施肥處理對旱地紅壤反硝化潛勢的影響

萬子維，李娜，黃國勤，徐慧芳

江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)科學研究中心，南昌 330045

氮是植物生長發(fā)育必需的元素之一，同時也是重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量限制因子。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，氮肥的合理使用可以有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量并且對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在氮素循環(huán)過程中，硝化作用會將土壤內(nèi)銨態(tài)氮轉(zhuǎn)換為易淋失的硝態(tài)氮，從而促進土壤反硝化作用過程，加劇土壤中氮素的揮發(fā)損失[1］。研究表明，土壤反硝化作用中損失的氮量約占總施氮量的14%~40%[2］。此外，反硝化作用過程產(chǎn)生的N2O，是一種重要的溫室氣體，并會對臭氧層造成破壞，進而加劇全球氣候變暖[3］。因此，在我國碳達峰和碳中和的背景下，研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用機制對減緩全球氣候變化具有重要意義。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，有機肥和無機肥的搭配施用一直以來被認為是提高作物產(chǎn)量與增加土壤有機質(zhì)的最佳選擇。丁洪等[4］研究發(fā)現(xiàn)，不合理的施肥措施會顯著影響土壤反硝化速率進而導致土壤氮損失量增加，長期施用氮肥對土壤反硝化有促進作用并且導致N2O 的大量排放[5］。此外，Enwall等[6］發(fā)現(xiàn)有機肥處理的反硝化潛勢要顯著高于無機肥處理，但也有相關(guān)研究表明施用無機肥導致土壤反硝化排放的N2O 要顯著高于施用有機肥[7］。因此，研究不同施肥處理與土壤反硝化之間的關(guān)系能為解析農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素損失途徑提供重要參考。

國內(nèi)外學者對于土壤反硝化作用已經(jīng)開展了許多研究，其中大部分以土壤類型、土壤管理方式以及作物為主，并且發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)與土壤反硝化之間的關(guān)聯(lián)，比如土壤的pH 值、土壤含水量、土壤溫度和土壤有機質(zhì)含量等都會影響土壤反硝化潛勢和N2O 的排放[8-10］。研究發(fā)現(xiàn)土壤pH、有機碳和全氮含量被認為是影響土壤反硝化潛勢較為重要的影響因子[11-12］。Shao 等[13］發(fā)現(xiàn)不同施肥處理會導致土壤的pH 值、NO3?-N 和NH4+-N 的改變，并顯著影響土壤的反硝化微生物群落。這些研究均表明施肥處理與土壤理化性質(zhì)以及土壤反硝化作用之間有緊密的聯(lián)系。

目前，關(guān)于施肥處理對土壤反硝化作用的影響研究[7-15］多在較小的空間尺度內(nèi)進行，并且各研究之間存在差異，對于揭示土壤施肥處理與土壤反硝化之間聯(lián)系的特征尚顯不足。因此，通過研究不同施肥處理土壤的反硝化潛勢差異，掌握農(nóng)業(yè)施肥方式對于土壤反硝化潛勢的影響，對改善農(nóng)業(yè)土壤氮循環(huán)、減少土壤N2O 排放具有積極意義。本研究采用長期定位試驗，探究不同施肥處理對于土壤反硝化作用的長期影響。試驗采集4 種不同的施肥處理的田間土壤樣品，對比分析土壤反硝化潛勢和理化性狀之間的相關(guān)性，闡明不同施肥處理土壤的反硝化作用差異以及影響土壤反硝化特征變化的影響因素，旨在為農(nóng)業(yè)施肥中反硝化導致的氮流失和旱地紅壤培肥提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

樣品采集于江西省紅壤研究所的紅壤旱地施肥長期定位試驗基地，該地位于江西省中部，亞熱帶季風氣候，春夏降水較多，夏秋季較為炎熱，地勢起伏平緩，全年平均溫度為16~23 ℃，無霜期平均為282 d，日照時數(shù)1 900~2 000 h，降雨量為1 500 mm 左右，降水豐富但季節(jié)分配不均，4?7 月、7?10 月內(nèi)降水分別占全年降水的37.8%和14.4%。土壤以紅壤為主，土壤肥力水平中等，土壤全氮含量為0.11%，全磷含量0.12%，全鉀含量1.35%，有機質(zhì)15.95 g/kg，堿解氮90.64 mg/kg，有效磷67.34 mg/kg，速效鉀146.72 mg/kg，可溶性有機碳0.29 g/kg，硝態(tài)氮9.24 mg/kg，銨態(tài)氮6.65 mg/kg，pH值5.5左右。

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

試驗中采用4 種施肥處理：不施肥處理（CK）、施氮磷鉀肥處理（NPK）、施有機肥處理（OM）、施氮磷鉀肥加有機肥處理（NPKOM），施肥情況詳見表1。每個處理3 個重復(fù)，總共12 個小區(qū)（每個小區(qū)面積為22.2 m2）。CK、NPK、OM、NPKOM 4 種施肥處理土壤的pH 值分別為：5.09、4.72、6.28、5.94。樣點之間設(shè)置有水泥隔離墻，防止樣品交叉污染。采集不同處理0~15 cm 的土壤，帶回實驗室進行分析。樣品采集后，一部分置于4 ℃冰箱保存，用于分析土壤反硝化潛勢、pH和速效氮；一部分風干，用于有機質(zhì)、全氮和土壤其他理化性狀的分析。

表1 不同處理施肥量Table 1 Statistical table of fertilizer application in different treatments kg/hm2

1.3 土壤反硝化潛勢測定

土壤反硝化潛勢的測定參照Pell 等[16］的方法進行，稱取25 g 解凍鮮土放入125 mL 廣口瓶中，25 ℃過夜；次日加入25 mL 底物（1 mmol/L 葡萄糖和1 mmol/L KNO3），橡膠塞密封廣口瓶后用氮氣填充然后抽真空，重復(fù)3次，把瓶內(nèi)的空氣沖干凈，最后1次將瓶內(nèi)10%的氮氣置換為乙炔，并使瓶內(nèi)氣壓與瓶外氣壓保持一致。將廣口瓶放入搖床培養(yǎng)6 h（225 r/min，25 ℃），每小時收集1 次氣體。采氣方法為用5 mL 注射器通過橡膠塞頂部的三通閥采集2 mL瓶內(nèi)氣體，充入12 mL真空氣瓶中，再向氣瓶中注入28 mL 高純氮氣。氣體樣品采用氣相色譜法檢測N2O 濃度，所用儀器為安捷倫公司生產(chǎn)的GC7890A（Agilent，USA）。反硝化潛勢的計算參照文獻[16］。

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

采用硫酸消化后的自動流動注射法測定全氮。采用氫氧化鈉濕消化法和火焰光度法分別測定全磷和全鉀。土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化法測定。堿性水解氮用堿擴散法測定。速效磷在用0.5 mol/L 碳酸氫鈉提取后測定，速效鉀用原子吸收光譜法（AAS）測定。土壤pH 值采用電位法測定。通過在濃硫酸介質(zhì)中用重鉻酸鉀氧化來測定土壤有機物含量。NH4+-N 用KCl 浸出法和靛藍比色法測定，NO3?-N用紫外分光光度法測定[17］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本研究數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均采用SPSS 軟件（ver?sion 26.0，Chicago，Illinois，USA）進行。不同類型土壤理化性質(zhì)和反硝化潛勢的差異性分析采用單向方差分析法（one way ANOVA，LSD 檢驗）。土壤理化性質(zhì)與反硝化潛勢的相關(guān)分析采用Pearson 相關(guān)分析。采用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的反硝化潛勢影響

如圖1所示，不同施肥處理間其反硝化潛勢差異較大。施氮磷鉀肥加有機肥（NPKOM）與施有機肥（OM）處理的反硝化潛勢差異無顯著差異（P>0.05），2 種施肥處理都有較高的反硝化潛勢，其中OM 處理的反硝化潛勢最高，其反硝化潛勢為5 306.55 μg/（g·h），其次是NPKOM 處理，其反硝化潛勢為4 291.81 μg/（g·h）。CK 與NPK 處理的反硝化潛勢分別為181.89 和184.02 μg/（g·h），均顯著低于OM和NPKOM處理。

圖1不同施肥處理對旱地紅壤反硝化潛勢影響Fig.1 Effect of different fertilization treatments on denitrification potential of dryland red soil

由圖2 可知，CK 與NPK 處理的N2O 排放量無顯著差異，6 h 內(nèi)2 個處理N2O 平均排放量分別為55.42 μg/g 和50.05 μg/g。OM 處理下N2O 排放量總體呈上升趨勢，其中1 h 的N2O 平均排放量為188.81 μg/g，1~6 h 的N2O 平 均 排 放 量 為512.44 μg/g，總平均排放量為410.75 μg/g。4 種模式中OM施肥模式的N2O 排放量顯著高于其他3 種模式。NPKOM 模式中N2O 排放量也呈上升趨勢，其中1 h的N2O 排放量為93.09 μg/g，6 h 的N2O 平均排放量為305.68 μg/g，6 h總平均排放量為198.89 μg/g。

圖2 不同施肥處理的土壤N2O排放量動態(tài)變化圖Fig.2 Soil N2O emission dynamics of different fertilization treatments

2.2 土壤反硝化潛勢和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

不同的施肥模式對土壤的反硝化潛勢的影響有一定差異，為明確施肥方式對于土壤反硝化潛勢的影響，對不同施肥方式下的土壤反硝化潛勢與土壤理化性狀進行Pearson 相關(guān)性分析（表2），結(jié)果顯示，pH 值、全磷、有機質(zhì)和速效磷對于4 種施肥模式下土壤反硝化潛勢有顯著影響（P<0.05）。

表2 土壤理化性質(zhì)與土壤反硝化潛勢相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis of physical and chemical properties of soils

3 討 論

土壤是N2O 產(chǎn)生的主要來源之一[18］。本研究利用長期定位試驗，分析不同施肥處理下土壤反硝化潛勢的差異及其與環(huán)境因子之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明，不同施肥處理下反硝化潛勢介于88.50~5 306.55 μg/（g·h），差異顯著，整體上以施有機肥處理最高，氮磷鉀加有機肥處理其次，施氮磷鉀肥處理最低。

土壤水分含量、土壤類型和土壤有機碳等均對土壤反硝化作用具有重要影響，而土壤pH 被認為是影響土壤反硝化潛勢最為關(guān)鍵的影響因素[19-21］。通過對反硝化潛勢和土壤理化性狀的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)pH 值與不同施肥處理下的土壤反硝化潛勢存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。Yin 等[22］研究發(fā)現(xiàn)施用無機肥會顯著降低土壤pH 值并顯著影響反硝化細菌群落豐度，導致反硝化潛勢降低。Herold 等[23］的研究也發(fā)現(xiàn)低pH 值會限制土壤反硝化微生物的活動，從而影響土壤反硝化潛勢。并且相關(guān)研究表明，土壤中較低的pH 可能導致反硝化微生物可利用的有機碳和礦質(zhì)氮的有效性下降，從而限制土壤的反硝化作用[24］。本研究中施氮磷鉀肥處理（NPK）下土壤pH 值最低，平均為4.72，因此，我們推測無機肥的施用會導致土壤pH 值降低并限制反硝化微生物的活動，導致較低的反硝化潛勢。

前人研究發(fā)現(xiàn)，有機肥處理（OM）與施氮磷鉀肥加有機肥處理（NPKOM）會影響土壤pH 值，同時N2O 排放量有顯著差異[25］，本研究也得到類似結(jié)果。施用有機肥可以有效提高作物產(chǎn)量，但同時也會提高土壤的反硝化潛勢。林偉等[7］研究發(fā)現(xiàn)在較高pH值的土壤施用有機肥后會促進反硝化作用，但排放的N2O 顯著低于施用無機肥處理的土壤，說明在堿性土壤內(nèi)適當提高有機肥比例可以減緩N2O 排放。但Pelster等[26］發(fā)現(xiàn)有機肥相對于無機肥在提高土壤pH 同時會帶來更高的N2O 排放量。土壤反硝化作用出現(xiàn)差異的原因可能是不同土壤pH 值導致的。因此，不同肥料尤其是有機肥料影響土壤反硝化潛勢的具體機制尚需要進一步研究，但不同施肥處理對于土壤反硝化作用以及N2O 排放的影響應(yīng)得到重視。

除了土壤pH值以外，土壤有機質(zhì)（SOM）對土壤反硝化潛勢也有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)施加外源有機質(zhì)對于土壤反硝化有促進作用，同時會增加土壤N2O 的排放率和累積量[27-28］。因此，有機肥的施用導致土壤有機質(zhì)含量上升，并為反硝化微生物生長和活動提供有機底物和厭氧的環(huán)境[29］，導致OM 和NPKOM 2種施肥處理下反硝化潛勢升高，同時N2O排放量顯著提高，本研究驗證了這一點。

土壤有機殘留物的沉積在短期內(nèi)增加N2O 的排放速率之后，可能是由于殘留物中最不穩(wěn)定的部分被分解后，排放量會回歸較低值[30］。本研究施有機肥（OM）模式下反硝化潛勢在5~6 h 呈下降趨勢，說明引起土壤N2O 排放的有機質(zhì)可能要被分解殆盡，導致反硝化潛勢減弱，N2O 排放量減少。此外，全磷和速效磷對于土壤反硝化潛勢也有顯著影響，磷是基因合成和細胞組成、代謝和能量傳遞所必需的元素，磷的有效性也會影響微生物的活動。Mehnaz等[31］發(fā)現(xiàn)反硝化作用受到土壤中磷供應(yīng)的限制。Mori等[32］也發(fā)現(xiàn)在土壤施用磷肥后會刺激土壤的異養(yǎng)菌群的活性從而增加土壤反硝化潛勢，并且導致土壤N2O的排放量增加。

本研究結(jié)果表明，不同施肥處理對于旱地紅壤反硝化潛勢影響有顯著差異，4 種不同處理的表現(xiàn)為施加有機肥處理的土壤反硝化潛勢最高，其次是施用氮磷鉀加有機肥處理的土壤，而單施用氮磷鉀肥處理的土壤反硝化潛勢最低。本試驗測定的土壤性狀中，土壤的pH 值、SOM、TP 和AP 可能是導致不同處理下土壤反硝化潛勢差異的主要因素。因此，為保持土壤肥力同時減少N2O 溫室氣體排放，應(yīng)考慮有機肥和氮磷鉀肥混合施用，并充分考慮土壤特征，因地制宜采取相應(yīng)措施。