生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用對熱帶菜地土壤硝化過程及N2O排放的影響

朱云飛，張琪，黃一倫，冷有鋒，陳淼，范長華，李勤奮

摘? 要：本研究以熱帶菜地土壤為對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗探討生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用下土壤無機氮含量和強度及N2O排放的變化規(guī)律，旨在明確施用生物炭和硝化抑制劑對熱區(qū)土壤硝化過程的調(diào)控作用及對N2O的減排效應。本試驗設置4個處理：單施氮肥（N），氮肥配施生物炭（N+Bc），氮肥配施硝化抑制劑（N+Ni）以及氮肥同時配施生物炭和硝化抑制劑（N+Bc+Ni）。結(jié)果表明：培養(yǎng)期間，生物炭施用下土壤NO3––N強度顯著提高15.8%，表明添加生物炭能夠顯著促進土壤硝化過程;硝化抑制劑添加下土壤NH4+–N強度顯著提高33.4%，表明硝化抑制劑的施用顯著減緩硝化過程;此外，硝化抑制劑能夠削弱由生物炭添加引起的激發(fā)硝化過程的效應，表明生物炭和硝化抑制劑對硝化過程影響存在交互效應。施用生物炭或硝化抑制劑都能降低NO2––N強度，其中硝化抑制劑作用更加顯著;此外，生物炭或硝化抑制劑單獨施用能夠降低菜地土壤15.1%～68.3%的N2O排放量，二者聯(lián)合施用在一定程度上能夠發(fā)揮更強的減排作用。綜合來看，生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用有望在熱帶菜地土壤中發(fā)揮固碳和減排的雙重功效。

關鍵詞：生物炭;硝化抑制劑;硝化作用;氧化亞氮;菜地土壤

中圖分類號：S31? ? ? 文獻標識碼：A

Effects of Co-application of Biochar and Nitrification Inhibitor on Soil Nitrification and N2O Emissions in Tropical Vegetable Soil

ZHU Yunfei1，4， ZHANG Qi1，5， HUANG Yilun1，5， LENG Youfeng1，4， CHEN Miao1，2，3，5， FAN Changhua1，2，3*， LI Qinfen1，2，3*

1. Institute of Environment and Plant Protection， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China; 2. Danzhou Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Danzhou， Hainan 571737， China; 3. Hainan Key Laboratory of Tropical Eco-Circular Agriculture， Haikou， Hainan 571101， China; 4. College of Eco-environment Engineering， Guizhou Nationality University， Guiyang， Guizhou 550025， China; 5. College of Ecology and Environment， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

Abstract： To evaluate the effects of co-application of biochar and nitrification inhibitor on regulating soil nitrification and mitigating N2O emission， an incubation experiment was conducted to explore the dynamic variations of inorganic N concentration and the associated intensity and N2O emissions in tropical vegetable soil. Four treatments were established as N fertilizer alone （N）， N fertilizer applied with biochar （N+Bc）， N fertilizer applied with nitrification inhibitor （N+Ni）， and N fertilizer applied with biochar and nitrification inhibitor （N+Bc+Ni）. Results showed that biochar amendment accelerated the conversion of NH4+–N to NO3––N， while nitrification inhibitor significantly decreased this process， and the co-application of the both weakened the nitrification to some extent. Moreover， biochar amendment elevated the NO3––N intensity by 15.8%， while nitrification inhibitor amendment promoted NH4+–N intensity by 33.4%， and the significant interaction occurred between biochar and nitrification inhibitor on NH4+–N and NO3––N intensity. In addition， NO2––N intensity was decreased by biochar or nitrification inhibitor amendment， with the latter having more obvious effects. Furthermore， biochar and nitrification inhibitor amendment alone decreased N2O emission by 15.1%–68.3%， and further decline in N2O emission occurred in the co-application of the both. Therefore， the co-application of biochar and nitrification inhibitor would be a promising strategy for simultaneously sequencing carbon and mitigating N2O emission in tropical vegetable soil.

Keywords： Biochar; nitrification inhibitor; nitrification; nitrous oxide （N2O）; vegetable soil

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.10.039

氧化亞氮（N2O）是一種強效溫室氣體，在100年尺度上，其增溫潛勢是二氧化碳（CO2）的298倍，能夠參與平流層中臭氧反應，造成臭氧層的損耗[1]。農(nóng)業(yè)是溫室氣體N2O的重要排放源。由于氮肥的大量投入，加之復種指數(shù)高，農(nóng)事操作頻繁，菜地生態(tài)系統(tǒng)面臨較高的N2O排放風險[2]。因此，降低菜地土壤N2O排放是減少氮素損失，降低環(huán)境污染和維持蔬菜產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的重要保證。

土壤N2O主要產(chǎn)生于微生物參與的硝化與反硝化過程[3]。采取有效的措施調(diào)控N2O產(chǎn)生過程有助于降低土壤N2O排放。生物炭是生物質(zhì)經(jīng)過無氧高溫條件下熱解生成的富炭物質(zhì)。田間施用生物炭不僅能提升土壤碳儲量，增加作物產(chǎn)量，同時也能影響N2O排放[4]。研究表明，施用生物炭能夠降低土壤硝化作用，促進反硝化過程N2O還原為N2等過程從而減少N2O的排放[5]。此外，硝化抑制劑能夠通過抑制氨單加氧酶活性從而對硝化以及反硝化過程起到削弱的作用[6]，進而能夠減緩土壤N2O排放。施用生物炭和硝化抑制劑作為調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)化的有效措施，在控制農(nóng)田氮素損失上已有廣泛的研究[7]，但由于受土壤性質(zhì)和氣候環(huán)境的綜合影響，其調(diào)控效力存在很大的變異性[8]，因而特定區(qū)域的施用效果仍需進一步研究。與溫帶和亞熱帶不同，熱帶地區(qū)高溫多雨，土壤硝化過程較快，進而加劇土壤N2O排放。鑒于生物炭表面積較大，能夠吸附NH4+–N[5]，而硝化抑制劑能夠抑制氨單加氧酶活性[6]，我們推測，二者通過控制底物和酶的有效性從而能夠延緩熱帶土壤硝化作用和減少N2O排放。然而，生物炭和硝化抑制劑對農(nóng)田土壤氮轉(zhuǎn)化和N2O減排效果的研究主要集中在東北、華北及華中的部分區(qū)域，研究對象大多為旱作或水作等大宗糧田土壤[9-11]，對我國熱帶菜地土壤鮮有報道。此外，現(xiàn)有的研究大多關注于生物炭或硝化抑制劑單一施用效果，二者聯(lián)合施用對土壤氮轉(zhuǎn)化及N2O排放能否產(chǎn)生交互效應值得進一步探究。

因此，本研究以海南典型菜地土壤為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗探究生物炭和硝化抑制劑單獨及其聯(lián)合施用對熱帶菜地土壤硝化過程及N2O排放的影響，以期為生物炭和硝化抑制劑在我國熱帶菜地中的合理高效運用提供科學依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

供試土壤采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院文昌科技創(chuàng)新基地（110.46° E，19.32° N），土壤為淺海沉積相發(fā)育的磚紅壤，質(zhì)地為沙壤土，pH 7.02，土壤采集深度為0～20 cm菜地耕層。鮮土采集后冷藏運輸至實驗室，土壤略微風干后去除根系、碎石和其他雜物后，過2 mm篩，充分混勻保存于4 ℃冰箱中備用。土壤基本理化性質(zhì)為：有機碳2.9 g/kg，全氮0.15 g/kg，全磷0.13 g/kg，全鉀0.80 g/kg，容重為1.56 g/cm3。

供試生物炭采購于河南三利科技有限公司，是由花生殼在500 ℃下經(jīng)過厭氧熱解制備而成，其理化性質(zhì)為：有機碳449.1 g/kg，總氮6.5 g/kg–1，C/N為69.1，pH為9.74，生物炭經(jīng)過烘干、粉碎，過2 mm篩，于干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆?。本研究所使用的硝化抑制劑為雙氰胺。

1.2? 試驗設計

試驗共設4個處理，分別為氮肥（N，只添加尿素，加入量為100 mg/kg干土），氮肥+生物炭處理（N+Bc，生物炭添加量為土壤干重的1.2%），氮肥+硝化抑制劑（N+Ni，雙氰胺添加量為氮肥的0.24%）、氮肥+生物炭+硝化抑制劑（N+Bc+Ni，添加量同上）。每個處理設置3個重復。

稱25.00 g（以干重計）土樣置于120 mL血清瓶中（對于生物炭相關處理，將生物炭與土壤充分混勻），用去離子水調(diào)節(jié)土壤水分至50%田間持水量，將血清瓶置于28 ℃培養(yǎng)箱中預培養(yǎng)1周。預培養(yǎng)結(jié)束后，加入2 mL含有尿素（分析純）溶液（對于硝化抑制劑處理，將雙氰胺（分析純）和尿素（分析純）混合溶解定容備用）。之后將所有血清瓶土壤水分調(diào)節(jié)至60%田間持水量，再放置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)42 d。培養(yǎng)過程中，用保鮮膜封住血清瓶瓶口，并用細針扎幾個小孔，保持通氣環(huán)境。培養(yǎng)過程每隔2～3 d采用稱重法補充水分使其維持在目標含水量。

1.3? 氣體樣品采集及測試

加入氮肥溶液的第1、3、5、7、14、21、28、35、42 d采集氣體樣品。采樣前，向血清瓶吹入數(shù)分鐘的高純空氣來置換瓶內(nèi)氣體，隨后迅速用硅膠塞封住瓶口，并用壓蓋器將封口蓋壓在瓶塞上保證良好的密閉性。在密封血清瓶后0和7 h分別用10 mL注射器采集血清瓶內(nèi)氣體，并于12 h內(nèi)用氣相色譜（安捷倫7890B）對氣樣N2O濃度進行測試分析。

N2O排放速率計算公式如下：

F=ρ×ΔC/Δt×273.15/（273.15+T）×V/m

式中，F(xiàn)為N2O排放速率，ng/kgh， ρ為標準狀態(tài)下N2O的密度，1.25 kg/m3;ΔC/Δt為血清瓶內(nèi)N2O濃度變化率，109h;V為血清瓶上部有效空間體積，m3;T為環(huán)境氣溫，℃;m為培養(yǎng)土的干基重，kg。

土壤N2O累積排放量的計算公式如下：

式中，M為N2O累積排放量，μg/kg;F為土壤N2O排放速率，μg/kgh;t為采樣天數(shù)，d;i為采樣次數(shù);ti?ti?1為2次采樣的間隔天數(shù)。

1.4? 土壤采集及測試方法

與氣體采集同步，分別在加入氮肥溶液的第1、3、5、7、14、21、28、35、42 d采集土壤測定無機氮（NH4+–N、NO2––N、NO3––N）含量。用2 mol/L KCl浸提土壤（水土比5∶1），過濾，濾液中的NH4+–N采用靛酚藍比色法（625 nm）進行測定，NO2––N采用重氮化物比色法（420 nm），NO3––N采用雙波長（220 nm和275 nm）分光光度法測定。無機氮強度采用梯形法來計算它們各自含量與時間的關系，即礦質(zhì)氮含量的時間加權平均值，單位為mg/dkg。土壤及生物炭理化指標測試參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[12]，其中：有機碳采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定;土壤總氮采用半微量凱氏定氮法測定;土壤全磷采用HClO4?H2SO4消解-鉬銻抗比色法;土壤全鉀采用HClO4?H2SO4消解-火焰光度計法;土壤容重采用環(huán)刀法。

1.5? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)計算和作圖采用Excel 2010和Origin 8.0軟件。采用單因素方差分析檢驗不同處理對培養(yǎng)期間土壤N2O累積排放量的影響;采用雙因素方差分析檢驗生物炭和硝化抑制劑及其交互作用對無機氮強度影響;采用重復測量方差分析檢驗處理和時間及其交互作用對NH4+–N、NO2––N、NO3––N以及N2O排放速率的影響。不同處理間的差異性檢驗與方差分析均采用JMP（SAS Institute， USA， 2007）軟件進行，并采用Tukey法進行多重比較，數(shù)據(jù)結(jié)果以Mean±SD表示，n=3。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 各處理菜地土壤無機氮動態(tài)變化

如圖1所示，隨著培養(yǎng)時間的延長，NH4+–N含量逐漸減低（圖1A），NO3––N含量呈遞增趨勢（圖1C），表明土壤發(fā)生硝化作用。

重復測定方差分析表明，處理和時間及其交互作用對培養(yǎng)期間無機氮（NH4+–N、NO2––N和NO3––N）含量產(chǎn)生顯著影響。與單施氮肥相比，配施生物炭明顯降低7～42 d土壤NH4+–N含量，降幅范圍4.4%～81.7%，而在1～5 d無顯著影響（圖1A）;配施硝化抑制劑明顯增加各時段土壤NH4+–N含量，增幅范圍0.2%～113.7%;生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用NH4+–N含量介于單施氮處理和氮肥配施硝化抑制劑處理之間，且明顯高于配施生物炭處理，表明硝化抑制劑的施用能夠削弱生物炭添加所產(chǎn)生的激發(fā)硝化過程的效應。培養(yǎng)7 d后，各處理NO3––N含量差異明顯（圖1C）。與單施氮肥相比，添加生物炭能夠顯著增加土壤NO3––N含量，增幅范圍0.3%～35.8%;配施硝化抑制劑則能顯著降低土壤NO3––N含量，降幅范圍24.5%～37.9%;生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用下，21 d后NO3––N含量介于配施生物炭或硝化抑制劑之間，且明顯低于單施氮肥處理，表明二者聯(lián)合施用能顯著減弱硝化過程。

培養(yǎng)期間NO2––N含量分別于7 d和28 d出現(xiàn)明顯的2個峰值，隨后逐漸減低。氮肥處理下NO2––N含量峰值最高，配施生物或硝化抑制劑顯著降低峰值（圖1B）。

2.2? 生物炭與硝化抑制劑施用菜地土壤礦質(zhì)氮強度變化

由表1可知，生物炭或硝化抑制劑的施用能顯著影響培養(yǎng)期間NH4+–N強度。與單施氮肥相比，氮肥配施生物炭NH4+–N強度顯著降低33.3%，氮肥配施硝化抑制劑NH4+–N強度則顯著增加33.4%，生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合下NH4+–N強度介于2個單獨配施處理之間，因而存在交互效應。此外，氮肥配施硝化抑制能顯著降低NO2––N強度，降幅為23.4%。生物炭或硝化抑制劑單獨及其聯(lián)合施用能顯著影響土壤NO3––N強度。與單施氮肥相比，添加生物炭NO3––N強度顯著增加15.8%，而添加硝化抑制劑NO3––N強度則顯著降低29.8%。生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用下NO3––N強度介于配施生物炭或硝化抑制劑之間，且明顯低于單施氮肥處理，表明二者聯(lián)合施用對土壤硝化過程產(chǎn)生抑制作用。

2.3? 生物炭與硝化抑制劑施用菜地土壤N2O排放速率動態(tài)變化

培養(yǎng)期間N2O排放速率動態(tài)變化如圖2所示。氮肥添加初期，各處理N2O排放出現(xiàn)明顯峰值，之后在短時段內(nèi)N2O排放速率呈下降趨勢。第7天后，隨著時間的延長各處理變化不同。氮肥及其配施生物炭處理在14 d出現(xiàn)第二個更高的排放峰，排放速率分別高達180.3 ng/kgh和247.8 ng/kgh，而配施硝化抑制劑及其與生物炭聯(lián)合處理N2O排放持續(xù)保持較低態(tài)勢。重復測定方差分析表明，處理和時間及其交互作用對培養(yǎng)期間N2O排放速率產(chǎn)生顯著影響。在培養(yǎng)的14 d，與氮肥處理相比，添加生物炭N2O排放速率增加了37.4%，添加硝化抑制劑N2O排放速率降低85.5%，二者聯(lián)合施用N2O排放速率降低90.9%。14 d之后，氮肥及其配施生物炭處理N2O排放速率呈現(xiàn)快速降低趨勢，最終保持在較低水平;而硝化抑制劑及其與生物炭聯(lián)合施用處理總體保持較低排放狀態(tài)，但于28 d之后有略微增加的趨勢，這可能與硝化抑制劑抑制效果減弱有關。

2.4? 菜地土壤N2O累積排放量及其與無機氮強度關系

在整個培養(yǎng)期內(nèi)，菜地土壤各處理N2O累積排放量變化范圍為31.40～103.13 ug/kg（圖3），處理間差異顯著。與單施氮肥處理相比，氮肥配施生物炭能夠顯著降低土壤N2O累積排放量，降幅為15.1%，氮肥配施硝化抑制劑N2O累積排放量則顯著降低68.3%，因而硝化抑制劑相較生物炭對菜地土壤N2O排放有更強的減排效果。此外，與氮肥配施生物炭或硝化抑制劑相比，聯(lián)合施用生物炭與硝化抑制劑能夠在不同程度上進一步降低N2O累積排放量。

通過回歸分析可知，土壤N2O累積排放量與土壤NO2––N強度和NO3––N強度存在顯著的正相關關系（圖4B和4C），通過對比擬合方程斜率和相關系數(shù)，N2O累積排放量與土壤NO2––N強度之間存在更加密切的線性關系。另外，土壤N2O累積排放量與NH4+–N強度存在顯著的負相關關系（圖4A）。

3? 討論

3.1? 生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用對菜地土壤硝化過程的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，在500 ℃制備的花生殼生物炭在用量為1.2%時能夠顯著降低土壤33.4%的NH4+–N強度，同時顯著增加15.8%的NO3––N強度，表明添加生物炭能夠促進熱帶菜地土壤的硝化能力。杜莎莎等[13]研究得出同等制備溫度下的稻殼生物炭在用量為5%和10%時提高了進日本-宮城縣菜地土壤硝化作用，這與本研究結(jié)果一致。生物炭能夠增加土壤的通氣性[14]，有利于提高硝化微生物的生理活性[15]，從而加速硝化過程。Li等[4]指出，施用20 t/hm2的小麥秸稈堿性生物炭2年后，酸性黏土pH能夠顯著增加，因此生物炭能夠有效緩解土壤酸化對硝化過程的抑制作用，進而加速土壤硝化過程。本研究中土壤肥力較低，生物炭中含有的一部分養(yǎng)分物質(zhì)進入土壤后有利于微生物的增殖[16]，進而提高土壤硝化作用，潛在增加硝化過程N2O產(chǎn)生風險，同時增加NO3––N在強降水下的淋溶風險。因此，添加生物炭能夠顯著提升熱帶低肥力菜地土壤的硝化作用。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)期間硝化抑制的添加能夠顯著提升33.4%的NH4+–N強度，同時顯著降低了29.8%的NO3––N強度，表明硝化抑制劑對熱帶菜地土壤硝化過程產(chǎn)生明顯的抑制效果，這可能與硝化過程微生物活性受到抑制有關[6]。Zhou等[17]表明，硝化抑制能抑制氨氮微生物特別是氨氧化細菌的活性，從而通過降低氨單加氧酶活性進而延緩硝化過程。Shi等[18]發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑能顯著降低堿性菜地土壤硝化作用，而對酸性草地土壤硝化作用影響不顯著，這可能與草地土壤硝化過程較弱有關。此外，硝化抑制劑在有機質(zhì)含量較高的土壤中抑制效果較弱，這可能是硝化抑制劑被有機質(zhì)吸附進而降低其對硝化過程的抑制效果[19]?？梢?，硝化抑制劑的作用效果受土壤類型及其理化性質(zhì)的綜合影響[20]。本研究中土壤為中性（pH為7.02），且土壤有機質(zhì)含量較低，因而硝化抑制劑表現(xiàn)出對硝化作用較強的抑制效果。此外，生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用下，土壤NH4+–N和NO3––N含量介于兩單獨施用處理之間，表明在生物炭添加下配施硝化抑制劑可以有效緩解生物炭對硝化作用的激發(fā)效應，從而潛在降低硝化過程N2O的產(chǎn)生及NO3––N的淋失風險。Chen等[21]也發(fā)現(xiàn)，添加2%秸稈生物炭和硝化抑制劑DMPP后，培養(yǎng)期間荒漠土NH4+–N和NO3––N含量介于二者單獨施用之間。因此，添加硝化抑制劑能夠延緩熱帶菜地土壤硝化作用，且能夠削弱生物炭添加引起的激發(fā)效應。

3.2? 生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用對菜地土壤N2O排放影響

本研究表明，添加生物炭雖然加速了土壤硝化過程，但能顯著降低熱帶菜地土壤N2O排放，這可能與削弱N2O的其它產(chǎn)生途徑有關。Li等[4]指出，田間施用20 t/hm2小麥秸稈生物炭2年后黏土孔隙度夠增加，進而增加土壤通氣性，從而不利于反硝化過程N2O的產(chǎn)生。陳晨等[22]報道田間施用40 t/hm2小麥秸稈生物炭3年后，黏壤土反硝化nosZ型功能微生物基因豐度顯著增加，從而加速土壤N2O還原為N2進而發(fā)揮減排效果。本研究中，添加硝化抑制劑較生物炭能夠更加有效降低N2O排放，這與硝化作用被強烈抑制有關。Zhang等[23]表示在尿素或氨氮施用的農(nóng)田土壤中，硝化過程土壤N2O產(chǎn)生的重要途徑，因此施用硝化抑制劑減排效果較為明顯。

與單施生物炭相比，生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用下N2O累積排放量進一步減少（圖3），且硝化過程也被明顯削弱（圖1），表明硝化抑制劑能夠削弱生物炭添加引起的對硝化過程的激發(fā)作用，從而進一步發(fā)揮減排效果。與單施硝化抑制劑相比，生物炭與硝化抑制劑聯(lián)合施用在一定程度上進一步降低N2O排放，但未達到顯著水平。因此，綜合考慮生物炭輸入產(chǎn)生的“固碳效應”和硝化抑制“減排效應”，將生物炭和硝化抑制劑聯(lián)合施用于熱帶菜地土壤中是一種有效的農(nóng)田管理措施。

4? 結(jié)論

向低肥力熱帶菜地土壤中施入氮肥后，配施生物炭能夠顯著提高土壤硝化作用，在未來研究中需探究硝化微生物豐度和多樣性對生物炭施用的響應;配施硝化抑制劑能夠延緩土壤硝化作用，這與之前假設一致。此外，施用硝化抑制劑能夠削弱由生物炭添加引起的激發(fā)硝化過程的效應，進一步驗證2種措施聯(lián)合施用對硝化過程影響存在交互效應。另外，施用生物炭和硝化抑制劑都能有效減緩熱帶土壤N2O排放，從“固碳”和“減排”的角度綜合考慮，二者聯(lián)合施用更具潛力。

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