李寶石, 劉文科, 王奇, 查凌雁, 張玉彬, 周成波, 邵明杰

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

大氣中溫室氣體濃度呈逐漸遞增趨勢，由此導(dǎo)致的全球氣溫升高和臭氧層破壞已成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問題[1-2]。二氧化碳(CO2)和氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體[1]，不僅會(huì)破壞臭氧層[3-4]，也會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國的農(nóng)田氮肥總用量已達(dá)2 065萬t氮[5]。菜地氮肥投入量和復(fù)種指數(shù)遠(yuǎn)高于一般農(nóng)田，溫室菜地氮肥用量是露天菜地的2～5倍[6-7]，而且未來10年我國蔬菜需求量仍將呈現(xiàn)剛性增長趨勢，由蔬菜種植引起的溫室氣體排放等環(huán)境問題也會(huì)越來越突出。因此，高效生產(chǎn)、節(jié)能低排的栽培方式是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

近年來，無土栽培技術(shù)在全世界興盛發(fā)展，成為解決土壤栽培問題的有效途徑[8]。Yoshihara等[9]通過研究巖棉栽培的番茄作物發(fā)現(xiàn)，相比土壤栽培，巖棉栽培能夠提高作物氮素利用效率，減少N2O排放；Lorach-Massana等[10]通過珍珠巖袋栽培生菜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無土栽培存在減排的潛勢。然而，無土栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)造成其穩(wěn)定性較差，日光溫室夏季的高溫脅迫影響了其生產(chǎn)性能的發(fā)揮。針對此問題，傅國海等[11]研究發(fā)現(xiàn)，利用起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)能夠充分發(fā)揮土壤對環(huán)境溫度的緩沖作用，同時(shí)又能充分發(fā)揮基質(zhì)栽培高產(chǎn)高效的優(yōu)點(diǎn)。此外，有研究證明，采用強(qiáng)反光膜覆蓋的起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培降溫效果最好，有利于番茄苗期的生長[12]。Díaz-Pérez[13]研究也表明，采用反光地膜覆蓋的甜椒果實(shí)產(chǎn)量有所增加。目前，相關(guān)研究僅僅關(guān)注的是根區(qū)溫?zé)嵝阅躘11-12,14]，并未針對溫室氣體排放做過深入研究。SSC作為限根基質(zhì)栽培方法，其栽培介質(zhì)理化性質(zhì)和微生物群與土壤栽培不同，這些差異導(dǎo)致SSC方法在溫室氣體排放特征上與土壤栽培存在差異。因此，明確SSC根區(qū)溫室氣體排放特征及其調(diào)控機(jī)制不僅是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域的前沿內(nèi)容，也是SSC技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的重要依據(jù)。硝化抑制劑是能提高肥料利用率、減少氮肥損失的一類化學(xué)氮肥或生物制劑[15-16]。近些年，硝化抑制劑在降低N2O排放、減少硝態(tài)氮淋失、提高氮肥利用率、提高作物產(chǎn)量等方面起到了很好的效果[17-18]。因此，在復(fù)種指數(shù)高、氮肥施用量大的設(shè)施蔬菜田中使用硝化抑制劑，這一減排措施對控制氣候變暖具有重要意義。

本研究利用靜態(tài)箱-氣相色譜法對日光溫室中土壟栽培和SSC栽培根區(qū)溫室氣體排放進(jìn)行觀測，探究了日光溫室中2種栽培模式下溫室氣體排放特征差異及其主要影響因素，定量研究了硝化抑制劑對日光溫室中SSC栽培模式下的溫室氣體減排貢獻(xiàn)及對黃瓜產(chǎn)量的影響，確定了有效的減排調(diào)控途徑，旨在為設(shè)施菜地溫室氣體減排提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 溫室概況

試驗(yàn)在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地的日光溫室中進(jìn)行。溫室東西長60 m，跨度8 m，脊高3.8 m，室齡為4 a。小區(qū)面積48 m2，距溫室南端2 m，離西側(cè)山墻4 m。

1.2 試驗(yàn)材料

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理：土壟，不施氮肥(CK)；起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)；土壟(soil cultivation，SC)；起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培+DMPP(soil-ridged substrate-embedded cultivation+DMPP，SSC+D)；土壟+DMPP(soil cultivation+DMPP，SC+D)。除對照外，其他4種處理施氮肥均為188 kg·hm-2，DMPP的添加量為總氮肥用量的1%。壟規(guī)格(上底×下底×壟高)為20 cm×40 cm×10 cm，起壟內(nèi)嵌槽尺寸(長×寬×高)為300 cm×10 cm×10 cm。每壟種植10株黃瓜，每個(gè)處理均重復(fù)3次。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1溫室氣體通量 采用靜態(tài)暗箱觀測法測定溫室氣體通量。采樣裝置由底座(20 cm×25 cm×10 cm，帶凹槽)和箱體(11 cm×21 cm×40 cm)組成，均為外徑尺寸，板材厚度為5 mm。在箱體內(nèi)頂部固定一個(gè)風(fēng)扇以混勻氣體，箱體內(nèi)部分別放置采氣管和溫度探頭。2019年5月29日、31日(以后每隔一周采氣一次)，每次上午10:00、10:10、10:20、10:30、10:40進(jìn)行采氣。采氣結(jié)束后將氣樣帶到實(shí)驗(yàn)室，用安捷倫氣相色譜儀(7890A，美國)測定氣體樣品中N2O和CO2氣體的積分面積。N2O使用電子捕獲檢測器(ECD)檢測，CO2經(jīng)Porapak Q填充柱分離并經(jīng)鎳轉(zhuǎn)化爐還原后使用FID檢測。鎳轉(zhuǎn)化爐、FID及ECD 運(yùn)行溫度分別為375、200和300 ℃，爐溫55 ℃。每次采集氣體樣品的同時(shí)，同步記錄采樣箱內(nèi)溫度、大氣溫度、5 cm土層溫度(YM-CJ型智能土壤溫度記錄儀測定)。氣體通量(F)計(jì)算公式[19]如下。

(1)

式中，F(xiàn)為溫室氣體的排放通量，正值表示土壤向大氣排放，負(fù)值表示吸收，mg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度，g·L-1；V為采樣箱體積；A為土壤面積；T為采樣箱內(nèi)氣溫，℃；dc/dt為采樣箱內(nèi)溫室氣體氣體濃度隨時(shí)間變化的速率，μL·L-1·h-1。

在 100 a 時(shí)間尺度的氣候變化上，設(shè)CO2的綜合增溫潛勢(comprehensive global warming potential，GWP)為1，則N2O氣體的GWP為298[19]。GWP計(jì)算公式如下。

GWP(CO2-eq kg·hm-2)= CO2累積排放量+N2O累積排放量×298

(2)

1.4.2土壤基質(zhì)pH和電導(dǎo)率測定 氣體樣品采集完畢之后，用土鉆采集底座框內(nèi)的0—10 cm 土壤或基質(zhì)樣品。然后將新鮮樣品風(fēng)干，稱取10 g樣品置于50 mL離心管中，加入25 mL水。將離心管密封后，用搖床攪拌30 min，然后靜置1 h，用 pH 計(jì)(PHS-2F，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國)測定基質(zhì)的pH，用電導(dǎo)率儀(DDSJ-308F，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國)測定基質(zhì)電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)。

1.4.3黃瓜指標(biāo)測定 ①黃瓜生長及生理指標(biāo)測定。于移植25、50 d時(shí)，采用游標(biāo)卡尺測定莖粗，用直尺測定株高，計(jì)數(shù)法測定葉片數(shù)，采用SPAD葉綠素儀測定黃瓜葉片葉綠素含量。

②黃瓜生物量指標(biāo)測定。于移植50 d時(shí)果實(shí)采收后，分別測定其黃瓜果實(shí)長度和果實(shí)直徑以及單果重。2019年6月3日開始采收，每個(gè)處理選取5株黃瓜植株，采收果實(shí)并稱重，以后每隔3～5 d采收一次，累加果實(shí)鮮重總和，即為整個(gè)階段單株黃瓜產(chǎn)量。7月12日測產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行拉秧，將選取的5株黃瓜植株的地上部和根系分開，然后用電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9620-A)于105 ℃殺青2 h，于80 ℃烘干至恒重，分別測定地上部和根系的干重。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將氣體通量平均值作為日均值，采用線性內(nèi)插法計(jì)算氣體的累積排放量。利用SPSS 25.0軟件的One-way ANOVA比較處理間黃瓜各指標(biāo)和氣體通量的差異顯著性。采用Microsoft Office Excel 2010繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 DMPP對N2O排放通量的影響

由圖1可知，各處理N2O排放通量高峰均在移植后33 d，CK、SC、SC+D、SSC、SSC+D處理分別為0.075、0.287、0.165、0.232、0.112 mg·m-2·h-1，SC、SSC處理N2O排放通量顯著高于CK(P<0.05)，而SC+D、SSC+D處理與CK相比則沒有顯著差異；與SC、SSC處理相比，SC+D、SSC+D處理顯著降低了N2O排放通量，SC處理比SC+D處理高出73.3%，SSC處理比SSC+D處理高出106.6%(P<0.05)。移植后40 d各處理N2O排放通量急劇回落，之后一直到移植后75 d，各處理N2O排放通量幾乎趨于“一條直線”。在整個(gè)生長時(shí)段內(nèi)，CK處理的N2O排放通量始終保持較低水平。

2.2 DMPP對CO2排放通量的影響

由圖2可知，各處理的CO2排放通量表現(xiàn)為多波峰交錯(cuò)波動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢。在移植后40、54、61、68和75 d各處理間出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。在移植后33 d時(shí)，SC處理的CO2排放通量最高，達(dá)450.7 mg·m-2·h-1，但與CK相比無顯著差異。總體上看，整個(gè)生長階段中，SC處理的CO2排放通量始終保持較高水平，而SSC+D處理的CO2排放通量始終保持較低水平。與CK相比，SC處理(304.5 mg·m-2·h-1)的CO2排放通量只在54 d顯著高出CK(100.7 mg·m-2·h-1)近3倍，SC+D、SSC和SSC+D處理在68和75 d均顯著低于CK(P<0.05)。

2.3 施加DMPP條件下起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培理化指標(biāo)的變化

圖3為起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培理化指標(biāo)的變化趨勢。土壤栽培的pH顯著高于起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(P<0.05)，SSC處理和SSC+D處理的整體變化趨勢大致相同，施用DMPP后的SSC+D處理的pH始終高于SSC處理，說明施用DMPP提高了起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培根區(qū)環(huán)境的pH。SC處理和SC+D處理在前期的pH基本處于“一條直線”，在移植68 d時(shí)，SC處理急劇下降，然而SC+D處理明顯上升。與pH不同的是，起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培的電導(dǎo)率(EC)值顯著高于土壤栽培(P<0.05)。各處理間的變化趨勢大致相同，施用DMPP后的SSC+D處理的EC值始終低于SSC處理。土壤栽培的3個(gè)處理的EC值均處于較低水平。

2.4 N2O和CO2累積排放量、N2O排放系數(shù)及增溫潛勢

由表1可知，與CK相比，SC處理和SSC處理均顯著增加了N2O累計(jì)排放量(P<0.05)，增幅分別為126.7%和63.3%，而SC+D處理和SSC+D處理對N2O累計(jì)排放量的影響差異不顯著。此外，SC處理顯著增加了CO2累計(jì)排放量(P<0.05)，增幅為27.6%，SSC+D處理顯著降低了CO2累積排放量，降幅為27.6%，SC+D處理和SSC處理對CO2累計(jì)排放量的影響差異不顯著。各處理的N2O排放系數(shù)均低于IPCC的1%這個(gè)默認(rèn)值。各處理在100 a時(shí)間尺度上的綜合增溫潛勢顯示的結(jié)果可知，SC的CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢最高，SSC+D處理的CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢最低。相比SC處理，SSC處理顯著降低了CO2和N2O排放的綜合增溫潛勢；此外，SC+D處理顯著低于SC處理，SSC+D處理顯著低于SSC處理(P<0.05)。

表1 不同處理下CO2和N2O累積排放量、N2O排放系數(shù)及增溫潛勢Table 1 Cumulative emissions of CO2 and N2O, N2O emission factor, and GWP under different treatments

2.5 黃瓜生長及生理指標(biāo)

由表2可知，黃瓜移植25 d時(shí)，5種處理下黃瓜生長指標(biāo)存在差異。SSC+D處理和SC+D處理的黃瓜植株株高、SPAD和葉片數(shù)均顯著高于CK處理(P<0.05)，各處理間的莖粗無顯著差異。移植50 d時(shí)，SC處理、SC+D處理、SSC處理和SSC+D處理的株高、莖粗、SPAD和葉片數(shù)均顯著高于CK處理(P<0.05)；SSC處理的SPAD顯著高于SC處理(P<0.05)，其他指標(biāo)兩者無顯著差異；相比未施加DMPP的SC處理和SSC處理，SC+D處理和SSC+D處理顯著增加了黃瓜植株莖粗指標(biāo)(P<0.05)，說明施加DMPP后對黃瓜植株生長有促進(jìn)作用。

表2 移植25、50 d后不同處理下黃瓜生長及生理指標(biāo)Table 2 Growth and physiological indicator of cucumber under different treatments at 25 and 50 d after transplanting

2.6 黃瓜生物量與果實(shí)產(chǎn)量

由表3可知，與CK相比，SC處理、SC+D處理、SSC處理和SSC+D處理顯著增加了黃瓜植株的地上部干重(P<0.05)。SSC處理較SC處理，顯著提高了黃瓜產(chǎn)量和地上部、根系的干物質(zhì)量(P<0.05)，分別為5.1%、8.4%、66.1%。相比SC處理，SC+D處理顯著提高了黃瓜產(chǎn)量和地上部、根系的干物質(zhì)量(P<0.05)，分別為11.6%、17.1%、27.5%；相比SSC處理，SSC+D處理顯著提高了黃瓜產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)量(P<0.05)，分別為6.7%、9.9%。與CK相比，其他4種處理均顯著提高了單果重(P<0.05)，以SSC+D處理的增幅最大，為30.0%。施用氮肥顯著增加了黃瓜產(chǎn)量(P<0.05)，此外，SSC處理比SC處理顯著提高了黃瓜產(chǎn)量(P<0.05)，但施加DMPP后的SC+D和SSC+D處理在黃瓜產(chǎn)量上無顯著差異，說明起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培具有一定增產(chǎn)的效果，配合施用DMPP仍具備再次增產(chǎn)的潛勢。

表3 不同處理下植株生物量與黃瓜果實(shí)性狀及產(chǎn)量指標(biāo)Table 3 Plant biomass, fruit morphology and yield of cucumber under different treatments

3 討論

3.1 DMPP對日光溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培黃瓜根區(qū)N2O排放的影響

眾多研究表明，施用氮肥是導(dǎo)致根區(qū)N2O排放增加的主要因素之一[19-20]。本研究結(jié)果表明，施用氮肥后的SC處理和SSC處理均比不施氮肥的CK顯著促進(jìn)了根區(qū)N2O排放。這是因?yàn)槭┑氏蚋鶇^(qū)提供了大量氮素，為根區(qū)硝化和反硝化作用提供了充足的底物，從而更利于微生物作用產(chǎn)生N2O排放[21]。本研究中水肥條件一致情況下，SC處理比SSC處理的根區(qū)N2O累積排放量高1.4倍，SSC處理的根區(qū)N2O累積排放量較低，說明SSC處理改變了根區(qū)理化性質(zhì)，引起根區(qū)通氣性等發(fā)生變化，從而降低了N2O氣體排放；另一方面，Ruser等[22]研究表明，以土壤為栽培介質(zhì)的作物，N2O排放是硝化和反硝化作用共同的結(jié)果，而無土栽培中使用的基質(zhì)疏松多孔具有良好的保水性和通氣性，缺少有機(jī)肥和微生物，也會(huì)削弱反硝化作用。

3.2 DMPP對日光溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培根區(qū)CO2排放的影響

本研究中起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培根區(qū)CO2平均排放通量變化范圍為129.16～265.69 mg·m-2·h-1，CO2排放較低的原因可能是，一方面土壤呼吸排放的CO2中有 30%～50% 來自于作物根系活動(dòng)或自養(yǎng)呼吸作用，肥料的施用增加礦質(zhì)氮等養(yǎng)分的含量，促進(jìn)作物根系呼吸[24]，本研究由于采用水肥一體化滴灌施肥，提高了水肥利用效率，所提供的養(yǎng)分大部分被黃瓜生長所消耗，土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低進(jìn)而抑制了土壤微生物活性，減少了CO2排放；另一方面，起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培的根區(qū)環(huán)境是由草炭、蛭石和珍珠巖所制成，土壤中16S rRNA基因豐度要比基質(zhì)栽培高10倍[9]，因此起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培CO2排放降低的原因可能是其本身含有少量的微生物進(jìn)行呼吸。施用硝化抑制劑DMPP是否減少CO2排放的結(jié)果不一致，Zhu等[25]報(bào)告說，CO2排放不受DMPP的影響；Weiske等[26]研究則表明，DMPP導(dǎo)致的CO2和CH4排放減少的結(jié)果。本研究結(jié)果表明，在土壤中施用DMPP的SC+D處理比SC處理顯著降低了根區(qū)CO2累積排放量，后者是前者的1.4倍，而SSC+D處理雖比SSC處理降低了根區(qū)CO2累積排放量，但未達(dá)到顯著水平，可能是因?yàn)镈MPP減少了土壤中有機(jī)碳的礦化，進(jìn)而降低了土壤碳的分解[27]。

3.3 日光溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培根區(qū)溫室氣體排放與影響因子之間關(guān)系

土壤pH可通過影響氮相關(guān)功能微生物的活性及改變相應(yīng)的氮素轉(zhuǎn)化過程而影響N2O的排放[28]。以往的研究表明，土壤pH是驅(qū)動(dòng)氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古細(xì)菌(AOA)群落組成及其對N2O排放的貢獻(xiàn)的主要因素[29]。一般來說，AOA是酸性土壤中氨氧化和N2O排放的主要貢獻(xiàn)者，而AOB則主要是堿性土壤中氨氧化和N2O排放的主要貢獻(xiàn)者[30]。土壤pH影響反硝化酶Nos的活性：當(dāng)pH>7時(shí)其活性增強(qiáng)，然而當(dāng)pH<7時(shí)其活性逐漸減小，而其他反硝化酶的活性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致反硝化過程產(chǎn)生更多的N2O[27]。另外，有報(bào)道指出，當(dāng)pH在3.4～8.6時(shí)，硝化作用與pH呈正相關(guān)，較低的pH會(huì)使硝化菌群數(shù)量降低，因而對硝化過程起到抑制作用[31]，本研究結(jié)果表明，土壟栽培的pH范圍是7.5～8.5，而起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培根區(qū)pH范圍是5.0～6.0，這也解釋了上述所提到無土栽培產(chǎn)生N2O是以反硝化過程為主導(dǎo)。Shi等[32]研究表明，DMPP通過抑制pH在5.44～7.96之間的牧草、小麥和蔬菜土壤中AOB的生長和豐度而不是AOA來減緩硝化作用，因此，本研究中在土壤栽培中施加DMPP的減排效果比起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培的減排效果更加明顯。研究表明，水分與鹽分對土壤CO2排放的影響存在交互作用，土壤CO2排放與土壤電導(dǎo)率存在顯著負(fù)相關(guān)，且電導(dǎo)率對 CO2排放的影響較大。當(dāng)土壤鹽分含量較高時(shí)，土壤微生物活性和生長都會(huì)受到滲透脅迫，從而降低土壤CO2排放[33-34]，這與本研究結(jié)果一致。

3.4 DMPP對日光溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培與土壟栽培黃瓜生長及產(chǎn)量的影響

施用氮肥顯著提高了黃瓜產(chǎn)量，適量增施氮肥能改善植物養(yǎng)分吸收累積和分配，促進(jìn)根系對水分的吸收，提高植株凈光合速率，增加產(chǎn)量[35]。本研究結(jié)果表明，與CK處理相比，SC、SC+D、SSC和SSC+D處理的黃瓜產(chǎn)量分別提高了23.7%、38.0%、30.0%和38.7%。SSC處理較SC處理相比，顯著提高了黃瓜產(chǎn)量和地上部、根系的干物質(zhì)量，起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培促進(jìn)黃瓜生長和提高產(chǎn)量主要原因可能是基質(zhì)栽培良好的透氣性減輕了根區(qū)的缺氧狀況，在灌水的同時(shí)更有利于根系呼吸，促進(jìn)根冠部生長，提高黃瓜產(chǎn)量。

DMPP施入土壤提高了植物體對氮的吸收利用率，顯著提高葉片、莖稈和根系中氮的累積量和干物質(zhì)產(chǎn)量[36]。伍少福等[37]采用田間試驗(yàn)研究了含 DMPP 復(fù)合肥對西瓜和黃瓜生長與品質(zhì)的影響，表明含 DMPP 復(fù)合肥可以使西瓜產(chǎn)量提高 6.50%～44.55%，黃瓜產(chǎn)量提高8.40%。本研究結(jié)果表明，施用DMPP顯著增加了黃瓜地上部干物質(zhì)量和黃瓜產(chǎn)量，與不施用DMPP的SC處理和SSC處理相比，SC+D處理和SSC+D處理的地上部干物質(zhì)量分別提高了17.1%和10.0%，產(chǎn)量分別提高了11.6%和7%。