设施蔬菜具有全年生产、产量高、效益好等优点，已成为我国蔬菜生产发展的重要方式之一。然而在实际生产中菜农往往通过施用大量氮肥来获得高产，使得过量施氮现象十分普遍^[1-2]。华北平原设施蔬菜集中种植区肥料用量超过推荐量的10倍以上，氮肥过量施用现象严重^[3-4]。这不仅影响蔬菜的产量和品质，造成严重的资源浪费，还会引起诸多环境问题^[5-7]。氮素主要以NO₃^--N形式淋溶至土壤深层或地下水中，引起土壤酸化、盐渍化，使地表水及地下水源受到污染，或以气态形式进入大气^[8-11]。其中，N₂O是一种重要的温室气体，其全球增温潜势值是CO₂的298倍，并且在大气中停滞时间长，参与光化学反应，破坏平流层臭氧，间接对人体产生危害^[12-13]。因此，保证蔬菜作物产量持续提高的同时，主动应对全球生态环境的挑战，加强对温室菜田N₂O排放和施氮损失的控制已迫在眉睫。

目前很多研究集中于不同调控措施对氮素转化利用的影响上。氮肥配施双氰胺（DCD）对减少土壤中N₂O的排放有显著效果，并能有效抑制硝态氮向下层土壤的淋洗^[14-16]；加入秸秆可增强大田土壤酶活性，改善土壤酸化现象，促进土壤中的碳氮转化^[17-19]；生物黑炭施入土壤后，能促进土壤对NH₄⁺-N的吸附作用，减少CH₄、NOx的排放，同时对土壤微生物数量及活性也有一定影响^[20-21]；控释肥料能有效抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化，减少土壤硝态氮的累积和淋洗损失^[22-23]；有机肥能够提高土壤酶活性，增加土壤氮素流失的潜势^[24-25]。对于这些炭输入方式和生化调控措施的研究多集中在大田、露地作物生产中，应用在设施菜田相对较少，且调控措施之间对于N₂O减排效果和无机氮转化影响的比较研究也较少。氰氨化钙（又名石灰氮，CaCN₂）是一种缓效氮肥，而且能促进秸秆的分解，提高土壤酶活性，减少土壤和蔬菜中硝酸盐的积累^[26-27]。另外，CaCN₂常被用于温室土壤的消毒剂，与秸秆一起施用，能有效地防治蔬菜连作病虫害，缓解土壤酸化和盐渍化，改善土壤物理结构，增强微生物活性^[28-29]，但是这种措施对N₂O排放和土壤氮素转化的影响尚不明悉。

本试验通过室内静态培养，监测培养期间土壤N₂O排放通量、无机氮含量及土壤中酶活性的变化情况，研究设施蔬菜种植体系中不同调控措施对土壤氮素转化的影响，探索阻控N₂O排放和降低氮素损失的调控技术措施，从而筛选出减排效果最佳的措施，为我国北方设施蔬菜温室气体减排、提高氮肥利用效率和建立综合优化氮素管理体系提供理论指导及技术支撑。

1 材料与方法 1.1 供试材料

试验于2013年4月12日—5月18日在实验室进行。选用河北省廊坊市永清县大辛阁乡北岔口村蔬菜棚（种植年限10年以上，前茬作物为番茄）耕层土壤作为供试土壤，土壤类型为砂质黏壤土，容重为1.32 g·cm^-3，pH值（水∶土=2.5∶1） 7.97，全氮0.95 g·kg^-1，硝态氮94.75 mg·kg^-1，铵态氮3.65 mg·kg^-1，有机质37.53 g·kg^-1，速效磷111.13 mg·kg^-1，速效钾422.60 mg·kg^-1。试验前土壤去除草根和杂物，过2 mm筛，在（25±1）℃下避光培养1周。

1.2 试验设计

试验采用室内静态培养方法，共设置9个处理，每个处理9次重复（表 1）。除N0外，其他处理的氮肥用量为100 mg N·kg^-1，含水量均为70%WFPS。按试验处理将添加物与土壤充分混合后，装入1 L广口瓶，为接近土壤实际容重和含水量，对土壤进行压实并喷洒定量去离子水。盖上Parafilm膜，将广口瓶裹上黑色塑料袋，随机放置于（25±1）℃的培养箱中，培养期为36 d。培养期间广口瓶每周进行称重，通过补加去离子水使其保持与培养时相同重量。

传统施氮+秸秆与石灰氮闷棚处理在正式培养的前15 d进行闷棚。将土壤与秸秆、石灰氮混合均匀，装入1 L广口瓶，按田间实际容重和含水量，对土壤进行压实并喷洒定量去离子水，盖上Parafilm膜。将广口瓶放入（50±1）℃的培养箱中，培养7 d。为保持固定含水量，每日对广口瓶称重并喷洒去离子水。闷棚结束后，在（25±1）℃下避光培养1周，之后培养过程同其他处理。

1.3 样品采集与测定

传统施氮+秸秆与石灰氮闷棚处理在闷棚的第1、2、3、5、7 d采集瓶内气体，测定N₂O通量。在正式培养第1、2、3、5、7、9、11、13、15、20、30、36 d采集气体样品，测定N₂O排放量。取气时，揭开Parafilm 膜5 min，充分通气，然后塞上连有三通阀的橡皮塞，以此为t0时刻。通过注射器与三通阀连接，采集广口瓶顶部空间的气样，连续采集0-10-20 min的气样，每次20 mL，同时记录采集时间和温度。气体样品12 h内使用气相色谱仪（Agilent 6820）测定N₂O。检测器为电子捕获检测器（ECD），分离柱内填充料为80~100目PorpakQ，载气为N₂，CO₂作补气，流量30 mL·min^-1，检测器温度330 ℃，分离柱温度55 ℃；

培养第0、1、3、5、7、15、20、36 d进行破坏性取样，测定土壤硝态氮、铵态氮、亚硝态氮的含量及硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性。用1 mol·L^-1 KCl溶液按1∶10土水比浸提土壤无机氮，振荡30 min，滤液使用连续流动分析仪（TRACCS2000）测定土壤硝态氮、铵态氮含量。亚硝态氮采用盐酸萘乙二胺比色法测定。通过土壤反应前后生成亚硝态氮的含量测定硝酸还原酶活性，通过反应前后亚硝态氮的含量测定亚硝酸还原酶活性。

1.4 数据计算与统计分析

N₂O排放通量计算公式^[30]为:

式中：F为 N₂O排放通量（μg N·kg^-1·d^-1），T为瓶内温度，m为每mol N₂O分子中 N的质量数，V为土壤表面上方气体体积（L），c为气体浓度（nL·L^-1），t为相对时间（min），dc/dt为广口瓶内气体浓度的时间变化率（nL·L^-1·min^-1），22.4为温度为273 K时的气体的摩尔体积（L·mol -1）。

试验数据处理采用Microsoft Excel，统计分析采用SPSS 16.0统计软件进行单因素方差分析，选用LSD（P<0.05）进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 不同调控措施对土壤N₂O排放的影响 2.1.1 培养期间土壤N₂O排放通量动态变化

N1+M处理闷棚期间的N₂O通量变化见图 1的小图部分。N1+M处理在闷棚第2 d出现高峰值，峰值为4 110.08 μg N·kg^-1·d^-1，显著高于N1的峰值，表明秸秆和石灰氮闷棚显著增加了N₂O排放风险。

在正式培养期间（图 1），与对照相比，施氮显著增加了土壤N₂O排放，最高峰值分别为：644.11、362.72、562.00、354.85、101.47、36.74、617.86、120.40 μg N·kg^-1·d^-1。N1+M处理N₂O排放高峰出现在培养后的第20 d。N1+OF处理排放峰值出现在培养后的第1 d和第7 d，整体排放量呈现先降低后升高再降低的趋势。其他施氮处理均呈现先升高后降低的趋势，高峰值出现在正式培养后的第2~4 d。

2.1.2 培养期间土壤N₂O累积排放量

培养期间土壤N₂O累积排放量如图 2。各处理累积排放量分别为36.88、1 363.48、667.36、1 386.85、826.18、323.30、100.36、7 420.57 μg N·kg^-1和400.74 μg N·kg^-1。N1+M的 N₂O累积排放量显著高于其他处理；与N1处理相比，N₂、N1+BC、N1+DCD、N1+CaCN₂和N1+OF处理的N₂O累积排放量分别下降了51.05%、39.41%、76.29%、92.64%、70.61%，均显著降低了土壤N₂O排放。添加秸秆后土壤N₂O累积排放几乎未受影响，闷棚则显著增加了N₂O排放，高达5倍。

2.2 培养期间土壤无机氮动态变化

培养期间土壤硝态氮和铵态氮含量变化见表 2。N1+M和N1+OF处理铵态氮含量显著高于其他处理（P<0.05），其中，闷棚处理的铵态氮含量的减少缓慢；添加有机肥后第7 d铵态氮含量降为对照水平。N1+CaCN₂处理的铵态氮含量在前7 d较为稳定，在50 mg·kg^-1左右，第15 d以后基本与N0处理持平。其他施氮处理均呈下降趋势，在培养后的第3 d铵态氮含量接近于不施氮水平。培养前期（1~3 d）土壤中氮主要以铵态氮形式为主，随后大多转化为其他形式。

与铵态氮含量对应，N1+M处理硝态氮含量在后期逐渐增加，培养结束后其硝态氮含量显著高于其他处理。N1+OF处理整体硝态氮含量低于其他处理，表明有机肥在培养期间显著抑制了铵态氮向硝态氮的转化。其余施氮处理的硝态氮含量均出现两个高峰，第一个出现在培养的第3~5 d，范围为99.29~176.38 mg·kg^-1；第二个高峰出现在15 d或者第20 d。除N1+OF外，其他处理培养结束后的硝态氮含量均高于培养开始时的含量。

由图 3可知，N1、N₂、N1+Straw和N1+BC处理的亚硝态氮含量在培养后的第1 d达到峰值，约为200 mg·kg^-1，第3 d以后几乎接近于0 mg·kg^-1。N1+DCD和N1+CaCN₂处理仅在培养前3 d测定到少量的亚硝态氮。N1+M处理呈现先升高后降低的趋势，峰值显著高于其他处理，有N₂O高排放的风险。N1+OF处理在培养后第7 d出现高峰。

2.3 不同调控措施对土壤酶活性的影响

培养期间土壤中硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性见表 3。N1+Straw处理硝酸还原酶活性最高，范围为4.15~5.33 mg·g^-1·d^-1；N1+OF的硝酸还原酶活性仅在第0 d达到5.43 mg·g^-1·d^-1，此后小于1 mg·g^-1·d^-1，低于其他处理；此外N1+CaCN₂的硝酸还原酶活性也相对较低，表明施加石灰氮或有机肥对硝态氮向亚硝态氮的转化有一定的抑制作用；N1+M处理出现两个高峰，分别为3.27 mg·g^-1·d^-1和4.74 mg·g^-1·d^-1，与亚硝态氮的高峰时间相对应（第5 d和第15 d）。其他处理整体呈现先降低后升高的趋势，除N1+BC外，最低点均出现在培养后的第7 d。

培养期间各处理的亚硝酸还原酶均在第1 d达到一个活性高峰，峰值范围为0.48~0.78 mg·g^-1·d^-1，N1处理的活性最高，之后亚硝酸还原酶的活性降低。在培养的第7 d，N1和N1+Straw达到第二个活性高峰，其他处理的第二个高峰出现在培养的第15 d，峰值范围为0.53~0.78 mg·g -1·d^-1，N1和N1+M的亚硝酸还原酶活性高于其他处理。N₂和N1+OF处理的亚硝酸还原酶活性相对较低，表明缓效氮肥或添加有机肥能较好抑制亚硝态氮向气态氮的转化。

2.4 土壤无机氮与氮素气态损失及酶活性的相关性分析

由表 4可知，在整个培养期间，硝态氮含量与N₂O排放通量在培养初期（第1~3 d）呈极显著正相关，培养后期（第5~36 d）不具有显著性。土壤亚硝态氮含量与N₂O排放通量呈极显著正相关，表明土壤亚硝态氮含量增加，显著增加了N₂O排放的风险。土壤硝态氮含量、亚硝态氮含量分别与硝酸还原酶活性、亚硝酸还原酶活性呈极显著正相关，表明硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性对底物的浓度变化有很好的响应，分别随着土壤中硝态氮或亚硝态氮含量的增加而增加。

3 讨论

从整个培养期间无机氮变化来看，除添加有机肥外，其他各处理土壤NH₄⁺-N含量减少，NO₃^--N含量增加，表明设施菜田土壤排放的N₂O主要是由土壤微生物的硝化作用产生的。施用尿素显著增加了设施菜田土壤N₂O排放。季加敏等^[16]对华北平原典型农田土壤进行了培养研究，土壤N₂O排放量为122 μg N·kg^-1，远低于本试验中设施菜田土壤的N₂O排放量（1 363.48 μg N·kg^-1），表明设施菜田的N₂O排放是不容忽视的。控释尿素添加的N量虽与尿素相同，但由于其氮素缓释效果，其N₂O排放量显著低于施用尿素的土壤，这符合N₂O排放量随施氮量的增加而增大^[31]的基本规律。

在整个监测期间，添加DCD显著降低了设施菜田土壤N₂O排放，减少累积排放量78.41%。在大田和露天菜地中，氮肥配施DCD后土壤N₂O累积排放量分别降低30%和50%左右^[32-33]，表明DCD在N₂O高排放的设施菜田土壤上具有很好的减排效果。添加DCD和CaCN₂的土壤除在培养的前3 d测定到极少量的亚硝态氮外，其余时间几乎未检测到亚硝态氮，表明DCD和CaCN₂的使用有效抑制氮素在转化过程中亚硝态氮的产生，这与石美等^[34] 研究结果一致。

姜宁宁等^[17] 试验结果表明，添加秸秆后明显增加了设施菜田土壤N₂O排放，比未施秸秆增加1倍多，而本试验中秸秆的添加对设施菜田土壤N₂O的排放影响不明显。有研究表明秸秆还田促进了小麦-玉米轮作土壤N₂O排放^{[16, 35]}；而在小麦-水稻轮作体系中，秸秆全量还田和半量还田能降低单位产品生产的N₂O排放量，显著降低农田温室气体综合增温效应^[36]。秸秆对于大田土壤N₂O排放的不同影响，可能与秸秆的不同C/N比和伴随的施氮水平有关^[37-38]，对设施蔬菜种植体系的影响及因素需进一步试验探明。

本试验中，添加CaCN₂显著降低了设施菜田土壤N₂O排放，而在石灰氮和秸秆闷棚期间有大量N₂O排放，可能是由于反硝化作用产生的。一方面，高温会增强土壤的反硝化能力^[39]；另一方面，秸秆中大量碳的加入不仅为反应提供了大量底物，且促进了微生物的呼吸，消耗土壤O2，进一步促进反硝化进行^[40]。N1+M处理在培养前期，土壤中氮素主要以NH₄⁺-N存在，由石灰氮分解产生的双氰胺抑制了硝化作用的进行，但这种抑制效果逐渐减弱，这与郭艳杰^[41]对于DCD的研究结果一致，出现了N₂O排放高峰，且土壤中NO₃^--N含量增加。

添加有机肥后，土壤NO₃^--N含量一直处于最低，培养结束后无机氮含量降低，主要是由于有机肥添加到土壤中后，为土壤微生物提供了大量的碳源和氮源，促进了微生物的活动，使得一部分氮素被固持在微生物体内，从而减少了氮素淋失风险和气体损失^[42-43]。

除第0 d以外，N1+OF的硝酸还原酶活性在整个培养期间显著低于其他处理，N1+CaCN₂的也相对较低，表明施加石灰氮或有机肥能减少反硝化过程中硝态氮向亚硝态氮的转化；添加秸秆后，土壤硝酸还原酶的活性则相对较高，表明秸秆相对促进了此过程的进行。从相关性分析来看，土壤硝态氮含量与硝酸还原酶活性呈极显著正相关，表明土壤硝态氮含量增加，显著增加了硝酸还原酶的活性，有助于硝态氮向亚硝态氮的转化。

在整个培养期间，N1+OF和N2土壤的亚硝酸还原酶相对较低，表明添加有机肥或施用缓效氮肥能够较好地抑制亚硝酸还原酶的活性，从而减少亚硝态氮向气态氮的转化。土壤亚硝态氮含量与亚硝酸还原酶活性呈极显著正相关，表明土壤亚硝态氮含量增加，显著增加了亚硝酸还原酶的活性，有助于反硝化过程中亚硝态氮向气态氮的转化，此过程增加了N₂O排放的风险。

4 结论

添加DCD和CaCN₂可以有效抑制硝化过程或反硝化过程中亚硝态氮的产生，对N₂O减排效果最好；添加控释尿素、秸秆、黑炭、DCD和CaCN₂调控措施对铵态氮向硝态氮的转化有一定抑制作用；施加石灰氮或有机肥有助于减少反硝化过程中硝态氮向亚硝态氮的转化。相关分析表明，土壤中硝态氮和亚硝态氮含量增加，有助于反硝化过程的进行，增加了N₂O排放的风险。