废弃物在抑制茉莉土壤温室气体产生中的应用

蓝 妮， 张礼宏， 严锦华， 王 纯， 曾 瑜， 王维奇,b

(1. 福建师范大学 a. 地理研究所；b. 生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007；2. 闽榕茶业有限公司，福建 福州 350018)



废弃物在抑制茉莉土壤温室气体产生中的应用

蓝 妮1a， 张礼宏1a， 严锦华2， 王 纯1a， 曾 瑜2， 王维奇1a,b

(1. 福建师范大学 a. 地理研究所；b. 生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007；2. 闽榕茶业有限公司，福建 福州 350018)

选取福州帝封江茉莉园为研究样点，采用室内培养-气相色谱法对对照、贝壳、石膏、炉渣、生物炭和花杆添加后土壤甲烷、氧化亚氮与二氧化碳产生进行了测定和分析。结果表明：在整个观测期内，对照、贝壳、石膏、炉渣、生物炭、花杆处理甲烷平均产生分别为0.014、0.012、0.012、0.012、0.013、0.014 μg/(g·d)，各处理分别比对照减少了16.7%、16.7%、15.2%、7.25%、2.17%；土壤氧化亚氮平均产生分别为0.008、0.014、0.030、0.015、0.009、0.019 μg/(g·d)，各处理均未减少氧化亚氮的产生；土壤二氧化碳平均产生分别为58.7、79.5、86.5、51.0、44.7、1050 μg/(g·d)，炉渣、生物炭分别比对照减少了13.1%和23.8%；贝壳、石膏的添加均能有效抑制茉莉土壤甲烷的产生；炉渣、生物炭的添加能有效抑制茉莉土壤甲烷和二氧化碳的产生；但各处理并未有效抑制茉莉土壤氧化亚氮的产生。

甲烷； 氧化亚氮； 二氧化碳； 废弃物； 茉莉园

0 引 言

由于对全球气候变暖的日益关注，有关农田温室气体排放在调节气候变暖中所起的作用研究不断增加。二氧化碳、甲烷和氧化亚氮是最为重要的温室气体类型[1]，其排放与减排过程是当今研究的热点与核心问题[2]。

工农业废弃物近年来在温室气体减排中的应用不断增加，但主要集中于秸秆、炉渣和生物炭施加的影响，其中，秸秆添加的影响已经基本达成共识。炉渣与生物炭可改良土壤并增加作物产量，使其在温室气体减排中的应用得到国际学者们的广泛关注[3-4]。目前，关于炉渣与生物炭对甲烷与氧化亚氮排放的影响研究都是独立开展的，结果显示，炉渣在日本、韩国的温带地区、中国的亚热带地区均可减少甲烷排放[5-6]，但对于氧化亚氮的影响则尚无定论，有研究指出，炉渣施加对氧化亚氮排放的影响并不显著[6]，更有研究指出炉渣的施加增加了氧化亚氮排放[5]，炉渣施加对二氧化碳排放的影响尚未见报道。然而生物炭对农田甲烷和氧化亚氮的影响研究结论与炉渣恰恰相反，生物炭对氧化亚氮的影响，无论是在德国的农田土壤，还是中国的稻田均得出了一致的结论，即生物炭施加可以有效地减少氧化亚氮排放[2,7]，对于甲烷排放的影响则没有定论[7-8]，对二氧化碳的影响更是鲜见报道。

此外，进一步筛选出更适于温室气体减排和肥力提升的工农业添加物也是当前生态学发展的新方向。基于此，本研究以福州帝封江茉莉园为研究样点，开展：①贝壳、石膏、炉渣、生物炭和花杆添加对茉莉土壤温室气体产生的影响；②工农业废弃物添加后是否通过改变土壤理化特征进一步影响温室气体产生。预期可为筛选福州茉莉种植合适的温室气体减排策略提供参考，也可填补国际上在该领域研究的不足。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点

研究区位于福建省福州市帝封江茉莉园，E118°08′～120°31′，N25°15′～26°39′。属于亚热带海洋性季风气候，全年冬短夏长，温暖湿润，雨量充沛，无霜期达326 d。年平均日照时间为1 700～1 980 h，年降水量为900～2 100 mm，年平均气温为19.6 ℃，最冷月为1～2月，最热月为7～8月。

1.2 土壤样品的采集与添加物制备

2014年4月，在福州帝封江茉莉园随机选取3个重复采样点，采集0～30 cm土壤，将鲜土样品自然风干后，挑去残体根系，研磨过2 mm、0.154 mm筛，分别放入自封袋中密闭，备用。

生物炭制备：550 ℃下经O-KTF1200管式炉(江苏宜兴市前锦炉业)烧制而成，贝壳、石膏、炉渣、茉莉花生物炭、茉莉花杆粉碎过1 mm孔筛。添加物中贝壳、石膏、炉渣、茉莉花生物炭、茉莉花杆的总碳含量分别为123、7.26、6.52、222、448 g/kg，总氮含量分别为2.63、0.138、0.145、4.70、29.5 g/kg，全磷含量分别为0.387、0.053、0.085、2.21、1.59 g/kg。

1.3 实验设计

1.3.1 甲烷、氧化亚氮与二氧化碳产生的测定

分别称取相当于烘干土重10 g的风干土放入120 mL的培养瓶，再分别加入贝壳、石膏、炉渣、茉莉花生物炭、茉莉花杆，添加物为2 %的土壤质量[9]，并设置对照，每个培养样品设置3个重复，共6个处理。用硅橡胶塞塞住瓶口，瓶塞周围以704胶密封，在塞住瓶口的硅橡胶塞的两边打两个孔，插入玻璃管，一根较长，插入泥浆中，作为测定气体产生时夹口；另一根较短，稍稍插入培养瓶即可，作为气体取样口。将培养瓶放入28℃培养箱中培养，分别在第1、3、7、14、21、28、35、42、49、56 d测定甲烷、氧化亚氮与二氧化碳产生，甲烷、氧化亚氮与二氧化碳产生通过分析密闭培养一定时间后培养瓶内甲烷、氧化亚氮与二氧化碳浓度的变化求得。

1.3.2 土壤理化特征测定

1.3.3 气样分析

甲烷、氧化亚氮和二氧化碳气体浓度分别由两台日本岛津公司生产的GC-2014气相色谱仪测定。甲烷测定检测器为FID(氢离子火焰化检测器)，检测条件为柱温70 ℃，检测器温度200℃，载气流速30 mL/min。二氧化碳测定采用甲烷转换炉转化后与甲烷测定条件一致。氧化亚氮测定检测器为电子捕获检测器，检测条件为柱温70 ℃，检测器温度320 ℃，载气流速30 mL/min。

1.3.4 气样产生与综合增温潜势计算

甲烷、氧化亚氮和二氧化碳产生计算公式为：

(1)

式中：P为气体产生质量(μg/(g·d))；dc/dt为培养箱内气相气体浓度单位时间变化(μmol/(mol·d))；VH为培养瓶内上部空间体积(L)；Ws为干土质量

(g)；MW为气体的相对分子质量；MV为标准状态下气体摩尔体积(22.4 L/mol)；T为培养瓶内温度(K)。

以二氧化碳为参照气体，100 a时间尺度的综合温室效应计算公式[1]为:

(2)

式中：PGW为综合增温潜势值(mg(CO2-eq)/g)；RN2O为观测期(56 d)的氧化亚氮累积释放量(μg/g)；RCH4为观测期(56 d)的甲烷累积释放量(μg/g)；RCO2为观测期(56 d)的二氧化碳累积释放量(μg/g)。

1.4 数据处理

原始数据的平均值及标准差的计算采用Excel 2003，采用SPSS 13.0中One-Way ANOVA对不同处理甲烷、氧化亚氮和二氧化碳产生、累积与综合增温潜势、不同处理土壤理化特征的差异性进行检验，同时采用SPSS 13.0中Pearson相关分析来分析甲烷、氧化亚氮及二氧化碳和土壤理化特征间的关系。

2 结果与分析

2.1 废弃物添加对土壤甲烷产生的影响

整个观测期内，对照、贝壳、石膏、炉渣、生物炭、花秆处理表现为甲烷产生最大值均出现在第35 d(见图1)，分别为0.021、0.017、0.017、0.018、0.018、0.021 μg/(g·d)。其中，对照、贝壳、石膏、炉渣、生物炭处理表现为甲烷产生最小值均出现在第21 d(图1)，分别为0.009、0.007、0.007、0.007、0.007 μg/(g·d)，花杆处理甲烷产生最小值则出现在第1 d(图1)，为0.010 μg/(g·d)。

图1 土壤甲烷产生

不同处理甲烷产生总体表现为：对照>花秆>生物炭>炉渣>贝壳>石膏(见表1)，花杆、生物炭、炉渣、贝壳、石膏处理产生分别减少了2.17%、7.25%、15.2%、16.7%、16.7%，其中，炉渣、贝壳、石膏处理与对照存在显著差异(P<0.05)。

表1 土壤温室气体产生的差异性

注：同一行中不同字母表示差异性显著，P<0.05

2.2 废弃物添加对土壤氧化亚氮产生的影响

整个观测期内，对照、石膏、炉渣、生物炭处理表现为氧化亚氮产生最小值均出现在第14 d(见图2)，分别为0.003、0.002、0.002、0.002 μg/(g·d)。其中，石膏、炉渣处理表现为氧化亚氮产生最大值均出现在第28 d(见图2)，分别为0.220、0.082 μg/(g·d)。对照、生物炭处理则表现为氧化亚氮产生最大值分别出现在第3 d和第1 d(见图2)，分别为0.017、0.033 μg/(g·d)。贝壳处理氧化亚氮产生最大值和最小值分别出现在第21 d和第7 d(见图2)，分别为0.074、0.006 μg/(g·d)。花杆处理氧化亚氮产生最大值和最小值则分别出现在第1 d和第21 d(见图2)，分别为0.033、0.111 μg/(g·d)。

不同处理氧化亚氮产生总体表现为：石膏>花杆>炉渣>贝壳>生物炭>对照(见表1)，石膏、花杆、炉渣、贝壳、生物炭处理均未减少茉莉土壤氧化亚氮产生，且均与对照无显著差异(P>0.05)。

2.3 废弃物添加对土壤二氧化碳产生的影响

整个观测期内，对照、贝壳、石膏、炉渣处理表现为二氧化碳产生随着培养时间的增加先增加后降低的趋势(见图3)。对照、贝壳、石膏、炉渣处理表现为二氧化碳产生最小值均出现在第42 d(见图3)，分别为38.4、32.7、30.8、30.4 μg/(g·d)。其中，对照、石膏、炉渣处理表现为二氧化碳产生最大值均出现在第3 d(图3)，分别为128、138、95 μg/(g·d)。而贝壳处理二氧化碳产生最大值则出现在第1 d(图3)，为204 μg/(g·d)。花杆处理二氧化碳产生最大值和最小值则分别出现在第7 d和第14 d(图3)，分别为2 241、298 μg/(g·d)。

图2 土壤氧化亚氮产生

图3 土壤二氧化碳产生

不同处理二氧化碳产生总体表现为：花杆>石膏>贝壳>对照>炉渣>生物炭(表1)，炉渣、生物炭处理二氧化碳产生分别降低了13.1%和23.8%，花杆显著增加了茉莉土壤二氧化碳产生(P<0.05)，其他处理均增加了茉莉土壤二氧化碳产生。

2.4 废弃物添加对土壤温室气体综合温室效应影响

为了更好地评价废弃物添加对福州茉莉土壤温室效应的影响，运用温室效应潜势综合估算甲烷、氧化亚氮和二氧化碳3种温室气体对大气的潜在增温效应，以进一步阐明废弃物添加对福州茉莉土壤温室效应是促进还是抑制。

表2为6种不同处理下福州茉莉土壤在观测期内甲烷、氧化亚氮和二氧化碳累积释放量及其温室效应。从表2可以看出，贝壳、石膏、炉渣、生物炭、花杆处理均以氧化亚氮和二氧化碳为茉莉土壤温室效应主要贡献者。贝壳、石膏、炉渣处理下的甲烷累积释放量和温室效应与对照相比显著降低(P<0.05)，分别比对照处理低1.32 μg/g和0.045 mg (CO2-eq)/g、1.32 μg/g和0.045 mg (CO2-eq)/g、1.17 μg/g和0.040 mg (CO2-eq)/g；石膏和花杆处理下的氧化亚氮累积释放量和温室效应与对照相比显著增加(P<0.05)，分别比对照处理高12.5 μg/g和3.74 mg (CO2-eq)/g、6.30 μg/g和1.88 mg (CO2-eq)/g；花杆处理下的二氧化碳温室效应与对照相比显著增加(P<0.05)，比对照处理高555 mg (CO2-eq)/g。从综合温室效应来看，花杆处理综合温室效应与对照相比显著增加(P<0.05)，增加了1 622 %。

表2 废弃物添加条件下对福州茉莉土壤温室气体累积释放量及其温室效应

注：同一列中不同字母表示差异性显著，P<0.05

2.5 废弃物添加对土壤理化特征的影响

2.6 土壤环境因子与温室气体产生的关系

整个观测期内，对不同处理土壤理化特征与甲烷、氧化亚氮和二氧化碳产生的相关性进行综合分析可知(见表4)，茉莉土壤的N、Eh与甲烷产生呈显著正相关；茉莉土壤的N、Eh、EOC与二氧化碳产生呈极显著正相关，土壤的C、pH与二氧化碳产生呈显著正相关，土壤NO3-含量与二氧化碳产生呈显著负相关；而各土壤理化特征均与氧化亚氮产生无相关性。

3 讨 论

3.1 废弃物添加对土壤理化特征的影响

表3 不同处理方式下土壤理化特征的差异性

注：同一行中不同字母表示差异性显著，P<0.05

表4 不同土壤理化特征与温室气体产生的相关性

注：*表示显著相关，P<0.05；**表示极显著相关，P<0.01

3.2 废弃物添加对温室气体产生的影响

3.2.1 废弃物添加对土壤甲烷产生的影响

本研究中，贝壳、石膏、炉渣能显著抑制甲烷的产生。本实验选用的贝壳中，CaCO3的含量为95%。贝壳添加能显著降低甲烷的产生，这可能与贝壳中含有丰富的钙，将会提高土壤的pH，抑制了甲烷产生菌的活性，进而降低甲烷的产生。石膏添加能显著降低甲烷产生，本实验选用的石膏为城市装修的石膏渣经烘干研磨过筛而成，主要成分为CaSO4·2H2O，其施加后增加了土壤中的硫酸盐含量，而硫酸盐还原菌可与产甲烷菌竞争相同的基质，如醋酸、低分子有机碳化合物等，从而发生还原作用，进而能明显地抑制甲烷的产生[13]。炉渣施加能显著抑制甲烷的产生，这与前期研究指出的炉渣能有效抑制甲烷的产生的结论相符合[5-6]，本实验选用的炉渣中，含有4.8%的Fe2O3，其施加后增加了土壤中的Fe3+电子受体含量，这将会抑制甲烷的产生。

3.2.2 废弃物添加对土壤二氧化碳产生的影响

本研究中，仅表现为炉渣、生物炭减少了土壤二氧化碳产生，而花杆的添加显著增加了二氧化碳的产生。炉渣能减少二氧化碳的产生，可能是由于炉渣的添加增加了电子受体的含量，抑制了相关产生二氧化碳微生物的活性，因此降低了二氧化碳的产生。生物炭对二氧化碳产生的抑制作用是因为生物炭具有较大的表面积、较高的交换特性和土壤团聚体的物理保护功能，使得在其添加后土壤有机碳总矿化量下降。花杆添加显著增加了二氧化碳产生，其原因是：首先，秸秆添加后，增加了土壤中的碳底物含量，从而增加二氧化碳的产生；其次，添加的秸秆本身分解的最终产物也是二氧化碳，这将进一步增强土壤的二氧化碳释放量。

此外，本实验中，不同工农业废弃物对氧化亚氮产生的影响不显著，这可能是由于土壤氧化亚氮的产生是受多因子的综合影响，土壤的硝化作用与反硝化作用是氧化亚氮产生的主要机制，而本次实验中并未探讨这两个过程。因此，关于工农业废弃物对氧化亚氮产生的影响及其机制仍需进一步开展更为深入地研究予以揭示。

3.3 环境因子对温室气体产生的影响

本研究中，N含量与甲烷产生存在显著的正相关关系，是因为N是控制土壤微生物生长与C释放过程的主要限制性养分因子。土壤Eh与甲烷产生呈显著正相关，说明甲烷产生并不一定受Eh的控制，同时也间接说明了在本研究中Eh并不是决定不同工农业废弃物添加后茉莉土壤甲烷产生的主要因素。

4 结 论

(1)在整个培养周期内，贝壳、石膏、炉渣可显著抑制福州茉莉土壤甲烷产生。

(2)贝壳、石膏、炉渣、茉莉花生物炭、茉莉花杆的添加均对氧化亚氮产生的影响不显著。

(3)炉渣、茉莉花生物炭一定程度上降低二氧化碳产生，茉莉花杆添加显著增加了二氧化碳的产生。

(4)从外源物质添加对福州茉莉土壤温室气体产生的综合效应与土壤理化特征的影响来看，与对照相比，贝壳、石膏、炉渣、茉莉花生物炭并未显著增加茉莉土壤温室气体产生综合增温潜势.与此同时，还一定程度上增加了土壤养分含量，可作为茉莉土壤的有效添加物，茉莉花杆处理显著增加了土壤温室气体产生综合增温潜势，虽然在改良土壤养分中具有一些优点，但在今后茉莉管理中，直接秸秆还田方式仍需慎重考虑，使用由其制备的生物炭是更佳的选择。

致谢：本研究在野外采样和室内分析过程中得到福建师范大学地理科学学院杨柳明老师、彭园珍老师以及汪旭明、曾冬萍、张礼宏等同学的帮助，在此真诚地表示感谢。

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Application of Waste Inhibition on Jasmine Soil Greenhouse Gas Production

LANNi1a,ZHANGLi-hong1a,YANJin-hua2,WANGChun1a,ZENGYu2,WANGWei-qi1a,b

(1a. Institute of Geography; b. Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process, Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Minrong Tea Company, Fuzhou 350018, China)

Difengjiang Jasmine Garden of Fuzhou was chosen as the study site. Methane, nitrous oxide and carbon dioxide production were in the control, and shell, gypsum, slag, biochar and straw addition treatments were determined by experiment incubation-gas chromatogram method. The results showed: During the whole observation period, averaged methane production were 0.014, 0.012, 0.012, 0.012, 0.013, 0.014 μg/(g·d), respectively. All addition treatment were decreased by 16.7%, 16.7%, 15.2%, 7.25%, 2.17% comparison with the control, respectively. Averaged nitrous oxide production were 0.008, 0.014, 0.030, 0.015, 0.009, 0.019 μg/(g·d), respectively. All addition treatments were not decreased nitrous oxide production comparison with that of the control, respectively. Averaged carbon dioxide production were 58.7, 79.5, 86.5, 51.0, 44.7, 1050 μg/(g·d), respectively. Slag, biochar addition treatment were decreased by 13.1%, 23.8% comparing with the control, respectively. Shell, gypsum addition inhibited the jasmine soil methane production. Slag, biochar addition inhibited the jasmine soil methane and carbon dioxide production, however, all addition could not inhibit the jasmine soil nitrous oxide production.

methane; nitrous oxide; carbon dioxide; waste; jasmine garden

2015-08-31

福州市科技计划项目(2014-G-66)；福建省大学生创新性实验计划项目(cxxl-2014092、201510394071)

蓝 妮(1993-), 女, 广西来宾人, 学士，主要研究方向为生态与环境。Tel.: 13424048635; E-mail:ni_lan16@163.com

王维奇(1982-), 男，辽宁沈阳人，助理研究员，主要研究方向为生态与环境。

Tel.: 13459193831; E-mail: wangweiqi15@163.com

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A

1006-7167(2016)05-0035-06