氧化亚氮（N2O）是一种强效温室气体,在100年尺度上,其增温潜势是二氧化碳（CO2）的298倍,能够参与平流层中臭氧反应,造成臭氧层的损耗[1]。农业是温室气体N2O的重要排放源。由于氮肥的大量投入,加之复种指数高,农事操作频繁,菜地生态系统面临较高的N2O排放风险[2]。因此,降低菜地土壤N2O排放是减少氮素损失,降低环境污染和维持蔬菜产业健康有序发展的重要保证。
土壤N2O主要产生于微生物参与的硝化与反硝化过程[3]。采取有效的措施调控N2O产生过程有助于降低土壤N2O排放。生物炭是生物质经过无氧高温条件下热解生成的富炭物质。田间施用生物炭不仅能提升土壤碳储量,增加作物产量,同时也能影响N2O排放[4]。研究表明,施用生物炭能够降低土壤硝化作用,促进反硝化过程N2O还原为N2等过程从而减少N2O的排放[5]。此外,硝化抑制剂能够通过抑制氨单加氧酶活性从而对硝化以及反硝化过程起到削弱的作用[6],进而能够减缓土壤N2O排放。施用生物炭和硝化抑制剂作为调控土壤氮素转化的有效措施,在控制农田氮素损失上已有广泛的研究[7],但由于受土壤性质和气候环境的综合影响,其调控效力存在很大的变异性[8],因而特定区域的施用效果仍需进一步研究。与温带和亚热带不同,热带地区高温多雨,土壤硝化过程较快,进而加剧土壤N2O排放。鉴于生物炭表面积较大,能够吸附NH4+-N[5],而硝化抑制剂能够抑制氨单加氧酶活性[6],我们推测,二者通过控制底物和酶的有效性从而能够延缓热带土壤硝化作用和减少N2O排放。然而,生物炭和硝化抑制剂对农田土壤氮转化和N2O减排效果的研究主要集中在东北、华北及华中的部分区域,研究对象大多为旱作或水作等大宗粮田土壤[9,10,11],对我国热带菜地土壤鲜有报道。此外,现有的研究大多关注于生物炭或硝化抑制剂单一施用效果,二者联合施用对土壤氮转化及N2O排放能否产生交互效应值得进一步探究。
因此,本研究以海南典型菜地土壤为研究对象,通过室内培养试验探究生物炭和硝化抑制剂单独及其联合施用对热带菜地土壤硝化过程及N2O排放的影响,以期为生物炭和硝化抑制剂在我国热带菜地中的合理高效运用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试土壤采自中国热带农业科学院文昌科技创新基地（110.46° E,19.32° N）,土壤为浅海沉积相发育的砖红壤,质地为沙壤土,pH 7.02,土壤采集深度为0~20 cm菜地耕层。鲜土采集后冷藏运输至实验室,土壤略微风干后去除根系、碎石和其他杂物后,过2 mm筛,充分混匀保存于4 ℃冰箱中备用。土壤基本理化性质为：有机碳2.9 g/kg,全氮0.15 g/kg,全磷0.13 g/kg,全钾0.80 g/kg,容重为1.56 g/cm3。
供试生物炭采购于河南三利科技有限公司,是由花生壳在500 ℃下经过厌氧热解制备而成,其理化性质为：有机碳449.1 g/kg,总氮6.5 g/kg-1,C/N为69.1,pH为9.74,生物炭经过烘干、粉碎,过2 mm筛,于干燥器内保存备用。本研究所使用的硝化抑制剂为双氰胺。
1.2 试验设计
试验共设4个处理,分别为氮肥（N,只添加尿素,加入量为100 mg/kg干土）,氮肥+生物炭处理（N+Bc,生物炭添加量为土壤干重的1.2%）,氮肥+硝化抑制剂（N+Ni,双氰胺添加量为氮肥的0.24%）、氮肥+生物炭+硝化抑制剂（N+Bc+Ni,添加量同上）。每个处理设置3个重复。
称25.00 g（以干重计）土样置于120 mL血清瓶中（对于生物炭相关处理,将生物炭与土壤充分混匀）,用去离子水调节土壤水分至50%田间持水量,将血清瓶置于28 ℃培养箱中预培养1周。预培养结束后,加入2 mL含有尿素（分析纯）溶液（对于硝化抑制剂处理,将双氰胺（分析纯）和尿素（分析纯）混合溶解定容备用）。之后将所有血清瓶土壤水分调节至60%田间持水量,再放置于28 ℃恒温培养箱中培养42 d。培养过程中,用保鲜膜封住血清瓶瓶口,并用细针扎几个小孔,保持通气环境。培养过程每隔2~3 d采用称重法补充水分使其维持在目标含水量。
1.3 气体样品采集及测试
加入氮肥溶液的第1、3、5、7、14、21、28、35、42 d采集气体样品。采样前,向血清瓶吹入数分钟的高纯空气来置换瓶内气体,随后迅速用硅胶塞封住瓶口,并用压盖器将封口盖压在瓶塞上保证良好的密闭性。在密封血清瓶后0和7 h分别用10 mL注射器采集血清瓶内气体,并于12 h内用气相色谱（安捷伦7890B）对气样N2O浓度进行测试分析。
N2O排放速率计算公式如下：
F=ρ×ΔC/Δt×273.15/(273.15+T)×V/m
式中,F为N2O排放速率,ng/kg•h, ρ为标准状态下N2O的密度,1.25 kg/m3;ΔC/Δt为血清瓶内N2O浓度变化率,109•h;V为血清瓶上部有效空间体积,m3;T为环境气温,℃;m为培养土的干基重,kg。
土壤N2O累积排放量的计算公式如下：
$M=F_{1}\times 24 +\sum_{i=2}^{n}(F_{i}+ F_{i-1})/2\times (t_{i}-t_{i-1})\times 24$
式中,M为N2O累积排放量,μg/kg;F为土壤N2O排放速率,μg/kg•h;t为采样天数,d;i为采样次数;ti‒ti‒1为2次采样的间隔天数。
1.4 土壤采集及测试方法
与气体采集同步,分别在加入氮肥溶液的第1、3、5、7、14、21、28、35、42 d采集土壤测定无机氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）含量。用2 mol/L KCl浸提土壤（水土比5∶1）,过滤,滤液中的NH4+-N采用靛酚蓝比色法（625 nm）进行测定,NO2--N采用重氮化物比色法（420 nm）,NO3--N采用双波长（220 nm和275 nm）分光光度法测定。无机氮强度采用梯形法来计算它们各自含量与时间的关系,即矿质氮含量的时间加权平均值,单位为mg/d•kg。土壤及生物炭理化指标测试参考《土壤农业化学分析方法》[12],其中：有机碳采用重铬酸钾-硫酸消化法测定;土壤总氮采用半微量凯氏定氮法测定;土壤全磷采用HClO4‒H2SO4消解-钼锑抗比色法;土壤全钾采用HClO4‒H2SO4消解-火焰光度计法;土壤容重采用环刀法。
1.5 数据处理
数据计算和作图采用Excel 2010和Origin 8.0软件。采用单因素方差分析检验不同处理对培养期间土壤N2O累积排放量的影响;采用双因素方差分析检验生物炭和硝化抑制剂及其交互作用对无机氮强度影响;采用重复测量方差分析检验处理和时间及其交互作用对NH4+-N、NO2--N、NO3--N以及N2O排放速率的影响。不同处理间的差异性检验与方差分析均采用JMP（SAS Institute, USA, 2007）软件进行,并采用Tukey法进行多重比较,数据结果以Mean±SD表示,n=3。
2 结果与分析
2.1 各处理菜地土壤无机氮动态变化
重复测定方差分析表明,处理和时间及其交互作用对培养期间无机氮（NH4+-N、NO2--N和NO3--N）含量产生显著影响。与单施氮肥相比,配施生物炭明显降低7~42 d土壤NH4+-N含量,降幅范围4.4%~81.7%,而在1~5 d无显著影响（图1A）;配施硝化抑制剂明显增加各时段土壤NH4+-N含量,增幅范围0.2%~113.7%;生物炭与硝化抑制剂联合施用NH4+-N含量介于单施氮处理和氮肥配施硝化抑制剂处理之间,且明显高于配施生物炭处理,表明硝化抑制剂的施用能够削弱生物炭添加所产生的激发硝化过程的效应。培养7 d后,各处理NO3--N含量差异明显（图1C）。与单施氮肥相比,添加生物炭能够显著增加土壤NO3--N含量,增幅范围0.3%~35.8%;配施硝化抑制剂则能显著降低土壤NO3--N含量,降幅范围24.5%~37.9%;生物炭与硝化抑制剂联合施用下,21 d后NO3--N含量介于配施生物炭或硝化抑制剂之间,且明显低于单施氮肥处理,表明二者联合施用能显著减弱硝化过程。
培养期间NO2--N含量分别于7 d和28 d出现明显的2个峰值,随后逐渐减低。氮肥处理下NO2--N含量峰值最高,配施生物或硝化抑制剂显著降低峰值（图1B）。
2.2 生物炭与硝化抑制剂施用菜地土壤矿质氮强度变化
由表1可知,生物炭或硝化抑制剂的施用能显著影响培养期间NH4+-N强度。与单施氮肥相比,氮肥配施生物炭NH4+-N强度显著降低33.3%,氮肥配施硝化抑制剂NH4+-N强度则显著增加33.4%,生物炭与硝化抑制剂联合下NH4+-N强度介于2个单独配施处理之间,因而存在交互效应。此外,氮肥配施硝化抑制能显著降低NO2--N强度,降幅为23.4%。生物炭或硝化抑制剂单独及其联合施用能显著影响土壤NO3--N强度。与单施氮肥相比,添加生物炭NO3--N强度显著增加15.8%,而添加硝化抑制剂NO3--N强度则显著降低29.8%。生物炭与硝化抑制剂联合施用下NO3--N强度介于配施生物炭或硝化抑制剂之间,且明显低于单施氮肥处理,表明二者联合施用对土壤硝化过程产生抑制作用。
表1 各处理土壤无机氮强度Tab. 1 Soil inorganic N intensity of different treatment |
| 处理 Treatment | NH4+-N Intensity /(mg•d•kg‒1) | NO2--N Intensity /(mg•d•kg‒1) | NO3--N Intensity/(mg•d•kg‒1) |
|---|---|---|---|
| N | 68.46±1.35c | 0.47±0.03a | 54.29±2.10b |
| N+Bc | 45.64±0.76d | 0.43±0.03a | 62.86±0.43a |
| N+Ni | 91.34±3.41a | 0.36±0.01b | 38.10±0.82d |
| NI+Bc+Ni | 73.71±0.88b | 0.35±0.00b | 42.18±0.46c |
| Two-way ANOVA | |||
| Bc | * | n.s. | * |
| Ni | * | * | * |
| Bc×Ni | * | n.s. | * |
注：同列数据后不同字母表示差异显著（P<0.05）;*表示显著性P<0.05;n.s.表示差异不显著。 | |
Note: Different letters in the same column mean significant difference among all treatments at 0.05 levels; *mean significant at P<0.05; n.s. not significant. |
2.3 生物炭与硝化抑制剂施用菜地土壤N2O排放速率动态变化
培养期间N2O排放速率动态变化如图2所示。氮肥添加初期,各处理N2O排放出现明显峰值,之后在短时段内N2O排放速率呈下降趋势。第7天后,随着时间的延长各处理变化不同。氮肥及其配施生物炭处理在14 d出现第二个更高的排放峰,排放速率分别高达180.3 ng/kg•h和247.8 ng/kg•h,而配施硝化抑制剂及其与生物炭联合处理N2O排放持续保持较低态势。重复测定方差分析表明,处理和时间及其交互作用对培养期间N2O排放速率产生显著影响。在培养的14 d,与氮肥处理相比,添加生物炭N2O排放速率增加了37.4%,添加硝化抑制剂N2O排放速率降低85.5%,二者联合施用N2O排放速率降低90.9%。14 d之后,氮肥及其配施生物炭处理N2O排放速率呈现快速降低趋势,最终保持在较低水平;而硝化抑制剂及其与生物炭联合施用处理总体保持较低排放状态,但于28 d之后有略微增加的趋势,这可能与硝化抑制剂抑制效果减弱有关。
2.4 菜地土壤N2O累积排放量及其与无机氮强度关系
在整个培养期内,菜地土壤各处理N2O累积排放量变化范围为31.40~103.13 ug/kg（图3）,处理间差异显著。与单施氮肥处理相比,氮肥配施生物炭能够显著降低土壤N2O累积排放量,降幅为15.1%,氮肥配施硝化抑制剂N2O累积排放量则显著降低68.3%,因而硝化抑制剂相较生物炭对菜地土壤N2O排放有更强的减排效果。此外,与氮肥配施生物炭或硝化抑制剂相比,联合施用生物炭与硝化抑制剂能够在不同程度上进一步降低N2O累积排放量。
3 讨论
3.1 生物炭与硝化抑制剂联合施用对菜地土壤硝化过程的影响
本研究发现,在500 ℃制备的花生壳生物炭在用量为1.2%时能够显著降低土壤33.4%的NH4+-N强度,同时显著增加15.8%的NO3--N强度,表明添加生物炭能够促进热带菜地土壤的硝化能力。杜莎莎等[13]研究得出同等制备温度下的稻壳生物炭在用量为5%和10%时提高了进日本-宫城县菜地土壤硝化作用,这与本研究结果一致。生物炭能够增加土壤的通气性[14],有利于提高硝化微生物的生理活性[15],从而加速硝化过程。Li等[4]指出,施用20 t/hm2的小麦秸秆碱性生物炭2年后,酸性黏土pH能够显著增加,因此生物炭能够有效缓解土壤酸化对硝化过程的抑制作用,进而加速土壤硝化过程。本研究中土壤肥力较低,生物炭中含有的一部分养分物质进入土壤后有利于微生物的增殖[16],进而提高土壤硝化作用,潜在增加硝化过程N2O产生风险,同时增加NO3--N在强降水下的淋溶风险。因此,添加生物炭能够显著提升热带低肥力菜地土壤的硝化作用。
此外,本研究发现,在培养期间硝化抑制的添加能够显著提升33.4%的NH4+-N强度,同时显著降低了29.8%的NO3--N强度,表明硝化抑制剂对热带菜地土壤硝化过程产生明显的抑制效果,这可能与硝化过程微生物活性受到抑制有关[6]。Zhou等[17]表明,硝化抑制能抑制氨氮微生物特别是氨氧化细菌的活性,从而通过降低氨单加氧酶活性进而延缓硝化过程。Shi等[18]发现,硝化抑制剂能显著降低碱性菜地土壤硝化作用,而对酸性草地土壤硝化作用影响不显著,这可能与草地土壤硝化过程较弱有关。此外,硝化抑制剂在有机质含量较高的土壤中抑制效果较弱,这可能是硝化抑制剂被有机质吸附进而降低其对硝化过程的抑制效果[19]。可见,硝化抑制剂的作用效果受土壤类型及其理化性质的综合影响[20]。本研究中土壤为中性（pH为7.02）,且土壤有机质含量较低,因而硝化抑制剂表现出对硝化作用较强的抑制效果。此外,生物炭与硝化抑制剂联合施用下,土壤NH4+-N和NO3--N含量介于两单独施用处理之间,表明在生物炭添加下配施硝化抑制剂可以有效缓解生物炭对硝化作用的激发效应,从而潜在降低硝化过程N2O的产生及NO3--N的淋失风险。Chen等[21]也发现,添加2%秸秆生物炭和硝化抑制剂DMPP后,培养期间荒漠土NH4+-N和NO3--N含量介于二者单独施用之间。因此,添加硝化抑制剂能够延缓热带菜地土壤硝化作用,且能够削弱生物炭添加引起的激发效应。
3.2 生物炭与硝化抑制剂联合施用对菜地土壤N2O排放影响
本研究表明,添加生物炭虽然加速了土壤硝化过程,但能显著降低热带菜地土壤N2O排放,这可能与削弱N2O的其它产生途径有关。Li等[4]指出,田间施用20 t/hm2小麦秸秆生物炭2年后黏土孔隙度够增加,进而增加土壤通气性,从而不利于反硝化过程N2O的产生。陈晨等[22]报道田间施用40 t/hm2小麦秸秆生物炭3年后,黏壤土反硝化nosZ型功能微生物基因丰度显著增加,从而加速土壤N2O还原为N2进而发挥减排效果。本研究中,添加硝化抑制剂较生物炭能够更加有效降低N2O排放,这与硝化作用被强烈抑制有关。Zhang等[23]表示在尿素或氨氮施用的农田土壤中,硝化过程土壤N2O产生的重要途径,因此施用硝化抑制剂减排效果较为明显。
4 结论
向低肥力热带菜地土壤中施入氮肥后,配施生物炭能够显著提高土壤硝化作用,在未来研究中需探究硝化微生物丰度和多样性对生物炭施用的响应;配施硝化抑制剂能够延缓土壤硝化作用,这与之前假设一致。此外,施用硝化抑制剂能够削弱由生物炭添加引起的激发硝化过程的效应,进一步验证2种措施联合施用对硝化过程影响存在交互效应。另外,施用生物炭和硝化抑制剂都能有效减缓热带土壤N2O排放,从“固碳”和“减排”的角度综合考虑,二者联合施用更具潜力。