2017, Vol. 38
2. 山东理工大学农业工程与食品科学学院, 淄博 255000;
3. 山东理工大学资源与环境工程学院, 淄博 255000
2. School of Agricutural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China;
3. School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China
氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一, 其对全球气候变暖的贡献约占所有温室气体的7.9%[1], N2O的分子增温潜势是二氧化碳(CO2)的298倍[2].农业活动是N2O的重要来源[3], 农业生产中所导致的N2O排放量约占人类活动引起N2O排放量的84%[4], 是土壤氮素重要的损失途径[5].农田大量氮肥输入促进土壤中硝化和反硝化反应, 释放大量N2O[6].土壤中N2O主要产生于土壤的硝化和反硝化作用[7], 土壤硝化作用产生N2O有两种途径, 一个是氨氧化阶段, 氨被氧化成亚硝酸的同时产生副产物N2O, 另一个是亚硝酸氧化为硝酸的过程中, 在低氧条件下发生歧化反应而产生N2O[8].反硝化作用是在无氧条件下将NO3-还原成N2返回到大气氮库, 在此过程中会生成中间产物N2O[9].现有研究表明, 硝化和反硝化作用不仅受土壤温度、pH、含水量的影响, 还受铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)两种反应底物的限制[10].
生物炭是有机物料在低氧条件下经高温热解得到的一种富碳固态物质[11].生物炭具有很高的稳定性, 本身呈碱性, 较大碳氮比[12], 空隙发达, 表面积巨大[13], 并且还具有官能团丰富等特点[14], 可作为土壤改良剂而改变土壤理化性质, 进而影响土壤氮素转化[15].研究表明, 土壤中添加生物炭可以影响N2O的排放[16], 由于所用材料与方法的不同, 尚未得出一致结论.基于室内试验, 程效义等[17]在施用氮肥的基础上增施20 t·hm-2和40 t·hm-2的生物炭, 发现添加生物炭处理均可显著减少N2O排放. Case等[18]认为向沙质土壤中添加生物炭可显著降低N2O累积排放量, 同时还发现施加生物炭可增加土壤NH4+-N固定, 减少NO3--N, 降低反硝化作用.而胡俊鹏等[19]认为在对燥红壤施加生物炭之处, 生物炭可显著促进土壤硝化作用, 导致土壤N2O在短时间内集中排放.有机肥是中国最为传统的农业肥料[20], 现如今大量无机氮肥代替有机肥料, 导致土壤N2O的大量排放[21].农田施加有机肥能够增加土壤有机质含量, 改变氮素的输入形态, 为微生物活动提供了碳源和氮源, 改变土壤C/N, 通过影响微生物活动来影响硝化和反硝化作用, 进而影响N2O的排放[22, 23].有学者认为, 有机无机配施条件下, 有机肥能够持续改善土壤NH4+-N供给而促进N2O排放[24]; 而有研究则表明, 有机无机配施或单施有机肥能够降低土壤N2O的排放[25].有机肥对土壤N2O排放的影响目前还未有一致结论.
盐碱地是我国重要的耕地后备资源[26], 但生产力低, 土壤理化性质恶劣, 还会引发诸多环境问题[27].生物炭和有机肥均可作为土壤改良剂, 改变土壤理化性质, 对N2O的释放产生一定的影响.以往研究大多集中在生物炭或有机无机配施对土壤N2O排放的影响, 并且试验多设置在南方稻田或酸性土壤, 而针对华北平原盐碱地土壤中生物炭和有机肥对N2O排放影响的对比研究尚未见报道.因此, 本文以华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象, 探讨了生物炭和有机肥对盐碱地土壤N2O排放通量的影响, 通过寻求合理的施肥方式, 以期为土壤氮循环、农田增汇减排、保护农业环境提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验在山东省滨州市滨城区滨北镇中裕生态产业园进行, 该地区属于温带大陆性季风气候, 多年平均气温12.7℃, 平均地面温度14.7℃, 平均日照时数2 632.0 h, 年平均降水量564.8 mm, 降水多集中在7~8月.作物种植方式为冬小麦-夏玉米轮作, 土壤类型为盐碱土, 2016年试验前土壤的基本理化性质见表 1.
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表 1 试验前土壤的基本理化性质 Table 1 Basic properties of the soil before the experiment |
1.2 试验材料
试验所用生物炭购于山东省山东铭宸环卫设备有限公司, 为800℃下以棉花秸秆为原料, 经72 h不完全燃烧制成的黑色粉末.生物炭密度为0.297 g·cm-3, pH值为8.6, 含碳量为73%, 含氮量为0.9%, 有效磷含量为0.08%, 有效钾含量为1.6%.
试验所用有机肥为免深耕有机肥, 黑色颗粒状, 其中N+P2O5+K2O≥5%, 有机质含量>45%.
1.3 试验设计本试验主要研究生物炭和有机肥对玉米季土壤N2O排放的影响, 试验共设置6个处理, 每个处理3个重复, 各处理均等量施用N 200 kg·(hm2·a)-1, P2O5 120 kg·(hm2·a)-1, K2O 200 kg·(hm2·a)-1, 不足部分由尿素、磷酸二铵和硫酸钾等无机肥补充到等量养分.生物炭、有机肥、磷肥、钾肥作为基肥一次性施入, 氮肥中1/3尿素作为基肥, 2/3尿素追肥.每个小区面积为14 m×10 m=140 m2.试验设置对照CK[N：200 kg·(hm2·a)-1, P2O5：120 kg·(hm2·a)-1, K2O：200 kg·(hm2·a)-1]、C1[5 t·(hm2·a)-1生物炭]、C2[10 t·(hm2·a)-1生物炭]、C3[20 t·(hm2·a)-1生物炭]、M1[7.5 t·(hm2·a)-1有机肥]、M2[10 t·(hm2·a)-1有机肥]这6个处理.
生物炭、有机肥及基肥尿素、磷酸二胺、硫酸钾由人工均匀撒施, 小区旋耕15 cm.夏玉米于2016年6月30日播种, 大田无灌溉设施, 靠自然降雨.因雨量充沛, 趁阴雨天气于7月28日追肥一次, 其余管理措施如除草、病虫防治等与当地农田管理方式一致, 并于10月11日收获.
1.4 样品采集及测定 1.4.1 N2O及土样采集与处理利用静态暗箱进行气体采集, 静态暗箱分为采样箱(50 cm×50 cm×50 cm)和底座, 由不锈钢板制成.箱体外包裹有泡沫保温层, 内置温度感应器, 空气搅拌风扇.底座上部有密封水槽, 保证在抽气过程中形成封闭空间.采样点定于玉米垄间, 于播种后随机确定, 作为整个玉米季的固定气体采样点, 每个处理3个重复.
气体采集时间为2016年6月30日~2016年10月2日, 每周采样一次, 遇到雨天略做调整, 7月28日追肥, 追肥前采样一次, 追肥后连续采样3 d, 每天采样一次.每次采集气样在上午09:00~11:00, 采样时间为40 min, 每10 min采集一次, 使用带三通阀的针管将气样注入真空气袋.
每次采集完气体之后进行土样采集, 利用土钻采集0~20 cm和20~40 cm土层土样, 过2 mm筛, 一部分鲜土用于测定含水量、NH4+-N和NO3--N含量, 另一部分土样进行自然风干, 用于测定土壤pH.
1.4.2 测定方法N2O排放通量：用气相色谱仪(7890A)测定N2O峰面积, N2O检测器为ECD(电子捕获检测器), 分离柱内填充料为80~100目PorpakQ, 载气为高纯氮气, 尾吹气为ArCH4(Ar90%, CH410%), 尾吹气流量为2 mL·min-1.检测器、柱温分别是330℃和60℃.利用每组4个样品的气体峰面积与采样时间的回归斜率, 求得N2O排放通量.计算公式：
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(1) |
式中, F为N2O排放通量, μg·(m2·h)-1; ρ为标准状态下N2O气体密度, 为1.977 g·L-1; h为箱高, m; dc/dt为采样箱内N2O浓度变化率, μg·h-1; T为采样箱内的平均温度(℃).
N2O累积排放量计算公式：
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(2) |
式中：M为土壤N2O累积排放量, μg·m-2; F为N2O排放通量, μg·(m2·h)-1; i为采样次数; ti+1-ti为采样间隔天数.
pH值：用pH计测定.将过2 mm筛的自然风干土样称取10 g置于50 mL烧杯中, 加入25 mL蒸馏水.将容器密封后, 用搅拌器搅拌5 min, 静置1 h, 然后用pH计测定.
土壤含水量：用烘干法[28].用精确度为0.01 kg的分析天平准确称取铝盒质量, 然后称取10~20 g过2 mm筛的新鲜土样置于铝盒内称重.将样品放入烘箱, 在105℃下烘干12 h, 取出土样冷却至室温, 立即称重.
NH4+-N、NO3--N含量：利用CaCl2浸提, 采用AA3流动分析仪测定[29].称取10 g过2 mm筛的新鲜土壤, 置于100 mL塑料瓶中, 加入50 mL 0.01 mol·L-1的CaCl2溶液, 振荡1 h, 过滤, 滤液冷冻保存.测定前先解冻, 然后用AA3流动分析仪测定.
1.5 数据分析利用Microsoft Office Excel 2003进行数据整理, 在Origin 8.5中进行绘图, 在SPSS 19.0中进行数据分析, 采用单因素方差分析和LSD法比较不同处理间N2O排放量和累积排放量的差异, 利用Pearson相关系数检验判断N2O排放量与影响因子之间的相关性及显著性水平.所有结果数据均以平均值±标准差的形式表达.
2 结果与分析 2.1 不同处理土壤N2O通量的变化由图 1可见, 整个玉米季不同处理N2O排放通量变化趋势基本一致, 均表现为先降低, 后升高, 再降低的趋势, 前期变化幅度较大, 后期基本保持在相对较低的排放水平. 5 cm土层温度和10 cm土层温度变化趋势与N2O变化较为一致, 但总体波动范围在10℃左右, 但仅有CK与20~40 cm土层温度存在显著正相关关系.整个玉米生育期中, 各处理N2O共出现2次排放峰, 分别在播种后(6月30日)、追肥后第2 d(7月30日).播种后N2O排放剧烈, 其大小顺序为M1>M2>C2>CK>C3>C1, M1、M2、C2、C1与CK之间存在显著性差异, C3与CK之间差异性不明显, 但有机肥处理N2O排放通量明显高于生物炭处理.之后N2O排放通量迅速减少, 追肥当天(7月28日)开始, 不同处理N2O排放通量迅速上升, 这与地温变化一致, 并于7月30日出现峰值; 与CK相比, C1、C2分别减少44.59%和45.16%, 而M1、M2排放通量显著高于CK, 分别增加23.54%、71.22%, C3处理N2O排放通量低于对照, 但无明显差异. 8月9~16日, 生物炭和有机肥处理均低于CK, 且差异性显著.播种52 d后不同处理(除个别处理)均处于较稳定的低排放水平, C2、M2和C3、M2分别于8月22日和9月17日再次出现峰值, 而C1和C2分别在9月10日和9月17日出现负值, 且均低于CK.
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图 1 不同处理土壤N2O排放变化 Fig. 1 Variation of soil N2O emission flux with different treatments |
总的来说, CK、C1、C2、C3、M1、M2在追肥后7 d内累积排放量分别占整个生育期累积排放量的37.11%、42.39%、43.63%、26.57%、48.16%、39.53%.各处理在不同生育期对N2O排放的影响不同, N2O累积排放量(图 2)大小顺序为：M1>M2>C3>CK>C2>C1;与CK相比, C1、C2累积排放量分别降低45.25%、31.56%, 且存在显著性差异; C3、M1、M2分别增加17.33%、37.35%、27.57%, 但无明显差异.说明施加生物炭能够降低土壤N2O的排放, 但随生物炭施用量的增加, N2O累积排放量也会随之增加, C3则增加土壤N2O的排放.同样, 施加有机肥也增加了N2O的排放, 但N2O累积排放量未随有机肥的增加而增加, 说明合理施用有机肥仍然具有降低土壤N2O排放的潜力.
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不同小写字母表示P < 0.05差异显著性水平 图 2 不同处理N2O累积排放量 Fig. 2 N2O cumulative emission flux with different treatments |
由图 3可知, 整个玉米生育期不同处理土壤pH值的变化趋势基本一致.两层土壤中, 生物炭处理和有机肥处理pH值均低于对照处理. 0~20 cm土层中, pH值变化范围在7.20~7.72之间, 总体表现为CK>C1>C2>C3>M1>M2, C3、M1、M2与CK之间存在显著性差异, C1、C2、C3显著高于M2, 同样C1显著高于M1. 20~40 cm土层中, 各处理pH值大小顺序为CK>C2>C1>C3>M1>M2, 其值均在7.25~7.84之间.各处理均显著低于对照处理, C1、C2、C3于M2之间差异性显著, 而M1、M2之间无显著性差异.通过相关性分析可知, 两层土壤pH值间存在极显著相关关系(P < 0.01), 并且20~40 cm土层pH值要高于0~20 cm土层pH值.
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图 3 不同处理土壤pH的变化及平均pH Fig. 3 Variation and average of soil pH under different treatments |
不同处理土壤含水量基本上表现为先增后减(图 4), 前期不同处理波动较小, 进入9月后变化较大, 0~20 cm及20~40 cm土层含水量变化范围分别为11.0%~20.0%和10.2%~20.1%.追肥当日各处理出现较小峰值, 进入8月之后各处理含水量均处于较高水平, 9月各处理波动较大, 但总体呈下降趋势. 0~20 cm土层各处理平均含水量在16.3%~17.0%, 与CK相比C1、C2降低了土壤含水量, 但C3、M1、M2均高于CK, 不同处理之间无显著性差异. 20~40 cm土层各处理平均含水量在16.2%~17.5%, 除C2外C1、C3、M1、M2均可降低土壤含水量, C1与CK相比含水量降低5.3%, 具有显著性差异, 其余处理差异性不明显; 与有机肥处理相比, C2、C3可提高土壤含水量且C2与M2之间差异性显著, C1则降低土壤含水量, 与M1、M2无明显差异.施加生物炭量的不同对土壤含水量的影响不同, 随着生物炭量的增加, 土壤含水量随之先增大后减小; 有机肥施加后均表现出降低土壤含水量, 但降幅随有机肥施用量的增加而减小.
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图 4 不同处理土壤含水量的变化及平均含水量 Fig. 4 Variation and average of soil moisture content with different treatments |
图 5玉米生育期各处理中, 不同土层NH4+-N含量变化趋势基本一致.播种后(6月30日), 生物炭处理并无较大波动, 但有机肥处理均达最大值, M1、M2处理NH4+-N含量达到最大值, 0~20 cm分别为8.53 mg·kg-1、6.95 mg·kg-1, 20~40 cm分别为3.85 mg·kg-1、4.92 mg·kg-1, 均显著高于CK和生物炭处理(P < 0.05).随后, M1、M2处理中NH4+-N含量迅速下降. 7月7~16日, 各处理NH4+-N含量均有所下降, 且C3处理显著高于CK(P < 0.05), M2仅在20~40 cm土层与CK存在显著性差异(P < 0.05), 其余各处理与CK无显著差异.不同处理在追肥(7月28日)当天达到峰值, 0~20 cm土层, 与CK相比C2、C3、M2处理均可降低NH4+-N含量, 但无明显差异, M1显著高于CK、C2、C3、M2(P < 0.05); 20~40 cm土层, C1、C2小于CK, 而C3、M1、M2高于CK, 各处理之间并无显著性差异, 但之后NH4+-N含量迅速下降.试验发现, 追肥后2~12 d, 各处理NH4+-N含量均有升高趋势. 8月16日开始两层土壤NH4+-N含量开始降低, 8月22日20~40 cm土层开始NH4+-N含量迅速下降, 9月17日出现较小波动, 之后各处理NH4+-N含量均处于较低水平, 直至玉米收获.总的来说, 0~20 cm土层NH4+-N含量与20~40 cm土层并无明显差异.与CK相比, 施加生物炭和有机肥均可增加土壤0~20 cm土层NH4+-N含量, 各处理表现为M1>M2>C3>C1>C2>CK, M1显著高于CK、C1、C2. 20~40 cm土层C1、C2可降低NH4+-N含量, C3、M1、M2与0~20 cm土层一致, 可增加NH4+-N含量, 各处理大小顺序为M1>M2>C3>C1>CK>C2, 且两层土壤中有机肥处理均高于生物炭处理.
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图 5 不同处理土壤NH4+-N含量变化及平均NH4+-N含量 Fig. 5 Variation and average of soil NH4+-N content with different treatments |
由图 6可见, 整个玉米生育期不同处理NO3--N含量变化趋势基本一致.生物炭处理前期波动较小, 后期变化幅度较大, 有机肥在播种后及后期变化均较为剧烈.总体上看, 0~20 cm土层NO3--N含量大于20~40 cm土层NO3--N含量, 有机肥处理NO3--N含量显著大于生物炭处理(P < 0.05), 平均NO3--N含量表现为：0~20 cm土层, M2>M1>C3>C2>C1>CK; 20~40 cm土层, M2>M1>C1>C3>C2>CK.两层土壤中不同处理均显著高于CK(P < 0.05), M1与M2处理之间存在显著差异, 而C1、C2、C3之间无显著差异.说明施加生物炭和有机肥均能提高土壤NO3--N含量, 且有机肥处理的提高幅度明显大于生物炭处理.具体来看, 不同时期提高幅度不尽相同, 播种后生物炭处理并没有明显波动并且均低于CK的NO3--N含量, 在0~20 cm土层, CK、M2处理均达到最大值, 分别为46.50 mg·kg-1、123.18 mg·kg-1, 且M2比CK高出2.6倍.在20~40 cm土层中变化并不明显, 仅有M1含量最高, 达70.11 mg·kg-1, 是CK的近10倍, 生物炭处理略高于CK. 7月28日追肥当天M1处理NO3--N含量明显高于CK及生物炭处理, M2处理仅提高了0~20 cm土层NO3--N含量, 生物炭处理均高于CK但无显著差异.追肥后各处理NO3--N含量均有所增加, 于7月29~30日出现较小峰值.随后20 d内, 追肥对土壤两层土壤NO3--N含量影响不大, 不同处理NO3--N含量逐渐减少, 说明土壤中原有NO3--N正在被逐渐消耗. 8月16日C3处理在0~20 cm土层NO3--N含量最先开始增加, 与CK相比增加了13.2倍. 8月30日开始, 各处理NO3--N含量开始大幅度增加并且各处理波动较大, 说明NH4+-N开始大量转化为NO3--N.生物炭和M1处理在迅速增加后缓慢降低, 但M2一直处于较高水平, 直至玉米收获.整体上说, 0~20 cm土层NO3--N含量大于20~40 cm土层. 0~20 cm土层中, 与CK相比, C1、C2、C3、M1、M2分别提高了43.8%、68.7%(P < 0.05)、74.5%(P < 0.05)、123.4%(P < 0.05)、243.3%(P < 0.05), 生物炭处理间无显著性差异, M1、M2处理之间差异显著(P < 0.05). 20~40 cm土层, C1、C2、C3、M1、M2分别高于CK 91.9%、65.7%、91.9%、174.3%、231.1%, 且存在显著差异.生物炭处理间差异均未达到显著性水平(P>0.05).
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图 6 不同处理土壤NO3--N含量的变化 Fig. 6 Variation of soil NO3--N content with different treatments |
土壤N2O排放通量与土壤pH值、含水量相关性分析见表 2, 仅有CK处理中20~40 cm土层土壤pH与N2O排放通量之间存在显著负相关关系, 其余处理中N2O排放通量与土壤pH之间均无显著相关关系.不同处理N2O排放通量与土壤含水量相关关系均不显著.
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表 2 N2O排放通量与土壤pH、含水量、NH4+-N和NO3--N相关性1) Table 2 Correlation analysis between soil pH, moisture content, NH4+-N, NO3--N, and N2O emission flux |
土壤N2O排放通量与土壤NH4+-N、NO3--N含量相关性分析见表 2.除C3处理外, 其它各处理N2O排放通量均与土壤NH4+-N呈显著正相关关系(P < 0.05).在0~20 cm土层, CK、C1、M1、M2中N2O排放与NH4+-N呈极显著的正相关关系(P < 0.01), C2处理中呈现显著正相关关系(P < 0.05). 20~40 cm土层, C1、C2、M1、M2处理中N2O排放与NH4+-N呈现出极显著正相关关系(P < 0.01), 其余各处理相关关系均不显著.对于NO3--N来说, 在0~20 cm土层, CK、M1、M2处理中N2O排放与土壤NO3--N表现出显著正相关关系(P < 0.05), C1、C3中N2O与NO3--N呈现显著负相关关系(P < 0.05). 20~40 cm土层, 仅有C1处理中N2O排放与土壤NO3--N表现出极显著负相关关系(P < 0.01); M1处理中, 土壤N2O排放通量与土壤NO3--N含量表现出极显著正相关关系(P < 0.01).
3 讨论土壤硝化和反硝化作用是土壤产生N2O的主要途径[7].大量研究表明, 施肥后会促使土壤N2O大量排放[19, 24].本试验研究结果显示, 不同处理在播种和追肥后导致N2O大量排放, 说明对于盐碱地来说, 施肥依然会促进土壤N2O大量排放.施肥为土壤提供大量氮素, 且施肥后均发生降水事件, 此时土壤中具有较好的水肥条件, 促进了氮素矿化和尿素的水解[30], 为土壤硝化和反硝化作用提供充足反应底物[24], 促进了土壤硝化作用和反硝化作用, 有利于N2O的排放[31]. He等认为[32], 灌溉后之所以能促进土壤N2O排放, 可能是因为土壤干湿交替有利于刺激土壤反硝化作用而增加N2O排放; 李露等[33]的研究结果也表明, 稻麦轮作系统中, 小麦季追肥再加之降水后, 出现明显的N2O排放峰, 与本试验研究结果一致.试验发现, 施肥后一段时期内, 盐碱土中NH4+-N逐渐积累, NO3--N逐渐较少, 说明施肥后N2O大量排放是由硝化和反硝化共同作用的结果.
大量研究结果表明, 土壤中施加生物炭能够降低N2O排放量[18, 34, 35].本试验研究结果表明, 施加生物炭水平在5 t·(hm2·a)-1和10 t·(hm2·a)-1时, 能够降低盐碱土N2O排放量.原因可能是生物炭通过改变硝化和反硝化作用底物数量来影响土壤N2O的排放[36].随着时间的推移土壤NH4+-N含量逐渐降低, NO3--N含量逐渐增加.较高的NH4+-N含量主要集中在玉米季前期, 而NO3--N含量在玉米生育期后期保持在较高水平, 这与张星等[29]的研究结果相吻合. NH4+-N是矿化作用的产物, 同时也是硝化作用的底物, 施加生物炭能够促进土壤NH4+-N矿化和硝化作用[36], 有利于N2O的释放, 同时增加土壤NO3--N含量[37], 与陈晨等[38]的研究结果一致.生物炭本身带有正电荷[29], 具有高孔隙度、比表面积大等特点, 可以对土壤NO3--N产生吸附作用[37], 而减少反硝化细菌可利用的底物有效性, 减弱反硝化作用, 也可能是生物炭中含有某些成分, 抑制NO3--N向N2O转化酶的活性[39], 降低N2O排放.所以, 生物炭虽然促进了土壤的硝化作用, 但其通过降低NO3--N还原强度来减弱反硝化作用, 总体表现出N2O排放通量降低的结果.但Sánchez-García等[16]的研究发现在典型钙质土中添加生物炭却使土壤N2O排放量增加了54%.本研究中, 施加生物炭20 t·(hm2·a)-1促进了N2O排放, 但差异性并不显著.试验发现C3处理中NH4+-N含量高于C1、C2, 但差异性并不明显, 说明C3中氮素矿化作用要强于C1、C2, 这有利于硝化作用的进行, 原因可能是C3施炭量较大, 且生物炭具有较高的C/N, 促进了土壤氮素的矿化和硝化作用.但C3中NO3--N含量与C1、C2并无明显差异, 可能是生物炭多孔性结构可以为土壤微生物提供充足的繁殖空间, 大量好氧微生物的繁殖导致土壤中出现厌氧条件[40], 从而促进了C3处理中的反硝化作用, 增加N2O排放, 这与王月玲等[41]的研究结果一致.因此, 确定生物炭的合理施炭量对减少盐碱地N2O排放具有重要意义.
值得注意的是, 与对照相比, 不同生物炭处理均显著降低了盐碱地土壤pH, 并随着生物炭施用量的增加而降低, 这与生物炭能够提高土壤pH值并不一致, 以往报告中多集中在生物炭对酸性土壤的改良研究, 关于盐碱地的相关报道较少.本研究中向盐碱土中添加生物炭降低了土壤pH, 原因可能有以下三个方面：一是盐碱土中含有大量的Ca2+和Mg2+, 而这些金属阳离子会与生物炭表面羧基官能团中H+发生置换, 致使土壤pH降低[42]; 二是生物炭使土壤大量NO3--N累积导致土壤pH值下降[40]; 三是随着时间的推移生物炭表面氧化而产生酸性物质[43], 引起生物炭周围土壤pH降低.张瑞[26]在生物炭对滨海盐碱地改良研究中发现, 分别施加生物竹炭和复合生物炭均显著降低了土壤pH, 与本研究结果一致.所以施用生物炭对滨海盐碱地土壤具有一定的改良作用.
本研究表明, 施加有机肥能够促进盐碱地N2O排放, 与Dambreville等[44]在玉米季试验中施加有机肥引起N2O排放高于施加无机氮处理的结果一致.首先, 有机肥的输入为土壤微生物提供充足氮源和碳源, 土壤微生物大量繁殖, 大量吸收分解有机氮源, 增加土壤矿质氮含量[45], 为土壤硝化和反硝化作用提供充足底物, 通过相关性分析发现0~20 cm土层中, NH4+-N和NO3--N含量与N2O排放通量之间存在显著正相关关系; 其次, 土壤好氧微生物的大量生长繁殖, 降低了土壤中氧气含量, 为土壤反硝化菌提供了良好的厌氧环境, 间接促进土壤N2O的排放[37, 46]; 再次, N2O的排放也会受到土壤pH的影响, 当pH在7.0~8.0时有利于土壤反硝化作用[31].本试验中, 土壤pH均在此范围内, 有利于反硝化微生物的生长繁殖, 从而促进反硝化作用, 增加N2O排放.另外, M1大于M2排放量, 这与陈哲等[24]的研究结果一致, 原因可能是在等氮条件下N2O排放主要受外源碳的限制[47], Huang等[48]通过模拟试验发现, 土壤N2O排放通量与土壤碳氮比呈现出负相关关系, 降低碳氮比时, N2O排放量也随即增加; 也可能是因为随着有机肥施用量的增加对土壤反硝化作用的促进作用更为彻底, 更多的N2O转化为N2; 还有可能与试验土壤环境不同有关.继续增加有机肥施用量是否能够降低盐碱地N2O排放仍需进一步研究.
4 结论(1) 玉米生育期内, 不同处理N2O排放通量的动态变化基本一致; 排放高峰均出现在施肥(基肥和追肥)后, 排放量占整个生育期排放量的近一半.与CK相比, 生物炭处理降低了追肥后N2O排放量, 且施加生物炭的土壤N2O排放通量低于施加有机肥处理.
(2) 施加生物炭能够降低盐碱地N2O排放, 但效果并未随施加生物炭量的增加而加强, 与对照相比C1、C2分别降低N2O排放45.3%、31.6%, C3则促进了N2O排放, 增幅为17.3%.
(3) 施加有机肥表现出促进土壤N2O排放, 与CK相比, M1、M2处理分别增加了37.4%、27.6%, 并随有机肥用量的增加而减弱, 施加有机肥仍具有减缓土壤N2O排放的潜力.
(4) 施加生物炭和有机肥均能降低土壤pH, 因此, 生物炭和有机肥均具有改良盐碱地的潜力.
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