沼液施用及葡萄糖添加对赤红壤温室气体排放的影响

罗献宝 周常茂 李清 许颖峰 奉小明

摘要：【目的】探究冬季利用园地消纳沼液对赤红壤温室气体排放的影响及排放通量与土壤温、湿度的关系，为冬季园地适宜的沼液施用管理提供参考。【方法】采用土柱培养方式，分别以每隔6（S6）、12（S12）和18 d（S18）的频率浇灌沼液，连续72 d观测土壤温室气体的排放通量，研究沼液施用的影响效应；此外，通过5 d的短期培养试验，研究沼液和葡萄糖配合施用对土柱土壤温室气体排放的影响效应。【结果】与纯水处理相比较，S6处理的土壤CH4、CO2和N2O累积排放通量均显著增加（P<0.05）；虽然S12和S18处理的累积排放量均高于纯水处理，但是处理间无显著差异（P>0.05）；在沼液中添加葡萄糖，施用后土壤的CH4、CO2和N2O排放通量分别是纯沼液处理的1.8、25.0和3.9倍；回归拟合显示，S6处理的N2O排放通量与土壤温度和湿度均呈指数函数关系。【结论】冬季在园地土壤施用沼液的间隔期应大于6 d，且应避免与新鲜的有机质同时施用，以减少沼液对土壤温室气体排放的增强效应。

关键词： 沼液；温室气体（GHG）；甲烷（CH4）；二氧化碳（CO2）；一氧化二氮（N2O）；葡萄糖

中图分类号： S19 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）07-1311-07

0 引言

【研究意义】大气中温室气体（GHG）浓度的持续升高已引发广泛和持续关注。农田土壤是陆地生态系统中储量巨大的碳库和氮库，其中有机碳的矿化和厌氧分解、氮素的硝化和反硝化作用等过程均影响土壤与大气之间的GHG交换通量。因此，农田土壤碳氮管理对环境的影响不可忽视。我国是世界最大的畜禽生产国之一，养殖场处理粪污的途径主要是通过厌氧发酵处理，目前全国拥有122×108 m3沼气池，每年产生3.85×108 t沼液（Huang et al.， 2014）。农田施用沼液可增加土壤养分和有机碳，而碳氮输入过高则可能引发负面影响，例如增加土壤GHG排放等。因此，科学地评估沼液施用的环境效应，对指导沼液在农田土壤利用具有重要的现实意义。【前人研究进展】目前已有较多研究报道沼液在农田土壤上的應用（孙国峰等， 2012； 廖青等， 2013； 魏世清等， 2013），大多研究认为施用沼液导致农田土壤GHG排放增加。例如，Terhoeven-Urselmans等（2009）研究表明，施用沼液增加了大麦土壤的CO2排放；Odlare等（2012）通过土柱培养研究发现施用沼液大幅度地增加土壤N2O的排放；靳红梅等（2013）以蔬菜地为研究对象，得出沼液施用导致N2O排放增加的结论；Win等（2014）报道在稻田条件下，沼液施用显著增加了CH4的排放量。尽管如此，也有少量的研究认为施用沼液并不会增加土壤GHG的排放（沈仕洲等， 2015； Severin et al.， 2015； 王小非等， 2017）。【本研究切入点】在已有研究中，土壤施用沼液的环境效应多侧重于作物生长季节的影响，鲜见有关冬季影响效应的研究报道。虽然冬季土壤微生物和植物根系的活动较弱，但冬季养殖场所产生的沼液仍需通过土壤消纳，目前在这方面的研究还极少。本研究重点关注于冬季（作物非生长季节）沼液施用对园地土壤GHG排放的影响，有助于全面认识沼液施用的环境效应。【拟解决的关键问题】通过土柱培养方式模拟田间常规沼液浇灌用量，即每次浇灌至田间持水量饱和状态，研究不同沼液施用频率对土壤GHG排放的影响效应，为明确冬季园地适宜的沼液施用管理提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试土壤采自广西南宁市双定镇中和村（北纬22o 59'， 东经108o 6'），其地处南亚热带季风气候区，年平均降水量1290 mm，年平均气温21.4 ℃，区域内主要种植香蕉。2015年6月在选定的蕉园内采集表层0～30 cm土壤，置于室内风干，捡出石砾和残余根系，通过孔径为2.0 mm的尼龙筛，混合均匀待用。供试土壤为河流冲积母质发育的赤红壤，pH 4.61，有机质15.2 g/kg，有效氮129 mg/kg，速效磷23.6 mg/kg，速效钾87.4 mg/kg，土壤饱和持水量36.8%（干土基）。

供试沼液由土壤采样点附近的养猪场提供。猪舍排出的粪污经过多个相互衔接的厌氧发酵池，最终产物经过固液分离设备，沼液部分送至实验室，置于4 ℃条件下贮藏备用，施用前于室温环境下平衡温度。沼液pH 7.43，有机质0.21%，总氮0.25 g/100 mL，P2O5 0.01%，K2O 0.05%。在每次浇灌前，先将沼液通过孔径为1 mm的尼龙筛网，去除其中较大的固体颗粒（Chiumenti et al.， 2013）。

1. 2 土柱培养试验

试验采用土柱模拟培养的方式，在聚丙烯密封盒中填装待培养的风干土壤。密封盒的尺寸（长×宽×高）为11×8×28 cm，土柱高度为20 cm，密封盒中填装风干土壤的质量为1.85 kg。试验期间，土柱被置于室外环境，顶部遮雨材料为高透光大棚塑料膜。试验开始前，用纯水灌溉土柱至水分饱和，以此完成1周的土壤预培养。土柱培养试验包括试验I和试验II（表1）。试验I的主效应是不同的沼液施用频率，设3次重复，采用随机区组设计；沼液和纯水通过滴灌头施入，滴灌处理时长约2 h，以土柱达到饱和田间持水量为终点，试验I的总时长为72 d。粪污经过厌氧发酵处理，沼液中的有机碳和氮多被转化为腐殖质，在土壤中可被微生物转化的有机碳和氮数量有限。因此，本研究设计了葡萄糖添加试验（试验II），检验在补充易分解态有机碳的条件下沼液对土壤GHG排放的影响效应。试验II的土柱培养方法与试验I相同，其中，纯水和沼液的滴灌量都是400 mL（相当于土壤孔隙水含量的50%），葡萄糖的处理方式是将其溶解后与沼液共同施用，设置两个添加剂量，分别是20 g（即5%，w/v，处理WG和SG）和10 g（处理SG/2），试验II的总时长为5 d。

土柱培养期间，定期采集气体样品以计算土壤GHG的排放通量。采样时，首先扣上密封盒盖，然后通过密封盖上联通内部顶空的PVC管，抽取30 mL气体样品至一次性注射器中，每个处理分别采集3个气体样品，时间间隔为10 min。样品采集完毕后，卸下密封盒盖并保持通风状态。采集气体样品的时间间隔分别是每隔1 d（试验I）和12 h（试验II）。

1. 3 检测项目

采用土壤温/湿度复合传感器（大连哲勤MS10，中国）对土壤温度和水含量进行连续性监测。温度传感器为铂电阻电极，水分传感器为频域反射仪（FDR）。土柱中传感器的埋置深度为5 cm，数据采集器及软件均由大连哲勤科技有限公司提供，采样频率是每分钟30次。气体样品在采集后的24 h内分析完毕，用气相色谱仪（安杰伦7890A，美国）分析气体样品中CH4、CO2和N2O浓度，色谱分析的标准气体由国家标准物质中心提供。土壤GHG排放瞬时净通量的计算公式如下：

式中，F表示被测GHG排放的瞬时净通量[mg/（kg·h）或ng/（kg·h）]；Ti表示采气体样品时的环境温度；dc/dt表示样品中温室气体浓度随时间的变化速率；Mr表示被测温室气体的相对分子量；Vbox表示土柱培养密封盒的顶空体积（L）；Wsoil表示培养土壤的干土质量（kg）。

1. 4 统计分析

土壤温室气体排放量的计算方法是瞬时净通量乘以相应的时间，根据观测步长，累积排放量由排放量的累加计算得出。在两次气体样品采集的间隔时期，土壤瞬时净通量采用线性插值法估算。使用Origin 9.0完成通量插值及变量间的非线性拟合，并绘制图形；处理间显著性差异采用方差分析法进行检验；处理间的多重比较采用新复极差法（Duncans）。

2 结果与分析

2. 1 土壤环境条件的变化情况

在土柱培养试验期间，土壤和环境的平均温度呈同步变化趋势（图1-b），两者的平均温差为0.2 ℃，最大温差0.8 ℃。根据总体变化特征，土壤与环境的温度变化可分为前期（1～36 d）和后期（37～72 d）两个阶段，前期温度高且波动小，平均温度为24.4 ℃，变异系数14%，后期温度相对低且波动较大，平均温度为18.2 ℃，变异系数28%。

图1-c为日平均土壤体积水含量（VWC，%）的变化过程。在每次滴灌沼液或纯水后，土壤VWC迅速上升（图1-a和图1-c）。总体上，沼液处理土壤VWC的平均值（19.2%）极显著高于纯水处理（11.7%）（F=383.4>F0.01=6.69，df1=1，df2=430）。可见，施加沼液可明显提高土壤持水能力。在不同的滴灌处理间，土壤VWC排序分别为S6>S12>S18和W6>W12>W18。此外，以平均值比较，试验前期各处理的土壤VWC均低于后期，其中S6、S12和S18处理前期的土壤VWC分别为20.2%、14.2%和14.1%，而后期相应处理的土壤VWC分别为23.9%、21.6%和20.4%。

2. 2 施用沼液对土壤GHG排放的影响

2. 2. 1 施用沼液对土壤CH4净排放通量的影响 沼液处理中土壤CH4排放的瞬时净通量高于纯水处理，且排放通量的峰值均出现在沼液处理的次日，过后迅速回落至与对照相当水平（图2-a）。在72 d的培养期间，沼液处理的CH4瞬时净通量分别为0.259（S6）、0.076（S12）和0.189（S18） mg/（kg·h），而纯水处理分别为-0.002（W6）、-0.007（W12）和0.002（W18）mg/（kg·h）。以累积排放量表示土壤CH4的排放过程（图2-e），沼液处理CH4累积排放量的排序为S6（373.0 mg/kg）>S18（258.0 mg/kg）>S12（96.3 mg/kg），其中，沼液处理S6与纯水处理间差异达显著水平（P<0.05，下同）（表2）。因此，总体上施用沼液处理的土壤表现为大气CH4的排放源，而纯水处理的土壤则是CH4的弱汇。

2. 2. 2 施用沼液对土壤CO2净排放通量的影响 如图2-c和图2-f所示，不同施用间隔期的处理之间，土壤CO2排放量的差异很小。在施加沼液后，雖然个别处理出现了排放高峰，但次数和强度均相对有限。各处理的土壤CO2瞬时排放通量的平均值分别为118.0（S6）、53.3（S12）、59.1（S18）、63.4（W6）、39.9（W12）和33.9（W18）μg/（kg·h）。在后期，S6处理出现两次较大强度的排放通量（图2-c），导致该处理的CO2总排放量迅速上升（图2-f）。方差分析结果显示，虽然S6处理的土壤CO2累积排放量（202.0 mg/kg）明显高于其他处理，但其与各处理间的差异并未达显著水平（P>0.05，下同）（表2）。因此，沼液施用对供试土壤CO2的排放量未产生显著影响。

2. 2. 3 施用沼液对土壤N2O净排放通量的影响 受沼液施用的影响，土壤N2O瞬时排放净通量均不同程度地高于纯水滴灌处理，其中S6处理的排放通量最大（图2-d），从第19 d开始，S6处理的N2O瞬时排放净通量一直高于其他处理。在整个观测期间，各处理的土壤N2O瞬时排放通量的平均值分别为19.70（S6）、5.10（S12）、3.40（S18）、0.29（W6）、0.40（W12）和0.05（W18）ng/（kg·h）。以土壤的累积N2O排放通量计算，S6处理的总排放量显著高于其他处理（表2），而S12和S18处理与W6、W12和W18处理间差异不显著。因此，沼液施用的间隔期12 d及以上对土壤的N2O排放量无显著影响。

方差分析进一步表明，培养前期（1～36 d）与后期（37～72 d）土壤温室气体的累积排放量之间无显著差异。

2. 3 葡萄糖添加对土壤GHG排放的影响

如图3-a所示，在施加沼液后12 h，SG处理的CH4排放通量大约是S处理的2倍，两者CH4排放通量的平均值分别为131.0和77.0 μg/（kg·h）。不仅如此，WG处理的CH4排放通量也高于W处理，两者的平均值分别为15.0和3.7 μg/（kg·h）。受葡萄糖添加的影响，土壤CH4排放的激发效应持续到36 h，过后逐渐回复到对照的水平。

与CH4排放相比较，葡萄糖添加影响土壤CO2排放的時间响应方式不同。如图3-b所示，WG和SG处理在第60 h出现明显的排放高峰。在最高排放峰处，沼液处理CO2排放通量的平均值分别为23.50（SG）和0.03（S）μg/（kg·h）；而WG处理与纯水处理的CO2排放通量的平均值分别为7.50（WG）和0.10（W）μg/（kg·h）。沼液（S）和纯水（W）处理与对照的CO2排放通量间无明显差异（图3-b），增强的CO2排放通量只出现在添加了葡萄糖的处理SG和WG。

添加葡萄糖的沼液明显地刺激了土壤N2O的排放。在图3-c中，沼液处理S、SG和SG/2的N2O排放通量在第12 h明显高于对照。在第24 h，S处理的N2O排放通量开始下降，而此时SG和SG/2处理的N2O排放通量继续升高至最高值，两者的瞬时排放通量均为138.0 ng/（kg·h）[S处理为30.5 ng/（kg·h）]，然后再缓慢回落。在72 h前，SG和SG/2处理的排放通量始终高于其他处理。图3-c还显示，WG处理也出现了N2O排放通量升高的现象，但强度明显低于SG处理。

3 讨论

3. 1 赤红壤CH4排放对沼液施用的响应

本研究表明，土壤施用沼液后CH4的累积排放量均不同程度高于纯水处理，其中S6处理与其他处理的差异达显著水平，说明沼液浇灌增加了土壤CH4的排放量。前人研究表明，沼液施用可不同程度地增加冬小麦（孙国峰等，2012）和水稻（Win et al.， 2014）田土壤的CH4排放；尽管如此，Severin等（2015）在连续37 d的土柱培养试验中，却未发现沼液增加土壤CH4排放，其区别可能是由于后者应用了低黏性的土壤。土壤CH4排放高峰全部出现在沼液施用的次日，随后CH4瞬时排放通量迅速回复到正常水平，其主要原因是施用沼液后土壤水含量上升至饱和[土壤持水量（WHC）=100%]的结果。由于沼液经充分的厌氧发酵处理，其中易分解的活性有机碳所占的比例很小，因此有机碳底物的输入可能不是引发CH4排放峰的关键原因，而添加葡萄糖试验的结果可支持这一观点，即沼液添加高生物有效性葡萄糖可强烈刺激土壤的CH4排放。不仅如此，根据土壤CH4排放通量与土壤VWC的关系可发现，当土壤VWC高于25%时，两者呈显著的指数性关系，可能是供试土壤达到充分厌氧条件的水分临界点（图4）。

3. 2 赤红壤CO2排放对沼液施用的响应

沼液含有丰富的养分和有机碳，施用后短期内可以激发土壤CO2排放通量升高，但在72 d内，沼液施用对土壤CO2的累积排放量并无显著影响。在本研究中，土壤CO2累积排放量最高的处理是S6（202.0 mg/kg），接近于W6处理（103.0 mg/kg）的2倍。尽管如此，两者的总体差异并不显著（表2）。在有关沼液的相似研究中，已有研究表明施用沼液对土柱或田间土壤的CO2排放量无显著影响（S?nger et al.，2011；Severin et al.，2015；沈仕洲等，2015；王小非等，2017）。虽然有研究认为，施用沼液可能增加春小麦土壤的CO2排放（Terhoeven-Urselmans et al.， 2009），但该结果仅出现于夏季，较高的土壤温度可能增强了土壤微生物的分解活性。在本研究中，虽然沼液添加葡萄糖的处理增加了土壤CO2排放通量，但是延迟至48 h后才出现CO2排放高峰。本研究结果表明，在冬季低温条件下微生物对易分解有机碳的响应相对缓慢。因此，沼液中高度腐殖化的有机碳难以刺激并且维持微生物较高的分解活性，而土壤中有机质的矿化过程主要受温度的影响（Terhoeven-Urselmans et al.， 2009）。

3. 3 赤红壤N2O排放对沼液施用的响应

本研究表明，沼液施用导致土壤N2O排放增加，每隔6 d浇灌沼液可显著增强土壤N2O排放量，其累积排放量可达33.5 mg/kg，而未施加沼液的对照均小于1.0 mg/kg。由于沼液的氮素含量较高，为土壤微生物利用与转化氮素提供较充足的底物，促进了土壤中氮素的转化过程，因此，中间产物N2O的排放量显著增加，例如，本研究中S6处理的氮素输入量最大，其土壤N2O排放的累积通量显著高于其他处理（表2）。此结果与其他研究结论具有一致性，包括在潮土（彭永红等，2012）、蔬菜地（靳红梅等，2013）及稻麦轮作系统（黄红英等，2011）等施用沼液的相关研究；此外，Odlare等（2012）开展的土柱试验研究也认为施用沼液增加了土壤N2O的排放通量。在土壤高含水量的条件下，微生物产生N2O的过程以反硝化作用为主，其本质是在缺氧条件下微生物以NO3-作为电子受体分解土壤有机碳的过程（Abubaker et al.， 2015）。因此，沼液添加葡萄糖的施用试验中，易分解的有机碳强烈刺激了土壤N2O的排放通量（图3-c）。

除了有机碳和氮素，土壤温、湿度条件是影响N2O排放的重要因素。如Li等（2015）的研究均显示土壤N2O通量与土壤温度呈指数函数关系，本研究结论与此相似。在培养试验后期（37～72 d），当低温成为关键的限制性条件时，沼液处理的土壤N2O排放通量均与土壤温度紧密相关。对于沼液施用频率较高的S6处理，若以指数增长模型[y=y0+aeb（x-x0）]描述土壤温度与土壤N2O排放通量（图5-a）的关系，拟合方程参数进一步显示，该处理的背景排放通量为9.59（y0）；而x0=22.3 ℃（图5竖虚线）说明当土壤温度高于22 ℃，N2O排放通量呈指数式增加，意味着冬季可能出现的晴暖天气，沼液施用将大幅提升土壤N2O排放通量。此外，土壤N2O排放通量与土壤VWC也符合指数函数关系（图4-b），当土壤VWC高于20%（图4-b虚线），土壤N2O排放通量迅速攀升，而该情况多出现于S6处理（图1-c）。

4 结论

通过土柱培养试验，在冬季以园地赤红壤消纳养殖场沼液，每次浇灌量达到田间持水量的饱和状态，时间间隔应至少控制在6 d以上，否则沼液施用将会导致土壤温室气体（主要是CH4和N2O）排放显著增加。不仅如此，在园地施用沼液时，应尽量避免沼液和新鲜有机残体（如清园修剪等管理措施）同时进入土壤，后者所带有的易分解性有机碳将强烈刺激土壤温室气体的排放。

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（責任编辑 邓慧灵）