王蕾,董彥宏,王連峰
(大連交通大學 環(huán)境與化學工程學院,遼寧 大連 116028)*
東北黑土地區(qū)是我國重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)之一.由于掠奪性利用,導致黑土嚴重退化、氮肥流失和N2O等溫室氣體排放問題嚴重.近年來,大氣中溫室氣體排放所帶來的問題嚴重,N2O是僅次于CO2和CH4需要管控的溫室氣體,土壤中排放的N2O是大氣中N2O的主要來源.影響土壤中N2O排放的因素有很多,其中水分含量的變化可能會影響土壤中硝化、反硝化微生物的活性并影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化以及N2O的產(chǎn)排[1-2].
土壤水分對土壤N2O產(chǎn)排和硝化反硝化微生物種群性狀變化的影響備受關注[3].有研究表明,當土壤水分含量為60%~80% WHC時,N2O排放量最大;也有研究指出N2O排放量在80% WHC的無錫市旱地輪作黃泥土中最高[4],而在100% WHC鷹潭紅壤中最高[5].土壤中主要是由硝化反硝化微生物共同作用而產(chǎn)生N2O.一般認為,N2O在低水分含量條件下,主要是通過硝化作用產(chǎn)生;而在高水分含量條件下,則是通過反硝化作用產(chǎn)生[6].當環(huán)境條件相對穩(wěn)定時,土壤中氮素相對穩(wěn)定,N2O排放量相對較少;當環(huán)境條件發(fā)生變化時,土壤中氮素形態(tài)的變化會促進N2O的產(chǎn)生和排放.土壤理化性質(zhì)變化的強度和頻率可能對N2O的產(chǎn)排產(chǎn)生重大影響.因此,有必要對環(huán)境條件變化對N2O產(chǎn)排的影響給予更多的關注.
供試土壤樣品采自處于溫帶大陸性季風氣候的哈爾濱黑土生態(tài)環(huán)境科學觀測站,地理位置為45°40′N;126°35′E,海拔為151 m,年降水量為533 mm.取樣深度為0~20 cm的耕層土壤,表面疏松,觀察顏色呈棕褐色,較為濕潤,含有較多植物根系等腐殖質(zhì).置于陰涼通風處自然風干,并用鑷子將土壤中殘留的植物根系、大顆粒石子等剔除,將土壤研磨并過2 mm篩備用.供試土樣基本性質(zhì)如下:pH值為7.22,有機質(zhì)為26.70 g/kg,銨態(tài)氮為1.12 mg/kg,硝態(tài)氮為1.03 mg/kg,全氮為1.47 g/kg,全鉀為25.16 g/kg,速效磷為51.00mg/kg,速效鉀為200.00 mg/kg.
采用120 mL血清瓶進行培養(yǎng),實驗設置兩種水分模式,40% WHC(T1)和80% WHC(T2),于25℃下培養(yǎng)四周,每種處理設置3組重復樣,分別在第一、二、三、四周結束時進行破壞性取樣,并測定相應數(shù)據(jù),實驗設計如圖1所示.
圖1 不同水分培養(yǎng)的實驗設計
取27份處理后土壤樣品,每份25 g,放入120mL玻璃血清瓶中,用移液管向土壤中均勻滴加無菌水使水分含量達到20% WHC,置于生化培養(yǎng)箱預培養(yǎng)一周(恒溫25℃);培養(yǎng)開始前,向土壤中各添加50 ppm的KNO3和NH4HCO3,隨后將兩組土壤樣品水分含量分別調(diào)節(jié)至40% WHC和80% WHC,加橡膠塞、鋁箔、封口膜密封,防止瓶內(nèi)外氣體交換,放入培養(yǎng)箱培養(yǎng),記為培養(yǎng)點.
預培養(yǎng)樣品3瓶,預培養(yǎng)一周結束后對其進行破壞性取樣,土壤加1 mol/L KCL溶液浸提,用于測量NH4+-N和NO3--N含量,T1、T2處理最初均各有12瓶平行樣品,在每個培養(yǎng)周期結束時,對兩種處理各提取3瓶進行破壞性取樣,重復預培養(yǎng)檢測實驗步驟;其余樣品保持恒定40% WHC與恒定80% WHC水分條件.每個周期連續(xù)監(jiān)測5天排放的N2O、CO2通量.
土壤中NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定:取2 mL浸提液于50 mL比色管中,加入去離子水至標線,搖勻后加入1 mL酒石酸鉀鈉,1.5mL納氏試劑搖勻,靜置10 min后,在波長為420 nm處,測量其吸光度.
土壤中NO3--N采用紫外分光光度法測定:取2 mL浸提液于50 mL比色管中,加入去離子水至標線搖勻,在波長為220 nm和275 nm處測量其吸光度,按照公式校正吸光度.校正吸光度公式為:A=A220-2A275.
采用氣相色譜GC-7890B,進行N2O和CO2的檢測,配有檢測器為電子捕獲檢測器ECD和火焰離子檢測器FID,檢測器溫度為300℃和250℃,柱溫為60℃,載氣為高純氮氣,流速為25mL/min,燃氣為氫氣、亞甲烷和零級空氣.取一支規(guī)格為5 mL的一次性注射器在采樣前抽吸空氣三次,然后插入瓶內(nèi),上下抽吸三次,得到一個均勻混合的樣品,采集5 mL氣樣插進氣相色譜進樣口,緩緩注入.每次取樣結束后,用抽真空泵將瓶內(nèi)氣體排凈,打開瓶塞使瓶內(nèi)氣體為空氣.
N2O(CO2)排放通量計算詳細描述見文獻[7],采用統(tǒng)計分析作圖軟件為:Microsoft Office 2013、Origin9.0.
圖2 兩種水分條件對NH4+-N和NO3--N含量的影響
T1條件下的土壤,在培養(yǎng)的四周內(nèi)幾乎不產(chǎn)生N2O(圖3);而在T2條件下,第一周大量排放N2O并持續(xù)上升,在第四天出現(xiàn)峰值,第二周排放量持續(xù)下降至4.02 μg·kg-1·h-1,后兩周放量幾乎為零.
圖3 兩種水分條件對N2O、CO2排放通量的影響
T1條件下,培養(yǎng)的第一周CO2排放通量少量的增加后減少,第一周結束時的排放通量減少至0.3 mg·kg-1·h-1,第二周排放量逐漸減少并在接下來兩周穩(wěn)定在0.2 mg·kg-1·h-1;T2條件下,培養(yǎng)的第二天CO2的排放通量突然增加并達到峰值,接著開始下降,直到培養(yǎng)的第二周趨于平穩(wěn),后兩周的排放量幾乎穩(wěn)定在0.3~0.4 mg·kg-1·h-1之間.在整個培養(yǎng)過程中除第3天外,均為T2大于T1.
兩種水分含量處理下N2O和CO2在四周內(nèi)累積排放量(圖4),可以看出T1條件下幾乎不排放N2O,而T2條件下積累大量N2O至2 000 μg·kg-1;而CO2在兩種水分條件下均大量產(chǎn)生,T1水分條件下產(chǎn)生量約為15 mg·kg-1,T2條件下積累量略大,約為20 mg·kg-1.
圖4 兩種水分條件對N2O、CO2累積排放量的影響
影響土壤N2O產(chǎn)排的主因之一是土壤水分含量,因為其影響土壤中的通氣情況,進而影響土壤硝化、反硝化微生物的種類及基因豐度來影響土壤N2O產(chǎn)排.一般在好氧條件下,硝化作用是N2O形成的主導過程,而厭氧條件下,反硝化作用是N2O形成的主導過程.土壤濕度增加時,硝化產(chǎn)生N2O可能增加,隨水分增加到一定程度時,N2O則是通過反硝化產(chǎn)生的[14].研究表明,水分含量在60%~80% WHC的土壤,N2O排放通量最大.對某一亞熱帶森林土壤的研究表明,在好氧條件下,反硝化作用占N2O產(chǎn)量的56%[15].此外隨著土壤濕度的增加,平均N2O和NO排放量的減少可能是由于脫氮過程中N2排放量增加[16].
整個培養(yǎng)過程中,低水分條件下幾乎未檢測到N2O排放,硝化作用條件下,產(chǎn)生的N2O含量較低;高水分條件下,前兩周N2O排放急劇積累,但后兩周幾乎不排放,可能因為土壤微生物活性降低,也可能因為在高水分含量時,較強的反硝化作用,使土壤中產(chǎn)生的N2O進一步轉(zhuǎn)化成N2;雖然硝化、反硝化反應同樣可產(chǎn)生N2O,但高水分含量時的反硝化能大量產(chǎn)生N2O.兩種水分模式下CO2均在培養(yǎng)的前兩周排放量先增后減,并在后面兩周穩(wěn)定排放,但高水分時排放的CO2稍高于低水分時,在培養(yǎng)初期土壤中供微生物生長底物充分,使土壤微生物活性增強發(fā)生劇烈的呼吸作用,且在高水分含量時硝化、反硝化微生物的呼吸強度高于低水分含量時.在每周培養(yǎng)的開始,排放CO2含量小幅增加,是因為培養(yǎng)開始會對土壤水分進行補充,有研究指出土壤水分含量增加會增加土壤微生物活性,歐陽楊等[17]的實驗通過研究多種干濕交替方式發(fā)現(xiàn),干濕交替條件更能促進土壤中CO2和N2O產(chǎn)生和釋放,這解釋了每周初始土壤中CO2與N2O排放量突然增加而后減少的原因.后兩周開始消耗營養(yǎng)物質(zhì),土壤微生物活性降低,呼吸作用相對減弱;研究指出土壤干燥會降低氮的礦化率,可能由于影響底物擴散或土壤干燥的限制,低土壤濕度減少底物對土壤微生物的供應,引起部分微生物死亡[18].40% WHC時CO2排放量明顯低于土壤水分值較高的情況,說明低土壤水分降低了微生物的活性;低水分含量的土壤有利于減少溫室氣體的排放,降低全球變暖帶來的危害.
N2O四周內(nèi)累積排放量,在低水分條件下幾乎不積累N2O,而高水分條件下積累大量N2O,說明水分含量對N2O產(chǎn)排產(chǎn)生劇烈影響,在低水分的硝化反應過程中幾乎不產(chǎn)生N2O,而在高水分含量下,同時發(fā)生了強烈的硝化、反硝化反應,在該過程中所產(chǎn)生的N2O主要是由反硝化微生物產(chǎn)生的;而CO2在兩種水分條件下均大量產(chǎn)生,在兩種水分含量下微生物呼吸作用都很強,活性均很高,但低水分含量條件下主要發(fā)生的是硝化作用,高水分含量下發(fā)生的是硝化、反硝化作用,在水分含量較高的情況下土壤中微生物的呼吸作用更強,此時微生物生長繁殖的活性更強.
(1)在低水分含量條件下,硝化反應占主導地位,通過硝化反應所產(chǎn)生的N2O含量相對較少,微生物呼吸作用較強;
(2)在高水分含量條件下,土壤同時發(fā)生了硝化反應和反硝化反應,反硝化作用產(chǎn)生大量的N2O,N2O排放通量降低是因為發(fā)生了強烈的完全反硝化反應,使產(chǎn)生的N2O進一步轉(zhuǎn)化成了N2,并且微生物呼吸作用強于低水分含量條件;
(3)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可通過控制土壤水分含量,減少土壤向大氣排放N2O、CO2等溫室氣體.