2019, Vol. 40
2. 华中农业大学环境生态中心, 武汉 430070
2. Ecological Environment Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
氧化亚氮(N2O)是最重要的温室气体之一, 其增温潜势在一百年时间尺度约为二氧化碳(CO2)的298倍[1].土壤排放的N2O主要由微生物参与的硝化过程和反硝化过程产生, 土壤中微生物的硝化作用和反硝化作用产生的N2O约占全球N2O排放总量的60%[2, 3].
添加磷可能会减少土壤N2O的排放[4].有研究指出, 土壤中磷的有效性较低会限制微生物的生长代谢过程[5], 并使硝化反硝化过程受到抑制[6].这可能是由于添加磷促进了植物对于氮的吸收而减少了N2O产生的底物[7].同时, 在土壤中添加磷会增加土壤中的微生物的多样性[8], 增加了土壤中氮的固定从而减少了N2O的产生[9, 10].在缺乏磷的土壤添加氮可以比缺乏氮的土壤添加氮排放更多的N2O, 这表明磷在控制土壤N2O排放中起着重要作用[11].在缺乏氮的森林土壤中添加磷[10 kg ·(hm2 ·a)-1], 两年内对N2O的排放没有显著影响.在添加磷的时候同时添加氮[50 kg ·(hm2 ·a)-1], N2O的排放相对于只添加磷的处理更低[12].在中国南方的森林土壤中, 单独添加磷[100 kg ·(hm2 ·a)-1]对N2O的排放没有显著影响, 同时添加磷[100 kg ·(hm2 ·a)-1]和氮[100 kg ·(hm2 ·a)-1]时, N2O在旱季的排放没有显著增加[13].
添加磷也有可能增加土壤N2O的排放.有研究指出, 添加氮到缺磷的森林土壤中, N2O的排放量增加了10~100倍, 这可能是由于磷的缺乏限制了微生物对氮的固定, 因而更多的氮成为N2O排放的底物, 从而促进了N2O的排放[14].与此同时, 磷的添加也促进了硝化作用和反硝化作用, 从而增加土壤N2O的排放[15].一般认为添加磷直接促进了微生物硝化和反硝化活动以及土壤中微生物的生物量, 因而产生了更多的N2O[16, 17].
综上所述, 添加磷对于土壤N2O的排放影响机制尚不明确.为此, 本研究选取了我国南方两处磷含量不同的典型水稻-油菜轮作的土壤, 通过进行室内培养实验, 设置添加不同梯度的磷浓度, 分析不同处理中释放的N2O量来评价添加磷对土壤中N2O排放的影响, 以期为氮磷肥料的科学施用提供一定的依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤为水稻土, 分别采自湖北省咸宁市贺胜桥镇和湖北省潜江市.两样点的轮作方式一直是水稻-油菜轮作.其土壤的基本理化性质见表 1.采样时分别采集表层0~20 cm土壤, 混匀、风干, 除去植物根、石砾等杂物后磨细, 过10目筛备用.
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表 1 实验土样基本理化性质1) Table 1 Geochemical properties of the two paddy soils |
1.2 实验设计
本实验两土壤样中均设置3个不同的磷素施用水平, 分别为不加磷、加低磷[15 mg的P(NaH2PO4)混入1 kg干土]和加高磷[30 mg的P(NaH2PO4)混入1 kg干土]; 每种磷素水平下混入2个氮素水平, 分别为不加氮和加氮[100 mg的N(NH4Cl)混入1 kg干土].以上添加磷和氮的水平是湖北省水稻-油菜轮作模式下常见的施肥量[18], 共计12个处理(见表 2).
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表 2 实验各处理代号设置 Table 2 Codes of the experiment treatments |
将相当于干土质量的20.00 g的土样置于150mL血清瓶中, 两种土样分别准备108份.用去离子水调节土壤水分至土壤孔隙含水量(WFPS)的40%, 将血清瓶置于25℃恒温暗室培养箱中预培养2周.预培养结束后, 分别添加氮、磷, 同时调节水分至60%WFPS.培养过程中, 用保鲜膜封住血清瓶瓶口, 并用针扎几个小孔, 便于交换空气, 同时减少水分蒸发.
1.3 样品采样及测定在处理的1、2、4、7、10、14、17、21、24和28d采集气体.采样时, 向瓶内吹入数分钟高纯空气以驱除瓶内气体, 随后迅速用硅胶塞塞住瓶口, 并用704胶密封瓶口和塞子之间的空隙.在密封血清瓶后0和60 min分别用25 mL注射器通过硅胶塞的中间取样口采集瓶中气体, 直接注入气相色谱仪(Agilent 7890A, 美国)测定气体样品中N2O的浓度.
采集后的气体样品用改进的气相色谱仪(Agilent 7890A)分析[19], N2O浓度用电子捕获检测器(ECD)测定, 检测器温度为300℃, 色谱柱为80/100目PorapakQ填充柱, 柱箱温度为55℃, 用高纯N2作为载气, 流速为25 cm3 ·min-1.通过标准气体和待测气体的峰面积比值来计算出样品的浓度, 标准气体由国家标准物质中心提供.
在需要采集土壤样品测定的日期, 收集完气体样品后, 称取其中的土壤样品用于测定其中的铵态氮和硝态氮.方法采用2mol ·L-1 KCl浸提土壤1 h, 过滤后的滤液用靛酚蓝比色法(625 nm)和紫外双波长(220 nm和275 nm)分光光度计法分别测定土壤NH4+-N和NO3--N含量[20, 21].每次土壤样品测定消耗36瓶培养样品(每个处理测定3份重复).
土壤有效磷先用0.5 mol ·L-1 NaHCO3浸提土壤(液土比20 :1), 过滤后的滤液用钼蓝比色法测定[22].土壤全碳测定：将烘干土样过100目筛, 用锡纸包裹, 采用德国Elementer Vario TOC仪固体模块测定[19]. pH采用电位法测定, 土壤水土质量比2.5 :1.
1.4 数据处理与分析N2O排放通量的计算公式如下：
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式中, F为N2O排放通量, μg ·(kg ·h)-1, ρ是标准状态下N2O的密度, kg ·m-3; Δc/Δt是血清瓶内N2O浓度变化率, 10-9 ·h-1; V是血清瓶顶部空间体积, m3; T为环境气温, ℃; m是培养土烘干质量, kg.
土壤N2O累积排放量的计算公式如下：
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式中, M为N2O累积排放量, μg ·kg-1; F为土壤N2O排放通量, μg ·(kg ·h)-1; t为采样时间, d; i为采样次数; ti+1-ti为2次采样的间隔天数, d.
硝化率的计算公式为：
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用Microsoft Excel 2016进行基础数据处理, 利用SPSS 24.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA), 双因素方差分析, Duncan多重比较检验法分析处理间的差异, 差异性水平为0.05.绘图使用Graphpad prism 7.0完成.
2 结果与分析 2.1 添加磷对土壤N2O排放的影响从图 1可以看出, 潜江土壤的各处理中N2O的排放量显著高于咸宁土壤各处理的排放量(P < 0.001).潜江土壤中各处理间N2O的排放量均高于100μg ·kg-1.咸宁土壤中各处理间N2O的累积排放量的差异较小, 但均低于30 μg ·kg-1.
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不同小写字母表示不同处理间差异达到显著水平(P＜0.05), 下同 图 1 两种土壤中添加处理后不同处理N2O的累积排放 Fig. 1 Fluxes and cumulative emissions of N2O in different treatments after the additions of N and P in two soils |
在潜江土壤的各个处理中, Q5处理中的N2O排放量最大, 达到(184.18±18.92)μg ·kg-1, 与对照处理Q1的(148.68±4.98) μg ·kg-1相比增加了23.88%. Q6处理中的N2O排放量也达到(175.95±3.31)μg ·kg-1, 同样显著高于对照的Q1处理(P＜0.05), 但稍低于排放量最大的Q5处理, 相差不显著.与此同时, Q4处理的排放量为(119.99±14.13)μg ·kg-1, 显著低于对照处理Q1(P＜0.05). Q2和Q3处理的排放量分别为(138.62±2.34)μg ·kg-1和(142.95±14.50)μg ·kg-1.稍低于对照处理Q1但差异并不显著.
在咸宁土壤的各个处理中, 对照处理X1的排放量最大, 达到(27.03±1.13)μg ·kg-1, X4的排放量最小, 仅为(15.27±1.49)μg ·kg-1. X3、X4、X5和X6处理的排放量较为接近, 显著低于X1和X2的排放量(P＜0.05).
2.2 添加磷对土壤矿质氮和硝化率的影响在两种土壤的培养过程中, 添加磷对土壤中的铵态氮的含量变化影响都不显著.在不添加氮的处理中, 土壤中的铵态氮主要来源于土壤本身有机氮的矿化作用, 在培养进行的过程中缓慢下降.在添加氮的处理中, 潜江的土样在前期(0~7 d)NH4+-N含量下降较快, 之后下降的速度较慢.咸宁的土样在整个培养过程中NH4+-N的含量变化都不大(图 2).
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图 2 两种土壤中添加处理后不同处理土壤的NH4+-N 和NO3--N含量的动态变化 Fig. 2 Dynamics of NH4+-N and NO3--N concentrations in different treatments after the additions of N and P in two soils |
添加磷对两种土壤中硝态氮含量都是逐渐增加的, 但潜江土壤中的硝态氮增加较快.在两种土壤中, 添加磷的各处理和不添加磷的各处理中的NO3--N的含量增加趋势相近, Q4处理在培养结束时NO3--N是各处理中最高的, 达到(34.30±1.23)mg ·kg-1, 显著的高于其他处理.而咸宁的土样前3周的培养中, 各处理的NO3--N的含量稍有增长, 在培养结束时, NO3--N含量最高的是X4的处理, 达到(36.18±0.81)mg ·kg-1.
在两处土壤中, 不添加氮的处理硝化率都显著地高于加氮的处理, 添加磷对硝化率的影响不显著(图 3).在潜江的土壤中, 不加氮的3个处理Q1、Q3和Q4的硝化率显著高于3个添加氮的处理(P＜0.05), 这3个处理间虽然存在显著差异但数值相差不大. Q4的处理在培养结束时的硝化率是各处理中最高的, 达到(74.3%±1.6%).咸宁土壤中, 添加氮的3个处理X1、X3和X4之间无显著差异, 不添加氮的3个处理X2、X5和X6之间也没有显著性差异, 3个不添加氮的处理硝化率显著高于添加氮的处理(P＜0.05).
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图 3 两种土壤中添加处理后不同处理土壤硝化率 Fig. 3 Nitrification rates for different treatments after the additions of N and P in two soils |
由表 3可以得出, 在两种土壤中, 添加磷的处理对于土壤中N2O的排放的影响都是极显著的.在潜江的土壤中, 单独添加氮、单独添加磷和同时添加氮磷的交互作用对于N2O的排放的影响显著.
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表 3 各因素及其交互作用对气体排放影响的显著性分析 Table 3 Statistical analysis for the effects of N, P, and their interactions with gas emissions |
3 讨论 3.1 土壤性质对N2O排放的影响
在60%WFPS的含水量下, 土壤中的水分较低, 通气性较好, 土壤中N2O的产生主要以硝化作用为主[23].两种土壤的基本性质有较大的差距, 潜江土壤中的pH和有机质含量显著高于咸宁土壤.较高的有机质和较高的pH有助于土壤碳和氮的矿化[24, 25], 对土壤中的硝化作用有促进作用.有研究表明, pH在6.5~8.3之间时, 硝化作用的强度比低pH时要高得多[26], 土壤中的硝化速率与pH呈显著的正相关[27].在较低的pH值下, 土壤中的NH4+较难转化为硝化作用的底物NH3[28].因而, 咸宁土壤的硝化作用较弱而潜江土壤较强.潜江的土壤各处理中NO3-的含量的增长速度比咸宁的土壤快得多, 这和潜江的土壤本身有较高的pH值和有机质含量相关[29, 30].因而, 潜江土壤中各处理的N2O排放量都显著地大于咸宁土壤中的各处理.
值得注意的是, 在潜江添加了氮的处理中, 初期铵态氮的含量迅速降低, 但此时硝态氮的含量却没有迅速上升.土壤中铵态氮降低的原因一般有两种, 一种是发生了硝化作用, 另一种是生物固定[31].由于本实验中, 初期潜江土壤加氮处理中硝态氮增加的速率远低于铵态氮减少的速率, 因而此处铵态氮的下降主要是由于生物固定引起的, 因而在这个时期并没有产生大量的N2O.
3.2 添加磷对N2O排放的影响磷的添加对土壤中的硝化作用过程有显著的影响, 在添加30mg ·kg-1的磷水平下, 两种土壤中产生的NO3-的含量都是最高的, 而产生N2O的含量却都是最低的, 说明添加较多的磷可以降低N2O的产生.而在添加15mg ·kg-1的磷水平下, 两处土壤中的反应有所不同.潜江土壤中和对照相比没有显著差异, 而咸宁土壤中与对照相比显著降低了N2O的排放.这可能是由于潜江土壤中初始的有效磷的含量相比于咸宁较低, 添加较低浓度的磷时, 没有起到抑制N2O排放的作用.添加了氮的情况下, 再添加15 mg ·kg-1和30mg ·kg-1的磷水平下, 潜江土壤中排放的N2O都显著高于不添加磷的处理, 说明在氮充足的情况下添加磷可以促进N2O的排放.在对照和只添加磷的处理中, 土壤中本身的NH4+较少, 添加磷增强了微生物对于无机氮的固定作用[11], 使得土壤中能够利用的NH4+减少, 因而只添加磷的处理相对于对照来说, 降低了N2O的排放.根据表 3的分析表明, 在潜江的土壤中, 氮和磷以及氮磷的交互作用对N2O的排放存在显著的影响(P＜0.05), 可能是本身有效磷和NH4+的含量都较低, 因而添加氮和磷后对硝化作用有显著地促进作用.而在咸宁土壤中的现象与潜江土壤中不同, 添加磷对N2O的排放有显著的抑制作用(P＜0.001), 添加15 mg ·kg-1和30mg ·kg-1的磷水平后, 排放的N2O都显著低于不添加磷的处理, 这可能由于本身有效磷的含量较高, 添加磷对土壤N2O起到显著地抑制作用.
4 结论添加磷对土壤中N2O的排放的影响十分复杂, 跟添加磷的含量有较大的关系.在磷的有效性不高或含量不足的条件下, 添加磷可以促进硝化微生物的活性, 会显著促进土壤N2O的排放.但在磷的含量充足的情况下, 添加磷通过促进土壤中微生物对于无机氮的固定作用, 减少硝化作用的底物, 抑制土壤中N2O的排放.具体土壤中N2O排放与氮磷比例的关系还有待进一步研究.
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