不同环境因子对南方典型蔗田原位和异位土壤NO通量的影响

胡宝叶，王贤凤，陈　鹭，印　亮，雷　聪，童月华，易志刚

（福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

不同环境因子对南方典型蔗田原位和异位土壤NO通量的影响

胡宝叶，王贤凤，陈鹭，印亮，雷聪，童月华，易志刚*

（福建农林大学资源与环境学院，福州 350002）

一氧化氮（NO）对近地表臭氧的形成具有重要作用，土壤生态系统是近地表NO的重要来源之一。土壤水分、温度等环境条件显著影响NO通量。以南方典型蔗田土壤为研究对象，通过室内培养研究不同环境因子（土壤水分、温度等）对原位和异位土壤NO通量的影响。结果表明：原位土壤NO通量显著高于异位土壤，厌氧条件下土壤NO通量显著大于好氧条件；土壤灭菌后NO通量显著降低；当土壤含水率为最大持水量的20%且在厌氧条件下，原位土壤NO通量最大，为24.1 ng N·m-2·s-1。25℃条件下NO释放速率最大。因此土壤NO主要由厌氧条件下的微生物过程产生，较低含水量和最适温度有利于NO的产生。

一氧化氮；原位土；异位土；温度；含水率；灭菌

胡宝叶，王贤凤，陈鹭，等.不同环境因子对南方典型蔗田原位和异位土壤NO通量的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（9）：1824-1828.

HU Bao-ye，WANG Xian-feng，CHEN Lu，et al.Effects of different environment factors on NO fluxes from intact and disturbed soils from the typical sugarcane field in Southern China［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1824-1828.

一氧化氮（NO）在对流层臭氧（O3）和羟基自由基的光化学反应过程中发挥重要作用［1］。NO参与一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）以及非甲烷碳氢化合物的催化氧化过程，从而导致对流层O3浓度升高［2］。据估计，全球土壤NO通量约为8.9 Tg N·a-1［3］，Kesik等［4］预测到2039年土壤NO通量将比目前提高9%。农田土壤则是最重要的土壤NO排放源［5］。Ciais等［6］估计农业土壤NO排放量约为3.7 Tg N·a-1，占全球人为排放源的近10%。NO不仅可被氧化为硝酸（HNO3）以及硝酸盐（）形成酸雨重新降落到地表，引起土壤或水体酸化、富营养化、生态系统N饱和等危害［2］，还可形成NH4NO3气溶胶降低大气能见度及辐射强度，从而影响植物生长［3］。因此，对农田土壤NO排放机理及影响因素进行研究，为寻求减缓农田NO排放提供有效措施，对改善全球环境变化具有重要意义。

微生物的硝化和反硝化作用是土壤NO产生的主要过程。硝化作用是铵盐（NH+4）被氧化为亚硝酸盐（NO-2），并进一步被氧化为的微生物过程；反硝化作用则是微生物利用和NO-2生成NO、氧化亚氮（N2O）和氮气（N2）的兼性厌氧过程［3］。灭菌、原位与异位、环境因子（好氧和厌氧条件、温度、水分等）等的改变可对微生物的硝化和反硝化过程产生影响，最终导致土壤NO通量的变化。温度作为一个重要参数决定土壤硝化及反硝化作用［7］。有研究表明：不同微生物群落对温度有不同最大响应值［8］，如：Myers等［9］研究表明热带土壤硝化作用最适温度为35℃。而另一些研究表明：0～35℃范围内，NO通量随温度上升呈指数形式上升［3］。全球或区域降水格局改变是当前气候变化的重要议题，降水势必会影响土壤含水量，而土壤湿度则是影响NO排放的另一重要因素［10］。室内培养研究往往存在将土壤风干、过筛及去除根系等问题，导致土壤物理结构发生极大破坏，过筛土壤室内培养实验不能很好地反映野外实际情况，因此通过原位和异位土壤的比较可以得到土壤物理结构对土壤NO的通量是否有影响。通过灭菌处理去除微生物及酶的作用，研究在NO产生中土壤非生物过程发挥的作用［11］，判断土壤NO产生是以土壤微生物产物为主或以物理化学过程为主。目前，虽然关于农业土壤NO释放的研究较多，但不同环境因子、尤其是原位和异位土壤NO通量的研究相对较少。

本研究以南方典型蔗田土壤为对象，通过室内培养，研究不同环境因子对原位和异位土壤NO通量的影响，并对其微生物作用进行了探讨。有利于在全球气候变化大背景下，更深入了解环境因子对土壤NO通量的影响以及农田土壤氮素转化过程，为进一步研究土壤NO排放机理奠定基础。

1　材料与方法

1.1供试土壤

实验土壤于2015年11月22日采自福建省福州市一甘蔗农田（26°26′N，119°14′E）。福州属典型的亚热带季风气候，年平均降水量为900～2100 mm；年平均气温为20～25℃。原位土柱使用圆柱形（内径为11 cm，高为12 cm）土钻无破坏取样。带回实验室后，24 h内将土柱无破坏地转移至自制亚克力材料圆柱形培养罐（内径为11 cm，高为15 cm）中。异位土柱则是在原位土柱旁10 cm处分层（0～5 cm和5～12 cm）取样，风干，去除植物残体和根系、过8 mm筛、混匀，分层填至上述培养罐中，填实高度与原位土柱一致。其中，供试土壤基本理化性质如表1所示。

1.2实验设计

所有土柱在25℃条件下预培养7 d。实验设计4个处理：①温度对原位土壤NO通量的影响：保持土壤含水率为20%最大持水量（Maximum water holding capacity，MWHC，通过每天加蒸馏水保持相对稳定含水量），设置3个温度（15、25℃和35℃，在人工气候箱中完成）。采样前土柱在设定温度和含水量条件下预培养24 h，每个处理3个重复。②不同含水率对原位和异位土壤NO通量的影响：保持土壤温度为25℃，设置3个含水率（20%、50%和80%MWHC），采样前土柱在设定温度和含水量条件下预培养24 h，每个处理3个重复。③灭菌对异位土壤NO通量的影响：使用高压蒸汽对异位土壤进行3次灭菌处理。调整含水率前用高纯氮气多次冲洗土柱，防止灭菌过程产生气体对土壤NO通量的影响。保持土壤温度为25℃，土壤含水率为20%MWHC，预培养24 h，每个处理设置3个重复。④好氧与厌氧环境对原位与异位土壤NO通量的影响：上述3个处理进气分别为空气与氮气，形成好氧和厌氧条件。

1.3样品测定

采用动态暗箱-化学发光法测定土壤NO排放通量。好氧条件下，进气口为不含NO的压缩空气（使用purafil和活性炭吸附剂去除空气中的NO），厌氧条件下进气口为高纯氮气，流量1000 mL·min-1左右，通气30 min后开始测量出气口浓度。测量仪器为Model 42i化学发光NO-NO2-NOx分析仪（Thermo Environmental Instruments Inc，USA），每5 s一个数据，取5 min平均值为样品测定值。

1.4数据处理与分析

根据通量定义和理想气体状态方程计算NO排放通量［12］，具体公式为：

表1　供试土壤理化性质（n=3）Table 1 Physical and chemical properties of the investigated soils（n=3）

式中：F为土壤NO通量，ng N·m-2·s-1；ΔC为出气口和进气口浓度差，nmol·mol-1；M为NO纯N的摩尔质量14 g·mol-1；Q为进气口流量，L·s-1；S为土壤面积，m2；MV为标况下气体的摩尔体积22.4 L·mol-1；T为土壤温度，℃。

使用SPSS18.0进行单因素方差分析，以Duncan多重检验法检验不同处理间土壤NO通量差异显著性，数据以平均值±标准差表示。使用Sigmaplot 12.5作图。

2　结果与讨论

2.1原位和异位土壤NO通量差异

好氧条件下，土壤含水率为20%MWHC时，原位土柱NO通量极显著大于异位土柱；土壤含水率为50%MWHC，原位土柱NO通量显著大于异位土柱；土壤含水率为80%MWHC，原位与异位土柱NO通量几乎相同（图1A）。厌氧条件下，原位土壤NO通量均极显著大于异位土壤（图1B）。好氧条件下，随着含水率增加，原位土壤NO通量与异位土壤NO通量差异越来越小，这可能是由于随着含水率增加，含水率成为控制土壤NO通量的主要因子，此时土壤物理结构的改变对NO通量的影响成为次要因素。当土壤含水率适宜土壤NO排放时，土壤物理结构对NO通量影响显著。这可能是由于土壤团聚体是土壤结构基本单元，是形成土壤良好结构的物质基础［13］，而异位土壤由于风干、去除根系结构、过筛等措施导致土壤团聚体发生极大破坏，从而造成异位土壤NO通量明显减小。曹元良等［14］在国家紫色土肥力定位监测点，对垄作免耕和常规轮作两种耕作方式下，不同大小土壤团聚体中几种形态氮素含量及脲酶活性分布模式进行了为期18年的研究。研究发现垄作免耕下各团聚体中全氮、微生物生物量氮及脲酶活性显著高于常规轮作。垄作免耕对土壤团聚体的破坏显著小于常规轮作。同理，原位土壤团聚体遭受破坏程度远小于异位土壤。因此，异位土壤相对于原位土壤NO通量显著降低原因可能在于原位土壤保护土壤团聚体中全氮免遭矿化，有利于微生物硝化作用［14］。

图1　含水率对土壤NO通量的影响（n=3）Figure 1 Effect of water content on soil NO fluxes

2.2土壤含水率对土壤NO通量的影响

从图1A可知，好氧条件下，原位土壤含水率为20%MWHC时，土壤NO通量最大。随着含水率增加，NO通量不断减少且不同含水率之间NO通量差异显著（P＜0.05）。厌氧条件下（图1B），原位土壤NO通量对含水率的响应与好氧条件下一致。说明含水率是影响原位土壤NO通量的重要因素。异位土壤在厌氧及好氧情况下均表现为：当土壤含水率为20%、50% MWHC时，NO通量几乎相同，当土壤含水率为80% MWHC时，NO通量显著减小。说明异位土壤只有当含水率达到一定值时才会抑制异位土壤NO排放。原因可能在于：当土壤可利用的水分较少时，微生物活性由于细胞内水势降低引起的水合作用酶活性下降而受到抑制。此外，土壤水分含量低亦会造成养分供应受限，从而降低微生物活性。但是，当土壤含水率超过某一水平时，土壤环境的厌氧程度增加，反硝化作用起主导作用，N2O、N2气体增加，NO通量也将逐渐减少［15］。此外，淹水状态下，由于土壤扩散限制产生的NO也很难从土壤释放到大气中［16］，进一步导致NO通量随着土壤含水率增加而减小。MWHC约为60%水分填充孔隙体积（Water-filled pore space，WFPS）。Yang等［17］在恒温室内培养条件下发现：土壤NO最大排放量出现在10%WFPS（约为16.5%MWHC）。Pilegaard等［18］在野外测定4月与9月NO排放情况，得出当土壤含水率为20%WFPS时，NO排放量最大。这些研究进一步证实土壤NO排放存在最适含水率值。

2.3好氧和厌氧条件下土壤NO通量差异

通过对比图1A、图1B可得出，除80%MWHC异位土壤外，厌氧条件下土壤NO通量均显著大于好氧条件（P＜0.05），原因可能在于：不同氧气浓度范围，硝化细菌以及反硝化细菌在陆地生态系统土壤NO产生中发挥重要作用。在氧气充足条件下，大部分NO来自铵态氮被氧化为亚硝态氮（硝化作用），少部分NO来源于硝态氮还原为亚硝态氮（反硝化作用）。相反，厌氧环境，绝大部分NO产生于反硝化作用，硝化作用几乎不发生。且厌氧条件下NO通量速率远大于好氧条件下。因此，室内培养条件下，NO通量速率随着氧分压减少而增大。Russow等［19］通过15N同位素标记实验得出当空气氧气分压为0时，87%的NO通过反硝化作用产生，并且厌氧条件下NO排放量是好氧条件下4倍，与本研究结果基本一致。

2.4温度对原位土壤NO通量的影响

如图2所示，好氧条件下，温度对原位土壤NO通量影响表现为：土壤温度为25℃时，NO通量达到最大值，小于或者大于25℃，NO通量均减小。厌氧条件下，原位土壤NO通量对温度的响应与好氧条件相一致，即25℃时，土壤NO通量最大。15℃与35℃好氧及厌氧条件下NO通量几乎相等，25℃时，厌氧条件下土壤NO通量极显著大于好氧条件。对于所有生物过程，温度都是一个重要调控因子。特定微生物群落对最适温度响应不同。当土壤温度为35℃时，热带土壤NO排放量最大［9］；在比较寒冷的区域，硝化细菌活性在2～10℃时最大［20］。本研究土壤所在地区为亚热带季风气候，年平均气温为20～25℃，据此也可推断NO产生最适温度为20～25℃，这与本研究结果相符。

2.5灭菌对土壤NO通量的影响

图2　温度对土壤NO通量的影响Figure 2 Effect of temperature on soil NO fluxes

如图3所示，当土壤未灭菌时，好氧和厌氧条件对土壤NO通量影响显著，厌氧土壤NO通量是好氧土壤NO通量10倍左右。而对于灭菌土壤，无论是好氧和厌氧，土壤NO通量几乎相同。好氧和厌氧条件下，非生物过程在NO产生中所占比重分别为8%和0.8%。可见生物过程是土壤NO产生的主要过程，且进一步证明厌氧条件下土壤NO通量显著大于好氧条件。产生NO非生物过程主要为化学反硝化作用。化学反硝化作用为低pH下，NO-2或者被还原为气态氮无酶参与的化学过程。这个过程需要铵根离子、胺或者还原性金属（如Fe2+）、高土壤有机质及土壤含水率。pH是土壤化学反硝化作用主要控制因素。NO-2浓度、温度以及土壤含水率被当作另外控制因素［3］。此外，为了防止灭菌过程对土壤NO通量产生影响，待土壤温度降为常温且在调整含水率前将高温高压灭菌过程中产生的气体抽出，并使用高纯氮气反复冲洗，使土壤处于完全厌氧的状态，可能是由于这一步骤导致未灭菌土壤NO通量远大于同一条件下只在土壤表面吹扫氮气时土壤NO通量。

图3　灭菌对异位土壤NO通量的影响Figure 3 Effect of sterilization on disturbed soil NO fluxes

3　结论

基于不同环境因子对南方典型蔗田原位和异位土壤NO通量影响的研究表明，原位土壤NO通量显著大于异位土壤，原位土柱代表了野外实际情况，因此以前使用过筛土壤进行试验可能低估了土壤NO的通量；厌氧条件下土壤NO通量显著大于好氧条件，说明反硝化过程在NO产生中起主要作用，且是一个微生物主导的反硝化过程；土壤含水率为20% MWHC时，该地农田土壤NO通量最大，随着含水率增加，NO通量迅速减少；特定微生物群落对最适温度响应不同，当温度为年平均气温25℃左右时，该农田土壤NO通量达到最大值。

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Effects of different environment factors on NO fluxes from intact and disturbed soils from the typical sugarcane field in Southern China

HU Bao-ye，WANG Xian-feng，CHEN Lu，YIN Liang，LEI Cong，TONG Yue-hua，YI Zhi-gang*
（College of Resources and Environment，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）

Nitric oxide（NO）plays significant roles on the formation of near-surface ozone，and soil ecosystem is one of the important source of the near-surface NO，which is influenced by many factors，such as water content and temperature.This study investigated the effect of different environment factors（soil water content，temperature etc.）on soil NO fluxes in laboratory.Soils were collected from typical sugarcane field in Southern China.The results showed that NO flux of intact soil column was significantly higher than that of disturbed soil column.Soil NO flux under anaerobic condition was significantly higher than that under aerobic condition.NO flux of disturbed soil reduced dramatically after sterilization.The highest NO flux appeared at the soil maximum water holding capacity of 20%for the non-sterilization intact soil column under anaerobic condition，with the value of 24.1 ng N·m-2·s-1，and the highest flux appeared at 25℃.The results demonstrated that the emission of NO from soil was mainly from microbial process under anaerobic condition.Low water content and the optimal temperature would benefit for the soil NO production.

nitric oxide；intact soil；disturbed soil；temperature；water content；sterilization

X511

A

1672-2043（2016）09-1824-05doi：10.11654/jaes.2016-0818

2016－06－17

国家自然科学基金项目（41473083）

胡宝叶（1991—），女，福建政和人，硕士研究生，从事痕量气体生物地球化学循环研究。E-mail：18750114538@163.com

易志刚E-mail：zhigangyi73@163.com