生物質(zhì)炭基尿素和普通尿素對毛竹林土壤氧化亞氮通量的影響

曹善郅，周家樹，張少博，姚易寒，劉 娟，李永夫

（浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300）

氧化亞氮(N2O)是一種長效溫室氣體，其增溫潛勢約為二氧化碳(CO2)的298倍[1?2]，對全球氣候變暖具有較大的推動作用[3?4]。同時，大氣中N2O濃度的上升對臭氧層造成顯著的破壞，并且對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生一系列的負面影響[5]。土壤是N2O的主要排放源，其排放量約占總排放量的70%[6]。因此，在土壤N2O排放日趨嚴重的背景下，研發(fā)土壤N2O減排技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的熱點問題[7?8]。

生物質(zhì)炭(biochar)是生物質(zhì)在限氧或無氧環(huán)境中通過高溫裂解而成的一類具有強吸附性，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且富含碳素的芳香態(tài)化合物[9]。生物質(zhì)炭施用可以顯著改善土壤性質(zhì)，并在土壤N2O減排方面具有巨大潛力[10?11]。然而，生物質(zhì)炭所含的礦質(zhì)養(yǎng)分數(shù)量和類型較為匱乏，難以滿足植物生長所需的營養(yǎng)需求。傳統(tǒng)化肥的施用，可為植物生長提供養(yǎng)分，但卻增加了土壤N2O的排放[12]。生物質(zhì)炭基肥是一種新型肥料，可在改善土壤理化性質(zhì)的同時，提供充足的養(yǎng)分，有效地彌補生物質(zhì)炭速效養(yǎng)分不足的問題[11,13]。然而，與傳統(tǒng)化肥相比，施用生物質(zhì)炭基肥到底是促進還是抑制土壤N2O排放，尚不明確。此外，生物質(zhì)炭基肥的施用會顯著影響土壤的理化和微生物學(xué)性質(zhì)，而上述性質(zhì)的改變對土壤N2O排放的影響機制未有定論。

毛竹Phyllostachys edulis是中國亞熱帶地區(qū)重要的森林資源，其種植面積已超過400萬hm2，約占竹類面積的72%[14]。毛竹能在短期內(nèi)快速增加植被碳儲量，因此，在碳匯功能方面具有獨特的優(yōu)勢[15?18]。毛竹的生長對氮素養(yǎng)分的需求量較大。尿素的施用，一方面可以促進毛竹的生長，從而增加毛竹林的固碳量，但另一方面卻增加了毛竹林土壤的N2O排放[19?22]。生物質(zhì)炭基肥具有提供有效養(yǎng)分與減少溫室氣體排放的雙重功效，但生物質(zhì)炭基肥對毛竹林土壤N2O通量的影響機制尚不明確?；诖?，本試驗以亞熱帶地區(qū)毛竹林為研究對象，比較研究了生物質(zhì)炭基尿素(以下稱炭基尿素)和普通尿素(以下稱尿素)施用對毛竹林土壤N2O通量、土壤溫度、含水量、不同氮組分以及脲酶活性和蛋白酶活性的影響，分析土壤N2O通量與上述土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系，旨在為研發(fā)森林土壤N2O減排的施肥技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于杭州市臨安區(qū)青山鎮(zhèn)亞熱帶典型毛竹林示范樣地(30°13′N, 119°47′E)。該區(qū)域的年均氣溫為15.9 ℃，年均降水量為1 420 mm。試驗區(qū)的土壤類型為紅壤，基本理化性質(zhì)如下：土壤容重為1.14 g·cm?3，砂粒為 48.7%，粉粒為 33.1%，黏粒為 18.2%，pH 為 4.87，有機碳為 18.2 g·kg?1，全氮為1.76 g·kg?1，堿解氮為 106.9 mg·kg?1，有效磷為 7.64 mg·kg?1，速效鉀為 90.5 mg·kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地毛竹林由常綠闊葉林于2006年轉(zhuǎn)化而來，其平均胸徑9.8 cm，密度3 000株·hm?2。在該區(qū)域布置試驗處理小區(qū)。試驗包含5個處理：①對照(不施肥，ck)；②低水平尿素(100 kg·hm?2，LU)；③高水平尿素 (300 kg·hm?2，HU)；④低水平炭基尿素 (100 kg·hm?2，LBU)；⑤高水平炭基尿素 (300 kg·hm?2，HBU)。隨機區(qū)組設(shè)計(小區(qū)面積為120 m2)，重復(fù)3次。本試驗中，炭基尿素制備流程為：將水稻Oryza sativa秸稈生物質(zhì)炭(＜2 mm)以一定比例與尿素進行粉碎處理，放置造粒機中完成造粒，最后烘干至恒量。炭基尿素肥料中氮和碳的質(zhì)量分數(shù)分別為32%和10%；用于制備炭基尿素的生物質(zhì)炭的碳和氮的質(zhì)量分數(shù)分別為5.8和569 g·kg?2。每個小區(qū)中心放置1個靜態(tài)箱底座，分別在試驗處理后的第1、7、28天采樣氣體和土壤樣品，之后每月采樣1次。采集的土壤樣品用來測定土壤含水量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、水溶性有機氮(WSON)、微生物量氮(MBN)、脲酶活性和蛋白酶活性。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤N2O氣體的采集和測定 本試驗采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定土壤N2O排放通量[23]。采集氣體時間為9:00—11:00。使用注射器在0、10、20和30 min進行氣體采集，隨后注入真空氣袋。在采集氣體的同時，測定靜態(tài)箱內(nèi)溫度和土壤表層5 cm處溫度。氣袋中N2O體積分數(shù)使用島津GC-2014氣相色譜儀測定。土壤N2O通量的計算如下[23?24]：

式 (1)中：F為 N2O(μg·m?2·h?1)的排放通量；ρ為標準狀況下 N2O 氣體的密度 (mg·m?3)；V為靜態(tài)箱體積(m3)；A為靜態(tài)箱底部區(qū)域面積(m2)；T0和P0分別為標準狀態(tài)下的絕對溫度和氣壓；為單位時間內(nèi)取樣箱內(nèi)N2O氣體體積分數(shù)的變化(m3·m?3·h?1)，t為取樣時靜態(tài)箱密閉時間(h)，Ct為該段時間內(nèi)N2O氣體體積分數(shù)變化值(m3·m?3)；T和P分別表示測定箱內(nèi)的絕對溫度(K)和大氣壓(Pa)。土壤N2O累積排放通量的計算公式如下：

式 (2)中：Mg為 N2O 累積排放通量 (kg·hm?2·a?1)，R為土壤 N2O 通量 (μg·m?2·h?1)，i為采樣次數(shù)，t為采樣時間，n為總測定次數(shù)，ti+1?ti為2次采樣的間隔天數(shù)[23?24]。

1.3.2 土壤樣品采集與分析方法 在試驗處理前，對樣地表層土壤 (0～20 cm)進行取樣并測定相關(guān)指標。土壤含水量采用烘干法測定，有機碳和全氮質(zhì)量分數(shù)使用元素分析儀測定，有效磷質(zhì)量分數(shù)采用鉬銻抗顯色法[25]測定，速效鉀質(zhì)量分數(shù)采用火焰光度法測定[26]，堿解氮質(zhì)量分數(shù)采用堿解擴散法測定[27]。在氣體采樣結(jié)束后立即采集土壤樣品并進行分析測定。土壤WSON質(zhì)量分數(shù)測定采用LI等[28]的方法測定，土壤MBN采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[29]，和質(zhì)量分數(shù)測定參照ZHOU等[30]的方法測定。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法[31]測定，蛋白酶活性的分析參照GREENFIELD等[32]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析應(yīng)用SPSS 23.0軟件進行。應(yīng)用重復(fù)測量方差分析確定試驗處理、時間以及試驗處理與時間的交互作用對土壤N2O通量的影響，應(yīng)用單因素方差分析結(jié)合最小顯著性差異法，分析試驗處理對土壤N2O年均排放速率、年累積排放量以及其他土壤環(huán)境因子年均值的影響。應(yīng)用一元線性回歸方程，分析土壤N2O通量與土壤溫度、含水量、氮組分、脲酶活性和蛋白酶活性之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基尿素和尿素對土壤N2O通量的影響

由表1可知：試驗處理、處理后時間及兩者交互作用對N2O具有極顯著影響(P＜0.01)。在ck、LU、HU、LBU、HBU處理下，土壤N2O通量具有相似的季節(jié)變化規(guī)律(圖1)?？傮w來看，土壤N2O排放通量在7—9月最大，在1—2月最小。毛竹林土壤N2O排放通量在尿素處理下顯著增加，且隨尿素用量增加而增加。然而，炭基尿素處理使毛竹林土壤N2O排放通量顯著降低，其降低幅度隨炭基尿素用量增加而增強。與ck相比，LU、HU處理使毛竹林土壤N2O的年均排放通量增加14.6%和31.9%；而LBU、HBU處理使毛竹林土壤N2O的年均排放通量降低了3.51%和14.4%(圖2)。

圖1 炭基尿素和尿素對毛竹林土壤 N2O 通量的影響Figure 1 Effects of biochar-based urea and common urea on soil N2O fluxes in a Ph.edulis forest

表1 不同施肥處理對9個響應(yīng)變量影響的重復(fù)測量方差分析Table 1 Repeated measures ANOVA for the effects of different fertilization treatments on nine response variables

如圖2所示：毛竹林土壤N2O年累積排放量在尿素處理下顯著增加，且隨尿素用量增加而增加。然而，炭基尿素處理降低了毛竹林土壤N2O年累積排放量。相比于ck，低水平和高水平尿素處理導(dǎo)致土壤N2O年累積排放通量分別提高了17.3%和36.0%，低水平和高水平炭基尿素處理導(dǎo)致土壤N2O年累積排放通量分別減少了3.1%和16.9%。

圖2 炭基尿素和尿素對毛竹林土壤 N2O 年累積排放量的影響Figure 2 Biochar-based urea and common urea effects on annual cumulative soil N2O effluxes in a Ph.edulis forest

2.2 炭基尿素和尿素對土壤環(huán)境因子的影響

由表1可知：試驗處理與處理后時間的交互作用對土壤含水量有顯著影響(P＜0.05)，對土壤溫度和MBN均具有極顯著影響(P＜0.01)；試驗處理、處理后時間及兩者交互作用對土壤、和WSON質(zhì)量分數(shù)以及脲酶和蛋白酶活性的影響達到極顯著水平(P＜0.01)。在本試驗5種處理下，毛竹林土壤溫度均具有顯著的季節(jié)性變化特征(圖3A)。7—9月土壤溫度最高，1—2月最低，但不同處理間土壤溫度無顯著性差異。由圖3B可見：在ck、LU、HU、LBU、HBU處理下，土壤含水量年均值分別為282.2、284.7、286.9、289.9和287.4 g·kg?1。與ck相比，施肥處理對土壤含水量年均值無顯著影響 (表 1)。

圖3 炭基尿素和普通尿素對毛竹林土壤溫度和含水量的影響Figure 3 Biochar-based urea and common urea effects on soil temperature and moisture content in a Ph.edulis forest

圖4 炭基尿素和尿素對毛竹林土壤不同形態(tài)氮組分的影響Figure 4 Biochar-based urea and common urea effects on different soil N fractions in a Ph.edulis forest

表2 炭基尿素和尿素對毛竹林土壤環(huán)境因子年均值的影響Table 2 Biochar-based urea and common urea effects on annual mean value of soil environmental factors in a Ph.edulis forest

由圖5可見：脲酶與蛋白酶活性隨季節(jié)變化呈現(xiàn)夏季高、冬季低的規(guī)律特征。相比于ck，LU和HU處理導(dǎo)致脲酶活性年均值分別提高了11.1%和15.6%；LBU和HBU處理使毛竹林土壤脲酶活性年均值分別降低了3.5%和12.9%(表2)。相比于ck，LU和HU處理均導(dǎo)致蛋白酶活性年均值顯著增加，增幅分別為10.2%和17.0%；LBU和HBU處理則降低了土壤蛋白酶活性年均值，降幅為2.3%和12.5%(表 2)。

圖5 炭基尿素和尿素對毛竹林土壤脲酶和蛋白酶活性的影響Figure 5 Biochar-based urea and common urea effects on activities of urease and protease in Ph.edulis forest soil

2.3 土壤 N2O 通量與土壤因子的關(guān)系

由表3可見：在所有處理下，土壤N2O通量與土壤溫度、WSON、脲酶和蛋白酶活性均呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)；與質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(P＜0.05)；但與土壤含水量均無顯著相關(guān)性。在ck、HU、LBU和HBU處理下，毛竹林土壤N2O排放通量與土壤和MBN質(zhì)量分數(shù)均呈顯著相關(guān)(P＜0.05)，在LU處理下毛竹林土壤N2O排放通量與土壤和MBN質(zhì)量分數(shù)無顯著相關(guān)性。

表3 毛竹林土壤 N2O 通量與土壤因子的相關(guān)性Table 3 Relationships between soil N2O efflux and environmental factors in a Ph.edulis forest

3 討論

3.1 炭基尿素和尿素對土壤N2O通量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，不同水平尿素處理均顯著提高了毛竹林土壤N2O年累積排放量；高水平炭基尿素處理顯著減少了土壤N2O年累積排放量。CORRêA等[33]研究發(fā)現(xiàn)：尿素施用顯著增加了暖季牧場土壤N2O的排放，李正東等[34]對小麥Triticum aestivum田土壤添加不同類型的炭基肥，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比，炭基復(fù)合肥顯著降低了土壤N2O的排放通量，減排幅度為56.0%～65.4%，這與本研究結(jié)果相似。施用炭基尿素減少土壤N2O排放的原因可能是炭基尿素中的生物質(zhì)炭增加了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，改善了土壤通氣性，吸附了大量活性氮組分，從而顯著降低了土壤反硝化速率，在一定程度上降低了N2O的排放速率[35?36]。

3.2 土壤溫度和含水量對N2O通量的影響

本研究中，在ck、LU、HU、LBU和HBU處理下，土壤溫度與毛竹林土壤N2O通量均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性。該結(jié)果與DENG等[37]的研究結(jié)果相一致。DUAN等[38]研究溫室菜地土壤發(fā)現(xiàn)：土壤N2O排放通量與土壤溫度也具有十分密切的關(guān)系。因此，土壤溫度是驅(qū)動土壤N2O排放變化的重要環(huán)境因子。但是，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同處理之間的土壤溫度沒有顯著差異，說明炭基尿素和尿素并不是通過改變土壤溫度來影響土壤N2O排放。這一發(fā)現(xiàn)與BAYER等[39]的結(jié)果一致，其研究表明土壤N2O排放受不同管理措施影響，但這種影響不是通過改變土壤溫度所致。

另外，本研究中，在ck、LU、HU、LBU和HBU處理下，土壤N2O通量與含水量之間的相關(guān)性均未達到顯著水平。以往的研究結(jié)果也表明：人為管理的草甸草原土壤N2O排放與土壤含水量之間也無相關(guān)性[40]；而ADELEKUN等[41]的研究結(jié)果表明：尿素處理下，土壤水分與N2O通量存在顯著相關(guān)性。不同研究結(jié)果的差異可能是由土壤類型、植被類型、集約管理措施和氣候條件的差異所致[42?43]。在本研究中，土壤N2O排放與含水量之間無相關(guān)性可能是因為在亞熱帶地區(qū)降雨量充足，大部分季節(jié)土壤含水量均較高[44?45]，因此，土壤含水量可能不是驅(qū)動土壤N2O排放變化的關(guān)鍵因子。

3.3 土壤氮素形態(tài)對 N2O 通量的影響

與ck相比，HU處理顯著增加了土壤WSON質(zhì)量分數(shù)，而炭基尿素處理顯著降低了土壤WSON質(zhì)量分數(shù)，并且土壤N2O通量與WSON質(zhì)量分數(shù)極顯著相關(guān)。WSON質(zhì)量分數(shù)降低的可能原因可能是：①炭基尿素減少了土壤中有機氮化合物的降解[47]；②炭基尿素中生物質(zhì)炭成分具有很高的比表面積，可以吸附可溶性的有機氮，從而降低WSON質(zhì)量分數(shù)[28]。這些結(jié)果表明：炭基尿素處理可能是通過減少土壤WSON質(zhì)量分數(shù)從而降低土壤N2O通量。

3.4 土壤酶活性對 N2O 通量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)：炭基尿素處理顯著降低了蛋白酶活性，HBU處理顯著降低了土壤脲酶活性。這與ZHOU等[43]的結(jié)果相一致。炭基尿素處理下脲酶和蛋白酶活性降低的原因可能是：①炭基尿素處理中生物質(zhì)炭成分具有較高的比表面積和陽離子交換量，可以吸附活性有機碳和有機氮，從而降低其對土壤微生物的生物有效性[48?50]；②炭基尿素處理中生物質(zhì)炭成分對有機物的吸附作用，降低了參與氮循環(huán)過程中的土壤酶活性[50?53]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)：在炭基尿素處理中土壤N2O通量與脲酶和蛋白酶活性極顯著相關(guān)。這表明炭基尿素處理抑制脲酶和蛋白酶活性可能是其減少土壤N2O通量的機制之一。

尿素處理顯著增加了土壤蛋白酶和脲酶活性，這與LIU等[54]的結(jié)果相一致。LIU等[54]的研究表明：化肥處理顯著提高了玉米Zea mays土壤脲酶活性。SAHA等[55]也發(fā)現(xiàn)：在旱作大豆Glycine max-小麥輪作體系中，施用化肥顯著提高了土壤蛋白酶活性。尿素處理下土壤脲酶和蛋白酶活性升高的機制可能是由于尿素施入提高了土壤氮素的有效性，從而增加了氮循環(huán)過程中相關(guān)酶的底物，提高了酶的活性[5,10]。此外，尿素處理下，土壤N2O通量與脲酶和蛋白酶活性極顯著相關(guān)。上述結(jié)果說明：尿素處理刺激脲酶和蛋白酶活性可能是其提高土壤N2O通量的機制之一。

4 結(jié)論

尿素處理顯著增加了毛竹林土壤N2O的年累積排放量，而炭基尿素處理顯著降低了毛竹林土壤N2O的年累積排放量。這表明：相比于尿素，施用炭基尿素可以減緩毛竹林土壤N2O的排放。此外，本研究結(jié)果表明：炭基尿素減少土壤WSON質(zhì)量分數(shù)以及抑制脲酶和蛋白酶活性可能是其降低土壤N2O排放的重要機制；尿素處理增加土壤N2O排放的重要機制是其提高了土壤WSON和NH4+-N質(zhì)量分數(shù)以及脲酶和蛋白酶活性。綜上所述，在人工林經(jīng)營管理實踐中，采取施用炭基尿素來代替施用尿素的措施，在給植物提供充足氮素養(yǎng)分并改善土壤理化性質(zhì)的同時，可以減少土壤溫室氣體的排放。