土壤呼吸—中國(guó)北方壽光設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)高土壤氧化亞氮排放

在當(dāng)今社會(huì)，人們?cè)絹碓疥P(guān)注氣候變化和環(huán)境保護(hù)，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)這些問題有著重要的影響。GVP系統(tǒng)（Greenhouse Vegetable Production System）作為一種新型的蔬菜生長(zhǎng)系統(tǒng)，被認(rèn)為是減少化肥使用、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少溫室氣體排放的有效途徑。

那么，在GVP系統(tǒng)下蔬菜生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的一氧化二氮（N₂O）的排放量是怎樣的呢？對(duì)環(huán)境又會(huì)造成什么影響呢?下面這篇相關(guān)論文，一起來探討下。
 

中國(guó)北方壽光設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)高土壤氧化亞氮排放
 

中國(guó)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)（GVP）系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，其面積已超過4百萬公頃，占全球的80%以上。山東省是中國(guó)蔬菜主產(chǎn)區(qū)，其中壽光地區(qū)被譽(yù)為“中國(guó)設(shè)施蔬菜之鄉(xiāng)”， GVP面積超過當(dāng)?shù)赝恋孛娣e的四分之一（圖1b）。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量及利潤(rùn)的最大化， GVP系統(tǒng)通常過量灌水和施肥，年灌水量約2000mm，年氮肥施用量通常在2000 kg N ha^-1以上，是露天菜地的2～5倍，谷類作物的4～5倍。大量的灌水和施肥能夠促進(jìn)硝化和反硝化作用的發(fā)生，有利于土壤氧化亞氮（N₂O）的釋放。已有一些研究關(guān)注到GVP系統(tǒng)中N₂O的排放，發(fā)現(xiàn)常規(guī)施肥條件下N₂O的年排放量在3.9～63 kg N ha^-1yr^-1之間。這種差異一方面反映了GVP系統(tǒng)中N₂O排放的空間異質(zhì)性，另一方面也反映了對(duì)于頻繁灌溉的GVP系統(tǒng)，低頻率采樣可能帶來的不確定性。此外，先前多數(shù)研究只關(guān)注了作物的生長(zhǎng)季，缺少對(duì)悶棚時(shí)期N₂O排放的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致N₂O排放量的低估。
 

基于此，中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)依托該所位于山東壽光的設(shè)施農(nóng)業(yè)中心建立了高頻連續(xù)自動(dòng)采樣和測(cè)定系統(tǒng)（圖1c, d），對(duì)該典型GVP地區(qū)土壤N₂O的排放通量（SF-3000多通道土壤氣體通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）+溫室氣體分析儀）進(jìn)行了為期一年的監(jiān)測(cè)，包括非生長(zhǎng)季的悶棚時(shí)期，以更加準(zhǔn)確全面地量化N₂O的排放。該系統(tǒng)包含16個(gè)自動(dòng)采樣的呼吸室，充分考慮了GVP系統(tǒng)的空間異質(zhì)性。
 

圖1.供試大棚與土壤N2O排放速率自動(dòng)采樣和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【結(jié)果】

1.環(huán)境和土壤條件的變異性
 

圖2.觀測(cè)期（2020年7月至2021年7月）畦上（紅色）和壟上（藍(lán)色）土壤N₂O日通量和與相關(guān)的環(huán)境因素。a)5cm土壤溫度日均值。b)0-10cm土壤孔隙含水率（WFPS）日均值。c）土壤N₂O日平均排放率。d、e）0–10cm土壤銨態(tài)氮（NH₄⁺）和硝態(tài)氮（NO₃^-）濃度。ASD代表厭氧土壤消毒時(shí)期。

2. 灌水事件對(duì)N₂O通量的影響
 

圖3.灌水前后畦上土壤N₂O日均通量的變化。向下的箭頭表示灌水日期。數(shù)據(jù)點(diǎn)旁邊的藍(lán)色百分比表示0-10cm土壤WFPS。

3. N₂O日動(dòng)態(tài)
 

圖4.土壤N₂O通量、5cm土壤溫度和0-10cm土壤WFPS的日動(dòng)態(tài)。土壤N₂O通量為厭氧土壤消毒時(shí)期（a，d，g）、番茄季（b，e，h）和黃瓜季節(jié)（c，f，i）的全部數(shù)據(jù)中不同時(shí)間的平均值。

4. N₂O排放量的控制因子
 

圖5. GVP系統(tǒng)中土壤N₂O通量的控制因素。隨機(jī)森林（RF）平均預(yù)測(cè)因子重要性（均方誤差增加的百分比；MSE）代表畦上（a）和壟上（b）N₂O通量的影響因素的重要性。MSE%值越高代表預(yù)測(cè)因子越重要。顯著性水平如下：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

5. 采樣頻率對(duì)N₂O排放量估算的影響
 

圖6. 研究期間不同采樣頻率下土壤N₂O排放量模擬。紅色實(shí)線表示本研究中的每天三次采樣。在09:00-11:00間，以不同頻率（每天、每周和每?jī)芍芤淮危┎蓸拥贸龅腘₂O排放量以不同的顏色顯示。

【結(jié)論】

高頻自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示GVP系統(tǒng)土壤N₂O年排放量高達(dá)102 kgNha^-1，占氮肥施用量（1338kgNha-1）的7.6%，遠(yuǎn)高于以往的報(bào)道。此外，灌水可使N₂O排放速率出現(xiàn)短暫的峰值，增加12～396%（圖2c）。低頻率采樣可能無法捕捉到這些峰值，導(dǎo)致N₂O排放被低估8～17%。該研究強(qiáng)調(diào)了GVP系統(tǒng)是N₂O排放的熱點(diǎn)。隨著GVP的迅速發(fā)展，N₂O排放量也將進(jìn)一步增加，迫切需要引起重視并制定相應(yīng)的減排措施。

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