氮肥配施納米碳對植煙土壤氮素轉化及N2O排放的影響①

李青山，王德權，高政緒，杜傳印，管恩森，王 剛，李現(xiàn)道，張國超，王慎強

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049；3 山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261205；4 山東省煙草研究院，濟南 250098)

我國是農(nóng)業(yè)大國，也是肥料生產(chǎn)量和使用量最大的國家。據(jù)報道，2012年我國化肥消費量已達5 838.8×104t[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，大量施用化學肥料以及肥料利用率低將導致一系列問題，比如能源巨大浪費、土壤質(zhì)量下降、水體污染、臭氧層破壞和溫室效應加劇等[2-3]，這已成為低碳經(jīng)濟時代一個不容忽視和亟待解決的難題。上述問題的出現(xiàn)，首先與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的氮肥施用不合理現(xiàn)象密不可分，而另一個不容忽視的重要方面仍是普通氮肥施入土壤后的轉化過程[4]。為此，許多學者通過增大肥料顆粒大小、肥料包膜或添加不同生物化學調(diào)控劑等技術手段來改善氮肥在土壤中的轉化過程和養(yǎng)分釋放過程。近些年來，在緩/控釋肥料和穩(wěn)定肥料的研究上已取得初步成果[5-7]。然而，如何更有效地提高氮肥利用率進而減少氮肥用量，仍是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效及可持續(xù)發(fā)展的重大課題。

納米技術這項新技術興起于20世紀80年代，基本涵義是在納米( 10–9~ 10–7m) 尺度范圍內(nèi)對物質(zhì)進行認識和改造。納米材料具有許多傳統(tǒng)材料不具備的特性[8-9]，比如，小尺寸效應、表面界面效應和量子尺寸效應等。納米碳作為一種常見的納米材料，將其應用在土壤中，對土壤結構、土壤中元素遷移及化學生物反應等方面有一定影響[10-11]。另外，納米碳廣泛存在于土壤及土壤-植被-大氣循環(huán)體中，因此，使用納米碳可避免給土壤及植被帶來不良影響[12]，這一點優(yōu)于其他金屬納米材料。有研究表明，納米碳遇水可提升土壤電動位，降低土壤pH，提升土壤離子濃度，促進養(yǎng)分釋放[13]。近年來，許多中國學者將納米材料逐步應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，有關納米碳材料對作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)、氮素利用率和減少氮損失等方面的研究已逐漸成為新熱點。研究表明，納米材料能夠調(diào)節(jié)植物基因表達，刺激種子萌發(fā)[14-15]。同時，納米材料也能調(diào)節(jié)植物體內(nèi)多種酶活性，改善葉片光合性能，促進根系和植株生長，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[16-18]。另外，納米碳在改善土壤水分入滲和土壤養(yǎng)分保持等方面也展現(xiàn)出良好應用前景[19-20]。

煙草是我國的重要經(jīng)濟作物之一，我國煙葉生產(chǎn)量及成品煙銷售量均據(jù)全世界首位。而與津巴布韋和美國等先進烤煙生產(chǎn)國相比較，我國煙葉仍存在整體香氣量不足，上部煙葉煙堿含量較高和葉片過厚等問題[21]。在烤煙生產(chǎn)中，氮素對烤煙煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量的影響比其他任何營養(yǎng)物質(zhì)都大。氮素供應不足和過多都會對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)起負作用[22]。對比國外優(yōu)質(zhì)烤煙吸氮曲線，其差異為：在我國烤煙生產(chǎn)中煙株在打頂后仍有大量氮素吸收[23]。另外，李春儉等[21]也研究表明，我國上部煙葉整體質(zhì)量得不到提升的重要原因就在于打頂后煙株仍奢侈吸收氮素。因此，獲得優(yōu)質(zhì)烤煙煙葉的關鍵所在就是如何有效調(diào)控烤煙生育期內(nèi)土壤氮素供應契合優(yōu)質(zhì)烤煙的吸氮規(guī)律[24-25]。目前，有關納米碳影響烤煙生長發(fā)育及品質(zhì)的研究早已展開。有研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)肥料中添加納米碳能夠增加烤煙植株干物質(zhì)積累量，顯著提高氮肥利用率，有效降低氮素土壤殘留和損失[26]，并且施用納米碳還可以優(yōu)化烤煙田間農(nóng)藝性狀和提高烤后煙中上等和上等煙比例[27]。然而，目前有關納米碳與氮肥配施影響植煙土壤中氮素轉化以及N2O排放的研究較少。為此，本文采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，設置氮肥配施不同量納米碳處理，來探討配施納米碳對植煙土壤氮素轉化及N2O排放的影響。這對于明確納米碳如何影響氮素轉化過程具有重要意義，同時也可為納米碳合理應用于烤煙或其他作物生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采樣地點及理化性質(zhì)見文獻[28]。

本試驗所用納米碳由上海芳甸生物科技有限公司提供(全氮7.75 g/kg，全碳 333.62 g/kg，以干基計)，C/N 為43.05。分別快速稱取4.17、8.33、16.77和33.54 g的納米碳溶于250 ml的去離子水中，然后在超聲波振蕩器內(nèi)振蕩30 min，使其溶解均勻，配成不同濃度的納米碳溶液。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理：① CK(對照)，只添加硝酸銨；②NC1，硝酸銨+納米碳(2.5 g/kg)；③NC2，硝酸銨+納米碳(5 g/kg)；④ NC3，硝酸銨+納米碳(10 g/kg)；⑤NC4: 硝酸銨+納米碳(15 g/kg)。硝酸銨施用量為N 200 mg/kg。

具體培養(yǎng)步驟參照文獻[28]中的方法進行。

1.3 測定項目與方法

土壤中可溶性全氮(DTN)、NO–3-N 和 NH4+-N 含量，N2O 和 CO2排放，土壤 pH 的測定均參照文獻[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮素凈礦化速率、氮素凈硝化速率、可溶性有機氮(DON)、無機氮、CO2和N2O 排放速率及累積排放量參照文獻[28]中的公式進行計算。

文中給出的 pH、可溶性氮組分、N2O 和 CO2排放數(shù)據(jù)均為3次重復數(shù)據(jù)。采用SPSS 24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，用 LSD 方法分析處理間平均數(shù)的差異顯著性(P<0.05)，用OriginPro2018 進行作圖和線性擬合。

2 結果

2.1 pH

由圖1可知，在培養(yǎng)結束時，NC1和NC2處理與CK處理間土壤pH差異不顯著；NC3和NC4處理的pH卻顯著低于CK處理(P<0.05)，說明納米碳添加量達到一定值后將降低土壤pH。

2.2 可溶性氮

由圖2A可以看出，與CK處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4處理在前3 d降低了土壤NH4+-N含量，隨后又增加了NH4+-N含量，其中以NC4處理的增加幅度最大。在培養(yǎng)結束時，NC4處理的NH4+-N含量仍明顯高于其他處理，而其他處理間差異不明顯。

由圖2B可以看出，各處理的NO–3-N含量均呈不斷增大的趨勢，而NC1、NC2、NC3和NC4處理在前7 d內(nèi)的增大幅度顯著小于CK處理的增大幅度。在培養(yǎng)結束時，與CK處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4處理明顯降低NO–3-N含量。 由圖3A可知，氮肥配施納米碳降低了氮素的凈硝化速率，各處理凈硝化速率大小依次為：CK>NC1>NC2> NC3>NC4(圖3A)，且各處理間差異顯著(P<0.05)。

與CK處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4處理在前7 d明顯降低土壤無機氮含量，而NC1、NC2和NC3處理在試驗14 d時明顯提高了土壤無機氮含量。在培養(yǎng)結束時，NC1、NC2、NC3和NC4處理較CK處理顯著降低了無機氮含量(P<0.05，圖2C)。由圖3B可以看出，與CK處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4處理顯著降低了土壤氮素凈礦化速率(P<0.05)，其中NC1處理降低幅度最小，NC4處理降低幅度最大。

由圖2D可以看出，在培養(yǎng)過程中，CK處理的DON含量呈不斷減小的趨勢。與CK處理相比，NC1和NC2處理在培養(yǎng)初期顯著提高了DON含量；而NC3和NC4處理在整個培養(yǎng)過程中均顯著提高了土壤DON含量(P<0.05)。

2.3 CO2排放

由圖4A可以看出，與CK處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4處理顯著提高了土壤CO2排放速率。NC1和NC2處理的CO2排放峰值出現(xiàn)在試驗7 d時，而NC3和NC4處理的CO2排放峰值出現(xiàn)在試驗5 d時。在培養(yǎng)結束時，NC1、NC2、NC3和NC4處理較CK處理顯著增加CO2累積排放量(P<0.05，圖4B)，其中NC4處理的累積排放量最高，并顯著高于NC1、NC2和NC3處理，但NC1、NC2和NC3處理間差異不顯著。

2.4 N2O排放

與CK處理相比，NC1處理在前5 d明顯降低了土壤N2O排放速率， 隨后又提高了N2O排放速率(圖5A)；而NC2、NC3和NC4處理在培養(yǎng)前期明顯提高了土壤N2O排放速率，NC4處理的提高幅度最大，NC2處理的提高幅度最小(圖5A)。在培養(yǎng)結束時，NC1處理的N2O累積排放量僅比CK處理增加了0.01 mg/kg，NC2、NC3和NC4處理較CK處理增加較多，但僅NC4處理與CK處理間差異顯著(P<0.05)(圖5B)。

由圖6可以看出，N2O累積排放量與凈硝化速率呈顯著負相關關系(R2=0.6，P<0.001)，而與CO2累積排放量呈顯著正相關關系(R2=0.5，P= 0.003)。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，添加納米碳溶膠可以明顯降低堿性土壤的pH，且隨著納米碳溶膠濃度的增加，其降低pH的效果越明顯[29]。在本試驗中得出了相似結果，與CK處理相比，NC3和NC4處理顯著降低了土壤pH(P<0.05)，說明隨著納米碳添加量的增大降低pH的效果越明顯。這可能因為納米碳是一種非導電的改性碳，可以從NH4+中吸出氮元素，同時釋放H+[30]，H+濃度的增加，導致了pH下降。

與 CK 處理相比，NC1、NC2、NC3和NC4 處理在培養(yǎng)前3 d 明顯降低了土壤NH4+-N 含量，這一方面可從納米碳是一種非導電的改性碳，能夠從NH+4中吸出氮元素，從而減小 NH4+-N 含量得到解釋；另一方面也可能是納米碳作為一種高C/N比的碳源對微生物同化作用的刺激大于對礦化作用的刺激，表現(xiàn)為微生物對 NH4+-N 的凈固持，從而降低了 NH4+-N含量。CK 處理中 NH4+-N 含量從培養(yǎng)3 d 后急劇下降，說明此階段的硝化作用較強。而與 CK 處理相比，NC1、NC2、NC3 和 NC4 處理在培養(yǎng)3 d 后明顯提高了土壤NH4+-N 含量(圖2A)，相應地降低了土壤NO–3-N含量(圖2B)，這說明納米碳抑制了土壤硝化作用。在其他研究中也得到了相似的結果：向土壤添加納米碳會抑制硝化細菌的活性，從而降低NO–3-N的含量[31-32]。另外，由圖3A可以看出，添加納米碳顯著降低了氮素凈硝化速率 (P<0.05)，且氮素凈硝化速率隨納米碳添加的增加而減小，說明納米碳對硝化作用的抑制隨納米碳添加量的增加而增大。N2O和 N2排放量增加通常與土壤中NO–3-N 含量增加有關[33]，而添加納米碳顯著降低了氮素凈硝化速率，降低了NO–3-N 含量，這就解釋為什么 N2O 累積排放量與氮素凈硝化速率呈顯著負相關關系 (圖6A)。

向土壤中添加外源碳會刺激微生物同化作用，也會刺激反硝化作用。在培養(yǎng)結束時，NC1、NC2、NC3和 NC4 處理的無機氮含量分別比 CK 處理降低了8.59、14.03、26.85和28.88 mg/kg (圖2C)；而NC1、NC2、NC3 和 NC4 處理的 N2O 累積排放量分別比CK 處理增加了0.01、0.12、0.17和0.90 mg/kg，說明反硝化作用所消耗的無機氮僅占無機氮降低量中的很小比例。綜上事實，說明納米碳作為一種高C/N比的外源碳對微生物同化作用的刺激大于對礦化作用的刺激，在培養(yǎng)結束時表現(xiàn)為微生物對無機氮的凈固持。由圖3B也可以看出，添加納米碳顯著降低了氮素凈礦化速率 (P<0.05)，且氮素凈礦化速率隨納米碳添加量的增加顯著減小，說明納米碳對微生物同化作用的刺激隨納米碳添加量的增加而增強。

配施納米碳可提高土壤中DON含量。在培養(yǎng)結束時，添加納米碳處理分別比 CK 處理增加了0.89(NC1)、1.72 (NC2)、7.4 (NC3)和14.29 (NC4) mg/kg(圖2D)，這可從外源碳的加入使土壤中微生物活性增大，大量的碳水化合物被微生物快速分解，甚至外源碳添加促進土壤中頑固性老有機碳的分解得到解釋[34-35]。本試驗中的 CO2主要來自土壤微生物呼吸，CO2排放可以表征微生物活性的強弱。從圖4A可看出，添加納米碳顯著提高了土壤 CO2排放速率。與CK 處理相比，添加納米碳處理顯著提高了 CO2累積排放量(P<0.05，圖4B)，說明配施納米碳可顯著提高微生物活性。

配施納米碳還可刺激反硝化作用。與CK處理相比，NC1、NC2、NC3 和 NC4 處理增加了 N2O 累積排放量，NC1、NC2 和 NC3 處理與 CK 處理間差異不顯著，而 NC4 處理較 CK 處理顯著增加了N2O 累積排放量 (P<0.05，圖5B)，這與其他人的研究結果不同。周鵬等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在田間條件下施用納米增效尿素比純尿素能減少華北平原春玉米田的 N2O 排放，并認為這是由于添加納米碳放緩了肥料釋放速率，提高了作物對養(yǎng)分的吸收，相應地也就減少了農(nóng)田的N2O排放量。另外，杜亞琴等[37]研究也發(fā)現(xiàn)，包膜復合肥比不包膜的氮肥利用率高，從而能顯著降低土壤 N2O 排放量。而在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，沒有植物吸收氮素，也沒有徑流和滲漏影響氮素含量，因此添加納米碳對植煙土壤N2O排放的影響還應進一步在大田試驗中驗證。本試驗中，添加納米碳提高了 N2O 累積排放量，這也可能與本試驗在開始時向土壤加入大量 NO–3-N 有關。N2O 和 N2排放量多少通常與土壤中NH4+-N和NO–3-N 含量的高低有關[33]，因為 NO–3-N 是反硝化過程中生成 N2O 的重要電子受體。另外，添加納米碳顯著提高了 CO2累積排放量，加快了土壤中氧氣的消耗，易導致土壤中厭氧環(huán)境的形成而間接地促進反硝化作用[35]。反硝化作用加強，N2O 排放自然會增加。本研究還發(fā)現(xiàn)，N2O 累積排放量與 CO2累積排放量呈顯著正相關關系(R2= 0.5，P<0.05，圖6B)，這與 Huang 等[38]研究結果基本一致。

綜上所述，在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，氮肥配施納米碳對植煙土壤氮素轉化具有一定影響。納米碳具有一定的抑制硝化作用、降低無機氮含量和提高可溶有機氮含量的能力，但具有增加N2O排放的風險。然而，在烤煙實際生產(chǎn)中，煙株生長發(fā)育會吸收利用一部分氮素，其根系分泌物也會影響氮素轉化[39]，因徑流和淋洗等途徑還會導致氮素損失。因此，在大田試驗條件下，氮肥配施納米碳對植煙土壤氮素轉化、氮素利用率和溫室氣體排放的影響需做進一步深入研究。另外，全面評價人工納米材料影響生態(tài)效應的關鍵是將植物-微生物-土壤作為一個整體[40]，因此，在大田試驗條件下，還應將納米碳對土壤微生物群落結構的影響統(tǒng)籌在一起探究。

4 結論

1) 添加納米碳可以降低植煙土壤pH，且隨著納米碳添加量的增大，其降低土壤pH的效果越明顯。

2) 添加納米碳能夠一定程度上抑制硝化作用，即提高土壤NH4+-N含量的同時降低NO–3-N含量。另外，氮肥配施納米碳可降低土壤中無機氮含量，但能夠提高土壤可溶性有機氮含量。

3) 添加納米碳不僅可以提高植煙土壤微生物活性，增加CO2累積排放量；而且當納米碳添加量達到一定值后將顯著提高N2O累積排放量。另外，CO2累積排放量與N2O累積排放量呈顯著的正相關關系(R2= 0.5，P<0.05)。