湯桂容，周 旋，田 昌，彭輝輝，張玉平*，榮湘民*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128；2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院，湖南 長沙410004；3.湖南省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125）

農(nóng)業(yè)管理措施特別是施肥對溫室氣體排放的影響很大，各種肥料中有機肥對農(nóng)田土壤碳轉化的影響最大，來自不同動物的有機肥料成分不同，并影響其施用到農(nóng)田后的溫室氣體排放［1］。土壤呼吸速率與土壤肥力密切相關，有機肥的種類和數(shù)量影響著土壤CO2的排放通量［2］。通氣狀況良好的土壤是CH4的最大吸收匯，施肥對CH4氧化表現(xiàn)為抑制作用［3］。研究土壤CH4吸收匯影響因素和采取一些措施促進土壤對CH4的吸收，也是目前減緩氣候變暖的一項措施［4］。有機肥施用對稻田土壤CH4排放的影響研究較多［5］。施用作物秸稈、畜禽糞便、堆肥、沼渣等有機肥均能增加稻田CH4排放量，且不同有機肥對CH4的影響不同，施用秸稈處理CH4排放量顯著高于其他有機肥［6］。

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便年產(chǎn)生量已超過2.43億t，成為影響我國環(huán)境的重要污染源之一［7］。截至2010年7月底，中國大中型養(yǎng)殖場沼氣工程近5 000處，年產(chǎn)沼液和沼渣量已超過1.3億t［8］。但絕大部分沼液被隨意排放，亟待有效處理及合理利用，否則將產(chǎn)生二次污染，并制約沼氣工程的發(fā)展［9］。因此，如何有效處理大量的有機廢料成為研究的重點。

近年來，有機無機肥料配合施用是設施菜田較為常見的施肥方式，可協(xié)調(diào)養(yǎng)分平衡供應，滿足作物整個生育期對養(yǎng)分的需求，同時減少化肥的用量。劉曉雨等［10］研究表明，長期施用肥料顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和CO2的排放量，有機肥料與化肥配施較單純施用化學肥料下土壤碳（CO2和CH4）排放增加，但化肥配施秸稈與化肥配施豬糞下CH4和CO2的排放差異不顯著。目前，關于有機無機肥配施的報道對菜地土壤CO2和CH4通量的綜合影響報道較少。本研究選用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的有機肥，并結合考慮其種類及養(yǎng)分含量，探討有機無機氮肥配施對典型菜地土壤CO2和CH4通量的影響，以期準確評估有機肥施用的環(huán)境風險，為實現(xiàn)設施蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自湖南省長沙市長沙縣榔梨鎮(zhèn)大元村（28°11′0.72″N，113°06′23.79″E）蔬菜基地的耕作層（0～20 cm），地屬亞熱帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為17.2℃，年降水量為1 360 mm，為紫色菜園土。土樣采集后風干，挑去肉眼可以看見的細根和石塊后過5 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)為土壤容重1.11 g·cm-3，pH值5.18，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為14.66、2.30、0.76、13.91 g·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為123.62、51.10、224.75 mg·kg-1。供試蔬菜品種萵苣為“四季白尖葉”。供試氮肥為尿素（N 46%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），磷肥為鈣鎂磷肥（P2O512%）。供試有機肥中豬糞、沼渣沼液從農(nóng)戶家收集，豬糞堆肥自制。供試有機肥養(yǎng)分含量見表1。

表1 供試有機肥養(yǎng)分含量 （g·kg-1）

1.2 試驗設計

試驗于2013年在湖南農(nóng)業(yè)大學盆栽試驗基地進行。共設置6個處理，分別為：不施肥處理（CK）、不施氮肥處理（PK）、施純化肥處理（NPK）、有機無機肥配施處理1（20%豬糞N+80%化肥N，NPKM1）、有機無機肥配施處理2（20%沼渣沼液N+80%化肥N，NPKM2）、有機無機肥配施處理3（20%豬糞堆肥N+80%化肥N，NPKM3）。隨機區(qū)組排列，6個重復，共計36盆，每缽土重6.25 kg。

所有施肥處理N、P、K施用量相等，N 300 kg·hm-2，P2O5220 kg·hm-2，K2O 220 kg·hm-2。有機肥和磷肥全作基肥一次性施用，氮、鉀肥60%作基肥，40%作追肥，在移栽后第14 d追肥。每盆種植1株萵苣。2013年9月2日播種，10月1日移栽，10月12日追肥，11月23日整株收獲計產(chǎn)。水分、病蟲害按照常規(guī)管理。

1.3 溫室氣體采集和測定

采用密閉箱—氣相色譜法進行采集測定土壤CO2和CH4［11］。箱體呈圓柱狀，直徑30 cm，高60 cm，由氣體收集箱和底座2部分組成［12］。采樣時間為8:00～11:00，此時間段代表全天CO2和CH4排放通量平均值。移栽、翻耕、施肥后第1、2、3、5、7 d分別采集氣樣，其余時間每周采集1次。收集氣體的同時記錄箱內(nèi)溫度、大氣溫度及5 cm土溫［13］。采樣結束后，立即移開采樣箱，將樣品帶回實驗室，采用GC7900型氣相色譜儀進行分析測定。

1.4 計算公式

CO2和CH4排放通量計算公式為：

式中：F為氣體排放通量（mg·m-2·h-1）；ρ為標準狀態(tài)下CO2或CH4密度（kg·m-3）；h為采氣箱高度（cm）；Δc/Δt為Δt時間內(nèi)采氣箱內(nèi)CO2或CH4氣體濃度的變化率（μL·L-1· min-1）；T為采氣箱內(nèi)溫度（℃）。

CO2和CH4累積排放量計算公式［12］：

式中：M為CO2或CH4累積排放量（kg·hm-2）；F為CO2或CH4排放通量（mg·m-2·h-1）；i為采樣次數(shù)；t為采樣時間即定植后天數(shù)（d）；24為24 h。

全球增溫潛勢（GWP，以100年計，t CO2eq·hm-2）是基于CO2、CH4和N2O轉化為CO2當量進 行 估 算：GWP=RCO2+25×RCH4+298×RN2O，式中RCO2、RCH4、RN2O分別為生長季CO2、CH4和 N2O 排放總量，kg·hm-2［13］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用DPS V14.10數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，處理間差異顯著性分析采用最小顯著法（LSD）。

2 結果與分析

2.1 萵苣土壤CH4排放

2.1.1 土壤CH4排放規(guī)律及平均排放通量

圖1 不同有機無機氮肥配施下萵苣土壤CH4排放通量

由圖1可知，萵苣全生育期內(nèi)土壤CH4排放各處理呈現(xiàn)“源”、“匯”交替現(xiàn)象，CK、PK、NPK、NPKM1、NPKM2、NPKM3處理CH4通量范圍分別為-1.48～3.43、-2.39～1.58、-2.08～1.25、-1.39～1.40、-2.25 ～ 6.72、-1.96 ～ 2.35 mg·m-2·h-1。各時間測點排放通量在基肥、追肥施用后均呈現(xiàn)升降波動趨勢，直至總體趨于平穩(wěn)。說明菜地土壤施肥表現(xiàn)為CH4排放匯或對土壤CH4的氧化存在較大變異。

由表2可知，萵苣生育期各處理土壤CH4平均排放通量介于-0.44～-0.03 mg·m-2·h-1，大小 表 現(xiàn) 為 CK=PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。與CK處理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CH4平均排放通量分別降低0.00、0.04、0.37、0.41和 0.05 mg·m-2·h-1。與PK處理相 比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處 理 土壤CH4平均排放通量分別降低0.04、0.37、0.41和0.05 mg·m-2·h-1。 與NPK處 理 相 比，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CH4平均排放通量分 別 降 低0.33、0.37和0.01 mg·m-2·h-1。 說明施肥會降低菜地土壤CH4平均排放通量，而有機無機配施處理較純化肥處理進一步降低菜地土壤中CH4平均排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

表2 不同有機無機氮肥配施下萵苣土壤CH4和CO2平均排放通量及累積排放量

2.1.2 土壤CH4累積排放量

由圖2可知，基肥施用一周內(nèi)，各處理土壤CH4累積排放量較平穩(wěn)，第7 d均呈上升趨勢（NPK和NPKM1除外）。第12 d各處理土壤CH4累積排放量大小表現(xiàn)為：NPKM3＞CK＞NPKM2＞PK＞NPKM1＞NPK。追肥后一周內(nèi)，各處理土壤CH4累積排放量較平穩(wěn)，生育后期土壤CH4累積排放量開始下降。

萵苣生育期各處理土壤CH4累積排放量介于-5.90～-0.42 kg·hm-2，大小表現(xiàn)為CK＞PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。 與CK處 理 相 比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CH4累積排放量分別降低0.04、0.54、5.01、5.48和0.62 kg·hm-2。與PK處理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理分別降低0.50、4.97、5.44和0.58 kg·hm-2。與NPK處理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理分別降低4.47、4.94、0.08 kg·hm-2?？梢姡┓蕰档筒说赝寥繡H4累積排放通量，而有機無機配施處理較純化肥處理進一步降低菜地土壤CH4累積排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

圖2 不同有機無機氮肥配施下萵苣土壤CH4累積排放量

2.2 萵苣土壤CO2排放

2.2.1 土壤CO2排放規(guī)律及平均排放通量

由圖3可知，萵苣全生育期內(nèi)各處理土壤CO2排放通量總體呈上升趨勢，受施肥的影響略有波動?；适┯靡恢軆?nèi)，各處理土壤CO2排放通量于第3 d達到峰值后下降，其中以CK處理（202.01 mg·m-2·h-1）最低。追肥施用一周后，各處理土壤CO2排放通量于第42 d達到峰值后下降，大小表現(xiàn)為 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞CK＞PK＞NPKM2，之后開始回升。

圖3 不同有機無機氮肥配施下萵苣土壤CO2排放通量

由表2可知，萵苣生育期各處理土壤CO2平均排放通量介于112.1～ 168.2 mg·m-2·h-1，大小 表 現(xiàn) 為 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。與CK處 理 相 比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CO2平均排放通量分別提高7.9、24.4、45.9、19.8和56.1 mg·m-2·h-1。與PK處理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處 理 土 壤CO2平均排放通量分別提高16.5、38.0、11.9和48.0 mg·m-2·h-1。與NPK處理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CO2平均排放通量分別提高21.5、-4.6和31.7 mg·m-2·h-1。說明施肥會提高菜地土壤CO2平均排放通量，而豬糞類有機無機配施處理較純化肥處理進一步提高菜地土壤CO2平均排放通量。

2.2.2 土壤CO2累積排放量

由圖4可知，萵苣生育期各處理土壤CO2累積排放量呈平穩(wěn)上升趨勢。基肥和追肥施用一周內(nèi)比較緩慢，后期出現(xiàn)拐點，迅速增加。

由表2可知，萵苣生育期土壤CO2累積排放量介于1 506.37～2 260.58 kg·hm-2，大小表現(xiàn)為 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。 與 CK處理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CO2累積排放量分別增加7%、22%、41%、18%和50%。與PK處理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CO2累積排放量分別增加14%、32%、10%和40%。與NPK處理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理土壤CO2累積排放量分別增加16%、-3.4%和23%。說明施肥會提高菜地土壤CO2累積排放通量，而豬糞類有機無機配施處理較純化肥處理進一步提高菜地土壤CO2累積排放通量。

圖4 不同有機無機肥配施下萵苣土壤CO2累積排放量

2.3 萵苣土壤全球增溫潛勢

由表2可知，萵苣生育期GWP介于1.50～2.23 t CO2eq·hm-2，大小表現(xiàn)為 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。與CK處理相比，PK、NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理GWP分別增加7%、21%、33%、8.7%和49.4%。與PK處理相比，NPK、NPKM1、NPKM2和NPKM3處理GWP分別增加13%、24%、1.6%和40%。與NPK處理相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3處理GWP分別增加10%、-10.3%和23%。說明施肥會提高菜地土壤GWP，而豬糞類有機無機配施處理較純化肥處理進一步提高菜地土壤GWP。

3 討論

3.1 有機無機氮肥配施對菜地土壤CO2排放的影響

土壤CO2排放通量受土壤物理、化學和生物過程的影響，與土壤碳、氮含量及陽離子交換能力等有關［14］。通常施肥會增加土壤中碳、氮含量，提高易分解有機質(zhì)的量，從而增加土壤呼吸底物及作物根系生物量，最終促進微生物的活動和根系的呼吸［2，15］。王立剛等［16］研究發(fā)現(xiàn)，單施N肥對土壤呼吸的影響不大，N、P配施，尤其是高N高P能顯著增加土壤呼吸量。董玉紅等［17］研究發(fā)現(xiàn)，不同肥料處理長期小麥-玉米輪作土壤CO2排放通量的順序依次為NPK＞NP＞PK＞NK＞CK；NPK配施顯著提高作物產(chǎn)量和秸稈殘茬還田量，提高土壤有機質(zhì)含量，從而提高土壤CO2排放量。本研究中，施肥會提高菜地土壤CO2累積排放通量，與上述研究結果一致。

有機肥料施用于農(nóng)田土壤是一種有效增加土壤碳庫、減緩溫室效應的方法［18］，但會增加土壤呼吸釋放 CO2的速率［19-21］。相關研究表明［22-24］，有機肥及有機-無機肥配施能顯著增加CO2的排放，主要是有機肥的施入改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)的積累，促進土壤微生物的活性以及根系的生長和活力，從而增加CO2的排放量。有機肥和化肥施用能顯著增加土壤呼吸釋放CO2的累積量，提高土壤中潛在礦化的有機碳含量及其占土壤有機質(zhì)的比例，促進土壤有機質(zhì)中無機養(yǎng)分的釋放［25-26］。董玉紅等［27］研究發(fā)現(xiàn)，不同處理土壤CO2季節(jié)平均排放通量為0.512 4～0.851 8 g·m-2·h-1；和不施肥不種玉米裸地處理相比，玉米種植促進CO2排放，施用有機肥也增加CO2的排放， 而 豬 糞 30 t·hm-2、雞糞 30 t·hm-2同不施肥種玉米處理差異顯著。陳永根等［9］研究表明，夏季或冬季，沼液處理對土壤CO2排放影響均不顯著。謝立勇等［28］研究發(fā)現(xiàn)，長期不同施肥處理黑土區(qū)春小麥地土壤CO2排放通量大小基本一致，表現(xiàn)為MNPK＞MN＞NPK＞N＞M。本研究中，有機無機氮肥配施處理土壤CO2平均排放通量和累積排放量均以NPKM2處理最低，表明豬糞類有機肥配施較沼渣沼液配施促進菜地土壤CO2排放。

3.2 有機無機氮肥配施對菜地土壤CH4排放的影響

CH4的產(chǎn)生和排放是嚴格厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用的結果，充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和適宜的產(chǎn)甲烷菌生長環(huán)境是CH4產(chǎn)生的先決條件［29］。施用有機肥對于酸性土壤還可提高土壤pH值，為產(chǎn)甲烷菌提供有利的生長條件，促使其產(chǎn)生更多的CH4［30］。CH4在好氧條件下容易被氧化菌氧化而減少土壤中CH4的排放；有機質(zhì)的分解會降低土壤Eh，從而導致CH4的排放量增加［29］。透氣性良好的旱田土壤是大氣CH4的主要吸收匯［31］。本研究中，施肥會降低菜地土壤CH4累積排放通量，與上述研究結果一致。

一般來說，在維持氮、磷、鉀含量基本不變時，施較多的有機肥是CH4排放率高的重要原因，而施化肥則能降低CH4排放［3］。有機投入對土壤CH4氧化的影響取決于其 C/N［32］。Hütsch 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，長期使用農(nóng)家肥料引起旱地土壤對CH4氧化的抑制作用，但其影響要小于使用等量的無機肥料所產(chǎn)生的影響。陳永根等［9］研究發(fā)現(xiàn)，夏、冬季在大量施沼液時，初期土壤CH4排放通量明顯高于正常施沼液及不施沼液；隨后處理間土壤CH4排放通量無顯著差異。董玉紅等［27］研究發(fā)現(xiàn)，不同處理農(nóng)田土壤CH4的季節(jié)平均通量為-0.006 8～-0.048 4 mg·m-2·h-1，有機肥施用抑制土壤對CH4的吸收，施肥量高抑制作用強，但差異不顯著。謝立勇等［28］研究發(fā)現(xiàn)，長期不同施肥處理之間黑土區(qū)春小麥地土壤CH4排放或吸收通量差異不明顯，僅在排放高峰期發(fā)現(xiàn)MNPK處理的排放略顯高。有機肥對土壤CH4氧化的影響比化肥要低得多，其物理化學性質(zhì)及施用方法的不同都會影響到土壤對CH4的氧化［34］。本研究結果表明，有機無機配施處理較純化肥處理進一步降低菜地土壤CH4累積排放通量，以沼渣沼液配施最佳。

4 結論

萵苣生育期土壤CH4累積排放量大小順序為CK＞PK＞NPK＞NPKM3＞NPKM1＞NPKM2。有機無機氮肥配施對菜地CH4排放的影響很大程度上取決于有機肥種類，沼渣沼液配施和豬糞配施對土壤CH4有氧化作用。不同處理土壤CO2累積排 放量 和GWP 大 小 均 表 現(xiàn) 為 NPKM3＞NPKM1＞NPK＞NPKM2＞PK＞CK。 豬 糞 類 有 機 肥 配 施 較沼渣沼液配施促進菜地土壤中CO2排放，并增加GWP。在實際生產(chǎn)中，應當根據(jù)不同源有機肥特性進行調(diào)節(jié)施用，其差異原因有待進一步研究。