不同盐渍化土壤N2O排放对生物炭添加和土壤水分的响应

2023-05-27张通港闫思慧张体彬

干旱地区农业研究 2023年3期

王春,张通港,罗敏,闫思慧,程煜,张体彬,冯浩

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌 712100;3.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨凌 712100;4.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌 712100)

自工业革命以来,人类活动对生物圈的影响已从区域扩展到全球,大气中N2O浓度逐年增加,对陆地生态系统产生深刻影响并导致全球气候恶化[1-3]。有研究表明,土壤N2O排放是大气中N2O的主要排放源之一,导致大气N2O浓度可增加5%[4],Smith等[5]认为,N2O排放有84%来自农业土壤生产,占全球N2O总排放的69%。温室气体是影响全球气候变化的主要驱动因子,其浓度增加所引起的气候变暖是当前面临的严峻挑战。

土壤盐渍化是农田土壤退化的重要形式之一,在干旱半干旱灌溉农业区及滨海地区普遍存在。盐度升高会影响土壤氮矿化、硝化、氨化和微生物群落及其活性,并干扰N2O的产生过程[6-8]。Zhou等[7]研究表明土壤盐渍化可使N2O排放增加3倍以上。Zhang等[9]研究发现,土壤盐渍化对N2O排放有负面影响,但Inubushi等[10]未发现显著影响。土壤水分是影响土壤微生物过程的重要因素,对硝化和反硝化过程具有决定性作用[11]。江长胜等[12]研究表明,降雨量对土壤含水量具有直接影响,而土壤含水量是N2O排放量的决定性因素,硝化和反硝化作用的相对强弱以及N2O的扩散速率都受其影响。当水分条件在30%～60%充水孔隙度(WFPS)时,硝化作用是产生N2O的主要过程,而当WFPS>70%时,N2O主要来源于反硝化过程[13]。张世洁等[14]研究发现,农田灌水后,土壤N2O排放主要来源于反硝化过程。另外,生物炭作为一种土壤改良剂,常被用来改良盐渍土,有研究表明,土壤中添加生物炭会抑制N2O排放且其减排效果与生物炭施用量呈正相关关系[15-16],然而也有研究指出添加生物炭不能降低土壤N2O排放[17-18]。目前关于土壤盐渍化对N2O排放的影响及其对不同水分和生物炭添加响应的研究仍较为匮乏,需进一步开展研究。

本文选取内蒙古河套灌区典型盐渍化土壤,开展室内培养试验,研究不同盐渍化土壤N2O排放规律及其对不同水分条件及生物炭添加的响应,以探明盐碱化土壤温室气体排放特征,以期为盐渍化农田管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤取自内蒙古河套灌区曙光试验站(40°43′26″ N,107°13′23″ E),位于河套灌区中部。取样区属黄河中上游半干旱-半漠境盐渍区,土壤类型为黄河灌淤土。于2021年8月采集0～20 cm土层土壤,其粘粒、粉粒和砂粒组成分别为32.2%、47.8%和20.0%,土壤质地为粉砂壤土,土壤饱和泥浆提取液电导率为8.1 dS·m-1,属于中度盐渍化水平。

1.2 试验设置

本研究设置3个试验因子,即含盐量、含水量和生物炭添加;试验处理步骤如下：淋洗土壤中可溶性盐分,利用既定浓度的盐溶液调控土壤含盐量,将土壤填装在下层铺设滤纸且底部有孔的塑料桶中,使用去离子水淋洗土壤,期间测定淋洗液电导率,直至淋洗液电导率保持不变且接近去离子水数值(<0.2 dS·m-1),即视为已淋洗出土壤中的原有可溶性盐。淋洗后的土壤经风干、过2 mm筛后备用。根据原有土壤盐分离子构成特点,按照Na+∶Ca2+∶Mg2+=2∶1∶1的比例以氯化盐形式配置盐溶液,使用喷洒法加入淋洗后的风干土壤中,使其含盐量分别达到0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%(分别记为S0、S1、S2、S3和S4)。将不同含盐量的土壤再次风干、过2 mm筛,用去离子水分别将含水量调至田间持水量的100%和60%(对应质量含水量为22%和13%,分别记为W1和W0);生物炭处理包括不添加和添加土壤质量的5%(分别记为B0和B1)。本研究共计20个处理,各处理重复3次。具体试验方案列于表1。

表1 试验处理因子及设置Table 1 Experimental factors and settings

1.3 土壤培养和N2O测定

称取60 g土壤样品装入500 mL培养瓶中,瓶口使用橡胶塞、三通阀密封,于2021年8月24日—9月23日期间置于室温下密闭培养30 d,培养期间每5 d取一次气体样品。使用50 mL医用注射器进行气体取样,将注射器插入三通阀中,旋转三通阀,使培养瓶内气体流通,缓慢抽取30～50 mL,每次取气后取掉橡胶塞,进行通风处理,瓶内与大气相通15 min,通气结束后,盖上橡胶塞,旋转三通阀,保持瓶内气体不与外界流通。采集的气体样品通过气相色谱仪测定N2O浓度。N2O排放通量通过以下公式进行计算[19]：

(1)

(2)

式中,Ci为N2O气体浓度(μL·L-1);C0为标气浓度(μL·L-1);Areat为N2O峰面积;Area0为标气峰面积平均值;F为N2O气体通量(μg·g-1·d-1);Vh为顶空气体体积(mL);Vw为土壤中水分的体积(mL);α为25℃时的吸收系数(α=0.544);M为N素相对原子质量 (g·mol-1);P为标准大气压(P=101.325 kPa);R为通用气体常数(R=8.31451 L· kPa·mol-1·K-1);T为开氏温度(T=298.15 K);W为烘干土块质量(g);t为两次采样之间的天数间隔(d);1000是单位换算系数。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理,采用SPSS 24.0统计分析软件对试验数据进行方差分析和显著性检验(P<0.05),采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 水分条件对盐渍化土壤N2O排放的影响

2.1.1 不添加生物炭盐渍化土壤N2O排放通量随培养时间的变化趋势不同,N2O累积排放通量在不同盐分水平和水分含量之间有较明显差异。从图1A看出,S0处理土壤在培养期间内N2O排放通量变化剧烈,主要集中在前10 d,最后20 d内大幅度下降且在此时间段内无显著变化。S1处理土壤在培养初期N2O的排放通量较高,并在第10 d达到峰值而后逐渐趋于平缓。S2处理土壤N2O排放通量有小幅度增加,而S3、S4处理土壤N2O排放通量无明显变化。从图1B看出,S0处理土壤培养初期N2O排放通量较高但低于S1处理,且从培养初期开始大幅度下降。S1处理土壤在开始培养时N2O的排放通量最高,前15 d大幅度降低,后逐渐趋于平缓。S2处理土壤在培养第10 d达到峰值,S3处理土壤则在培养第15 d出现峰值,S4处理土壤在整个培养期间N2O排放通量无明显峰值且无明显变化。在同一盐分水平下,W1处理N2O累积排放量显著高于W0处理(P<0.01)。S1W1处理土壤N2O累积排放量高于其他处理。与W0处理相比,W1处理中各盐分浓度导致N2O累积排放量分别增加3.0%、84.8%、187.3%、729.7%和306.3%。在相同水分条件下,不同处理土壤N2O累积排放量存在极显著差异(P<0.01),在W0水分条件下,与S0处理相比,S1、S2、S3和S4处理土壤N2O累积排放量分别降低43.9%、66.5%、91.9%和93.2%。在W1水分条件下,与S0处理相比,S1处理土壤N2O累积排放量增加70.3%,S2、S3和S4处理则分别降低6.4%、34.4%和73.1%(图1C)。水分与盐分交互作用分析表明,土壤水分、盐分以及二者交互作用对土壤N2O排放均产生极显著影响(P<0.01)。

注：图中不同小写字母代表处理间土壤N2O累积排放差异显著(P<0.05)。三因素方差分析结果中,W代表水分处理,S代表盐分处理;B代表生物炭处理;S×W代表水分和盐分处理的交互效应;B×W代表生物炭和水分的交互效应;S×B代表水分和盐分处理的交互效应;S×W×B代表水分、盐分和生物炭处理的交互效应;NS：差异不显著;*：P<0.05;**：P<0.01。下同。Note：Different lowercase letters in the figure indicate significant differences in soil N2O cumulative emissions between treatments (P<0.05);In the three-way ANOVAs,W represents soil water treatment;S represents salt treatment;B represents biochar treatment;S×W represents the interactive effect of soil water,salt treatment;B×W represents the interactive effect of soil water and biochar treatment;S×B represents the interactive effect of salt and biochar treatment;S×W×B represents the interactive effect of soil water,salt and biochar treatment;NS：Not-significant;*：P<0.05;**：P<0.01.The same below.图1 不添加生物炭情况下水分、盐分对N2O排放通量影响Fig.1 Effect of water and salt on N2O emission flux without biochar addition

2.1.2 添加生物炭 S0处理土壤在培养前期N2O排放通量波动幅度大,并在前15 d内骤降,而在最后15 d内保持稳定。S1处理土壤在开始培养时N2O排放通量低,随后显著上升并在第10 d出现明显排放峰,在第15 d形成稳定。S2处理土壤N2O排放通量有小幅度增加,并在第15 d达到峰值。S3和S4处理土壤N2O排放通量无明显变化(图2A)。S0处理土壤N2O排放通量在前15 d大幅下降,随后趋于平缓。S1处理土壤在培养初期N2O的排放通量较高,而后骤降直至平缓。S2处理土壤在培养第10 d出现明显排放峰,之后N2O排放通量逐渐降低,在第20 d几乎保持不变。S3处理土壤N2O排放量逐渐增加,在第25 d达到峰值,S4处理土壤N2O排放通量持续增加(图2B)。土壤含水量为22%时,N2O累积排放量显著高于W0处理(P<0.01)。与W0处理相比,W1处理中各盐分浓度导致N2O累积排放量分别增加12.6%、18.1%、317.7%、596.9%和591.3%。在相同水分条件下,不同处理土壤N2O累积排放量存在极显著差异(P<0.01),在W0水分条件下,与S0处理相比,S1、S2、S3和S4处理土壤N2O累积排放量分别降低39.5%、75.1%、94.3%和95.3%。在W1水分条件下,与S0处理相比,S1、S2、S3和S4处理土壤N2O累积排放量分别降低36.6%、7.5%、64.6%和71.2%(图2C)。水分与盐分交互作用分析表明,土壤水分、盐分以及二者交互作用对土壤N2O排放均产生极显著影响(P<0.01)。

图2 添加生物炭情况下水分、盐分对N2O排放通量影响Fig.2 Effect of soil water and salt on N2O emission flux with biochar addition

2.2 生物炭对盐渍化土壤N2O排放的影响

低水情况下,B1处理N2O累积排放量与B0处理差异不显著。与B0处理相比,S0处理中B1条件累积N2O排放量增加30.1%,S1、S2、S3和S4处理中B1条件则分别降低17.1%、3.3%、8.6%和10.5%。在相同生物炭处理,土壤N2O累积排放量无显著性差异,在B0水分条件下,与S2处理相比,S0和S1处理分别增加301.2%和142.7%,S3和S4处理分别降低77.0%和81.1%。在B1水分条件下,与S1处理相比,S0和S2处理分别增加57.6%和45.8%,S3和S4处理分别降低44.3%和54.5%(图3A)。高水情况下,B1处理N2O累积排放量与B0处理差异不显著。与B0条件相比,S0、S2和S4处理中B1条件累积N2O排放量分别增加42.2%、40.5%和52.4%,S1和S3处理中B1条件分别降低47.0%和23.4%。在相同生物炭处理中,土壤N2O累积排放量无显著性差异,在B0水分条件下,与S0处理相比,S1处理增加70.3%,S2、S3和S4处理分别降低6.4%、34.4%和73.1%。在B1水分条件下,与S0处理相比,S1、S2、S3和S4处理分别降低36.6%、7.5%、64.6%和71.2%(图3B)。

图3 生物炭的添加对N2O排放量影响Fig.3 Effect of biochar addition on N2O emission flux

生物炭与盐分交互作用分析表明,土壤生物炭对N2O排放无显著性差异;土壤盐分对土壤N2O排放有极显著影响(P<0.01),二者交互作用对其影响也达到极显著水平(P<0.01),在一定程度上说明土壤N2O排放受盐分的影响也受盐分和生物炭共同作用的影响,但不受生物炭单独影响。

2.3 水分、盐分和生物炭交互效应对N2O排放量的影响

不同处理对N2O累积排放量影响不同(图4)。不同处理情况下盐分对N2O累积排放量有极显著性差异(P<0.01)。在W0B0处理下,与S4处理相比,S0、S1、S2和S3处理累积排放量分别提高1363.6%、1289.4%、390.9%和19.3%。在W1B0处理下,与S1处理相比,S0、S2、S3和S4处理累积N2O排放量分别减少41.3%、45.0%、61.5%和84.2%。W0B1处理下,与S4处理相比,S3、S2、S1和S0处理累积N2O排放量分别提高21.9%、430.5%、956.5%和2028.2%。W1B1处理下,与S0处理相比,S1、S2、S3和S4处理累积N2O排放量分别减少36.6%、7.5%、64.6%和71.2%。

图4 生物炭、水分和盐分对N2O排放量的影响Fig.4 Effect of biochar,soil water and salt on N2O emission flux

不同处理情况下水分对N2O累积排放量有极显著性差异(P<0.01),在S0B0处理情况下表现为W0

在同一盐分条件下,土壤N2O排放不受水分和生物炭影响,即水分和生物炭没有显著性差异。S0情况下,不同处理N2O排放量表现为W1B1>W0B1>W1B0>W0B0;S1情况下,表现为W1B0>W0B0>W1B1>W0B1;S2情况下,表现为W1B1>W1B0>W0B0>W0B1;S3情况下,表现为W1B0>W1B1>W1B0>W0B1;S4情况下,表现为W1B1>W1B0>W0B0>W0B1。

盐分、水分和生物炭交互作用分析表明,盐分和水分分别对N2O排放量具有极显著影响(P<0.01);N2O排放量没有受到生物炭显著影响;盐分和水分、盐分和生物炭二者交互效应对N2O排放量具有极显著影响(P<0.01);水分和生物炭交互效应对N2O排放量无显著影响;盐分、水分和生物炭交互作用对N2O排放量的影响达到极显著性水平(P<0.01)。

3 讨论

3.1 水分、盐分和生物炭对N2O排放的影响

土壤水分已被证明是影响土壤N2O排放最重要的因素之一[20-22]。土壤水分与N2O排放呈正相关关系[23],尽管N2O的产生途径复杂多样,但在干燥土壤条件下,硝化作用是N2O的主要来源,而异养反硝化则是湿地土壤N2O排放的主要来源[24]。本研究发现高含水量条件下N2O累积排放量高于低含水量条件,这可能是由于土壤干燥情况下N2O产生是以硝化作用为主,而在水分充足情况下,土壤中气体排放受阻,在土壤中形成了厌氧环境,减缓了硝化过程,促进了反硝化过程,反硝化作用更适应于厌氧环境,因此土壤水分含量升高,会导致N2O累积排放通量增加[25]。有研究表明,培养初期N2O排放很快,大约从培养的第10～15 d开始缓慢排放,排放通量随时间的延长呈现减少的趋势[26],可能是由于不稳定底物耗尽导致排放变缓[13],这与本文研究结果一致。

有研究表明,土壤盐分对土壤呼吸具有负面影响[27-28]。本研究显示,在同一处理条件下,含盐量升高导致N2O累积排放量降低,但是当土壤中的盐分达到重度盐渍化程度时,含盐量的升高不会对N2O累积排放量形成大幅度改变,这可能是因为重度盐渍化土壤达到了耐盐阈值,使土壤的理化性质遭到破坏,盐度升高不会使N2O排放发生大幅度变化,土壤盐分通过影响土壤微生物生物量、粒径和基质有效性来影响N2O的排放[29]。盐分含量较低时,盐分含量升高导致N2O排放量降低,这可能是盐分含量使土壤中的微生物受到离子毒害和盐分胁迫,抑制微生物活性,导致N2O累积排放量降低[30-31]。

生物炭对N2O排放的影响没有明显规律[32]。在本研究中,单一的生物炭添加对N2O累积排放量没有显著影响,生物炭和水分的交互作用对N2O累积排放量也没有显著影响,而生物炭和盐分的交互作用对N2O累积排放量有显著影响。在盐含量较低的土壤中,生物炭的添加降低了N2O累积排放量,这可能是由于生物炭和盐分都对土壤结构产生一定影响,生物炭添加改变了土壤的理化性质,提高了土壤微生物的活性、硝化和反硝化作用,进而导致N2O排放量降低[33-34]。

3.2 水分、盐分和生物炭交互作用对N2O排放的影响

土壤产生的N2O受到盐分和水分交互作用的影响,N2O累积排放量均随湿度增加而增加,盐分对土壤N2O的排放有抑制作用,在盐分含量较低的土壤中存在显著的负面影响[13],这与本文研究中盐分和水分交互作用一致。生物炭在土壤中的应用可能通过多种机制影响排放,包括改变土壤的物理、化学和生物特性[35]。本研究中,盐分、水分和生物炭的交互作用对N2O排放有显著差异,在较高水分含量条件下,盐分和生物炭处理N2O累积排放量较高,可能是由于水分的影响在所有处理中占据主导地位,对硝化作用影响较大,盐分含量超过0.75%时,已经严重抑制微生物的活性,导致N2O排放量不会发生明显变化,生物炭的添加对土壤的物理、化学和生物特性有一定的改变,土壤性质通过影响气体的产生和扩散显著影响N2O的排放[36-38]。盐分含量在0.5%情况下,水分的影响比其余处理更加显著,这可能是由于水分和盐分共同使微生物达到较活跃状态,进而促进N2O产生。盐分、水分和生物炭三者交互作用对N2O排放有显著影响,不添加生物炭情况下,盐分含量为0.25%且水分含量为田间持水量条件下N2O累积排放量最高,同一水平下添加生物炭N2O累积排放通量降低47%,说明添加生物炭可以降低N2O的产生。该研究生物炭与水分水平设置较少,关于生物炭添加含量和土壤湿度在何种程度上能达到更好的减排效果还有待进一步研究。