硝化抑制剂和生物炭对菜地土壤N2O 与CO2 排放的影响

马智勇，贾俊香，谢英荷，李廷亮，白春雨

（山西农业大学资源环境学院，国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

氧化亚氮（N2O）和二氧化碳（CO2）作为2 种重要的温室气体，近年来大气中浓度逐渐升高，加剧了全球温室效应，对地球生物圈的安全造成了一定的影响[1]。农田中大量氮肥的施用加速了大气N2O浓度的升高[2-3]。菜地管理中，农事操作具有灌溉频率高、施肥用量大和复种指数高等特点，已经成为重要的农田N2O 排放源[4-5]，一季蔬菜的施氮量通常高达300～700 kg/hm2，远大于常规氮肥施用量，不仅导致氮肥利用率低，而且导致土壤N2O 和CO2的大量排放[6]。据统计，我国施用于菜地的氮肥占总氮肥用量的17%，来源于菜地的N2O 直接排放量占全国总N2O 排放量的20%[7]。所以，研究菜地土壤N2O和CO2的减排对大气环境具有重要的意义。近年来，硝化抑制剂双氰胺（DCD）因其具有提升氮肥利用率和降低N2O 排放的功效被广泛关注。有研究显示，硝化抑制剂施用于不同作物对其产量具有不同程度影响[8-9]。在整个作物生长期间硝化抑制剂均能很好地抑制N2O 的排放[10-11]。以往研究认为，生物炭施加到土壤中具有一定的固碳作用，可以减少土壤温室气体向大气的排放，减缓全球温室效应[12]。同时，生物炭还可增加土壤有机碳抵抗微生物降解的稳定性，并对作物生长具有一定的影响[13]。目前研究认为，不同土壤中添加双氰胺与生物炭后，由于受土壤温度和湿度等多方面因素的影响，N2O 和CO2排放通量变幅较大。生物炭的施用在一定条件下可降低N2O 的排放[14]，减排效果较双氰胺差，但有可能增加土壤CO2的排放通量，综合减排效果不稳定。目前，双氰胺和生物炭对土壤温室气体排放影响的研究主要集中在稻田土壤和部分南方菜地土壤[15-16]。北方菜地土壤中关于双氰胺和生物炭对土壤温室气体排放的影响研究较少。

本研究采用室内静态培养试验，监测北方菜地土壤N2O 和CO2浓度的动态变化，通过探究菜地N2O 和CO2排放通量和累积排放量，以明确硝化抑制剂和生物炭对北方菜地土壤温室气体排放的影响，为菜地土壤N2O 和CO2减排提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤选自山西省晋中市平遥县南西泉村蔬菜地耕层土壤（菜地种植年限为10 a，试验地土壤基本理化性状列于表1）；供试氮肥为天津北辰方正试剂厂生产的含氮量为46.7%的分析纯尿素；硝化抑制剂为无锡亚泰联合化工有限公司生产的分析纯双氰胺，生物炭为秸秆生物炭。

表1 试验地0～20 cm 土层土壤基本理化性状

1.2 试验设计

试验于2018 年7 月9 日到8 月2 日在山西农业大学资源环境学院实验室进行，采用静态培养进行室内模拟试验。试验共设5 个处理，每个处理3 个重复，具体设置如表2 所示。

表2 试验各处理设置

1.3 气样采集与分析

土壤培养的第1，3，5，7，14，22，30 天的9：00—11：00 采集气体。在气瓶密闭培养0，10，30 min 用20 mL 注射性针筒各采样一次。采集的气体样品用气相色谱仪（Agilent 7890B）测定。CO2检测器为FID，检测器温度设定为250 ℃，柱温为60 ℃，载气为99.999%高纯氮气，流速为30 mL/min；N2O 检测器为ECD，温度设定为300 ℃，载气为99.999%高纯氮气，流速为40 mL/min。根据每组3 个样品的N2O 与CO2体积比与对应采样时间的直线回归斜率求得N2O 与CO2的排放通量，采用加权平均法求得整个观测时期N2O 与CO2的累积排放量。

1.4 数据处理和计算方法

采用软件Excel 2010 进行数据统计和作图，采用软件JMP 进行数据方差分析，采用SPSS 22.0 进行多重比较（P＜0.05）。

N2O 和CO2排放通量计算公式如下。

式中，F 表示N2O 排放通量（μg/（m2·h）或ng/（m2·h））和CO2排放通量（μg/（m2·h））；ρ 表示标准状况下N2O-N和CO2-C的密度，分别为1.25，0.54g/L；V 表示采样气瓶体积（m3）；A 表示采样气瓶内土壤表面积（m2）；ΔC/Δt 表示N2O 和CO2排放速率（N2O为nL/（L·h），CO2为μL/（L·h））；T 为采样瓶内温度（℃）。3 次重复取平均值，表示该处理的排放通量，以时间间隔为权重进行加权平均，求得培养期内N2O 和CO2的累积排放量。

2 结果与分析

2.1 N2O 与CO2 排放通量

从图1 可以看出，整个试验培养期间，各处理N2O 排放通量表现出相同的变化趋势，即在培养初期各处理N2O 排放通量迅速升高，随后逐渐降低，最终各处理排放通量逐渐趋于一致。控制处理（CK）在培养初期N2O 排放通量最高，随后逐渐平稳降低，在整个试验期间变化幅度较小，为1.22～12.33 ng/（m2·h）；氮肥处理（N）在试验初期N2O 排放通量达到峰值，随后21 d 时间内迅速降低，在整个试验期间排放通量变化幅度较大，为7.12～190.27 ng/（m2·h）；各处理N2O 最大峰值出现在7 月11 日的氮肥处理（N）中，达到190.27 ng/（m2·h），分别是当日N＋D 和N＋B 处理的68 倍和3.4 倍；硝化抑制剂处理（N＋D）在整个试验期间排放通量逐渐降低，且变化幅度最小，其较氮肥处理降低了土壤N2O 的排放通量，且使N2O 的排放通量在整个试验期间维持在较低水平；生物炭处理（N＋B）与氮肥处理（N）的N2O 排放通量在整个试验期间变化趋势一致，但排放通量整体低于氮肥处理。在整个试验期间，硝化抑制剂双氰胺处理的N2O 排放通量均小于生物炭处理。

CO2排放通量在整个试验期间各处理变化趋势一致，均在培养的第1 天达到排放通量峰值，随后降低，在培养的第5 天再次出现小高峰，后期逐渐趋于平缓，且各处理间CO2排放通量差距逐渐减小。CO2排放通量最大峰值出现在氮肥处理（N）中，峰值达到78.24 μg/（m2·h）。氮肥处理与生物炭处理间CO2排放通量整体偏高，且变化趋势一致；控制处理（CK）和添加硝化抑制剂处理（N＋D）的CO2排放通量整体偏低，且在整个试验期间变化趋势一致（图1）。

2.2 N2O 与CO2 累积排放量

从图2 可以看出，整个试验期间N2O 累积排放量表现为硝化抑制剂和生物炭联合施用的N＋B＋D 处理最低，为84.74 ng/m2；氮肥处理N2O 累积排放量最高，为1 192.03 ng/m2，且与其他处理间差异达显著水平，CK 处理、氮肥配施生物炭处理（N＋D）和氮肥配施硝化抑制剂和生物炭处理（N＋B＋D）整个培养期间N2O 排放量均较低，且3 个处理间差异不显著，变化范围为84.74～100.14 ng/m2。由此可知，硝化抑制剂双氰胺和生物炭相对氮肥处理均能显著降低N2O 累积排放量；硝化抑制剂与生物炭联用效果最好，该处理的N2O 累积排放量较氮肥处理降低了92.8%；生物炭处理的N2O 累积排放量较氮肥处理降低了67.8%，硝化抑制剂处理较氮肥处理降低了91.6%。

硝化抑制剂和生物炭联用（N＋D＋B）处理的CO2累积排放量最低，较氮肥处理降低61.7%；控制处理（CK）、生物炭处理（N＋B）和生物炭与硝化抑制剂联用处理（N＋B＋D）间CO2累积排放量差异不显著，变化范围为209.4～238.2 μg/m2。氮肥处理中CO2累积排放量最大，达到546.4 μg/m2，较CK显著提高了137%；生物炭处理（N＋B）的CO2的累积排放量为428.64 μg/m2，较CK 提高了86.6%，但差异不显著。

3 讨论

3.1 菜地N2O 排放特征

本研究中，施加氮肥的处理较控制处理显著提高了菜地土壤N2O 排放通量，表明氮肥可以明显提升土壤N2O 的排放通量。土壤N2O 排放通量受多种因素的影响，其中包括氮肥用量、土壤温度和湿度等[17]。研究显示，氮肥用量与土壤N2O 排放通量呈正相关关系[18]。也有研究认为，土壤N2O 排放通量偏高与土壤速效氮含量偏高有关，尤其铵态氮含量偏高[19]。本研究中，相同氮肥用量下添加硝化抑制剂（N＋D）处理较N 处理显著降低了N2O 排放通量，表明硝化抑制剂双氰胺有很好的减排菜地土壤N2O 的功效。前人研究表明，在多种施肥模式下硝化抑制剂双氰胺均能有效抑制土壤中铵态氮向硝态氮的转化，同样，其还可以通过减少土壤中硝酸盐的淋失[20]从而控制土壤中硝态氮的含量，减少土壤N2O 的排放。

生物炭，作为一种新型材料，因其结构疏松多孔，在农业生产中被广泛应用于改良土壤结构和固碳减排[21]。本研究中，生物炭处理（N＋B）相对氮肥处理（N）显著降低了菜地土壤N2O 排放通量。说明生物炭对菜地土壤N2O 具有一定的减排作用，其减少N2O 排放的机理可能是改变了土壤结构，增加了土壤孔隙度，从而促进了土壤气体向空气中的扩散。也有研究显示，土壤中添加生物炭降低N2O 排放通量，主要是通过提高土壤pH 值和改变土壤氮素形态来实现的[22]。大量研究认为，菜地中添加生物炭可在很大程度上降低菜地土壤N2O 的排放通量。但也有研究认为，不同土壤水分含量会影响土壤N2O 的排放通量，土壤水分含量较低的情况下生物炭能够降低N2O 的排放通量，而土壤水分含量较高的情况下反而增加了菜地土壤N2O 的排放通量[23]。

3.2 菜地CO2 排放特征

土壤微生物的呼吸作用和含碳矿物质的化学氧化作用被认为是重要的土壤CO2排放源[24]。同时，生物炭作为土壤的外加碳源可能会增加土壤CO2的排放。本试验中，生物炭处理的CO2累积排放量显著高于控制处理，说明生物炭的添加促进了土壤CO2的排放。原因可能是由于生物炭添加到土壤中改变了土壤中有机质含量和土壤微生物活性，从而影响了土壤CO2的排放。但也有研究认为，生物炭的添加会抑制土壤的呼吸作用，从而降低土壤CO2的排放[25]。添加硝化抑制剂双氰胺的N＋B 和N＋B＋D 处理CO2累积排放量均较低，说明双氰胺不仅可以降低土壤N2O 的排放，还可降低土壤CO2的排放。但目前关于硝化抑制剂对土壤CO2排放影响机制的研究较少，还有待进一步研究。

4 结论

本研究结果表明，氮肥处理较不施氮肥的控制处理显著提高了土壤N2O 和CO2的排放通量和累积排放量，说明氮肥的施用会促进土壤温室气体N2O 和CO2的排放；硝化抑制剂双氰胺可以有效降低因氮肥施用导致的土壤N2O 和CO2的排放通量和累积排放量，具有较好的温室气体减排作用；生物炭对氮肥施用引起的N2O 排放通量和累积排放量具有一定的减排作用，但效果低于硝化抑制剂双氰胺，且会促进土壤CO2的排放，其对温室气体的综合减排效果仍待进一步研究。