活性碳源對(duì)蔬菜地土壤硝態(tài)氮及氮氧化物氣體的影響

楊程++劉秋香

摘要：室內(nèi)25 ℃條件下，于存在硝態(tài)氮累積、50%田間持水量的設(shè)施蔬菜地土壤中，分別添加含碳（C）量為0、0.5、1.0、1.5 g/kg的活性碳源葡萄糖，分別標(biāo)記為C0、C1、C2、C3，研究活性碳用量對(duì)土壤硝態(tài)氮及其氮氧化物氣體NO、N2O（含量均以氮計(jì)）的影響。結(jié)果表明，培養(yǎng)16 d，C0處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量相對(duì)穩(wěn)定，C1、C2、C3處理的土壤硝態(tài)氮含量均由初始870 mg/kg降至10 mg/kg以下，且葡萄糖用量越高，硝態(tài)氮下降越快；培養(yǎng)16 d后，C1、C2、C3處理的土壤銨態(tài)氮由初始30.8 mg/kg分別提高到302.0、33.9、62.5 mg/kg；葡萄糖添加顯著提高土壤NO、N2O的排放，C0處理土壤NO、N2O的累積產(chǎn)生量分別為3.80、0.04 mg/kg，C1、C2、C3處理NO、N2O的累積產(chǎn)生量則分別達(dá)到 4.0～11.7、3.3～62.4 mg/kg。添加活性碳源能有效降低設(shè)施蔬菜地土壤積累的硝態(tài)氮，但也應(yīng)充分重視NO、N2O的排放。

關(guān)鍵詞：設(shè)施蔬菜；土壤；硝態(tài)氮；葡萄糖；NO；N2O；活性碳源

中圖分類號(hào)： S153文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0378-04

收稿日期：2015-02-12

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：BE2014722）。

作者簡介：楊程（1983—），男，江蘇淮安人，碩士，工程師，從事土壤污染分析研究。Tel：（025）51816320；E-mail：yc384522@163.com。為追求設(shè)施蔬菜高產(chǎn)，菜農(nóng)經(jīng)常施用大量化肥，導(dǎo)致蔬菜地土壤硝態(tài)氮累積，不僅嚴(yán)重影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，也會(huì)引起一系列環(huán)境問題，如水體污染、刺激氮氧化物氣體排放等[1-4]。消除及控制蔬菜地土壤硝態(tài)氮含量，既可以減少土壤中積累的硝態(tài)氮對(duì)環(huán)境的污染，又可以緩解蔬菜地土壤的次生鹽漬化，是一個(gè)值得關(guān)注的問題。一般認(rèn)為，土壤硝態(tài)氮的去除途徑主要有微生物對(duì)硝態(tài)氮的同化、異化還原成銨（DNRA）、反硝化或者淋溶等[5-10]。土壤硝態(tài)氮的反硝化和淋溶過程會(huì)造成氮素?fù)p失，產(chǎn)生危害環(huán)境的NO、N2O氣體[2，4]，或進(jìn)入地下水和地表水，造成水體硝態(tài)氮含量超標(biāo)[1，3]等問題；微生物對(duì)硝態(tài)氮的同化可以將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，異化還原成銨可將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，而與硝態(tài)氮相比，有機(jī)氮和銨態(tài)氮活動(dòng)性較弱，易保存在土壤中供后季作物吸收利用。因此，促進(jìn)設(shè)施蔬菜地土壤硝態(tài)氮的微生物同化和異化還原成銨可相應(yīng)減少氮肥的施用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

有研究發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)物料能夠提高土壤活性有機(jī)碳含量，促進(jìn)土壤微生物同化無機(jī)氮[11-12]，外源活性碳的加入可能會(huì)使設(shè)施蔬菜地土壤硝態(tài)氮的含量降低。試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，研究葡萄糖作為活性有機(jī)碳的加入對(duì)設(shè)施蔬菜地土壤累積硝態(tài)氮的影響，測定NO、N2O的排放，以期為合理有效利用蔬菜地土壤硝態(tài)氮提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤

試驗(yàn)于2012年5月開始進(jìn)行，供試土壤采自江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)中心村（31°22′ N，119°57′ E）種植10年的蔬菜地，土壤類型為普通簡育水耕人為土。采樣時(shí)，隨機(jī)選取5個(gè) 1 m×1 m的樣方，將已種植的番茄割除，用土鉆進(jìn)行采樣，每個(gè)樣方內(nèi)采樣5～10次，采樣深度為0～20 cm；剔除土壤中的石塊和植物根系，將新鮮土壤混合均勻，過2 mm篩，裝于密封塑料袋中，4 ℃保存。供試土壤基本理化性質(zhì)為：全碳含量 18.0 g/kg，全氮、NH+4、NO-3 含量（均以氮計(jì)，下同）分別為 3 040、30.8、876 mg/kg，容重為1.03 g/cm3，粉粒、沙粒、黏粒含量分別為84.2%、11.9%、4.0%，pH值為4.30，田間持水量（WHC）為62.3%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，以葡萄糖為活性碳源，分別添加含碳（以碳計(jì)）0、0.5、1.0、1.5 g/kg的葡萄糖，分別記為C0、C1、C2、C3處理，其中C0處理不施葡萄糖作為對(duì)照。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3試驗(yàn)方法

稱取相當(dāng)于30 g烘干土質(zhì)量的新鮮土樣于250 mL三角瓶中，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)添加葡萄糖，與土壤均勻混合；加入蒸餾水，調(diào)節(jié)土壤持水量至50%；用帶孔保鮮膜封住瓶口，25 ℃恒溫培養(yǎng)16 d，每2 d調(diào)節(jié)1次水分，保持土壤恒質(zhì)量；培養(yǎng)1、2、3、5、8、11、16 d，每個(gè)處理分別隨機(jī)選取3瓶，以測定土壤NO、N2O、CO2氣體的產(chǎn)生速率，氣體采樣結(jié)束，分別加入 150 mL 濃度為2 mol/L的KCl溶液，25 ℃、250 r/min振蕩 1 h，定量濾紙過濾，測定土壤NH+4-N、NO-3-N含量。

1.4測定方法

1.4.1氣體產(chǎn)生速率測定氣體采樣時(shí)，去掉三角瓶保鮮膜，用周圍涂抹704硅膠的硅橡膠塞密封瓶口；在固定裝置上抽真空1 min，再充入室內(nèi)空氣，重復(fù)3次；將采氣口用704膠密封，25 ℃恒溫培養(yǎng)室中培養(yǎng)3 h，再次采集氣體樣本；測定NO、N2O、CO2氣體產(chǎn)生量，N2O、CO2采用Shimadzu產(chǎn) GC-14B 型島津氣相色譜儀測定，NO采用USA產(chǎn)Model 42i型氮氧化物測定儀測定。抽取氣樣前用注射器反復(fù)抽提瓶內(nèi)氣體3次，以混勻氣體。

1.4.2含氮量測定提取液NH+4、NO-3含量用Skalarplus San流動(dòng)分析儀測定；土壤pH值（水土比2.5 mL ∶1 g）采用南京Quark公司產(chǎn)DMP-2 mV/pH計(jì)測定；土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮含量用半微量凱氏定氮法測定；土壤粒徑采用美國產(chǎn)激光粒度分析儀測定。

1.5計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)分析

氣體N2O、NO、CO2產(chǎn)生速率的計(jì)算公式分別為：

VN2O=[ρ1×C1×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t；

VNO=[ρ2×C2×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t；

VCO2=[ρ3×C3×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t。

式中：VN2O、VNO分別為N2O、NO的產(chǎn)生速率，以氮計(jì)，μg/（kg·d）；VCO2為CO2的產(chǎn)生速率，以碳計(jì)，mg/（kg·d）；ρ1、ρ2、ρ3分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O-N、NO-N、CO2-C的密度，分別為1.25、0.625、0.536 kg/m3；C1、C2分別為N2O、NO的氣體濃度，nmol/mol；C3為CO2的氣體濃度，μmol/mol；Vg為培養(yǎng)瓶上部有效空間體積，m3；W為烘干土質(zhì)量，kg；T為測定氣體時(shí)的溫度，℃；t為取氣時(shí)間，h。

累積產(chǎn)生量為相鄰2次氣體產(chǎn)生速率的平均值與測定時(shí)間間隔乘積的累加值。

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）；采用Duncans極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；采用Spearmans Rank法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1無機(jī)氮含量的變化

由圖1可見，使用葡萄糖可明顯使土壤中無機(jī)氮含量發(fā)生變化；整個(gè)培養(yǎng)過程中，C0處理土壤硝態(tài)氮含量相對(duì)穩(wěn)定，約為870 mg/kg，銨態(tài)氮含量變化也相對(duì)平緩，介于30.8～34.5 mg/kg；添加葡萄糖處理的土壤硝態(tài)氮含量迅速降低，下降速度隨葡萄糖用量的不同而有較大差異；培養(yǎng)3 d，C1、C2、C3處理的土壤硝態(tài)氮含量均降至100 mg/kg以下，且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，C1、C2處理的土壤硝態(tài)氮含量持續(xù)降低，培養(yǎng) 16 d 時(shí)分別僅為2.52、6.44 mg/kg，而C3處理培養(yǎng)5～10 d，土壤硝態(tài)氮含量低于10 mg/kg，培養(yǎng)16 d時(shí)又升至 56.0 mg/kg；添加葡萄糖培養(yǎng)初期，土壤銨態(tài)氮含量降低，培養(yǎng)1 d，3個(gè)處理的銨態(tài)氮含量為22.0～27.3 mg/kg；隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，C1處理土壤銨態(tài)氮含量持續(xù)升高，16 d時(shí)達(dá)到302 mg/kg，而C2、C3處理土壤銨態(tài)氮含量一直降低，至培養(yǎng)10 d時(shí)開始升高，培養(yǎng)16 d時(shí)分別達(dá)到33.9、62.5 mg/kg。

2.2對(duì)NO排放的影響

由圖2可見，土壤NO的排放速率因葡萄糖添加量不同而有較大差異；培養(yǎng)1 d，與C0處理NO排放速率354 μg/（kg·d）相比，添加葡萄糖促進(jìn)了NO的排放，NO排放速率達(dá)到456～506 μg/（kg·d）；隨培養(yǎng)時(shí)間延長，4個(gè)處理的NO排放量降低，培養(yǎng)3 d時(shí)排放量為最低；隨后，C0、C1處理的土壤NO排

放趨于平穩(wěn)，而C2、C3處理NO排放增加，C2處理培養(yǎng)5 d時(shí)NO排放出現(xiàn)峰值，為527 μg/（kg·d），C3處理培養(yǎng)8 d時(shí)出現(xiàn)峰值，為1 271 μg/（kg·d）；繼續(xù)培養(yǎng)，NO排放速率迅速降低，16 d時(shí)4個(gè)處理土壤NO的排放無明顯差異。

由圖3-a、表1可見，整個(gè)培養(yǎng)過程中，添加葡萄糖提高了設(shè)施蔬菜地土壤NO的累積產(chǎn)生量，C2、C3處理的土壤NO累積產(chǎn)生量分別為5.9、11.7 mg/kg，與C0處理的土壤NO累積產(chǎn)生量 3.8 mg/kg相比差異顯著（P<0.05）；C1處理與對(duì)照差異不顯著；相關(guān)分析表明，土壤NO累積產(chǎn)生量與葡萄糖施用量呈極顯著的指數(shù)關(guān)系（P<0.001）。

2.3對(duì)N2O排放的影響

由圖4可見，整個(gè)培養(yǎng)過程中，添加葡萄糖處理的土壤N2O排放速率明顯高于對(duì)照；C0處理的土壤N2O排放速率峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)1 d時(shí)，達(dá)到6.98 μg/（kg·d），之后逐漸減弱；添加葡萄糖處理的土壤N2O排放速率總體呈先升高后降低趨勢，C1、C2培養(yǎng)5 d時(shí)達(dá)到最大值，分別為806、4 660 μg/（kg·d），而C3處理培養(yǎng)8 d時(shí)出現(xiàn)峰值，為 8 317 μg/（kg·d）；培養(yǎng)至16 d時(shí)，C3處理的土壤N2O排放速率仍高達(dá)1 707 μg/（kg·d），明顯高于其他3個(gè)處理。由圖3-b、表1可見，添加葡萄糖處理的土壤N2O累積產(chǎn)生量為3.3～62.4 mg/kg，顯著高于對(duì)照處理的0.04 mg/kg；3個(gè)添加葡萄糖處理的土壤N2O累積產(chǎn)生量，其相互間也達(dá)到顯著差異水平；相關(guān)分析表明，土壤N2O累積產(chǎn)生量與葡萄糖添加量呈顯著的指數(shù)關(guān)系（P<0.05）。

2.4對(duì)CO2排放的影響

由圖5可知，添加葡萄糖明顯促進(jìn)了土壤CO2的排放；整個(gè)培養(yǎng)過程中，C0處理的土壤CO2 排放速率介于0.029～0.066 mg/（kg·d）；培養(yǎng)3 d時(shí)，C1、C2、C3處理的土壤CO2排放速率出現(xiàn)峰值，分別達(dá)到55.3、39.8、15.0 mg/（kg·d），

之后迅速降低；培養(yǎng)5～16 d，變化相對(duì)平緩；培養(yǎng)16 d時(shí)，C1處理CO2排放速率為17.9 mg/（kg·d），仍明顯高于C2、C3處理。由表1可見，整個(gè)培養(yǎng)過程中，CO2累積排放量以C1處理最高，為365.9 mg/（kg·d），顯著高于C2、C3處理；C0處理CO2累積排放量相對(duì)最低，僅為0.7 mg/kg，與其他3個(gè)處理有顯著性差異。

3結(jié)論與討論

不添加葡萄糖的設(shè)施蔬菜地土壤培養(yǎng)16 d，其硝態(tài)氮含量相對(duì)穩(wěn)定，而添加葡萄糖處理的土壤，其硝態(tài)氮含量由 870 mg/kg 降至10 mg/kg以下，這表明葡萄糖作為一種活性

表1培養(yǎng)16 d不同葡萄糖用量水平下土壤NO、N2O和CO2的

累積產(chǎn)生量

處理氣體累計(jì)產(chǎn)生量（mg/kg）NON2OCO2C03.8c0.04d0.7cC14.0c3.3c365.9aC25.9b27.4b198.9bC311.7a62.4a145.3b注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

碳源，能夠有效降低蔬菜地積累的硝態(tài)氮；分別添加含碳量0.5、1.0、1.5 g/kg活性碳源葡萄糖處理的土壤培養(yǎng)16 d時(shí)，硝態(tài)氮損失量分別為867、864、814 mg/kg，而整個(gè)培養(yǎng)過程中，以NO、N2O氣體形式損失的氮量分別為7.35、33.3、74.1 mg/kg，遠(yuǎn)低于硝態(tài)氮的損失量，這表明氮氧化物氣體NO、N2O并不是硝態(tài)氮消耗的主要途徑。本試驗(yàn)沒有直接測定加入葡萄糖后土壤微生物的生物氮和難溶性有機(jī)氮含量，但根據(jù)前人研究結(jié)論[7，13-14]可知，活性碳源的加入能顯著刺激微生物對(duì)硝態(tài)氮的同化，活性碳源的虧缺可能是蔬菜地土壤微生物活性的限制因子。實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)施蔬菜地土壤中加入綠肥如紫云英、黑麥草等物料，能夠提供微生物利用的活性碳源，這可能會(huì)提高微生物對(duì)硝態(tài)氮的同化作用而有效降低硝態(tài)氮含量。

添加葡萄糖處理的土壤培養(yǎng)16 d時(shí)，其銨態(tài)氮含量明顯提高，而本試驗(yàn)葡萄糖的加入并沒有帶來外源氮，銨態(tài)氮的產(chǎn)生可能主要來自于土壤原有的有機(jī)氮礦化和硝態(tài)氮的異化還原。通過15N標(biāo)記方法，加入0.5 g/kg（以碳計(jì)）葡萄糖和豐度為99.2%的NH415NO3于同一蔬菜地土壤，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)8 d時(shí)土壤銨態(tài)氮15N豐度升高至4.74%，這充分證明DNRA過程的發(fā)生。值得注意的是，培養(yǎng)16 d時(shí)，葡萄糖添加量較高的處理，其土壤銨態(tài)氮含量少于低濃度處理，這可能是由于高濃度葡萄糖處理時(shí)土壤的DNRA速率低于低濃度。Browning 等發(fā)現(xiàn)，碳源極豐富的培養(yǎng)基中，DNRA過程的關(guān)鍵功能基因nrf受到抑制[15]。因此，活性碳源葡萄糖施用量過大并不利于DNRA過程的發(fā)生。此外，試驗(yàn)表明，施用高于0.5 g/kg的葡萄糖可使土壤CO2的排放降低，高碳輸入量很有可能導(dǎo)致土壤微生物“碳中毒”，而降低了微生物活性、抑制DNRA過程的發(fā)生。由于NO-3是DNRA過程發(fā)生的底物和影響因素[16]，控制活性碳源的施用量，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，一方面可以減少蔬菜種植過程中氮肥施用量，另一方面可以減少氮素?fù)p失和環(huán)境污染[8]。

一般認(rèn)為，土壤N2O、NO的排放主要來自硝化過程和反硝化過程[17-19]，其發(fā)生強(qiáng)度主要受限于土壤O2 [17，20]、礦質(zhì)氮[21-22]和有機(jī)碳[6，9]等。整個(gè)培養(yǎng)過程中，不添加葡萄糖處理的土壤，其硝態(tài)氮含量比較穩(wěn)定，約為870 mg/kg，N2O產(chǎn)生速率一直低于NO，培養(yǎng)16 d時(shí)N2O累積產(chǎn)生量為 0.04 mg/kg，遠(yuǎn)低于NO累積產(chǎn)生量3.8 mg/kg，這表明50%持水條件下，無碳源添加的蔬菜地土壤硝化過程主要是NO、N2O的產(chǎn)生過程[23]。添加葡萄糖提高了土壤NO、N2O的排放，葡萄糖加入量越大，NO、N2O的累積產(chǎn)生量越高，其產(chǎn)生量均與加入的葡萄糖量呈顯著的指數(shù)關(guān)系，而 NO/N2O 比例呈下降趨勢，這表明活性碳的加入刺激了土壤反硝化速率，反硝化變?yōu)镹O、N2O的主要產(chǎn)生過程。這可能在于外源活性碳一方面刺激了土壤微生物活性，降低了土壤中O2供應(yīng)，使土壤厭氧區(qū)域增大[20，24]，另一方面增加了土壤中活性有機(jī)碳含量，提供了更多的電子供體[25]，利于硝態(tài)氮的反硝化過程發(fā)生，從而提高了NO、N2O排放。由于NO、N2O在大氣光化學(xué)過程中起著重要的作用[26-27]，且N2O是一種重要的溫室氣體[28]，因此，在有效降低設(shè)施蔬菜地土壤硝態(tài)氮的過程中，應(yīng)重視NO、N2O的排放。值得注意的是，除NO、N2O氣體外，反硝化過程產(chǎn)生的N2可能是活性碳有效降低土壤硝態(tài)氮含量的另外一個(gè)重要組分[19]，為準(zhǔn)確評(píng)估硝態(tài)氮的去向，N2產(chǎn)生量也應(yīng)引起注意。

由于本試驗(yàn)是在室內(nèi)模擬條件下進(jìn)行，且使用的是葡萄糖，大田原位條件下尋求一種合適的有機(jī)物料如綠肥，以降低蔬菜地積累的硝態(tài)氮及減少氮氧化物氣體排放值得進(jìn)一步研究。

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