全球設(shè)施大棚面積近30年快速增長(zhǎng)，2019年已達(dá)130萬(wàn)公頃，中國(guó)占比超60%。然而，高強(qiáng)度施肥與頻繁灌溉導(dǎo)致大棚土壤氧化亞氮(N?O)和二氧化碳(CO?)排放量激增，傳統(tǒng)的小尺寸靜態(tài)箱法因空間代表性不足難以捕捉土壤異質(zhì)性排放特征，而微氣象學(xué)方法則受限于大棚起伏的下墊面結(jié)構(gòu)以及大棚通風(fēng)排放的不連續(xù)性。如何精準(zhǔn)量化設(shè)施大棚向外排放的溫室氣體(GHG)，成為評(píng)估其生態(tài)環(huán)境影響的關(guān)鍵難題。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)技術(shù)局限，創(chuàng)新性地提出“全棚靜態(tài)箱法”：即將大棚整體視為封閉靜態(tài)環(huán)境，通過(guò)監(jiān)測(cè)夜間密閉時(shí)段大棚內(nèi)氣體濃度累積來(lái)間接推算排放速率。為了驗(yàn)證該方法，本研究借助兩套自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備對(duì)山東濰坊某大棚進(jìn)行連續(xù)70天的觀測(cè)，對(duì)比了棚內(nèi)土壤GHG排放速率與棚內(nèi)空氣GHG累積的動(dòng)態(tài)，驗(yàn)證了上述方法的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)：1)土壤CH?通量很低，可以忽略;土壤CO?和N?O排放通量較大，但因地表的差異化管理而存在高的空間異質(zhì)性;2)由于溫度的日變化影響，研究建議選擇大棚密閉后的18:00–24:00時(shí)間段作為觀測(cè)窗口，以精準(zhǔn)測(cè)算大棚的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re，即夜間棚內(nèi)CO?累積速率)與N?O排放。3)對(duì)山東濰坊15個(gè)大棚的驗(yàn)證顯示，夜間CO?與N?O線性累積規(guī)律顯著，年均Re和N?O排放分別為17.8±8.0 Mg C ha?1和21.3±19.7 kg N ha?1。由于植物光合作用可回收Re，N?O被確認(rèn)為是設(shè)施大棚直接溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者。

該研究首次構(gòu)建的“全棚靜態(tài)箱法”新框架，通過(guò)整合棚內(nèi)GHG排放的空間異質(zhì)性與晝夜動(dòng)態(tài)，顯著提升了GHG的量化精度，且操作便捷、易于推廣(夜間通過(guò)時(shí)間梯度氣袋采樣即可)。初步估算，我國(guó)設(shè)施大棚N?O-N年排放量達(dá)1.68萬(wàn)噸，占全國(guó)農(nóng)田排放總量的8%，區(qū)域熱點(diǎn)效應(yīng)突出。以濰坊為例，設(shè)施面積僅占耕地20%，卻貢獻(xiàn)59%的N?O排放。

相關(guān)成果以Quantifying ecosystem respiration and nitrous oxide emissions from greenhouse cultivation systems via a novel whole-greenhouse static chamber method為題，發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域TOP期刊《Science of the Total Environment》。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)與穩(wěn)定性同位素技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新組群全智副研究員與博士畢業(yè)生李雪為共同第一作者，全智副研究員與方運(yùn)霆研究員為通訊作者。研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

圖1我國(guó)北方典型設(shè)施大棚結(jié)構(gòu)和氣體監(jiān)測(cè)裝置截面示意圖(a)，土壤排放自動(dòng)監(jiān)測(cè)靜態(tài)箱擺放俯視圖(b)及觀測(cè)相關(guān)照片(c)

圖2設(shè)施大棚內(nèi)溫度(a)、濕度(b)及溫室氣體CO?、CH?和N?O濃度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律(c-e)

圖3大棚夜晚CO?和N?O累積速率與土壤溫度的指數(shù)關(guān)系(a-b，d-e)以及日變化模擬(c，f)