開放式和密閉式土柱培養(yǎng)系統(tǒng)的差異性
——以NH3 和N2O 排放為例

米曉君，李睿琦，王 丹，張新星，高志嶺

（河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000）

目前我國氮肥用量占全球氮肥用量的30%左右［1］，但主要糧食作物的氮肥利用率卻只有10.8%～40.5%［2］。氮肥除了被作物本身吸收和土壤剖面中殘留，就是以氧化亞氮（N2O）、氨氣（NH3）等氣態(tài)形式排放到大氣中，或者硝酸鹽淋洗進入水體［3-5］。研究表明，氧化亞氮(N2O)和氨（NH3）是導致我國NHx沉降增加、大氣PM2.5濃度上升、溫室效應加劇的重要原因之一［6-8］。這不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還引起了嚴重的污染環(huán)境。因此無論從氮肥利用率上，還是環(huán)境影響上，減少氮素損失具有重要意義。

目前，深入研究農(nóng)田NH3、N2O 排放與環(huán)境條件及管理措施的相關關系，客觀評估農(nóng)田土壤的氣態(tài)氮損失，并提出切實可行的減排措施是本領域的研究熱點。近年來，為了深入研究N2O 的生成與轉化機制、硝化與反硝化過程中的氮損失途徑與控制機制，Well［9］、Lewicka-Szczebak［10］等研發(fā)了一種新型的密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)。與當前大多數(shù)研究采用的開放式培養(yǎng)系統(tǒng)相比，該培養(yǎng)系統(tǒng)可通過控制培養(yǎng)室氣體組成，如調(diào)節(jié)O2、N2、He、乙炔等氣體比例，以探究土壤硝化與反硝化過程中氮素氣態(tài)損失貢獻、途徑與調(diào)控機理，并采用動態(tài)培養(yǎng)箱原理測定不同氣體排放［11-12］。由于受培養(yǎng)氣體昂貴、儀器檢測限等多種因素影響，該密閉式自動培養(yǎng)系統(tǒng)的氣流速度通常40 ～100 mL/min，這嚴重低于開放式培養(yǎng)系統(tǒng)中開放條件下土壤與大氣的氣流交換速率，因此初步推測，與開放式培養(yǎng)系統(tǒng)相比，該培養(yǎng)系統(tǒng)可能因改變土壤氮素氣態(tài)損失速率而導致土壤氮素轉化途徑及其相對貢獻發(fā)生偏離，而針對上述2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的對比研究鮮有報道。

因此，為了系統(tǒng)揭示開放式培養(yǎng)與密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)的差異，本研究利用室內(nèi)模擬試驗，通過探明不同施肥方式、土壤含水率等多種條件下2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的NH3和N2O 的排放特征的差異，深入解析 2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的差異性根源及其適用范圍，這將為進一步完善農(nóng)田土壤氮素轉化與損失的研究方法提供理論指導與技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

為了揭示開放式培養(yǎng)系統(tǒng)（Open Incubation system，OIS）和密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)（Close Incubation system，CIS）2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的差異性，以潮褐土為研究對象，利用上述2 種培養(yǎng)系統(tǒng)，監(jiān)測了不同含水量（40%WFPS 和80%WFPS）、不同施肥方式（NA 空白對照、IA 尿素混施和SA 尿素表施）下土壤NH3和N2O 排放特征。共設6 個處理，分別為NA40%WFPS、IA40%WFPS、SA40%WFPS、NA80%WFPS、IA80%WFPS 和SA80%WFPS， 每個處理設4 個重復，施氮量為150 kg/hm2。

所用土壤：潮褐土取于河北農(nóng)業(yè)大學三分廠玉米地，取土深度為0 ～10 cm，所有土樣經(jīng)自然風干，過2 mm 土壤篩。其主要理化性質見表1。

表1 土壤主要理化性質Table 1 Soil physical-chemical properties

1.2 培養(yǎng)系統(tǒng)

1.2.1 培養(yǎng)裝置 本研究采用的OIS 試驗裝置如 圖1a 所示，由內(nèi)徑11 cm、高度為20 cm、底部封底的不銹鋼管組成。蓋子上有3 個閥門，分別為室外進氣口、N2O 采集口、NH3采集口。測定N2O 排放時，密封蓋與箱體連接，關閉室外進氣口和室內(nèi)排氣口的閥門，箱體頂部可形成一個密閉的靜態(tài)箱。打開室外進氣口和NH3采集口的閥門，箱體頂部形成一個動態(tài)箱，啟動抽氣泵，用2 個酸吸收瓶（每個酸吸收瓶含0.05 mol/L 稀硫酸90 mL［13］）采集流動空氣的NH3（圖1a）。

CIS 試驗裝置如圖1b 所示，由內(nèi)徑為8 cm、 高度為20 cm、底部封底的玻璃瓶組成。密封蓋上設有進氣和排氣口2 個閥門，其中進氣口經(jīng)流量計與混合空氣鋼瓶相連，排氣口同時也是N2O、NH3樣品采集口。培養(yǎng)箱外連接氣路，進氣口處通入混合空氣，與OIS 區(qū)別在于該培養(yǎng)過程持續(xù)進氣，控制氣體流量為50 mL/min，不采氣時，氣體通過N2O、NH3采集口直接排放。當測定N2O 排放時，用帶有三通閥的注射器連接采樣口采集氣體樣品 40 mL，開始測定NH3揮發(fā)，連接裝有10 mL 的 0.05 mol/L 稀硫酸的酸吸收瓶，1 h 后收集酸吸收液。

圖1 OIS（a）和CIS（b）土柱模擬裝置及N2O、NH3 樣品采集系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of open incubation system (a), close incubation system (b) and the collection of N2O and NH3 samples

1.3 氣體排放的采集與測定

1.3.1 前期準備 根據(jù)所用土壤的容重和風干土含水量、土壤顆粒密度（2.65 g/cm），準確計算每個WFPS 水平的水分添加量，其中表施處理（SA）是將不同量的蒸餾水與相應土壤混合均勻后分層回填，回填完畢后將尿素混勻撒施在土壤表面；混施處理（IA）是將不同量的蒸餾水、尿素與相應土壤混合均勻后分層回填；未施N 處理（NA）是將不同量的蒸餾水與相應土壤混合均勻后分層回填，OIS和CIS 的回填深度均為10 cm，但由于所用土罐內(nèi)徑不同（OIS 土罐內(nèi)徑為11 cm，CIS 土罐內(nèi)徑為 8 cm），因此所需干土質量分別為1.36 和0.92 kg。 本試驗在25℃下恒溫模擬，通過稱重補水以確保含水量恒定，并且每天檢查培養(yǎng)裝置氣密性。

1.3.2 土壤N2O 排放通量測定 尿素施用后立即開始測定N2O 排放。采用OIS 測定時［14］，分別在第0 和30 min 時用50 mL 注射器采集樣品40 mL。與此同時，用50 mL 注射器采集CIS 培養(yǎng)系統(tǒng)氣體樣品40 mL。N2O 樣品的采集周期從試驗開始第1 天至試驗結束，于每天早上9:00—10:00 采集N2O 排放。氣體樣品的N2O 濃度用氣象色譜儀（Agilent6820）分析測定，參考Liao 等［15］的測定方法。

1.3.3 土壤NH3揮發(fā)測定 OIS 系統(tǒng)采集N2O 結束后，關閉培養(yǎng)系統(tǒng)的N2O 采集閥門。測定氨揮發(fā)時，啟動抽氣泵，用兩個酸吸收瓶（每個酸吸收瓶含 0.05 mol/L 稀硫酸90 mL）采集流動空氣的NH3（圖1a）［16］。抽氣1 h 后收集酸吸收液。

1.4 計算方法

OIS 培養(yǎng)系統(tǒng)的N2O-N 排放速率：

式中：F為N2O-N 排放速率（mg/m2·h）；dCt/dt為觀測時間箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的直線斜率（mg/m3·h）；H為土壤表面到培養(yǎng)箱蓋子的高度 （m）；T0為標準狀態(tài)下空氣的絕對溫度（K）；T為實際空氣溫度（℃）；28/44 為N2O 轉化成N2O-N 的轉換系數(shù)。

CIS 培養(yǎng)系統(tǒng)的N2O-N 排放速率：

式中：F為N2O-N 排放速率（mg/m2·h）；C為箱內(nèi)氣體濃度（mg/m3）；Q為通入氣體流量（mL/min）；t為測定時段（min）；10-6為體積轉換系數(shù)；S為培養(yǎng)土柱的表面積（m2）；T0為標準狀態(tài)下空氣的絕對溫度（K）；T為實際空氣溫度（℃）；28/44為N2O 轉化成N2O-N 的轉換系數(shù)。

式中：Q 為試驗期間N2O-N 和NH3-N 排放總累積排放量（mg/m2）；n為試驗期間測定總次數(shù)；i為按時間排序的采樣測定時間；Fi為第i次測定事件的N2O-N 和NH3-N 排放速率（mg/m2·h）；Fi+1為第i+1 次測定事件的N2O-N 和NH3-N 排放速率（mg/m2·h）；ti+1為第i+1 次測定事件的時間（h）；ti為第i次測定事件的時間（h）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 對試驗數(shù)據(jù)進行處理，SPSS24.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用LSD法（α=0.05）比較處理間差異的顯著性。

2 結果分析

2.1 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下土壤NH3 排放速率的動態(tài)變化

本研究測定了不同培養(yǎng)系統(tǒng)在80%WFPS、40%WFPS2 種含水率下土壤NH3排放速率，結果表明：不施肥條件下（NA）2 種培養(yǎng)系統(tǒng)均未檢測到顯著的NH3排放（圖2a、2e）；而SA 和IA 等施肥處理，在2 種土壤含水率條件下，均表現(xiàn)出OIS下的NH3排放速率明顯高于CIS 的特征。以混施處理IA 為例，在40%WFPS 條件下（圖2b），采用OIS 和CIS 測得的NH3排放峰值都出現(xiàn)在第1 天， 排放速率峰值分別為4.30 和0.79 mg/m2·h，OIS系統(tǒng)的NH3排放速率峰值是CIS 培養(yǎng)系統(tǒng)的5.45倍。在80%WFPS 條件下（圖2e），采用OIS 和CIS 測得的NH3排放峰值出現(xiàn)時間不同，分別出現(xiàn)在第1 天和第3 天，排放速率峰值分別為5.43 和 5.40 mg/m2·h，但兩種培養(yǎng)系統(tǒng)的NH3排放速率峰值基本一致。

以80%WFPS 的處理為例，采用CIS 培養(yǎng)時（圖2e、2f），混施處理IA 的NH3排放速率峰值出現(xiàn)在第3 天，達5.40 mg/m2·h，表施處理SA 的NH3排放速率峰值是IA 的NH3排放速率峰值3.39 倍，為18.31 mg/m2·h。與 之 相 似，OIS 下 的IA、SA 的NH3排放速率峰值分別出現(xiàn)在第1、3 天，分別為5.43、45.58 mg/m2·h，表施處理SA 的NH3排放速率峰值是IA 的NH3排放速率峰值8.4 倍。由此可見，2 種培養(yǎng)系統(tǒng)觀測到的氨排放特征以及施肥方式與土壤含水率對氨排放的影響基本一致，但OIS 下的NH3排放速率明顯高于CIS。

圖2 OIS 和CIS 下不同含水量、不同施肥方式的NH3-N 排放特征Fig. 2 Characteristics of NH3-N emissions under different water content and different fertilization methods measured using OIS and CIS

2.2 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下土壤N2O 排放速率的動態(tài)變化

本研究對比分析了不同土壤含水率、不同施肥方式類型等幾種因素下，OIS 和CIS 測定N2O 排放的動態(tài)變化的差異性。整體看來，2 種培養(yǎng)系統(tǒng)下不同處理的N2O 排放特征基本一致，在40%WFPS 條件下出現(xiàn)了前期CIS 略高于OIS 的現(xiàn)象（圖3b、3c）， 第5 天之后OIS 的排放高于CIS，但整體來看OIS下的N2O 排放速率明顯高于CIS（圖3）。以表施處理SA 為例，在40%WFPS 條件下（圖3c），采用OIS 和CIS 測得的N2O 排放峰值分別出現(xiàn)在第8、9 天，排放速率峰值分別為0.17 和0.13 mg/m2·h，OIS 下的N2O 排放速率峰值是連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的1.28 倍，排放速率基本一致。在80%WFPS 條件下 （圖3f），采用OIS 和CIS 測得的N2O 排放峰值分別出現(xiàn)在第6、1 天，排放速率峰值分別為8.63 和 1.34 mg/m2·h，OIS 下的N2O 排放速率峰值是連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的6.44 倍。

以40%WFPS 的處理為例，采用CIS 培養(yǎng)時 （圖3b、3c），混施處理IA 的N2O 排放速率峰值出現(xiàn)在第4 天，為0.34 mg/m2·h，混施處理IA 的N2O 排放速率峰值是表施處理SA 的N2O 排放速率峰值的2.59 倍，為0.13 mg/m2·h，而OIS 下的IA、SA 的N2O 排放速率峰值分別出現(xiàn)在第5、8 天，分別為0.27、0.17 mg/m2·h，IA 的N2O 排放速率峰值是表施處理SA 的N2O 排放速率峰值的1.62 倍。由此可知，兩種培養(yǎng)系統(tǒng)觀測到的N2O 排放特征，以及施肥方式與土壤含水率對N2O 排放的影響基本一致，但OIS 下的N2O 排放速率顯著高于CIS。

圖3 OIS 和CIS 下不同含水量、不同施肥方式的N2O-N 排放特征Fig. 3 Characteristics of N2O-N emissions under different water content and different fertilization methods measured with OIS and CIS

2.3 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下N2O-N 及NH3-N 的累積排放量

由表2 可見，2 種培養(yǎng)系統(tǒng)均揭示土壤含水率和施肥方式是影響土壤N2O-N 和NH3-N 累積排放的重要因素。此外，OIS 和CIS 均發(fā)現(xiàn)土壤含水率對表施處理SA 的氨累積排放存在顯著影響，但其對混施處理IA 的氨排放卻呈現(xiàn)出不一致的現(xiàn)象。對比2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的差異倍數(shù)發(fā)現(xiàn)，在40%WFPS 條件下，混施處理IA 的兩種系統(tǒng)的氨揮發(fā)累積排放量相差6.51 倍，表施處理SA 的氨排放相差3.12 倍；而在80%WFPS 條件下，SA 處理間的差異也達到了4.46 倍（表2）。

對N2O 而言，在2 種含水率條件下，2 種培養(yǎng)系統(tǒng)下均檢測到IA 處理的N2O 排放高于SA 處理，但僅在40%WFPS 時OIS 未檢測到顯著性差異；而在施肥方式相同時，2 種系統(tǒng)均檢測到高土壤含水率可顯著增加N2O 排放。對比2 種培養(yǎng)系統(tǒng)的差異倍數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同施肥方式下，80%WFPS 處理的2種系統(tǒng)的差異性均高于40%WFPS 處理。

表2 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下N2O-N 及NH3-N 的累積排放量Table 2 Cumulative emissions of N2O-N and NH3-N under different culture systems

2.4 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下土壤N-N、N-N 變化

圖4 室內(nèi)模擬試驗結束時土壤N-N、N-N 含量Fig.4 Soil N-N and N-N content at the end of incubation experiment

3 討論

通過對比OIS 和CIS 在N2O 和NH3排放上的差異性，分別在不同含水率，施肥方式幾種條件下進行模擬試驗。總體來看，由于培養(yǎng)條件的不同，二者存在明顯差異。

3.1 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下含水率和施肥方式對土壤N2O和NH3 排放的影響

本試驗OIS 采用靜態(tài)箱法測定N2O，CIS 采用動態(tài)箱法測定N2O。有研究表明，在WFPS 為40%～60%時，土壤N2O 排放主要源于硝化作用，排放速率較小，而在土壤WFPS 大于80%時，由于土壤O2含量極低，N2O 排放主要來自于產(chǎn)生N2O能力更強的反硝化作用［17-20］，這與本研究的結果基本一致，即相同施肥方式下，高含水率的2 種系統(tǒng)下N2O 排放均高于低含水率下的排放。土壤含水率與充氣孔隙度線性相關，很大程度上影響了土壤孔隙的連通性和曲折性，因此是影響N2O、NH3等氮素排放的重要因素［21-22］。目前，關于土壤水分條件對于氨揮發(fā)的報道不太一致，張翀［23］等研究表明，氨揮發(fā)量隨著土壤含水率的增加而明顯上升，這與本研究結果一致，但Akiyama［24］等研究結果表明，雖然施用尿素使氨揮發(fā)量增加，但土壤濕度（WFPS）對氨揮發(fā)無顯著影響，因此還需要更多試驗驗證含水率對于氨揮發(fā)的影響。

3.2 不同培養(yǎng)系統(tǒng)下通氣速率對N2O 和NH3 排放的影響

對于2 種培養(yǎng)系統(tǒng)而言，OIS 的N2O 和NH3排放量均高于CIS 系統(tǒng)，原因可能是通氣速率不同導致，開放式培養(yǎng)系統(tǒng)（OIS）是一種強制交換的方法，Kissel［25］等認為在外界風速變小時，空氣交換室內(nèi)部的風速高于土壤表面的實際風速，此時會導致氨揮發(fā)測定結果偏高。密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)（CIS）持續(xù)通入所需氣體，由流量計控制通氣速率，鄒長明［26］等研究表明隨著通氣速率的增加，氨揮發(fā)量也會增多，本研究的通氣速率控制在50 mL/min，可能低于大田的真實環(huán)境狀況，通氣速率變慢的情況下，NH3排放量會降低，對后面的氮素轉化提供更多的反應底物，所以采用CIS 系統(tǒng)培養(yǎng)可能會低估氨揮發(fā)量。除此以外，通氣速率也會影響水分的蒸發(fā)速率，進而氨揮發(fā)量［27］。通過比較N2O 和NH3的累積排放量來看，與OIS 相比，CIS 培養(yǎng)系統(tǒng)的NH3-N 損失下降，可能會提高土壤的N 殘留量，并導致N2O排放增加。

本試驗所用的CIS可通過控制培養(yǎng)室氣體組成，如調(diào)節(jié)O2、N2、He、乙炔等氣體比例，以探究土壤硝化與反硝化過程中氮素氣態(tài)損失貢獻、途徑與調(diào)控機理，并采用動態(tài)培養(yǎng)箱原理測定不同氣體排放，這些是OIS 無法實現(xiàn)的，但與此同時需要合理控制通氣速率等影響因素，未來還要加強2 種培養(yǎng)方法的對比研究，進一步揭示不同條件下的差異性。

4 結論

本研究以2 種培養(yǎng)系統(tǒng)為研究對象，結合不同含水率、施肥方式等組合進行模擬試驗，得出以下結論：

（1）2 種培養(yǎng)系統(tǒng)觀測到的氨排放特征以及施肥方式與土壤含水率對氨排放的影響基本一致，除80%IA 條件下2 種系統(tǒng)的氨排放速率一致外，其余條件均表現(xiàn)OIS 下的NH3排放速率明顯高于CIS，差異倍數(shù)在2.49 ～5.45 倍之間；

（2）2 種培養(yǎng)系統(tǒng)觀測到的N2O 排放特征以及施肥方式與土壤含水率對N2O 排放的影響基本一致，2 種培養(yǎng)系統(tǒng)在低含水率（WFPS40%）條件下N2O排放速率無明顯差異，但高含水率條件下OIS 下的N2O 排放速率顯著高于CIS，差異倍數(shù)在2.94 ～6.44倍之間；

（3）利用CIS 探究土壤硝化與反硝化過程中氮素氣態(tài)損失貢獻存在一定的應用潛力，但仍需進行更多的試驗驗證，為后續(xù)推廣提供數(shù)據(jù)支撐。