不同水分條件下海南紅壤N2O排放對不同碳源添加的響應(yīng)

朱啟林，劉麗君，何秋香，劉金霞，曹明，伍延正，湯水榮，孟磊，柯用春*

（1.海南省三亞市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，海南 三亞 572000；2.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228）

近年來隨著溫室氣體排放的增加，全球氣候變暖已成為亟需解決的環(huán)境問題。NO 作為主要的溫室氣體，對溫室效應(yīng)的貢獻不容忽視。SMITH 等認(rèn)為，人類活動排放的NO 有84%來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，降低農(nóng)田土壤NO 排放，對減緩氣候變暖具有重要意義。

微生物參與的硝化和反硝化過程是土壤NO 排放的重要途徑。生物炭可以提高土壤碳儲量，進而影響到微生物活性及其氮底物的獲取，由此可能對NO 排放產(chǎn)生影響。生物炭大多呈堿性，施入土壤后會引起土壤pH升高，導(dǎo)致氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌群落結(jié)構(gòu)和豐度發(fā)生改變，從而影響土壤硝化和反硝化等NO的產(chǎn)生過程，改變土壤NO排放。研究顯示，土壤中添加生物炭會抑制NO排放，NO減排效果與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系。但也有研究指出，添加生物炭不能降低土壤NO排放。秸稈還田作為重要的農(nóng)田土壤健康管理措施，已被證實能提高土壤肥力、增加土壤碳儲量，此外，秸稈還田也會影響土壤NO排放。與生物炭還田對NO排放的影響相同，秸稈還田對NO 排放的作用效果也有截然不同的報道。WANG 等和CAO 等發(fā)現(xiàn)，秸稈還田降低了農(nóng)田土壤NO排放。而許多研究結(jié)果支持秸稈還田增加農(nóng)田土壤NO排放的觀點。由此可見，生物炭或秸稈還田對土壤NO排放的作用效果尚未取得共識，還需要綜合土壤固碳能力和溫室氣體排放兩方面進行評價。

土壤水分是影響土壤微生物過程的重要因素，對土壤微生物代謝活動、硝化和反硝化過程具有決定性作用。水分條件在30%~60%充水孔隙度（WFPS）時，硝化作用是產(chǎn)生NO 的主要過程，而當(dāng)WFPS>70%時，NO 主要來源于反硝化過程。張世潔等研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田灌水后，土壤NO 劇烈排放主要來源于反硝化作用過程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同作物對水分條件要求不同，因此土壤水分含量變化幅度大，如旱地土壤水分條件很多時候只有田間持水量的45%或者更低，蔬菜地等灌溉條件好的土壤水分達(dá)到田間最大持水量的75%，水稻種植的大部分時間土壤水分是飽和的并且田面要覆水。土壤水分調(diào)控土壤硝化和反硝化過程的發(fā)生，決定了硝化和反硝化的強度和優(yōu)勢。在好氧條件下，水分增加會促進土壤有機氮礦化，同時會對無機氮轉(zhuǎn)化過程中NO 的產(chǎn)生造成影響。生物炭或秸稈的添加會改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)；生物炭本身大孔隙結(jié)構(gòu)的特點，有利于氧氣的儲存，為好氧微生物提供了生存環(huán)境；而土壤中加入秸稈后，會導(dǎo)致微生物活性增強，造成土壤微區(qū)缺氧，進而使土壤形成厭氧環(huán)境。前期研究指出，60%WFPS 是土壤硝化和反硝化轉(zhuǎn)化的閾值，土壤中施入生物炭或秸稈后，是否會導(dǎo)致這一閾值的改變，進而引起土壤NO排放的改變，仍需深入探究。

海南是我國唯一熱帶島嶼省份，其充沛的水熱資源使該地區(qū)物質(zhì)循環(huán)徹底，紅壤為該地區(qū)典型的種植土壤，強烈的物質(zhì)循環(huán)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分貧瘠、保肥性能差。瓜菜-水稻輪作是海南典型的種植模式，為保證產(chǎn)量，通常需要大量的肥料投入，同時，在水稻種植過程中，水分長期處于飽和狀態(tài)，而冬季瓜菜種植時，土壤水分基本保持在田間持水量的75%。瓜菜-水稻輪作過程中，水分的交替變換必然引起土壤NO 排放的變化。通常情況下，土壤水分會對硝化和反硝化過程產(chǎn)生影響，施加生物炭或秸稈還田后，土壤孔隙增加，同時土壤pH 提高，進而改變硝化反硝化進程。不同水分條件下，生物炭添加和秸稈還田對土壤NO 排放的影響還需進一步驗證?；诖?，本文選取海南地區(qū)典型的紅壤，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗探究不同水分條件下，生物炭和秸稈添加對土壤NO 排放的影響，以期為農(nóng)田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自海南省樂東萬鐘實驗基地，該基地位于海南省樂東黎族自治縣尖峰鎮(zhèn)（18°39'N，108°47'E），土壤為淺海沉積物發(fā)育的紅壤，該地常年進行瓜菜-水稻輪作。采集0~20 cm 表層土壤，風(fēng)干后去除土壤中植物根系和石礫等，過2 mm篩備用，另取部分土壤用于測定土壤理化指標(biāo)。供試生物炭為水稻秸稈在400 ℃條件下厭氧熱解制備而成。供試秸稈為水稻秸稈，生物炭和秸稈經(jīng)烘干、粉碎后過2 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1。生物炭和水稻秸稈基本理化性質(zhì)見表2。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic chemical and physical properties of tested soil

表2 供試生物炭和秸稈理化性質(zhì)Table 2 Chemical and physical properties of biochar and straw

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

培養(yǎng)試驗共設(shè)CK（空白），B1、B2 兩個生物炭處理（B1：生物炭添加量為土壤質(zhì)量的1%，B2：生物炭添加量為土壤質(zhì)量的2%）和秸稈處理S（水稻秸稈添加量為土壤質(zhì)量的2.75%，秸稈用量與制備B1 的秸稈用量相當(dāng)）4 種處理，每個處理設(shè)3 個水分條件，分別為W1（45%土壤田間持水量）、W2（75%土壤田間持水量）和W3（100%土壤田間持水量，模擬淹水條件，淹水1 cm），共計12個處理，具體見表3。

表3 試驗設(shè)計方案Table 3 Experimental design

1.2.2 培養(yǎng)試驗

稱取200.00 g 供試土壤（以干土計），按上述要求分別添加相應(yīng)質(zhì)量的生物炭和秸稈，充分混合后裝入250 mL 錐形瓶中，向錐形瓶內(nèi)均勻滴加相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水，使土壤含水量分別達(dá)到田間持水量的45%、75%和100%。土壤活化7 d 后向錐形瓶中加入1 mL純氮量為30 mg 的尿素溶液，折合加入氮150 mg·kg。用保鮮膜封住瓶口，并用針頭在保鮮膜上扎3個小孔，用于空氣流通，且能減少水分散發(fā)，扎口后將錐形瓶置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)25 d，培養(yǎng)過程通過稱取質(zhì)量的方法每4 d補充一次水分以維持土壤水分恒定。每處理設(shè)6 個重復(fù)，其中3 個重復(fù)用于測定NO 和CO氣體排放通量，其余的用于土壤礦質(zhì)氮含量測定。

1.3 指標(biāo)測定

1.4 數(shù)據(jù)處理

NO排放通量和CO排放通量計算公式為：

式中：為 NO 排放通量或 CO排放通量，μg·kg·h或 mg·kg·h；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 NO-N 或 CO-C 的密度，1.25 kg·m或0.536 kg·m；?/?為單位時間內(nèi)錐形瓶內(nèi)氣體濃度增加量；為錐形瓶內(nèi)頂部空間體積，m；為培養(yǎng)溫度，℃；為培養(yǎng)烘干土質(zhì)量，kg。

NO累積排放量和CO累積排放量計算公式為：

式中：為 NO 累積排放量或 CO累積排放量，μg·kg或 mg·kg；為采樣時間，d；為采樣次數(shù)；為總測定次數(shù)；t-t為兩次采樣的間隔天數(shù)，d。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 軟件進行方差分析（One-way ANOVA）和多因素方差分析，采用Duncan法檢驗不同處理下土壤理化性質(zhì)和氣體排放速率等指標(biāo)的差異顯著性。采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)整理，采用Origin Pro 8.5做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放通量和累積排放量

2.1.1 土壤NO排放通量對水分的響應(yīng)

土壤水分顯著影響NO排放（圖1）。不同物料添加下，W2和W3的土壤NO排放通量高于W1。CK處理在 W2 和 W3 時，第 3 d 土壤 NO 排放通量開始增加，而S、B1和B2處理在W2和W3水分條件下，第6 d土壤NO 排放通量開始增加，培養(yǎng)第10 d 出現(xiàn)最高峰。S 處理土壤中，W2 和W3 水分條件下，土壤NO排放通量高于其他處理。S 處理在W1 水分條件下，第6 d 土壤NO 排放通量開始增加，峰值出現(xiàn)在第15 d，而 B1 和 B2 處理土壤 NO 排放通量在第 6 d 開始增加，最高排放通量出現(xiàn)在第10 d。不同水分條件下，土壤NO排放通量表現(xiàn)為S>CK>B。W2和W3水分條件下，相比CK，生物炭添加后土壤NO排放通量降低。

圖1 不同水分條件對添加秸稈或生物炭的土壤N2O排放通量的影響Figure 1 Effects of different water conditions on the N2O emission flux from soil with straw or biochar

2.1.2 土壤NO累積排放量對水分的響應(yīng)

水分顯著影響土壤NO累積排放量（圖2）。土壤含水量在W2 和W3 時的NO 累積排放量顯著高于W1（<0.05）。相比 W1，W2 和 W3 條件下 CK 處理的NO 累積排放量分別增加806.2%和798.6%；S處理分別增加455.8%和315.3%，且W2 顯著高于W3（<0.05）；B1 處理分別增加 713.2%和801.6%；B2 處理分別增加311.3%和661.7%。相同水分條件不同處理土壤NO 累積排放量相比，W1 水分條件下，相比CK，S處理增加80.9%，B1 和B2 處理分別減少25.9%和22.9%；W2水分條件下，S處理增加10.9%，B1和B2處理分別減少33.5%和65.0%；W3 水分條件下，相比CK，S、B1和B2處理分別減少16.4%、25.7%和34.6%。

圖2 不同水分條件對添加秸稈或生物炭的土壤N2O累積排放的影響Figure 2 Effects of different water conditions on the cumulative emission of N2O from soil with straw or biochar

土壤NO 排放受土壤含水量及生物炭、秸稈添加的影響，對水分與生物炭和秸稈添加的交互作用分析表明，土壤水分和生物炭添加均極顯著影響土壤NO排放（<0.01），二者交互作用的影響也達(dá)到極顯著水平（<0.01）。秸稈添加對土壤NO排放影響不顯著，而與水分的交互作用顯著影響土壤NO排放（<0.05）。

2.2 土壤CO2排放通量和累積排放量

2.2.1 不同水分條件下土壤CO排放通量

不同處理土壤CO排放通量主要集中在培養(yǎng)前7 d（圖3），CK處理3個水分條件（W1、W2和W3）下CO的排放峰值分別達(dá)到了0.23、0.41、0.49 mg·kg·h（以CO-C 計，下同），S 處理分別達(dá)到0.25、0.45、0.48 mg·kg·h，B1處理分別達(dá)到0.18、0.38、0.40 mg·kg·h，B2處理分別達(dá)到0.24、0.38、0.44 mg·kg·h。相同水分不同處理之間，CO排放通量高峰含量無顯著差異。

圖3 不同水分條件對添加秸稈或生物炭的土壤CO2排放通量的影響Figure 3 Effects of different water conditions on the CO2 emission flux from soil with straw or biochar

2.2.2 不同水分條件下土壤CO累積排放量

水分和有機物添加均會引起土壤CO累積排放量的變化（圖4）。CK 處理中，CO累積排放量為W3>W2>W1，且W1和W3差異達(dá)到顯著水平（<0.05），相比 W1，W2 和 W2 土壤 CO累積排放量分別提高177.9%和247.1%。S 處理W2 和W3 條件下土壤CO累積排放量差異顯著，且均顯著高于W1（<0.05），分別提高116.6%和96.3%。B1 處理土壤CO排放總量在各水分處理間無顯著差異，（>0.05），相比W1，W2和W3 分別提高27.1%和15.4%。B2 處理土壤CO累積排放量為W3>W2>W1，W1、W2、W3 排放總量分別為29.26、41.92、55.64 mg·kg。相同水分不同處理之間土壤CO累積排放相比，W1 條件時為B1>B2>S>CK，其中，B2 和 CK、S 無顯著差異,但卻顯著低于 B1處理；W2條件不同處理中，土壤CO累積排放量為S>CK>B1>B2，其中CK 和S 處理差異不顯著，但顯著高于 B1 和 B2 處理（<0.05），相比 CK，S、B1 和 B2 處理CO累積排放量分別降低8.1%、26.9%和34.4%。W3水分條件下，相比 CK，S、B1 和 B2 處理 CO累積排放量均顯著降低（<0.05），分別降低33.3%、46.8%和30.3%。

圖4 不同水分條件對添加秸稈或生物炭的土壤CO2累積排放的影響Figure 4 Effects of different water conditions on the cumulative emission of CO2 from soil with straw or biochar

雙因素分析顯示，土壤水分和生物炭添加均極顯著影響土壤CO排放（<0.01），秸稈添加顯著影響土壤CO排放（<0.05），土壤水分和生物炭二者交互作用的影響也達(dá)到極顯著水平（<0.01），秸稈添加和水分二者交互作用顯著影響CO排放（<0.05）。

2.3 土壤含量變化

圖5 不同水分條件對添加秸稈或生物炭的土壤NH+4-N含量的影響Figure 5 Effects of different water conditions on the change of NH+4-N content in the soil with straw or biochar

2.4 水分和物料添加對N2O 和CO2排放的影響及其相互作用關(guān)系

土壤CO排放與土壤NO 排放之間的關(guān)系如圖7所示?；貧w分析顯示，隨土壤CO累積排放量的升高，土壤NO 排放量升高，二者呈線性關(guān)系，且達(dá)到極顯著相關(guān)水平（<0.000 1）。不同水分條件下，土壤NO 排放在不同物料添加后存在一定差異（圖8），回歸分析顯示，隨土壤水分的升高，土壤NO 排放量升高，其中，CK、S 和B1 處理隨水分升高，呈二次方程關(guān)系，B2 處理呈線性關(guān)系，4 個處理均達(dá)到極顯著相關(guān)水平（<0.001）。

圖7 土壤CO2與土壤N2O排放相關(guān)分析Figure 7 Correlation analysis of soil CO2 and soil N2O emission

圖8 土壤水分與土壤N2O排放相關(guān)分析Figure 8 Correlation analysis of soil moisture and soil N2O emission

3 討論

3.1 秸稈或生物炭添加對土壤N2O排放的影響

土壤中添加生物炭或秸稈均會引起土壤NO 排放量的改變。本研究中，在45%和75%田間持水量時，添加秸稈增加土壤NO 累積排放量，100%田間持水量時降低了土壤NO 累積排放量，而添加生物炭在3 個水分條件下均降低了土壤NO 累積排放量，這與多數(shù)研究結(jié)果一致。LIN 等研究發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田降低土壤NO 排放，而LI 等的研究指出，秸稈還田會導(dǎo)致NO 排放增加。秸稈還田時間的長短是影響土壤NO 排放的重要因素，一般認(rèn)為短期秸稈還田通過增加土壤無機氮和土壤有機碳含量使土壤硝化和反硝化速率發(fā)生改變，而長期秸稈還田通過改變土壤C/N 影響土壤微生物對氮素的吸收利用，進而影響土壤NO 排放。在本研究培養(yǎng)時間段內(nèi)，秸稈添加后土壤NH-N 含量降低速度加快，說明秸稈添加促進了土壤硝化過程，同時相比其他處理，NO-N 含量較低，說明反硝化速率提高，土壤無機氮的快速轉(zhuǎn)化、硝化和反硝化過程速率加快是導(dǎo)致土壤NO 排放量增加的主要原因。秸稈添加后，土壤pH 和土壤透氣性提高，土壤CO排放量增加（圖4），說明土壤呼吸速率加強，參與硝化和反硝化等過程的微生物活性提高，從而促進了土壤NO排放。土壤水分為100%時，秸稈添加降低了土壤NO 排放量，土壤水分飽和時，土壤呼吸作用受阻，致使土壤微生物活性降低，這可能是淹水條件下秸稈添加降低土壤NO 排放量的原因。

3.2 不同水分條件下秸稈或生物炭添加對土壤N2O排放的影響

土壤水分是影響土壤呼吸速率的主要因素，通過影響土壤生物與非生物進程影響土壤CO的排放。土壤CO排放通量在前7 d 內(nèi)反應(yīng)劇烈，主要原因在于土壤水分狀況的變化會引起“Birch 效應(yīng)”（Birch ef?fect），即土壤水分變化會迅速提高微生物活性，激發(fā)土壤呼吸，進而對土壤NO 排放產(chǎn)生影響。本研究中，土壤水分為45%和75%時，秸稈添加使土壤NO排放量增加，此時土壤CO累積排放量增加，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖7），說明秸稈添加后，土壤微生物活性提高，加快了土壤呼吸作用，導(dǎo)致土壤CO排放量增加，進而導(dǎo)致土壤NO 排放量增加。水分對土壤呼吸作用的影響一般會持續(xù)2~6 d，這與本試驗結(jié)果一致。本研究中，培養(yǎng)10 d 后，土壤CO排放通量基本不再隨水分變化發(fā)生劇烈變化，即土壤呼吸對土壤水分的響應(yīng)不再敏感，WEI等研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO排放在前27 d水分為主要影響因素，隨培養(yǎng)時間延長，土壤CO排放通量不再隨水分變化而變化，本試驗培養(yǎng)10 d 后，土壤CO排放通量基本穩(wěn)定，這可能是由培養(yǎng)試驗所用土壤不同使水分的響應(yīng)敏感性不同導(dǎo)致的。土壤含水量過高或過低均會導(dǎo)致土壤呼吸受阻，而在土壤水分接近田間持水量時，土壤呼吸最強烈。45%土壤含水量的土壤CO累積排放量最低，隨水分含量升高，土壤CO累積排放量顯著升高。DAVIDSON等研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，土壤水分含量與土壤呼吸量成顯著正相關(guān)。本研究中，土壤呼吸與土壤NO 排放存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖7），說明土壤呼吸作用增強時，土壤NO排放量也會提高。

4 結(jié)論

（1）土壤水分影響土壤無機氮含量，S、B1 和B2處理土壤NH-N 含量為W1>W2>W3，4 個處理土壤NO-N含量均為W3>W2>W1。

（2）相比CK，生物炭添加在各水分條件下均顯著降低了土壤NO 排放量；秸稈添加在W1 和W2 水分條件下增加了土壤NO 排放量，在W3 水分條件下降低了土壤NO排放量。

（3）隨水分含量升高，秸稈添加后土壤NO 排放量先升高后降低，在W2 水分條件時最高；B1 和B2 處理隨水分增加，土壤NO 排放量增加，生物炭添加后，W2水分條件降低了土壤反硝化過程產(chǎn)生的NO。