吳 震，陳安楓，朱爽閣，熊正琴

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇省低碳農(nóng)業(yè)和溫室氣體減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210095）

我國蔬菜種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，種植面積由1980年的316 萬hm2（占農(nóng)作物總播種面積的2.2%）發(fā)展到2018 年的2044 萬hm2（占農(nóng)作物總播種面積的12.5%）[1]。我國蔬菜播種面積和產(chǎn)量均占世界總量的40%以上[2]。與傳統(tǒng)露天菜地不同，溫室蔬菜生產(chǎn)模式能夠延長蔬菜生長季節(jié)，提高經(jīng)濟(jì)效益，解決蔬菜生產(chǎn)時(shí)空分布不均的矛盾，其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值已占蔬菜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的60%以上[1]。原農(nóng)業(yè)部《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020年）》提出，到2020年我國蔬菜面積要穩(wěn)定在2100萬hm2左右，其中溫室蔬菜要達(dá)到420萬hm2[3]。

作為當(dāng)前低碳農(nóng)業(yè)的評(píng)估指標(biāo)，綜合凈溫室效應(yīng)是基于生命周期評(píng)價(jià)方法，計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)各種溫室氣體排放與消納之和，并以CO2當(dāng)量形式表達(dá)，評(píng)價(jià)對(duì)氣候變化的單一影響[4]。通過田間實(shí)測(cè)計(jì)算，綜合分析4 種不同葉菜類蔬菜大棚復(fù)種體系下的綜合凈溫室效應(yīng)均以N2O 田間直接排放為主，凈碳收支、CH4排放甚至農(nóng)業(yè)措施碳排放所占比例均較低[5]。Zhou 等[6]綜合分析不同有機(jī)無機(jī)替代的蔬菜種植體系碳足跡、氮足跡及生態(tài)系統(tǒng)凈經(jīng)濟(jì)效益后，提出氮肥等肥料生產(chǎn)和N2O 田間直接排放是蔬菜生產(chǎn)中碳足跡的主要環(huán)節(jié)。考慮到現(xiàn)有田間觀測(cè)測(cè)定數(shù)據(jù)十分有限，本文關(guān)于菜地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的研究集中為對(duì)其N2O田間直接排放及減排的整合分析。

我國2018 年的農(nóng)田氮肥總用量（不包括復(fù)合肥）已達(dá)2065 萬t N[1]，而菜地的氮肥投入量和復(fù)種指數(shù)遠(yuǎn)高于一般農(nóng)田。據(jù)估計(jì)，露天和溫室菜地每季氮肥投入量平均為201 kg N·hm-2和478 kg N·hm-2[7]，溫室菜地的氮肥用量是露天菜地的2～5 倍[2，8]。蔬菜生長過程中對(duì)氮肥的利用率僅為18%～33%，遠(yuǎn)低于玉米、小麥和水稻等大田作物[9]。過量的氮肥施用造成土壤中無機(jī)氮大量殘留，最終通過氨揮發(fā)、淋洗和徑流以及反硝化等途徑損失[10]。譬如，菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放量遠(yuǎn)高于一般農(nóng)田[11]，占中國農(nóng)田總排放的20.0%～21.4%[12]。Wang 等[13]估計(jì)中國露天和溫室菜地土壤N2O 排放量分別為2.62 kg N·hm-2和6.22 kg N·hm-2。減施氮肥[14]、配施硝化抑制劑[14]、有機(jī)肥替代[6]、施用生物質(zhì)炭[15]、優(yōu)化灌溉[16]等被推薦為減緩菜地N2O排放的優(yōu)化措施。

本研究收集了中國菜地關(guān)于N2O 排放及各優(yōu)化措施對(duì)菜地N2O 排放影響的田間原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過文獻(xiàn)整合分析評(píng)估各優(yōu)化措施對(duì)菜地N2O 排放的減緩效果，對(duì)于實(shí)現(xiàn)集約化蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

從“中國知網(wǎng)”和“Web of Science”上收集關(guān)于菜地N2O 排放及減排的研究論文，分別以“氧化亞氮”“蔬菜，菜地”“nitrous oxide，N2O”和“vegetable”為關(guān)鍵詞，檢索發(fā)表至2019 年9 月的研究文獻(xiàn)。篩選標(biāo)準(zhǔn)為：（1）試驗(yàn)為田間原位觀測(cè)且監(jiān)測(cè)整個(gè)蔬菜生長期N2O 排放，有明確的N2O 累積排放量或者可通過文中數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；（2）試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置對(duì)照組和處理組，對(duì)照組為常規(guī)管理措施，處理組為減施氮肥、有機(jī)肥替代、配施硝化抑制劑、施用生物質(zhì)炭或優(yōu)化灌溉等優(yōu)化減排措施；（3）有明確的氮肥用量。最終獲得N2O排放及減排措施的田間原位觀測(cè)論文50 篇（見OSID碼），包括211 組有效數(shù)據(jù)。提取信息包括：對(duì)照組和試驗(yàn)組N2O排放量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本量，未施氮空白處理N2O排放量、蔬菜產(chǎn)量、氮肥類型、施氮量、試驗(yàn)時(shí)間、種植類型（露天菜地、溫室菜地）。N2O累積排放量以N計(jì)，單位為kg N·hm-2；氮肥用量以N計(jì)，單位為kg N·hm-2；蔬菜產(chǎn)量為鮮質(zhì)量，單位為t·hm-2。

1.2 整合分析方法

以各優(yōu)化措施作為處理組，常規(guī)管理措施作為對(duì)照組，利用MetaWin 2.1軟件進(jìn)行整合分析，其效應(yīng)值計(jì)算如下：

lnR=ln（xt/xc）

式中：R 為效應(yīng)比；lnR 為效應(yīng)值；xt和xc分別為處理組和對(duì)照組N2O排放量。

經(jīng)檢驗(yàn)，效應(yīng)值lnR 近似滿足正態(tài)分布，其方差計(jì)算如下：

式中：v 為效應(yīng)值方差；St和Sc分別為處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差；nt和nc分別為處理組和對(duì)照組的重復(fù)數(shù)。

選取隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算每一組數(shù)據(jù)的平均效應(yīng)值和95%置信區(qū)間。當(dāng)任一效應(yīng)值的95%置信區(qū)間與0 重疊時(shí)，表明試驗(yàn)組和對(duì)照組沒有差異；反之，則認(rèn)為處理組對(duì)該指標(biāo)的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。各優(yōu)化措施對(duì)N2O的減排潛力計(jì)算如下：

式中：M 表示與對(duì)照組相比，處理組N2O 排放量的變化率，%；負(fù)變化率則轉(zhuǎn)換為正值，表示對(duì)N2O 的減排潛力。

若研究同時(shí)監(jiān)測(cè)未施氮空白處理N2O 排放量，則計(jì)算N2O排放系數(shù)如下：

式中：N2Of和N2Oc分別表示施氮和未施氮處理中N2O累積排放量，kg N·hm-2；Nf表示氮肥施用量，kg N·hm-2。

若研究同時(shí)報(bào)道蔬菜產(chǎn)量，則計(jì)算單位產(chǎn)量N2O排放量（kg·t-1）如下：

單位產(chǎn)量N2O排放量=N2O累積排放量/蔬菜產(chǎn)量

利用各研究中常規(guī)處理即對(duì)照組N2O 排放量、施氮量、產(chǎn)量和觀測(cè)周期，計(jì)算中國菜地N2O 年排放量、年施氮量和產(chǎn)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用MetaWin 2.1 整合分析，利用Origin 2018 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布、線性擬合及圖片制作，采用SPSS 22 獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)進(jìn)行指標(biāo)間的差異分析，采用單因素和Tukey′s HSD 法進(jìn)行方差分析和多重比較（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放規(guī)律

在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理措施下，露天菜地的年均氮肥用量為1383 kg N·hm-2（506～5400 kg N·hm-2），而溫室菜地為2003 kg N·hm-2（177～4650 kg N·hm-2），年均蔬菜產(chǎn)量和N2O 累積排放量均隨著氮肥用量的增加而增加，然而N2O 排放系數(shù)和單位產(chǎn)量N2O 排放量沒有隨著氮肥水平而發(fā)生顯著變化（圖1）。圖2則是綜合考慮了各優(yōu)化措施的所有處理，表明露天菜地和溫室菜地N2O 排放系數(shù)在實(shí)際施氮量＜500 kg N·hm-2時(shí)基本相同，且露天菜地N2O 排放系數(shù)隨著施氮量增加而增加，而溫室菜地N2O 排放系數(shù)在不同施氮量下基本相同（圖2a）。同時(shí)露天菜地單位產(chǎn)量N2O 排放量隨著施氮量增加而增加，且在施氮量＞1000 kg N·hm-2時(shí)，露天菜地單位產(chǎn)量N2O 排放量高于溫室菜地（P＜0.01）（圖2c）。無機(jī)肥施用下N2O 排放系數(shù)隨著施用量增加而增加；與無機(jī)肥相比，有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施降低了高氮肥投入下（＞1000 kg N·hm-2）的N2O排放系數(shù)（P＜0.01）（圖2b）。此外，無機(jī)和有機(jī)肥施用下單位產(chǎn)量N2O 排放量均隨著氮肥用量增加而增加（圖2d）。

2.2 優(yōu)化措施對(duì)菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O的減排潛力

總體而言，各優(yōu)化措施對(duì)菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O 累積排放量的影響效應(yīng)值lnR 符合正態(tài)分布。各優(yōu)化措施處理與對(duì)照處理N2O 排放量呈顯著正相關(guān)；同時(shí)其線性相關(guān)的斜率顯著小于1，表明各優(yōu)化措施顯著影響菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放（圖3）。

如圖4 所示，減施氮肥（共69 組）、配施硝化抑制劑（共46 組）、有機(jī)肥替代（共21 組）、施用生物質(zhì)炭（共45組）和優(yōu)化灌溉（共30組）均能有效減少菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放，平均減排潛力為36.6%。減施氮肥整體上降低菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放達(dá)到49.4%，且隨著氮肥施用量的減少，其N2O 減排率增高；配施硝化抑制劑雙氰胺（DCD）和2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）的減排幅度分別達(dá)到43.6%和22.4%；相對(duì)于單施化肥，有機(jī)肥替代顯著降低N2O 排放達(dá)19.7%；施用生物質(zhì)炭降低N2O 排放29.1%，生物質(zhì)炭用量為30 t·hm-2時(shí)減排潛力最高，達(dá)到58.9%；與傳統(tǒng)灌溉相比，優(yōu)化灌溉減排N2O達(dá)34.3%。

不同施氮量下各優(yōu)化措施對(duì)N2O 排放的影響不同（圖5）。減施氮肥、配施硝化抑制劑或生物質(zhì)炭在低施氮下（＜500 kg N·hm-2）減排效果較好，而優(yōu)化灌溉在不同施氮量下減排潛力相當(dāng)。

3 討論

3.1 氮肥在蔬菜生產(chǎn)和N2O排放中的關(guān)鍵作用

圖1 常規(guī)管理措施下菜地氮肥用量與蔬菜產(chǎn)量、N2O排放量、N2O排放系數(shù)和單位產(chǎn)量N2O排放量的線性回歸分析Figure 1 Relationship between N application rate and vegetable yield，cumulative N2O emission，N2O emission factor，and yield-scaled N2O emission under local farmer′s practices

氮素是促進(jìn)植物生長和維持產(chǎn)量的必需營養(yǎng)元素。我國蔬菜種植種類繁多，其生長特點(diǎn)和需肥規(guī)律各不相同，但由于蔬菜生長周期短，且復(fù)種指數(shù)高，因此大量頻繁施用氮肥成為蔬菜高產(chǎn)的保障。如圖1a所示，農(nóng)民習(xí)慣施肥中，蔬菜產(chǎn)量隨著氮肥施用量的增加而增加，但是在低氮用量和未施氮肥的處理中也可獲得較高的產(chǎn)量。這可能是由于蔬菜生長過程中對(duì)氮肥的利用率低[9]，土壤中殘留的氮肥仍可被下季蔬菜吸收利用。過量施氮非但不會(huì)增產(chǎn)，反而可能減產(chǎn)[10]。土壤N2O 排放隨施氮量增加呈線性增加（圖1b），也有研究認(rèn)為N2O 排放與施氮量呈非線性增加關(guān)系[17]。

溫室菜地因有更高的施肥和灌溉量而被認(rèn)為其N2O 排放量會(huì)更高[13]。盡管溫室菜地背景排放和施肥引起的N2O 排放比露天菜地高1.3～1.5 倍，但由于溫室菜地施氮量比露天菜地高1.7 倍，使得溫室菜地N2O 排放系數(shù)低于露天菜地，特別是在施肥量大于500 kg N·hm-2時(shí)（圖2a）。Gerber 等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，增加氮肥投入并不會(huì)增加單位施肥量的N2O 排放。綜合考慮蔬菜產(chǎn)量和菜地N2O 排放，在氮肥投入大于500 kg N·hm-2下，溫室菜地單位產(chǎn)量N2O 排放量低于露天菜地（圖2c）。因此，與露天菜地相比，高氮肥投入的溫室菜地在獲得更高產(chǎn)量的同時(shí)，能降低單位產(chǎn)量N2O排放。

3.2 各優(yōu)化措施對(duì)菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O的減排潛力

3.2.1 減施氮肥

施用氮肥是保證蔬菜產(chǎn)量的重要手段，但在我國蔬菜生產(chǎn)中過量施氮已成為普遍現(xiàn)象[10]。如圖1 所示，最高施氮量已遠(yuǎn)超1000 kg N·hm-2。過量氮肥會(huì)造成巨大的農(nóng)田N2O 排放，Song 等[19]在我國華北平原研究表明，N2O 排放量與施氮量呈指數(shù)增加關(guān)系。蔬菜對(duì)土壤氮素的吸收能力有限，長期集約化種植導(dǎo)致菜地土壤無機(jī)氮本底值較高，而減氮后足以滿足蔬菜生長對(duì)氮素的需求[14]，減施氮肥是直接降低菜地N2O排放的措施。Zhang等[20]也發(fā)現(xiàn)菜地施氮量減少三分之一，能有效降低菜地單位產(chǎn)量N2O 排放量，這與本研究結(jié)果一致（圖4b）。在菜地中實(shí)施減量施氮、合理優(yōu)化施肥是有效降低集約化菜地N2O 排放的生產(chǎn)方式。

圖2 綜合分析露天vs溫室菜地以及無機(jī)肥vs有機(jī)肥不同氮肥用量下N2O排放系數(shù)和單位產(chǎn)量N2O排放量Figure 2 Integrative analyses of N2O emission factor and yield-scaled N2O emission as affected by N application rate in the open-field vs greenhouse system or inorganic vs organic N fertilization

圖3 本研究中所有效應(yīng)值的頻率分布以及實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組N2O排放量的線性回歸Figure 3 Frequency distributions of the effect size classes among all observations and the relationship of cumulative N2O emissions between the treatments and the controls

3.2.2 配施硝化抑制劑

硝化抑制劑調(diào)控氮素生物化學(xué)循環(huán)[21]，抑制土壤微生物的硝化作用和反硝化作用，減少硝態(tài)氮淋失和硝化及反硝化過程中N2O排放[22-24]。除了常用的化學(xué)硝化抑制劑，生物硝化抑制劑也表現(xiàn)出與化學(xué)硝化抑制劑同等的N2O減排效果[25]。

圖4 各優(yōu)化措施對(duì)菜地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放量的影響Figure 4 Responses of cumulative N2O emissions to various optimizing practices in vegetable ecosystems

本文整合46 組配施硝化抑制劑DCD 和CP 在菜地的應(yīng)用數(shù)據(jù)，表明其降低N2O 排放幅度達(dá)33.2%。前人研究也發(fā)現(xiàn)配施硝化抑制劑在旱地、水田和草原等各種生態(tài)系統(tǒng)中降低N2O排放達(dá)38%[26]。李雙雙[27]通過同位素自然豐度映射方法結(jié)合分子生物學(xué)方法，表明配施硝化抑制劑既可以降低施肥和灌溉之后硝化或真菌反硝化所產(chǎn)生的N2O，也可降低細(xì)菌反硝化或硝化細(xì)菌反硝化所產(chǎn)生的N2O。本研究還表明配施硝化抑制劑在低施氮下對(duì)N2O 排放的抑制效果更好（圖5），說明減施氮肥結(jié)合配施硝化抑制劑具有更大的N2O減排潛力[14,17]。

3.2.3 有機(jī)肥替代

圖5 不同施肥量下各優(yōu)化措施對(duì)N2O的減排潛力Figure 5 N2O mitigation potentials in various optimizing practices as affected by different N application rates

施用有機(jī)肥對(duì)保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[28]。施用高C/N 有機(jī)肥不僅為土壤中微生物提供碳源，增加土壤C/N 和微生物對(duì)土壤無機(jī)氮的固持[29]；同時(shí)有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥，使得微生物可以直接利用的無機(jī)氮量減少，降低各種形式的氮素?fù)p失[30]；從而降低硝化作用和反硝化作用底物有效性[31]，影響微生物活動(dòng)和N2O 排放[32]。本研究表明施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施顯著降低菜地N2O 排放達(dá)26.6%（圖4）。與單施化肥相比，有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施在高氮肥投入下降低N2O排放系數(shù)（圖2b）。同時(shí)，施用有機(jī)肥還能直接增加菜地土壤固碳量，進(jìn)一步減緩氣候變化[6，28-29]。

3.2.4 生物質(zhì)炭添加

生物質(zhì)炭是由作物秸稈、木屑或工農(nóng)業(yè)中的有機(jī)廢棄物在限氧或無氧下高溫?zé)岱纸獾墓腆w殘留物，其含碳豐富，對(duì)改良土壤、提高作物產(chǎn)量和緩解全球變暖等有著重要作用[33]。生物質(zhì)炭由于對(duì)銨態(tài)氮的吸附作用，可降低氮肥施入后的底物有效性[15，33]。同時(shí)生物質(zhì)炭促進(jìn)反硝化作用中N2O 進(jìn)一步還原為N2，導(dǎo)致反硝化產(chǎn)物N2O/（N2O+N2）的比值降低而抑制N2O 產(chǎn)生[34]。由于蔬菜地灌溉頻繁，反硝化是菜地土壤中N2O 的主要產(chǎn)生路徑[35]；Liu 等[36]發(fā)現(xiàn)在反硝化主導(dǎo)N2O 產(chǎn)生的土壤中，生物質(zhì)炭具有較好的減排效果；同時(shí)，生物質(zhì)炭提高集約化蔬菜生產(chǎn)中的氮素利用率，增加蔬菜產(chǎn)量，降低單位產(chǎn)量的N2O 排放量[15]。

施用生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤N2O 排放影響不一，對(duì)N2O 減排率變化范圍大，模擬實(shí)驗(yàn)和大田試驗(yàn)整合分析結(jié)果分別為54.0%[37]、30.9%[38]和12.4%[39]。這與生物質(zhì)炭類型、生產(chǎn)過程、農(nóng)田土壤類型和水肥管理等有關(guān)[37-38]。本研究生物質(zhì)炭對(duì)中國菜地N2O的減排率達(dá)到29%，與Borchard 等[40]對(duì)全球谷物和蔬菜種植中生物質(zhì)炭的N2O減排率結(jié)果一致。

3.2.5 優(yōu)化灌溉

土壤含水量影響土壤通氣狀況、微生物活性，進(jìn)而影響土壤中N2O 產(chǎn)生、消耗和傳輸過程。頻繁灌溉是蔬菜種植的一大特點(diǎn)，土壤濕度是影響N2O 排放的主要因素[41]。由于我國水資源供需矛盾突出，傳統(tǒng)大水漫灌的模式不僅水肥利用效率低，而且增加土壤N2O 排放[41]，主要是傳統(tǒng)大水漫灌模式下干濕交替促使土壤硝化和反硝化作用交替進(jìn)行[42-43]，進(jìn)一步增加反硝化作用產(chǎn)生的N2O[44]。高灌溉菜地N2O 排放通量遠(yuǎn)高于低灌溉菜地[45]。優(yōu)化灌溉可實(shí)現(xiàn)水肥一體化，適時(shí)、適量地滿足農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，在保持或增加產(chǎn)量的前提下，既節(jié)水節(jié)肥又減排，是值得推薦的技術(shù)[16]。

4 結(jié)論

（1）中國菜地氮肥投入高，雖增加產(chǎn)量，卻顯著增加N2O排放和單位產(chǎn)量N2O排放量。

（2）與常規(guī)施肥措施相比，蔬菜生產(chǎn)中減施氮肥、配施硝化抑制劑、有機(jī)肥替代、施用生物質(zhì)炭和優(yōu)化灌溉等優(yōu)化措施均能有效降低N2O 排放，平均減排幅度達(dá)36.6%。

（3）與露天菜地相比，溫室菜地集約化生產(chǎn)程度更高，施肥量、產(chǎn)量和N2O 總排放量均高，其優(yōu)化減排措施帶來的減排效果更明顯，N2O 排放系數(shù)和單位產(chǎn)量N2O排放量較低。