不同水分含量下黑土氧化亞氮排放差異

王蕾，董彥宏，王連峰

(大連交通大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)*

東北黑土地區(qū)是我國重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)之一.由于掠奪性利用，導致黑土嚴重退化、氮肥流失和N2O等溫室氣體排放問題嚴重.近年來，大氣中溫室氣體排放所帶來的問題嚴重，N2O是僅次于CO2和CH4需要管控的溫室氣體，土壤中排放的N2O是大氣中N2O的主要來源.影響土壤中N2O排放的因素有很多，其中水分含量的變化可能會影響土壤中硝化、反硝化微生物的活性并影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化以及N2O的產(chǎn)排[1-2].

土壤水分對土壤N2O產(chǎn)排和硝化反硝化微生物種群性狀變化的影響備受關注[3].有研究表明，當土壤水分含量為60%～80% WHC時，N2O排放量最大；也有研究指出N2O排放量在80% WHC的無錫市旱地輪作黃泥土中最高[4]，而在100% WHC鷹潭紅壤中最高[5].土壤中主要是由硝化反硝化微生物共同作用而產(chǎn)生N2O.一般認為，N2O在低水分含量條件下，主要是通過硝化作用產(chǎn)生；而在高水分含量條件下，則是通過反硝化作用產(chǎn)生[6].當環(huán)境條件相對穩(wěn)定時，土壤中氮素相對穩(wěn)定，N2O排放量相對較少；當環(huán)境條件發(fā)生變化時，土壤中氮素形態(tài)的變化會促進N2O的產(chǎn)生和排放.土壤理化性質(zhì)變化的強度和頻率可能對N2O的產(chǎn)排產(chǎn)生重大影響.因此，有必要對環(huán)境條件變化對N2O產(chǎn)排的影響給予更多的關注.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與處理

供試土壤樣品采自處于溫帶大陸性季風氣候的哈爾濱黑土生態(tài)環(huán)境科學觀測站，地理位置為45°40′N；126°35′E，海拔為151 m，年降水量為533 mm.取樣深度為0～20 cm的耕層土壤，表面疏松，觀察顏色呈棕褐色，較為濕潤，含有較多植物根系等腐殖質(zhì).置于陰涼通風處自然風干，并用鑷子將土壤中殘留的植物根系、大顆粒石子等剔除，將土壤研磨并過2 mm篩備用.供試土樣基本性質(zhì)如下：pH值為7.22，有機質(zhì)為26.70 g/kg，銨態(tài)氮為1.12 mg/kg，硝態(tài)氮為1.03 mg/kg，全氮為1.47 g/kg，全鉀為25.16 g/kg，速效磷為51.00mg/kg，速效鉀為200.00 mg/kg.

1.2 實驗處理

采用120 mL血清瓶進行培養(yǎng)，實驗設置兩種水分模式，40% WHC(T1)和80% WHC(T2)，于25℃下培養(yǎng)四周，每種處理設置3組重復樣，分別在第一、二、三、四周結束時進行破壞性取樣，并測定相應數(shù)據(jù),實驗設計如圖1所示.

圖1 不同水分培養(yǎng)的實驗設計

取27份處理后土壤樣品，每份25 g，放入120mL玻璃血清瓶中，用移液管向土壤中均勻滴加無菌水使水分含量達到20% WHC，置于生化培養(yǎng)箱預培養(yǎng)一周(恒溫25℃)；培養(yǎng)開始前，向土壤中各添加50 ppm的KNO3和NH4HCO3，隨后將兩組土壤樣品水分含量分別調(diào)節(jié)至40% WHC和80% WHC，加橡膠塞、鋁箔、封口膜密封，防止瓶內(nèi)外氣體交換，放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)，記為培養(yǎng)點.

預培養(yǎng)樣品3瓶，預培養(yǎng)一周結束后對其進行破壞性取樣，土壤加1 mol/L KCL溶液浸提，用于測量NH4+-N和NO3--N含量，T1、T2處理最初均各有12瓶平行樣品，在每個培養(yǎng)周期結束時，對兩種處理各提取3瓶進行破壞性取樣，重復預培養(yǎng)檢測實驗步驟；其余樣品保持恒定40% WHC與恒定80% WHC水分條件.每個周期連續(xù)監(jiān)測5天排放的N2O、CO2通量.

1.3 NH4+-N、NO3--N測定方法

土壤中NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定：取2 mL浸提液于50 mL比色管中，加入去離子水至標線，搖勻后加入1 mL酒石酸鉀鈉，1.5mL納氏試劑搖勻，靜置10 min后，在波長為420 nm處，測量其吸光度.

土壤中NO3--N采用紫外分光光度法測定：取2 mL浸提液于50 mL比色管中，加入去離子水至標線搖勻，在波長為220 nm和275 nm處測量其吸光度，按照公式校正吸光度.校正吸光度公式為：A=A220-2A275.

1.4 N2O和CO2排放通量測定方法

采用氣相色譜GC-7890B，進行N2O和CO2的檢測，配有檢測器為電子捕獲檢測器ECD和火焰離子檢測器FID，檢測器溫度為300℃和250℃，柱溫為60℃，載氣為高純氮氣，流速為25mL/min，燃氣為氫氣、亞甲烷和零級空氣.取一支規(guī)格為5 mL的一次性注射器在采樣前抽吸空氣三次，然后插入瓶內(nèi)，上下抽吸三次，得到一個均勻混合的樣品，采集5 mL氣樣插進氣相色譜進樣口，緩緩注入.每次取樣結束后，用抽真空泵將瓶內(nèi)氣體排凈，打開瓶塞使瓶內(nèi)氣體為空氣.

1.5 數(shù)據(jù)處理

N2O(CO2)排放通量計算詳細描述見文獻[7],采用統(tǒng)計分析作圖軟件為：Microsoft Office 2013、Origin9.0.

2 結果

2.1 不同水分對NH4+-N、NO3--N含量的影響

圖2 兩種水分條件對NH4+-N和NO3--N含量的影響

2.2 不同水分對N2O、CO2排放通量的影響

T1條件下的土壤，在培養(yǎng)的四周內(nèi)幾乎不產(chǎn)生N2O(圖3)；而在T2條件下，第一周大量排放N2O并持續(xù)上升，在第四天出現(xiàn)峰值，第二周排放量持續(xù)下降至4.02 μg·kg-1·h-1，后兩周放量幾乎為零.

圖3 兩種水分條件對N2O、CO2排放通量的影響

T1條件下，培養(yǎng)的第一周CO2排放通量少量的增加后減少，第一周結束時的排放通量減少至0.3 mg·kg-1·h-1，第二周排放量逐漸減少并在接下來兩周穩(wěn)定在0.2 mg·kg-1·h-1；T2條件下，培養(yǎng)的第二天CO2的排放通量突然增加并達到峰值，接著開始下降，直到培養(yǎng)的第二周趨于平穩(wěn)，后兩周的排放量幾乎穩(wěn)定在0.3～0.4 mg·kg-1·h-1之間.在整個培養(yǎng)過程中除第3天外，均為T2大于T1.

2.3 不同水分對N2O、CO2累積排放量的影響

兩種水分含量處理下N2O和CO2在四周內(nèi)累積排放量(圖4)，可以看出T1條件下幾乎不排放N2O，而T2條件下積累大量N2O至2 000 μg·kg-1；而CO2在兩種水分條件下均大量產(chǎn)生，T1水分條件下產(chǎn)生量約為15 mg·kg-1，T2條件下積累量略大，約為20 mg·kg-1.

圖4 兩種水分條件對N2O、CO2累積排放量的影響

3 討論

3.1 不同水分對NH4+-N、NO3--N含量的影響

3.2 不同水分對N2O、CO2排放通量的影響

影響土壤N2O產(chǎn)排的主因之一是土壤水分含量，因為其影響土壤中的通氣情況，進而影響土壤硝化、反硝化微生物的種類及基因豐度來影響土壤N2O產(chǎn)排.一般在好氧條件下，硝化作用是N2O形成的主導過程，而厭氧條件下，反硝化作用是N2O形成的主導過程.土壤濕度增加時，硝化產(chǎn)生N2O可能增加，隨水分增加到一定程度時，N2O則是通過反硝化產(chǎn)生的[14].研究表明，水分含量在60%～80% WHC的土壤，N2O排放通量最大.對某一亞熱帶森林土壤的研究表明，在好氧條件下，反硝化作用占N2O產(chǎn)量的56%[15].此外隨著土壤濕度的增加，平均N2O和NO排放量的減少可能是由于脫氮過程中N2排放量增加[16].

整個培養(yǎng)過程中，低水分條件下幾乎未檢測到N2O排放，硝化作用條件下，產(chǎn)生的N2O含量較低；高水分條件下，前兩周N2O排放急劇積累，但后兩周幾乎不排放，可能因為土壤微生物活性降低，也可能因為在高水分含量時，較強的反硝化作用，使土壤中產(chǎn)生的N2O進一步轉(zhuǎn)化成N2；雖然硝化、反硝化反應同樣可產(chǎn)生N2O，但高水分含量時的反硝化能大量產(chǎn)生N2O.兩種水分模式下CO2均在培養(yǎng)的前兩周排放量先增后減，并在后面兩周穩(wěn)定排放，但高水分時排放的CO2稍高于低水分時，在培養(yǎng)初期土壤中供微生物生長底物充分，使土壤微生物活性增強發(fā)生劇烈的呼吸作用，且在高水分含量時硝化、反硝化微生物的呼吸強度高于低水分含量時.在每周培養(yǎng)的開始，排放CO2含量小幅增加，是因為培養(yǎng)開始會對土壤水分進行補充，有研究指出土壤水分含量增加會增加土壤微生物活性，歐陽楊等[17]的實驗通過研究多種干濕交替方式發(fā)現(xiàn)，干濕交替條件更能促進土壤中CO2和N2O產(chǎn)生和釋放，這解釋了每周初始土壤中CO2與N2O排放量突然增加而后減少的原因.后兩周開始消耗營養(yǎng)物質(zhì)，土壤微生物活性降低，呼吸作用相對減弱；研究指出土壤干燥會降低氮的礦化率，可能由于影響底物擴散或土壤干燥的限制，低土壤濕度減少底物對土壤微生物的供應，引起部分微生物死亡[18].40% WHC時CO2排放量明顯低于土壤水分值較高的情況，說明低土壤水分降低了微生物的活性；低水分含量的土壤有利于減少溫室氣體的排放，降低全球變暖帶來的危害.

3.3 不同水分對N2O、CO2累積排放量的影響

N2O四周內(nèi)累積排放量，在低水分條件下幾乎不積累N2O，而高水分條件下積累大量N2O，說明水分含量對N2O產(chǎn)排產(chǎn)生劇烈影響，在低水分的硝化反應過程中幾乎不產(chǎn)生N2O，而在高水分含量下，同時發(fā)生了強烈的硝化、反硝化反應，在該過程中所產(chǎn)生的N2O主要是由反硝化微生物產(chǎn)生的；而CO2在兩種水分條件下均大量產(chǎn)生，在兩種水分含量下微生物呼吸作用都很強，活性均很高，但低水分含量條件下主要發(fā)生的是硝化作用，高水分含量下發(fā)生的是硝化、反硝化作用，在水分含量較高的情況下土壤中微生物的呼吸作用更強，此時微生物生長繁殖的活性更強.

4 結論

(1)在低水分含量條件下，硝化反應占主導地位，通過硝化反應所產(chǎn)生的N2O含量相對較少，微生物呼吸作用較強；

(2)在高水分含量條件下，土壤同時發(fā)生了硝化反應和反硝化反應，反硝化作用產(chǎn)生大量的N2O，N2O排放通量降低是因為發(fā)生了強烈的完全反硝化反應，使產(chǎn)生的N2O進一步轉(zhuǎn)化成了N2，并且微生物呼吸作用強于低水分含量條件；

(3)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可通過控制土壤水分含量，減少土壤向大氣排放N2O、CO2等溫室氣體.