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发布时间：2021-03-24 16:26所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：为揭示设施菜地CO2、CH4和N2O3种温室气体排放对种植年限的响应趋势及影响因素。在北京大兴选取管理措施相同的种植5年(5Y)、10年(10Y)、15年(15Y)、20年(20Y)4个日光温室和棚间露天菜地(CK)为研究对象，分析了不同种植年限设施菜地土壤温室气体排放通量
摘要：为揭示设施菜地CO2、CH4和N2O3种温室气体排放对种植年限的响应趋势及影响因素。在北京大兴选取管理措施相同的种植5年(5Y)、10年(10Y)、15年(15Y)、20年(20Y)4个日光温室和棚间露天菜地(CK)为研究对象，分析了不同种植年限设施菜地土壤温室气体排放通量及其土壤理化性质、酶活性等因子变化。结果表明：设施菜地3种温室气体对种植年限的响应有所差异，CO2、N2O排放通量与排放总量均表现为随种植年限增加而逐渐增加;与CK相比，种植年限(5Y、10Y、15Y、20Y)显著增加其排放通量和总量(P<0.05)，且N2O排放通量受种植年限的影响更明显。种植年限对CH4排放通量有一定促进作用但影响不显著。种植年限显著增加了设施菜地温室气体的增温潜势(GWP)和排放强度(GHGI)(P<0.05)，且N2O对GWP贡献率也呈现出随种植年限增加而增加。冗余分析发现土壤有机碳(SOC)、NO3--N含量和β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄(NAG)、硝酸还原酶(NRA)活性及土壤pH是影响设施菜地土壤温室气体排放的关键因子。设施菜地长期种植通过增加土壤SOC、NO3--N含量，提高NAG、NRA酶活性及降低土壤pH而促进了设施土壤CO2、N2O排放。综上，随种植年限增加设施菜地温室气体排放通量、总量、GWP、GHGI均逐渐增加。因而，采取合理措施，适度降低土壤NO3--N含量，提高土壤pH，有助于长期种植设施土壤温室气体减排。
关键词：种植年限;设施土壤;CO2排放;N2O排放;增温潜势;排放强度
CO2、CH4和N2O作为3种主要的温室气体(Greenhousegas，GHG)，其排放量的日益增加成为全球气候变暖的重要驱动力之一[1]。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，该系统中CO2、N2O和CH4排放分别占到了人为温室气体排放量的23%、60%和50%，占到全球温室气体排放总量的21%~37%，农田土壤成为最主要的排放源之一[2-3]。
随着我国蔬菜需求量的刚性增长，城郊区的粮田逐渐转换为设施蔬菜产地，导致我国设施蔬菜种植面积逐年增加。到2018年设施菜地面积达400万公顷，到占蔬菜种植面积的19.1%(2019年国家统计局网)，成为我国农业生态系统主要组成部分，其温室气体排放动态对全球气候变化具有重要影响。目前关于设施菜田土壤温室气体排放研究主要侧重于其对水肥管理措施变化的响应[4-7]，众多研究均证实合理水肥管理可有效提高作物养分利用率而减少设施土壤养分累积[4,6,8]，且改善微生物群落组成[7]，进而减少土壤温室气体排放。
在实际生产中，我国设施菜田长时间连续种植，且种植中长期不合理的水肥投入和管理，导致其成为我国农业温室气体排放的重要排放源。随种植年限增加设施系统凸现出土壤酸化、次生盐渍化、硝酸盐盈余、重金属积累[9-11]及微生物多样性降低、连作障碍等[12,13]一系列生态环境问题，且这些方面均已引起国内外广大学者的广泛关注和报道。但涉及到不同种植年限温室中土壤温室气体排放以及其影响因素的研究还较为缺乏。当前关于种植年限对设施土壤温室气体排放的影响多集中在单个年限，且大多针对N2O排放研究[5,14-16]，导致目前对我国设施菜田土壤温室气体排放总体认识不足。众多研究证实不同种植年限设施土壤pH、有机质、NH4+-N和NO3--N含量等土壤理化性质[4,9-10,14]以及土壤酶活性和微生物组成[12,17]等差异较大。
这些因素改变可直接或者间接影响土壤温室气体的产生，进而造成不同种植年限设施菜地温室气体排放的差异。因而，了解设施土壤温室气体排放规律及影响因素，对科学指导设施菜田温室气体减排意义重大。北京作为都市农业的典范，设施农业是北京的主体农业，其设施蔬菜也同样有不同种植年限。鉴于此，本研究在京郊选取种植年限为5年、10年、15年、20年的日光温室为研究对象，同步原位测定CO2、N2O和CH43种温室气体排放通量，同时分析相关环境因子(土壤理化性质、酶活性)变化，以期揭示不同种植年限日光温室土壤温室气体排放特征以及其影响因素。结合温室气体排放总量、综合增温潜势、排放强度结果对其温室气体排放总体状态加以评价，以便为综合评价种植年限对设施菜地土壤生态系统的影响提供数据支撑，也为该地区日光温室的科学管理以及设施菜田温室气体减排提供相关的理论依据。
1材料与方法
1.1试验地概况
试验样地选择在北京大兴区农业技术示范站(39°39′47″N，116°33′40″E)。该地域属大陆性季风气候，年均降水量477.2mm，年平均气温8℃，年日照2800h，供试土壤为褐土。
1.2研究方法
1.2.1试验设置
以温室棚间菜地为对照(CK)，种植作物5年(Y5)、10年(Y10)、15年(Y15)、20年(Y20)的温室(长80m，宽8m)各1个，每个温棚的土壤质地和管理措施一致。4个温棚的种植模式都一致均为春夏茬种植番茄，秋冬茬种植油麦菜和菠菜。设施菜地施肥方式均为有机-无机配施模式，基肥兼施有机肥，化肥主要施用氮磷钾复合肥和水溶肥，灌溉方式为滴灌。
4个温棚肥料用量如下：氮磷钾复合肥750kg·hm-2(N-P2O5-K2O=15-15-15，N主要形式是尿素态氮和少部分铵态氮)，有机肥3×104kg·hm-2，在番茄定植后的42d、60d和83d分3次追施水溶肥300kg·hm-2(N-P2O5-K2O=30-10-10，其中N的主要形态是铵态氮及少部分硝态氮);而棚间按照露天蔬菜种植管理，基肥施用复合肥750kg·hm-2(N-P2O5-K2O=15-15-15)，有机肥3×104kg·hm-2，分3次追施水溶肥150kg·hm-2(N-P2O5-K2O=30-10-10)。温室(近5年)在8月中旬进行15d闷棚处理。供试样地2018年均种植番茄(春夏茬)，定植时间为4月10日，种植时间与施肥方式均保持一致。
1.2.2土壤温室气体取样与测定
采用常规静态箱法-气相色谱法。于番茄定植后进行设施菜地CO2、CH4和N2O排放通量测定，测定时间均为上午9:00~11:00。基肥后12d内，每3d取样1次;追肥后，每2d取样1次，连续取3次;其余时段12d测定1次。每个温棚和对照样地均选择5个5m×5m样地，作为5个重复。静态箱采用不透明的PVC板制作，其规格为：内径320mm，高200mm。测定前24h将水槽底座插入土壤中5cm，取样时将其置于水槽底座中形成密闭空间，分别在0、5、15、30min后用密封气瓶收集箱内气体。使用气相色谱仪(HP6890N，Agilent公司)测定其浓度，测定CO2和CH4浓度的检测器为氢火焰离子检测器(FID)，测定温度为200℃，色谱柱为PorpakQ填充柱，柱温70℃;测定N2O浓度的检测器为电子捕获检测器(ECD)，测定温度为330℃，色谱柱也为PorpakQ填充柱，柱温70℃。
1.2.3土壤取样与测定
土样取样。于番茄定植后35d(0~37d，生长初期即底肥期)、70d(38~80d，生长中期，第1和2次追肥)、105d(81~105d，生长末期，第3次追肥)取样。每个温室在5个小区随机取样，用直径3.0cm土钻取0~30cm土壤，每个小区取10钻，充分混匀后作为1个样品。土壤样品一部分风干用于土壤理化性状分析，一部分在4℃冰箱保存用于土壤酶活性分析。土壤理化性质测定。
土壤温度采用温度记录仪(TPJ-21-G，浙江托普云农科技股份有限公司);土壤含水量采用重量法测定;电导率(EC)用电导仪测定(水土比5:1);土壤pH利用酸度计(水土比2.5:1)测定;土壤总氮和有机碳的测定采用元素分析仪(VarioEI，Elementar，德国)测定;NH4+-N、NO3--N含量采用流动分析仪(AA3，Bran+Luebbe,德国)检测分析。土壤酶活性分析。α-葡糖苷酶(alpha-glucosidase，AG)、β-葡糖苷酶(betaglucosidase，BG)、纤维二糖水解酶(cellobiosidase，CBH)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄(β-1，4-N-acetyl-glucosaminidase，NAG)、β-1，4-木糖苷酶(β-1，4-xylosidase，βX)活性采用微孔板荧光法测定。原理是利用底物与酶水解释放4-甲基伞形酮酰(4-methylumbelliferyl，4-MUB)进行荧光检测。
具体步骤为(1)土壤均质样品悬浊液制备;(2)在96孔微孔板中，分别在样品、空白、阴性对照、淬火标准和参考标准微孔中加入对应的物质和底物[18-19];(3)微孔板于25℃黑暗条件下孵育4h，然后在每孔中加入10μL0.5mol·L-1的NaOH结束反应，反应1min后用酶标仪测定荧光值，4-MUB的荧光激发光和检测光波长分别在365和450nm处[18-19];(4)土壤酶活性计算。土壤脲酶(Urease，UR)活性采用靛酚蓝比色法测定，硝酸还原酶(Nitratereductase，NRA)与亚硝酸还原酶(Nitrousreductase，NR)(南京建成生物工程研究所)采用试剂盒检测。
1.3数据统计分析
利用SPSS22.0软件对数据进行统计分析，运用单因素方差分析，比较不同种植年限3种温室气体排放通量、总量、土壤理化性质、酶活性等差异，差异显著性水平为0.05。运用CANOCA5.0进行环境因子与温室气体排放通量之间的冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。
2结果与分析
2.1种植年限对土壤理化性质及土壤酶活性的影响
随种植年限的增加，土壤pH逐渐降低，与CK相比，Y20菜地显著降低了0.31个单位(P<0.05);而土壤EC表现出相反趋势，与CK相比，各处理其值均显著增加(P<0.05)。随种植年限的增加，土壤温度、含水量、有机碳、NO3--N和全氮含量逐渐增加，与CK相比，各处理均显著增加了土壤温度、含水量、有机碳与NO3--N含量(P<0.05)。因此，种植年限改变了土壤物理性质，同时促进土壤养分的积累。
3讨论
3.1种植年限对设施菜地土壤理化性质与酶活性的影响
土壤理化性质是农业土壤可持续利用的基础，众多研究均证实设施菜地土壤理化性质变化与种植年限密切相关[9,10]。本研究结果显示随着种植年限的增加，北京设施菜地0~30cm土壤EC、有机碳、NO3--N含量均逐渐升高，土壤pH不断降低，这与Li等[9]对北方设施菜地和Shi等[10]对西南设施菜地研究结果一致，土壤养分和EC随着种植年限的增加逐渐增加，且土壤酸化加剧。究其原因是设施蔬菜生产活动中，大量投入无机和有机肥，而蔬菜对养分的利用率相对较低，再加上设施环境的封闭性及节水滴灌措施导致淋洗程度低，使得氮、磷、钾养分和NO3-、SO42-等离子残留于土壤中并逐年累积，造成土壤次生盐渍化与酸化。土壤酶参与土壤内的物质循环和能量传递，作为土壤肥力评价的指标，其活性可表征土壤养分供应能力[20]。
本研究表明设施土壤涉C循环的α-葡糖苷酶(AG)、β-葡糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄(NAG)、β-1，4-木糖苷酶(βX)5种酶及参与N循环的脲酶(UR)、硝酸还原酶(NRA)、亚硝酸还原酶(NR)对种植年限的响应趋势不同，但与CK相比，各种植年限均显著增加了这8种酶活性。这与Shen等[21]关于不同种植年限对设施土壤酶活性影响结果不一致。首要原因是本研究所选的日光温室每年施入大量有机肥，不仅为微生物的活动提供了能源物质，而且给土壤带来了大量的外源酶类及微生物，固能极大地提高了土壤酶活性[22]。其次，本研究中日光温室采用果-菜轮作种植模式，轮作可以有效促进土壤的生物化学过程，提高土壤酶的活性[23]。
3.2种植年限对设施菜地土壤温室气体排放的影响
农田生态系统中土壤CO2排放主要来源于土壤中微生物呼吸及作物根呼吸2个过程[24]。本研究通过对4个种植年限温室番茄土壤CO2排放的原位观测，发现CO2排放通量随着种植年限增加而逐渐增加，种植20年设施菜地其排放通量最高。造成这种现象原因在于以下3个方面，首先，温室每年施入大量有机肥(2-3吨/亩)导致温室土壤有机质含量逐年增加，为菜地土壤微生物提供了充足碳源，从而提高了其活性和呼吸作用，促进土壤CO2排放。这也可以通过RDA分析得出的土壤CO2排放通量与SOC呈显著正相关关系，加以证实。
其次，随种植年限增加，参与土壤有机质分解的CBH、NAG、AG、BG涉C酶活性增加，因而导致土壤CO2排放通量呈现随种植年限增加趋势。与露天菜地相比，温室菜地常年保持高温高湿状态，较高的土壤温湿度能增强土壤酶活性和酶对底物的亲和力，提高土壤有机质分解，促进了设施土壤CO2排放[25-26]。最后，轮作种植模式有助于维持土壤微生物的群落多样性与活性，在一定程度上促进土壤CO2排放[27,28]。因此，随温室种植年限增加，土壤有机质含量，涉C酶活性均得到一定程度的提升，直接和间接的促进了温室土壤CO2排放通量。
本研究中设施土壤CO2排放峰出现在基肥施加后的10~12d和追肥后的4~6d，其峰值有随种植年限增加趋势，其排放通量在不同生长时期有所差异，但总体变化趋势不明显。这是由于在生长初期，底肥中的有机质为微生物活动提供了充足的能量，维持较高的微生物呼吸，导致此阶段土壤CO2排放较高并出现排放峰值;在生长中期与末期，作物根系生长旺盛，根呼吸能力强，导致此阶段土壤CO2排放较高，滴灌追肥后，设施保持较高的温湿度(湿度25%~28%、温度28~34℃)，也促进CO2排放。土壤N2O是硝化和反硝化的产物，土壤通气状况、反应底物浓度、氮转化微生物及酶活性是影响农田N2O排放的主要因素[29-31]。本研究表明随种植年限增加，设施土壤N2O排放通量逐渐增加，种植20年菜地N2O排放量最高。
这是由于长时间设施种植会导致菜地土壤全氮、硝态氮(氮素盈余)的累积[10]，氮素的大量累积会为微生物提供丰富的氮源，增加了氨氧化细菌和反硝化细菌的活性，从而增强硝化和反硝化作用。此外，菜地土壤频繁的耕作和灌溉也有利于土壤硝化作用的发生，促进N2O排放[30,32]。同时有机肥的施加和有机质积累可以为微生物提供碳源与其他营养元素，从而提高了nirK和nirS型反硝化微生物丰度及其活性，对N2O排放起到积极作用[4,12,21]。
众多研究显示，脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶这3类重要的氮转化关键酶与土壤N2O生成密切相关[30,33]。随种植年限增加3类酶活性逐渐增强，亦可一定程度上解释N2O排放通量的增加。因此，随着种植年限增加，土壤有机质、全氮、NO3--N含量不断积累，充足的底物促进了硝化或反硝化细菌活动，同时提升了脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性，故N2O排放量逐渐增加。
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4结论
(1)种植年限对设施土壤温室气体CO2、N2O、CH4排放通量的影响各异。种植年限显著影响CO2、N2O排放通量，呈现出随种植年限的增加而增加的趋势，其种植20年较CK菜地能显著提高CO2、N2O排放通量，种植年限对CH4排放通量影响不明显。
(2)种植年限显著增加了3种温室气体排放总量、GWP和GHGI，且种植20年增加更明显。
(3)土壤pH的不断降低，土壤SOC含量及CBH、AG、NAG、BG酶活性的增加促使CO2排放通量随种植年限逐渐增加;土壤SOC、全氮、NO3--N含量不断增加及UR、NR和NRA的活性的提升，导致N2O排放通量随种植年限逐渐增加。因此，采取合理管理措施，适度降低土壤养分积累，提高土壤pH，对京郊设施菜地土壤温室气体减排具有积极意义。
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作者：王学霞1，张磊2，张卫东3，倪小会1，王甲辰1，曹兵1，刘东生1*
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《种植年限对京郊设施菜地温室气体排放的影响》