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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