不同水分条件下海南红壤N2O排放对不同碳源添加的响应

2022-05-05朱启林刘丽君何秋香刘金霞曹明伍延正汤水荣孟磊柯用春

农业环境科学学报 2022年4期

朱启林，刘丽君，何秋香，刘金霞，曹明，伍延正，汤水荣，孟磊，柯用春*

（1.海南省三亚市农业农村局，海南三亚 572000；2.海南大学热带作物学院，海口 570228）

近年来随着温室气体排放的增加，全球气候变暖已成为亟需解决的环境问题。NO 作为主要的温室气体，对温室效应的贡献不容忽视。SMITH 等认为，人类活动排放的NO 有84%来自农业生产。因此，降低农田土壤NO 排放，对减缓气候变暖具有重要意义。

微生物参与的硝化和反硝化过程是土壤NO 排放的重要途径。生物炭可以提高土壤碳储量，进而影响到微生物活性及其氮底物的获取，由此可能对NO 排放产生影响。生物炭大多呈碱性，施入土壤后会引起土壤pH升高，导致氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构和丰度发生改变，从而影响土壤硝化和反硝化等NO的产生过程，改变土壤NO排放。研究显示，土壤中添加生物炭会抑制NO排放，NO减排效果与生物炭施用量呈正相关关系。但也有研究指出，添加生物炭不能降低土壤NO排放。秸秆还田作为重要的农田土壤健康管理措施，已被证实能提高土壤肥力、增加土壤碳储量，此外，秸秆还田也会影响土壤NO排放。与生物炭还田对NO排放的影响相同，秸秆还田对NO 排放的作用效果也有截然不同的报道。WANG 等和CAO 等发现，秸秆还田降低了农田土壤NO排放。而许多研究结果支持秸秆还田增加农田土壤NO排放的观点。由此可见，生物炭或秸秆还田对土壤NO排放的作用效果尚未取得共识，还需要综合土壤固碳能力和温室气体排放两方面进行评价。

土壤水分是影响土壤微生物过程的重要因素，对土壤微生物代谢活动、硝化和反硝化过程具有决定性作用。水分条件在30%~60%充水孔隙度（WFPS）时，硝化作用是产生NO 的主要过程，而当WFPS>70%时，NO 主要来源于反硝化过程。张世洁等研究发现，农田灌水后，土壤NO 剧烈排放主要来源于反硝化作用过程。农业生产中，不同作物对水分条件要求不同，因此土壤水分含量变化幅度大，如旱地土壤水分条件很多时候只有田间持水量的45%或者更低，蔬菜地等灌溉条件好的土壤水分达到田间最大持水量的75%，水稻种植的大部分时间土壤水分是饱和的并且田面要覆水。土壤水分调控土壤硝化和反硝化过程的发生，决定了硝化和反硝化的强度和优势。在好氧条件下，水分增加会促进土壤有机氮矿化，同时会对无机氮转化过程中NO 的产生造成影响。生物炭或秸秆的添加会改变土壤孔隙结构；生物炭本身大孔隙结构的特点，有利于氧气的储存，为好氧微生物提供了生存环境；而土壤中加入秸秆后，会导致微生物活性增强，造成土壤微区缺氧，进而使土壤形成厌氧环境。前期研究指出，60%WFPS 是土壤硝化和反硝化转化的阈值，土壤中施入生物炭或秸秆后，是否会导致这一阈值的改变，进而引起土壤NO排放的改变，仍需深入探究。

海南是我国唯一热带岛屿省份，其充沛的水热资源使该地区物质循环彻底，红壤为该地区典型的种植土壤，强烈的物质循环导致土壤养分贫瘠、保肥性能差。瓜菜-水稻轮作是海南典型的种植模式，为保证产量，通常需要大量的肥料投入，同时，在水稻种植过程中，水分长期处于饱和状态，而冬季瓜菜种植时，土壤水分基本保持在田间持水量的75%。瓜菜-水稻轮作过程中，水分的交替变换必然引起土壤NO 排放的变化。通常情况下，土壤水分会对硝化和反硝化过程产生影响，施加生物炭或秸秆还田后，土壤孔隙增加，同时土壤pH 提高，进而改变硝化反硝化进程。不同水分条件下，生物炭添加和秸秆还田对土壤NO 排放的影响还需进一步验证。基于此，本文选取海南地区典型的红壤，通过室内培养试验探究不同水分条件下，生物炭和秸秆添加对土壤NO 排放的影响，以期为农田温室气体减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自海南省乐东万钟实验基地，该基地位于海南省乐东黎族自治县尖峰镇（18°39'N，108°47'E），土壤为浅海沉积物发育的红壤，该地常年进行瓜菜-水稻轮作。采集0~20 cm 表层土壤，风干后去除土壤中植物根系和石砾等，过2 mm筛备用，另取部分土壤用于测定土壤理化指标。供试生物炭为水稻秸秆在400 ℃条件下厌氧热解制备而成。供试秸秆为水稻秸秆，生物炭和秸秆经烘干、粉碎后过2 mm筛备用。土壤基本理化性质见表1。生物炭和水稻秸秆基本理化性质见表2。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic chemical and physical properties of tested soil

表2 供试生物炭和秸秆理化性质Table 2 Chemical and physical properties of biochar and straw

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

培养试验共设CK（空白），B1、B2 两个生物炭处理（B1：生物炭添加量为土壤质量的1%，B2：生物炭添加量为土壤质量的2%）和秸秆处理S（水稻秸秆添加量为土壤质量的2.75%，秸秆用量与制备B1 的秸秆用量相当）4 种处理，每个处理设3 个水分条件，分别为W1（45%土壤田间持水量）、W2（75%土壤田间持水量）和W3（100%土壤田间持水量，模拟淹水条件，淹水1 cm），共计12个处理，具体见表3。

表3 试验设计方案Table 3 Experimental design

1.2.2 培养试验

称取200.00 g 供试土壤（以干土计），按上述要求分别添加相应质量的生物炭和秸秆，充分混合后装入250 mL 锥形瓶中，向锥形瓶内均匀滴加相应质量的蒸馏水，使土壤含水量分别达到田间持水量的45%、75%和100%。土壤活化7 d 后向锥形瓶中加入1 mL纯氮量为30 mg 的尿素溶液，折合加入氮150 mg·kg。用保鲜膜封住瓶口，并用针头在保鲜膜上扎3个小孔，用于空气流通，且能减少水分散发，扎口后将锥形瓶置于30 ℃的恒温培养箱中培养25 d，培养过程通过称取质量的方法每4 d补充一次水分以维持土壤水分恒定。每处理设6 个重复，其中3 个重复用于测定NO 和CO气体排放通量，其余的用于土壤矿质氮含量测定。

1.3 指标测定

1.4 数据处理

NO排放通量和CO排放通量计算公式为：

式中：为 NO 排放通量或 CO排放通量，µg·kg·h或 mg·kg·h；为标准状态下 NO-N 或 CO-C 的密度，1.25 kg·m或0.536 kg·m；∆/∆为单位时间内锥形瓶内气体浓度增加量；为锥形瓶内顶部空间体积，m；为培养温度，℃；为培养烘干土质量，kg。

NO累积排放量和CO累积排放量计算公式为：

式中：为 NO 累积排放量或 CO累积排放量，µg·kg或 mg·kg；为采样时间，d；为采样次数；为总测定次数；t-t为两次采样的间隔天数，d。

试验数据采用SPSS 18.0 软件进行方差分析（One-way ANOVA）和多因素方差分析，采用Duncan法检验不同处理下土壤理化性质和气体排放速率等指标的差异显著性。采用Excel 2016 进行数据整理，采用Origin Pro 8.5做图。

2 结果与分析

2.1 土壤N2O排放通量和累积排放量

2.1.1 土壤NO排放通量对水分的响应

土壤水分显著影响NO排放（图1）。不同物料添加下，W2和W3的土壤NO排放通量高于W1。CK处理在 W2 和 W3 时，第 3 d 土壤 NO 排放通量开始增加，而S、B1和B2处理在W2和W3水分条件下，第6 d土壤NO 排放通量开始增加，培养第10 d 出现最高峰。S 处理土壤中，W2 和W3 水分条件下，土壤NO排放通量高于其他处理。S 处理在W1 水分条件下，第6 d 土壤NO 排放通量开始增加，峰值出现在第15 d，而 B1 和 B2 处理土壤 NO 排放通量在第 6 d 开始增加，最高排放通量出现在第10 d。不同水分条件下，土壤NO排放通量表现为S>CK>B。W2和W3水分条件下，相比CK，生物炭添加后土壤NO排放通量降低。

图1 不同水分条件对添加秸秆或生物炭的土壤N2O排放通量的影响Figure 1 Effects of different water conditions on the N2O emission flux from soil with straw or biochar

2.1.2 土壤NO累积排放量对水分的响应

水分显著影响土壤NO累积排放量（图2）。土壤含水量在W2 和W3 时的NO 累积排放量显著高于W1（<0.05）。相比 W1，W2 和 W3 条件下 CK 处理的NO 累积排放量分别增加806.2%和798.6%；S处理分别增加455.8%和315.3%，且W2 显著高于W3（<0.05）；B1 处理分别增加 713.2%和801.6%；B2 处理分别增加311.3%和661.7%。相同水分条件不同处理土壤NO 累积排放量相比，W1 水分条件下，相比CK，S处理增加80.9%，B1 和B2 处理分别减少25.9%和22.9%；W2水分条件下，S处理增加10.9%，B1和B2处理分别减少33.5%和65.0%；W3 水分条件下，相比CK，S、B1和B2处理分别减少16.4%、25.7%和34.6%。

图2 不同水分条件对添加秸秆或生物炭的土壤N2O累积排放的影响Figure 2 Effects of different water conditions on the cumulative emission of N2O from soil with straw or biochar

土壤NO 排放受土壤含水量及生物炭、秸秆添加的影响，对水分与生物炭和秸秆添加的交互作用分析表明，土壤水分和生物炭添加均极显著影响土壤NO排放（<0.01），二者交互作用的影响也达到极显著水平（<0.01）。秸秆添加对土壤NO排放影响不显著，而与水分的交互作用显著影响土壤NO排放（<0.05）。

2.2 土壤CO2排放通量和累积排放量

2.2.1 不同水分条件下土壤CO排放通量

不同处理土壤CO排放通量主要集中在培养前7 d（图3），CK处理3个水分条件（W1、W2和W3）下CO的排放峰值分别达到了0.23、0.41、0.49 mg·kg·h（以CO-C 计，下同），S 处理分别达到0.25、0.45、0.48 mg·kg·h，B1处理分别达到0.18、0.38、0.40 mg·kg·h，B2处理分别达到0.24、0.38、0.44 mg·kg·h。相同水分不同处理之间，CO排放通量高峰含量无显著差异。

图3 不同水分条件对添加秸秆或生物炭的土壤CO2排放通量的影响Figure 3 Effects of different water conditions on the CO2 emission flux from soil with straw or biochar

2.2.2 不同水分条件下土壤CO累积排放量

水分和有机物添加均会引起土壤CO累积排放量的变化（图4）。CK 处理中，CO累积排放量为W3>W2>W1，且W1和W3差异达到显著水平（<0.05），相比 W1，W2 和 W2 土壤 CO累积排放量分别提高177.9%和247.1%。S 处理W2 和W3 条件下土壤CO累积排放量差异显著，且均显著高于W1（<0.05），分别提高116.6%和96.3%。B1 处理土壤CO排放总量在各水分处理间无显著差异，（>0.05），相比W1，W2和W3 分别提高27.1%和15.4%。B2 处理土壤CO累积排放量为W3>W2>W1，W1、W2、W3 排放总量分别为29.26、41.92、55.64 mg·kg。相同水分不同处理之间土壤CO累积排放相比，W1 条件时为B1>B2>S>CK，其中，B2 和 CK、S 无显著差异,但却显著低于 B1处理；W2条件不同处理中，土壤CO累积排放量为S>CK>B1>B2，其中CK 和S 处理差异不显著，但显著高于 B1 和 B2 处理（<0.05），相比 CK，S、B1 和 B2 处理CO累积排放量分别降低8.1%、26.9%和34.4%。W3水分条件下，相比 CK，S、B1 和 B2 处理 CO累积排放量均显著降低（<0.05），分别降低33.3%、46.8%和30.3%。

图4 不同水分条件对添加秸秆或生物炭的土壤CO2累积排放的影响Figure 4 Effects of different water conditions on the cumulative emission of CO2 from soil with straw or biochar

双因素分析显示，土壤水分和生物炭添加均极显著影响土壤CO排放（<0.01），秸秆添加显著影响土壤CO排放（<0.05），土壤水分和生物炭二者交互作用的影响也达到极显著水平（<0.01），秸秆添加和水分二者交互作用显著影响CO排放（<0.05）。

2.3 土壤含量变化

图5 不同水分条件对添加秸秆或生物炭的土壤NH+4-N含量的影响Figure 5 Effects of different water conditions on the change of NH+4-N content in the soil with straw or biochar

2.4 水分和物料添加对N2O 和CO2排放的影响及其相互作用关系

土壤CO排放与土壤NO 排放之间的关系如图7所示。回归分析显示，随土壤CO累积排放量的升高，土壤NO 排放量升高，二者呈线性关系，且达到极显著相关水平（<0.000 1）。不同水分条件下，土壤NO 排放在不同物料添加后存在一定差异（图8），回归分析显示，随土壤水分的升高，土壤NO 排放量升高，其中，CK、S 和B1 处理随水分升高，呈二次方程关系，B2 处理呈线性关系，4 个处理均达到极显著相关水平（<0.001）。

图7 土壤CO2与土壤N2O排放相关分析Figure 7 Correlation analysis of soil CO2 and soil N2O emission

图8 土壤水分与土壤N2O排放相关分析Figure 8 Correlation analysis of soil moisture and soil N2O emission

3 讨论

3.1 秸秆或生物炭添加对土壤N2O排放的影响

土壤中添加生物炭或秸秆均会引起土壤NO 排放量的改变。本研究中，在45%和75%田间持水量时，添加秸秆增加土壤NO 累积排放量，100%田间持水量时降低了土壤NO 累积排放量，而添加生物炭在3 个水分条件下均降低了土壤NO 累积排放量，这与多数研究结果一致。LIN 等研究发现，长期秸秆还田降低土壤NO 排放，而LI 等的研究指出，秸秆还田会导致NO 排放增加。秸秆还田时间的长短是影响土壤NO 排放的重要因素，一般认为短期秸秆还田通过增加土壤无机氮和土壤有机碳含量使土壤硝化和反硝化速率发生改变，而长期秸秆还田通过改变土壤C/N 影响土壤微生物对氮素的吸收利用，进而影响土壤NO 排放。在本研究培养时间段内，秸秆添加后土壤NH-N 含量降低速度加快，说明秸秆添加促进了土壤硝化过程，同时相比其他处理，NO-N 含量较低，说明反硝化速率提高，土壤无机氮的快速转化、硝化和反硝化过程速率加快是导致土壤NO 排放量增加的主要原因。秸秆添加后，土壤pH 和土壤透气性提高，土壤CO排放量增加（图4），说明土壤呼吸速率加强，参与硝化和反硝化等过程的微生物活性提高，从而促进了土壤NO排放。土壤水分为100%时，秸秆添加降低了土壤NO 排放量，土壤水分饱和时，土壤呼吸作用受阻，致使土壤微生物活性降低，这可能是淹水条件下秸秆添加降低土壤NO 排放量的原因。

3.2 不同水分条件下秸秆或生物炭添加对土壤N2O排放的影响

土壤水分是影响土壤呼吸速率的主要因素，通过影响土壤生物与非生物进程影响土壤CO的排放。土壤CO排放通量在前7 d 内反应剧烈，主要原因在于土壤水分状况的变化会引起“Birch 效应”（Birch ef⁃fect），即土壤水分变化会迅速提高微生物活性，激发土壤呼吸，进而对土壤NO 排放产生影响。本研究中，土壤水分为45%和75%时，秸秆添加使土壤NO排放量增加，此时土壤CO累积排放量增加，通过回归分析发现，二者存在极显著的正相关关系（图7），说明秸秆添加后，土壤微生物活性提高，加快了土壤呼吸作用，导致土壤CO排放量增加，进而导致土壤NO 排放量增加。水分对土壤呼吸作用的影响一般会持续2~6 d，这与本试验结果一致。本研究中，培养10 d 后，土壤CO排放通量基本不再随水分变化发生剧烈变化，即土壤呼吸对土壤水分的响应不再敏感，WEI等研究发现，土壤CO排放在前27 d水分为主要影响因素，随培养时间延长，土壤CO排放通量不再随水分变化而变化，本试验培养10 d 后，土壤CO排放通量基本稳定，这可能是由培养试验所用土壤不同使水分的响应敏感性不同导致的。土壤含水量过高或过低均会导致土壤呼吸受阻，而在土壤水分接近田间持水量时，土壤呼吸最强烈。45%土壤含水量的土壤CO累积排放量最低，随水分含量升高，土壤CO累积排放量显著升高。DAVIDSON等研究发现，在一定范围内，土壤水分含量与土壤呼吸量成显著正相关。本研究中，土壤呼吸与土壤NO 排放存在极显著正相关关系（图7），说明土壤呼吸作用增强时，土壤NO排放量也会提高。