硝化抑制劑、脲酶抑制劑與生物炭復(fù)配對土壤溫室氣體排放的影響

陶甄，李中陽，2，李松旌，李寶貴，李嗣藝，高峰，劉源*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南 商丘 476000）

溫室氣體排放量逐年升高導(dǎo)致全球變暖和臭氧層破壞問題愈加嚴重[1]。作為全球氣候治理的行動派，我國于2020年提出碳達峰、碳中和等發(fā)展新目標，減緩溫室氣體排放，走綠色低碳發(fā)展之路勢在必行。CO2、N2O、CH4作為溫室氣體的主要組成部分，三者之和對溫室效應(yīng)的貢獻約有80%[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源之一，我國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占全國溫室氣體排放總量的17%[3]。

關(guān)于添加單一外源物質(zhì)對農(nóng)田溫室氣體排放的調(diào)節(jié)作用已有較多研究，但對溫室氣體排放的影響尚未形成一致結(jié)論。生物炭作為一種土壤改良劑在提高土壤肥力及作物產(chǎn)量等方面成效顯著[4]，其也被用于調(diào)控農(nóng)田溫室氣體排放。一些研究認為添加生物炭可抑制土壤中產(chǎn)甲烷菌的活性并促進甲烷氧化菌的活性，從而減少土壤CH4排放量[5]，也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭自身會釋放出乙烯，而乙烯濃度的變化會影響CH4氧化[6]，使得CH4排放量增加；同時，生物炭還可吸附固定土壤中的從而影響硝化、反硝化反應(yīng)的進行。有研究表明生物炭施用量為4.5、9.0 t·hm-2時可減少夏玉米季N2O的產(chǎn)生和排放[9]；也有研究發(fā)現(xiàn)施用質(zhì)量分數(shù)為10%的生物炭會促進N2O的排放，但施用質(zhì)量分數(shù)為1%的生物炭則無明顯影響[10]；另有研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加后分解產(chǎn)生的可溶性有機碳可被微生物所利用，從而促進微生物呼吸和土壤CO2排放[11]；而潘占東[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加水平為20、30、50 t·hm-2時會抑制CO2排放。硝化抑制劑雙氰胺（DCD）在添加量為氮肥施用量的0.24%時可抑制氨單加氧酶活性，從而抑制土壤中硝化、反硝化作用，減少N2O排放[13]；但也有研究證實施用DCD在抑制N2O排放的同時會促進細菌生長，從而增加了土壤CO2排放[14]。脲酶抑制劑n-丁基硫代磷酰三銨（NBPT）在有氧條件下會轉(zhuǎn)化為NBPTO，NBPTO與脲酶活性位點形成三齒鍵[15]，從而減緩尿素水解，避免大量累積，減少N2O排放。有研究發(fā)現(xiàn)尿素配施NBPT能夠顯著降低N2O排放[16-17]。趙自超等[18]在探究抑制劑對冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果時發(fā)現(xiàn)NBPT在減少N2O和CH4排放的同時增加了CO2排放。目前有關(guān)硝化/脲酶抑制劑對CH4排放的影響存在爭議[19-20]，未形成統(tǒng)一結(jié)論。

對于兩種外源物質(zhì)配施對農(nóng)田溫室氣體排放的影響也有部分研究，但研究結(jié)果也存在不一致現(xiàn)象。配施硝化抑制劑和脲酶抑制劑是農(nóng)田氮肥優(yōu)化管理的一種方式。有研究表明硝化抑制劑、脲酶抑制劑的施用降低了土壤脲酶、蔗糖酶的活性，從而減少了土壤CO2排放[21]。但也有研究發(fā)現(xiàn)兩種抑制劑聯(lián)合施用可增加CO2排放，同時減少N2O排放與CH4的吸收量[16]。賴睿特等[22]研究發(fā)現(xiàn)在N2O排放方面，硝化抑制劑和脲酶抑制劑兩者結(jié)合施用后更明顯地延緩了的轉(zhuǎn)化速率，故抑制效果優(yōu)于單施一種抑制劑。朱云飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，DCD與生物炭聯(lián)合施用時，可以進一步削弱施用生物炭引起的對硝化過程的激發(fā)作用，從而發(fā)揮出更明顯的減排效果，使得聯(lián)合施用時抑制N2O排放的效果優(yōu)于單施生物炭或DCD。DAWAR等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨施用生物炭（桉樹樹枝）相比，生物炭與NBPT聯(lián)合施用時，更明顯地降低了含量，影響了反硝化菌的活性，導(dǎo)致聯(lián)合施用時N2O排放量低于單施生物炭。

國內(nèi)外有關(guān)生物炭、硝化抑制劑、脲酶抑制劑聯(lián)合施用對農(nóng)田溫室氣體排放影響的研究多側(cè)重于單一溫室氣體。在CH4排放方面，生物炭、DCD、脲酶抑制劑HQ聯(lián)合施用時會通過提高水稻根生物量和土壤Eh進一步抑制CH4排放，抑制效果最優(yōu)[24]。在N2O排放方面，與兩種抑制劑（DCD、HQ）相比，生物炭與其同時施用能夠通過降低供應(yīng)量影響反硝化作用，從而使N2O排放相對減少[25]。而關(guān)于三者配合施用對CO2、N2O、CH4排放的綜合影響目前鮮有報道。因此，為探究生物炭、硝化抑制劑、脲酶抑制劑3種外源物質(zhì)的不同組合，尤其是三者同時施用對溫室氣體（CO2、N2O、CH4）排放的綜合影響，本研究通過培養(yǎng)試驗將3種外源物質(zhì)進行組合，通過監(jiān)測土壤CO2、N2O、CH4排放通量和等指標的變化及其在各處理間的差異，分析不同外源物質(zhì)處理對溫室氣體排放以及土壤性質(zhì)的影響，為減緩溫室氣體排放提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合實驗基地（35°08′ N，113°45′ E，海拔81 m），該地屬于半干旱、半濕潤的暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。采用五點取樣法在耕層（0~20 cm）取土樣混合均勻帶回實驗室，土樣自然風干后過2 mm篩待用。所取土壤為堿性砂壤土，其基本理化性質(zhì)：pH（水土比5∶1）為8.39，土壤容重為1.50 g·cm-3，全氮、全磷、有機質(zhì)含量分別為1.06、、速效鉀、有效磷含量分別為2.18、3.15、4.07、19.43 mg·kg-1。所用水取自河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測實驗站地下水，其基本性質(zhì)：pH為8.26，總氮、總磷含量分別為2.20、0.80、1.04、0.90 mg·L-1，全碳、有效磷、K+、Na+含量分別為84.11、0.06、2.87、471.56 mg·L-1。

生物炭由玉米秸稈在馬弗爐中350℃燜燒4 h后磨碎過60目篩而成，其基本性質(zhì)：pH為7.74（水炭比2.5∶1），總碳、全氮、有效磷含量分別為679.30、16.55、1.20 g·kg-1。生物炭添加量為 30 t·hm-2[26]。硝化抑制劑為2-氯-6三氯甲基吡啶（NP），其對硝化細菌有毒，能夠選擇性地抑制土壤中硝化細菌的活動，從而減緩?fù)寥乐修D(zhuǎn)化為的速度，購自鄭州豫潤工貿(mào)有限公司，純度98%，施用量為肥料中純氮的1%（4.5 kg·hm-2）[27]。脲酶抑制劑為NBPT，其與尿素分子結(jié)構(gòu)相似，與脲酶結(jié)合位點的親和力強于尿素，從而減少了脲酶作用于尿素的機會，購自鄭州豫潤工貿(mào)有限公司，純度97%，施用量為肥料中純氮的1%（4.5 kg·hm-2）[28]。

試驗共設(shè)置7種外源物質(zhì)組合，分別是生物炭（BC）、硝化抑制劑（NP）、脲酶抑制劑（NB）、生物炭+硝化抑制劑（BCNP）、生物炭+脲酶抑制劑（BCNB）、硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NPB）、生物炭+硝化抑制劑+脲酶抑制劑（BCNPB），每個組合設(shè)置3個重復(fù)。另外設(shè)置不添加外源物質(zhì)的對照（CK）。

1.2 土壤培養(yǎng)

培養(yǎng)試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測實驗站開展，為了模擬生長周期較短的蔬菜非根際土壤的溫室氣體排放，試驗共持續(xù)56 d[29]，從2020年10月20日開始，至12月14日結(jié)束。稱取600 g（3個重復(fù)所需干土質(zhì)量）土到塑料自封袋中，加入3個重復(fù)所需的肥料和外源物質(zhì)（用百分之一天平稱取肥料和生物炭，用十萬分之一天平稱取抑制劑），上下翻轉(zhuǎn)自封袋約30次使其充分混勻后平均分裝到3個培養(yǎng)瓶（1 000 mL）中，加入相應(yīng)的水量將土壤含水量調(diào)節(jié)至田間持水量（21%）的60%，再用玻璃棒攪拌均勻。肥料選用復(fù)合肥（N、P2O5、K2O比例為15∶15∶15，氮源為尿素），施肥標準為3 000 kg·hm-2。將處理后的土樣置于恒溫（25℃）培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。前人研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)前期土壤中尿素水解較快含量大多在0~5 d時達到峰值[30-31]，但短時間內(nèi)大量累積會使得NH3揮發(fā)流失[32]，且本試驗為培養(yǎng)試驗無法被作物吸收利用而更易積累并轉(zhuǎn)化散失，故試驗前7 d未補充水分，以期降低前期尿素水解速率，使峰值滯后。從第8天開始在瓶口貼上封口膜并均勻扎破小孔以便氣體流通，用稱取質(zhì)量的方法每3 d加一次水以彌補水分損失，使培養(yǎng)瓶內(nèi)土壤含水量保持在田間持水量的60%左右。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫室氣體的采集與測定

在培養(yǎng)后的第1、4、10、14、21、28、42、56天分別采集氣體，采樣時間為上午8：00—11：00，采樣時用與培養(yǎng)瓶配套大小的帶有三通閥的丁基膠塞密封，一頭連接注射側(cè)口針，一頭連接30 mL聚丙烯醫(yī)用注射器。每一個試驗處理均于0、10、20、30 min分別采集氣體4次，氣體暫存于注射器內(nèi)，帶回實驗室后打入10 mL真空采氣管內(nèi)，用氣相色譜儀（島津2010plus）進行測定。測定條件：ECD檢測器溫度為250℃，色譜柱溫度為50℃，載氣為高純氬甲烷，氣流速為40 mL·min-1。嚴格記錄采樣時間和環(huán)境溫度。

氣體排放通量的計算公式為：

式中：F為氣體排放通量，mg·kg-1·h-1或μg·kg-1·h-1；V為培養(yǎng)瓶上部空間體積，L；dc/dt為單位時間內(nèi)培養(yǎng)瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量濃度變化率，mg·kg-1·h-1或μg·kg-1·h-1；ρ為氣體在標態(tài)下的密度，g·L-1；T為抽氣過程中瓶內(nèi)平均溫度，℃；W為土樣干質(zhì)量，g。

培養(yǎng)期間溫室氣體累積排放量通過線性內(nèi)插法估算[33]，計算公式為：

式中：TF為培養(yǎng)期間氣體累積排放量，mg·g-1；Fi+1為第i+1次試驗采集氣體的平均排放通量，mg·g-1·h-1；Fi為第i次采集氣體的平均排放通量，mg·g-1·h-1；Ti+1-Ti為第i+1次采集氣體與第i次采集氣體的間隔時間，d。

由于3種氣體對溫室效應(yīng)的貢獻效應(yīng)不同，故用CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體的CO2當量和來計算全球增溫潛勢。由前人研究可知單位質(zhì)量CH4、N2O百年時間尺度全球增溫潛勢分別是CO2的28、265倍[34]。

全球增溫潛勢計算公式為：

式中：GWP為全球增溫潛勢，mg·g-1；TF（CO2）為CO2累積排放量，mg·g-1；TF（N2O）為N2O累積排放量，mg·g-1；TF（CH4）為CH4累積排放量，mg·g-1。

1.3.2 土壤充水孔隙度的測定

每次采集氣體后利用稱質(zhì)量的方法得出土壤質(zhì)量含水率，通過土壤質(zhì)量含水率計算土壤充水孔隙度（WFPS），計算公式為：

式中：VSWC為土壤體積含水率（質(zhì)量含水率×BD）；BD為土壤容重，1.51 g·cm-3；PD為土壤密度，2.65 g·cm-3。

取土?xí)ν寥拉h(huán)境造成影響，為盡量保證土壤的穩(wěn)定性，故相對減少土壤的取樣次數(shù)。取樣方法參考劉嬌等[35]的方法，于培養(yǎng)試驗的第4、7、14、25、42、56天采集氣體之后用玻璃棒將瓶內(nèi)土壤攪拌均勻，然后取出8.00 g（百分之一天平）土樣置于4℃冰箱保存。稱取2.50 g新鮮土樣添加25 mL濃度為0.01 mol·L-1的氯化鈣溶液，置于振蕩器上200 r·min-1恒溫振蕩30 min，過濾后用流動分析儀測定濾液中含量（AutoAnalyzer 3，Bran Luebbe，德國）。土壤pH用電位法（水土比為5∶1）測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

使用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使用SAS軟件對不同處理進行方差分析，使用Origin軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動態(tài)變化

2.2 土壤WFPS動態(tài)變化

培養(yǎng)前7 d由于干旱，WFPS下降較明顯（圖2）。從第14天起，與CK相比，BCNPB、NPB、NB、BCNP處理的WFPS顯著增加。由于不同處理中所加外源物質(zhì)不同，各處理水分蒸騰速率存在差異，且生物炭有一定保水性，導(dǎo)致各處理土壤含水率不一致。

圖2 培養(yǎng)期間土壤WFPS變化規(guī)律Figure 2 Variation of soil WFPS during incubation

2.3 土壤pH動態(tài)變化

土壤pH變化見圖3。培養(yǎng)前期硝化反應(yīng)的發(fā)生使得土壤pH逐漸降低，各處理均在培養(yǎng)后第25天達到最小值，且培養(yǎng)前25 d內(nèi)CK處理的土壤pH顯著低于其他7個處理，說明這段時間CK處理硝化作用比較強烈，這也驗證了圖1中一直升高的趨勢；生物炭和脲酶抑制劑均呈堿性也是導(dǎo)致相應(yīng)處理高于CK的原因之一。由于本次試驗所用水源均呈堿性，隨著灌水次數(shù)增加以及硝化速率變?nèi)?，在?5天以后土壤pH呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，3個單一外源物質(zhì)處理的土壤pH大小表現(xiàn)為NP>BC>NB；與NB相比，添加了生物炭的BCNB土壤pH更高，但與NP相比，BCNP的pH更低；與BC相比，BCNP的pH較高而BCNB的pH更低；二元外源物質(zhì)處理之間土壤pH大小表現(xiàn)為BCNP>BCNB>NPB，三元外源物質(zhì)處理BCNPB的pH最低。

圖3 培養(yǎng)期間土壤pH變化規(guī)律Figure 3 Variation of soil pH during incubation

2.4 土壤溫室氣體排放變化規(guī)律

2.4.1 土壤CO2排放變化規(guī)律

培養(yǎng)前期尿素水解、硝化、反硝化反應(yīng)的進行提高了土壤中脲酶、硝化細菌、反硝化細菌的活性，導(dǎo)致4~10 d時大部分處理的CO2排放通量大幅增加（圖4）。同時添加了3種外源物質(zhì)的BCNPB處理為微生物提供了更多的可利用碳源，因此在第1天該處理的CO2排放通量最高，但由于受干旱的影響，BCNPB處理和NPB處理的CO2排放通量在1~7 d呈下降趨勢。與CK相比，7種外源物質(zhì)處理均顯著增加了CO2累積排放量，且BCNPB處理的增加效果最顯著（表1）。單一外源物質(zhì)處理中NP處理的CO2累積排放量顯著高于NB處理，但二者與BC處理之間差異并不顯著，總體表現(xiàn)為NP>BC>NB，可能是因為脲酶抑制劑的施用抑制了脲酶的活性，降低了其呼吸強度；與BC的CO2累積排放量相比，BCNP、BCNB處理分別增加了5.1%、2.9%；與NP相比，BCNP處理增加了0.2%，與NB相比，BCNB處理增加了6.5%；與NPB相比，NP處理增加了7.8%，NB處理減少了0.7%；與BCNP、BCNB、NPB相比，BCNPB處理分別增加了7.1%、9.4%、16.5%。在CO2排放方面，外源物質(zhì)之間的復(fù)配大多未能表現(xiàn)出抑制CO2排放的優(yōu)勢，可能是因為生物炭與抑制劑結(jié)合提高了土壤pH，促進了土壤的呼吸作用。

圖4 培養(yǎng)期間土壤CO2排放通量變化規(guī)律Figure 4 Changes of soil CO2 emission flux during incubation

2.4.2 土壤N2O排放變化規(guī)律

圖5 培養(yǎng)期間土壤N2O排放通量變化規(guī)律Figure 5 Changes of soil N2O emission flux during incubation

2.4.3 土壤CH4排放變化規(guī)律

雖然本試驗的土壤通氣狀況較好，但也觀測到了CH4的排放，這與李平等[38]的研究結(jié)果類似。4~10 d時土壤中聚集了大量與 C H4分子結(jié)構(gòu)相似，兩者競爭甲烷氧化菌活性位點，導(dǎo)致此時間段內(nèi)CH4排放通量增加。之后隨著硝化反應(yīng)的進行，土壤中逐漸減少，且土壤pH逐漸降低，影響了二者的競爭效應(yīng)與土壤產(chǎn)甲烷菌活性，導(dǎo)致CH4排放通量減少（圖6）。培養(yǎng)中期，土壤pH逐漸升高，產(chǎn)甲烷菌活性隨之增強[39]，導(dǎo)致CH4排放通量增加。而在培養(yǎng)后期，可利用底物的減少限制了產(chǎn)甲烷菌的活性，CH4排放通量降低。與CK相比，BC處理減少了CH4累積排放量，其他6種外源物質(zhì)處理均增加了CH4累積排放量，且NPB、BCNB、BCNPB處理的增加效果達到顯著水平（表1）。與CK相比，單一外源物質(zhì)處理中BC處理的CH4累積排放量減少9.0%，而NP、NB處理分別增加49.7%、13.8%，NP的效果最差；與一元組合相比，所對應(yīng)的二元組合均增加了CH4排放量，與BC相比，BCNP、BCNB處理分別增加44.7%、147.0%，與NP相比，BCNP降低了12.0%，與NB相比，BCNB處理增加了97.6%，NPB較NP、NB處理分別增加39.6%、83.6%，二元處理中BCNB處理的減排效果最差，單加生物炭可減緩CH4排放，而與脲酶抑制劑結(jié)合后并未表現(xiàn)出更好的效果，可能是因為兩兩結(jié)合后升高了土壤pH，影響了產(chǎn)甲烷菌的活性，從而促進了CH4產(chǎn)生與排放；三元組合BCNPB的CH4累積排放量介于一元與二元組合之間，與一元處理相比均有所增加，與BCNP處理相比增加了39.8%，而與BCNB、NPB處理相比分別減少了18.1%、11.9%。在CH4排放方面，單施兩種抑制劑時NP的排放量更高，NB的排放量相對較低，而參與復(fù)配后，與一元相比NB對應(yīng)的二元組合的排放量相對較高，表明在抑制CH4排放方面脲酶抑制劑更不適用于復(fù)配。

表1 CO2、N2O、CH4累積排放量和全球增溫潛勢Table 1 Cumulative emissions of CO2，N2O，CH4and global warming potential

圖6 培養(yǎng)期間土壤CH4排放通量變化規(guī)律Figure 6 Changes of soil CH4emission flux during incubation

2.5 土壤CO2、N2O、CH4排放通量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

本試驗中，CO2排放通量與土壤pH之間顯著正相關(guān)（表2），可能是因為隨著pH的升高土壤中微生物活性升高，呼吸強度也隨之升高[40]。轉(zhuǎn)化為的硝化過程是產(chǎn)生N2O的主要途徑之一，故N2O排放通量與之間表現(xiàn)為顯著負相關(guān)，與之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。N2O排放通量與WFPS之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，這與DOBBIE等[41]的研究結(jié)果一致，可能是因為隨著土壤含水量增加，土壤中氧氣擴散變慢，導(dǎo)致土壤反硝化反應(yīng)速率升高，產(chǎn)生更多N2O。CH4排放通量與土壤WFPS之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH之間存在一定正相關(guān)關(guān)系，但未達到顯著水平，這可能與產(chǎn)甲烷菌更喜好厭氧與堿性環(huán)境有關(guān)。

表2 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between greenhouse gas emission flux and soil environmental factors

2.6 全球增溫潛勢

由于3種氣體的增溫效應(yīng)差異較大，只考慮單一氣體的排放不能全面反映增溫效應(yīng)，故選用GWP來衡量外源物質(zhì)的調(diào)控效果。本試驗中，BCNB處理的GWP高于CK，其余6個處理的GWP均低于CK，且NP、NB、NPB處理降低效果顯著（P<0.05），其中NPB效果最佳（表1）。與CK相比，BCNB處理在顯著增加CO2排放的同時也增加了CH4排放；NP、NB、NPB處理都增加了CO2和CH4排放，同時減少了N2O排放，而N2O對全球增溫潛勢的貢獻相對最高，導(dǎo)致這3個處理的GWP顯著低于CK。硝化抑制劑、脲酶抑制劑單施和復(fù)配處理在添加生物炭后GWP均增加，說明在本試驗中生物炭的添加并未起到減緩溫室效應(yīng)的作用。

3 討論

3.1 不同外源物質(zhì)處理對CO2排放的影響

本試驗條件下，抑制劑處理均增加了土壤CO2排放，這與梁蕊芳[42]研究發(fā)現(xiàn)的硝化、脲酶抑制劑使用促進土壤排放CO2的結(jié)果一致，原因可能為二者進入土壤后提高了土壤pH，從而增加CO2排放[43]。臧祎娜等[44]發(fā)現(xiàn)0.8%含氮量NP處理相對于0.1%含氮量NP處理顯著促進土壤CO2排放，認為可能是硝化抑制劑的施用改變了土壤pH和碳氮比，從而影響土壤中微生物的活性，導(dǎo)致CO2排放量增加。本試驗中生物炭促進CO2排放與LUO等[45]的研究結(jié)果一致，可能是因為生物炭進入土壤后，自身不穩(wěn)定性碳組分的微生物降解提高了土壤的表觀呼吸速率[46-47]，從而增加CO2排放。

與NP、NB、BC處理相比，其對應(yīng)的二元復(fù)配處理的CO2累積排放量大多有所增加，這可能與上文提出的生物炭的促進作用有關(guān)；但NP處理的CO2累積排放量大于NPB，可能是因為硝化抑制劑與脲酶抑制劑聯(lián)合施用時，加入的脲酶抑制劑會抑制脲酶的活性，相對降低CO2排放，使得兩種抑制劑同時施用時CO2排放量相對較低。三元復(fù)配的BCNPB處理的CO2累積排放量最高，原因可能是3種外源物質(zhì)結(jié)合后既增加了可利用的碳源又提高了土壤微生物數(shù)量和酶的活性，從而促進了呼吸作用的進行[48-49]。

3.2 不同外源物質(zhì)處理對N2O排放的影響

硝化抑制劑與脲酶抑制劑配合施用比單施對N2O排放的抑制作用更強烈，這與DING等[50]的研究結(jié)果一致，原因可能是脲酶抑制劑進入土壤后會抑制尿素的水解，而硝化抑制劑進入土壤后抑制土壤中硝化反應(yīng)的進行，有效減緩產(chǎn)生和硝化，進而抑制N2O產(chǎn)生[51]；但與PEREIRA等[52]的研究結(jié)論不一致，其認為兩種抑制劑聯(lián)合施用時土壤中含量高于單獨施用硝化抑制劑，聯(lián)合施用延長了硝化作用的時間，使得只添加硝化抑制劑對土壤N2O排放的抑制效果優(yōu)于兩種抑制劑同時施用。結(jié)論相悖的原因可能是土壤pH差異較大，PEREIRA等[52]的試驗用土為酸性土壤，而本試驗所用土壤為堿性。整個培養(yǎng)期內(nèi)，NP、NPB處理的含量較高含量較低，表明單施硝化抑制劑或與NBPT聯(lián)合施用均可在56 d內(nèi)持續(xù)調(diào)節(jié)硝化反應(yīng)的進行，導(dǎo)致培養(yǎng)期間NP、NPB處理N2O排放量低，這與單施硝化抑制劑或與NBPT聯(lián)合施用調(diào)控轉(zhuǎn)化的有效時間達72 d以上的已有研究結(jié)果一致[53]。而NBPT的有效時間較短，從第7天起，含有NBPT的處理的含量不再低于CK，從而使NBPT減緩N2O排放的作用低于NP。

在不添加抑制劑的情況下，施用生物炭減少了N2O排放，SPOKAS等[54]在其研究中也得出同樣的結(jié)論。原因可能是生物炭的施入降低了土壤容重，改善了土壤通氣性，同時自身的高碳氮比限制了氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化作用的進行[55]。而在添加抑制劑時，對NP、NB、NPB來說，相應(yīng)添加生物炭處理的N2O排放量反而增加，原因可能是在N2O排放量較高的前14 d內(nèi)，NP、NB、NPB處理的pH高于對應(yīng)添加生物炭處理的pH，從而提高了N2O還原酶活性，抑制了和向N2O轉(zhuǎn)化的相關(guān)酶活性[56-57]，使得NP、NB、NPB處理的N2O排放量相對較少。與BC相比，BCNB處理的N2O累計排放量增加，培養(yǎng)1~10 d是產(chǎn)生N2O的高峰期，此時間段內(nèi)BC處理的pH高于BCNB處理，而堿性環(huán)境下，pH升高提高了N2O還原酶活性，促進反硝化反應(yīng)徹底進行，使得更多的N2O還原為N2[37，58]，從而減少N2O排放。與 BC相比，BCNP 處理N2O累積排放量減少，原因可能是添加硝化抑制劑后培養(yǎng)前期降低了土壤的硝化速率。在前14 d內(nèi)BCNP處理的含量高于BC處理含量卻低于BC處理，可能是因為抑制劑的使用一定程度上抑制了硝化反應(yīng)的進行，使得BCNP處理N2O累計排放量相對較少。三元組合BCNPB的N2O排放量高于一元和二元抑制劑處理，低于含有生物炭的一元和二元組合處理，這可能與上述N2O排放高峰期內(nèi)不同處理之間pH存在差異有關(guān)，且培養(yǎng)中后期與BCNP、BCNB處理相比，BCNPB處理含量相對較高，但含量卻相對較低，表明BCNPB處理N2O排放量相對較低可能與其抑制硝化反應(yīng)效果較好有關(guān)。

3.3 不同外源物質(zhì)處理對CH4排放的影響

本試驗中，只有BC處理相對于CK減少了CH4累積排放量。生物炭作為一種多孔介質(zhì)，能夠改善土壤厭氧狀態(tài)[59]，從而降低土壤產(chǎn)甲烷菌的活性[60]；同時本試驗所使用的秸稈生物炭進入土壤后自身裂解出來的有機碳可作為甲烷氧化菌的碳源[61]，促進CH4的氧化分解，從而減少CH4排放量。在本試驗條件下，硝化抑制劑、脲酶抑制劑的使用增加了CH4排放量：一方面原因可能是硝化抑制劑的使用顯著提高產(chǎn)甲烷菌群落豐度并降低甲烷氧化菌群落豐度[62]，脲酶抑制劑的使用提高了細菌和放線菌的活性[63]，從而促進了CH4排放；另一方面原因可能是抑制劑的使用提高了土壤中含量，而與CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu)，兩者競爭甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點[64-65]，減少了CH4氧化。NP調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化的作用時間更久，因此NP處理CH4排放量高于NB處理。也有研究認為硝化抑制劑的使用對CH4排放無顯著影響[66]。

添加生物炭的BCNP、BCNPB處理相比對應(yīng)的不加生物炭處理減少了CH4排放，原因可能是生物炭對存在吸附作用，減少了與CH4競爭甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點，導(dǎo)致甲烷氧化菌對CH4的氧化量相對增加，一定程度上減少了CH4排放量。而添加生物炭的BCNB處理相比NB處理增加了CH4排放，可能是因為中后期BCNB處理的土壤pH高于NB處理，pH升高會促進產(chǎn)甲烷菌的生長[16]，使得BCNB處理土壤CH4排放量相對較高。與BC處理相比，BCNP、BCNB和BCNPB處理的CH4排放量增加，可能是因為抑制劑的施用延長了在土壤中的存留時間，而產(chǎn)甲烷菌主要以為氮源，導(dǎo)致CH4排放量增加。與三元組合BCNPB相比，NPB、BCNB處理的CH4排放量有所增加，這可能與土壤中含量有關(guān)，7~56 d內(nèi)BC?NPB處理的含量始終高于BCNB處理，這可能會使生物炭吸附更多的導(dǎo)致較多的CH4被氧化，使BCNPB的CH4排放量相對較少。

3.4 不同外源物質(zhì)處理在調(diào)控溫室效應(yīng)上的應(yīng)用

本試驗條件下，施用單一外源物質(zhì)時，生物炭起到抑制N2O和CH4排放的作用，但顯著促進了CO2的排放，故GWP高于CK；硝化抑制劑、脲酶抑制劑促進了CO2和CH4排放但抑制N2O排放，故GWP低于CK；從GWP來看，3種外源物質(zhì)中硝化抑制劑的調(diào)控效果更好，這主要是因為N2O的溫室效應(yīng)最高，而三者之間硝化抑制劑抑制N2O排放的效果最優(yōu)。從外源物質(zhì)復(fù)配組合施用角度分析，在CO2排放方面，各復(fù)配組合均表現(xiàn)為促進作用，不適用于調(diào)控CO2排放；在N2O排放方面，NPB的抑制效果最好；在CH4排放方面，各復(fù)配組合均增加了CH4排放量，不適用于調(diào)控CH4排放；從GWP來看，與CK相比，BCNP、NPB處理的GWP均有所降低，其中NPB處理抑制N2O排放的效果最佳且對CO2排放量的增加相對較少，故本研究中最合適的外源物質(zhì)復(fù)配組合為NPB。三元復(fù)配組合在增加CO2、CH4排放的同時減少了N2O排放，導(dǎo)致其GWP低于CK，并未起到抑制效果的疊加作用。根據(jù)本研究的結(jié)果，在生產(chǎn)實踐中不建議將生物炭與硝化/脲酶抑制劑復(fù)配施用。今后仍需進一步研究相關(guān)復(fù)配組合引起溫室氣體排放增加的原因，并擴大待試外源物質(zhì)的種類，篩選出更多適用的外源物質(zhì)復(fù)配組合。

4 結(jié)論

（2）本試驗中，3種外源物質(zhì)均可影響溫室氣體排放，硝化抑制劑+脲酶抑制劑處理抑制土壤溫室氣體排放效果最佳，但生物炭與硝化/脲酶抑制劑聯(lián)合施用未體現(xiàn)出協(xié)同抑制作用。