施氮量對海南燥紅壤和磚紅壤N2O/CO2排放的影響*

劉麗君，朱啟林，曹 明，鄭繼成，伍延正，湯水榮，孟 磊，何秋香**

施氮量對海南燥紅壤和磚紅壤N2O/CO2排放的影響*

劉麗君1，朱啟林1，曹 明2，鄭繼成2，伍延正1，湯水榮1，孟 磊1，何秋香1**

（1．海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228；2．三亞市南繁科學(xué)技術(shù)研究院，三亞 572000）

利用室內(nèi)培養(yǎng)實驗，分析燥紅壤和磚紅壤中分別施加N0（不添加氮素）、N1（氮添加量為100mg·kg?1）、N2（氮添加量為200mg·kg?1）和N3（氮添加量為300mg.kg?1）4個水平氮后對土壤性質(zhì)及N2O、CO2排放的影響。結(jié)果表明：氮肥添加顯著降低了土壤pH和有機碳含量。相較于N0，燥紅壤N1、N2和N3處理pH和有機碳降幅分別為8%～18%和4%～12%，磚紅壤降幅分別為5%～23%和3%～15%；添加氮肥后各處理土壤全氮含量顯著增加，燥紅壤和磚紅壤分別增加15%～54%和13%～52%。氮施入增加了土壤NH4+?N和NO3??N含量，各處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。氮添加促進土壤N2O和CO2排放，相較于N0，燥紅壤N2O和CO2累積排放量分別增加1176%～2425%和124%～281%，磚紅壤分別增加1054%～1887%和138%～256%。施氮量和土壤類型是影響農(nóng)田土壤N2O和CO2排放的重要因素。土壤N2O和CO2排放與施氮量呈線性顯著相關(guān)，減少施肥是降低土壤N2O排放最直接和最有效的措施。與磚紅壤相比，燥紅壤N2O和CO2排放對氮素添加的響應(yīng)更敏感。

燥紅壤；磚紅壤；施氮量；N2O排放；CO2排放

氮素是植物最重要的營養(yǎng)元素，在植物生長中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。中國每年農(nóng)業(yè)氮肥（純氮）施加總量超過2.4×107t，居世界之首[2]，但氮肥利用率僅為30%～35%，遠(yuǎn)低于世界40%～60%的平均水平[3]。據(jù)推算，到2050年，世界氮肥消費量將達(dá)到2.36×109t，其中的50%～70%將會從植物?土壤系統(tǒng)中流失[4]。氮肥過量施用及利用率過低改變了土壤性質(zhì)[5?6]，導(dǎo)致土壤退化；同時過量的氮肥會促進N2O和CO2等溫室氣體排放，造成氣候變暖，且氮以硝酸鹽等形式的流失也會導(dǎo)致諸如臭氧層耗竭以及地表地下水污染等問題[7?8]。為保證農(nóng)田土壤的持續(xù)利用，緩解氮施用引起的環(huán)境問題刻不容緩。

施氮改變土壤性質(zhì)，影響土壤中參與氮轉(zhuǎn)化微生物的群落結(jié)構(gòu)和豐度，改變硝化和反硝化作用的底物，從而影響土壤N2O產(chǎn)生與排放[9?10]。Gregorich等[11]研究表明，加拿大東部土壤N2O排放量隨氮施用量（0～400kg·hm?2）增加而線性增加。李燕青等[12]通過研究華北平原小麥玉米輪作體系發(fā)現(xiàn)，鹽化潮土N2O排放與施肥量（0～500kg·hm?2）并非簡單的線性關(guān)系，施氮量高于240kg·hm?2時，土壤N2O排放大幅增加。Hoben等[13]在美國密歇根州玉米種植區(qū)設(shè)置（0～225kg·hm?2）6個氮素水平，連續(xù)觀測兩年，得出土壤N2O排放與施氮量呈指數(shù)增長關(guān)系的結(jié)論。因此，氮施用量對農(nóng)田土壤N2O排放發(fā)揮著決定性作用[14]。土壤呼吸是農(nóng)田土壤CO2排放的主要來源，土壤類型和施用量主要通過改變土壤有機碳形態(tài)和含量進而影響土壤呼吸[15]。有研究表明，氮肥能夠促進碳的腐殖化過程，降低土壤呼吸作用[12]。而王永生等[16]通過對寧夏引黃灌區(qū)稻田（土壤類型為灌淤土）進行為期6個月的觀測發(fā)現(xiàn)，施氮（240和300kg·hm?2）顯著增加土壤CO2排放。氮肥施加量與農(nóng)田溫室氣體排放關(guān)系密切，正確認(rèn)識氮肥用量與土壤N2O和CO2排放的關(guān)系，對于制定農(nóng)田土壤N2O和CO2減排措施具有重要意義。

冬季瓜菜是海南農(nóng)業(yè)的重要組成部分。截至2019年，冬季瓜菜的種植面積已達(dá)29.12萬hm2，占海南耕地面積近42%[17]。瓜菜種植生產(chǎn)過程需要大量氮肥投入[5]。數(shù)據(jù)顯示，2019年海南的氮肥用量為33.60萬t，相較于2005年增加了65%[17]。燥紅壤和磚紅壤是海南瓜菜種植的重要土壤，它們在質(zhì)地、通氣性及有機質(zhì)含量等方面存在差異。相較于燥紅壤，磚紅壤風(fēng)化作用更強烈，更具有明顯的脫硅富鋁化過程，形成的黏土礦物以高嶺石為主，且其質(zhì)地更黏重，陽離子交換量以及鹽基飽和度更低[18?19]。因此，兩種土壤的碳、氮元素在轉(zhuǎn)化過程方面也存在差異，由此可能導(dǎo)致氮肥投入后土壤N2O和CO2排放的不同。為明確兩種土壤N2O和CO2排放對氮施入響應(yīng)的差異，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗，以海南典型磚紅壤和燥紅壤為供試土壤，研究不同施氮量對兩種土壤化學(xué)性質(zhì)、N2O和CO2排放的影響，以期為熱帶農(nóng)田土壤氮肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

供試土壤為淺海沉積巖發(fā)育的燥紅壤以及花崗巖母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤，于2019年4月分別采自海南省樂東黎族自治縣尖峰鎮(zhèn)（18°39'N，108°47'E）和海南省儋州市西培農(nóng)場（19°28'N，109°27'E），所選地區(qū)均為熱帶季風(fēng)氣候，燥紅壤地區(qū)年平均氣溫21～25℃，日照數(shù)2572～2714h，年輻射總量5437～5855MJ·m?2，年降水量為750～1000mm，年蒸發(fā)量為2260～2500mm。磚紅壤地區(qū)年平均氣溫為21～26℃，日照數(shù)為2000～2500h，年輻射總量4605～5442MJ·m?2，年降水量1400～3000mm，年蒸發(fā)量1400～1900mm[20]。按照隨機多點混合原則，采集0?20cm表層土壤，剔除土壤中可見石礫和植物根系等雜質(zhì)，將土壤進行風(fēng)干后研磨過2mm篩備用。燥紅壤基本理化性質(zhì)為，pH5.63，有機碳7.83g·kg?1，全氮0.41g·kg?1，速效鉀163.68mg·kg?1，速效磷45.6mg·kg?1，砂礫含量為36%，粉粒含量為36%，黏粒含量為28%。磚紅壤基本理化性質(zhì)為，pH4.88，有機碳8.12g·kg?1，全氮0.58g·kg?1，速效鉀92.65mg·kg?1，速效磷43.12mg·kg?1，砂礫含量為42%，粉粒含量為33%，黏粒含量為25%。

1.2 土壤室內(nèi)培養(yǎng)實驗處理設(shè)置

實驗設(shè)4個氮肥梯度處理，分別為N0（不添加氮素）、N1（氮添加量為100mg·kg?1）、N2（氮添加量為200mg.kg?1）和N3（氮添加量為300mg.kg?1），物料加入量按實際操作來計，供試土壤分別為燥紅壤和磚紅壤，共組合成8個處理。

培養(yǎng)實驗操作過程為：稱取100.00g（以干土計）過2mm篩土樣于250mL錐形瓶中，加入去離子水調(diào)節(jié)土壤水分至65%持水量，將錐形瓶置于30℃培養(yǎng)箱內(nèi)預(yù)培養(yǎng)3d。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，按照上述要求分別向每個錐形瓶內(nèi)加入不同濃度梯度的尿素溶液，即分別向N0、N1、N2和N3處理中加入1mL含N量為0、10、20和30mg·mL?1的尿素（分析純）溶液，折合加入氮量0、100、200和300mg·kg?1，然后用去離子水繼續(xù)補充水分至65%田間持水量，保鮮膜封住瓶口，用針扎小孔以便氣體交換和減少水分損失，再分別置于30℃培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫培養(yǎng)35d，培養(yǎng)期內(nèi)為維持土壤水分恒定，用稱重法按時補充因蒸發(fā)損失的水分。不同處理重復(fù)6次，其中3個重復(fù)用于測定N2O和CO2排放通量，另外3個用于測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和土壤化學(xué)性質(zhì)。

1.3 土壤分析指標(biāo)與方法

1.3.1 N2O/CO2排放通量

分別在實驗用土加入尿素后第1、2、5、9、12、16、20、24、28和35天進行氣體采集，每次氣體采集時間固定在14：00?15：30。氣體采集前，去掉保鮮膜，將錐形瓶置于通風(fēng)櫥內(nèi)抽氣20min，抽氣完成后用硅橡膠塞封住瓶口，瓶口與瓶塞間隙用704膠密封，分別在密封錐形瓶后0min和40min時用25mL注射器從橡膠塞取樣口采氣。采集氣體時，反復(fù)推拉注射器多次，以混勻錐形瓶內(nèi)氣體，然后采集培養(yǎng)瓶上部空間內(nèi)氣體樣本至預(yù)先準(zhǔn)備好的集氣瓶內(nèi)。采氣結(jié)束后，打開培養(yǎng)瓶瓶塞，繼續(xù)放入通風(fēng)櫥通氣20min，用保鮮膜封住且扎孔后放進培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

采集的N2O氣體用裝有63Ni電子捕獲檢測器（ECD）的氣相色譜儀（島津GC?2014）測定，色譜柱和檢測器的溫度分別為50℃和300℃，用高純N2作為反吹氣，載氣為95%氬氣和5%甲烷，流速為25mL·min?1。CO2濃度用氣相色譜儀（島津GC?2014）測定，檢測器為氫火焰離子檢測器（FID），色譜柱和檢測器的溫度分別為50℃和300℃，高純H2作載氣，載氣流速為25mL·min?1。

N2O排放通量（F，μg·kg?1·h?1）和CO2排放通量（F，mg·kg?1·h?1）計算式均為[21]

式中，ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O或CO2的密度，分別為1.25和0.536kg·m?3；?C/?t為單位時間內(nèi)錐形瓶內(nèi)N2O或CO2氣體濃度變化率（10?9N2O?N·h?1和10?6CO2?C·h?1）；V為錐形瓶內(nèi)頂部空間體積（m3）；T為培養(yǎng)溫度（℃）；m為培養(yǎng)土質(zhì)量（kg）。

1.3.2 N2O/CO2累積排放量

N2O累積排放量（M，μg·kg?1）和CO2累積排放量（M，mg·kg?1）計算式均為[21]

式中，F(xiàn)為N2O或CO2排放通量，單位分別為μg·kg?1·h?1和mg·kg?1·h?1；t為采樣時間（d）；i為采樣次數(shù)；n為總測定次數(shù)；ti+1?ti為2次采樣的間隔天數(shù)。

1.3.3 土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤中NH4+?N和NO3??N含量測定時間在實驗用土加入尿素后的第2、5、9、20和35天進行。從含有100.00g（以干土計）土壤的錐形瓶中取樣10.00g（以干土計），用2mol·L?1KCl溶液（液土比5∶1）對土壤進行浸提，室溫180r·min?1下振蕩30min，定量濾紙進行過濾。測定NH4+?N采用靛酚藍(lán)比色法（625nm），測定NO?3?N采用紫外雙波長（220nm和275nm）分光光度法。土壤pH采用電位法（水土比為2.5∶1）進行測定；有機碳采用重鉻酸鉀?硫酸消化法進行測定，0.2mol·L?1FeSO4溶液滴定；土壤全氮采用半微量開氏法進行測定，1/2H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定；有效磷采用1mol·L?1NH4+?F溶液和0.5mol·L?1HCl溶液進行浸提，鉬藍(lán)比色法測定；速效鉀使用1mol·L?1NH4OAc溶液（pH=7）浸提，火焰光度計測定[22]。

表觀硝化率計算式為[23]

1.4 數(shù)據(jù)處理

Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)整理和分析，采用LSD和Duncan多重比較法檢驗其顯著性，采用雙因素方差分析比較土壤類型和施氮量及其交互作用對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，采用重復(fù)測量方差分析方法比較時間、土壤類型和施氮量及其交互作用對相應(yīng)測定指標(biāo)的影響，采用Origin 2018作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對培養(yǎng)結(jié)束時兩種土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知，施氮量、土壤類型以及二者的交互作用均顯著影響土壤pH和全氮含量（P<0.05）。同一類型土壤，隨著施氮量增加，土壤pH降低，全氮含量升高，且處理間差異顯著（P<0.05）（表2）。相同施氮條件下，不同土壤pH與全氮含量間存在差異。與燥紅壤相比，磚紅壤各處理的pH值更低，全氮含量更高。土壤有機碳因施氮量及土壤類型的不同而發(fā)生不同程度的變化。燥紅壤中，除N2的有機質(zhì)含量與N1、N3差異不顯著外，其余處理間差異均通過0.05水平的顯著性檢驗。磚紅壤中，除N2與N3處理有機碳含量無顯著差異外，其余處理間差異均達(dá)0.05顯著水平。土壤速效鉀和速效磷含量與土壤類型密切相關(guān)，但施用氮肥對不同土壤速效磷和速效鉀含量均無影響。

2.2 施氮量對培養(yǎng)過程中兩種土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化的影響

2.2.1 土壤銨態(tài)氮含量變化

由重復(fù)測量方差分析結(jié)果可得（圖1），土壤銨態(tài)氮含量有隨培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型變化的趨勢，同時，培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型兩兩的交互作用均極顯著影響土壤銨態(tài)氮含量（P<0.01），但培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型三者的交互作用不存在統(tǒng)計學(xué)意義，說明施氮量和土壤類型對土壤銨態(tài)氮含量的影響不隨培養(yǎng)時間發(fā)生變化。隨著培養(yǎng)進行，兩種土壤的銨態(tài)氮含量逐漸下降，土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。不同土壤中N1、N2和N3處理銨態(tài)氮含量均高于N0處理，N0處理銨態(tài)氮含量在整個培養(yǎng)過程中變化幅度不大，且始終處于最低水平（圖1）。對施氮量和土壤銨態(tài)氮含量進行擬合，結(jié)果表明，土壤銨態(tài)氮與施氮量呈線性增加關(guān)系，且達(dá)到極顯著相關(guān)水平（P<0.01）。與燥紅壤相比，磚紅壤所得方程系數(shù)更大，表明隨著施氮量的增加，磚紅壤銨態(tài)氮含量增長速率更快（表3）。

表1 施氮量和土壤類型對土壤化學(xué)性質(zhì)的交互作用（F值）

注：*表示顯著相關(guān)（P<0.05），**表示極顯著相關(guān)（P<0.01）。下同。

Note:*indicates significant correlation (P<0.05),**indicates a very significant correlation (P<0.01). The same as below.

表2 培養(yǎng)35d時不同施氮量處理土壤性質(zhì)的比較

注：小寫字母和大寫字母分別表示燥紅壤和磚紅壤不同處理間在0.05水平上的差異顯著性。

Note: Lowercase letters and uppercase letters represent the significant difference between different treatments of dry red soil and latosol at 0.05 level, respectively.

圖1 不同處理土壤培養(yǎng)過程中NH4+?N含量變化的比較

注：重復(fù)測量方差分析結(jié)果中，T表示培養(yǎng)時間，N表示施氮處理，S表示土壤類型處理；T×N表示培養(yǎng)時間與施氮處理的交互效應(yīng)，T×S表示培養(yǎng)時間與土壤類型處理的交互效應(yīng)，N×S表示施氮處理與土壤類型處理的交互效應(yīng)，T×N×S表示培養(yǎng)時間、施氮處理和土壤類型處理的交互效應(yīng)；NS表示差異不顯著；*表示P<0.05；**表示P<0.01。下同。

Note: In the results of repeated measurement ANOVA, T represents incubation time, N represents nitrogen application treatment, S represents soil type treatment. T×N indicates the interaction between incubation time and nitrogen treatment, T×S indicates the interaction between incubation time and soil type, N×S indicates the interaction between nitrogen treatment and soil type, and T×N×S indicates the interaction between incubation time, nitrogen treatment and soil type. NS indicates the difference was not significant;*is P < 0.05;**is P < 0.01. The same as below.

表3 銨態(tài)氮含量(Y)與施氮量(X)的擬合關(guān)系

注：**表示極顯著相關(guān)（P<0.01）。

Note:**indicates P<0.01.

2.2.2 土壤硝態(tài)氮含量變化

培養(yǎng)時間顯著影響土壤硝態(tài)氮含量。土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢較為一致，都表現(xiàn)出隨培養(yǎng)推進而逐漸升高。兩種土壤的硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量和土壤類型的不同而發(fā)生變化，并且這一趨勢受到培養(yǎng)時間的影響。培養(yǎng)初期，N0、N1、N2和N3處理硝態(tài)氮含量增長速率較快，隨著培養(yǎng)時間延長，各處理增長速率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型三者的交互作用不存在統(tǒng)計學(xué)意義（圖2）。施氮量和土壤硝態(tài)氮含量的擬合結(jié)果表明，土壤硝態(tài)氮含量與施氮量呈線性增加關(guān)系，且達(dá)到極顯著相關(guān)水平（P<0.01）。與燥紅壤相比，隨著施氮量增加，磚紅壤硝態(tài)氮含量增長速率更快（表4）。

2.2.3 土壤表觀硝化率變化

由圖3可見，土壤表觀硝化率隨著培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型變化而不同。各處理土壤表觀硝化率均隨培養(yǎng)推進而極顯著增加（P<0.01），在不同土壤中表觀硝化率總體上均表現(xiàn)為N0>N1>N2>N3。相同施氮水平條件下，不同土壤表觀硝化率變化較復(fù)雜，沒有明顯變化趨勢。土壤施氮量和土壤類型對土壤表觀硝化率的影響受到培養(yǎng)時間的調(diào)控（P<0.05），但施氮量對土壤表觀硝化率的影響不隨土壤類型以及土壤類型與培養(yǎng)時間交互作用的改變而發(fā)生變化。

圖2 不同處理土壤培養(yǎng)過程中NO3??N含量變化的比較

圖3 不同處理土壤培養(yǎng)過程中表觀硝化率變化的比較

表4 硝態(tài)氮含量(Y)和施氮量(X)的擬合關(guān)系

2.3 施氮量對培養(yǎng)過程中兩種土壤N2O/CO2排放的影響

2.3.1 N2O排放通量變化

圖4表明，培養(yǎng)時間對土壤N2O排放通量有極顯著影響（P<0.01）。N1、N2和N3處理N2O排放通量隨培養(yǎng)時間延長先升高后迅速下降，最后維持在與N0處理相當(dāng)?shù)妮^低水平，N0處理在整個培養(yǎng)過程中均無明顯變化趨勢。N1、N2和N3處理均在第9天出現(xiàn)N2O排放峰值。氮肥添加和土壤類型明顯改變土壤N2O排放通量。同一氮水平投入下的N2O排放通量因土壤類型不同而存在差異，燥紅壤中N1、N2和N3處理排放通量最大值分別為4.06、5.24和7.94μg·kg?1·h?1，磚紅壤中排放通量峰值分別為3.13、4.14和5.16μg·kg?1·h?1。施加氮肥后，N2O排放峰值表現(xiàn)為燥紅壤>磚紅壤。施氮量和土壤類型對土壤N2O排放通量的影響隨著培養(yǎng)時間的不同而發(fā)生顯著變化。

2.3.2 CO2排放通量變化

圖5表明，隨著培養(yǎng)時間推進，土壤CO2排放通量發(fā)生極顯著變化（P<0.01），各施氮水平下CO2排放通量先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，排放通量峰值均出現(xiàn)在培養(yǎng)第5天。不同土壤各施氮量處理下CO2排放通量存在明顯的差異。施氮量相同時，兩種土壤CO2排放通量有所不同。燥紅壤中N1、N2和N3處理土壤CO2排放通量最大值分別為0.35、0.44和0.51mg.kg?1.h?1，磚紅壤中分別為0.32、0.36和0.43mg.kg?1.h?1。與磚紅壤相比，燥紅壤各處理CO2排放通量峰值更大。培養(yǎng)時間、施氮量和土壤類型三者的交互作用不存在統(tǒng)計學(xué)意義，即施氮量和土壤類型對土壤CO2排放的影響不隨時間發(fā)生顯著變化。

圖4 不同處理土壤培養(yǎng)過程中N2O排放通量變化的比較

圖5 不同處理土壤培養(yǎng)過程中CO2排放通量變化的比較

2.3.3 N2O/CO2累積排放量變化

由圖6可見，兩種土壤未施氮處理（N0）在整個培養(yǎng)過程中其N2O和CO2累積排放量很少，N2O排放量僅為57.68μg·kg?1（燥紅壤）和49.55μg·kg?1（磚紅壤），CO2排放量僅為45.27mg·kg?1（燥紅壤）和39.16mg·kg?1（磚紅壤）；隨著施氮量的增加，兩種土壤N2O和CO2累積排放量均明顯增加，而且處理間差異均通過0.05水平的顯著性檢驗。比較兩種土壤N2O累積排放量的具體數(shù)據(jù)可見，相同施氮量處理間存在差異，燥紅壤中N1、N2和N3處理N2O累積排放量分別為735.82、1063.59和1456.42μg·kg?1，分別為N0處理的12.76、18.44和25.25倍，磚紅壤中為571.66、781.13和984.33μg·kg?1，分別為N0處理的11.54、15.76和19.87倍。燥紅壤N1、N2和N3處理CO2累積排放量分別為101.54、135.44和172.36mg·kg?1，為N0處理的2.24、2.99和3.81倍，磚紅壤中分別為93.33、119.95和139.36mg·kg?1，為N0處理的2.38、3.06和3.56倍?？梢?，在本實驗條件下，各增施氮肥處理均使兩種土壤的N2O和CO2排放量增加，但兩種土壤間存在差異，其中相同氮投入下，磚紅壤中N2O和CO2累積排放量更低。

圖6 不同施氮處理中兩種土壤在整個培養(yǎng)過程中N2O和CO2累積排放總量的比較

注：小寫字母表示同一種土壤處理間在0.05水平上的差異顯著性，大寫字母表示不同土壤處理間在0.01水平上的差異顯著性。

Note: Lowercase letters represent the significant difference between the same soil treatments at 0.05 level, and uppercase letters represent the significant difference between different soil treatments at 0.01 level.

2.3.4 施氮量與N2O/CO2累積排放量的關(guān)系

隨施氮量增加，土壤N2O和CO2排放量呈線性升高，兩者均達(dá)到極顯著相關(guān)水平（P<0.01）。在同一施氮水平下，燥紅壤N2O累積排放量更高，燥紅壤對土壤施氮量響應(yīng)更大（圖7a）。施氮量相同時，CO2累積排放量在不同土壤中也表現(xiàn)為燥紅壤>磚紅壤（圖7b）。

圖7 施氮量與土壤N2O和CO2累積排放量的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 施氮量對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤pH隨著施氮量的增加不斷降低。土壤pH的變化與硝化過程等密切相關(guān)[24]。氮肥的投入能夠增加土壤中銨態(tài)氮濃度，加速硝化作用進程，同時釋放H+，導(dǎo)致土壤pH降低[10]。不同類型土壤pH對氮肥投入的響應(yīng)存在差異，與燥紅壤相比，磚紅壤pH降低幅度較大，可能是磚紅壤陽離子交換量更低導(dǎo)致土壤的緩沖能力較弱，土壤對氮肥的反應(yīng)更敏感[19]。不同土壤各處理有機碳含量顯著降低，原因在于氮肥的添加能夠促進微生物生長，增強微生物活性，加速微生物對土壤有機碳的消耗[25]。

3.1.2 施氮量對土壤N2O和CO2排放的影響

土壤N2O排放與施氮量密切相關(guān)。本研究中，隨培養(yǎng)時間延長，不同土壤NH4+?N含量降低，NO3??N含量升高，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[26]，同時，表觀硝化率隨培養(yǎng)時間的延長而升高，這與硝化作用的增強有關(guān)。礦質(zhì)氮含量的高低反映了土壤的供氮狀況[27]。氮肥添加能夠顯著提高土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，為硝化和反硝化過程提供充足的底物，進而增加土壤N2O排放[9]。氮肥投入初期，短時間內(nèi)由于底物增多，土壤微生物大量繁殖，有利于土壤產(chǎn)生厭氧微域，促進反硝化過程N2O產(chǎn)生[7]。其次，土壤pH能夠直接影響參與氮轉(zhuǎn)化過程微生物和不同反應(yīng)階段酶的活性[28]。Bakken等[29]研究表明，低pH條件下會影響nosZ基因的表達(dá)，無法將N2O還原成N2，同時降低氧化亞氮還原酶活性，進而促進反硝化過程N2O排放。此外，Millar等[30]研究發(fā)現(xiàn)在各種影響土壤N2O排放的因素中，施氮量是最具決定性的影響因子。Halvorson等[31]針對不同施氮量對科羅拉多州東北部細(xì)壤土N2O排放的研究結(jié)果也表明，施氮量低的土壤N2O排放低，N2O排放與施氮量呈線性增長關(guān)系，這與本文的研究結(jié)果一致。因此，減少施氮量是降低土壤N2O排放最直接和最有效的措施。

土壤CO2排放隨施氮量增加不斷升高，說明土壤中碳與氮的轉(zhuǎn)化有密切的聯(lián)系，氮的投入影響著碳的轉(zhuǎn)化途徑[32]。氮素的轉(zhuǎn)化過程主要是由微生物所驅(qū)動[33]，施肥可以通過改變土壤有機碳含量以及微生物的活性等影響土壤CO2排放[32]。充足的氮源能夠刺激微生物對土壤有機質(zhì)的礦化分解，進而促進土壤CO2排放[34]。通過對施氮量和土壤CO2排放進行擬合分析發(fā)現(xiàn)，二者存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，這可能是因為氮肥添加土壤微生物活性增強，加快土壤呼吸，導(dǎo)致土壤CO2排放增加[35]。

3.1.3 土壤類型對N2O和CO2排放的影響

本研究中不同類型土壤N2O和CO2排放對氮素水平的響應(yīng)存在差異，主要是由土壤性質(zhì)和微生物的相互作用造成的，與磚紅壤相比，燥紅壤N2O排放量更高，可能與土壤質(zhì)地有關(guān)。一方面，土壤質(zhì)地能夠影響土壤的通氣性以及氣體擴散速率[33]。與母質(zhì)為花崗巖的磚紅壤相比，燥紅壤土質(zhì)較輕，土壤通氣性更好[36]，氣體擴散快，因此能夠增強土壤微生物的硝化作用，同時有利于微生物的呼吸，導(dǎo)致土壤N2O和CO2排放增加[37]。另一方面，輕質(zhì)地土壤對有機質(zhì)及氮肥的保持作用較弱，對微生物的基質(zhì)供給可能更多，因而有利于微生物活動，微生物呼吸作用增強[38]。其次，土壤pH是調(diào)控土壤氮循環(huán)的重要因素[39]。研究表明，較低的pH能夠降低土壤礦質(zhì)氮的可利用性[40]，進而減少微生物的底物供應(yīng)，同時抑制氮轉(zhuǎn)化微生物和不同反應(yīng)階段酶的活性[41]，因此，與燥紅壤相比，磚紅壤N2O排放較少。相同施氮水平條件下，不同土壤表觀硝化率存在差異。Sun[42]等研究發(fā)現(xiàn)土壤pH與硝化作用呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，pH較低的土壤硝化過程產(chǎn)生的N2O更少。此外，土壤有機質(zhì)是大部分微生物的能量來源，有機質(zhì)能夠通過影響微生物數(shù)量和活性改變土壤N2O和CO2產(chǎn)生和排放[43]，本研究中，盡管磚紅壤有機碳含量較高，但由于其pH較低，有機質(zhì)的降解速率更低[9]，對微生物的能源供應(yīng)較少，導(dǎo)致土壤N2O和CO2排放較少。本研究由于是短期室內(nèi)培養(yǎng)實驗，不同土壤N2O和CO2排放對施氮量的響應(yīng)結(jié)果還存在一定的局限性，在下一步的研究中，首先應(yīng)加強施氮量對海南燥紅壤和磚紅壤N2O、CO2排放的長期研究，同時應(yīng)分別建立土壤有機碳氮形態(tài)和含量與土壤CO2和N2O氣體排放量的關(guān)系，明確引起溫室氣體排放變化的原因，此外，從微生物角度探討施氮對不同土壤溫室氣體排放的影響也是必要的。本研究結(jié)果表明，與磚紅壤相比，燥紅壤N2O排放對氮肥添加的響應(yīng)更敏感，遵循按需施氮的原則確定合適的氮肥用量，采用合適的氮肥品種及正確的氮肥施用方法，根據(jù)作物不同生育時期的需肥特點進行分次施肥，以及添加生物炭、秸稈和硝化抑制劑等措施都是降低土壤N2O排放的重要措施[36,44]。

3.2 結(jié)論

（1）隨施氮量增加，土壤pH和有機質(zhì)含量顯著降低，土壤全氮含量顯著升高。

（2）施氮量顯著增加土壤NH4+?N和NO3??N含量，不同土壤中NH4+?N和NO3??N含量均表現(xiàn)為N3>N2>N1>N0。

（3）土壤N2O和CO2排放與施氮量呈線性顯著相關(guān)。減少施氮量是降低土壤N2O排放最直接、有效的措施。

（4）土壤類型與土壤N2O和CO2排放密切相關(guān)。與磚紅壤相比，燥紅壤N2O和CO2排放對氮素水平的響應(yīng)更敏感。

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Effects of Nitrogen Application Rate on N2O and CO2Emission of Dry Red Soil and Latosol in Hainan

LIU Li-jun1, ZHU Qi-lin1, CAO Ming2, ZHENG Ji-cheng2, WU Yan-zheng1, TANG Shui-rong1, Meng Lei1, He Qiu-xiang1

(1.College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570228, China; 2.Sanya Sci-Tech Academy of Hainan National Breeding and Multiplication, Sanya 572000)

The effects of four levels of nitrogen, N0 (without nitrogen), N1 (100mg.kg?1), N2 (200mg·kg?1) and N3 (300mg·kg?1) on soil properties, N2O and CO2emissions in dry red soil and latosol were analyzed by laboratory incubation experiments. The results showed that nitrogen fertilizer significantly declined soil pH and organic carbon content. Compared with N0, N1, N2 and N3 treatments decreased pH and organic carbon by 8%?18% and 4%?12% in dry red soil, respectively, and latosol decreased by 5%?23% and 3%?15%, respectively. The total nitrogen content in dry red soil and latosol increased by 15%?54% and 13%?52%, respectively. Nitrogen application increased the contents of NH4+?N and NO3??N, and the contents of NH4+?N and NO3??N were N3>N2>N1>N0. Nitrogen addition promoted soil N2O and CO2emissions. Compared with N0, cumulative N2O and CO2emissions in dry red soil increased by 1176%?2425% and 124%?281%, respectively, and those in latosol increased by 1054%?1887% and 138%?256%, respectively. Nitrogen application rate and soil type are important factors affecting soil N2O and CO2emissions. There was a significant linear correlation between soil N2O and CO2emissions and nitrogen application rate. Reducing fertilization is the most direct and effective measure to reduce soil N2O emissions. Compared with latosol, N2O and CO2emissions were more sensitive to nitrogen addition in dry red soil.

Dry red soil; Latosol; Nitrogen fertilizer rate; N2O emissions; CO2emissions

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.09.002

收稿日期：2021?11?15

海南省自然科學(xué)基金高層次人才項目（320RC493）；國家自然科學(xué)基金項目（41661051；42067008）

通訊作者：何秋香，講師，研究方向為土壤氮循環(huán)，E-mail:46060398@qq.com

劉麗君，E-mail:18781115475@163.com

劉麗君,朱啟林,曹明,等.施氮量對海南燥紅壤和磚紅壤N2O/CO2排放的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(9):692-703