氮肥配施纳米碳对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响①

2021-05-16李青山王德权高政绪杜传印管恩森李现道张国超王慎强

土壤 2021年2期

李青山，王德权，高政绪，杜传印，管恩森，王刚，李现道，张国超，王慎强

(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049；3 山东潍坊烟草有限公司，山东潍坊 261205；4 山东省烟草研究院，济南 250098)

我国是农业大国，也是肥料生产量和使用量最大的国家。据报道，2012年我国化肥消费量已达5 838.8×104t[1]。在农业生产上，大量施用化学肥料以及肥料利用率低将导致一系列问题，比如能源巨大浪费、土壤质量下降、水体污染、臭氧层破坏和温室效应加剧等[2-3]，这已成为低碳经济时代一个不容忽视和亟待解决的难题。上述问题的出现，首先与农业生产中普遍存在的氮肥施用不合理现象密不可分，而另一个不容忽视的重要方面仍是普通氮肥施入土壤后的转化过程[4]。为此，许多学者通过增大肥料颗粒大小、肥料包膜或添加不同生物化学调控剂等技术手段来改善氮肥在土壤中的转化过程和养分释放过程。近些年来，在缓/控释肥料和稳定肥料的研究上已取得初步成果[5-7]。然而，如何更有效地提高氮肥利用率进而减少氮肥用量，仍是实现现代农业高产高效及可持续发展的重大课题。

纳米技术这项新技术兴起于20世纪80年代，基本涵义是在纳米( 10–9~ 10–7m) 尺度范围内对物质进行认识和改造。纳米材料具有许多传统材料不具备的特性[8-9]，比如，小尺寸效应、表面界面效应和量子尺寸效应等。纳米碳作为一种常见的纳米材料，将其应用在土壤中，对土壤结构、土壤中元素迁移及化学生物反应等方面有一定影响[10-11]。另外，纳米碳广泛存在于土壤及土壤-植被-大气循环体中，因此，使用纳米碳可避免给土壤及植被带来不良影响[12]，这一点优于其他金属纳米材料。有研究表明，纳米碳遇水可提升土壤电动位，降低土壤pH，提升土壤离子浓度，促进养分释放[13]。近年来，许多中国学者将纳米材料逐步应用于农业生产领域，有关纳米碳材料对作物生长、产量和品质、氮素利用率和减少氮损失等方面的研究已逐渐成为新热点。研究表明，纳米材料能够调节植物基因表达，刺激种子萌发[14-15]。同时，纳米材料也能调节植物体内多种酶活性，改善叶片光合性能，促进根系和植株生长，提高作物产量和品质[16-18]。另外，纳米碳在改善土壤水分入渗和土壤养分保持等方面也展现出良好应用前景[19-20]。

烟草是我国的重要经济作物之一，我国烟叶生产量及成品烟销售量均据全世界首位。而与津巴布韦和美国等先进烤烟生产国相比较，我国烟叶仍存在整体香气量不足，上部烟叶烟碱含量较高和叶片过厚等问题[21]。在烤烟生产中，氮素对烤烟烟叶的产量和质量的影响比其他任何营养物质都大。氮素供应不足和过多都会对烟叶产量和品质起负作用[22]。对比国外优质烤烟吸氮曲线，其差异为：在我国烤烟生产中烟株在打顶后仍有大量氮素吸收[23]。另外，李春俭等[21]也研究表明，我国上部烟叶整体质量得不到提升的重要原因就在于打顶后烟株仍奢侈吸收氮素。因此，获得优质烤烟烟叶的关键所在就是如何有效调控烤烟生育期内土壤氮素供应契合优质烤烟的吸氮规律[24-25]。目前，有关纳米碳影响烤烟生长发育及品质的研究早已展开。有研究发现，在常规肥料中添加纳米碳能够增加烤烟植株干物质积累量，显著提高氮肥利用率，有效降低氮素土壤残留和损失[26]，并且施用纳米碳还可以优化烤烟田间农艺性状和提高烤后烟中上等和上等烟比例[27]。然而，目前有关纳米碳与氮肥配施影响植烟土壤中氮素转化以及N2O排放的研究较少。为此，本文采用室内培养的方法，设置氮肥配施不同量纳米碳处理，来探讨配施纳米碳对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响。这对于明确纳米碳如何影响氮素转化过程具有重要意义，同时也可为纳米碳合理应用于烤烟或其他作物生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采样地点及理化性质见文献[28]。

本试验所用纳米碳由上海芳甸生物科技有限公司提供(全氮7.75 g/kg，全碳 333.62 g/kg，以干基计)，C/N 为43.05。分别快速称取4.17、8.33、16.77和33.54 g的纳米碳溶于250 ml的去离子水中，然后在超声波振荡器内振荡30 min，使其溶解均匀，配成不同浓度的纳米碳溶液。

1.2 试验设计

试验共设5个处理：① CK(对照)，只添加硝酸铵；②NC1，硝酸铵+纳米碳(2.5 g/kg)；③NC2，硝酸铵+纳米碳(5 g/kg)；④ NC3，硝酸铵+纳米碳(10 g/kg)；⑤NC4: 硝酸铵+纳米碳(15 g/kg)。硝酸铵施用量为N 200 mg/kg。

具体培养步骤参照文献[28]中的方法进行。

1.3 测定项目与方法

土壤中可溶性全氮(DTN)、NO–3-N 和 NH4+-N 含量，N2O 和 CO2排放，土壤 pH 的测定均参照文献[28]。

1.4 数据处理

氮素净矿化速率、氮素净硝化速率、可溶性有机氮(DON)、无机氮、CO2和N2O 排放速率及累积排放量参照文献[28]中的公式进行计算。

文中给出的 pH、可溶性氮组分、N2O 和 CO2排放数据均为3次重复数据。采用SPSS 24.0 软件对数据进行单因素方差分析，用 LSD 方法分析处理间平均数的差异显著性(P<0.05)，用OriginPro2018 进行作图和线性拟合。

2 结果

2.1 pH

由图1可知，在培养结束时，NC1和NC2处理与CK处理间土壤pH差异不显著；NC3和NC4处理的pH却显著低于CK处理(P<0.05)，说明纳米碳添加量达到一定值后将降低土壤pH。

2.2 可溶性氮

由图2A可以看出，与CK处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4处理在前3 d降低了土壤NH4+-N含量，随后又增加了NH4+-N含量，其中以NC4处理的增加幅度最大。在培养结束时，NC4处理的NH4+-N含量仍明显高于其他处理，而其他处理间差异不明显。

由图2B可以看出，各处理的NO–3-N含量均呈不断增大的趋势，而NC1、NC2、NC3和NC4处理在前7 d内的增大幅度显著小于CK处理的增大幅度。在培养结束时，与CK处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4处理明显降低NO–3-N含量。由图3A可知，氮肥配施纳米碳降低了氮素的净硝化速率，各处理净硝化速率大小依次为：CK>NC1>NC2> NC3>NC4(图3A)，且各处理间差异显著(P<0.05)。

与CK处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4处理在前7 d明显降低土壤无机氮含量，而NC1、NC2和NC3处理在试验14 d时明显提高了土壤无机氮含量。在培养结束时，NC1、NC2、NC3和NC4处理较CK处理显著降低了无机氮含量(P<0.05，图2C)。由图3B可以看出，与CK处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4处理显著降低了土壤氮素净矿化速率(P<0.05)，其中NC1处理降低幅度最小，NC4处理降低幅度最大。

由图2D可以看出，在培养过程中，CK处理的DON含量呈不断减小的趋势。与CK处理相比，NC1和NC2处理在培养初期显著提高了DON含量；而NC3和NC4处理在整个培养过程中均显著提高了土壤DON含量(P<0.05)。

2.3 CO2排放

由图4A可以看出，与CK处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4处理显著提高了土壤CO2排放速率。NC1和NC2处理的CO2排放峰值出现在试验7 d时，而NC3和NC4处理的CO2排放峰值出现在试验5 d时。在培养结束时，NC1、NC2、NC3和NC4处理较CK处理显著增加CO2累积排放量(P<0.05，图4B)，其中NC4处理的累积排放量最高，并显著高于NC1、NC2和NC3处理，但NC1、NC2和NC3处理间差异不显著。

2.4 N2O排放

与CK处理相比，NC1处理在前5 d明显降低了土壤N2O排放速率，随后又提高了N2O排放速率(图5A)；而NC2、NC3和NC4处理在培养前期明显提高了土壤N2O排放速率，NC4处理的提高幅度最大，NC2处理的提高幅度最小(图5A)。在培养结束时，NC1处理的N2O累积排放量仅比CK处理增加了0.01 mg/kg，NC2、NC3和NC4处理较CK处理增加较多，但仅NC4处理与CK处理间差异显著(P<0.05)(图5B)。

由图6可以看出，N2O累积排放量与净硝化速率呈显著负相关关系(R2=0.6，P<0.001)，而与CO2累积排放量呈显著正相关关系(R2=0.5，P= 0.003)。

3 讨论

研究发现，添加纳米碳溶胶可以明显降低碱性土壤的pH，且随着纳米碳溶胶浓度的增加，其降低pH的效果越明显[29]。在本试验中得出了相似结果，与CK处理相比，NC3和NC4处理显著降低了土壤pH(P<0.05)，说明随着纳米碳添加量的增大降低pH的效果越明显。这可能因为纳米碳是一种非导电的改性碳，可以从NH4+中吸出氮元素，同时释放H+[30]，H+浓度的增加，导致了pH下降。

与 CK 处理相比，NC1、NC2、NC3和NC4 处理在培养前3 d 明显降低了土壤NH4+-N 含量，这一方面可从纳米碳是一种非导电的改性碳，能够从NH+4中吸出氮元素，从而减小 NH4+-N 含量得到解释；另一方面也可能是纳米碳作为一种高C/N比的碳源对微生物同化作用的刺激大于对矿化作用的刺激，表现为微生物对 NH4+-N 的净固持，从而降低了 NH4+-N含量。CK 处理中 NH4+-N 含量从培养3 d 后急剧下降，说明此阶段的硝化作用较强。而与 CK 处理相比，NC1、NC2、NC3 和 NC4 处理在培养3 d 后明显提高了土壤NH4+-N 含量(图2A)，相应地降低了土壤NO–3-N含量(图2B)，这说明纳米碳抑制了土壤硝化作用。在其他研究中也得到了相似的结果：向土壤添加纳米碳会抑制硝化细菌的活性，从而降低NO–3-N的含量[31-32]。另外，由图3A可以看出，添加纳米碳显著降低了氮素净硝化速率 (P<0.05)，且氮素净硝化速率随纳米碳添加的增加而减小，说明纳米碳对硝化作用的抑制随纳米碳添加量的增加而增大。N2O和 N2排放量增加通常与土壤中NO–3-N 含量增加有关[33]，而添加纳米碳显著降低了氮素净硝化速率，降低了NO–3-N 含量，这就解释为什么 N2O 累积排放量与氮素净硝化速率呈显著负相关关系 (图6A)。

向土壤中添加外源碳会刺激微生物同化作用，也会刺激反硝化作用。在培养结束时，NC1、NC2、NC3和 NC4 处理的无机氮含量分别比 CK 处理降低了8.59、14.03、26.85和28.88 mg/kg (图2C)；而NC1、NC2、NC3 和 NC4 处理的 N2O 累积排放量分别比CK 处理增加了0.01、0.12、0.17和0.90 mg/kg，说明反硝化作用所消耗的无机氮仅占无机氮降低量中的很小比例。综上事实，说明纳米碳作为一种高C/N比的外源碳对微生物同化作用的刺激大于对矿化作用的刺激，在培养结束时表现为微生物对无机氮的净固持。由图3B也可以看出，添加纳米碳显著降低了氮素净矿化速率 (P<0.05)，且氮素净矿化速率随纳米碳添加量的增加显著减小，说明纳米碳对微生物同化作用的刺激随纳米碳添加量的增加而增强。

配施纳米碳可提高土壤中DON含量。在培养结束时，添加纳米碳处理分别比 CK 处理增加了0.89(NC1)、1.72 (NC2)、7.4 (NC3)和14.29 (NC4) mg/kg(图2D)，这可从外源碳的加入使土壤中微生物活性增大，大量的碳水化合物被微生物快速分解，甚至外源碳添加促进土壤中顽固性老有机碳的分解得到解释[34-35]。本试验中的 CO2主要来自土壤微生物呼吸，CO2排放可以表征微生物活性的强弱。从图4A可看出，添加纳米碳显著提高了土壤 CO2排放速率。与CK 处理相比，添加纳米碳处理显著提高了 CO2累积排放量(P<0.05，图4B)，说明配施纳米碳可显著提高微生物活性。

配施纳米碳还可刺激反硝化作用。与CK处理相比，NC1、NC2、NC3 和 NC4 处理增加了 N2O 累积排放量，NC1、NC2 和 NC3 处理与 CK 处理间差异不显著，而 NC4 处理较 CK 处理显著增加了N2O 累积排放量 (P<0.05，图5B)，这与其他人的研究结果不同。周鹏等[36]研究发现，在田间条件下施用纳米增效尿素比纯尿素能减少华北平原春玉米田的 N2O 排放，并认为这是由于添加纳米碳放缓了肥料释放速率，提高了作物对养分的吸收，相应地也就减少了农田的N2O排放量。另外，杜亚琴等[37]研究也发现，包膜复合肥比不包膜的氮肥利用率高，从而能显著降低土壤 N2O 排放量。而在室内培养条件下，没有植物吸收氮素，也没有径流和渗漏影响氮素含量，因此添加纳米碳对植烟土壤N2O排放的影响还应进一步在大田试验中验证。本试验中，添加纳米碳提高了 N2O 累积排放量，这也可能与本试验在开始时向土壤加入大量 NO–3-N 有关。N2O 和 N2排放量多少通常与土壤中NH4+-N和NO–3-N 含量的高低有关[33]，因为 NO–3-N 是反硝化过程中生成 N2O 的重要电子受体。另外，添加纳米碳显著提高了 CO2累积排放量，加快了土壤中氧气的消耗，易导致土壤中厌氧环境的形成而间接地促进反硝化作用[35]。反硝化作用加强，N2O 排放自然会增加。本研究还发现，N2O 累积排放量与 CO2累积排放量呈显著正相关关系(R2= 0.5，P<0.05，图6B)，这与 Huang 等[38]研究结果基本一致。

综上所述，在室内培养条件下，氮肥配施纳米碳对植烟土壤氮素转化具有一定影响。纳米碳具有一定的抑制硝化作用、降低无机氮含量和提高可溶有机氮含量的能力，但具有增加N2O排放的风险。然而，在烤烟实际生产中，烟株生长发育会吸收利用一部分氮素，其根系分泌物也会影响氮素转化[39]，因径流和淋洗等途径还会导致氮素损失。因此，在大田试验条件下，氮肥配施纳米碳对植烟土壤氮素转化、氮素利用率和温室气体排放的影响需做进一步深入研究。另外，全面评价人工纳米材料影响生态效应的关键是将植物-微生物-土壤作为一个整体[40]，因此，在大田试验条件下，还应将纳米碳对土壤微生物群落结构的影响统筹在一起探究。