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

日期: 2024-01-22
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當今社會,人們越來越關(guān)注氣候變化和環(huán)境保護,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對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系統(tǒng),被認為是減少化肥使用、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)下蔬菜生長過程中產(chǎn)生的一氧化二氮(N2O)的排放量是怎樣的呢?對環(huán)境又會造成什么影響呢?下面這篇相關(guān)論文,一起來探討下。

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

土壤呼吸 | 中國北方壽光設(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。山東省是中國蔬菜主產(chǎn)區(qū),其中壽光地區(qū)被譽為“中國設(shè)施蔬菜之鄉(xiāng)”, GVP面積超過當?shù)赝恋孛娣e的四分之一(圖1b)。為了實現(xiàn)產(chǎn)量及利潤的最大化, 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)注了作物的生長季,缺少對悶棚時期N2O排放的監(jiān)測,導(dǎo)致N2O排放量的低估。

基于此,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)團隊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)自動采樣和測定系統(tǒng)(圖1c, d),對該典型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測量系統(tǒng)(北京理加聯(lián)合科技有限公司)+溫室氣體分析儀)進行了為期一年的監(jiān)測,包括非生長季的悶棚時期,以更加準確全面地量化N2O的排放。該系統(tǒng)包含16個自動采樣的呼吸室,充分考慮了GVP系統(tǒng)的空間異質(zhì)性。

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

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

【結(jié)果】

1.環(huán)境和土壤條件的變異性

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圖2.觀測期(2020年7月至2021年7月)畦上(紅色)和壟上(藍色)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期。

2. 灌水事件對N2O通量的影響

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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)點旁邊的藍色百分比表示0-10cm土壤WFPS。

3. N2O日動態(tài)

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圖4.土壤N2O通量、5cm土壤溫度和0-10cm土壤WFPS的日動態(tài)。土壤N2O通量為厭氧土壤消毒時期(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)中不同時間的平均值。

4. N2O排放量的控制因子

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

圖5. GVP系統(tǒng)中土壤N2O通量的控制因素。隨機森林(RF)平均預(yù)測因子重要性(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N2O排放量估算的影響

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圖6. 研究期間不同采樣頻率下土壤N2O排放量模擬。紅色實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、每周和每兩周一次)采樣得出的N2O排放量以不同的顏色顯示。

【結(jié)論】

高頻自動監(jiān)測結(jié)果顯示GVP系統(tǒng)土壤N2O年排放量高達102 kgNha-1,占氮肥施用量(1338kgNha-1)的7.6%,遠高于以往的報道。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%。該研究強調(diào)了GVP系統(tǒng)是N2O排放的熱點。隨著GVP的迅速發(fā)展,N2O排放量也將進一步增加,迫切需要引起重視并制定相應(yīng)的減排措施。

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