设施蔬菜地土壤N2O排放与硝态氮淋溶的模拟研究

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当前,设施蔬菜生产系统由于氮肥的过量施用以及频繁的灌溉所引起氧化亚氮(N2O)排放和硝态氮(NO3--N)淋溶特征的研究尚不明确,不同田间管理措施如何同时影响两者的消涨不清晰,且缺乏保障产量基础上共同减少两者的措施探索。因此,本研究以北京郊区典型设施蔬菜地(果菜-叶菜种植类型)为研究对象,通过三个轮作周期连续7个蔬菜生长季(记为P1、P2……P7)的原位田间试验,并结合生物地球化学循环模型DNDC(Denitrification-Decomposition)进行研究,主要结论如下:(1)农民传统施氮肥处理(FP)、减氮施肥处理(R)、减氮施肥且添加硝化抑制剂处理(双氰胺,R+DCD)和不施氮肥处理(CK)三个轮作周期N2O累积排放量分别为18.71–26.58,9.58–15.96,7.11–13.42和1.66-3.73 kg N ha-1;与FP相比,R和R+DCD处理分别显著减少38.1%-48.8%和49.5%-62.0%的N2O排放(P<0.05)。氮肥施用、灌溉次数和土壤温度是影响设施蔬菜地土壤N2O排放的环境因子。(2)根据田间监测的数据,主要确定了DNDC模型中土壤参数(容重、初始土壤氮含量、有机碳、土壤质地、田间持水量等),校正了不同种类蔬菜的生理学参数(目标产量、生长积温和需水量等)以及硝化抑制剂效率和作用时间等,利用田间监测的数据全面检验了该模型在设施蔬菜生产系统中的模拟能力。DNDC模型作物产量模拟值和实测值之间表现为较好的一致性,RMSE为0.2-32.7;N2O季节排放总量的模拟值与观测值之间存在线性回归关系(slope=1.03,R2=0.945,P<0.001),RMSE为6.2-71.5;模型同时能够较好模拟5cm深度土壤温度、土壤表层水分含量、表层土壤NO3--N含量和土壤溶液中NO3--N浓度的季节变化动态和量级,表明校验后的模型能够模拟设施蔬菜地的氮素循环过程。(3)从三个轮作周期的模拟结果来看,设施蔬菜地整体氮平衡表现为盈余,氮素输入远大于氮素输出,氮素输入主要是由于氮肥的投入;FP处理氮素输出(三个轮作周期均值)中蔬菜吸收为305 kg N ha-1(占17.37%),NO3--N淋溶为1180 kg N ha-1(占67.17%),NH3为89 kg N ha-1占(5.09%),N2O和NO排放分别为22和3 kg N ha-1,占1.25%和0.20%。(4)用检验后的模型评价设施蔬菜地不同水氮管理措施对N2O排放和NO3--N淋溶的影响(P4-P7时期)。与FP相比,大多数减少氮肥施用量的情景并没有引起蔬菜产量的显著变化,但可以显著降低各蔬菜生长季N2O排放(4.50-97.96%)和NO3--N淋溶量(4.36–99.25%)。添加DCD对蔬菜产量影响较小,但是且能够减少0-37.35%N2O排放和0.03-52.98%NO3--N淋溶。相比较漫灌,滴灌能增加蔬菜产量,但在不同蔬菜生长季对两者的作用效果有所差别。(5)以FP处理为例,N2O累积排放量与NO3--N淋溶量之间存在指数回归关系(n=14;R2=0.500)。以协调产量和环境效应为目标,在不同蔬菜生长季提出了减氮施肥、配合施用DCD和改变灌溉方式的优化管理措施,可以保障产量的同时减少设施蔬菜地N2O排放90%以上,减少NO3--N淋溶80%以上。
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