氧氣濃度對水稻土N2O排放的影響①

楊艷菊，蔡祖聰，2，3*，張金波，2，3（ 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)），南京 20023；2 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，南京 20023；3 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 20023）

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氧氣濃度對水稻土N2O排放的影響①

楊艷菊1，蔡祖聰1，2，3*，張金波1，2，3
（1 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)），南京 210023；2 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，南京 210023；3 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023）

摘 要：通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，在25℃，60% 田間持水量條件下，研究了氧氣濃度（200、100 和20 ml/L）和銨態(tài)氮濃度（10、30和50 mg/kg）對6個(gè)水稻土（pH 5.23 ～ 7.83，黏粒含量71.0 ～ 522 g/kg）N2O排放的影響。結(jié)果表明：供試水稻土N2O排放通量隨銨態(tài)氮濃度的增加、氧氣濃度的下降而增加。逐步回歸分析表明，N2O累積排放量與銨態(tài)氮含量、土壤有機(jī)碳含量、黏粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與氧氣濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.845，P＜0.01）。氧氣濃度下降增加N2O排放可能與硝化產(chǎn)物中N2O比例增加和反硝化作用加強(qiáng)有關(guān)，但不同氧氣濃度條件下各N2O產(chǎn)生過程的貢獻(xiàn)還需進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：氧氣濃度；N2O；銨態(tài)氮；黏粒含量；水稻土

氧化亞氮（N2O）因其具有較強(qiáng)的增溫潛勢（百年尺度上是CO2的298倍）、大氣中滯留時(shí)間長（生命周期為 121年）、破壞臭氧層、增加地面紫外輻射等特點(diǎn)而被認(rèn)為是目前最具有環(huán)境破壞性的溫室氣體［1-2］。農(nóng)田土壤是N2O排放的主要來源之一［3-4］。

氧氣是影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程及N2O排放的重要因素。土壤硝態(tài)氮的反硝化過程是厭氧過程，僅在低氧或厭氧的條件下發(fā)生，氧氣主要通過影響反硝化作用相關(guān)的酶活性而影響其速率和產(chǎn)物組成比例［5］。研究表明，當(dāng)土壤中的氧氣濃度降低到5 ml/L以下時(shí)反硝化微生物的活性增強(qiáng)［6］。最近的研究表明，反硝化微生物可以在較大的氧氣范圍內(nèi)發(fā)生并產(chǎn)生 N2O［7］。硝化過程與反硝化過程相反，是嚴(yán)格的好氧過程。硝化微生物及其相關(guān)的酶類必須在有氧氣存在的情況下才能進(jìn)行硝化作用［8］。隨著氧氣含量下降，硝化作用產(chǎn)物中N2O的比例升高［9］。

在我國的水稻生產(chǎn)實(shí)踐中，在水稻生長期，通常采用間歇灌溉方式。這一水分管理特點(diǎn)導(dǎo)致稻田土壤中氧氣濃度不僅在空間上有很大的分異，而且在時(shí)間上也有很大的變化。氧氣濃度通過直接影響硝化、反硝化過程的反應(yīng)速率和 N2O在產(chǎn)物中的比例而影響N2O排放量。施入稻田的氮肥以銨態(tài)氮肥或產(chǎn)生銨態(tài)氮的氮肥為主，銨態(tài)氮肥在有氧氣的微區(qū)發(fā)生硝化作用，產(chǎn)生的硝態(tài)氮通過擴(kuò)散過程進(jìn)入周圍厭氧區(qū)域而發(fā)生反硝化作用，釋放 N2O、N2等氣體。這一過程稱為成對硝化和反硝化作用（coupled nitrification and denitrification）［10］。與其他農(nóng)業(yè)土壤相比，成對硝化與反硝化過程是稻田土壤N2O的主要來源，占稻田總排放量的 30% 以上［11］。成對硝化與反硝化作用的強(qiáng)度受硝化速率控制［12］，氧氣對硝化速率起著決定性的作用，所以氧氣也是影響稻田成對硝化和反硝化過程及其氣體產(chǎn)物的重要因素。過去一般認(rèn)為，稻田長期處于淹水狀態(tài)，氧氣濃度低，硝化作用受到限制，加之土壤還原性較強(qiáng)，反硝化作用進(jìn)行得較為徹底，所以稻田土壤排放的含氮?dú)怏w以N2為主［13］。但田間觀測結(jié)果表明，稻田土壤排放的N2O也不可以忽略并且受氧氣濃度影響較大［14］。本文研究不同氧氣濃度條件下水稻土N2O排放的規(guī)律，為采取適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)管理措施減少稻田N2O排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

水稻土作為人為土，在我國分布范圍較為廣泛，基本理化性質(zhì)差異較大。為使試驗(yàn)結(jié)果更具代表性，本文選擇不同質(zhì)地和pH的水稻土作為研究對象，研究其在不同氧氣濃度條件下N2O的排放規(guī)律。

供試水稻土于2014年3月水稻種植前，分別采自江蘇淮安（33°43′N， 118°86′E），句容（31°56′N， 119°10′E）、宜興（31°17′N， 119°54′E），四川鹽亭（31°16′N，105°27′E），江西鷹潭（28°15′N，116°55′E）和龍虎山（28°15′N，116°55′E）的耕層土壤。江蘇淮安、四川鹽亭、江蘇宜興、江蘇句容、江西鷹潭和江西龍虎山水稻土分別發(fā)育于湖泊沉積物、紫砂巖、沖積土、下蜀黃土、第四紀(jì)黏土和第三紀(jì)紅砂巖。土壤樣品采集后，風(fēng)干、過2 mm篩備用。江蘇淮安、句容、宜興水稻土分別記為HA、JR、YX，四川鹽亭和江西鷹潭及龍虎山的水稻土分別記為SC、JC、JS。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

表 1 供試水稻土的理化性狀Table 1 Physico-chemical properties of tested paddy soils

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用雙因素三水平的完全隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，雙因素分別為氧氣濃度和銨態(tài)氮添加量。氧氣濃度設(shè)置為200 ml/L（O1）、100 ml/L（O2） 和20 ml/L（O3），銨態(tài)氮濃度（以純 N計(jì)）分別為 10 （N1）、30（N2）、50（N3）mg/kg土壤，加入的銨態(tài)氮肥為硫酸銨。

稱取20 g（干土重）的風(fēng)干土壤樣品于250 ml三角瓶中，調(diào)節(jié)至50% 田間持水量，用帶孔保鮮膜封口，于25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)預(yù)培養(yǎng)4 天。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，每個(gè)三角瓶中加入設(shè)計(jì)的銨態(tài)氮濃度，加入蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量到60% 最大持水量。迅速用橡膠塞及704硅膠密封三角瓶（試驗(yàn)過程中三角瓶保持密閉，直到試驗(yàn)結(jié)束），抽真空后，向瓶內(nèi)注入試驗(yàn)設(shè)計(jì)氧氣濃度的空氣，反復(fù)3次。為在培養(yǎng)過程中保持瓶內(nèi)氧氣濃度為試驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度，每天固定時(shí)間用含試驗(yàn)設(shè)計(jì)氧氣濃度的氣體更換瓶內(nèi)氣體，在 25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)7 天。

1.3 氣體的采集與測定

分別在培養(yǎng)的1、2、3、5和7天采集氣體樣品。采集氣體樣品前，用含設(shè)計(jì)氧氣濃度的氣體更換瓶內(nèi)氣體，靜置6 h后，用氣密性注射器采集20 ml氣體，每一處理，每次采集3個(gè)培養(yǎng)瓶，作為3次重復(fù)，氣體采集后立即測定N2O濃度（以純N計(jì)），測定方法見文獻(xiàn)［15］。

1.4 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)處理

N2O排放通量及累積排放量的計(jì)算參照文獻(xiàn)［16］。

數(shù)據(jù)分析使用SPSS16.0軟件，采用多因素方差分析（Univariate-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同處理的 N2O排放通量與累積排放量的差異。Pearson 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法判斷土壤N2O平均排放通量與影響因素的相關(guān)性及顯著水平。用逐步回歸分析建立土壤N2O累積排放量與各影響因素之間的回歸方程。使用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 N2O 排放通量

由于供試土壤和處理較多，且添加相同銨態(tài)氮濃度時(shí)不同氧氣濃度處理的 N2O排放通量變化規(guī)律相同，為使結(jié)果更加清晰，本文僅列出銨態(tài)氮添加量為30 mg/kg土壤（N2）時(shí)，不同氧氣濃度條件下N2O排放通量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化（圖1）。

從圖1中可以看出，當(dāng)銨態(tài)氮添加量為30 mg/kg時(shí)，供試水稻土N2O排放通量在0.247 ～ 2.872 μg/（kg·h）。氧氣濃度為20 ml/L （O3） 的處理，N2O排放通量高于氧氣濃度為100 ml/L（O2）和200 ml/L（O1）的處理，這種差異在培養(yǎng)的第5天開始逐漸縮小。氧氣濃度為100 ml/L（O2） 的處理，除SC水稻土外，N2O排放通量高于氧氣濃度為200 ml/L（O1）處理。氧氣濃度對HA和SC水稻土N2O排放通量的影響大于pH較低的水稻土。

圖1 添加30 mg/kg 銨態(tài)氮水稻土在25℃和60%WHC水分下培養(yǎng)，N2O 排放通量隨時(shí)間的變化Fig.1 Temporal variations of N2O fluxes during incubation of tested paddy soils added with 30 mg/kg as NH4+-N before incubation at 25℃ and 60%WHC

2.2 N2O 累積排放量

供試條件下，水稻土N2O累積排放量在16 ～365 μg/kg，隨著添加的銨態(tài)氮濃度增加而增加（圖2）。除JC和JS水稻土銨態(tài)氮添加量為10 mg/kg（N1）處理外，相同銨態(tài)氮添加水平下，N2O累積排放量隨氧氣濃度的下降而增加，差異極顯著（P＜0.01，表2）。銨態(tài)氮添加濃度與氧氣濃度對SC水稻土的N2O累積排放量具有顯著的交互作用（P＜0.05），但在其余水稻土上，交互作用均不顯著（P＞0.05，表2）。

2.3 影響N2O排放的因素

將同一供試土壤不同處理的 N2O累積排放量進(jìn)行平均，作為土壤平均 N2O累積排放量。通過分析土壤理化性質(zhì)與平均 N2O累積排放量之間的關(guān)系可知，平均N2O累積排放量與土壤pH、全氮含量、有機(jī)碳含量和土壤黏粒含量均呈正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.36、0.59、0.72和0.62（表3），其中土壤有機(jī)碳含量與平均N2O累積排放量間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。這說明土壤有機(jī)碳含量是影響水稻土N2O排放的重要因素。

以各土壤各處理的N2O累積排放量為因變量，添加銨態(tài)氮濃度、氧氣濃度和土壤性質(zhì)為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果表明在顯著性為 P=0.05水平上，N2O累積排放量與銨態(tài)氮添加量、氧氣濃度及土壤性質(zhì)可建立如下回歸方程：Y=35.564 + 5.384X1-4.440X2+ 1.285X3+0.843X4（R2=0.845， P＜0.01），式中：Y為N2O累積排放量；X1為添加的初始銨態(tài)氮濃度（mg/kg）；X2為氧氣濃度（ml/L）；X3為土壤有機(jī)碳含量（g/kg）；X4為土壤黏粒含量（g/kg）。結(jié)果表明，添加的銨態(tài)氮濃度、氧氣濃度、土壤有機(jī)碳含量和黏粒含量是影響稻田土壤N2O累積排放量的重要因素。

3 討論

3.1 氧氣濃度對水稻土N2O排放的影響

本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧氣濃度從 200 ml/L降低到20 ml/L 時(shí)，供試水稻土N2O排放量顯著增加，這一規(guī)律與前人的研究結(jié)果一致［17-19］。氧氣濃度降低，N2O排放量增加，是土壤產(chǎn)生 N2O的多個(gè)過程及相關(guān)微生物酶共同作用的結(jié)果［18］。在氧氣充足的條件下，土壤氨單加氧酶活性較高，有利于硝化作用的進(jìn)行，且最終產(chǎn)物為硝態(tài)氮，不利于硝化作用產(chǎn)生N2O；當(dāng)氧氣濃度為零，土壤處于完全厭氧的環(huán)境，氨單加氧酶活性受到抑制，N2O還原酶活性較高，有利于反硝化作用的徹底進(jìn)行并釋放N2，這種情況也不利于反硝化作用生成N2O。當(dāng)氧氣含量處于中間水平時(shí)，硝化作用、反硝化作用同時(shí)產(chǎn)生N2O，土壤排放較多的N2O［19］。在200 ml/L氧氣濃度下，土壤硝化作用進(jìn)行徹底，N2O排放較少。100 ml/L 和20 ml/L 濃度與完全厭氧條件相比則處于中間水平，有利于硝化和反硝化過程同時(shí)產(chǎn)生N2O，所以，氧氣濃度從200 ml/L 降低到20 ml/L，水稻土N2O排放增加。

圖2 培養(yǎng)過程中土壤N2O 累積排放量Fig.2 N2O cumulative emissions from soils during 7d incubation

表2 氧氣濃度（O）和添加銨態(tài)氮濃度（N）對N2O累積排放量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Significance of effects of oxygen content （O） and NH4+addition rate （N） on N2O accumulative emissions

表3 土壤理化性質(zhì)與平均N2O累積排放量的關(guān)系Table 3 Relationship between soil physico-chemical properties and mean N2O accumulative emission

文獻(xiàn)報(bào)道，添加硫酸銨50 mg/kg的旱地土壤，培養(yǎng)2天，氧氣濃度由210 ml/L下降到 30 ml/L時(shí)，N2O排放量由16 μg/kg增加到311 μg/kg，增加了17倍［7］。森林土壤氧氣濃度由200 ml/L 降低20 ml/L時(shí)，N2O排放量也增加了 10 ～ 15倍［20-21］。本實(shí)驗(yàn)的供試水稻土壤，氧氣濃度由200 ml/L 降低到20 ml/L，N2O的排放量僅增加了0.2 ～ 4.6倍，遠(yuǎn)低于旱地土壤和森林土壤的增加幅度。這一結(jié)果說明，水稻土 N2O排放量對氧氣濃度變化的敏感程度明顯低于旱地土壤和森林土壤。這可能與土壤微生物對環(huán)境的適應(yīng)性有關(guān)［22］。N2O排放過程主要由相關(guān)的微生物及酶調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物對溫度、土壤重金屬含量、土壤的酸堿度等均能產(chǎn)生適應(yīng)性［23-25］。水稻土與旱地土壤和森林土壤相比，長期處于淹水狀態(tài)，氧氣濃度低于通氣狀況良好的旱地土壤和森林土壤。長期淹水條件下的N2O產(chǎn)生微生物，如硝化微生物可能對低氧的環(huán)境產(chǎn)生了一定的適應(yīng)性，導(dǎo)致水稻土 N2O排放對氧氣濃度變化的敏感程度低于旱地土壤和森林土壤。但由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最低氧氣濃度僅為20 ml/L，不能確定 N2O排放量最大時(shí)氧氣的臨界濃度，同時(shí)也不能確定在不同的氧氣濃度下，硝化作用和反硝化作用對 N2O排放的相對貢獻(xiàn)，對此還需要進(jìn)一步的研究。

3.2 銨態(tài)氮濃度、土壤理化性狀對水稻土N2O排放的影響

N2O累積排放量隨銨態(tài)氮添加量、土壤全氮含量和有機(jī)碳含量的增加而增加，這與前人的研究結(jié)果一致［26-27］。土壤的pH是影響硝化和反硝化作用及N2O在其產(chǎn)物中比例的重要因素之一［28］。在本試驗(yàn)中，N2O累積排放量與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系但相關(guān)系數(shù)并未達(dá)到顯著水平（表3），這可能是因?yàn)橥寥繬2O的產(chǎn)生及排放過程是個(gè)復(fù)雜同時(shí)受多個(gè)因素影響的過程，本試驗(yàn)中無機(jī)氮含量、氧氣濃度和有機(jī)碳含量對N2O產(chǎn)生和排放過程的影響可能在一定程度上掩蓋了pH對N2O排放的影響，導(dǎo)致其相關(guān)性不顯著。土壤pH同時(shí)影響硝化速率和硝化產(chǎn)物中N2O的比例，較高的土壤pH硝化速率較大，但N2O在硝化產(chǎn)物中的比例較低；相反，較低pH的土壤硝化速率較小，但 N2O在硝化產(chǎn)物中的比例較大。這種消長關(guān)系也是土壤pH與N2O排放量相關(guān)關(guān)系不顯著的可能原因［29-30］。隨著土壤黏粒含量的增加，N2O累積排放量增加，這與徐華等［31］的研究的結(jié)果相反。造成這種現(xiàn)象的原因可能是: ①黏粒含量高的土壤比黏粒含量低的土壤有機(jī)質(zhì)含量高（表1），可為產(chǎn)生N2O的微生物提供更多的有機(jī)質(zhì)。②本試驗(yàn)供試土壤在三角瓶中的厚度較薄，與田間試驗(yàn)相比，這樣的土層厚度并不能使質(zhì)地對 N2O氣體擴(kuò)散速率的影響很好地體現(xiàn)出來。

4 結(jié)論

在60% 最大持水量條件下，水稻土N2O排放通量隨添加銨態(tài)氮濃度、氧氣含量的下降而增加。土壤有機(jī)碳含量是影響稻田 N2O排放的重要因素。逐步回歸分析表明，N2O累積排放量與銨態(tài)氮添加濃度、氧氣濃度、土壤有機(jī)碳含量、黏粒含量間呈極顯著的線性關(guān)系（R2=0.845， P＜0.01）。但逐步回歸分析并不能很好地解釋各因素與 N2O排放之間復(fù)雜的關(guān)系，在不同的氧氣濃度下N2O產(chǎn)生的過程及其相對貢獻(xiàn)，還需進(jìn)一步研究，以確定其產(chǎn)生機(jī)理，在源頭上減少稻田N2O排放。

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中圖分類號：S153

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.019

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41330744）、江蘇省2014年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYZZ_0212）、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140062）和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金資助項(xiàng)目（PAPD，164320H116）資助。

* 通訊作者（zccai@njnu.edu.cn）

作者簡介：楊艷菊（1986—），女，河北唐山人，博士研究生，主要從事土壤氮轉(zhuǎn)化的研究。E-mail：tsyangyanju@126.com

Effects of Oxygen Concentration on Nitrous Oxide Emissions from Paddy Soils

YANG Yanju1， CAI Zucong1， 2， 3 *， ZHANG Jinbo1， 2， 3
（1 Key Laboratory of Virtual Geographical Enviroment， Ministry of Education （Nanjing Normal University）， Nanjing 210023，China； 2 State Key Laboratory Cultivation Base of Geographical Environment Evolution （Jiangsu Province）， Nanjing 210023，China； 3 Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application，Nanjing 210023， China）

Abstract:In order to explore the effects of oxygen concentration and ammonium content on nitrous oxide emissions from paddy soils， six paddy soils with clay content ranged from 71.0 g/kg to 522 g/kg and pH ranged from 5.23 to 7.83 were collected in China.All soils were incubated at 25℃ and 60% water holding capacity in laboratory after added ammonium at N 10， 30，50 mg/kg soil and replaced the headspace gases with stock gases which oxygen concentrations were 200 ml/L， 100 ml/L， and 20 ml/L，respectively.The results showed that N2O emission flux increased with the increase of initial ammonium content but decreased with the increase of oxygen concentration.Stepwise regression analysis indicated that N2O accumulative emission was positively linearly correlated with the initial ammonium content， soil organic carbon and clay content but negatively with oxygen content （R2=0.845， P＜0.01）.The negative relationship between N2O emission and O2concentration might be attributed to the increases in N2O ratio in nitrification products and denitrification rate with the decrease in O2concentration.However， the effect of O2concentration on the relative contributions of nitrification and denitrification processes to N2O emissions from paddy soils need to be explored further.

Key words:Oxygen content； Nitrous oxide； Ammonium-N； Soil clay content； Paddy soils