沼液施用對潮土氧化亞氮排放通量的影響

彭永紅，陳永根，宋照亮，單勝道，宋哲岳

（浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300）

大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體濃度的增加是導(dǎo)致全球氣溫升高的主要因素［1］，它們對溫室效應(yīng)的貢獻率近80%。其中氧化亞氮以0.25%·a－1的速度增長，它的增溫效應(yīng)是二氧化碳的296～310倍［2］，且它在大氣中具有較長的滯留時間，同時還參與大氣中許多光化學(xué)反應(yīng)，破壞大氣臭氧層，從而對人類的健康產(chǎn)生威脅［3－4］。而深入研究氧化亞氮產(chǎn)生途徑和排放規(guī)律及機制是國內(nèi)外研究的熱點問題之一［4－7］。沼液中富含養(yǎng)分，能被作物迅速吸收利用［8］。沼液中還含有抗生素、金屬、硝酸鹽等物質(zhì)，可能對土壤中有害物質(zhì)的積累有影響，且沼液的施加也增加了溫室氣體的排放［9］，因此，沼液的施加對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。據(jù)相關(guān)研究表明，歐洲將近75%氧化亞氮來源于農(nóng)田土壤和動物飼養(yǎng)［10－11］。因此，控制好沼液的施加量很重要。陸日東等［12］研究過不同堆放方式牛糞的溫室氣體排放規(guī)律，而有關(guān)沼液對農(nóng)田土壤氧化亞氮排放通量影響的研究不多見，尤其是亞熱帶潮土類型的地區(qū)。本研究通過靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了沼液施用對潮土溫室氣體氧化亞氮排放的貢獻，研究潮土氧化亞氮排放規(guī)律和氧化亞氮排放通量與沼液施加水平的關(guān)系，以揭示沼液施加水平對潮土氧化亞氮排放的影響，試圖找到合理的施肥方式，以期減少沼液資源化利用過程中的大氣污染。

1 材料與方法

1.1 野外實驗樣地概況與采樣時間

試驗用地為浙江省余杭區(qū)志綠生態(tài)園內(nèi)的試驗地，土壤類型為輕壤質(zhì)潮土，屬濕潤的亞熱帶南緣季風氣候區(qū)，年均水量為1 391.8 mm，年平均氣溫為15.3～16.2℃。2010年7月和2011年3月進行2次實驗。一次于2010年7月3日12:50到7月5日00:08，隔4 h采氣樣1次，共采樣10次；一次于2011年3月1日15:16到2011年3月3日14:47，隔2～3 h采氣樣1次，白天采集，晚上不采樣，共采樣9次。并且2次采樣時同步測定5 cm深土壤溫度、地表溫度、大氣溫度和箱內(nèi)溫度。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)3個處理，分別為①大量施沼液，②正常施沼液，③不施沼液，重復(fù)3次·處理－1，其中大量施沼液為采集氣體前施沼液30 min，共施沼液168.0 g·m－2，正常施肥為采集氣體前施沼液10 min，共施沼液93.3 g·m－2。本研究試驗小區(qū)面積約為60 m2。

1.3 土壤樣品與沼液的采集與參數(shù)分析

采集0～5 cm深度的土壤帶回實驗室，風干、磨碎、過篩后，用常規(guī)方法［13］分析土壤一些化學(xué)性狀。供試土壤酸堿度為 pH 5.65±0.01，硝態(tài)氮為 17.4 mg·kg－1，氨態(tài)氮為 2.81 mg·kg－1，總有機碳為 1.65 g·kg－1，水溶性有機碳為 0.0251 g·kg－1，水分為 29.8%。

供試沼液經(jīng)測試得總氮 268.8 mg·L－1，氨態(tài)氮為 215.6 mg·L－1，pH 7.04±0.01。

1.4 氧化亞氮的采集和分析

本研究采用靜態(tài)暗箱法采集氣體。采樣箱由底座和頂箱組成。2種箱體均由聚氯乙烯材料制成。底座的幾何尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，整個觀測期間都固定在采樣點上。頂箱長、寬、高均為50 cm。底座上端均有深3 cm，寬5 cm的密封水槽，實驗時往槽里澆水以防止箱子和底座的接觸處漏氣。頂箱上部有氣體樣品采集口。采氣時將頂箱置于底座上，用100 mL注射器采集第1次樣品,之后間隔15 min采樣1次,罩箱時間為45 min，采集的氣體樣品置于0.5 L鋁箔氣袋內(nèi)。將氣袋帶到中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所測試。

用帶十通閥控制的反吹裝置電子捕獲器的HP 5890II型氣相色譜儀測定氧化亞氮的濃度。測定條件為：進樣口溫度100℃，爐溫85℃，檢測器溫度320℃，填充材料為過80目的Porapak Q柱，載氣為氮氣，流速為30 mL·min－1。通過對4個氣樣濃度進行線性回歸，得出氣體排放速率［1］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

氧化亞氮排放通量計算方法：F=ρ·h·dC/dt·273/（273+T）［7］。其中：F 為氧化亞氮排放通量（μg·m－2·h－1）；ρ為被測氣體標準狀態(tài)下的密度（氧化亞氮為1.97 kg·m－3）；h為采樣箱內(nèi)氣室高度（m）； dC/dt為采樣箱內(nèi)被測氣體的濃度變化率；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）。

2 結(jié)果

2.1 氧化亞氮相關(guān)參數(shù)的數(shù)值范圍

表1為冬末春初和夏季氧化亞氮相關(guān)參數(shù)的數(shù)值范圍，包括5 cm地度、硝態(tài)氮、有機碳、土壤水分、氨態(tài)氮以及土壤pH值的最大值、最小值以及平均值。其中，硝態(tài)氮、氨態(tài)氮及有機碳的數(shù)值基本上隨著施沼液量的增加而增加； 土壤水分含量基本為30%～40%；土壤pH 6.0以下，呈酸性。

表1 氧化亞氮相關(guān)參數(shù)數(shù)值范圍Table 1 Range of relevant parameters of N2O

2.2 夏季氧化亞氮通量變化特征

圖1是7月3－5日氧化亞氮排放通量變化圖?？梢钥闯觯涸囼為_始后，在施沼液24 h內(nèi)，土壤氧化亞氮氣體釋放差異明顯；但之后，差異不明顯。第1天12:00左右至第2天8:00左右大量施沼液的氧化亞氮排放通量呈急劇下降趨勢，而正常施沼液和不施沼液的氧化亞氮通量則呈平緩的變化趨勢。8:00左右之后3種施沼液處理氧化亞氮的通量變化平緩。經(jīng)計算：大量施沼液時，氧化亞氮平均排放通量為 618.4 μg·m－2·h－1·g－1； 正常施沼液為 244.3 μg·m－2·h－1； 不施沼液為 68.5 μg·m－2·h－1。說明土壤為氧化亞氮的源。大量施沼液與正常施沼液和不施沼液皆呈極顯著性差異（P＜0.001）。

2.3 冬末春初氧化亞氮通量變化特征

圖2是3月1－3日氧化亞氮排放通量變化圖。從圖2中可看出：2011年3月，可以看出試驗開始后第1天17:00左右之后，3種施沼液處理之間土壤氧化亞氮氣體釋放差異明顯。從第2天9:00開始至11:00左右和第3天9:00左右至14:00，大量施沼液處理氧化亞氮排放通量呈明顯的上升趨勢，而正常施沼液和不施沼液氧化亞氮通量呈平穩(wěn)的上升和下降趨勢。經(jīng)計算，氧化亞氮大量施沼液時平均排放通量為 40.1 μg·m－2·h－1；正常施沼液為 20.1 μg·m－2·h－1； 不施沼液為 11.3 μg·m－2·h－1。說明土壤為氧化亞氮的源。3種處理間的氧化亞氮排放通量呈極顯著性差異（P＜0.001）。

3 討論

3.1 各種土壤物理化學(xué)性質(zhì)對氧化亞氮通量的影響

土壤中產(chǎn)生 氧化亞氮的途徑主要是硝化作用和反硝化作用，且在多數(shù)情況下，反硝化作用比硝化作用具有更大的氧化亞氮排放作用。反硝化過程是酶促反應(yīng)過程，因而受到溫度、底物濃度、pH值和水分等的影響［2］。從圖3可以粗略地看出，本研究中氧化亞氮的排放通量與硝態(tài)氮的質(zhì)量分數(shù)、水分和溫度有較大的相關(guān)性，與其他因素有較小的相關(guān)性。

圖1 2010年7月氧化亞氮排放通量變化Figure 1 Variations of N2O emission flux in July 2010

圖2 2011年3月氧化亞氮排放通量變化Figure 2 Variations of N2O emission flux in March 2011

圖3 氧化亞氮排放通量與各因素之間的聚類分析Figure 3 Cluster analysis between N2O emission flux and the factors

3.1.1 土壤硝態(tài)氮對氧化亞氮通量的影響 氧化亞氮主要是由硝化作用與反硝化作用共同產(chǎn)生的。而硝化與反硝化作用與土壤中底物硝態(tài)氮的質(zhì)量分數(shù)相關(guān)。經(jīng)相關(guān)性分析得，不施沼液下，氧化亞氮通量與硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r=0.99，P＜0.001）；正常施沼液下，氧化亞氮通量與硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r=0.951，P＜0.001）；大量施沼液下，氧化亞氮通量與硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)存在極顯著的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)r=0.94，P＜0.05），并且相關(guān)研究也表明土壤氧化亞氮產(chǎn)生量在一定范圍內(nèi)隨加入NO3--N的增大而持續(xù)增高［14］。

3.1.2 土壤溫度對氧化亞氮通量的影響 溫度對氧化亞氮形成與排放的影響具有明顯的晝夜節(jié)律和季節(jié)變化，硝化、反硝化作用的最適溫度為30℃和25℃［2］。隨著土壤溫度的改變,土壤微生物的活性會發(fā)生變化,其參與的相關(guān)生物化學(xué)反應(yīng)速率也會隨之改變,從而最終影響氧化亞氮產(chǎn)生和排放。經(jīng)相關(guān)性檢驗得出，不施沼液下，溫度與氧化亞氮存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r=0.768，P＜0.001）；正常施沼液下，溫度與氧化亞氮存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r=0.788，P＜0.001）；大量施沼液下，溫度變化與氧化亞氮通量變化有顯著的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)r=0.634，P＜0.05）?？梢钥闯?，3種施沼液方式都與溫度有相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)和顯著性并不全部一致，這可能由于其他因素比如土壤水含量、硝態(tài)氮等的影響。而一些研究，比如劉曄等［15］對北京森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，土壤 氧化亞氮的排放速率是隨土壤溫度升高而增加的。鄭循華等［16］發(fā)現(xiàn)當土壤濕度比較適宜時，氧化亞氮排放通量與5 cm土層深度的日平均溫度呈指數(shù)關(guān)系。這些研究也說明了土壤溫度與氧化亞氮排放量存在著一定的關(guān)系。

3.1.3 土壤水分對氧化亞氮通量的影響 土壤水分是土壤的重要組成部分，而土壤含水量影響土壤的通氣狀況和氧化還原狀況，并且通過影響NH4+和NO3－在土壤中的分布及其對微生物的有效性，來影響土壤中硝化作用和反硝化作用，從而影響土壤氧化亞氮的排放［17］。相關(guān)性分析表明，氧化亞氮與土壤水分的相關(guān)系數(shù)r=0.523（P＜0.001）。而相關(guān)一些研究中也證明了土壤水分與氧化亞氮通量的存在一定的關(guān)系，比如杜睿等［18］的研究顯示了土壤含水量與草原土壤氧化亞氮排放通量之間存在階段函數(shù)關(guān)系。

3.1.4 其他因素對氧化亞氮通量的影響 本研究表明，氧化亞氮通量與pH值、氨態(tài)氮和有機質(zhì)關(guān)系具有較小的相關(guān)性。其中氧化亞氮通量與pH值相關(guān)系數(shù)r=－0.155，氧化亞氮通量與氨態(tài)氮濃度相關(guān)系數(shù)r=－0.271，氧化亞氮通量與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相關(guān)系數(shù)r=0.391（P＜0.05），這與前人白東升等［19］、侯愛新［20］、 梁東麗［14］等的研究基本一致。

3.2 不同施肥措施對氧化亞氮通量的影響

有研究表明［21］，氮肥用量較低時，氧化亞氮排放量一般占施氮肥總量的0.1%～0.8%；較高時則為0.5%～2.0%。而沼液中氮素的含量很高，因此不同水平沼液的施加也會引起氧化亞氮排放量的增加。本研究中2010年7月的1.0 g氮的沼液施加釋放的氧化亞氮為1.880～3.270 μg·h－1，在2011年3月的1.0 g氮的沼液施加釋放的氧化亞氮為0.095～0.170 μg·h－1。其他研究［22］則表明，施加尿素或者硫胺的多數(shù)研究中，1.0 g氮素肥料的施加釋放的氧化亞氮在1.000 μg·h－1以內(nèi)。因此，以相同施氮量計，夏季沼液施加引起的氧化亞氮排放速率高于尿素或者硫胺等氮肥。在大范圍利用沼液代替部分氮肥的實踐過程中，需要關(guān)注氧化亞氮排放對大氣溫室效應(yīng)的影響問題。

4 結(jié)論

3種處理氧化亞氮排放兩兩之間差異基本呈極顯著（P＜0.001），2次試驗氧化亞氮的排放通量大小依次是：大量施沼液＞正常施沼液＞不施沼液。總體顯示，沼液處理的氧化亞氮排放通量比未被沼液處理的都高，說明施加沼液有提高氧化亞氮排放通量的作用。

土壤氧化亞氮排放通量季節(jié)變化隨溫度和硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的變化而變化。在溫度最高的7月排放通量較高，溫度低的3月排放通量則較低，說明溫度也是影響土壤氧化亞氮排放的重要因子之一。土壤氧化亞氮排放通量與土壤水分呈極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

以相同施氮量計，夏季沼液施加引起的氧化亞氮排放速率高于尿素或者硫胺等氮肥。

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