2018, Vol. 39
2. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044
2. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)是引起全球气候变暖的重要温室气体, 其辐射力分别为1.66、0.16和0.48 W·m-1.大气中N2O和CH4的浓度虽然没有CO2高, 但是百年尺度上单位分子N2O和CH4的增温潜势分别为CO2的310和21倍[1].工业革命以来, 大气中CO2、N2O和CH4浓度以每年0.5%、0.3%和0.8%的速度持续增长, 到2100年大气中CO2浓度将达到540~970×10-6, N2O浓度在38×10-9~44×10-9之间, CH4浓度在-190×10-6~1 970×10-6之间[2], 这将严重影响人类社会的生存和可持续发展.大气中温室气体的来源众多, 农田土壤是其中一个重要的排放源[3].有研究表明[4], 由人类农业生产活动导致的温室气体排放量占温室气体排放总量的10%~12%.不同类型农田土壤排放温室气体的多少与土壤自身的理化性质直接相关, 而各种农业生产措施如耕作、灌溉、施肥等也都会对土壤温室气体的排放产生重要影响[5~7].
不同施肥方式对土壤排放温室气体的影响各有不同.研究发现, 施用氮肥比施用豆科绿肥更能促进稻田土壤N2O的排放[8], 但施用有机肥的旱作土壤N2O排放量高于施用氮肥处理[9].施用化肥和有机肥均对林地土壤CO2排放具有明显的促进作用[10], 而Gao等[11]的研究发现, 施用高量氮肥反而降低了我国热带林地土壤CO2的排放, 这可能与气候条件和土壤性质的差异有关.相对于N2O和CO2, 施肥方式对土壤CH4排放的影响更为复杂.施用有机肥比氮肥能导致更多的CH4排放[12], 而施用氮肥对土壤CH4排放却可能产生促进、抑制或者没有影响的结果[13].由此可见, 目前对于施肥影响土壤温室气体排放的研究结果还存在很大争议, 有必要进行更深入地研究.
东北黑土区是我国重要的商品粮基地, 近几十年以来, 过度开垦和不合理的土地利用方式使得黑土质量退化现象日益严重, 土壤肥力显著降低[14].为了提高作物产量, 人们开始致力于土壤肥力的维持和改善.黑土区农业生产过程中在施用化肥的同时, 通常配施有机粪肥或者秸秆还田以培肥土壤[15].长期大量施用有机无机肥料在维持土壤肥力的同时也会影响土壤理化性质, 进而影响温室气体的排放.因此, 本文以东北黑土区长期耕作土壤为研究对象, 通过室内培养试验分析不同施肥处理(不施肥、单施氮肥、氮肥配施猪粪、氮肥配施秸秆)下土壤CO2、N2O和CH4的排放规律及其影响机制, 以期为评估黑土开发利用的生态效应, 促进黑土的可持续利用提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验材料以黑龙江省哈尔滨市阿城区蜚克图镇光明村的表层耕作黑土(0~20 cm)为研究对象, 该土壤开垦时间近100 a, 主要利用方式为玉米连作.当地年平均气温为1.5℃, 年平均降雨量为530 mm, 冬季寒冷干燥, 夏季高温多雨, 属北温带大陆季风气候.土壤基本理化性质如表 1所示.试验所用猪粪采自当地养殖农户, 玉米秸秆为土壤采样地玉米收割后新鲜秸秆的地上部分.猪粪的有机碳含量为30.6%, 全氮含量为2.32%, C/N为13.2;秸秆的有机碳含量为56.9%, 全氮含量为1.12%, C/N为50.8.
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表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physico-chemical properties of the test soils |
1.2 试验设计
试验设置不添加氮肥的对照处理(CK)、单施氮肥处理(N)、氮肥配施猪粪处理(N+F)、氮肥配施秸秆处理(N+G)共4个处理.试验开始前向适量风干土中分别添加相当于烘干土重3%重量的猪粪和秸秆并充分混匀.每个处理称取土样30 g(干基)置于250 mL三角瓶中, 调节土壤含水量为40%田间最大持水量(WHC), 于25℃下黑暗预培养1周以激活土壤微生物.预培养结束后向施肥处理土壤中加入硫酸铵溶液使得N含量达到120 mg·kg-1, 同时调节水分含量至60%WHC, 不施肥对照处理加入等量的蒸馏水.用锡箔盖住三角瓶的瓶口, 并扎4~5个小眼以利于通气, 每天称重补水使土壤含水量保持在60%WHC.将三角瓶置于25℃培养箱中黑暗培养1周, 分别于培养开始后的0、1、3、5、7 d破坏性取样, 每个处理取3瓶土壤作为重复采集气体样品.采气前除去锡箔, 用带取气孔的橡胶塞密闭瓶子, 分别在密闭后的0 h和24 h用注射器抽取20 mL气体注入到预先抽好真空的18.5 mL顶空瓶中, 测定CO2、N2O和CH4浓度.气体样品采完后, 向三角瓶中加入2 mol·L-1 KCl溶液(液土比2.5：1), 振荡提取1 h后过滤, 测定滤液中NH4+-N、NO3--N浓度.
1.3 测定项目与方法采用水浸提(水土比2.5：1)电位法测定土壤pH值; 采用碳氮元素分析仪(NA Series 2, CE Instruments, Italy)测定土壤、猪粪和秸秆的有机碳和全氮含量; 采用激光粒度分析仪(Beckman Coulter, Los Angeles, USA)测定土壤质地; 土壤用水浸提后(水土比3：1)过0.45 μm滤膜, 滤液用有机碳氮元素分析仪(Shimadzu Corp, Kyoto, Japan)测定水溶性有机碳和水溶性有机氮含量[16]; 土壤最大持水量的测定采用漏斗法, 具体步骤参照文献[17]; 采用MgO-定氮合金蒸馏法测定土壤铵态氮和硝态氮含量; 采用岛津气相色谱仪(Shimadzu GC-14B, Japan)测定CO2、N2O和CH4的浓度.
1.4 结果计算与统计分析CO2、N2O和CH4气体排放速率的计算公式如下：
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式中, F为CO2、N2O和CH4的排放速率, 单位为mg·(kg·h)-1、μg·(kg·h)-1和ng·(kg·h)-1; ρ为标准状态下CO2-C、N2O-N和CH4-C的密度; 
气体累积排放量通过相邻两次气体平均排放速率与排放时间的乘积累加计算得出, 硝化过程中的N2O排放比率为培养一段时间后的N2O累积排放量与净硝化量之比.
文中数据均为3次重复的平均值.利用Excel软件进行数据计算与做图, 利用SPSS 13.0软件进行数据显著性检验.
2 结果与分析 2.1 CO2排放速率及其累积排放量不同施肥处理土壤的CO2排放速率均随培养的进行而呈现先增加至峰值而后再降低的变化趋势, 且峰值均出现在培养3 d后(图 1).与CK处理相比, 单施氮肥处理对CO2排放速率没有显著影响(P＞0.05), 整个培养期间CK处理和单施氮肥处理的CO2排放速率介于0.435~0.638 mg·(kg·h)-1之间.与单施氮肥处理相比, 氮肥配施有机物料显著促进了CO2的排放(P＜0.01), 氮肥配施秸秆处理的CO2排放速率最高.整个培养期间氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的CO2排放速率介于2.31~7.96 mg·(kg·h)-1之间, 比CK处理和单施氮肥处理提高了一个数量级.
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竖线表示标准差, 下同 图 1 不同施肥处理土壤的CO2排放速率及其累积排放量 Fig. 1 Changes in CO2 flux and cumulative emissions from soils with different fertilization treatments |
CO2累积排放量随培养的进行逐渐增加.培养7 d后, CK处理和单施氮肥处理的CO2累积排放量分别为52.2 mg·kg-1和53.8 mg·kg-1, 差异不显著(P＞0.05).氮肥配施秸秆处理的CO2累积排放量为646.8 mg·kg-1, 显著高于氮肥配施猪粪处理(368.4 mg·kg-1, P＜0.01), 两者相比CK和单施氮肥处理提高了一个数量级.
2.2 N2O排放速率及其累积排放量不同施肥处理土壤的N2O排放规律与CO2有所不同(图 2).在培养的前3 d, CK处理和单施氮肥处理的N2O排放速率随培养的进行逐渐增加, 在第3 d达到峰值后开始逐渐降低.而氮肥配施猪粪处理和氮肥配施秸秆处理N2O排放速率的峰值出现在培养后的第1 d, 其后随着培养时间的推进逐渐降低.与不施氮肥的CK处理相比, 单施氮肥处理的N2O排放速率有所提高, 但是两者之间并没有显著差异(P＞0.05).在施用氮肥的基础上配施有机物料显著促进了N2O的排放(P＜0.01).整个培养期间, CK处理和单施氮肥处理的N2O排放速率介于0.027~0.082 μg·(kg·h)-1之间, 而氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的N2O排放速率介于0.695~3.56 μg·(kg·h)-1之间, 相比单施氮肥处理提高了1~2个数量级, 差异极显著(P＜0.01). 培养前5 d氮肥配施秸秆处理的N2O排放速率显著高于氮肥配施猪粪处理(P＜0.01), 但5 d后直到培养结束两者之间没有显著差异(P＞0.05).
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图 2 不同施肥处理土壤的N2O排放速率及其累积排放量 Fig. 2 Changes in N2O flux and cumulative emissions from soils with different fertilization treatments |
各处理N2O累积排放量随培养的进行逐渐增加.不同处理间的差异表现为氮肥配施秸秆处理＞氮肥配施猪粪处理＞单施氮肥处理＞CK处理.培养7 d后, CK处理(5.03 μg·kg-1)和单施氮肥处理(6.46 μg·kg-1)的N2O累积排放量没有显著差异(P＞0.05), 而氮肥配施秸秆处理(260.3 μg·kg-1)和氮肥配施猪粪处理(155.1 μg·kg-1)的N2O累积排放量显著高于CK处理和单施氮肥处理(P＜0.01).
2.3 净硝化量及其N2O排放比率不同施肥处理显著影响土壤净硝化量(图 3).与CK处理相比, 施用氮肥显著促进了土壤硝化作用的进行, 培养7 d后单施氮肥处理土壤的净硝化量(15.7 mg·kg-1)是CK处理(8.91 mg·kg-1)的1.77倍, 差异极显著(P＜0.01).与单施氮肥处理相比, 在施用氮肥的基础上配施猪粪进一步促进了硝化作用的进行, 培养7d后氮肥配施猪粪处理的净硝化量(30.3 mg·kg-1)为单施氮肥处理的1.93倍.而氮肥配施秸秆则显著抑制了硝化作用的进行(P＜0.01), 氮肥配施秸秆处理的净硝化量(2.57 mg·kg-1)比单施氮肥处理下降了83.7%.
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图 3 培养7 d后不同施肥处理土壤的净硝化量及其N2O排放比率 Fig. 3 Net nitrified nitrogen and N2O emission ratio from soils with different fertilization treatments over the 7-day incubation |
培养7 d后CK处理和单施氮肥处理的N2O排放比率分别为0.057%和0.041%, 没有显著差异(P＞0.05).在施用氮肥的基础上配施有机物料显著提高了N2O排放比率(P＜0.01).氮肥配施猪粪处理的N2O排放比率(0.542%)是单施氮肥处理的13.2倍, 而氮肥配施秸秆处理的N2O排放比率高达10.3%, 是单施氮肥处理的251倍.
2.4 CH4排放速率及其累积排放量不同施肥处理土壤的CH4排放速率如图 4所示.在整个培养期间CK、氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理都表现为对CH4的排放, 排放速率呈现随培养的进行先增加至峰值随后降低的趋势. CK处理和氮肥配施秸秆处理的CH4排放速率峰值出现在培养后的第5 d, 而氮肥配施猪粪处理的CH4排放速率峰值出现在培养后的第3 d.在培养的前5 d, 单施氮肥处理表现为对CH4的吸收, 随后则有微量的CH4排放, 且排放速率显著低于不施肥的CK处理(P＜0.01).在施用氮肥的基础上配施有机物料显著促进了CH4的排放, 与单施氮肥处理相比, 氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的CH4排放速率在各取样时间都显著大于单施氮肥处理(P＜0.01). 单施氮肥处理的CH4累积排放量为负值且随着培养的进行逐渐下降, 而其余3个处理土壤的CH4累积排放量均为正值且随着培养的进行逐渐增加.培养7 d后CK、氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的CH4累积排放量分别为3.68、2.47、3.58 μg·kg-1, 显著高于单施氮肥处理的-2.46 μg·kg-1(P＜0.01).
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图 4 不同施肥处理土壤的CH4排放速率及其累积排放量 Fig. 4 Changes in CH4 flux and cumulative emissions from soils with different fertilization treatments |
在没有种植作物的实验室培养条件下, 土壤排放的CO2主要是来自微生物呼吸, 因此土壤微生物活性越强, CO2排放量也就越高[18].土壤呼吸释放CO2的过程受物理、化学、生物等多种因素的综合影响, 其排放量的大小与土壤有机质的数量和质量、土壤微生物数量和活性以及土壤结构密切相关.施肥措施不同, 对土壤呼吸的影响也有所不同[5].本研究中与不施肥的CK处理相比, 施用氮肥对土壤微生物呼吸没有显著影响, 这可能是因为常年施用氮肥使得供试土壤中氮素营养充足, 氮不是限制微生物活性的主要因子.与单施氮肥处理相比, 氮肥配施有机物料使得土壤CO2排放速率提高了一个数量级, 进一步说明了土壤中微生物的活性主要受碳限制.猪粪富含很多易分解的有效碳、氮、磷等营养物质, 而且猪粪本身在矿化分解的同时还会释放出一部分有效碳, 能够为微生物提供最直接有效的能量和养分, 促进微生物的大量繁殖[19].因此, 氮肥配施猪粪显著改善了土壤的养分状况, 进而显著增加了土壤微生物呼吸产生的CO2.有关氮肥配施秸秆促进土壤呼吸的报道有很多[4, 20, 21], 其主要机制在于向土壤中添加秸秆增加了土壤总孔隙度[4], 改善了土壤的通气状况, 有利于气体的扩散和传输, 从而提高了CO2的排放速率.此外, 秸秆作为一种碳源丰富的物料施入土壤后为微生物提供了充足的碳源, 特别是水溶性有机碳和热水溶性有机碳含量[22].这两种易分解有效碳很容易被微生物利用, 含量越高, 土壤微生物的活性越强, 呼吸释放的CO2也越高[23].本研究结果表明, 氮肥配施秸秆比氮肥配施猪粪对土壤呼吸促进的效果更为显著, 这可能与两种有机物料本身的性质有关.秸秆的碳氮比(50.8)显著高于猪粪(13.2), 且秸秆本身的有机碳所占质量分数(56.9%)大于猪粪(30.6%), 碳源更加丰富, 能够为微生物提供更多的碳底物, 因此呼吸释放的CO2也越多[22].另一方面, 向土壤中施用有机物料可以增加>0.25 mm的水稳性团聚体含量, 增大水稳性团聚体的几何平均直径和平均重量直径, 显著提高土壤结构的化学稳定性[6], 这种土壤结构上的改变对于气体的扩散和传输具有重要影响.有研究表明, 施用秸秆比粪肥更能增加土壤水稳性团聚体的直径[4], 这可能是氮肥配施秸秆处理的CO2排放量显著高于氮肥配施猪粪处理的原因之一.
3.2 不同施肥处理对N2O排放的影响已有研究发现, 施用氮肥会促进N2O的大量排放[3, 8].本文中与不施肥的CK处理相比, 单施氮肥处理并没有显著增加土壤的N2O排放量(图 2), 这可能与本研究的培养时间只有7 d有关.有研究表明向土壤中添加氮肥1周后, 硝化作用才开始迅速发生[17].土壤中的N2O排放主要是由硝化过程和反硝化过程产生的, 本试验是在60%WHC的水分条件下进行的, 有利于硝化作用的发生[24].本文中CK处理和单施氮肥处理的N2O排放比率分别为0.057%和0.041%, 与通常认为的硝化过程排放的N2O占硝化氮的比例(0.03%~0.20%)[25]相当, 说明硝化作用是这两种处理土壤排放N2O的主要过程.而氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的N2O排放量比单施氮肥处理提高了两个数量级, N2O排放比率分别达到0.542%和10.3%(图 3), 表明土壤反硝化作用可能排放了大量的N2O.反硝化作用的发生需要有厌氧环境的存在以及碳底物的充足供应[24].与单施氮肥处理相比, 氮肥配施猪粪或秸秆处理不仅为土壤微生物提供了充足的氮源, 而且也提供了充足的碳源, 刺激了微生物的活动, 增加了微生物源的溶解性有机碳的含量, 而且猪粪和秸秆本身也含有一部分溶解性有机碳[22], 这些易分解有效碳不仅为反硝化微生物提供了充足的碳底物, 而且会激活土壤微生物的呼吸作用, 促进土壤微区氧气的快速消耗, 导致厌氧环境的形成, 从而间接促进了反硝化作用的发生和N2O的大量排放[20].王聪等[26]针对稻田土壤的研究也发现, 氮肥配施猪粪比单施氮肥的稻田土壤N2O排放量提高了119%, 这与本文的结果一致.秸秆相对于猪粪而言有机碳含量更高, 碳源更加丰富, 为反硝化微生物提供的碳底物更为充足, 或者对土壤微生物呼吸的刺激作用更强, 厌氧微区形成的越多, 从而导致更多的N2O排放.但是, 针对秸秆影响土壤N2O排放的研究结果存在争议. Li等[27]的研究发现施用秸秆降低了土壤N2O的排放, 他们认为可能是因为秸秆提高了土壤的C/N, 促使微生物争夺利用土壤中的无机氮, 进而减少了硝化作用和反硝化作用的底物.而宋贺等[28]的试验结果表明, 在低氮水平下秸秆还田可刺激培养初期的反硝化速率及N2O排放, 这与本研究结果一致.由此也说明, 有关有机物料对土壤N2O排放的影响还有待于进一步地深入研究.
3.3 不同施肥处理对CH4排放的影响土壤中CH4的排放是产甲烷菌和甲烷氧化菌共同作用的结果, 在厌氧条件下, 产甲烷菌分解利用土壤中的有机化合物, 产生CH4, 好气条件下CH4又可以被甲烷氧化菌氧化[29].本研究是在好气培养条件下进行的, 不利于CH4的产生, 但是土壤颗粒和水分的不均匀分布可能会导致厌氧微区的形成, 造成微量CH4的排放.其他研究也有报道, 耕作土壤在好气条件下会排放少量的CH4[29, 30].本文的研究结果表明, 与CK处理相比, 施用铵态氮肥显著抑制了CH4的排放(图 4), 这与文献[31]的研究结果一致.氮肥对土壤CH4排放的影响机制较为复杂, 主要取决于土壤中活性有机碳含量的多少、碳氮比和土壤质地.有研究表明[13], 当土壤有机碳含量相对较高而土壤质地黏重导致活性有机碳含量较低时, 土壤还原SO42-和NO3-的能力较弱, 硫铵的施入使得SO42-和NO3-对产甲烷菌的抑制作用强于氮素的促进作用, 表现为抑制土壤甲烷的产生.与单施氮肥处理相比, 氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理显著促进了CH4的排放, 一个可能的原因是猪粪和秸秆的加入增加了土壤中易分解有效碳的含量, 为土壤提供了大量产CH4的基质[28].另一方面, 有效碳含量的增加促使微生物在分解利用碳的过程中消耗大量氧气, 形成微域厌氧环境, 利于产甲烷菌的生长和繁殖[32].本研究中秸秆的有机碳含量显著高于猪粪, 能够为CH4的产生提供更多的基质及更适宜的环境条件, 从而导致更多的CH4排放.有研究报道[33], 长期氮肥配施有机肥可以显著提高土壤的微生物碳和微生物氮含量, 有利于微生物分子多样性的形成, 提高土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度, 显著降低CH4的排放.本研究中氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理显著增加了CH4排放, 其长期效应还有待进一步的验证.
值得注意的是, 本试验结果是利用风干土壤在室内培养条件下获得的, 与田间实际条件有很大差异.比如, 新鲜土壤经过扰动、风干、磨碎等过程后, 会释放一些物理性保护有机物质[34], 增加了微生物可利用的底物数量.此外, 风干土壤再次复水后水势的显著变化会促进死亡微生物的分解和细胞物质的释放[35].这些释放的碳底物如氨基酸、甘油等为存活微生物分解利用, 激发了土壤中的碳氮矿化过程[36]. Mikha等认为[37], 干土复水后对土壤碳氮矿化的激发效应只发生在复水后的16 h内, 24 h之后就没有显著影响, 对N2O和CO2排放的激发效应的最常持续时间也就是复水后的4 d左右[38].本研究在土壤复水预培养7 d后才开始取气测定, 且培养期间由于蒸发导致的水分损失仅占土壤含水量的0.6%~1.8%, 需要补充的水分量很小.因此, 由于复水或者补水产生的碳氮矿化差异对温室气体排放的影响应该可以忽略不计.尽管如此, 本研究培养过程中没有植物对土壤碳氮的吸收, 水分和温度等条件也与田间有很大差异.因此, 有关不同施肥处理对东北黑土温室气体排放的影响还需要开展盆栽或大田原位试验以深入系统地研究其影响规律和机制.
4 结论不同施肥处理对黑土温室气体排放的影响具有显著差异.短期培养时间内, 施用氮肥对CO2和N2O的排放没有显著影响, 而在施用氮肥的基础上配施猪粪或秸秆使得CO2排放量提高了一个数量级, N2O排放量提高了两个数量级, 氮肥配施秸秆处理的促进效果显著大于氮肥配施猪粪处理.施用氮肥显著抑制了CH4的排放, 而氮肥配施猪粪或秸秆则显著促进了CH4的排放.然而, 本研究是在室内培养条件下进行的, 所处的环境条件与田间实际情况有一定的差异.因此, 关于不同施肥处理对黑土温室气体排放的影响还需进行田间试验以验证室内试验的结果, 进一步明确相关影响机制.
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