硝化抑制劑、脲酶抑制劑與生物炭復(fù)配對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

陶甄，李中陽，2，李松旌，李寶貴，李嗣藝，高峰，劉源*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 商丘 476000）

溫室氣體排放量逐年升高導(dǎo)致全球變暖和臭氧層破壞問題愈加嚴(yán)重[1]。作為全球氣候治理的行動(dòng)派，我國(guó)于2020年提出碳達(dá)峰、碳中和等發(fā)展新目標(biāo)，減緩溫室氣體排放，走綠色低碳發(fā)展之路勢(shì)在必行。CO2、N2O、CH4作為溫室氣體的主要組成部分，三者之和對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約有80%[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源之一，我國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占全國(guó)溫室氣體排放總量的17%[3]。

關(guān)于添加單一外源物質(zhì)對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的調(diào)節(jié)作用已有較多研究，但對(duì)溫室氣體排放的影響尚未形成一致結(jié)論。生物炭作為一種土壤改良劑在提高土壤肥力及作物產(chǎn)量等方面成效顯著[4]，其也被用于調(diào)控農(nóng)田溫室氣體排放。一些研究認(rèn)為添加生物炭可抑制土壤中產(chǎn)甲烷菌的活性并促進(jìn)甲烷氧化菌的活性，從而減少土壤CH4排放量[5]，也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭自身會(huì)釋放出乙烯，而乙烯濃度的變化會(huì)影響CH4氧化[6]，使得CH4排放量增加；同時(shí)，生物炭還可吸附固定土壤中的從而影響硝化、反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。有研究表明生物炭施用量為4.5、9.0 t·hm-2時(shí)可減少夏玉米季N2O的產(chǎn)生和排放[9]；也有研究發(fā)現(xiàn)施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的生物炭會(huì)促進(jìn)N2O的排放，但施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的生物炭則無明顯影響[10]；另有研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加后分解產(chǎn)生的可溶性有機(jī)碳可被微生物所利用，從而促進(jìn)微生物呼吸和土壤CO2排放[11]；而潘占東[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加水平為20、30、50 t·hm-2時(shí)會(huì)抑制CO2排放。硝化抑制劑雙氰胺（DCD）在添加量為氮肥施用量的0.24%時(shí)可抑制氨單加氧酶活性，從而抑制土壤中硝化、反硝化作用，減少N2O排放[13]；但也有研究證實(shí)施用DCD在抑制N2O排放的同時(shí)會(huì)促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)，從而增加了土壤CO2排放[14]。脲酶抑制劑n-丁基硫代磷酰三銨（NBPT）在有氧條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為NBPTO，NBPTO與脲酶活性位點(diǎn)形成三齒鍵[15]，從而減緩尿素水解，避免大量累積，減少N2O排放。有研究發(fā)現(xiàn)尿素配施NBPT能夠顯著降低N2O排放[16-17]。趙自超等[18]在探究抑制劑對(duì)冬小麥-夏玉米輪作固碳減排效果時(shí)發(fā)現(xiàn)NBPT在減少N2O和CH4排放的同時(shí)增加了CO2排放。目前有關(guān)硝化/脲酶抑制劑對(duì)CH4排放的影響存在爭(zhēng)議[19-20]，未形成統(tǒng)一結(jié)論。

對(duì)于兩種外源物質(zhì)配施對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響也有部分研究，但研究結(jié)果也存在不一致現(xiàn)象。配施硝化抑制劑和脲酶抑制劑是農(nóng)田氮肥優(yōu)化管理的一種方式。有研究表明硝化抑制劑、脲酶抑制劑的施用降低了土壤脲酶、蔗糖酶的活性，從而減少了土壤CO2排放[21]。但也有研究發(fā)現(xiàn)兩種抑制劑聯(lián)合施用可增加CO2排放，同時(shí)減少N2O排放與CH4的吸收量[16]。賴睿特等[22]研究發(fā)現(xiàn)在N2O排放方面，硝化抑制劑和脲酶抑制劑兩者結(jié)合施用后更明顯地延緩了的轉(zhuǎn)化速率，故抑制效果優(yōu)于單施一種抑制劑。朱云飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，DCD與生物炭聯(lián)合施用時(shí)，可以進(jìn)一步削弱施用生物炭引起的對(duì)硝化過程的激發(fā)作用，從而發(fā)揮出更明顯的減排效果，使得聯(lián)合施用時(shí)抑制N2O排放的效果優(yōu)于單施生物炭或DCD。DAWAR等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)施用生物炭（桉樹樹枝）相比，生物炭與NBPT聯(lián)合施用時(shí)，更明顯地降低了含量，影響了反硝化菌的活性，導(dǎo)致聯(lián)合施用時(shí)N2O排放量低于單施生物炭。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭、硝化抑制劑、脲酶抑制劑聯(lián)合施用對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放影響的研究多側(cè)重于單一溫室氣體。在CH4排放方面，生物炭、DCD、脲酶抑制劑HQ聯(lián)合施用時(shí)會(huì)通過提高水稻根生物量和土壤Eh進(jìn)一步抑制CH4排放，抑制效果最優(yōu)[24]。在N2O排放方面，與兩種抑制劑（DCD、HQ）相比，生物炭與其同時(shí)施用能夠通過降低供應(yīng)量影響反硝化作用，從而使N2O排放相對(duì)減少[25]。而關(guān)于三者配合施用對(duì)CO2、N2O、CH4排放的綜合影響目前鮮有報(bào)道。因此，為探究生物炭、硝化抑制劑、脲酶抑制劑3種外源物質(zhì)的不同組合，尤其是三者同時(shí)施用對(duì)溫室氣體（CO2、N2O、CH4）排放的綜合影響，本研究通過培養(yǎng)試驗(yàn)將3種外源物質(zhì)進(jìn)行組合，通過監(jiān)測(cè)土壤CO2、N2O、CH4排放通量和等指標(biāo)的變化及其在各處理間的差異，分析不同外源物質(zhì)處理對(duì)溫室氣體排放以及土壤性質(zhì)的影響，為減緩溫室氣體排放提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合實(shí)驗(yàn)基地（35°08′ N，113°45′ E，海拔81 m），該地屬于半干旱、半濕潤(rùn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。采用五點(diǎn)取樣法在耕層（0~20 cm）取土樣混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室，土樣自然風(fēng)干后過2 mm篩待用。所取土壤為堿性砂壤土，其基本理化性質(zhì)：pH（水土比5∶1）為8.39，土壤容重為1.50 g·cm-3，全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量分別為1.06、、速效鉀、有效磷含量分別為2.18、3.15、4.07、19.43 mg·kg-1。所用水取自河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站地下水，其基本性質(zhì)：pH為8.26，總氮、總磷含量分別為2.20、0.80、1.04、0.90 mg·L-1，全碳、有效磷、K+、Na+含量分別為84.11、0.06、2.87、471.56 mg·L-1。

生物炭由玉米秸稈在馬弗爐中350℃燜燒4 h后磨碎過60目篩而成，其基本性質(zhì)：pH為7.74（水炭比2.5∶1），總碳、全氮、有效磷含量分別為679.30、16.55、1.20 g·kg-1。生物炭添加量為 30 t·hm-2[26]。硝化抑制劑為2-氯-6三氯甲基吡啶（NP），其對(duì)硝化細(xì)菌有毒，能夠選擇性地抑制土壤中硝化細(xì)菌的活動(dòng)，從而減緩?fù)寥乐修D(zhuǎn)化為的速度，購(gòu)自鄭州豫潤(rùn)工貿(mào)有限公司，純度98%，施用量為肥料中純氮的1%（4.5 kg·hm-2）[27]。脲酶抑制劑為NBPT，其與尿素分子結(jié)構(gòu)相似，與脲酶結(jié)合位點(diǎn)的親和力強(qiáng)于尿素，從而減少了脲酶作用于尿素的機(jī)會(huì)，購(gòu)自鄭州豫潤(rùn)工貿(mào)有限公司，純度97%，施用量為肥料中純氮的1%（4.5 kg·hm-2）[28]。

試驗(yàn)共設(shè)置7種外源物質(zhì)組合，分別是生物炭（BC）、硝化抑制劑（NP）、脲酶抑制劑（NB）、生物炭+硝化抑制劑（BCNP）、生物炭+脲酶抑制劑（BCNB）、硝化抑制劑+脲酶抑制劑（NPB）、生物炭+硝化抑制劑+脲酶抑制劑（BCNPB），每個(gè)組合設(shè)置3個(gè)重復(fù)。另外設(shè)置不添加外源物質(zhì)的對(duì)照（CK）。

1.2 土壤培養(yǎng)

培養(yǎng)試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站開展，為了模擬生長(zhǎng)周期較短的蔬菜非根際土壤的溫室氣體排放，試驗(yàn)共持續(xù)56 d[29]，從2020年10月20日開始，至12月14日結(jié)束。稱取600 g（3個(gè)重復(fù)所需干土質(zhì)量）土到塑料自封袋中，加入3個(gè)重復(fù)所需的肥料和外源物質(zhì)（用百分之一天平稱取肥料和生物炭，用十萬分之一天平稱取抑制劑），上下翻轉(zhuǎn)自封袋約30次使其充分混勻后平均分裝到3個(gè)培養(yǎng)瓶（1 000 mL）中，加入相應(yīng)的水量將土壤含水量調(diào)節(jié)至田間持水量（21%）的60%，再用玻璃棒攪拌均勻。肥料選用復(fù)合肥（N、P2O5、K2O比例為15∶15∶15，氮源為尿素），施肥標(biāo)準(zhǔn)為3 000 kg·hm-2。將處理后的土樣置于恒溫（25℃）培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。前人研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)前期土壤中尿素水解較快含量大多在0~5 d時(shí)達(dá)到峰值[30-31]，但短時(shí)間內(nèi)大量累積會(huì)使得NH3揮發(fā)流失[32]，且本試驗(yàn)為培養(yǎng)試驗(yàn)無法被作物吸收利用而更易積累并轉(zhuǎn)化散失，故試驗(yàn)前7 d未補(bǔ)充水分，以期降低前期尿素水解速率，使峰值滯后。從第8天開始在瓶口貼上封口膜并均勻扎破小孔以便氣體流通，用稱取質(zhì)量的方法每3 d加一次水以彌補(bǔ)水分損失，使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)土壤含水量保持在田間持水量的60%左右。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 溫室氣體的采集與測(cè)定

在培養(yǎng)后的第1、4、10、14、21、28、42、56天分別采集氣體，采樣時(shí)間為上午8：00—11：00，采樣時(shí)用與培養(yǎng)瓶配套大小的帶有三通閥的丁基膠塞密封，一頭連接注射側(cè)口針，一頭連接30 mL聚丙烯醫(yī)用注射器。每一個(gè)試驗(yàn)處理均于0、10、20、30 min分別采集氣體4次，氣體暫存于注射器內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室后打入10 mL真空采氣管內(nèi)，用氣相色譜儀（島津2010plus）進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件：ECD檢測(cè)器溫度為250℃，色譜柱溫度為50℃，載氣為高純氬甲烷，氣流速為40 mL·min-1。嚴(yán)格記錄采樣時(shí)間和環(huán)境溫度。

氣體排放通量的計(jì)算公式為：

式中：F為氣體排放通量，mg·kg-1·h-1或μg·kg-1·h-1；V為培養(yǎng)瓶上部空間體積，L；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體的質(zhì)量濃度變化率，mg·kg-1·h-1或μg·kg-1·h-1；ρ為氣體在標(biāo)態(tài)下的密度，g·L-1；T為抽氣過程中瓶?jī)?nèi)平均溫度，℃；W為土樣干質(zhì)量，g。

培養(yǎng)期間溫室氣體累積排放量通過線性內(nèi)插法估算[33]，計(jì)算公式為：

式中：TF為培養(yǎng)期間氣體累積排放量，mg·g-1；Fi+1為第i+1次試驗(yàn)采集氣體的平均排放通量，mg·g-1·h-1；Fi為第i次采集氣體的平均排放通量，mg·g-1·h-1；Ti+1-Ti為第i+1次采集氣體與第i次采集氣體的間隔時(shí)間，d。

由于3種氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)效應(yīng)不同，故用CO2、CH4、N2O 3種溫室氣體的CO2當(dāng)量和來計(jì)算全球增溫潛勢(shì)。由前人研究可知單位質(zhì)量CH4、N2O百年時(shí)間尺度全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的28、265倍[34]。

全球增溫潛勢(shì)計(jì)算公式為：

式中：GWP為全球增溫潛勢(shì)，mg·g-1；TF（CO2）為CO2累積排放量，mg·g-1；TF（N2O）為N2O累積排放量，mg·g-1；TF（CH4）為CH4累積排放量，mg·g-1。

1.3.2 土壤充水孔隙度的測(cè)定

每次采集氣體后利用稱質(zhì)量的方法得出土壤質(zhì)量含水率，通過土壤質(zhì)量含水率計(jì)算土壤充水孔隙度（WFPS），計(jì)算公式為：

式中：VSWC為土壤體積含水率（質(zhì)量含水率×BD）；BD為土壤容重，1.51 g·cm-3；PD為土壤密度，2.65 g·cm-3。

取土?xí)?duì)土壤環(huán)境造成影響，為盡量保證土壤的穩(wěn)定性，故相對(duì)減少土壤的取樣次數(shù)。取樣方法參考劉嬌等[35]的方法，于培養(yǎng)試驗(yàn)的第4、7、14、25、42、56天采集氣體之后用玻璃棒將瓶?jī)?nèi)土壤攪拌均勻，然后取出8.00 g（百分之一天平）土樣置于4℃冰箱保存。稱取2.50 g新鮮土樣添加25 mL濃度為0.01 mol·L-1的氯化鈣溶液，置于振蕩器上200 r·min-1恒溫振蕩30 min，過濾后用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中含量（AutoAnalyzer 3，Bran Luebbe，德國(guó)）。土壤pH用電位法（水土比為5∶1）測(cè)定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

使用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用SAS軟件對(duì)不同處理進(jìn)行方差分析，使用Origin軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動(dòng)態(tài)變化

2.2 土壤WFPS動(dòng)態(tài)變化

培養(yǎng)前7 d由于干旱，WFPS下降較明顯（圖2）。從第14天起，與CK相比，BCNPB、NPB、NB、BCNP處理的WFPS顯著增加。由于不同處理中所加外源物質(zhì)不同，各處理水分蒸騰速率存在差異，且生物炭有一定保水性，導(dǎo)致各處理土壤含水率不一致。

圖2 培養(yǎng)期間土壤WFPS變化規(guī)律Figure 2 Variation of soil WFPS during incubation

2.3 土壤pH動(dòng)態(tài)變化

土壤pH變化見圖3。培養(yǎng)前期硝化反應(yīng)的發(fā)生使得土壤pH逐漸降低，各處理均在培養(yǎng)后第25天達(dá)到最小值，且培養(yǎng)前25 d內(nèi)CK處理的土壤pH顯著低于其他7個(gè)處理，說明這段時(shí)間CK處理硝化作用比較強(qiáng)烈，這也驗(yàn)證了圖1中一直升高的趨勢(shì)；生物炭和脲酶抑制劑均呈堿性也是導(dǎo)致相應(yīng)處理高于CK的原因之一。由于本次試驗(yàn)所用水源均呈堿性，隨著灌水次數(shù)增加以及硝化速率變?nèi)酰诘?5天以后土壤pH呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢(shì)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，3個(gè)單一外源物質(zhì)處理的土壤pH大小表現(xiàn)為NP>BC>NB；與NB相比，添加了生物炭的BCNB土壤pH更高，但與NP相比，BCNP的pH更低；與BC相比，BCNP的pH較高而BCNB的pH更低；二元外源物質(zhì)處理之間土壤pH大小表現(xiàn)為BCNP>BCNB>NPB，三元外源物質(zhì)處理BCNPB的pH最低。

圖3 培養(yǎng)期間土壤pH變化規(guī)律Figure 3 Variation of soil pH during incubation

2.4 土壤溫室氣體排放變化規(guī)律

2.4.1 土壤CO2排放變化規(guī)律

培養(yǎng)前期尿素水解、硝化、反硝化反應(yīng)的進(jìn)行提高了土壤中脲酶、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌的活性，導(dǎo)致4~10 d時(shí)大部分處理的CO2排放通量大幅增加（圖4）。同時(shí)添加了3種外源物質(zhì)的BCNPB處理為微生物提供了更多的可利用碳源，因此在第1天該處理的CO2排放通量最高，但由于受干旱的影響，BCNPB處理和NPB處理的CO2排放通量在1~7 d呈下降趨勢(shì)。與CK相比，7種外源物質(zhì)處理均顯著增加了CO2累積排放量，且BCNPB處理的增加效果最顯著（表1）。單一外源物質(zhì)處理中NP處理的CO2累積排放量顯著高于NB處理，但二者與BC處理之間差異并不顯著，總體表現(xiàn)為NP>BC>NB，可能是因?yàn)殡迕敢种苿┑氖┯靡种屏穗迕傅幕钚裕档土似浜粑鼜?qiáng)度；與BC的CO2累積排放量相比，BCNP、BCNB處理分別增加了5.1%、2.9%；與NP相比，BCNP處理增加了0.2%，與NB相比，BCNB處理增加了6.5%；與NPB相比，NP處理增加了7.8%，NB處理減少了0.7%；與BCNP、BCNB、NPB相比，BCNPB處理分別增加了7.1%、9.4%、16.5%。在CO2排放方面，外源物質(zhì)之間的復(fù)配大多未能表現(xiàn)出抑制CO2排放的優(yōu)勢(shì)，可能是因?yàn)樯锾颗c抑制劑結(jié)合提高了土壤pH，促進(jìn)了土壤的呼吸作用。

圖4 培養(yǎng)期間土壤CO2排放通量變化規(guī)律Figure 4 Changes of soil CO2 emission flux during incubation

2.4.2 土壤N2O排放變化規(guī)律

圖5 培養(yǎng)期間土壤N2O排放通量變化規(guī)律Figure 5 Changes of soil N2O emission flux during incubation

2.4.3 土壤CH4排放變化規(guī)律

雖然本試驗(yàn)的土壤通氣狀況較好，但也觀測(cè)到了CH4的排放，這與李平等[38]的研究結(jié)果類似。4~10 d時(shí)土壤中聚集了大量與 C H4分子結(jié)構(gòu)相似，兩者競(jìng)爭(zhēng)甲烷氧化菌活性位點(diǎn)，導(dǎo)致此時(shí)間段內(nèi)CH4排放通量增加。之后隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，土壤中逐漸減少，且土壤pH逐漸降低，影響了二者的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)與土壤產(chǎn)甲烷菌活性，導(dǎo)致CH4排放通量減少（圖6）。培養(yǎng)中期，土壤pH逐漸升高，產(chǎn)甲烷菌活性隨之增強(qiáng)[39]，導(dǎo)致CH4排放通量增加。而在培養(yǎng)后期，可利用底物的減少限制了產(chǎn)甲烷菌的活性，CH4排放通量降低。與CK相比，BC處理減少了CH4累積排放量，其他6種外源物質(zhì)處理均增加了CH4累積排放量，且NPB、BCNB、BCNPB處理的增加效果達(dá)到顯著水平（表1）。與CK相比，單一外源物質(zhì)處理中BC處理的CH4累積排放量減少9.0%，而NP、NB處理分別增加49.7%、13.8%，NP的效果最差；與一元組合相比，所對(duì)應(yīng)的二元組合均增加了CH4排放量，與BC相比，BCNP、BCNB處理分別增加44.7%、147.0%，與NP相比，BCNP降低了12.0%，與NB相比，BCNB處理增加了97.6%，NPB較NP、NB處理分別增加39.6%、83.6%，二元處理中BCNB處理的減排效果最差，單加生物炭可減緩CH4排放，而與脲酶抑制劑結(jié)合后并未表現(xiàn)出更好的效果，可能是因?yàn)閮蓛山Y(jié)合后升高了土壤pH，影響了產(chǎn)甲烷菌的活性，從而促進(jìn)了CH4產(chǎn)生與排放；三元組合BCNPB的CH4累積排放量介于一元與二元組合之間，與一元處理相比均有所增加，與BCNP處理相比增加了39.8%，而與BCNB、NPB處理相比分別減少了18.1%、11.9%。在CH4排放方面，單施兩種抑制劑時(shí)NP的排放量更高，NB的排放量相對(duì)較低，而參與復(fù)配后，與一元相比NB對(duì)應(yīng)的二元組合的排放量相對(duì)較高，表明在抑制CH4排放方面脲酶抑制劑更不適用于復(fù)配。

表1 CO2、N2O、CH4累積排放量和全球增溫潛勢(shì)Table 1 Cumulative emissions of CO2，N2O，CH4and global warming potential

圖6 培養(yǎng)期間土壤CH4排放通量變化規(guī)律Figure 6 Changes of soil CH4emission flux during incubation

2.5 土壤CO2、N2O、CH4排放通量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

本試驗(yàn)中，CO2排放通量與土壤pH之間顯著正相關(guān)（表2），可能是因?yàn)殡S著pH的升高土壤中微生物活性升高，呼吸強(qiáng)度也隨之升高[40]。轉(zhuǎn)化為的硝化過程是產(chǎn)生N2O的主要途徑之一，故N2O排放通量與之間表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，與之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。N2O排放通量與WFPS之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，這與DOBBIE等[41]的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)殡S著土壤含水量增加，土壤中氧氣擴(kuò)散變慢，導(dǎo)致土壤反硝化反應(yīng)速率升高，產(chǎn)生更多N2O。CH4排放通量與土壤WFPS之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH之間存在一定正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平，這可能與產(chǎn)甲烷菌更喜好厭氧與堿性環(huán)境有關(guān)。

表2 溫室氣體排放通量與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between greenhouse gas emission flux and soil environmental factors

2.6 全球增溫潛勢(shì)

由于3種氣體的增溫效應(yīng)差異較大，只考慮單一氣體的排放不能全面反映增溫效應(yīng)，故選用GWP來衡量外源物質(zhì)的調(diào)控效果。本試驗(yàn)中，BCNB處理的GWP高于CK，其余6個(gè)處理的GWP均低于CK，且NP、NB、NPB處理降低效果顯著（P<0.05），其中NPB效果最佳（表1）。與CK相比，BCNB處理在顯著增加CO2排放的同時(shí)也增加了CH4排放；NP、NB、NPB處理都增加了CO2和CH4排放，同時(shí)減少了N2O排放，而N2O對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)相對(duì)最高，導(dǎo)致這3個(gè)處理的GWP顯著低于CK。硝化抑制劑、脲酶抑制劑單施和復(fù)配處理在添加生物炭后GWP均增加，說明在本試驗(yàn)中生物炭的添加并未起到減緩溫室效應(yīng)的作用。

3 討論

3.1 不同外源物質(zhì)處理對(duì)CO2排放的影響

本試驗(yàn)條件下，抑制劑處理均增加了土壤CO2排放，這與梁蕊芳[42]研究發(fā)現(xiàn)的硝化、脲酶抑制劑使用促進(jìn)土壤排放CO2的結(jié)果一致，原因可能為二者進(jìn)入土壤后提高了土壤pH，從而增加CO2排放[43]。臧祎娜等[44]發(fā)現(xiàn)0.8%含氮量NP處理相對(duì)于0.1%含氮量NP處理顯著促進(jìn)土壤CO2排放，認(rèn)為可能是硝化抑制劑的施用改變了土壤pH和碳氮比，從而影響土壤中微生物的活性，導(dǎo)致CO2排放量增加。本試驗(yàn)中生物炭促進(jìn)CO2排放與LUO等[45]的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)樯锾窟M(jìn)入土壤后，自身不穩(wěn)定性碳組分的微生物降解提高了土壤的表觀呼吸速率[46-47]，從而增加CO2排放。

與NP、NB、BC處理相比，其對(duì)應(yīng)的二元復(fù)配處理的CO2累積排放量大多有所增加，這可能與上文提出的生物炭的促進(jìn)作用有關(guān)；但NP處理的CO2累積排放量大于NPB，可能是因?yàn)橄趸种苿┡c脲酶抑制劑聯(lián)合施用時(shí)，加入的脲酶抑制劑會(huì)抑制脲酶的活性，相對(duì)降低CO2排放，使得兩種抑制劑同時(shí)施用時(shí)CO2排放量相對(duì)較低。三元復(fù)配的BCNPB處理的CO2累積排放量最高，原因可能是3種外源物質(zhì)結(jié)合后既增加了可利用的碳源又提高了土壤微生物數(shù)量和酶的活性，從而促進(jìn)了呼吸作用的進(jìn)行[48-49]。

3.2 不同外源物質(zhì)處理對(duì)N2O排放的影響

硝化抑制劑與脲酶抑制劑配合施用比單施對(duì)N2O排放的抑制作用更強(qiáng)烈，這與DING等[50]的研究結(jié)果一致，原因可能是脲酶抑制劑進(jìn)入土壤后會(huì)抑制尿素的水解，而硝化抑制劑進(jìn)入土壤后抑制土壤中硝化反應(yīng)的進(jìn)行，有效減緩產(chǎn)生和硝化，進(jìn)而抑制N2O產(chǎn)生[51]；但與PEREIRA等[52]的研究結(jié)論不一致，其認(rèn)為兩種抑制劑聯(lián)合施用時(shí)土壤中含量高于單獨(dú)施用硝化抑制劑，聯(lián)合施用延長(zhǎng)了硝化作用的時(shí)間，使得只添加硝化抑制劑對(duì)土壤N2O排放的抑制效果優(yōu)于兩種抑制劑同時(shí)施用。結(jié)論相悖的原因可能是土壤pH差異較大，PEREIRA等[52]的試驗(yàn)用土為酸性土壤，而本試驗(yàn)所用土壤為堿性。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，NP、NPB處理的含量較高含量較低，表明單施硝化抑制劑或與NBPT聯(lián)合施用均可在56 d內(nèi)持續(xù)調(diào)節(jié)硝化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致培養(yǎng)期間NP、NPB處理N2O排放量低，這與單施硝化抑制劑或與NBPT聯(lián)合施用調(diào)控轉(zhuǎn)化的有效時(shí)間達(dá)72 d以上的已有研究結(jié)果一致[53]。而NBPT的有效時(shí)間較短，從第7天起，含有NBPT的處理的含量不再低于CK，從而使NBPT減緩N2O排放的作用低于NP。

在不添加抑制劑的情況下，施用生物炭減少了N2O排放，SPOKAS等[54]在其研究中也得出同樣的結(jié)論。原因可能是生物炭的施入降低了土壤容重，改善了土壤通氣性，同時(shí)自身的高碳氮比限制了氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化作用的進(jìn)行[55]。而在添加抑制劑時(shí)，對(duì)NP、NB、NPB來說，相應(yīng)添加生物炭處理的N2O排放量反而增加，原因可能是在N2O排放量較高的前14 d內(nèi)，NP、NB、NPB處理的pH高于對(duì)應(yīng)添加生物炭處理的pH，從而提高了N2O還原酶活性，抑制了和向N2O轉(zhuǎn)化的相關(guān)酶活性[56-57]，使得NP、NB、NPB處理的N2O排放量相對(duì)較少。與BC相比，BCNB處理的N2O累計(jì)排放量增加，培養(yǎng)1~10 d是產(chǎn)生N2O的高峰期，此時(shí)間段內(nèi)BC處理的pH高于BCNB處理，而堿性環(huán)境下，pH升高提高了N2O還原酶活性，促進(jìn)反硝化反應(yīng)徹底進(jìn)行，使得更多的N2O還原為N2[37，58]，從而減少N2O排放。與 BC相比，BCNP 處理N2O累積排放量減少，原因可能是添加硝化抑制劑后培養(yǎng)前期降低了土壤的硝化速率。在前14 d內(nèi)BCNP處理的含量高于BC處理含量卻低于BC處理，可能是因?yàn)橐种苿┑氖褂靡欢ǔ潭壬弦种屏讼趸磻?yīng)的進(jìn)行，使得BCNP處理N2O累計(jì)排放量相對(duì)較少。三元組合BCNPB的N2O排放量高于一元和二元抑制劑處理，低于含有生物炭的一元和二元組合處理，這可能與上述N2O排放高峰期內(nèi)不同處理之間pH存在差異有關(guān)，且培養(yǎng)中后期與BCNP、BCNB處理相比，BCNPB處理含量相對(duì)較高，但含量卻相對(duì)較低，表明BCNPB處理N2O排放量相對(duì)較低可能與其抑制硝化反應(yīng)效果較好有關(guān)。

3.3 不同外源物質(zhì)處理對(duì)CH4排放的影響

本試驗(yàn)中，只有BC處理相對(duì)于CK減少了CH4累積排放量。生物炭作為一種多孔介質(zhì)，能夠改善土壤厭氧狀態(tài)[59]，從而降低土壤產(chǎn)甲烷菌的活性[60]；同時(shí)本試驗(yàn)所使用的秸稈生物炭進(jìn)入土壤后自身裂解出來的有機(jī)碳可作為甲烷氧化菌的碳源[61]，促進(jìn)CH4的氧化分解，從而減少CH4排放量。在本試驗(yàn)條件下，硝化抑制劑、脲酶抑制劑的使用增加了CH4排放量：一方面原因可能是硝化抑制劑的使用顯著提高產(chǎn)甲烷菌群落豐度并降低甲烷氧化菌群落豐度[62]，脲酶抑制劑的使用提高了細(xì)菌和放線菌的活性[63]，從而促進(jìn)了CH4排放；另一方面原因可能是抑制劑的使用提高了土壤中含量，而與CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu)，兩者競(jìng)爭(zhēng)甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點(diǎn)[64-65]，減少了CH4氧化。NP調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化的作用時(shí)間更久，因此NP處理CH4排放量高于NB處理。也有研究認(rèn)為硝化抑制劑的使用對(duì)CH4排放無顯著影響[66]。

添加生物炭的BCNP、BCNPB處理相比對(duì)應(yīng)的不加生物炭處理減少了CH4排放，原因可能是生物炭對(duì)存在吸附作用，減少了與CH4競(jìng)爭(zhēng)甲烷氧化菌生化反應(yīng)位點(diǎn)，導(dǎo)致甲烷氧化菌對(duì)CH4的氧化量相對(duì)增加，一定程度上減少了CH4排放量。而添加生物炭的BCNB處理相比NB處理增加了CH4排放，可能是因?yàn)橹泻笃贐CNB處理的土壤pH高于NB處理，pH升高會(huì)促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)[16]，使得BCNB處理土壤CH4排放量相對(duì)較高。與BC處理相比，BCNP、BCNB和BCNPB處理的CH4排放量增加，可能是因?yàn)橐种苿┑氖┯醚娱L(zhǎng)了在土壤中的存留時(shí)間，而產(chǎn)甲烷菌主要以為氮源，導(dǎo)致CH4排放量增加。與三元組合BCNPB相比，NPB、BCNB處理的CH4排放量有所增加，這可能與土壤中含量有關(guān)，7~56 d內(nèi)BC?NPB處理的含量始終高于BCNB處理，這可能會(huì)使生物炭吸附更多的導(dǎo)致較多的CH4被氧化，使BCNPB的CH4排放量相對(duì)較少。

3.4 不同外源物質(zhì)處理在調(diào)控溫室效應(yīng)上的應(yīng)用

本試驗(yàn)條件下，施用單一外源物質(zhì)時(shí)，生物炭起到抑制N2O和CH4排放的作用，但顯著促進(jìn)了CO2的排放，故GWP高于CK；硝化抑制劑、脲酶抑制劑促進(jìn)了CO2和CH4排放但抑制N2O排放，故GWP低于CK；從GWP來看，3種外源物質(zhì)中硝化抑制劑的調(diào)控效果更好，這主要是因?yàn)镹2O的溫室效應(yīng)最高，而三者之間硝化抑制劑抑制N2O排放的效果最優(yōu)。從外源物質(zhì)復(fù)配組合施用角度分析，在CO2排放方面，各復(fù)配組合均表現(xiàn)為促進(jìn)作用，不適用于調(diào)控CO2排放；在N2O排放方面，NPB的抑制效果最好；在CH4排放方面，各復(fù)配組合均增加了CH4排放量，不適用于調(diào)控CH4排放；從GWP來看，與CK相比，BCNP、NPB處理的GWP均有所降低，其中NPB處理抑制N2O排放的效果最佳且對(duì)CO2排放量的增加相對(duì)較少，故本研究中最合適的外源物質(zhì)復(fù)配組合為NPB。三元復(fù)配組合在增加CO2、CH4排放的同時(shí)減少了N2O排放，導(dǎo)致其GWP低于CK，并未起到抑制效果的疊加作用。根據(jù)本研究的結(jié)果，在生產(chǎn)實(shí)踐中不建議將生物炭與硝化/脲酶抑制劑復(fù)配施用。今后仍需進(jìn)一步研究相關(guān)復(fù)配組合引起溫室氣體排放增加的原因，并擴(kuò)大待試外源物質(zhì)的種類，篩選出更多適用的外源物質(zhì)復(fù)配組合。

4 結(jié)論

（2）本試驗(yàn)中，3種外源物質(zhì)均可影響溫室氣體排放，硝化抑制劑+脲酶抑制劑處理抑制土壤溫室氣體排放效果最佳，但生物炭與硝化/脲酶抑制劑聯(lián)合施用未體現(xiàn)出協(xié)同抑制作用。