不同環(huán)境因子對南方典型蔗田原位和異位土壤NO通量的影響

胡寶葉，王賢鳳，陳　鷺，印　亮，雷　聰，童月華，易志剛

（福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福州 350002）

不同環(huán)境因子對南方典型蔗田原位和異位土壤NO通量的影響

胡寶葉，王賢鳳，陳鷺，印亮，雷聰，童月華，易志剛*

（福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福州 350002）

一氧化氮（NO）對近地表臭氧的形成具有重要作用，土壤生態(tài)系統(tǒng)是近地表NO的重要來源之一。土壤水分、溫度等環(huán)境條件顯著影響NO通量。以南方典型蔗田土壤為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)研究不同環(huán)境因子（土壤水分、溫度等）對原位和異位土壤NO通量的影響。結(jié)果表明：原位土壤NO通量顯著高于異位土壤，厭氧條件下土壤NO通量顯著大于好氧條件；土壤滅菌后NO通量顯著降低；當土壤含水率為最大持水量的20%且在厭氧條件下，原位土壤NO通量最大，為24.1 ng N·m-2·s-1。25℃條件下NO釋放速率最大。因此土壤NO主要由厭氧條件下的微生物過程產(chǎn)生，較低含水量和最適溫度有利于NO的產(chǎn)生。

一氧化氮；原位土；異位土；溫度；含水率；滅菌

胡寶葉，王賢鳳，陳鷺，等.不同環(huán)境因子對南方典型蔗田原位和異位土壤NO通量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（9）：1824-1828.

HU Bao-ye，WANG Xian-feng，CHEN Lu，et al.Effects of different environment factors on NO fluxes from intact and disturbed soils from the typical sugarcane field in Southern China［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1824-1828.

一氧化氮（NO）在對流層臭氧（O3）和羥基自由基的光化學反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用［1］。NO參與一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）以及非甲烷碳氫化合物的催化氧化過程，從而導(dǎo)致對流層O3濃度升高［2］。據(jù)估計，全球土壤NO通量約為8.9 Tg N·a-1［3］，Kesik等［4］預(yù)測到2039年土壤NO通量將比目前提高9%。農(nóng)田土壤則是最重要的土壤NO排放源［5］。Ciais等［6］估計農(nóng)業(yè)土壤NO排放量約為3.7 Tg N·a-1，占全球人為排放源的近10%。NO不僅可被氧化為硝酸（HNO3）以及硝酸鹽（）形成酸雨重新降落到地表，引起土壤或水體酸化、富營養(yǎng)化、生態(tài)系統(tǒng)N飽和等危害［2］，還可形成NH4NO3氣溶膠降低大氣能見度及輻射強度，從而影響植物生長［3］。因此，對農(nóng)田土壤NO排放機理及影響因素進行研究，為尋求減緩農(nóng)田NO排放提供有效措施，對改善全球環(huán)境變化具有重要意義。

微生物的硝化和反硝化作用是土壤NO產(chǎn)生的主要過程。硝化作用是銨鹽（NH+4）被氧化為亞硝酸鹽（NO-2），并進一步被氧化為的微生物過程；反硝化作用則是微生物利用和NO-2生成NO、氧化亞氮（N2O）和氮氣（N2）的兼性厭氧過程［3］。滅菌、原位與異位、環(huán)境因子（好氧和厭氧條件、溫度、水分等）等的改變可對微生物的硝化和反硝化過程產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致土壤NO通量的變化。溫度作為一個重要參數(shù)決定土壤硝化及反硝化作用［7］。有研究表明：不同微生物群落對溫度有不同最大響應(yīng)值［8］，如：Myers等［9］研究表明熱帶土壤硝化作用最適溫度為35℃。而另一些研究表明：0～35℃范圍內(nèi)，NO通量隨溫度上升呈指數(shù)形式上升［3］。全球或區(qū)域降水格局改變是當前氣候變化的重要議題，降水勢必會影響土壤含水量，而土壤濕度則是影響NO排放的另一重要因素［10］。室內(nèi)培養(yǎng)研究往往存在將土壤風干、過篩及去除根系等問題，導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生極大破壞，過篩土壤室內(nèi)培養(yǎng)實驗不能很好地反映野外實際情況，因此通過原位和異位土壤的比較可以得到土壤物理結(jié)構(gòu)對土壤NO的通量是否有影響。通過滅菌處理去除微生物及酶的作用，研究在NO產(chǎn)生中土壤非生物過程發(fā)揮的作用［11］，判斷土壤NO產(chǎn)生是以土壤微生物產(chǎn)物為主或以物理化學過程為主。目前，雖然關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤NO釋放的研究較多，但不同環(huán)境因子、尤其是原位和異位土壤NO通量的研究相對較少。

本研究以南方典型蔗田土壤為對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)，研究不同環(huán)境因子對原位和異位土壤NO通量的影響，并對其微生物作用進行了探討。有利于在全球氣候變化大背景下，更深入了解環(huán)境因子對土壤NO通量的影響以及農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化過程，為進一步研究土壤NO排放機理奠定基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1供試土壤

實驗土壤于2015年11月22日采自福建省福州市一甘蔗農(nóng)田（26°26′N，119°14′E）。福州屬典型的亞熱帶季風氣候，年平均降水量為900～2100 mm；年平均氣溫為20～25℃。原位土柱使用圓柱形（內(nèi)徑為11 cm，高為12 cm）土鉆無破壞取樣。帶回實驗室后，24 h內(nèi)將土柱無破壞地轉(zhuǎn)移至自制亞克力材料圓柱形培養(yǎng)罐（內(nèi)徑為11 cm，高為15 cm）中。異位土柱則是在原位土柱旁10 cm處分層（0～5 cm和5～12 cm）取樣，風干，去除植物殘體和根系、過8 mm篩、混勻，分層填至上述培養(yǎng)罐中，填實高度與原位土柱一致。其中，供試土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2實驗設(shè)計

所有土柱在25℃條件下預(yù)培養(yǎng)7 d。實驗設(shè)計4個處理：①溫度對原位土壤NO通量的影響：保持土壤含水率為20%最大持水量（Maximum water holding capacity，MWHC，通過每天加蒸餾水保持相對穩(wěn)定含水量），設(shè)置3個溫度（15、25℃和35℃，在人工氣候箱中完成）。采樣前土柱在設(shè)定溫度和含水量條件下預(yù)培養(yǎng)24 h，每個處理3個重復(fù)。②不同含水率對原位和異位土壤NO通量的影響：保持土壤溫度為25℃，設(shè)置3個含水率（20%、50%和80%MWHC），采樣前土柱在設(shè)定溫度和含水量條件下預(yù)培養(yǎng)24 h，每個處理3個重復(fù)。③滅菌對異位土壤NO通量的影響：使用高壓蒸汽對異位土壤進行3次滅菌處理。調(diào)整含水率前用高純氮氣多次沖洗土柱，防止滅菌過程產(chǎn)生氣體對土壤NO通量的影響。保持土壤溫度為25℃，土壤含水率為20%MWHC，預(yù)培養(yǎng)24 h，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。④好氧與厭氧環(huán)境對原位與異位土壤NO通量的影響：上述3個處理進氣分別為空氣與氮氣，形成好氧和厭氧條件。

1.3樣品測定

采用動態(tài)暗箱-化學發(fā)光法測定土壤NO排放通量。好氧條件下，進氣口為不含NO的壓縮空氣（使用purafil和活性炭吸附劑去除空氣中的NO），厭氧條件下進氣口為高純氮氣，流量1000 mL·min-1左右，通氣30 min后開始測量出氣口濃度。測量儀器為Model 42i化學發(fā)光NO-NO2-NOx分析儀（Thermo Environmental Instruments Inc，USA），每5 s一個數(shù)據(jù)，取5 min平均值為樣品測定值。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)通量定義和理想氣體狀態(tài)方程計算NO排放通量［12］，具體公式為：

表1　供試土壤理化性質(zhì)（n=3）Table 1 Physical and chemical properties of the investigated soils（n=3）

式中：F為土壤NO通量，ng N·m-2·s-1；ΔC為出氣口和進氣口濃度差，nmol·mol-1；M為NO純N的摩爾質(zhì)量14 g·mol-1；Q為進氣口流量，L·s-1；S為土壤面積，m2；MV為標況下氣體的摩爾體積22.4 L·mol-1；T為土壤溫度，℃。

使用SPSS18.0進行單因素方差分析，以Duncan多重檢驗法檢驗不同處理間土壤NO通量差異顯著性，數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示。使用Sigmaplot 12.5作圖。

2　結(jié)果與討論

2.1原位和異位土壤NO通量差異

好氧條件下，土壤含水率為20%MWHC時，原位土柱NO通量極顯著大于異位土柱；土壤含水率為50%MWHC，原位土柱NO通量顯著大于異位土柱；土壤含水率為80%MWHC，原位與異位土柱NO通量幾乎相同（圖1A）。厭氧條件下，原位土壤NO通量均極顯著大于異位土壤（圖1B）。好氧條件下，隨著含水率增加，原位土壤NO通量與異位土壤NO通量差異越來越小，這可能是由于隨著含水率增加，含水率成為控制土壤NO通量的主要因子，此時土壤物理結(jié)構(gòu)的改變對NO通量的影響成為次要因素。當土壤含水率適宜土壤NO排放時，土壤物理結(jié)構(gòu)對NO通量影響顯著。這可能是由于土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)基本單元，是形成土壤良好結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)［13］，而異位土壤由于風干、去除根系結(jié)構(gòu)、過篩等措施導(dǎo)致土壤團聚體發(fā)生極大破壞，從而造成異位土壤NO通量明顯減小。曹元良等［14］在國家紫色土肥力定位監(jiān)測點，對壟作免耕和常規(guī)輪作兩種耕作方式下，不同大小土壤團聚體中幾種形態(tài)氮素含量及脲酶活性分布模式進行了為期18年的研究。研究發(fā)現(xiàn)壟作免耕下各團聚體中全氮、微生物生物量氮及脲酶活性顯著高于常規(guī)輪作。壟作免耕對土壤團聚體的破壞顯著小于常規(guī)輪作。同理，原位土壤團聚體遭受破壞程度遠小于異位土壤。因此，異位土壤相對于原位土壤NO通量顯著降低原因可能在于原位土壤保護土壤團聚體中全氮免遭礦化，有利于微生物硝化作用［14］。

圖1　含水率對土壤NO通量的影響（n=3）Figure 1 Effect of water content on soil NO fluxes

2.2土壤含水率對土壤NO通量的影響

從圖1A可知，好氧條件下，原位土壤含水率為20%MWHC時，土壤NO通量最大。隨著含水率增加，NO通量不斷減少且不同含水率之間NO通量差異顯著（P＜0.05）。厭氧條件下（圖1B），原位土壤NO通量對含水率的響應(yīng)與好氧條件下一致。說明含水率是影響原位土壤NO通量的重要因素。異位土壤在厭氧及好氧情況下均表現(xiàn)為：當土壤含水率為20%、50% MWHC時，NO通量幾乎相同，當土壤含水率為80% MWHC時，NO通量顯著減小。說明異位土壤只有當含水率達到一定值時才會抑制異位土壤NO排放。原因可能在于：當土壤可利用的水分較少時，微生物活性由于細胞內(nèi)水勢降低引起的水合作用酶活性下降而受到抑制。此外，土壤水分含量低亦會造成養(yǎng)分供應(yīng)受限，從而降低微生物活性。但是，當土壤含水率超過某一水平時，土壤環(huán)境的厭氧程度增加，反硝化作用起主導(dǎo)作用，N2O、N2氣體增加，NO通量也將逐漸減少［15］。此外，淹水狀態(tài)下，由于土壤擴散限制產(chǎn)生的NO也很難從土壤釋放到大氣中［16］，進一步導(dǎo)致NO通量隨著土壤含水率增加而減小。MWHC約為60%水分填充孔隙體積（Water-filled pore space，WFPS）。Yang等［17］在恒溫室內(nèi)培養(yǎng)條件下發(fā)現(xiàn)：土壤NO最大排放量出現(xiàn)在10%WFPS（約為16.5%MWHC）。Pilegaard等［18］在野外測定4月與9月NO排放情況，得出當土壤含水率為20%WFPS時，NO排放量最大。這些研究進一步證實土壤NO排放存在最適含水率值。

2.3好氧和厭氧條件下土壤NO通量差異

通過對比圖1A、圖1B可得出，除80%MWHC異位土壤外，厭氧條件下土壤NO通量均顯著大于好氧條件（P＜0.05），原因可能在于：不同氧氣濃度范圍，硝化細菌以及反硝化細菌在陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤NO產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用。在氧氣充足條件下，大部分NO來自銨態(tài)氮被氧化為亞硝態(tài)氮（硝化作用），少部分NO來源于硝態(tài)氮還原為亞硝態(tài)氮（反硝化作用）。相反，厭氧環(huán)境，絕大部分NO產(chǎn)生于反硝化作用，硝化作用幾乎不發(fā)生。且厭氧條件下NO通量速率遠大于好氧條件下。因此，室內(nèi)培養(yǎng)條件下，NO通量速率隨著氧分壓減少而增大。Russow等［19］通過15N同位素標記實驗得出當空氣氧氣分壓為0時，87%的NO通過反硝化作用產(chǎn)生，并且厭氧條件下NO排放量是好氧條件下4倍，與本研究結(jié)果基本一致。

2.4溫度對原位土壤NO通量的影響

如圖2所示，好氧條件下，溫度對原位土壤NO通量影響表現(xiàn)為：土壤溫度為25℃時，NO通量達到最大值，小于或者大于25℃，NO通量均減小。厭氧條件下，原位土壤NO通量對溫度的響應(yīng)與好氧條件相一致，即25℃時，土壤NO通量最大。15℃與35℃好氧及厭氧條件下NO通量幾乎相等，25℃時，厭氧條件下土壤NO通量極顯著大于好氧條件。對于所有生物過程，溫度都是一個重要調(diào)控因子。特定微生物群落對最適溫度響應(yīng)不同。當土壤溫度為35℃時，熱帶土壤NO排放量最大［9］；在比較寒冷的區(qū)域，硝化細菌活性在2～10℃時最大［20］。本研究土壤所在地區(qū)為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為20～25℃，據(jù)此也可推斷NO產(chǎn)生最適溫度為20～25℃，這與本研究結(jié)果相符。

2.5滅菌對土壤NO通量的影響

圖2　溫度對土壤NO通量的影響Figure 2 Effect of temperature on soil NO fluxes

如圖3所示，當土壤未滅菌時，好氧和厭氧條件對土壤NO通量影響顯著，厭氧土壤NO通量是好氧土壤NO通量10倍左右。而對于滅菌土壤，無論是好氧和厭氧，土壤NO通量幾乎相同。好氧和厭氧條件下，非生物過程在NO產(chǎn)生中所占比重分別為8%和0.8%?？梢娚镞^程是土壤NO產(chǎn)生的主要過程，且進一步證明厭氧條件下土壤NO通量顯著大于好氧條件。產(chǎn)生NO非生物過程主要為化學反硝化作用。化學反硝化作用為低pH下，NO-2或者被還原為氣態(tài)氮無酶參與的化學過程。這個過程需要銨根離子、胺或者還原性金屬（如Fe2+）、高土壤有機質(zhì)及土壤含水率。pH是土壤化學反硝化作用主要控制因素。NO-2濃度、溫度以及土壤含水率被當作另外控制因素［3］。此外，為了防止滅菌過程對土壤NO通量產(chǎn)生影響，待土壤溫度降為常溫且在調(diào)整含水率前將高溫高壓滅菌過程中產(chǎn)生的氣體抽出，并使用高純氮氣反復(fù)沖洗，使土壤處于完全厭氧的狀態(tài)，可能是由于這一步驟導(dǎo)致未滅菌土壤NO通量遠大于同一條件下只在土壤表面吹掃氮氣時土壤NO通量。

圖3　滅菌對異位土壤NO通量的影響Figure 3 Effect of sterilization on disturbed soil NO fluxes

3　結(jié)論

基于不同環(huán)境因子對南方典型蔗田原位和異位土壤NO通量影響的研究表明，原位土壤NO通量顯著大于異位土壤，原位土柱代表了野外實際情況，因此以前使用過篩土壤進行試驗可能低估了土壤NO的通量；厭氧條件下土壤NO通量顯著大于好氧條件，說明反硝化過程在NO產(chǎn)生中起主要作用，且是一個微生物主導(dǎo)的反硝化過程；土壤含水率為20% MWHC時，該地農(nóng)田土壤NO通量最大，隨著含水率增加，NO通量迅速減少；特定微生物群落對最適溫度響應(yīng)不同，當溫度為年平均氣溫25℃左右時，該農(nóng)田土壤NO通量達到最大值。

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Effects of different environment factors on NO fluxes from intact and disturbed soils from the typical sugarcane field in Southern China

HU Bao-ye，WANG Xian-feng，CHEN Lu，YIN Liang，LEI Cong，TONG Yue-hua，YI Zhi-gang*
（College of Resources and Environment，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

Nitric oxide（NO）plays significant roles on the formation of near-surface ozone，and soil ecosystem is one of the important source of the near-surface NO，which is influenced by many factors，such as water content and temperature.This study investigated the effect of different environment factors（soil water content，temperature etc.）on soil NO fluxes in laboratory.Soils were collected from typical sugarcane field in Southern China.The results showed that NO flux of intact soil column was significantly higher than that of disturbed soil column.Soil NO flux under anaerobic condition was significantly higher than that under aerobic condition.NO flux of disturbed soil reduced dramatically after sterilization.The highest NO flux appeared at the soil maximum water holding capacity of 20%for the non-sterilization intact soil column under anaerobic condition，with the value of 24.1 ng N·m-2·s-1，and the highest flux appeared at 25℃.The results demonstrated that the emission of NO from soil was mainly from microbial process under anaerobic condition.Low water content and the optimal temperature would benefit for the soil NO production.

nitric oxide；intact soil；disturbed soil；temperature；water content；sterilization

X511

A

1672-2043（2016）09-1824-05doi：10.11654/jaes.2016-0818

2016－06－17

國家自然科學基金項目（41473083）

胡寶葉（1991—），女，福建政和人，碩士研究生，從事痕量氣體生物地球化學循環(huán)研究。E-mail：18750114538@163.com

易志剛E-mail：zhigangyi73@163.com