應用BaPS技術研究土壤呼吸、硝化和反硝化速率初探

石文君 王婷婷 高夢雨 楊楠南 麻新 楊勁峰

摘 要：土壤硝化和反硝化是生態系統中氮循環的兩個重要環節，是氮素損失的潛在途經，土壤硝化和反硝化作用可向大氣中釋放溫室氣體，由此帶來環境危害。對于它們的研究成為當前農學與環境研究的熱點之一。BaPS技術是一種嶄新的研究旱地土壤硝化和反硝化作用的方法，采集的是田間原狀土柱，對土壤原有的結構破壞較小，不額外添加抑制劑或氮源。有效地避免了同位素示蹤法帶來的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來的土壤原有氣體組成改變等問題的出現。該技術操作簡單、快速，且在通氣良好的土壤中準確性和同位素示蹤法相當。本文利用沈陽農業大學植物營養學科2011年建立的炭基肥大田定位試驗，在花生不同生育時期采集土壤樣本，采用BaPS技術進行耕層土壤呼吸、硝化和反硝化速率的測定。初步了解BaPS技術應用方法和特點，明確施用炭基肥及不同生物炭用量對土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率的影響。為深入探明炭基肥及生物炭改良土壤和提高土壤肥力的機理提供理論支撐。

關鍵詞：BaPS技術；炭基緩釋肥；土壤呼吸；硝化速率；反硝化速率

氣壓過程分離（BaPS）技術，針對原狀土壤樣品進行硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率的測定。測量結果精確，與15N同位素稀釋技術測量結果高度相關。可實現特定時間土壤中占主導地位微生物學過程（硝化作用和/或反硝化作用）的判斷，并且是評價施肥管理條件下硝酸鹽淋溶和N2O的釋放，評估土壤氮素損失和大氣環境污染的潛在途徑。成為氮沉降條件下碳氮耦合循環研究的有效解決方案。隨著人們對N2O氣體的關注和深入研究，硝化作用速率和反硝化作用速率的測定方法也在不斷的改進和創新，由于實驗過程比較復雜，實驗條件、實驗裝置的要求也比較高。又因為其影響因子較多，所以實驗室模擬也比較困難，大部分都是培養后測定其作用速率，和其他研究結果進行對照，我們看到BaPS技術現在被認為是測定硝化作用速率、反硝化作用的首選方法，它不需要運用15N同位素稀釋技術，不需要添加抑制劑，可以實現無擾動原狀土樣的的測定，并且實驗的維修成本也遠遠低于15N同位素稀釋技術（不需要大型分光光度計）。BaPS技術有效的避免了同位素示蹤法帶來的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來的土壤原有氣體組成改變等問題的出現，所以BaPS技術在生態學、環境科學及農學領域具有巨大的潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于遼寧省沈陽市沈陽農業大學花生定位科研基地內（123°33' E， 40°48'N），地處松遼平原南部的中心地帶，屬于溫帶濕潤—半濕潤季風氣候。年均氣溫7.0～8.1℃，10℃以上積溫3300～3400℃，無霜期為148～180天，生長季降雨量平均為547毫米。試驗地為旱地棕壤，成土母質為第四紀黃土性母質上的簡育濕潤淋溶土。炭基肥定位試驗始于2011年，試驗前耕層土壤的基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗地種植制度為一年一熟花生連作，品種為花育33，種植密度為15萬穴/公頃，每穴種植2株。試驗設5個處理：處理1（不施肥，以CK表示）、處理2（生物炭225公斤/公頃，以C15表示）、處理3（生物炭750公斤/公頃，以C50表示）、處理4（82.5公斤N/公頃、82.5公斤P2O5/公頃、97.5公斤K2O/公頃，以NPK表示），處理5（炭基緩釋肥750公斤/公頃，以TJHS表示）。每個處理重復3次，小區面積27平方米，隨機排列。采用90厘米大壟雙行種植方式，行距30厘米，株距15厘米，小區寬4.5米，長6米。采用隨機排列。所有肥料混勻后采用條施做基肥一次施入，施入深度15～20厘米，覆土。其中C15處理與TJHS處理碳素投入量相同，NPK處理與TJHS處理養分投入量相同。

1.3 樣本采集與分析

2015年花生不同生育時期土壤樣本采集：于2015年花生播種后苗期、開花下針期、結莢期采集耕層（0～20厘米）土壤樣本。樣本采集為環刀原位取樣，BaPS系統中7個環刀為一組，每個環刀在同一小區中隨機采集不同樣點，采后立即用塑料蓋密封環刀，防止水分散失。因此土壤呼吸、硝化和反硝化速率是7個樣點的均值。采樣結束后立即將裝有土樣的環刀送到實驗室，置于BaPS實驗容器，密閉后放入恒溫水浴（設定為采樣時的土壤溫度）進行測定。

1.4 測定項目與方法

將采好的上壤環刀稱重后置于實驗容器中，密閉后放入恒溫水浴設定為采樣時的上壤溫度，待密閉空間內的溫度與恒溫水浴溫度達到一致，進行氣密性檢測并同時測定密閉空間體積。氣密性檢測方法為針筒準確抽取氣體，之內密閉空間內壓力變化小于0.8百帕。輸入必要的土壤參數（土重、含水量、pH值）之后進行測定，密閉測定過程為10～12小時。測定結束之后計算軟件直接給出土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率。對極少數不能立即分析的土樣先放入冰箱于0～4℃下保存，保存時間不超過1周。

1.5 數據處理和分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS19.0進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤呼吸速率的影響

由圖1可以看出，不同施肥處理對花生各生育時期土壤呼吸速率影響不同。從花生的整個生育期來看，CK處理與C15處理土壤呼吸速率變化規律類似，均呈下降趨勢，但針對花生三個生育期略有差異，在花生開花下針期，C15處理較CK處理呼吸速率高出78.32μgC/kgDWh，而到結莢期C15處理卻較CK處理低。可見不施肥或施入低量生物炭土壤呼吸速率隨著生育期的進行而降低。C50處理與NPK處理對花生整個生育期的土壤呼吸速率影響規律類似，整個生育期土壤呼吸速率變化不大，趨近于一條直線。TJHS處理對花生整個生育期土壤呼吸速率的影響呈先增加后降低的趨勢，在花生開花下針期達到峰值，為260.06μgC/kgDWh，達到5個處理在該時期土壤呼吸速率的最大值。

不同用量生物炭的兩個處理（C15和C50）與CK處理作比較，可以明顯看出C50處理能夠穩定土壤呼吸速率，使得土壤有機質在整個花生生育期能持續、穩定分解。與CK相比，TJHS處理使得土壤呼吸速率呈倒“V”型增長，在開花下針期土壤呼吸速率提高78.43%，可見施用炭基肥可以有效提高花生生長旺盛時期土壤呼吸速率，加快新陳代謝。對比C15與TJHS兩個處理，盡管TJHS處理花生土壤呼吸速率比C15處理在花生開花下針期高出35.99μgC/kgDWh，但在苗期TJHS處理卻顯著低于C15處理，說明等碳量投入情況下，增施氮磷鉀養分對花生開花下針期影響較大，而在生育前期和后期影響不大。花生開花下針期是植物迅速生長、增葉、大量開花的時期，對花生最終的產量有決定性的影響，增加炭基肥可有效的提高土壤呼吸速率，促進植物生長，達到提高產量的目的。

2.2 不同施肥處理對土壤硝化速率的影響

由圖2可以看出，施肥均能提高土壤的硝化速率，加速氮素流失，采用不同肥料對土壤硝化化速率影響不同。從花生的整個生育期來看，C15與C50處理土壤硝化速率變化規律相似，均為先降低后增加的趨勢，但C50處理變動幅度不大，而C15處理則變幅較大，由于苗期施入低量生物炭，使得土壤耕層硝化作用最高，達到318.45μgN/kgSDWh；到開花下針期急劇下降至52.25μgN/kgSDWh，而C50處理此時的硝化速率則高出C15處理61.73μgN/kgSDWh。此后C50處理均比C15處理土壤呼吸速率高，由此可見，排除花生苗期的特殊性，增加生物炭施入明顯提高土壤的硝化速率，加速了氮素損失。

對比NPK與TJHS兩個處理，育期內的變化趨勢大致相同，均先增加后降低。整個生育期TJHS處理土壤硝化作用高于NPK處理。其中炭基肥處理平均硝化作用為74.50μgN/kgSDWh，比NPK處理高26.04%。可見相同養分投入情況下，炭基肥會明顯加速氮素轉化，發生硝化作用，如果作物吸收量小于轉化數量，就會加速氮素以氣態形式損失，或過多的氮素進入到水體中，引起地下水硝酸鹽超標或水體富營養化。

2.3 不同施肥處理對土壤反硝化速率的影響

由表2可以看出，在不同生育時期花生土壤反硝化速率的差異不像呼吸速率和硝化速率那樣明顯，僅個別處理的個別時期能監測到土壤反硝化速率。分析原因主要是由于有些文獻指出反硝化作用僅僅在田間持水量大于76%的條件下發生，本研究中土壤為棕壤（2011年摻入5厘米沙土），土壤含水量較低；而且表層土壤與大氣的氣體交換很快，沒有達到反硝化發生的最適條件。其次由于目前BaPS技術所能檢測的反硝化速率精度為15μgN/kgSDWh，只有當反硝化速率高于臨界值時才能檢測出。雖然利用BaPS系統研究早地土壤呼吸、硝化—反硝化過程在理論上可行，但反硝化速率只是在外界條件適宜的情況下才可檢測到，具有很大的偶然性，因此在本實驗的外界條件下應用BaPS技術對于土壤反硝化速率檢測效果不理想。

3 結論

應用BaPS技術可以快速準確檢測土壤耕層呼吸速率和硝化速率，由于采集的是田間原狀土柱，因此對土壤原有結構破壞較小；且該方法操作簡單、快速。但在測定過程中外界多種因素會影響測定結果。首先土壤pH值與測定結果密切相關，土壤過酸或過堿會導致儀器檢測精度降低。其次土壤含水量會明顯影響測定精度和結果，本試驗采用的棕壤（摻沙）土壤含水量非常低，因此導致在環刀取土時無法完成取出塊狀土，導致反硝化作用無法檢測出。今后再測定時，如果土壤含水量過低，可采用人工灌水的方式，要確保試驗所有小區灌入等量的水。最后環境的溫度也會明顯影響測定數值大小。外界溫度如果變化1℃，就會引起測定結果劇烈變化。由于測定需要培養10～12小時，因此溫度都會發生變化，影響測定結果。因此如采用BaPS技術測定，要選擇配有空調且單獨的房間，以確保外界溫度變化對測定結果產生影響；同時盡量過多的打開和關閉儀器的房間門，減少人員流動等。作為一種新興的方法，BaPS有著傳統方法不可比擬的優勢，同時也存在著一些不足，一些實驗條件的控制和相關參數的標定還需不斷摸索、調試。

基金項目：遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目—甲類“應用BaPS技術研究施用炭基肥對土壤硝化和反硝化速率的影響”（2015）。

作者簡介：石文君（1993-），女，本科生，從事農業資源與環境研究；通訊作者：楊勁峰（1977-），男，博士，副教授，從事農業資源與環境研究。

（責任編輯 亓 國）