N₂O是一种重要的痕量温室气体^[1]，其100a全球增温潜势是CO₂的310倍^[2]，在大气中的寿命长达114a，远高于另外两种主要温室气体CO₂和CH₄^[3]。农业生产是N₂O主要排放源之一^[4]，约占全球N₂O年总排放量的35%^[5]。我国是蔬菜生产和消费大国，与种植粮食作物的农田相比，设施蔬菜地具有施肥量大、灌溉频繁、复种指数高等特点，平均每公顷施氮量是大田作物的4.5—10倍^{[6, 7]}，灌溉量达到4—7倍^{[8, 9]}，不仅造成水肥资源利用率低，而且导致大量N₂O排放(单位面积N₂O排放量约是粮食作物的1.5—3.5倍^{[10, 11, 12, 13]})，总体上呈现出高能耗、高排放和高污染等特征。近年来，我国蔬菜需求量呈现快速增长的趋势，因此，探讨不同管理方式下设施蔬菜系统N₂O排放规律，对于准确核算该系统N₂O排放量，编制我国农田温室气体排放清单具有重要意义。

水肥一体化技术被认为是一种节水、节肥、减排的高效管理措施^[14]，可提高水分和肥料利用效率分别高达110%^[15]和80%^[16]。这是因为与传统的施肥方法相比，水肥一体化技术可以将水肥通过滴灌系统直接输送到作物根区附近，保证养分被根系快速吸收，从而提高水肥的利用效率，获得相当或更高的作物产量。然而农田N₂O排放是一个极其复杂的过程，这些过程受多种因素的影响和制约，尤其在水肥一体化条件下人为高强度干扰下会更加复杂。高频率的滴灌施肥通常能使土壤含水量和土壤营养元素保持在较高的状态，而且滴头和湿润峰之间会形成一个水势梯度和一个反向的空气梯度^{[17, 18]}，这势必要影响土壤气候条件以及土壤氮素迁移转化，进而影响土壤硝化-反硝化反应过程和N₂O排放，势必会影响对该管理措施下N₂O排放的准确核算。Wu等在棉花地研究表明滴灌比漫灌减少36.1%N₂O排放^[19]，而Kallenbach研究表明施肥后60d内深层滴灌和漫灌之间N₂O排放无显著差异^[20]，王维汉等研究表明青椒整个生育期滴灌比漫灌N₂O排放通量高出27.90％^[21]。由此看来，目前对于设施菜地水肥一体化条件下N₂O排放规律及其排放量都尚不明确，因此，本研究以京郊典型设施菜地(黄瓜-芹菜轮作模式)为例，探讨水肥一体化条件下N₂O排放规律、排放总量及其主要影响因素，为科学评估设施菜地N₂O排放提供数据支撑，为制定设施菜地温室气体综合减排措施提供科学依据。

试验地点位于北京市房山区窦店镇芦村芦西园，地处东经116°01′，北纬39°38′，属于暖温带半湿润半干旱性季风气候区，四季分明，年平均气温11.9℃，年平均降水量583mm,年相对湿度为61%，全年平均日照时数2554h。日光温室是普通的半拱圆形塑料温室，长为155m，宽6m。温室塑料膜无色透明，在顶部和底部分别设有通风口。初春、秋末以及寒冬在温室塑料膜上覆盖棉被，以保持夜间温室内温度。本试验开始之前该日光温室连续4a种植蔬菜。本试验种植模式为果菜-叶菜轮作(黄瓜-芹菜)，供试土壤为褐土，质地为粉质壤土，土壤剖面基本理化性质如表 1。

试验设计了4个处理，分别为对照处理(CK)，农民习惯处理(FP)，水肥一体化处理(FPD)，优化水肥一体化处理(OPTD)。每个处理3次重复，试验小区面积为48 m²。黄瓜品种为中农26，芹菜品种为文图拉。黄瓜于2013年3月18日定植，7月16日拉秧；7月17日—9月14日之间为休闲季，不种植作物；芹菜于2013年9月15日定植，2014年1月14日一次收获。

FP、FPD、OPTD处理施用有机肥用量相同，CK、FP、FPD、OPTD处理四个处理施用磷钾肥用量相同，全部的有机肥和磷肥均做底肥，钾肥和氮肥分基肥和追肥施用。黄瓜生长季有机肥用量为500kg N/hm²，有机肥(牛粪)含水量为41.59%，含氮量为1.33%，磷肥用量为120kg P₂O₅/hm²，钾肥用量为200 kg K₂O/hm²，芹菜生长季有机肥用量为500 kg N/hm²，有机肥(牛粪)含水量为60.13%，含氮量为0.94%，磷肥用量为120kg P₂O₅/hm²，钾肥用量为180 kg K₂O/hm²。两季作物基肥均是撒施，翻耕，作物定植后漫灌；追肥时CK处理和FP处理用漫灌，肥料随水冲施，而FPD处理和OPTD处理采用滴灌，肥料随水滴入作物根部附近土壤，黄瓜生长季滴灌水量是漫灌的25%，芹菜生长季滴灌水量是漫灌的40%。FP和FPD处理化肥氮施用量均为700kg N/hm²，OPTD化肥氮素投入比之减少了40%。具体灌溉、化肥氮管理情况见表 2。

利用静态箱-气相色谱法对水肥一体化条件下设施菜地黄瓜-芹菜轮作周期内土壤N₂O排放通量进行观测。采样箱由顶箱、中断和底座组成，由不锈钢材料制成。采样箱体根据设施菜地种植作物和耕作方式，在标准采样箱的基础上进行了改进，顶箱和中断箱箱体长70cm，宽80cm，高60cm，最大限度的保障气体取样代表性，箱体外用塑料泡沫包裹，顶箱内部装有搅拌空气的小风扇，保证箱体内气体均匀性，侧面装有风扇电源插头、气体样品接口和一个温度传感器，顶箱和中断箱底部边缘粘有密封条；当植株生长超过60 cm时，增加中断箱，且用4个铁夹子将顶箱与中断箱固定，既保证植株正常生长和顺利取样又可保证箱体密封性；底座长70 cm，宽80 cm，高25 cm，于定植前将其埋入地下。采样时，将箱体置于底座上，用夹子将箱体和底座夹在一起，然后用100mL注射器在0，7，14，21，28 min抽取箱内气体于气袋中，同时用JM624测土壤5 cm温度，用TRIME-PICO64C测15 cm土层体积含水量，采样结束后将采样箱移开，将气袋带回实验室测定。采样时间一般为9:00—11:00，每周采样1次；施肥和灌水后连续采样，至各个处理和CK处理间N₂O浓度没有显著差异时停止取样。

气袋中的样品用Agilent 7890A气相色谱仪分析N₂O浓度，采用电子捕获检测器(ECD)分析N₂O浓度。

根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量。气体通量(F)计算公式为：

利用内插法计算相邻两次监测之间未监测日期的排放总量，然后将每天的交换通量累加即可得到年度气体排放总量。

N₂O排放强度指形成单位经济产量N₂O排放量，即N₂O排放总量与相应处理作物产量的比值。

N₂O排放系数由施肥处理N₂O排放总量与对照N₂O排放总量之差占肥料投入量的比值。采用Excel 2007、origin8.5和SAS9.2统计软件对实验数据进行计算、制图和统计分析。

在整个监测周期中，各处理施肥土壤N₂O排放在灌溉、施肥+灌溉事件后呈现出一段短而急促的排放峰，各处理变化趋势一致，而在休闲季，基本上不出现N₂O排放峰值(图 1)。这说明，施肥、灌溉是影响农田土壤N₂O排放最重要的人为因素，排放峰的大小与之密切相关。本试验中，两种蔬菜作物定植时土壤N₂O排放峰持续10—15d，而其余灌溉、追肥+灌溉后土壤N₂O排放峰一般只持续3—5d，这是因为作物生长季全部有机肥和20%氮肥(黄瓜生长季)和40%氮肥(芹菜生长季)做底肥施入到土壤中，再加以大量灌溉，为微生物进行硝化-反硝化反应过程提供了丰富的反应底物(氮源)、能量来源(碳源)以及适宜环境因子(水分)，致使定植期土壤N₂O排放峰值持续时间较长。整个监测期内，不同处理间土壤N₂O平均排放通量大小次序为FP>FPD>OPTD>CK。CK处理的N₂O排放通量最低，介于-113.25—708.44 μg N m^-2 h^-1,平均通量为152.15 μg N m^-2 h^-1，这是由于两个作物生长季中没有投入氮素，缺乏N₂O排放的反应基质。FP处理、FPD处理、OPTD处理N₂O排放通量范围分别为-85.50—8338.64、-127.09—8504.60、12.41—3143.04 μg N m^-2 h^-1。FP处理N₂O平均排放通量最高，OPTD处理N₂O排放通量与FPD处理具有明显差异，说明施氮量显著影响土壤N₂O排放通量。黄瓜生长季CK、FP、FPD、OPTD处理的平均排放通量介于215.83—1745.73 μg N m^-2 h^-1之间，明显大于芹菜生长季不同处理的平均排放通量(76.39—344.99 μg N m^-2 h^-1)，这与黄瓜生长季氮肥施用量大、灌溉次数多、灌溉量大以及土壤平均温度高于芹菜生长季等有关。

图1 不同处理土壤N2O排放通量动态变化(箭头代表施肥日期，竖线代表灌溉时期) Figure 1 The dynamic of N2O emission flux under different treatments(Arrow represents the date of fertilization，the vertical bar represents the date of irrigation) CK代表不施氮肥处理CK represents control treatment；FP代表农民习惯施肥处理FP represents farmers′ practice treatment；FPD代表水肥一体化处理FPD represents farmers′ practice and drip irrigation treatment；OPTD代表优化水肥一体化处理OPTD represents optimal fertilization and drip irrigation treatment. FI指漫灌FI indicates furrow irrigation；DI指滴灌DI indicates drip irrigation.

图选项

试验期间CK、FP、FPD、OPTD处理的N₂O累积排放量依次为(8.61±0.70) kg N/hm²、(31.00±2.15) kg N/hm²、(29.71±0.65) kg N/hm²、(17.76±2.10) kg N/hm²，CK处理N₂O累积排放量最低，FP、FPD、OPTD处理N₂O累积排放量分别是CK的3.60、3.45、2.06倍(图 2)。相同氮素投入，滴灌措施下的FPD处理N₂O累积排放量比FP处理减少了4.16%；OPTD处理在减少40%化肥氮量的情况下，N₂O累积排放量比FP处理显著减少了42.71%，且达到显著水平(P < 0.05)。黄瓜生长季CK、FP、FPD、OPTD处理N₂O累积排放量占试验期间各处理累积排放量66.44%，81.12%，81.14%，67.00%，表明在黄瓜-芹菜轮作周期内黄瓜生长季土壤N₂O排放量较多，芹菜生长季土壤N₂O排放量相对较少，究其原因有3个方面，一是与施肥量有关，黄瓜生长季施氮量比芹菜生长季多；二是黄瓜生长季(春夏季)水热状况相对较好，促进了土壤微生物的活动；三是可能与覆膜有关，黄瓜生长季覆盖地膜，芹菜生长季不覆膜(陶丽佳^[22]等研究表明覆膜增加土壤N₂O排放)。

图2 不同处理土壤N2O累计排放量 Figure 2 The annual cumulative N2O emissions for each treatment

图选项

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change,2006)将同期内由氮肥施用引起的N₂O-N排放量占总施氮量的百分比定义为N₂O排放系数，并建议N₂O-N排放系数为1%。排放系数是评价不同管理措施减排效果的参考指标。表 3看出，FP排放系数最大，黄瓜生长季N₂O排放系数(1.62%)要明显高于芹菜生长季(0.61%)。本研究中整个观测期内N₂O排放系数次序为FP>FPD>OPTD，FP、FPD处理为N₂O排放系数1.17%，1.10%，高于IPCC 1%的默认值，而OPTD处理N₂O排放系数为0.58%，显著低于IPCC 1%的默认值。

黄瓜、芹菜生长季FP处理排放强度最大，CK处理排放强度最小，且黄瓜生长季排放强度显著大于芹菜生长季排放强度。两个生长季OPTD处理N₂O排放强度显著低于FP处理，说明在优化施肥基础上水肥一体化能够在增加产量的前提下有效减少N₂O排放，是值得推荐的增产减排技术措施。

设施菜地中，整个生长季表层(0—15cm)土壤孔隙含水量(WFPS)一直维持在较高水平，介于45%—80%之间，土壤湿度在灌水后有所上升，不同处理之间WFPS变化趋势相似，但FPD和OPTD处理WFPS出现峰值比FP和CK处理低(图 1)，与Sanchez-Martín等在番茄地研究漫灌后土壤平均WFPS高于滴灌的结果类似^[23]。通过对WFPS与N₂O排放进行相关性分析，发现整个观测期不同处理N₂O排放通量与WFPS没有显著相关性，但是经回归分析发现黄瓜生长季不同处理N₂O排放通量与WFPS之间显著相关，且可以用对数方程进行拟合。芹菜生长季不同处理N₂O排放通量与WFPS没有显著相关性，表明黄瓜生长季土壤湿度是影响N₂O排放的主要环境因子。

设施蔬菜地整个观测期土壤温度有很明显的季节性，介于8—35℃之间，漫灌和滴灌的土壤温度基本没差异，变化趋势一致(图 1)。韦彦^[24]等研究表明滴灌灌水量是漫灌的50%—60%时，一天中12:00—14:00滴管的地表 5cm土温比漫灌高1℃左右，其他时间段差异不显著。本研究中滴灌灌水量是漫灌的25%(黄瓜生长季)和40%(芹菜生长季)，试验监测时间主要介于9:00—11:00之间，导致滴灌与漫灌表层5cm土温相差不显著。黄瓜生长季、芹菜生长季土壤温度分别介于15—35℃、8—30℃之间，均有利于土壤进行硝化-反硝化反应的发生。经相关性分析，整个黄瓜生长季不同处理N₂O排放通量与土壤温度之间没有显著相关，但芹菜季不同处理N₂O排放通量与土壤温度之间显著相关，可以用对数方程拟合。Vallejo在马铃薯地研究表明水肥一体化条件下温度极显著的影响了N₂O排放通量^[25]，于亚军等研究表明玉米季N₂O排放与5cm土温没有显著相关性，而冬小麦季N₂O排放与5cm深度土温显著正相关^[11]。可见在外界环境温度相对较低的情况下(本试验的秋冬季节)，土壤温度是影响芹菜生长季N₂O排放的主要因子之一。

土壤N₂O主要来自于土壤的硝化和反硝化作用，N₂O排放除了受环境因子(土壤温度和湿度)影响外，还主要受反应底物浓度(铵态氮和硝态氮)的影响。整个研究周期内，土壤硝态氮含量介于11.94—669.86 mg/kg之间，铵态氮含量介于0.30—15.50mg/kg之间，显著小于硝态氮含量(图 3)。黄瓜生长季于4月22日开始追肥7次，土壤无机氮在4、5、6月份含量较高，而3月22日(黄瓜于3月20日—21日定植)则没有出现峰值。芹菜生长季土壤无机氮含量峰值出现在9月18日(芹菜定植)、10月8日(定植20d后灌水)。FP、FPD处理土壤硝态氮含量主要介于150—250 mg/kg之间，始终维持在较高水平。不同处理土壤平均硝态氮含量高低分别为102.96、178.00、217.41 mg/kg和109.66 mg/kg，则FPD>FP>OPTD>CK，说明滴灌相对漫灌可以增加表层土壤氮素累积，土壤硝态氮是土壤进行反硝化作用的底物。基肥时FP处理无机氮峰值与FPD峰值大小相近，因为作物定植时FP、FPD处理施氮肥一样，均采用漫灌，导致峰值差异不显著。追肥后土壤无机氮含量呈逐渐增加的趋势，与土壤N₂O通量峰值变化趋势一致。但经相关性分析，本研究中不同处理N₂O排放通量与无机氮之间也没有显著相关关系(表 4)。就FP和FPD处理而言，FPD处理比FP处理表层硝态氮累积多，N₂O排放通量却较低，推测滴灌条件下以滴头为中心，土壤形成一个顺势水分梯度和逆势通气性，N₂O排放可能主要以硝化作用为主。

图3 不同处理0—20cm土层无机氮含量变化 Figure 3 The dynamic of the mineral N in 0—20cm soil layer under different treatments

图选项

(1)水肥一体化条件下N₂

O排放规律在人为调控环境以及水肥用量高的条件下，本研究中设施菜地在农民习惯管理措施N₂O排放呈现出峰值高、持续时间短(除了基肥施用事件后)的排放特点，而水肥一体化降低了N₂O排放峰值。追肥后农民习惯(FP)处理N₂O排放持续3—5d，这种排放规律与于亚军在成都平原蔬菜地N₂O排放峰在基肥和追肥后持续大约1—3周的结果不同^[26]，但与陈海燕^[27]、张婧^[28]等在京郊地区番茄地土壤N₂O排放峰出现在施肥后3—4d，单独灌水后2—3d的监测结果相类似。FP处理N₂O排放通量介于-85.50—8338.64 μg N m^-2 h^-1之间，小于南京市郊区大棚蔬菜地N₂O排放通量60—10033 μg N m^-2 h^-1[29]，高于山东寿光设施菜地N₂O排放通量-48—1905 μg N m^-2 h^-1[30]。与FP(平均排放通量1069.00 μg N m^-2 h^-1)传统漫灌相比，采用滴灌的水肥一体化(FPD)处理N₂O平均排放通量相对较小，为932.27μg N m^-2 h^-1，但仍是其它研究中滴灌条件下N₂O平均排放通量的30多倍，Cynthi^[31]研究表明漫灌处理下土壤N₂O排放通量介于0—400μg N m^-2 h^-1之间，滴灌条件下土壤N₂O排放通量一直小于50μg N m^-2 h^-1，这可能是因为本试验地基础有机质含量高，且黄瓜-芹菜轮作模式施氮肥量大，灌水多等因素有关。众多的研究均表明^{[27, 30, 32, 33]}，灌溉与施肥同时进行会更有利于N₂O排放，但对于设施菜地，“水”和“肥”互作如何影响N₂O排放，不同水肥配比下N₂O排放规律有何变化尚需进一步深入研究。

(2)水肥一体化条件下N₂O累积排放量

本研究观测期内，FP处理N₂O排放总量(31.00±2.15)kg N/hm²大于邱炜红^[32]在2a蔬菜地土壤N₂O年平均累积排放量13.51kg N/hm²，而排放系数为1.17%小于其N₂O平均排放系数(1.21%)。黄瓜、芹菜生长季水肥一体化处理(FPD)土壤N₂O累积排放量比农民习惯处理(FP)分别减少了7.79%、18.83%，而Kennedy^[33]研究表明深层滴灌处理下土壤N₂O累积排放量比漫灌处理减少了71.14%；Sanchez-Martín^[34]研究结果表明，滴灌N₂O累积排放量比漫灌处理减少了50%，导致本研究中N₂O排放总量与其他研究不同的可能原因有二：其一，其他研究只是一次性施肥或作物生长季追肥2—3次^{[20, 22]}，而本试验中根据作物生长需要进行灌溉14次，其中11次施用氮肥，且其中2次灌水离基肥很近，施肥对N₂O排放的影响掩盖了灌溉对N₂O排放的影响；其二，本试验处理中滴管布置密集，之间相隔只有25cm，虽然本实验滴灌比漫灌减少了25%(黄瓜生长季)和40%(芹菜生长季)的灌溉量，但在漫灌和滴灌条件下土壤湿度差异不显著，且滴灌条件下土壤表层无机氮含量相对较大，保障了N₂O排放具有较高浓度的底物浓度。优化水肥一体化处理(OPTD)保证作物产量前提下，年累积排放量比农民习惯处理(FP)减少了42.71%，大于其它试验优化40%施肥量只减少N₂O排放30%左右的试验结果^{[35, 36]}，且排放强度显著低于FP处理，这表明在现行的农民管理措施下，在优化施肥的基础上改变灌溉方式是一种良好的减排措施。

(3)环境因子对水肥一体化条件下N₂O排放的影响

其一，土壤温度是影响N₂O排放的主要因素之一。郑循华等研究表明，土壤温度在15—40℃范围内，硝化作用随温度的升高而升高^[37]。本研究中，滴灌和漫灌条件下土壤温度变化趋势一致，差异不显著。黄瓜生长季处于水热条件较好的春夏季，N₂O排放随施肥量的增加而增加，施肥对N₂O排放影响大于土温；而芹菜生长季处于秋冬季，温度成为其限制因子，土温对N₂O排放的影响较大。其二，灌溉影响土壤的水分运移和氮素运移，进而影响N₂O排放。杨岩等研究表明低灌溉量N₂O排放通量小于高灌溉量N₂O排放通量^[38]。Hosono研究表明WFPS大于50%时，NO/N₂O比值为1—2之间，反硝化作用为主；WFPS小于40%时，NO/N₂O比值为4—5之间，硝化作用为主，滴灌处理中干土区N₂O排放小于湿土区，且滴灌处理N₂O排放小于漫灌^[39]。与漫灌相比，滴灌只是在滴头下面土壤湿度呈饱和状，肥料随水运移，土壤进行反硝化作用的面积相对较小。而漫灌后土壤氮素、湿度均匀，表层达到饱和，反硝化作用迅速增加，但是漫灌后致使土壤透气性减小，有阻止了N₂O的扩散，进一步还原转化成N₂的可能。鉴于本研究中设施菜地水肥一体化条件下不同处理土壤温度变化差异不显著，滴灌可以降低土壤湿度，因此设施菜地对湿度的控制就显得尤为重要，但是怎样通过控制滴头流量、灌溉次数控制土壤湿度来减少N₂O排放，从机理和减排技术角度都还需要进一步探讨。

(1)整个生长季，除基肥施用后排放峰持续10—15d外，施氮肥处理在施肥、施肥+灌水事件后土壤N₂O排放呈现出一段短而急促的排放峰，追肥、灌水排放峰持续3—5d，表明施肥和灌水是引起N₂O排放的主要管理因素。

(2)试验观测期内FP处理N₂O累积排放量为(31.00±2.15)kg N/hm²，FPD处理N₂O累积排放量只比FP处理减少了4.16%；而OPTD处理在优化40%化肥氮量情况下，N₂O累积排放量比FP处理显著减少了42.71%，且达到显著水平，表明在优化施肥基础上进行水肥一体化管理是保障产量且减少设施菜地N₂O排放的“双赢”措施。

(3)土壤无机氮含量、土壤湿度(WFPS)和土壤温度是影响N₂O排放的重要因素。土壤无机氮与N₂O排放变化趋势一致；黄瓜季N₂O排放通量与WFPS显著相关，芹菜季N₂O排放通量与土壤温度显著相关，表明土壤湿度是影响黄瓜生长季N₂O排放的主要环境因子，土壤温度是影响芹菜生长季N₂O排放的主要环境因子。