化性质与N2O和NO排放进行相关分析结果表明，N2O和NO排放与土壤温度和土壤铵态氮含量均呈显著正相关关系，且N2O排放与土壤湿度表现为显著指数相关关系，而NO排放与土壤湿度表现为负相关关系，但并不显著。虽然N2O与NO排放总量与土壤矿质氮含量并没有显著相关关系（表3），但是经过210LN对数转化之后，N2O与NO排放总量与土壤矿质氮含量表现为显著相关关系（P<0.001）。[25,30]同时，基于N2O和NO产生和排放的“管洞模型”原理，本研究对土壤N2O和NO排放与土壤矿物质氮含量进行的线性分析结果表明仅有16%左右的N2O和NO排放总量与土壤矿物质氮含量变化显著相关（图4），这表明土壤中其它理化性质（如土壤温度和土壤湿度）也同时影响土壤N2O和NO的排放（表3）。因此，由于设施菜地系统复杂的碳-氮-水-热的215相互关系，导致影响对设施菜地土壤N2O和NO排放的主要因素的判断。同时，在整个观测周期内，设施菜地N2O排放整体显著高于NO排放（图2），这和[31]Davidson(1991)研究报道结果相一致，当土壤水分含量较高或其他情况下，土壤N2O排放高于NO排放。在本研究设施蔬菜生长期间，频繁的灌溉导致菜地土壤湿度基本维持在[32,33]60%WFPS以上，较高的土壤湿度相较更适宜于N2O的产生和排放。10000.04x2y=13.34e,R=0.41,P<0.001)800-1h-2gm600μ排放通量O4002NOfluxes(2N200(a)07y=-0.04x+3.4352R=0.29,P<0.001比值3O-NO-Nratio221NO-N/NNO-N/N-1(b)-320406080100土壤水分/WFPS(%)220图3土壤N2O排放通量(a)和NO-N/N2O-N(b)与土壤湿度的相关关系Fig.3CorrelationofsoilN2Ofluxes(a)andtheratioofNO-N/N2O-N(b)withsoilWFPSingreenhousevegetablecroppingsystems-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn8y=0.76x+0.862R=0.16,P<0.0016O+NO)-N]24LN[(N24.55.05.56.06.5-+LN[(NO3+NH4)-N]225图4N2O-N和NO-N排放量与土壤矿物质氮含量的相关关系+-Fig.4ThesumofN2O-NandNO-NfluxesdependentonsoilmineralN(NH4-N+NO3-N,a)contentsingreenhousevegetablecroppingsystems注：N2O-N和NO-N排放量与土壤矿物质氮含量均进行了对数(Ln)转换.Note:BothsumofN2O-NandNO-NemissionfluxesandsoilmineralNcontentswereLn-transformed.2303.2N2OvsNO[30,34]N2O和NO主要通过土壤硝化作用和反硝化作用过程产生，与土壤氮肥和水分含量显著相关（表2.1）。NO/N2O比通常被用来作为土壤中硝化作用和反硝化作用过程产生N2O[30,35]和NO强弱的指标。如当土壤湿度有利于硝化细菌活动时，此时N2O和NO主要是通过硝化作用过程产生，NO/N2O比通常大于1；相反，当土壤湿度有利于反硝化细菌活动以[30,35]235反硝化作用过程为主时，此时NO/N2O比通常小于1。在本研究中，两季蔬菜种植之间的休闲期较低的土壤水分含量（26.04-56.84%WFPS）所导致的NO/N2O比平均值为3.33（0.48-8.36），也就意味着在此期间硝化作用是产生N2O和NO的主要过程。蔬菜生长期间NO/N2O比基本小于1，因为蔬菜生长期间频繁的灌溉导致土壤湿度维持在较高的水平，此时反硝化作用过程在N2O和NO产生和排放中占主导地位。同时，本研究结果显示，当土240壤湿度介于60-80%WFPS时，NO/N2O比大部分位于1-2之间。和前人研究报道结果相一致[30,35,36]，本试验观测结果显示NO/N2O比与土壤湿度呈显著负相关关系（图3）。同时，当土壤水分低于61%WFPS时，本研究中NO排放超过N2O排放，这和之前关于在森林土壤[37]中的研究结果相一致。因此，本研究结果进一步印证了NO/N2O比可以作为土壤中硝化作用和反硝化作用产生N2O和NO强弱的指标，也意味着可以通过控制设施菜地灌溉时间245和用水量进行对N2O和NO排放的调控。3.3生物质炭不同施用量对土壤N2O和NO的减排效应近年，关于生物质炭施用作为降低农田土壤（包括菜地系统）N2O排放的一个有效措施[2,4,18,38-40]已进行了大量研究报道。然而，目前关于生物质炭施用降低土壤NO排放的报道还较为少见，特别是对农事操作较为频繁的设施菜地系统目前鲜有报道。本研究结果显示，生250物质炭施用显著降低了设施菜地系统土壤N2O和NO排放，这与生物质炭施用后能够改变土壤理化性质有关，如生物质炭施用能够改变土壤通透性和水分含量、土壤矿物质氮+-（NH4-N和NO3-N）有效性、提高土壤pH以及富含抑制土壤硝化作用过程的挥发性有机-10- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[18,42-44]碳等，都能够影响设施菜地土壤氮的转化过程。如生物质炭本身较高的C/N比可能会[40]抑制土壤有效氮的活性，进而减少土壤中产生N2O和NO的底物活性。而Nelissen等（2014）[4]255近期研究结果表明，生物质炭施用抑制土壤NO排放的原因很可能是由于生物质炭对土壤中氮的生物固定性及对NH4+-N的非静电吸附作用，因此能够降低土壤硝化作用过程所利用[30]的矿物质氮含量，而NO主要是通过土壤硝化作用过程产生。而且，研究发现生物质炭施[41]用能够提高土壤N2O还原酶的功能基因拷贝数，这与土壤N2O排放的降低有一定联系。同时，生物质炭本身的碱性性质能够提高菜地土壤的pH，进而抑制菜地土壤N2O的排放，[8,18,42]260这与其他有关生物质炭施用在酸性农田土壤降低N2O排放研究结果相一致。-1-1同时，本研究结果显示，相较10tha（F+B1）和40tha（F+B3）生物质炭施用量而-1言，20tha（F+B2）生物质炭施用量对本研究地区设施菜地N2O和NO综合减排效果最为显著（表2）。如前所述，目前关于生物质炭不同施用量对不同农田生态系统N2O和NO减[45]排效果存在着极大的不一致性，如Li等（2015b）对我国南京郊区菜地系统生物质炭施用-1-1-1265量20tha和40tha施用量研究结果显示，40tha的生物质炭施用量表现为更显著的N2O[6]-1减排效果；Suddick和Six（2013）研究结果显示，生物质炭施用量为10tha时对菜地轮作系统N2O年排放量影响不显著。目前关于对生物质炭施用的大田试验研究主要集中于单一施用量的方案，对于同一农田生态系统下生物质炭不同施用量的研究还比较缺乏，同时对于我国典型农田生态系统特别是设施菜地系统生物质炭最佳施用量的研究还鲜有报道。考虑270到设施菜地不同于其他农田生态系统的典型水-肥-热条件，以及当前我国设施菜地生产面积的快速发展和设施菜地系统中大量氮肥的用量，寻求对当地农户常规施肥量条件下最佳生物质碳施用量的研究，对于有效减少我国设施菜地系统N2O和NO排放和减少氮肥施用量具有重要意义。3.4N2O和NO排放系数及背景排放比较研究275本研究中N2O和NO排放系数随蔬菜种类不同而变化显著（表2）。常规施肥处理小区N2O年排放系数为1.51%，生物质炭施用处理N2O年平均排放系数为1.18%（1.07-1.29%），[12]均显著高于已有设施菜地研究关于对我国东南部地区N2O排放系数0.63%和我国北方地[46][28]区N2O排放系数0.24-0.30%的报道，而和Yao等（2015）对我国东南部地区设施菜地N2O排放系数1.1-1.9%的研究结果相一致。而且，本研究中N2O排放系数和前人关于对我[12,16,17,20,28]280国传统露天菜地排放系数0.41-5.0%变化范围相一致。本研究中NO年排放系数变[47]化范围为0.97-1.25%，显著高于Yan等（2003）对全球旱地土壤NO排放系数0.71%的估[16]算，但是和菜地土壤估算的NO排放系数变化范围0.02-3.60%相一致。[18]整个蔬菜轮作周期内NO排放系数为Li和Wang（2007）对我国珠江三角洲小白菜地系统观测研究结果发现NO排放系数为2.4%，显著高于本试验结果。然而，本研究观测结果285却显著高于水稻-小麦轮作系统的NO排放系数0.05%以及已有关于在本研究地区的毛豆-辣[47]椒-西兰花轮作系统NO排放系数0.36%。Yan等（2003）估算全球旱地作物NO平均排放系数为0.71%，略低于本研究中设施菜地轮作系统。把N2O和NO排放总量考虑在一起，由氮肥施用所引起的排放系数为2.58%。然而，考虑到N2O和NO排放和环境因子、土壤性质[16,26-28]以及农事操作相关，亟需加强典型农田生态系统设施菜地N2O和NO排放的观测。-1-1290本研究中N2O年背景排放量为4.41kgNhayr，这与前人在本地区的研究结果相一致，如在西红柿-黄瓜-芹菜、毛豆-辣椒-西兰花和红辣椒-菊花等设施菜地轮作系统中，N2O年背-1[12,26,28]景排放量分别为3.4、5.0和5.65kgN2O-Nha。相反，本研究中NO年背景排放量为-11- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn-1-1[17,26,28]1.58kgNO-Nha，显著高于在本研究区域已有研究所报道的0.16-0.80kgNO-Nha。设施菜地较高的土壤温度和间歇性的灌溉比较有利于土壤NO的产生和排放，相关分析结果295显示NO排放与土壤温度呈显著正相关关系（表3）。而且，相较常规露天菜地而言，设施菜地特有的湿热条件导致较高的氮素转化过程，能够促进土壤矿化和硝化作用的快速进行[12]。尽管目前关于对典型农业生态系统设施菜地N2O和NO研究报道还比较少，但是已有[12,26,28]的研究报道指出设施菜地N2O和NO背景排放量总体较高于大宗粮食作物的排放。平-1-1[47-50]300均而言，我国主要粮食作物N2O背景排放量为1.22-1.87kgN2O-Nhayr。设施菜地相较大宗粮食作物较高的N2O和NO背景排放量，一方面可能是由于设施菜地灌溉较为频繁以及复种指数高，另一方面可能与常年大量施肥导致本试验开始之前仍有大量前茬蔬菜残留的氮肥以及邻近高施肥处理的氮淋失有关。设施菜地系统在完善我国农业温室气体排放国家清单中扮演着十分重要的角色，而菜地系统N2O和NO背景排放被认为是组成我国农田生[47,51]305态系统N2O和NO排放清单的重要组成部分。因此，仍需加强对我国设施菜地生态系统N2O和NO的排放观测。4结论本试验再次印证了土壤湿度和土壤矿物质氮含量是设施菜地N2O和NO排放的两个重要的影响因素，同时N2O和NOx排放随蔬菜种植种类不同表现为极大的季节变异性。生物310质炭不同施用量均显著降低了设施菜地N2O和NO排放，而对NO2排放影响不显著。-1同时，本试验结果表明20tha生物质炭施用量对设施菜地N2O和NO综合减排潜力最为显著，且对蔬菜增产效果最为明显。本研究中设施菜地表现为较高的N2O和NO排放系数及背景排放量，同时进一步印证了NO/N2O比可以作为设施菜地土壤硝化作用和反硝化作用过程产生N2O和NO强弱的指标，且当土壤水分低于61%WFPS时，本研究中NO排放315超过N2O排放。综上，生物质炭施用能够作为我国设施菜地N2O和NO减排的一个有效措-1施，且在当地氮肥施用量及农事操作下，20tha生物质炭施用量具有较大的减排潜力。[参考文献](References)[1]LehmannJ,daSilvaJ,SteinerC,NehlsT,ZechW&GlaserB.NutrientavailabilityandleachinginanarchaeologicalAnthrosolandaFerralsoloftheCentralAmazonbasin:fertilizer,manureandcharcoal320amendments[J].PlantandSoil,2003,249:343-357.[2]ZhangA,LiuY,PanG,HussainQ,LiL,ZhengJ,ZhangX.EffectofbiocharamendmentonmaizeyieldandgreenhousegasemissionsfromasoilorganiccarbonpoorcalcareousloamysoilfromCentralChinaPlain[J].PlantandSoil,2012,351:263-275.[3]JiaJ,LiB,ChenZ,XieZ&XiongZ.Effectsofbiocharapplicationonvegetableproductionandemissionsof325N2OandCH4[J].SoilScienceandPlantNutrition,2012b,58:503-509.[4]NelissenV,SahaB.K.,RuysschaertG,BoeckxP.EffectofdifferentbiocharandfertilizertypesonN2OandNOemissions[J].SoilBiology&Biochemistry,2014,70:244-255.[5]DickeC,AndertJ,AmmonC,KernJ,Meyer-AurichA&KaupenjohannM.EffectsofdifferentbiocharsanddigestateonN2Ofluxesunderfieldconditions[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2015,524-525:310-318.330[6]SuddickE&SixJ.Anestimationofannualnitrousoxideemissionsandsoilqualityfollowingtheamendmentofhightemperaturewalnutshellbiocharandcomposttoasmallscalevegetablecroprotation[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2013,465:298-307.[7]MiaS,vanGroenigenJ.W.,vandeVoordeT.F.J.,OramN.J.,BezemerT.M.,MommerL&JefferyS.Biocharapplicationrateaffectsbiologicalnitrogenfixationinredcloverconditionalonpotassiumavailability[J].335Agriculture,EcosystemsandEnvironment,2014,191:83-91.[8]Taghizadeh-ToosiA,CloughT,CondronL,SherlockR,AndersonC&CraigieR.Biocharincorporationintopasturesoilsuppressesinsitunitrousoxideemissionsfromruminanturinepatches[J].J.Environ.Qual.,2011,40:468-476.-12- 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