不同水分含量下黑土氧化亞氮排放差異

王蕾，董彥宏，王連峰

(大連交通大學 環境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)*

東北黑土地區是我國重要的糧食作物產區之一.由于掠奪性利用，導致黑土嚴重退化、氮肥流失和N2O等溫室氣體排放問題嚴重.近年來，大氣中溫室氣體排放所帶來的問題嚴重，N2O是僅次于CO2和CH4需要管控的溫室氣體，土壤中排放的N2O是大氣中N2O的主要來源.影響土壤中N2O排放的因素有很多，其中水分含量的變化可能會影響土壤中硝化、反硝化微生物的活性并影響土壤中氮素的轉化以及N2O的產排[1-2].

土壤水分對土壤N2O產排和硝化反硝化微生物種群性狀變化的影響備受關注[3].有研究表明，當土壤水分含量為60%～80% WHC時，N2O排放量最大；也有研究指出N2O排放量在80% WHC的無錫市旱地輪作黃泥土中最高[4]，而在100% WHC鷹潭紅壤中最高[5].土壤中主要是由硝化反硝化微生物共同作用而產生N2O.一般認為，N2O在低水分含量條件下，主要是通過硝化作用產生；而在高水分含量條件下，則是通過反硝化作用產生[6].當環境條件相對穩定時，土壤中氮素相對穩定，N2O排放量相對較少；當環境條件發生變化時，土壤中氮素形態的變化會促進N2O的產生和排放.土壤理化性質變化的強度和頻率可能對N2O的產排產生重大影響.因此，有必要對環境條件變化對N2O產排的影響給予更多的關注.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與處理

供試土壤樣品采自處于溫帶大陸性季風氣候的哈爾濱黑土生態環境科學觀測站，地理位置為45°40′N；126°35′E，海拔為151 m，年降水量為533 mm.取樣深度為0～20 cm的耕層土壤，表面疏松，觀察顏色呈棕褐色，較為濕潤，含有較多植物根系等腐殖質.置于陰涼通風處自然風干，并用鑷子將土壤中殘留的植物根系、大顆粒石子等剔除，將土壤研磨并過2 mm篩備用.供試土樣基本性質如下：pH值為7.22，有機質為26.70 g/kg，銨態氮為1.12 mg/kg，硝態氮為1.03 mg/kg，全氮為1.47 g/kg，全鉀為25.16 g/kg，速效磷為51.00mg/kg，速效鉀為200.00 mg/kg.

1.2 實驗處理

采用120 mL血清瓶進行培養，實驗設置兩種水分模式，40% WHC(T1)和80% WHC(T2)，于25℃下培養四周，每種處理設置3組重復樣，分別在第一、二、三、四周結束時進行破壞性取樣，并測定相應數據,實驗設計如圖1所示.

圖1 不同水分培養的實驗設計

取27份處理后土壤樣品，每份25 g，放入120mL玻璃血清瓶中，用移液管向土壤中均勻滴加無菌水使水分含量達到20% WHC，置于生化培養箱預培養一周(恒溫25℃)；培養開始前，向土壤中各添加50 ppm的KNO3和NH4HCO3，隨后將兩組土壤樣品水分含量分別調節至40% WHC和80% WHC，加橡膠塞、鋁箔、封口膜密封，防止瓶內外氣體交換，放入培養箱培養，記為培養點.

預培養樣品3瓶，預培養一周結束后對其進行破壞性取樣，土壤加1 mol/L KCL溶液浸提，用于測量NH4+-N和NO3--N含量，T1、T2處理最初均各有12瓶平行樣品，在每個培養周期結束時，對兩種處理各提取3瓶進行破壞性取樣，重復預培養檢測實驗步驟；其余樣品保持恒定40% WHC與恒定80% WHC水分條件.每個周期連續監測5天排放的N2O、CO2通量.

1.3 NH4+-N、NO3--N測定方法

土壤中NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定：取2 mL浸提液于50 mL比色管中，加入去離子水至標線，搖勻后加入1 mL酒石酸鉀鈉，1.5mL納氏試劑搖勻，靜置10 min后，在波長為420 nm處，測量其吸光度.

土壤中NO3--N采用紫外分光光度法測定：取2 mL浸提液于50 mL比色管中，加入去離子水至標線搖勻，在波長為220 nm和275 nm處測量其吸光度，按照公式校正吸光度.校正吸光度公式為：A=A220-2A275.

1.4 N2O和CO2排放通量測定方法

采用氣相色譜GC-7890B，進行N2O和CO2的檢測，配有檢測器為電子捕獲檢測器ECD和火焰離子檢測器FID，檢測器溫度為300℃和250℃，柱溫為60℃，載氣為高純氮氣，流速為25mL/min，燃氣為氫氣、亞甲烷和零級空氣.取一支規格為5 mL的一次性注射器在采樣前抽吸空氣三次，然后插入瓶內，上下抽吸三次，得到一個均勻混合的樣品，采集5 mL氣樣插進氣相色譜進樣口，緩緩注入.每次取樣結束后，用抽真空泵將瓶內氣體排凈，打開瓶塞使瓶內氣體為空氣.

1.5 數據處理

N2O(CO2)排放通量計算詳細描述見文獻[7],采用統計分析作圖軟件為：Microsoft Office 2013、Origin9.0.

2 結果

2.1 不同水分對NH4+-N、NO3--N含量的影響

圖2 兩種水分條件對NH4+-N和NO3--N含量的影響

2.2 不同水分對N2O、CO2排放通量的影響

T1條件下的土壤，在培養的四周內幾乎不產生N2O(圖3)；而在T2條件下，第一周大量排放N2O并持續上升，在第四天出現峰值，第二周排放量持續下降至4.02 μg·kg-1·h-1，后兩周放量幾乎為零.

圖3 兩種水分條件對N2O、CO2排放通量的影響

T1條件下，培養的第一周CO2排放通量少量的增加后減少，第一周結束時的排放通量減少至0.3 mg·kg-1·h-1，第二周排放量逐漸減少并在接下來兩周穩定在0.2 mg·kg-1·h-1；T2條件下，培養的第二天CO2的排放通量突然增加并達到峰值，接著開始下降，直到培養的第二周趨于平穩，后兩周的排放量幾乎穩定在0.3～0.4 mg·kg-1·h-1之間.在整個培養過程中除第3天外，均為T2大于T1.

2.3 不同水分對N2O、CO2累積排放量的影響

兩種水分含量處理下N2O和CO2在四周內累積排放量(圖4)，可以看出T1條件下幾乎不排放N2O，而T2條件下積累大量N2O至2 000 μg·kg-1；而CO2在兩種水分條件下均大量產生，T1水分條件下產生量約為15 mg·kg-1，T2條件下積累量略大，約為20 mg·kg-1.

圖4 兩種水分條件對N2O、CO2累積排放量的影響

3 討論

3.1 不同水分對NH4+-N、NO3--N含量的影響

3.2 不同水分對N2O、CO2排放通量的影響

影響土壤N2O產排的主因之一是土壤水分含量，因為其影響土壤中的通氣情況，進而影響土壤硝化、反硝化微生物的種類及基因豐度來影響土壤N2O產排.一般在好氧條件下，硝化作用是N2O形成的主導過程，而厭氧條件下，反硝化作用是N2O形成的主導過程.土壤濕度增加時，硝化產生N2O可能增加，隨水分增加到一定程度時，N2O則是通過反硝化產生的[14].研究表明，水分含量在60%～80% WHC的土壤，N2O排放通量最大.對某一亞熱帶森林土壤的研究表明，在好氧條件下，反硝化作用占N2O產量的56%[15].此外隨著土壤濕度的增加，平均N2O和NO排放量的減少可能是由于脫氮過程中N2排放量增加[16].

整個培養過程中，低水分條件下幾乎未檢測到N2O排放，硝化作用條件下，產生的N2O含量較低；高水分條件下，前兩周N2O排放急劇積累，但后兩周幾乎不排放，可能因為土壤微生物活性降低，也可能因為在高水分含量時，較強的反硝化作用，使土壤中產生的N2O進一步轉化成N2；雖然硝化、反硝化反應同樣可產生N2O，但高水分含量時的反硝化能大量產生N2O.兩種水分模式下CO2均在培養的前兩周排放量先增后減，并在后面兩周穩定排放，但高水分時排放的CO2稍高于低水分時，在培養初期土壤中供微生物生長底物充分，使土壤微生物活性增強發生劇烈的呼吸作用，且在高水分含量時硝化、反硝化微生物的呼吸強度高于低水分含量時.在每周培養的開始，排放CO2含量小幅增加，是因為培養開始會對土壤水分進行補充，有研究指出土壤水分含量增加會增加土壤微生物活性，歐陽楊等[17]的實驗通過研究多種干濕交替方式發現，干濕交替條件更能促進土壤中CO2和N2O產生和釋放，這解釋了每周初始土壤中CO2與N2O排放量突然增加而后減少的原因.后兩周開始消耗營養物質，土壤微生物活性降低，呼吸作用相對減弱；研究指出土壤干燥會降低氮的礦化率，可能由于影響底物擴散或土壤干燥的限制，低土壤濕度減少底物對土壤微生物的供應，引起部分微生物死亡[18].40% WHC時CO2排放量明顯低于土壤水分值較高的情況，說明低土壤水分降低了微生物的活性；低水分含量的土壤有利于減少溫室氣體的排放，降低全球變暖帶來的危害.

3.3 不同水分對N2O、CO2累積排放量的影響

N2O四周內累積排放量，在低水分條件下幾乎不積累N2O，而高水分條件下積累大量N2O，說明水分含量對N2O產排產生劇烈影響，在低水分的硝化反應過程中幾乎不產生N2O，而在高水分含量下，同時發生了強烈的硝化、反硝化反應，在該過程中所產生的N2O主要是由反硝化微生物產生的；而CO2在兩種水分條件下均大量產生，在兩種水分含量下微生物呼吸作用都很強，活性均很高，但低水分含量條件下主要發生的是硝化作用，高水分含量下發生的是硝化、反硝化作用，在水分含量較高的情況下土壤中微生物的呼吸作用更強，此時微生物生長繁殖的活性更強.

4 結論

(1)在低水分含量條件下，硝化反應占主導地位，通過硝化反應所產生的N2O含量相對較少，微生物呼吸作用較強；

(2)在高水分含量條件下，土壤同時發生了硝化反應和反硝化反應，反硝化作用產生大量的N2O，N2O排放通量降低是因為發生了強烈的完全反硝化反應，使產生的N2O進一步轉化成了N2，并且微生物呼吸作用強于低水分含量條件；

(3)在農業生產過程中可通過控制土壤水分含量，減少土壤向大氣排放N2O、CO2等溫室氣體.