土壤改良劑影響鹽漬土NH3揮發(fā)和N2O 排放的研究進展

高攀攀，李國瑜，劉若薇，位宇婧，馮浩杰，婁燕宏，王 會，楊全剛，諸葛玉平，潘 紅

（1. 土肥高效利用國家工程研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018；2. 泰安市農(nóng)業(yè)科學院，山東 泰安 271018）

我國人口眾多，人均耕地不足，糧食生產(chǎn)還不能完全滿足人口內(nèi)消。鹽堿地是寶貴的耕地儲備資源，我國鹽堿地面積約為9.91×107hm2，約占全世界鹽堿地總面積的10%，其中可開發(fā)利用的面積約占36%[1-2]。鹽漬化一方面會影響土壤有機質(zhì)、水分有效性和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，以及土壤微生物群落組成；另一方面，高鹽土壤會抑制植物生長。因此，土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要制約因素之一，威脅全球糧食安全[3]。

施用土壤改良劑是鹽漬土高效利用的重要手段，改良劑主要包括有機和無機改良劑。無機改良劑主要包括石膏等，有機改良劑主要有生物炭、有機物料等，均可以達到改良土壤理化性質(zhì)和微生物生態(tài)環(huán)境的目的[4-6]。

氮是制約作物品質(zhì)及產(chǎn)量的關鍵因素，合理施用氮肥可達到增產(chǎn)改土的效果。土壤中氮素絕大部分以有機氮的形態(tài)存在，而植物可直接吸收利用的氮主要是無機態(tài)氮[5]。氮素施入土壤后通常會發(fā)生揮發(fā)、硝化與反硝化等一系列的轉(zhuǎn)化與反應。傳統(tǒng)硝化作用分為兩步，氨氣（NH3）在氨氧化微生物的作用下氧化為亞硝酸鹽，再經(jīng)亞硝酸鹽氧化菌氧化為硝酸鹽。氨氧化過程是硝化過程的第一步，也是限速步驟，由編碼氨單加氧酶基因（amoA基因）的氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）完成[7-8]。土壤反硝化作用是硝態(tài)氮（-N）在厭氧條件下逐步還原為亞硝態(tài)氮（-N）、一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N2O），最終還原為氮氣（N2）的生物化學過程。N2O還原為N2的過程是由編碼氧化亞氮還原酶基因（nosZ基因）的細菌完成，由于有些反硝化細菌缺少該基因，致使N2O 成為反硝化過程的終產(chǎn)物[9]。在氮素轉(zhuǎn)化過程中，還會有部分氮素可能會通過徑流、淋溶、NH3揮發(fā)等進入水體和大氣，導致農(nóng)田氮肥利用率降低[4]。土壤鹽漬化會通過影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律和動態(tài)遷移，改變各形態(tài)氮的比例和含量，進而加重氮素損失、降低作物吸收效率。李紅強等[3]認為，土壤鹽分對硝化過程的影響因土壤鹽分離子組成、pH 值、-N 與-N 比值、微生物豐度與活性等因素而異，同時提出土壤鹽分過高會增加NH3揮發(fā)，抑制氮素礦化、硝化、反硝化。

我國《“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》提出加強耕地質(zhì)量建設、加強退化耕地治理的時代要求。如何利用改良劑提高鹽漬土壤氮素利用效率，提高農(nóng)產(chǎn)品有效供給，成為當前熱點問題[3]。因此，擬就鹽漬化土壤常用改良劑（生物炭、石膏、有機物料）的添加對NH3揮發(fā)、N2O 排放以及相關功能微生物的影響方面展開論述，以期為鹽漬土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮肥可持續(xù)管理提供理論依據(jù)。

1 生物炭對鹽漬土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

生物炭又名生物質(zhì)炭，指的是生物質(zhì)在高溫（＜700 ℃）和厭氧條件下生成的一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)穩(wěn)定的富炭產(chǎn)物[7]。在物理性質(zhì)上，生物炭表面具有較高的比表面積、孔隙度、表面電荷、持水性[8]。在化學性質(zhì)上，生物炭表面具有大量的官能團、鹽基離子，且本身具有較高的灰分含量[9]。此外，生物炭進入土壤后，會耦合很多生物化學物理過程，從而形成新型的土壤生態(tài)位，這一過程被稱為炭際效應。該過程能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保水透氣性，吸附截留有機污染物和重金屬，增加養(yǎng)分固持，提高微生物活性，促進作物生長，在環(huán)境修復和土壤改良方面效果明顯[10-13]。

生物炭對鹽漬土硝化作用的影響因氣候帶和土壤類型不同，表現(xiàn)出促進[14]或抑制[15]效應。PROMMER 等[14]通過在奧地利酸性土壤上復配施用氮肥和生物炭發(fā)現(xiàn)，生物炭刺激了硝化作用。該結(jié)果與之前BALL 等[13]對森林土壤的研究一致，其認為在森林土壤中，添加生物炭會刺激硝化作用。而在鹽漬化土壤中，YAO 等[16]通過研究改良劑和土壤鹽分對土壤尿素水解和凈硝化速率的交互作用發(fā)現(xiàn)，生物炭抑制硝化作用，而且抑制效果隨生物炭施用量的增加而加劇，這可能是生物炭和氮肥聯(lián)合施用降低了鹽漬土壤硝化潛能和潛在硝化速率，延長了硝化持續(xù)時間[16-18]。推測生物炭對硝化作用的抑制機制：（1）生物炭通過提高土壤pH值，促進NH3揮發(fā)，降低-N 的生物有效性來延緩硝化作用[19]；（2）生物炭表面的反應性官能團—COO—和—O—，以及自由基降低了驅(qū)動氨和亞硝酸鹽氧化過程的AOB 和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的豐度[20]。此外，生物炭顯著增加鹽漬土中nifH基因（固氮基因）和固氮菌豐度[15-16]。因此，從氮素周轉(zhuǎn)的角度講，適量施用生物炭可以維持土壤微生物活性，促進氮素形態(tài)周轉(zhuǎn)，減緩-N 形成，降低氮素淋失風險，有利于鹽漬化土壤氮肥的可持續(xù)管理[19-22]。

石玉龍[23]等通過對濱海鹽漬土添加生物炭發(fā)現(xiàn)，生物炭的施加水平在5 t/（hm2·a）和10 t/（hm2·a）時，能夠降低鹽漬土N2O 排放量。生物炭減少N2O排放的機制：生物炭具有吸附性，能吸附硝化和反硝化底物，抑制硝化和反硝化的進行，減少N2O 排放[23]；生物炭能促進基因轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生更多的氧化亞氮還原酶，使得N2O 還原成分子氮[7]；生物炭表面含有大量含氧官能團，為反硝化作用提供電子受體，使得反硝化作用能夠進行完全。但也有學者研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可增加N2O 的排放。例如，陳晨[20]等的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能促進土壤氮素礦化形成氨態(tài)氮，增加硝化作用的底物進而促進硝化和反硝化，刺激N2O 的排放。王月玲等[21]通過在塿土土壤添加果樹枝條生物炭發(fā)現(xiàn)，較少的生物炭（20、40 t/hm2）添加能降低N2O 的排放，而施用相對較多的生物炭（60、80 t/hm2）則會增加N2O 的排放。這可能是由于土壤中施用大量生物炭后，生物炭本身養(yǎng)分及其疏松的結(jié)構(gòu)使得好氧細菌大量繁殖形成厭氧環(huán)境，加之生物炭吸附的硝態(tài)氮，刺激了反硝化作用，使得N2O排放增加[21-22]。由此可見，生物炭對鹽漬土壤N2O 排放的刺激或抑制，與其添加量有關。因此，選擇合適的炭用量，可能對鹽漬化土壤溫室氣體N2O 減排至關重要。

生物炭的高陽離子交換量（CEC）特性使其可以吸收大量的陽離子，為補償電荷平衡導致H+釋放出來，同時也將鹽漬土壤中的鹽基離子置換出來，從而降低土壤pH 值[21-23]。但由于生物炭本身pH 值較高[24]，因此，一直以來研究者對于生物炭的研究主要集中于酸性土的改良。此外，大量的生物炭施入土壤可能會吸附土壤團粒進而破壞土壤結(jié)構(gòu)[25]。ZHANG 等[26]也發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量增加，微生物的數(shù)量和豐度呈現(xiàn)負響應，過量的生物炭會抑制土壤微生物多樣性。生物炭在生產(chǎn)過程中經(jīng)過高溫熱解會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，同時也會吸附土壤中的污染物和重金屬離子，從而影響土壤結(jié)構(gòu)，抑制微生物活性和植物生長[27]。在與磷肥共同施入土壤后，生物炭會降低磷的有效性從而影響植物產(chǎn)量[28]，過量生物炭還會抑制鹽分脅迫下作物的抗氧化系統(tǒng)，使幼苗表現(xiàn)出生理損傷[29]。

綜上所述，國內(nèi)外將生物炭作為改良劑施入鹽漬土壤中對氮素影響的研究雖然取得一定進展，但相關結(jié)果依然存在爭議，其潛在影響機制尚不明確。鑒于生物炭作為鹽漬土改良劑仍存在爭議，且生物炭調(diào)控鹽漬土氮素轉(zhuǎn)化的影響因素復雜多樣（鹽漬化程度、土壤鹽基離子類型、土壤肥力、生物炭用量、生物炭種類、土層深度、施用時間長短等），因此，生物炭對鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響還需要進一步研究。

2 石膏對鹽漬土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

脫硫石膏改良鹽堿土技術(shù)原理主要包括鹽類轉(zhuǎn)化和離子置換2 種類型化學反應。其中，鹽類轉(zhuǎn)化是將土壤中對植物毒害較大的碳酸鹽和重碳酸鹽轉(zhuǎn)化為毒害相對較小的硫酸鹽；離子置換是將土壤交換性離子（Na+、K+和Mg2+）轉(zhuǎn)化為水溶性離子，再通過灌排措施將鹽分離子從土壤表層淋洗至底層或排出土體，從而實現(xiàn)土壤降堿和脫鹽。由于成本低、產(chǎn)量高，石膏被廣泛用作鹽堿土壤改良劑[30]。施用石膏可降低土壤鹽分、堿化度（ESP）和pH 值，改善土壤的物理性質(zhì)，增加作物產(chǎn)量。此外，石膏作為鈣、硫和鎂的肥料來源，有利于植物生長[31-35]。鹽堿土壤中施用石膏，其含有的鈣離子與銨根離子發(fā)生置換，減少了氨揮發(fā)損失[36]。同樣，ZIA 等[37]通過比較施用石膏和不施用石膏處理下土壤NH3揮發(fā)量發(fā)現(xiàn)，施用石膏顯著減少了NH3揮發(fā)損失。石膏減少鹽漬土NH3揮發(fā)的原因可能在于石膏較低的pH值減少了土壤中的堿性基團[37-38]。ZHU等[38]通過在不同鹽漬化程度土壤中添加石膏也發(fā)現(xiàn)，石膏可降低土壤pH 值，pH 值降低會減少NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化，從而減少NH3揮發(fā)。石膏含有大量的硫酸鹽，施入土壤能顯著增加土壤的電導率（EC），含鹽量的增加會加重鹽分對硝化作用的抑制[39]。LI等[40]報道了添加石膏顯著降低硝化功能基因的拷貝數(shù)，這與ZHU 等[38]在石膏處理中發(fā)現(xiàn)較低的-N 和較高的-N結(jié)果一致，石膏對NH3揮發(fā)的影響取決于降低pH值和抑制硝化作用之間的凈作用。

曾東萍[41]研究發(fā)現(xiàn)，施加石膏渣會對稻田N2O排放產(chǎn)生明顯抑制，這可能是石膏增大了土壤硫氮比，緩解了不同氮還原酶之間的電子競爭，降低了生成N2O 的底物濃度，從而降低了N2O 積累[42]。也有研究者發(fā)現(xiàn)，在熱帶酸性土中石膏和石灰復混施用能降低牧草根際和非根際土壤中nirK（亞硝酸還原酶基因）和nosZ基因的豐度，減少N2O 排放[43]。SUN 等[44]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，只添加石膏對N2O 排放的影響并不顯著，但石膏與腐植酸和氮肥復配施用顯著降低了N2O 排放，這說明石膏與其他物料配施可大幅度優(yōu)化施用效果。相反，有研究者發(fā)現(xiàn)，大量石膏可能刺激N2O 排放。賀坤等[45]發(fā)現(xiàn)，施用量大于45 t/hm2時能顯著降低土壤pH 值，局部土壤酸化會導致更多的土壤氮素轉(zhuǎn)化為N2O[46]。同時，大量的石膏施用也會破壞土壤結(jié)構(gòu)，惡化土壤性質(zhì)，影響土壤氮素轉(zhuǎn)化，降低土壤氮素有效性[47]。此外，石膏含有大量作為第二信使的Ca2+，能改變堿性土壤微生物細胞質(zhì)Ca2+分布和增大ATP 酶活性，為植物和微生物的各種生物化學過程提供能量，增加N2O排放潛力[48]。

就目前研究來看，石膏對鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化主要是通過影響土壤酸堿度和鹽基離子，進而間接作用于氮素轉(zhuǎn)化過程。鹽漬程度、土壤類型、農(nóng)田用途和作物種植的差異也會對氮素轉(zhuǎn)化帶來影響。此外，大量的石膏施用不利于鹽漬土改良和土壤氮素利用，且石膏的單一施用效果并不顯著[38-39]。在實際生產(chǎn)中應該選擇合適的用量和搭配組分，才能達到預期效果。

3 有機物料對鹽漬土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

有機物料不僅能為土壤微生物提供豐富的養(yǎng)分，增加微生物數(shù)量，還能改善土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境，增強土壤保肥保水性。與有機物料相比，無機肥可在短期內(nèi)提高作物產(chǎn)量，但礦物鹽的長期積累會加劇土壤鹽堿化，降低土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量，污染環(huán)境。有機物料腐解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和酸性基團，可有效降低鹽堿土壤pH 值，同時促進土壤保水和鹽分脫離。綠色可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)要求減少無機肥的用量，采用有機和微生物肥料部分代替化肥，以改良沿海鹽漬土，增強土壤微生物系統(tǒng)的抗性和復原力而不影響環(huán)境。因此，鹽漬土施用有機物料可達到修復土壤、提高資源利用效率的目的。有機物料與化肥相比可以持續(xù)釋放養(yǎng)分，被認為是無機肥的有效替代品[49-51]。

在土壤全鹽量為1.7～37.9 g/kg 時，鹽漬土壤NH3揮發(fā)會隨著土壤含鹽量增加而加劇[52]。周慧等[53]通過探究有機肥替代部分無機肥對田間土壤NH3揮發(fā)的影響發(fā)現(xiàn)，土壤電導率在0.45～1.40 dS/m時，有機肥替代無機肥大于50%時，有機肥會增加土壤鹽分，進而促進土壤NH3揮發(fā)損失。但在SHI等[18]的報道中，加入有機肥降低了鹽漬土的pH 值，使得AOB 數(shù)量增加，加速了氨氧化過程，導致有機肥抑制NH3揮發(fā)。

有機肥對農(nóng)田土壤N2O 排放是刺激或抑制，目前尚有異議。LIU 等[54]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機物料后，土壤N2O 排放量明顯高于施用化學肥料，這可能是因為有機物料除為作物提供大量養(yǎng)分外，還為土壤硝化細菌和反硝化細菌增加底物濃度，刺激了N2O排放[55]。SHI等[18]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥施用12 d后顯著提高了AOB-amoA和nirK基因的拷貝數(shù)，這可能是N2O排放通量顯著增加的主要原因。有機物料也可能通過增加土壤中NH4+濃度和微生物數(shù)量，刺激硝化作用，進而產(chǎn)生N2O[56-57]。據(jù)此，推測有機物料促進N2O 排放的機制：（1）有機物料含有豐富的養(yǎng)分，為硝化和反硝化提供大量底物，促進了硝化和反硝化產(chǎn)生N2O；同時，有機物料中的酸類物質(zhì)能降低鹽漬土的pH 值，還為微生物提供充足的養(yǎng)分和適宜的生活環(huán)境，導致微生物大量繁殖爭奪氧氣，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，促進反硝化作用[58-60]；（2）有機物料能提高AOB-amoA和nirK基因的拷貝數(shù)，促進硝化和反硝化以及硝化細菌的反硝化等過程的發(fā)生[61]。相反，關于有機物料施用降低N2O排放的研究則認為，生物炭配施有機物料導致nirS基因拷貝數(shù)的減少和nosZ拷貝數(shù)的增加，使N2O 排放減少[14]。土壤水分也是影響N2O排放的重要因素，當施入有機物料后，鹽漬土的保水能力增強，水分過多導致嫌氣環(huán)境的形成和擴散條件的減弱，延長了N2O 在土壤中的存留時間，進一步促進N2O 向N2的轉(zhuǎn)化，使其排放減弱[60]。另外，有機物料施用對氮素轉(zhuǎn)化及N2O 排放的影響與有機肥自身的C/N 和土壤條件有關。高C/N 條件下，施用有機物料后，有機質(zhì)分解慢，分解微生物與氮素轉(zhuǎn)化微生物爭奪氮素，導致土壤硝化-反硝化的底物減少，造成N2O排放減少[62]。

鹽漬土中，有機物料對N2O 排放的影響還要考慮鹽漬程度。周慧等[53]通過研究有機無機肥配施對N2O 排放的影響發(fā)現(xiàn)，輕度鹽漬土上120 kg/hm2化肥配施120 kg/hm2有機肥，中度鹽漬土施用240 kg/hm2有機肥，N2O 排放最少，作物的產(chǎn)量最高。究其原因，在較小含鹽量時，施入適量的有機物料能顯著改善微生物生存環(huán)境，有利于土壤微生物對氮的固持，同時促進了完全反硝化反應的進行，使N2O排放降低[63]。鹽含量較高時，鹽分抑制了NOB 的活性使硝化過程受阻，增加了硝化過程產(chǎn)生N2O的可能，同時高鹽分抑制了nosZ活性，加大了N2O 排放，因此，需施入高量有機物料，有利于減少異養(yǎng)反硝化過程N2O排放。鹽漬化土壤施用有機物料既要考慮本身的C/N，還要綜合考慮土壤性質(zhì)。從減少氮素損失、增加作物產(chǎn)量的角度講，鹽漬化程度是確定有機物料用量的重要依據(jù)之一。

4 研究展望

鹽漬土是我國寶貴的耕地儲備資源，開發(fā)和合理利用鹽漬土是人類可持續(xù)發(fā)展的重要保障。鹽漬化是周期性動態(tài)變化的過程，對鹽漬土改良材料進行研究和提高鹽漬土產(chǎn)能是當前的熱點。目前，針對生物炭、石膏和有機物料等改良材料對鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究已經(jīng)取得一定的進展，后續(xù)對改良材料的選擇、優(yōu)化和規(guī)?；茝V等方面還需要進一步探究。

（1）生物炭的多孔結(jié)構(gòu)并不具有特異選擇性，過量的生物炭施入土壤，除能吸附土壤污染物外，也能吸收土壤本身養(yǎng)分，加重土壤負荷。生物炭是高溫裂解的產(chǎn)物，在高溫生產(chǎn)中會產(chǎn)生一些有毒物質(zhì)，過量施用可能會導致有毒物質(zhì)積累。另外，生物炭屬于高溫產(chǎn)生的惰性穩(wěn)定產(chǎn)物，其在土壤中調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化的機制需要長期試驗探索，這導致了很多短期試驗結(jié)果有偏差。且國內(nèi)外大量文獻多注重生物炭對微生物群落豐度的影響，而忽視對氮素轉(zhuǎn)化的功能微生物和功能基因的探究。未來應深入研究功能基因的表達機制和功能微生物的響應機制。不同材料和不同溫度燒制的生物炭，性質(zhì)和功能上也有差異。因此，應對生物炭進行全方位、多方面、深層次的研究，同時對其生產(chǎn)和用途制定相關行業(yè)標準。

（2）石膏因成本低、富含Ca2+，已被廣泛應用于鹽漬土改良。目前，大多數(shù)研究認為，石膏對鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化主要是通過影響pH 值和交換性鹽基離子，間接對土壤氮素有效性和微生物群落豐度產(chǎn)生作用，鮮少探究石膏對氮素相關基因轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)化酶表達的影響。并且單一石膏的施用對土壤改良效果并不顯著，未來需多開展石膏對氮素轉(zhuǎn)化微生物生態(tài)位點影響的研究，同時尋求石膏的最優(yōu)配施比和配施組分，減少對土壤的負面影響。

（3）有機物料是節(jié)能環(huán)保型的鹽漬化土壤改良劑，但僅靠有機物料在農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)進行養(yǎng)分循環(huán)，很難保證作物持續(xù)大幅增產(chǎn)。環(huán)境因子會對AOA和AOB 群落產(chǎn)生影響，有機物料在土壤中的腐解，會引起水分、溫度、肥力等一系列環(huán)境因子的變化。因此，評價有機物料作為改良劑施入土壤中的效果，應探明具體環(huán)境因子的改變帶來的AOA和AOB群落的變化。另外，不同土壤和作物類型下，氮素轉(zhuǎn)化微生物的相對貢獻和優(yōu)勢種群尚不明確，還需深入研究。將化肥和有機物料合理配施，充分結(jié)合二者之長，才是確保作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境友好和集約化生產(chǎn)條件下農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳施肥策略。有機物料與無機肥配施對鹽漬化土壤中氮素轉(zhuǎn)化的影響，以及二者配施比例、配施種類和配施方式下的微生物學影響機制還需要進一步明確。

（4）對于改良鹽漬土的各種物料，不適當?shù)氖┯脮哟笸寥镭摀?，造成環(huán)境污染和資源浪費，因此，需要選擇適宜的用量用法。改良鹽漬土的過程不能只把改良鹽漬化作為首要目的，而忽略外源物質(zhì)本身對土壤可能造成的威脅。因此，今后應加大對外源改良材料本身和用量用法的研究。