外源氮、磷添加對(duì)瓊北荔枝園土壤CH4氧化能力的影響

陳金霞，但建國

（海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?570228）

甲烷（CH4）是大氣中的一種溫室氣體，對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)約占17%，僅次于CO2，具有比CO2更高的年增長速率及更強(qiáng)的紅外吸收能力。以百年時(shí)間為尺度，一分子CH4的增溫潛勢為CO2的26倍[1-2]。過去200年來，人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣CH4濃度增加，至2016年大氣CH4濃度已上升到1.85μL·L-1，是工業(yè)革命前的2.57倍[3]。

土壤是大氣CH4主要的陸地匯，在全球碳循環(huán)中起著不可忽視的作用。不同的生物群落環(huán)境氧化吸收CH4的能力是不同的。碳（C）、氮（N）、磷（P）是重要的生長元素，無論是作為結(jié)構(gòu)性元素還是養(yǎng)分元素，在探究生物系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)以及多元素平衡過程中都發(fā)揮著重要作用，并對(duì)該過程具有良好的指示作用[4]。目前，關(guān)于外源氮添加對(duì)于土壤CH4氧化的研究已有很多報(bào)道，大致分為促進(jìn)、抑制亦或無顯著影響3種情況。Maljanen等[5]研究表明大氣N沉降明顯促進(jìn)了土壤CH4吸收與氧化，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在土壤N元素含量較低時(shí)，在土壤N素不足以為CH4氧化菌生長提供所需N源的條件下，為了維持其穩(wěn)定的CH4氧化能力，此時(shí)若在土壤中加入適量N則可適當(dāng)減緩因N源缺乏而對(duì)CH4氧化菌生長的限制，進(jìn)一步刺激CH4氧化菌的活性，促進(jìn)CH4氧化菌進(jìn)一步生長繁殖，加快土壤CH4氧化速率[6]。也有研究表明外源N的添加會(huì)抑制土壤CH4氧化[7]，可能是因?yàn)橥庠碞的輸入，滲透壓過大使土壤中的微生物導(dǎo)致生理缺水無法進(jìn)行正常的生理活動(dòng)，進(jìn)而影響CH4氧化菌氧化吸收CH4，從而表現(xiàn)為外源N的輸入對(duì)土壤CH4氧化產(chǎn)生抑制作用[8]。Zhang等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)，在外源N（NH4NO3）的添加下，亞熱帶鼎湖山的針葉闊葉林土壤CH4氧化速率并沒有發(fā)生顯著變化。這可能是因?yàn)樵贜含量相對(duì)較低的土壤中，輸入的低含量N大多數(shù)被植物所吸收。關(guān)于外源P添加對(duì)土壤CH4氧化影響的研究主要集中在增施P肥對(duì)稻田與森林土壤CH4氧化的影響[10]，研究結(jié)果均表明外源P肥對(duì)土壤CH4氧化具有明顯的促進(jìn)作用。這主要是由于在植物的生長發(fā)育中P起著重要的作用。P也是土壤微生物細(xì)胞中細(xì)胞膜的必要組成元素之一，土壤中的微生物可以通過利用P來提高土壤的養(yǎng)分吸收和物質(zhì)循環(huán)。在一些熱帶地區(qū)P被認(rèn)為是其基本生態(tài)系統(tǒng)過程中最主要的限制元素，熱帶森林土壤中的P常常受到限制[11]。Liu等[12]也發(fā)現(xiàn)P肥的施用能夠使熱帶森林土壤中微生物的生物量顯著增加。P缺乏能夠抑制土壤中微生物的活性[13]，外源P的添加可以顯著提高土壤微生物的呼吸速率[14]。目前，有關(guān)外源N、P含量對(duì)土壤CH4氧化影響的研究較少，且對(duì)于N、P同時(shí)添加對(duì)外源N抑制土壤CH4氧化緩解的研究還少見報(bào)道。

海南島是荔枝的主要產(chǎn)區(qū)，截至2011年，海南省荔枝的種植面積已達(dá)2.4萬hm2[15]。荔枝可種植于多種類型的土壤上，有研究表明荔枝園土壤對(duì)大氣CH4具有較強(qiáng)的氧化吸收能力[16]。隨著荔枝園有機(jī)肥施用日漸減少，化肥施用日漸增多，施用N肥、P肥對(duì)土壤原生動(dòng)物群落有很大影響[17]，已有的一些研究多是土壤對(duì)大氣CH4的氧化吸收能力及施肥對(duì)土壤P含量、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。而探討外源N、P含量及外源N、P同時(shí)添加對(duì)荔枝園土壤CH4氧化能力的研究鮮有報(bào)道。因此，在探索不同類型荔枝園土壤對(duì)N、P肥養(yǎng)分需求的基礎(chǔ)上，研究外源N、P添加對(duì)旱地不同類型荔枝園土壤CH4氧化的影響，對(duì)土壤CH4氧化吸收及全球溫室效應(yīng)的響應(yīng)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海口位于19°32′～20°05′N，110°10′～110°41′E，地處海南島北部，屬于熱帶海洋氣候，年平均氣溫24.3℃，平均降水量2067 mm，平均相對(duì)濕度81.7%，是中國熱帶土壤分布最集中、土壤資源最豐富的地區(qū)[18]。荔枝林是該區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)林之一。本研究分別從海南省?？谑芯哂写硇缘?個(gè)荔枝園進(jìn)行土樣采集：濕潤玻璃火山灰土（H3），?？谑协偵絽^(qū)永興鎮(zhèn)雷虎村荔枝園，質(zhì)地為砂土，土壤呈黑色；暗紅濕潤鐵鋁土（T2），?？谑协偵絽^(qū)大致坡鎮(zhèn)美訓(xùn)村荔枝園，質(zhì)地為黏土，土壤呈紅棕色；簡育濕潤鐵鋁土（T3），?？谑协偵絽^(qū)三門坡鎮(zhèn)荔枝園，質(zhì)地為黏土，土壤呈黃棕色。

1.2 土壤采集與N、P添加

2016年5月分別從?？谑杏琅d鎮(zhèn)雷虎村、大致坡鎮(zhèn)美訓(xùn)村、三門坡鎮(zhèn)東南5 km處的3個(gè)荔枝園耕作層采集5～15 cm土壤[19]，剔除可見的根系等雜物，過2 mm篩，風(fēng)干備用，一部分用于土壤基本理化性質(zhì)的測定（表1），另一部分用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)選用的N、P形態(tài)分別為硫酸銨[（NH4）2SO4]、磷酸二氫鉀（KH2PO4）。N添加設(shè)置6個(gè)濃度，分別為0、20、60、100、200、300 mg·kg-1；P添加設(shè)置6個(gè)濃度，分別為0、25、50、75、100、125 mg·kg-1；為了統(tǒng)一變量，N、P同時(shí)添加也設(shè)置6個(gè)濃度（mg·kg-1），分別為N 0+P 75、N 20+P 75、N 60+P 75、N 100+P 75、N 200+P 75、N 300+P 75。共計(jì)18個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

表1 不同土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of different soils

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)與測定

根據(jù)供試土壤的初始含水量，稱取相當(dāng)于15 g干土的供試土樣放入體積為150 mL的厭養(yǎng)瓶中，用無菌去離子水作空白對(duì)照，添加不同濃度的N3+、P5+作外源N、P處理，用無菌去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量為15%；樣瓶用真空泵進(jìn)行通氣去除空氣中的雜質(zhì)，以減小誤差；通過計(jì)算注入一定量的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體，使每個(gè)瓶中初始CH4濃度為15μL·L-1（具體濃度以實(shí)際測量為準(zhǔn)）[20]，使用Agilent 7890A氣相色譜儀根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度測定每個(gè)樣瓶中CH4的初始濃度；將所有樣品放入SANYO氣候箱中于26℃條件下閉光培養(yǎng)12 d，期間每2 d測定一次樣瓶中CH4濃度。

CH4氧化速率計(jì)算公式[21]：

式中：Rt為CH4氧化速率，ng CH4·kg-1·h-1；ΔCCH4/Δt為CH4濃度消耗速率，ng·kg-1·h-1；V為培養(yǎng)容器的頂空體積，L；MCH4為 CH4的摩爾質(zhì)量，16.05 g·mol-1；W 為干土的質(zhì)量，g；Vmol為單位物質(zhì)的量的CH4氣體在確定溫度下的體積，L·mol-1。

外源N、P對(duì)每種土壤CH4氧化抑制率的計(jì)算公式：

PI＝（1-Rt/Rc）×100%

式中：PI為添加外源N、P對(duì)土壤CH4氧化的影響程度（PI＜0、PI=0和PI＞0分別表示促進(jìn)作用、無作用和抑制作用），%；Rc為未添加外源N、P時(shí)的土壤CH4氧化速率，ng CH4·kg-1·h-1；Rt為添加外源 N、P時(shí)的土壤CH4氧化速率，ng CH4·kg-1·h-1。

同時(shí)施用N、P對(duì)外源N抑制土壤CH4氧化效應(yīng)的緩解程度計(jì)算公式：

式中：Mi為同時(shí)施用N、P對(duì)第i水平外源N的土壤CH4氧化抑制效應(yīng)的緩解程度（Mi＞0、Mi=0和Mi＜0分別表示有緩解作用、無緩解作用和促進(jìn)作用），%；-PI(Ni)代表第i水平外源N對(duì)土壤CH4氧化的平均抑制率，%；PI（Ci）為外源N、P同時(shí)添加條件下第i水平外源N對(duì)土壤CH4氧化的抑制率，%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)處理，用SPSS Statistics 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素（One-way ANO?VA）方差分析、相關(guān)性分析、Duncan多重比較（P＜0.05，P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度N處理對(duì)荔枝園土壤CH4氧化速率的影響

如圖1A所示，在不添加外源N的條件下，3種荔枝園土壤的CH4氧化速率具有顯著性差異。H3的CH4氧化速率最高為 175.39 ng·kg-1·h-1，T3 的 CH4氧化速率為132.55 ng·kg-1·h-1，T2明顯低于前兩者，為75.64 ng·kg-1·h-1。外源N的添加，對(duì)3種土壤CH4氧化速率均有顯著抑制作用（P＜0.05），與對(duì)照相比，3種土壤CH4氧化速率的平均抑制率分別為29.93%、36.28%和24.80%，隨著外源N濃度的增加，3種土壤CH4氧化抑制效果逐漸增強(qiáng)（圖1B）。

2.2 不同濃度P處理對(duì)荔枝園土壤CH4氧化速率的影響

如圖2所示，外源P添加對(duì)CH4氧化速率的影響存在促進(jìn)和先促進(jìn)后抑制的情況。與對(duì)照相比，外源P對(duì)T2、T3的CH4氧化速率都具有顯著促進(jìn)作用（P＜0.05），平均CH4氧化速率較對(duì)照分別提高了30.94%、39.38%，不同濃度外源P處理對(duì)H3的CH4氧化速率的影響存在促進(jìn)-抑制的交替變化特征，以促進(jìn)為主，且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。不同外源P濃度處理對(duì)CH4氧化的促進(jìn)效果變化趨勢隨土壤種類不同而異，隨著外源P濃度的增加，T3一直呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的促進(jìn)效果；T2的CH4氧化促進(jìn)作用先增強(qiáng)后減弱；H3的CH4氧化促進(jìn)效果在外源P的作用下呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的變化趨勢。利用二次多項(xiàng)式方程對(duì)CH4氧化速率與外源P濃度進(jìn)行擬合（表2），根據(jù)擬合方程計(jì)算出H3、T2、T3的CH4氧化速率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的外源P濃度（即最佳外源P濃度），分別為40.65、78.31、57.68 mg·kg-1。

2.3 外源N、P同時(shí)添加對(duì)荔枝園土壤CH4氧化速率的影響

經(jīng)過以上兩個(gè)試驗(yàn)，在外源N的作用下，3種荔枝園土壤CH4氧化受到明顯的抑制，而外源P的添加可以促進(jìn)土壤CH4氧化。N、P同時(shí)添加對(duì)3種荔枝園土壤CH4氧化的抑制率均顯著低于外源N（圖3），并對(duì)H3、T2、T3土壤CH4氧化速率均具有明顯的促進(jìn)作用，且隨銨態(tài)氮濃度的增加3種荔枝園土壤CH4氧化速率促進(jìn)效果先增強(qiáng)后減弱。如表3所示，與外源N作用下的CH4氧化抑制作用相比，3種荔枝園土壤在N、P同時(shí)添加對(duì)外源N抑制土壤CH4氧化的緩解程度之間具有顯著性差異（P＜0.05）（表3），T2在N、P同時(shí)添加作用下緩解作用最高，且隨著外源氮濃度的增加，N、P同時(shí)添加對(duì)于外源N抑制土壤CH4氧化的緩解程度逐漸降低。

圖1 外源N對(duì)瓊北荔枝園土壤CH4氧化速率的影響Figure 1 The effect of exogenous N on the CH4oxidation rate of the litchi orchard soils in northern Hainan Province

圖2 外源P對(duì)瓊北荔枝園土壤CH4氧化速率的影響Figure 2 The effect of exogenous P on the CH4oxidation rate of litchi orchard soils in northern Hainan Province

表2 荔枝園土壤CH4氧化速率與外源P濃度的回歸方程Table 2 Regression equation of CH4oxidation rate and exogenous P concentration in litchi orchard soils

圖3 外源N添加和N、P同時(shí)添加對(duì)荔枝園土壤CH4氧化速率的影響Figure 3 Effects of exogenous N addition，N&P addition on soil CH4oxidation rate in litchi orchard

表3 與添加N相比，N、P同時(shí)添加對(duì)荔枝園土壤CH4氧化抑制的緩解程度（%）Table 3 Effect of N,P addition on the alleviation of soil CH4oxidation inhibition in litchi orchard compared with N addition（%）

3 討論

本研究中，不同濃度的N、P處理對(duì)荔枝園土壤CH4氧化速率的影響不同，其中外源N添加抑制了CH4氧化（P＜0.05），外源P添加促進(jìn)了CH4氧化（P＜0.05），N、P同時(shí)添加對(duì)外源N抑制土壤CH4氧化有較大的緩解作用。

P元素是微生物膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和其體內(nèi)高磷化合物的主要構(gòu)成元素[27]，有研究發(fā)現(xiàn)，外源P的輸入可以明顯增加土壤微生物量，提高土壤微生物的活性，使土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且可以提高土壤微生物群落的多樣性[28]。土壤P的缺乏通常不利于土壤微生物的生長，因此可能會(huì)影響土壤CH4氧化菌的生長，從而影響其對(duì)CH4的氧化吸收。本研究表明，外源P添加會(huì)刺激CH4氧化過程，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[29]。主要原因包括：（1）外源P的加入有助于增加土壤微生物群落的豐度和多樣性，P可以誘導(dǎo)多種具有碳降解功能的細(xì)菌增加，降低土壤可溶性有機(jī)碳的復(fù)雜度，從而加速復(fù)雜有機(jī)碳的降解和CH4氧化[30]；（2）鋁對(duì)CH4氧化有抑制作用[31]，而P能吸附鋁[32]，可減輕鋁對(duì)CH4氧化的抑制作用。將N、P同時(shí)添加后土壤的CH4氧化抑制作用明顯得到緩解，是因?yàn)槭┘舆m量的P不僅可以提高土壤肥力水平，增加土壤細(xì)菌群落的功能性[33]，還可以緩解N沉降對(duì)CH4氧化的抑制作用[34]。N、P同時(shí)添加對(duì)T2的緩解作用較高，這可能跟該土壤的速效磷背景值較低有關(guān)，T2有效磷含量僅為14.62 mg·kg-1，其他2種土壤為42.26 mg·kg-1與121.59 mg·kg-1，都明顯高于T2的土壤有效磷含量，因此，N、P同時(shí)添加對(duì)土壤CH4氧化抑制的緩解作用很有可能與土壤的速效磷背景值有關(guān)。隨著外源N濃度的增加，N、P同時(shí)添加對(duì)于外源N抑制土壤CH4氧化的緩解程度逐漸降低，可能是因?yàn)殡S著添加量的增加，CH4氧化的抑制作用愈大[35]。

4 結(jié)論

（1）3種荔枝園土壤對(duì)CH4的吸收能力有一定的差異，且3種土壤的CH4氧化能力從高到低排序?yàn)闈駶櫜ＡЩ鹕交彝粒℉3）＞簡育濕潤鐵鋁土（T3）＞暗紅濕潤鐵鋁土（T2）。

（2）外源N添加會(huì)抑制瓊北3種荔枝園土壤的CH4氧化，且隨著外源N濃度的增加，3種土壤CH4氧化抑制效果逐漸增強(qiáng)；外源P的添加對(duì)土壤CH4氧化有明顯的促進(jìn)作用，隨著外源P濃度的增加，促進(jìn)效果逐漸減弱。

（3）N、P同時(shí)添加對(duì)外源N抑制土壤CH4氧化有明顯的緩解作用，暗紅濕潤鐵鋁土（T2）在N、P同時(shí)添加作用下緩解作用最高，這很有可能與土壤的速效磷背景值有關(guān)。而在外源N濃度的不斷增加下，N、P同時(shí)添加對(duì)于外源N抑制土壤CH4氧化的緩解程度逐漸降低。

因此，在施肥管理過程中應(yīng)根據(jù)土壤類型適當(dāng)?shù)卦鍪㏄肥，使土壤對(duì)大氣CH4的氧化能力維持在較高水平上，充分發(fā)揮土壤對(duì)大氣CH4的氧化能力。