全 文 ：南京市郊区集约化大棚蔬菜地 N2O的排放
*
贾俊香1,2 摇 张摇 曼1 摇 熊正琴1**摇 李摇 叶1
( 1南京农业大学资源与环境科学学院 /江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室, 南京 210095; 2山西农业大学资源与环
境学院, 山西太谷 030801)
摘摇 要摇 采用静态暗箱鄄气相色谱法,研究了南京市郊区集约化生产管理下,芹菜鄄空心菜鄄小
白菜鄄苋菜轮作菜地与休闲裸地的 N2 O 排放通量的动态变化,及其与土壤温度、湿度以及
NO3 - 鄄N 和 NH4 + 鄄N 含量的关系. 结果表明: 轮作菜地的 N2 O 累积排放量达 137郾 2
kg N·hm-2,显著大于休闲裸地(29. 2 kg N·hm-2);轮作菜地生态系统 N2O鄄N的排放系数高
达 4郾 6% . 4 种蔬菜地中,空心菜地对轮作菜地的周年累积排放量贡献最大,为 53. 5% ,小白菜
地次之,为 31. 9% ,芹菜地和苋菜地最小,分别为 4. 5%和 4. 8% .轮作菜地的 N2O排放通量与
土壤温度呈显著正相关,Q10为 2. 80;土壤湿度以及 NO3 - 鄄N和 NH4 + 鄄N含量与轮作菜地的 N2O
排放通量之间的相关性不显著.
关键词摇 蔬菜地摇 N2O摇 排放系数摇 Q10
文章编号摇 1001-9332(2012)03-0739-06摇 中图分类号摇 P461; X511摇 文献标识码摇 A
N2O emission from an intensively managed greenhouse vegetable field in Nanjing suburb,
Jiangsu Province of East China. JIA Jun鄄xiang1,2, ZHANG Man1, XIONG Zheng鄄qin1, LI Ye1
( 1Jiangsu Province Key Laboratory of Low Carbon Agriculture and GHGs Mitigation, College of Re鄄
sources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(3): 739-744.
Abstract: By using static opaque chamber and gas chromatography, this paper studied the dynamic
changes of N2O fluxes and their relationships with soil temperature, soil moisture content, and soil
nitrate and ammonium contents in an intensively managed greenhouse celery-Tung choy-Bok choy-
amaranth rotation field and in a bare fallow land in Nanjing suburb. The cumulative N2O emission
from the rotation vegetable field was as high as 137. 2 kg N·hm-2, being significantly higher than
that from the bare fallow land (29. 2 kg N·hm-2), and the N2O鄄N emission factor of the rotation
vegetable field ecosystem was up to 4. 6% . In the rotation field, the planting of Tung choy had the
greatest contribution to the annual cumulative N2O emission, occupying 53. 5% of the total, fol鄄
lowed by the planting of Bok choy (31. 9% ), celery field (4. 5% ), and amaranth (4. 8% ). The
N2O flux of the rotation field had significant positive correlation with soil temperature, the Q10 being
2. 80, but no significant correlations with soil moisture content and soil nitrate and ammonium con鄄
tents.
Key words: vegetable field; N2O; emission factor; Q10 .
*教育部新世纪人才支持计划项目(NCET鄄10鄄0475)、国家自然科学基
金项目(40971139, 41171238)、公益性行业农业科研专项(200903003)
和中央高校基本科研业务费专项(KYZ201110)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zqxiong@ njau. edu. cn
2011鄄05鄄23 收稿,2011鄄12鄄13 接受.
摇 摇 气候变化已成为当前人类社会面临的重大挑
战. N2O是一种重要的温室气体,全球大气中 N2O
浓度已从工业化前的 270 滋g·L-1增至 2005 年的
319 滋g·L-1,而且每年仍以 0郾 25%的速度递增[1],
因此,N2O排放已成为国际性研究热点.农业土壤是
大气中 N2O浓度增加的主要贡献者[2],化学氮肥的
施用是农业土壤中 N2O产生的重要来源[3] .有研究
表明,2000 年农业生产所导致的 N2O排放量占全球
N2O排放总量的 75% [4];2008 年,中国蔬菜总种植
面积约为 17郾 9 Mhm2,占农作物总播种面积的
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 3 月摇 第 23 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2012,23(3): 739-744
11郾 4% [5];2009 年,中国蔬菜产量占世界总产量的
49% [6] . 20 世纪 90 年代,中国施用于菜地的氮肥占
总氮肥用量的 17% ,来源于菜地的 N2O直接排放量
占全国总 N2O排放量的 20% [7] .目前,我国 N2O 排
放研究以大田粮食作物生态系统为主[8-12],对蔬菜
地生态系统的研究较少. 有研究表明,蔬菜地 N2O
排放量较高,而且随蔬菜作物和管理模式的不同差
异很大,不宜采用 IPCC 的缺省值进行估算,急需增
加集约化生产实践中菜地 N2O 排放的田间观测数
据[13-18] .
本研究以南京市郊区集约化大棚蔬菜地土壤为
研究对象,分析轮作蔬菜地和休闲裸地的 N2O 排放
动态,及其与土壤温度、湿度以及硝态氮和铵态氮含
量的关系,探索蔬菜地生态系统 N2O 排放的主要驱
动因子,为准确估算蔬菜地生态系统中 N2O 的排放
量积累科学数据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验于 2009 年 11 月 28 日—2010 年 11 月 28
日于江苏省南京市沧波门镇(32毅01忆 N, 118毅52忆 E)
进行.该地区气候属典型的长江中下游亚热带季风
气候, 年平均气温 15郾 4 益,年均降水量 1107 mm.
试验地具有 30 多年的集约化蔬菜种植历史,借助大
棚增温保护,一年可连续种植 3 ~ 5 茬蔬菜,以高复
种指数和商业化经营为特点.试验地土壤 pH 5郾 77,
容重 1郾 12 g·cm-3,有机碳 18郾 6 g·kg-1,总氮 2郾 1
g·kg-1,砂粒 31郾 2 g·kg-1,粉粒 664郾 3 g·kg-1,粘
粒 304郾 4 g·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
试验设 2 个处理:1)休闲裸地:不施肥,不种植
蔬菜;2)轮作菜地:集约化大棚蔬菜地,种植芹菜、
空心菜、小白菜和苋菜,按照当地管理措施进行施
肥、灌溉、耕翻等(表 1). 每个处理的小区面积为
50 m伊4 m,3 次重复.
1郾 3摇 气样采集与分析
采用静态密闭暗箱鄄气相色谱法[18]测定菜地
N2O排放通量. 采样时间从 2009 年 11 月 28 日—
2010 年 11 月 28 日,一周一次,施肥与灌溉后加密
采样,2 ~ 3 d 一次,持续 7 ~ 10 d,休闲裸地共采样
53 次,轮作菜地共采样 64 次. 采样时间为 9:00—
11:00,在盖上箱子后 0、10、20 和 30 min 各采样 1
次,用 20 mL注射性针筒采集气体样品.采用气相色
谱仪(Agilent 7890A)测定样品中 N2O 浓度,检测器
为 ECD,载气为氩甲烷,检测温度 300 益,根据 4 个
样品的 N2O 浓度值与采样时间的直线回归方程的
斜率求得 N2O排放通量[19] .
1郾 4摇 土壤温度、湿度及硝态氮和铵态氮含量的测定
土壤温度、湿度及硝态氮和铵态氮含量的测定
从 2009 年 11 月 28 日开始,一周一次,共计 53 次.
采用土壤温度计监测 10 cm 土层的土壤温度. 采用
烘干法测定土壤质量含水量,根据土壤容重换算成
土壤湿度(% ).采集 0 ~ 10 cm的新鲜土样,过 2 mm
筛,用 2 mol·L-1 KCl 溶液按照 1 颐 5 的土水比浸
提,然后用紫外分光光度计 ( HITACHI, U鄄2900,
Japan)测定土壤硝态氮和铵态氮含量. NO3 - 鄄N 浓度
采用 220 和 275 nm 双波长直接测定,NH4 + 鄄N 浓度
采用靛酚兰比色法(625 nm)测定[20] .
1郾 5摇 数据处理
采用 JMP 7郾 0 软件进行方差分析和相关分析,
采用 Turkey法进行多重比较(琢=0郾 05).
表 1摇 菜地轮作蔬菜种类与施肥情况
Table 1摇 Vegetable species and fertilization management in rotation vegetable field
种植模式
Cropping code
生长期
Growth period (d)
耕作次数
Tilling times
施肥日期
Fertilization date
肥料
Fertilizer
施 N肥量
N fertilizer rate
(kg N·hm-2)
休闲裸地 Bare fallow - - - - -
芹菜 Celery 2009鄄11鄄26—2010鄄02鄄01 (77) 3 2009鄄11鄄20 猪粪 Pig manure 405
2009鄄11鄄25 NH4HCO3 428
2009鄄11鄄25 (NH4) 2HPO4 300
空心菜 Tung choy 2010鄄03鄄13—2010鄄07鄄10 (119) 2 2010鄄03鄄11 NH4HCO3 428
2010鄄03鄄11 (NH4) 2HPO4 375
2010鄄05鄄08 尿素 Urea 347
2010鄄05鄄29 尿素 Urea 347
小白菜 Baby bok choy 2010鄄07鄄25—2010鄄09鄄11 (48) 1 2010鄄08鄄13 尿素 Urea 116
苋菜 Amaranth 2010鄄09鄄11—2010鄄11鄄09 (59) 1 - - -
047 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
2摇 结果与分析
2郾 1摇 菜地土壤温度、湿度及硝态氮和铵态氮含量的
动态变化
从图 1 可以看出,休闲裸地与芹菜鄄空心菜鄄小
白菜鄄苋菜轮作菜地的土壤温度、湿度在整个观测期
间呈脉冲式动态变化. 休闲裸地和轮作菜地土壤温
度的变幅分别为 8郾 0 ~ 31郾 1 益和 9郾 0 ~ 31郾 1 益,二
者差异不大.轮作菜地由于频繁的灌溉具有与休闲
裸地不同的土壤湿度动态变化规律. 在整个观测期
间,轮作菜地和休闲裸地土壤湿度的变幅分别为
32郾 9% ~76郾 5%和 20郾 4% ~73郾 0% .
摇 摇 从图 2 可以看出,整个观测期内,休闲裸地与芹
菜鄄空心菜鄄小白菜鄄苋菜轮作菜地的土壤 NO3 - 鄄N 和
NH4 + 鄄N含量变幅均较大,而且 NO3 - 鄄N 含量普遍高
于 NH4 + 鄄N,具有明显的土壤硝酸盐积累现象. 休闲
裸地中,土壤 NO3 - 鄄N和 NH4 + 鄄N含量的变幅分别为
0郾 4 ~ 82郾 4 mg·kg-1和 1郾 1 ~ 22郾 7 mg·kg-1;轮作菜
地中,土壤 NO3 - 鄄N 和 NH4 + 鄄N 含量的变幅分别为
6郾 4 ~ 747郾 4 mg·kg-1和 2郾 9 ~ 414郾 0 mg·kg-1 . 可
见,轮作菜地的土壤 NO3 - 鄄N和 NH4 + 鄄N 含量显著高
于休闲裸地.
休闲裸地与轮作菜地的 NO3 - 鄄N 和 NH4 + 鄄N 含
量在2010年5—8月的观测值明显高于其他时期,
图 1摇 休闲裸地(A)和轮作菜地(B)土壤温度、湿度的动态
变化
Fig. 1摇 Dynamics of soil temperature and moisture in bare fallow
(A) and rotation vegetable field (B).
玉:土壤湿度 Soil moisture;域:土壤温度 Soil temperature.
图 2摇 休闲裸地(A)和轮作菜地(B)土壤硝态氮和铵态氮的
动态变化
Fig. 2摇 Dynamics of soil nitrate nitrogen and ammonium nitro鄄
gen in bare fallow (A) and rotation vegetable filed (B).
实线箭头表示施基肥,虚线箭头表示追肥 Real line arrows represented
basal fertilizer application and dotted line arrows represented top鄄dressing
fertilizer application. 下同 The same below.
这可能与此时期的土壤温度较高,从而引起矿化作用
释放出较多的矿质态氮有关.休闲裸地受到试验前蔬
菜种植时肥料残留的影响,NO3 -鄄N和 NH4 +鄄N含量也
相对较高.轮作菜地土壤中 NO3 -鄄N 与 NH4 +鄄N 含量
基本呈同步变化,尤其在空心菜与小白菜生长期间
同步变化尤为明显.
2郾 2摇 菜地 N2O排放通量的动态变化
休闲裸地和芹菜鄄空心菜鄄小白菜鄄苋菜轮作菜地
的 N2O排放具有明显的季节性变化(图 3).二者的
N2O排放通量均在温度较高的 4—8 月较大,其变幅
也较大,在其他月份相对较小,变幅也较小. 在整个
观测期,休闲裸地的 N2 O 排放通量为 12 ~ 3932
滋g N·m-2·h-1,85% 的 N2 O 排放通量小于 500
滋g N·m-2·h-1;轮作菜地的 N2O排放通量为 60 ~
10033 滋g N·m-2·h-1,52%的 N2O 排放通量大于
1000 滋g N·m-2·h-1 .氮肥的施用能够在短期内引
起土壤 N2O排放通量的增加.在轮作菜地的 6 次施
肥中,除芹菜生长期内没有观测到排放峰外,空心
菜、小白菜和苋菜生长期均在施肥后 2 ~ 7 d 观测到
N2O排放峰.
2郾 3摇 菜地 N2O平均排放通量与累积排放量
从表 2 可以看出,在观测的 365 d内,芹菜鄄空心
1473 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 贾俊香等: 南京市郊区集约化大棚蔬菜地 N2O的排放摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 菜地 N2O平均排放通量、累积排放量和排放系数
Table 2摇 Average flux, cumulative emission and emission factor of N2O in the vegetable fields (mean依SE, n=3)
种植模式
Cropping code
生长期
Growth period
(d)
氮肥用量
N fertilizer rate
(kg N·hm-2)
排放通量
N2O flux
(滋g N·m-2·h-1)
累积排放量
Cumulative N2O
emission
(kg N·hm-2)
排放系数
Emission factor
(% )
休闲裸地 Bare fallow 365 0 333依43A 29郾 2依3郾 7A -
轮作菜地 Rotation vegetable field 365 2341 1568依97B 137郾 2依8郾 5B 4郾 6
芹菜 Celery 77 728 324依13c 6郾 2依0郾 2c -
空心菜 Tung choy 119 1497 2389依230b 73郾 4依7郾 1a -
小白菜 Baby bok choy 48 116 3617依78a 43郾 8依1郾 0b -
苋菜 Amaranth 59 - 364依72c 6郾 6依1郾 3c -
不同大写字母表示休闲裸地与轮作菜地的差异显著,不同小写字母表示不同蔬菜种类之间差异显著(P<0郾 05) Different capital letters meant sig鄄
nificant difference between bare fallow and rotation vegetable filed at 0郾 05 level, and different small letters meant significant difference among different
vegetable crops at 0郾 05 level.
菜鄄小白菜鄄苋菜轮作菜地的 N2 O 平均排放通量为
(1568依97) 滋g N·m-2·h-1,累积排放量为(137郾 2依
8郾 5) kg N·hm-2,均显著大于休闲裸地,表明施肥和
种植管理显著促进了菜地 N2O 的排放.根据 N2O鄄N
排放系数是施氮肥菜地的 N2O鄄N累积排放量与未施
氮肥菜地的 N2O鄄N累积排放量的差值占总氮肥用量
的质量百分数,轮作菜地 N2O的排放系数为 4郾 6% .
在轮作菜地中,N2O 平均排放量和累积排放量
在 4 种蔬菜地间的差异均达显著水平(表 2).其中,
小白菜地的 N2O 平均排放通量最大,空心菜地次
之,苋菜和芹菜地最小;空心菜地的 N2O 累积排放
量最大,占轮作菜地 N2O 累积排放量的 53郾 5% ,小
白菜地次之,占 31郾 9% ,苋菜和芹菜地最小,分别为
4郾 8%和 4郾 5% .
图 3摇 休闲裸地(A)和轮作菜地(B)的 N2O排放通量
Fig. 3 摇 N2 O fluxes in bare fallow (A) and rotation vegetable
filed (B).
表 3摇 菜地 N2O排放通量与土壤温度、湿度及硝态氮和铵态
氮含量的相关关系
Table 3摇 Correlation between N2 O flux and soil tempera鄄
ture, soil moisture, and the contents of NO3 - 鄄N and
NH4 + 鄄N in the vegetable fields
样地
Plots
土壤温度
Soil
temperature
土壤湿度
Soil
moisture
硝态氮
Nitrate
nitrogen
铵态氮
Ammonium
nitrogen
N2O排放通量
N2O flux
休闲裸地
Bare fallow
(n=46)
0郾 30* 0郾 14 -0郾 15 0郾 07
轮作菜地 Rota鄄
tion vegetable
field (n=48)
0郾 58** 0郾 22 0郾 14 0郾 15
* P<0郾 05; **P<0郾 01郾
2郾 4摇 菜地土壤温度、湿度及硝态氮和铵态氮含量对
N2O排放的影响
从表 3 可以看出,轮作菜地中 N2O 排放通量与
土壤温度呈显著的正相关. 休闲裸地和轮作菜地的
N2O排放通量与土壤湿度、NO3 - 鄄N 和 NH4 + 鄄N 的相
关性均不显著,这可能与 N2O 的阵发性排放峰有
关[18],是多种因素综合作用的结果. 休闲裸地和轮
作菜地 N2 O 排放量的 Q10 分别为 1郾 71 ( y =
48郾 48e0郾 0542 x ) 和 3郾 89 ( y = 53郾 76e0郾 1359 x ),平均为
2郾 80,表明在 8郾 0 ~ 31郾 1 益的土壤温度范围内,温度
每升高 10 益,菜地 N2O排放量平均增加 2郾 8 倍.
3摇 讨摇 摇 论
本研究中,以休闲裸地作为不施肥小区对照,轮
作菜地的 N2O鄄N 排放系数为 4郾 6% ,符合前人报道
的农田 N2 O鄄N 排放系数 0 ~ 7郾 8% [21]]与 0郾 1% ~
7郾 3% [22]的范围,但普遍高于蔬菜地的相关报道.例
如,Xiong等[13]研究表明,南京郊区蔬菜地 N2O 平
均排放系数为 0郾 73% ;邱炜红等[17]研究表明,武汉
地区种植辣椒、萝卜、菠菜和小白菜地 N2O 的排放
247 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
系数为 0郾 33% ~ 1郾 13% ;Cao 等[14]报道,南京地区
大白菜地 N2 O 排放系数为 1郾 09% ~ 1郾 63% ;He
等[15]报道,山东寿光温室大棚中番茄轮作体系下
N2O排放系数仅为 0郾 27% ~ 0郾 30% .较高的化学氮
肥用量与较高的猪粪肥用量可能是导致本研究中菜
地 N2O鄄N排放系数较高的原因.研究表明,通常非蔬
菜作物的氮肥用量为 150 ~ 300 kg N·hm-2 [23],一季
蔬菜作物的氮肥用量为 300 ~ 700 kg N·hm-2 [24],
而本研究中轮作菜地的化学氮肥量高达 2340
kg N·hm-2,猪粪肥高达 405 kg N·hm-2 .除苋菜生
长期间没有施用氮肥外,芹菜、空心菜和小白菜生长
期 间 氮 肥 施 用 量 分 别 为 728、 1479 和 116
kg N·hm-2 .本文研究对象是当地集约化轮作菜地,
氮肥施用量、施用时间和肥料种类均根据当地生产
实际情况确定.农业生态系统中氮肥利用效率低是
造成大量的氮以气态形式损失的主要原因[25] . 因
此,菜地系统对于我国农业 N2O鄄N 排放清单的准确
估算非常重要,不能等同于粮食作物大田或者被
忽略.
本研 究 中, 小 白 菜 地 氮 肥 用 量 为 116
kg N·hm-2,仅占芹菜地氮肥用量的 15% ,而其
N2O累积排放量却为芹菜地的 7 倍.苋菜生长期没
有施用氮肥,而其平均排放量与芹菜地的差异不显
著(表 2),这与文献报道前茬作物氮肥施用影响后
季作物 N2O排放的结论一致[25] . 休闲裸地未施肥,
但其 N2 O 累 积 排 放 量 高 达 ( 29郾 2 依 3郾 7 )
kg N·hm-2,可能与试验前蔬菜种植中投入肥料的
残留效应有关.因此,对于复种指数较高的集约化菜
地,需要进行周年连续动态监测,否则会严重影响对
菜地 N2O排放的施肥效应的正确估算.
与粮食作物相比,蔬菜生产多采用多样化轮作
方式.蔬菜地施肥、灌溉、翻耕等管理随所种植蔬菜
种类的不同而不同. 蔬菜种植种类的多选性和蔬菜
成熟时间的可变性都会影响蔬菜地的 N2O 累积排
放量,也会影响轮作体系中菜地 N2O 的总排放量.
因此,蔬菜轮作生态系统中 N2O 的排放在时间和空
间上的变异性较大,急需加强不同类型管理模式下
蔬菜地 N2O排放的田间观测.
4摇 结摇 摇 论
集约化蔬菜生产中氮肥的大量施用显著促进了
蔬菜地 N2O 的排放.芹菜鄄空心菜鄄小白菜鄄苋菜轮作
菜地的 N2 O 周年累积排放量为 (137郾 2 依 8郾 5 )
kg N·hm-2,显著大于休闲裸地的 (29郾 2 依 3郾 7 )
kg N·hm-2 .轮作菜地 N2O的排放系数高达 4郾 6% .
蔬菜种类、种植顺序等轮作方式影响轮作菜地 N2O
的排放.其中,空心菜地 N2O 累积排放量对轮作菜
地周年累积排放量的贡献最大,占 53郾 5% ,小白菜
地次之,占 31郾 9% ,芹菜地和苋菜地的贡献均小于
5% . 4 种菜地中,小白菜地的 N2O排放通量最大,为
3617 滋g N·m-2· h-1, 空心菜地次之, 为 2389
滋g N·m-2·h-1 .土壤温度是影响蔬菜地 N2O 排放
的重要因子,N2O 排放通量与土壤温度呈显著正相
关,Q10为 2郾 80.
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作者简介摇 贾俊香,女,1974 年生,博士研究生. 主要从事氮
素循环与生态环境研究. E鄄mail: junxiangjia@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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