羅獻(xiàn)寶 周常茂 李清 許穎峰 奉小明

摘要：【目的】探究冬季利用園地消納沼液對赤紅壤溫室氣體排放的影響及排放通量與土壤溫、濕度的關(guān)系，為冬季園地適宜的沼液施用管理提供參考?！痉椒ā坎捎猛林囵B(yǎng)方式，分別以每隔6（S6）、12（S12）和18 d（S18）的頻率澆灌沼液，連續(xù)72 d觀測土壤溫室氣體的排放通量，研究沼液施用的影響效應(yīng)；此外，通過5 d的短期培養(yǎng)試驗(yàn)，研究沼液和葡萄糖配合施用對土柱土壤溫室氣體排放的影響效應(yīng)?！窘Y(jié)果】與純水處理相比較，S6處理的土壤CH4、CO2和N2O累積排放通量均顯著增加（P<0.05）；雖然S12和S18處理的累積排放量均高于純水處理，但是處理間無顯著差異（P>0.05）；在沼液中添加葡萄糖，施用后土壤的CH4、CO2和N2O排放通量分別是純沼液處理的1.8、25.0和3.9倍；回歸擬合顯示，S6處理的N2O排放通量與土壤溫度和濕度均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系?！窘Y(jié)論】冬季在園地土壤施用沼液的間隔期應(yīng)大于6 d，且應(yīng)避免與新鮮的有機(jī)質(zhì)同時(shí)施用，以減少沼液對土壤溫室氣體排放的增強(qiáng)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 沼液；溫室氣體（GHG）；甲烷（CH4）；二氧化碳（CO2）；一氧化二氮（N2O）；葡萄糖

中圖分類號： S19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）07-1311-07

0 引言

【研究意義】大氣中溫室氣體（GHG）濃度的持續(xù)升高已引發(fā)廣泛和持續(xù)關(guān)注。農(nóng)田土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中儲量巨大的碳庫和氮庫，其中有機(jī)碳的礦化和厭氧分解、氮素的硝化和反硝化作用等過程均影響土壤與大氣之間的GHG交換通量。因此，農(nóng)田土壤碳氮管理對環(huán)境的影響不可忽視。我國是世界最大的畜禽生產(chǎn)國之一，養(yǎng)殖場處理糞污的途徑主要是通過厭氧發(fā)酵處理，目前全國擁有122×108 m3沼氣池，每年產(chǎn)生3.85×108 t沼液（Huang et al.， 2014）。農(nóng)田施用沼液可增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳，而碳氮輸入過高則可能引發(fā)負(fù)面影響，例如增加土壤GHG排放等。因此，科學(xué)地評估沼液施用的環(huán)境效應(yīng)，對指導(dǎo)沼液在農(nóng)田土壤利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前已有較多研究報(bào)道沼液在農(nóng)田土壤上的應(yīng)用（孫國峰等， 2012； 廖青等， 2013； 魏世清等， 2013），大多研究認(rèn)為施用沼液導(dǎo)致農(nóng)田土壤GHG排放增加。例如，Terhoeven-Urselmans等（2009）研究表明，施用沼液增加了大麥土壤的CO2排放；Odlare等（2012）通過土柱培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)施用沼液大幅度地增加土壤N2O的排放；靳紅梅等（2013）以蔬菜地為研究對象，得出沼液施用導(dǎo)致N2O排放增加的結(jié)論；Win等（2014）報(bào)道在稻田條件下，沼液施用顯著增加了CH4的排放量。盡管如此，也有少量的研究認(rèn)為施用沼液并不會(huì)增加土壤GHG的排放（沈仕洲等， 2015； Severin et al.， 2015； 王小非等， 2017）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在已有研究中，土壤施用沼液的環(huán)境效應(yīng)多側(cè)重于作物生長季節(jié)的影響，鮮見有關(guān)冬季影響效應(yīng)的研究報(bào)道。雖然冬季土壤微生物和植物根系的活動(dòng)較弱，但冬季養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的沼液仍需通過土壤消納，目前在這方面的研究還極少。本研究重點(diǎn)關(guān)注于冬季（作物非生長季節(jié)）沼液施用對園地土壤GHG排放的影響，有助于全面認(rèn)識沼液施用的環(huán)境效應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過土柱培養(yǎng)方式模擬田間常規(guī)沼液澆灌用量，即每次澆灌至田間持水量飽和狀態(tài)，研究不同沼液施用頻率對土壤GHG排放的影響效應(yīng)，為明確冬季園地適宜的沼液施用管理提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自廣西南寧市雙定鎮(zhèn)中和村（北緯22o 59'， 東經(jīng)108o 6'），其地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1290 mm，年平均氣溫21.4 ℃，區(qū)域內(nèi)主要種植香蕉。2015年6月在選定的蕉園內(nèi)采集表層0～30 cm土壤，置于室內(nèi)風(fēng)干，撿出石礫和殘余根系，通過孔徑為2.0 mm的尼龍篩，混合均勻待用。供試土壤為河流沖積母質(zhì)發(fā)育的赤紅壤，pH 4.61，有機(jī)質(zhì)15.2 g/kg，有效氮129 mg/kg，速效磷23.6 mg/kg，速效鉀87.4 mg/kg，土壤飽和持水量36.8%（干土基）。

供試沼液由土壤采樣點(diǎn)附近的養(yǎng)豬場提供。豬舍排出的糞污經(jīng)過多個(gè)相互銜接的厭氧發(fā)酵池，最終產(chǎn)物經(jīng)過固液分離設(shè)備，沼液部分送至實(shí)驗(yàn)室，置于4 ℃條件下貯藏備用，施用前于室溫環(huán)境下平衡溫度。沼液pH 7.43，有機(jī)質(zhì)0.21%，總氮0.25 g/100 mL，P2O5 0.01%，K2O 0.05%。在每次澆灌前，先將沼液通過孔徑為1 mm的尼龍篩網(wǎng)，去除其中較大的固體顆粒（Chiumenti et al.， 2013）。

1. 2 土柱培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用土柱模擬培養(yǎng)的方式，在聚丙烯密封盒中填裝待培養(yǎng)的風(fēng)干土壤。密封盒的尺寸（長×寬×高）為11×8×28 cm，土柱高度為20 cm，密封盒中填裝風(fēng)干土壤的質(zhì)量為1.85 kg。試驗(yàn)期間，土柱被置于室外環(huán)境，頂部遮雨材料為高透光大棚塑料膜。試驗(yàn)開始前，用純水灌溉土柱至水分飽和，以此完成1周的土壤預(yù)培養(yǎng)。土柱培養(yǎng)試驗(yàn)包括試驗(yàn)I和試驗(yàn)II（表1）。試驗(yàn)I的主效應(yīng)是不同的沼液施用頻率，設(shè)3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)；沼液和純水通過滴灌頭施入，滴灌處理時(shí)長約2 h，以土柱達(dá)到飽和田間持水量為終點(diǎn)，試驗(yàn)I的總時(shí)長為72 d。糞污經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理，沼液中的有機(jī)碳和氮多被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，在土壤中可被微生物轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳和氮數(shù)量有限。因此，本研究設(shè)計(jì)了葡萄糖添加試驗(yàn)（試驗(yàn)II），檢驗(yàn)在補(bǔ)充易分解態(tài)有機(jī)碳的條件下沼液對土壤GHG排放的影響效應(yīng)。試驗(yàn)II的土柱培養(yǎng)方法與試驗(yàn)I相同，其中，純水和沼液的滴灌量都是400 mL（相當(dāng)于土壤孔隙水含量的50%），葡萄糖的處理方式是將其溶解后與沼液共同施用，設(shè)置兩個(gè)添加劑量，分別是20 g（即5%，w/v，處理WG和SG）和10 g（處理SG/2），試驗(yàn)II的總時(shí)長為5 d。

土柱培養(yǎng)期間，定期采集氣體樣品以計(jì)算土壤GHG的排放通量。采樣時(shí)，首先扣上密封盒蓋，然后通過密封蓋上聯(lián)通內(nèi)部頂空的PVC管，抽取30 mL氣體樣品至一次性注射器中，每個(gè)處理分別采集3個(gè)氣體樣品，時(shí)間間隔為10 min。樣品采集完畢后，卸下密封盒蓋并保持通風(fēng)狀態(tài)。采集氣體樣品的時(shí)間間隔分別是每隔1 d（試驗(yàn)I）和12 h（試驗(yàn)II）。

1. 3 檢測項(xiàng)目

采用土壤溫/濕度復(fù)合傳感器（大連哲勤MS10，中國）對土壤溫度和水含量進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測。溫度傳感器為鉑電阻電極，水分傳感器為頻域反射儀（FDR）。土柱中傳感器的埋置深度為5 cm，數(shù)據(jù)采集器及軟件均由大連哲勤科技有限公司提供，采樣頻率是每分鐘30次。氣體樣品在采集后的24 h內(nèi)分析完畢，用氣相色譜儀（安杰倫7890A，美國）分析氣體樣品中CH4、CO2和N2O濃度，色譜分析的標(biāo)準(zhǔn)氣體由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。土壤GHG排放瞬時(shí)凈通量的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)表示被測GHG排放的瞬時(shí)凈通量[mg/（kg·h）或ng/（kg·h）]；Ti表示采氣體樣品時(shí)的環(huán)境溫度；dc/dt表示樣品中溫室氣體濃度隨時(shí)間的變化速率；Mr表示被測溫室氣體的相對分子量；Vbox表示土柱培養(yǎng)密封盒的頂空體積（L）；Wsoil表示培養(yǎng)土壤的干土質(zhì)量（kg）。

1. 4 統(tǒng)計(jì)分析

土壤溫室氣體排放量的計(jì)算方法是瞬時(shí)凈通量乘以相應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)觀測步長，累積排放量由排放量的累加計(jì)算得出。在兩次氣體樣品采集的間隔時(shí)期，土壤瞬時(shí)凈通量采用線性插值法估算。使用Origin 9.0完成通量插值及變量間的非線性擬合，并繪制圖形；處理間顯著性差異采用方差分析法進(jìn)行檢驗(yàn)；處理間的多重比較采用新復(fù)極差法（Duncans）。

2 結(jié)果與分析

2. 1 土壤環(huán)境條件的變化情況

在土柱培養(yǎng)試驗(yàn)期間，土壤和環(huán)境的平均溫度呈同步變化趨勢（圖1-b），兩者的平均溫差為0.2 ℃，最大溫差0.8 ℃。根據(jù)總體變化特征，土壤與環(huán)境的溫度變化可分為前期（1～36 d）和后期（37～72 d）兩個(gè)階段，前期溫度高且波動(dòng)小，平均溫度為24.4 ℃，變異系數(shù)14%，后期溫度相對低且波動(dòng)較大，平均溫度為18.2 ℃，變異系數(shù)28%。

圖1-c為日平均土壤體積水含量（VWC，%）的變化過程。在每次滴灌沼液或純水后，土壤VWC迅速上升（圖1-a和圖1-c）?？傮w上，沼液處理土壤VWC的平均值（19.2%）極顯著高于純水處理（11.7%）（F=383.4>F0.01=6.69，df1=1，df2=430）。可見，施加沼液可明顯提高土壤持水能力。在不同的滴灌處理間，土壤VWC排序分別為S6>S12>S18和W6>W12>W18。此外，以平均值比較，試驗(yàn)前期各處理的土壤VWC均低于后期，其中S6、S12和S18處理前期的土壤VWC分別為20.2%、14.2%和14.1%，而后期相應(yīng)處理的土壤VWC分別為23.9%、21.6%和20.4%。

2. 2 施用沼液對土壤GHG排放的影響

2. 2. 1 施用沼液對土壤CH4凈排放通量的影響 沼液處理中土壤CH4排放的瞬時(shí)凈通量高于純水處理，且排放通量的峰值均出現(xiàn)在沼液處理的次日，過后迅速回落至與對照相當(dāng)水平（圖2-a）。在72 d的培養(yǎng)期間，沼液處理的CH4瞬時(shí)凈通量分別為0.259（S6）、0.076（S12）和0.189（S18） mg/（kg·h），而純水處理分別為-0.002（W6）、-0.007（W12）和0.002（W18）mg/（kg·h）。以累積排放量表示土壤CH4的排放過程（圖2-e），沼液處理CH4累積排放量的排序?yàn)镾6（373.0 mg/kg）>S18（258.0 mg/kg）>S12（96.3 mg/kg），其中，沼液處理S6與純水處理間差異達(dá)顯著水平（P<0.05，下同）（表2）。因此，總體上施用沼液處理的土壤表現(xiàn)為大氣CH4的排放源，而純水處理的土壤則是CH4的弱匯。

2. 2. 2 施用沼液對土壤CO2凈排放通量的影響 如圖2-c和圖2-f所示，不同施用間隔期的處理之間，土壤CO2排放量的差異很小。在施加沼液后，雖然個(gè)別處理出現(xiàn)了排放高峰，但次數(shù)和強(qiáng)度均相對有限。各處理的土壤CO2瞬時(shí)排放通量的平均值分別為118.0（S6）、53.3（S12）、59.1（S18）、63.4（W6）、39.9（W12）和33.9（W18）μg/（kg·h）。在后期，S6處理出現(xiàn)兩次較大強(qiáng)度的排放通量（圖2-c），導(dǎo)致該處理的CO2總排放量迅速上升（圖2-f）。方差分析結(jié)果顯示，雖然S6處理的土壤CO2累積排放量（202.0 mg/kg）明顯高于其他處理，但其與各處理間的差異并未達(dá)顯著水平（P>0.05，下同）（表2）。因此，沼液施用對供試土壤CO2的排放量未產(chǎn)生顯著影響。

2. 2. 3 施用沼液對土壤N2O凈排放通量的影響 受沼液施用的影響，土壤N2O瞬時(shí)排放凈通量均不同程度地高于純水滴灌處理，其中S6處理的排放通量最大（圖2-d），從第19 d開始，S6處理的N2O瞬時(shí)排放凈通量一直高于其他處理。在整個(gè)觀測期間，各處理的土壤N2O瞬時(shí)排放通量的平均值分別為19.70（S6）、5.10（S12）、3.40（S18）、0.29（W6）、0.40（W12）和0.05（W18）ng/（kg·h）。以土壤的累積N2O排放通量計(jì)算，S6處理的總排放量顯著高于其他處理（表2），而S12和S18處理與W6、W12和W18處理間差異不顯著。因此，沼液施用的間隔期12 d及以上對土壤的N2O排放量無顯著影響。

方差分析進(jìn)一步表明，培養(yǎng)前期（1～36 d）與后期（37～72 d）土壤溫室氣體的累積排放量之間無顯著差異。

2. 3 葡萄糖添加對土壤GHG排放的影響

如圖3-a所示，在施加沼液后12 h，SG處理的CH4排放通量大約是S處理的2倍，兩者CH4排放通量的平均值分別為131.0和77.0 μg/（kg·h）。不僅如此，WG處理的CH4排放通量也高于W處理，兩者的平均值分別為15.0和3.7 μg/（kg·h）。受葡萄糖添加的影響，土壤CH4排放的激發(fā)效應(yīng)持續(xù)到36 h，過后逐漸回復(fù)到對照的水平。

與CH4排放相比較，葡萄糖添加影響土壤CO2排放的時(shí)間響應(yīng)方式不同。如圖3-b所示，WG和SG處理在第60 h出現(xiàn)明顯的排放高峰。在最高排放峰處，沼液處理CO2排放通量的平均值分別為23.50（SG）和0.03（S）μg/（kg·h）；而WG處理與純水處理的CO2排放通量的平均值分別為7.50（WG）和0.10（W）μg/（kg·h）。沼液（S）和純水（W）處理與對照的CO2排放通量間無明顯差異（圖3-b），增強(qiáng)的CO2排放通量只出現(xiàn)在添加了葡萄糖的處理SG和WG。

添加葡萄糖的沼液明顯地刺激了土壤N2O的排放。在圖3-c中，沼液處理S、SG和SG/2的N2O排放通量在第12 h明顯高于對照。在第24 h，S處理的N2O排放通量開始下降，而此時(shí)SG和SG/2處理的N2O排放通量繼續(xù)升高至最高值，兩者的瞬時(shí)排放通量均為138.0 ng/（kg·h）[S處理為30.5 ng/（kg·h）]，然后再緩慢回落。在72 h前，SG和SG/2處理的排放通量始終高于其他處理。圖3-c還顯示，WG處理也出現(xiàn)了N2O排放通量升高的現(xiàn)象，但強(qiáng)度明顯低于SG處理。

3 討論

3. 1 赤紅壤CH4排放對沼液施用的響應(yīng)

本研究表明，土壤施用沼液后CH4的累積排放量均不同程度高于純水處理，其中S6處理與其他處理的差異達(dá)顯著水平，說明沼液澆灌增加了土壤CH4的排放量。前人研究表明，沼液施用可不同程度地增加冬小麥（孫國峰等，2012）和水稻（Win et al.， 2014）田土壤的CH4排放；盡管如此，Severin等（2015）在連續(xù)37 d的土柱培養(yǎng)試驗(yàn)中，卻未發(fā)現(xiàn)沼液增加土壤CH4排放，其區(qū)別可能是由于后者應(yīng)用了低黏性的土壤。土壤CH4排放高峰全部出現(xiàn)在沼液施用的次日，隨后CH4瞬時(shí)排放通量迅速回復(fù)到正常水平，其主要原因是施用沼液后土壤水含量上升至飽和[土壤持水量（WHC）=100%]的結(jié)果。由于沼液經(jīng)充分的厭氧發(fā)酵處理，其中易分解的活性有機(jī)碳所占的比例很小，因此有機(jī)碳底物的輸入可能不是引發(fā)CH4排放峰的關(guān)鍵原因，而添加葡萄糖試驗(yàn)的結(jié)果可支持這一觀點(diǎn)，即沼液添加高生物有效性葡萄糖可強(qiáng)烈刺激土壤的CH4排放。不僅如此，根據(jù)土壤CH4排放通量與土壤VWC的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤VWC高于25%時(shí)，兩者呈顯著的指數(shù)性關(guān)系，可能是供試土壤達(dá)到充分厭氧條件的水分臨界點(diǎn)（圖4）。

3. 2 赤紅壤CO2排放對沼液施用的響應(yīng)

沼液含有豐富的養(yǎng)分和有機(jī)碳，施用后短期內(nèi)可以激發(fā)土壤CO2排放通量升高，但在72 d內(nèi)，沼液施用對土壤CO2的累積排放量并無顯著影響。在本研究中，土壤CO2累積排放量最高的處理是S6（202.0 mg/kg），接近于W6處理（103.0 mg/kg）的2倍。盡管如此，兩者的總體差異并不顯著（表2）。在有關(guān)沼液的相似研究中，已有研究表明施用沼液對土柱或田間土壤的CO2排放量無顯著影響（S?nger et al.，2011；Severin et al.，2015；沈仕洲等，2015；王小非等，2017）。雖然有研究認(rèn)為，施用沼液可能增加春小麥土壤的CO2排放（Terhoeven-Urselmans et al.， 2009），但該結(jié)果僅出現(xiàn)于夏季，較高的土壤溫度可能增強(qiáng)了土壤微生物的分解活性。在本研究中，雖然沼液添加葡萄糖的處理增加了土壤CO2排放通量，但是延遲至48 h后才出現(xiàn)CO2排放高峰。本研究結(jié)果表明，在冬季低溫條件下微生物對易分解有機(jī)碳的響應(yīng)相對緩慢。因此，沼液中高度腐殖化的有機(jī)碳難以刺激并且維持微生物較高的分解活性，而土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化過程主要受溫度的影響（Terhoeven-Urselmans et al.， 2009）。

3. 3 赤紅壤N2O排放對沼液施用的響應(yīng)

本研究表明，沼液施用導(dǎo)致土壤N2O排放增加，每隔6 d澆灌沼液可顯著增強(qiáng)土壤N2O排放量，其累積排放量可達(dá)33.5 mg/kg，而未施加沼液的對照均小于1.0 mg/kg。由于沼液的氮素含量較高，為土壤微生物利用與轉(zhuǎn)化氮素提供較充足的底物，促進(jìn)了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過程，因此，中間產(chǎn)物N2O的排放量顯著增加，例如，本研究中S6處理的氮素輸入量最大，其土壤N2O排放的累積通量顯著高于其他處理（表2）。此結(jié)果與其他研究結(jié)論具有一致性，包括在潮土（彭永紅等，2012）、蔬菜地（靳紅梅等，2013）及稻麥輪作系統(tǒng)（黃紅英等，2011）等施用沼液的相關(guān)研究；此外，Odlare等（2012）開展的土柱試驗(yàn)研究也認(rèn)為施用沼液增加了土壤N2O的排放通量。在土壤高含水量的條件下，微生物產(chǎn)生N2O的過程以反硝化作用為主，其本質(zhì)是在缺氧條件下微生物以NO3-作為電子受體分解土壤有機(jī)碳的過程（Abubaker et al.， 2015）。因此，沼液添加葡萄糖的施用試驗(yàn)中，易分解的有機(jī)碳強(qiáng)烈刺激了土壤N2O的排放通量（圖3-c）。

除了有機(jī)碳和氮素，土壤溫、濕度條件是影響N2O排放的重要因素。如Li等（2015）的研究均顯示土壤N2O通量與土壤溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，本研究結(jié)論與此相似。在培養(yǎng)試驗(yàn)后期（37～72 d），當(dāng)?shù)蜏爻蔀殛P(guān)鍵的限制性條件時(shí)，沼液處理的土壤N2O排放通量均與土壤溫度緊密相關(guān)。對于沼液施用頻率較高的S6處理，若以指數(shù)增長模型[y=y0+aeb（x-x0）]描述土壤溫度與土壤N2O排放通量（圖5-a）的關(guān)系，擬合方程參數(shù)進(jìn)一步顯示，該處理的背景排放通量為9.59（y0）；而x0=22.3 ℃（圖5豎虛線）說明當(dāng)土壤溫度高于22 ℃，N2O排放通量呈指數(shù)式增加，意味著冬季可能出現(xiàn)的晴暖天氣，沼液施用將大幅提升土壤N2O排放通量。此外，土壤N2O排放通量與土壤VWC也符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系（圖4-b），當(dāng)土壤VWC高于20%（圖4-b虛線），土壤N2O排放通量迅速攀升，而該情況多出現(xiàn)于S6處理（圖1-c）。

4 結(jié)論

通過土柱培養(yǎng)試驗(yàn)，在冬季以園地赤紅壤消納養(yǎng)殖場沼液，每次澆灌量達(dá)到田間持水量的飽和狀態(tài)，時(shí)間間隔應(yīng)至少控制在6 d以上，否則沼液施用將會(huì)導(dǎo)致土壤溫室氣體（主要是CH4和N2O）排放顯著增加。不僅如此，在園地施用沼液時(shí)，應(yīng)盡量避免沼液和新鮮有機(jī)殘?bào)w（如清園修剪等管理措施）同時(shí)進(jìn)入土壤，后者所帶有的易分解性有機(jī)碳將強(qiáng)烈刺激土壤溫室氣體的排放。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）