不同氮肥用量下硝化抑制劑和木醋液對(duì)土壤N2O 排放的影響

馬智勇，賈俊香，王 斌，張浩東，王 玲，謝英荷，吳偉鋒，呂鑒于，白春雨

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

氧化亞氮（N2O）作為一種重要的溫室氣體，其單分子增溫潛勢(shì)是CO2的近300 倍，且能在大氣中存在較長(zhǎng)時(shí)間[1]。隨著工業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)中氮肥的大量使用，大氣中N2O 濃度逐年升高，正在不斷加劇著全球溫室效應(yīng)[2-3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中菜地管理具有氮肥用量大和復(fù)種指數(shù)高的特點(diǎn)，使其已經(jīng)成為重要的農(nóng)田N2O 排放源[4-5]。菜地氮肥的大量施用，一方面降低了氮肥的利用率和造成土壤的板結(jié)[6]，另一方面會(huì)帶來(lái)N2O 和其他溫室氣體的大量排放[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，菜地土壤的N2O 排放占到了全國(guó)總的土壤N2O 排放的20%[8]，所以，研究菜地土壤N2O 排放具有重要意義。

硝化抑制劑雙氰胺（DCD）因其在提升土壤氮肥利用率和降低土壤N2O 排放方面具有良好的效果[9]，近年來(lái)被大量運(yùn)用于農(nóng)田和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)[10-11]?，F(xiàn)有研究表明，雙氰胺對(duì)作物產(chǎn)量的影響不顯著，但在不同作物的整個(gè)生長(zhǎng)季均可大幅度降低土壤N2O 的排放[12-13]。木醋液是對(duì)木材進(jìn)行干餾后得到的一種木焦油，其主要成分是水和酸類物質(zhì)，有濃烈的醋味，液體為紅褐色。研究發(fā)現(xiàn)，木醋液在改善作物品質(zhì)、改良土壤方面具有一定的作用，可用于植物生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)[14-15]。此外，木醋液中含有酚、醇、吠喃類和含氮的堿類有機(jī)化合物，以及大量微量元素[16]。土壤中施用木醋液能有效抑制有害微生物繁殖[17]。葉面噴施木醋液可促進(jìn)葉片光合作用，加快生長(zhǎng)，減緩衰老?，F(xiàn)階段，在土壤中施加氮肥和雙氰胺對(duì)溫室氣體排放的影響研究主要集中在南方的稻田土壤和菜地土壤[18-19]。雙氰胺對(duì)北方菜地土壤溫室氣體排放影響的研究甚少。而木醋液對(duì)溫室氣體排放影響的研究更為少見(jiàn)。

本研究通過(guò)室內(nèi)靜態(tài)培養(yǎng)方法，探究硝化抑制劑和木醋液對(duì)北方菜地土壤溫室氣體排放的影響，旨在減少菜地土壤N2O 的排放。

1 材料和方法

1.1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

供試土壤選自山西省晉中市平遙縣南西泉村蔬菜地耕層土壤（菜地種植年限為10 a），土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)列于表1。施用氮肥為含氮量46.7%的分析純尿素，硝化抑制劑為無(wú)錫亞泰聯(lián)合化工有限公司生產(chǎn)的分析純雙氰胺，木醋液為山東冠縣阜豐化肥有限公司生產(chǎn)。

表1 試驗(yàn)地0～20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019 年1 月8—20 日在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用靜態(tài)培養(yǎng)進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)7 個(gè)處理，分別為：CK.不施氮肥；N1.200 kg/hm2氮肥；N1＋D.200 kg/hm2氮肥＋10 kg/hm2雙氰胺；N1＋M.200 kg/hm2氮肥＋稀釋100 倍的木醋液；N2.400 kg/hm2氮肥；N2＋D.400 kg/hm2氮肥＋10 kg/hm2雙氰胺；N2＋M.400 kg/hm2氮肥＋稀釋100 倍的木醋液。每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。

1.3 氣樣采集與分析

土壤樣品培養(yǎng)開(kāi)始于2019 年1 月7 日，在土壤樣品培養(yǎng)的第2，4，6，8，11，14 天的9：00 采集氣瓶密閉培養(yǎng)0，30，60 min 后的氣體樣品20 mL。樣品用氣相色譜儀（Agilent 7890B）進(jìn)行測(cè)定。柱箱溫度設(shè)定為60 ℃，N2O 檢測(cè)器為ECD，溫度設(shè)定為300 ℃。根據(jù)每組3 個(gè)樣品的N2O 體積比與對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間的直線回歸斜率，求得N2O 的排放通量。采用加權(quán)平均法，求得整個(gè)觀測(cè)時(shí)期N2O 的累積排放量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用軟件Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖，用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和多重比較（P＜0.05）。

式中，F(xiàn) 表示N2O 排放通量（ng/（m2·h））；ρ 表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下N2O-N 的密度，為1.25 g/L；V 表示采樣氣瓶體積（m3）；A 表示采樣氣瓶?jī)?nèi)土壤表面積（m2）；ΔC/Δt 表示N2O 排放速率（nL/（L·h））；T 表示采樣瓶?jī)?nèi)溫度（℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同氮肥用量不同處理間N2O 排放通量比較分析

由圖1 可知，在200 kg/hm2氮肥用量下，整個(gè)培養(yǎng)期間氮肥處理和氮肥加木醋液處理的N2O 排放通量表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即在培養(yǎng)初期N2O排放通量迅速升高，隨后逐漸減低。CK 表現(xiàn)為培養(yǎng)初期N2O 排放通量最低，隨后緩慢升高，最后逐步趨近于無(wú)排放，且在整個(gè)試驗(yàn)期間變化幅度較小，為1.22～12.33 ng/（m2·h）。氮肥處理在試驗(yàn)的第4 天N2O 排放通量達(dá)到峰值，隨后3 次測(cè)定中逐漸降低，且排放通量變化幅度較大，達(dá)到6.06～48.80 ng/（m2·h）。木醋液處理在整個(gè)試驗(yàn)期間N2O 排放通量表現(xiàn)為先快速升高后逐漸降低，變化幅度在7.40～65.20 ng/（m2·h），且當(dāng)日N2O 最大排放通量出現(xiàn)在該處理中。整個(gè)培養(yǎng)期間，木醋液處理的N2O 排放通量均略高于氮肥處理。硝化抑制劑處理在整個(gè)試驗(yàn)期間N2O 排放通量均維持在較低水平，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的排放峰值，且整體低于氮肥處理。

400 kg/hm2氮肥用量中，培養(yǎng)期間各處理N2O 排放通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。培養(yǎng)初期，3 個(gè)處理排放通量均較低，在培養(yǎng)的第6 天左右達(dá)到整個(gè)培養(yǎng)期間的峰值，隨后逐漸降低。氮肥處理N3 的N2O 排放通量在試驗(yàn)期間并沒(méi)有顯著高于其他處理，變化范圍在0.32～12.01 ng/（m2·h）。不施氮處理（CK）、硝化抑制劑處理（N2＋D）和木醋液處理（N2＋M）在整個(gè)試驗(yàn)期間排放通量和變化趨勢(shì)都十分相近，最大峰值均出現(xiàn)在1 月12 日的監(jiān)測(cè)中。氮肥處理（N2）的N2O 最大峰值出現(xiàn)在1 月10 日的監(jiān)測(cè)中，峰值比其他處理提前2 d 監(jiān)測(cè)到。木醋液處理在整個(gè)試驗(yàn)期間N2O 排放通量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先快速升高后逐漸降低，峰值達(dá)到9.57 ng/（m2·h），當(dāng)日N2O 最大排放通量同樣出現(xiàn)在該處理中。硝化抑制劑處理在整個(gè)試驗(yàn)期間N2O 排放通量變化明顯，先快速增加，后逐漸降低，且在1 月12 日出現(xiàn)明顯的排放峰值，但整體低于氮肥處理。

2.2 不同氮肥用量下相同處理的N2O 排放通量比較分析

由圖2 可知，200，400 kg/hm2這2 種氮肥用量下菜地土壤N2O 排放表現(xiàn)出顯著差異，200 kg/hm2氮肥用量的土壤N2O 排放通量顯著高于400 kg/hm2氮肥用量。且200 kg/hm2氮肥用量下硝化抑制劑處理和木醋液處理也高于400 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制劑和木醋液處理。200 kg/hm2氮肥處理在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變幅在6.06～48.8 ng/（m2·h），最大排放通量出現(xiàn)在1 月10 日。400 kg/hm2氮肥用量在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變幅在0.32～12.01 ng/（m2·h），最大排放通量同樣出現(xiàn)在1 月10 日。200 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制劑處理N1＋D 在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變化較小，變幅在0.27～2.60 ng/（m2·h），最大排放通量出現(xiàn)在第1 次測(cè)試中，整體低于相同用量下的氮肥處理和木醋液處理。400 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制劑處理在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變化相對(duì)較大，變幅在-0.26～3.24 ng/（m2·h），且未顯著低于同組的氮肥處理。木醋液處理N1＋M在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變化最大，變幅在7.4～65.2 ng/（m2·h），最大排放通量出現(xiàn)在1 月12 日，也是所有處理中的單日排放最大值，整體高于相同用量下的氮肥處理，顯著高于相同氮肥用量下的硝化抑制劑處理。400 kg/hm2氮肥用量下的木醋液處理N2＋M 在整個(gè)培養(yǎng)期間的N2O 排放通量變化較大，變幅在0.35～9.57 ng/（m2·h），最大排放通量出現(xiàn)在1 月12 日，且排放通量的變化趨勢(shì)與相同用量下的氮肥處理和硝化抑制劑處理類似。

2.3 不同處理間N2O 的累積排放量比較分析

從圖3 可以看出，200 kg/hm2氮肥用量下的各處理N2O 累積排放量表現(xiàn)出較大的差異，N1 處理和N1＋M處理的N2O 累積排放量顯著高于CK 和N1＋D 處理，分別達(dá)到539.04，549.31 ng/m2，表明氮肥的施用會(huì)促進(jìn)菜地土壤N2O 的排放。木醋液處理N2O 累積排放量略高于單施氮肥處理10.27 ng/m2，表明木醋液可以增加菜地土壤施加氮肥后的N2O 累積排放量。硝化抑制劑處理N2O 累積排放量低于不施氮處理（CK）和氮肥處理，分別為二者累積排放量的35.4%和3.76%。

400 kg/hm2氮肥用量下各處理間N2O 累積排放量沒(méi)有出現(xiàn)較大的差異，整體變化范圍在37.87～59.68 ng/m2，N2O 最低累積排放量出現(xiàn)在硝化抑制劑處理中，為37.87 ng/m2。木醋液處理的N2O 累積排放量為該組最高，達(dá)到59.68 ng/m2。200 kg/hm2氮肥處理和木醋液處理的N2O 排放累積排放量均顯著大于400 kg/hm2氮肥用量的相應(yīng)處理，分別達(dá)到了12.4 倍和9.2 倍。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，200 kg/hm2氮肥用量組中，氮肥處理的N2O 排放通量在整個(gè)培養(yǎng)期均大于不施氮處理，說(shuō)明氮肥的施用能促進(jìn)菜地土壤N2O 的排放并提高N2O 累積排放量，但過(guò)高的氮肥用量反而會(huì)降低其累積排放量。山楠等[20-21]對(duì)菜地土壤N2O排放的研究表明，氮肥的施用相對(duì)控制處理均提高了土壤N2O 的排放通量。在400 kg/hm2氮肥用量組中，整個(gè)培養(yǎng)期間氮肥處理N2O 排放通量并沒(méi)有顯著高于控制處理。原因可能是過(guò)高的氮肥用量抑制了土壤中硝化和反硝化活動(dòng)的進(jìn)行，或是高氮肥用量導(dǎo)致的土壤表面板結(jié)，降低了土壤內(nèi)部氣體向外擴(kuò)散[22-23]。土壤中高氮肥用量出現(xiàn)低N2O 排放通量的研究較少，還需進(jìn)一步對(duì)其內(nèi)部機(jī)制進(jìn)行探究。

硝化抑制劑在2 種氮肥用量中均能降低土壤N2O 的排放通量和累積排放量，200 kg/hm2氮肥用量下，硝化抑制劑在整個(gè)培養(yǎng)期間N2O 排放通量均低于相同條件下的其他處理。400 kg/hm2氮肥用量下，雖然氮肥處理的N2O 排放通量在整個(gè)培養(yǎng)周期一直處于較低水平，但硝化抑制劑處理仍能降低其排放通量，甚至在后期出現(xiàn)土壤對(duì)大氣中N2O 的吸收。研究認(rèn)為，土壤N2O 的產(chǎn)生是由硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程共同作用的結(jié)果，而土壤硝化和反硝化過(guò)程依賴于土壤水分含量以及底物含量[24]。硝化抑制劑雙氰胺主要是通過(guò)抑制硝化過(guò)程中NH4+-N 向NO3--N 的轉(zhuǎn)化，從而降低土壤N2O 的排放[25]。

本研究2 種氮肥處理中的木醋液處理相對(duì)單施氮肥處理均能少量的增加土壤N2O 的排放通量和累積排放量。這可能是由于木醋液提高了土壤脲酶活性和低肥力土壤的土壤肥力生物指數(shù)[26-27]，促進(jìn)了土壤中硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了該處理土壤N2O 的排放通量。