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        不同水分含量下黑土氧化亞氮排放差異

        2021-10-31 01:37:16王蕾董彥宏王連峰
        關(guān)鍵詞:土壤水分硝化通量

        王蕾,董彥宏,王連峰

        (大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

        東北黑土地區(qū)是我國(guó)重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)之一.由于掠奪性利用,導(dǎo)致黑土嚴(yán)重退化、氮肥流失和N2O等溫室氣體排放問(wèn)題嚴(yán)重.近年來(lái),大氣中溫室氣體排放所帶來(lái)的問(wèn)題嚴(yán)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(lái)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(huì)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(zhuǎn)化以及N2O的產(chǎn)排[1-2].

        土壤水分對(duì)土壤N2O產(chǎn)排和硝化反硝化微生物種群性狀變化的影響備受關(guān)注[3].有研究表明,當(dāng)土壤水分含量為60%~80% WHC時(shí),N2O排放量最大;也有研究指出N2O排放量在80% WHC的無(wú)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(chǎn)生N2O.一般認(rèn)為,N2O在低水分含量條件下,主要是通過(guò)硝化作用產(chǎn)生;而在高水分含量條件下,則是通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生[6].當(dāng)環(huán)境條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí),土壤中氮素相對(duì)穩(wěn)定,N2O排放量相對(duì)較少;當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),土壤中氮素形態(tài)的變化會(huì)促進(jìn)N2O的產(chǎn)生和排放.土壤理化性質(zhì)變化的強(qiáng)度和頻率可能對(duì)N2O的產(chǎn)排產(chǎn)生重大影響.因此,有必要對(duì)環(huán)境條件變化對(duì)N2O產(chǎn)排的影響給予更多的關(guān)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(fēng)氣候的哈爾濱黑土生態(tài)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)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(rùn),含有較多植物根系等腐殖質(zhì).置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)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(guò)2 mm篩備用.供試土樣基本性質(zhì)如下:pH值為7.22,有機(jī)質(zhì)為26.70 g/kg,銨態(tài)氮為1.12 mg/kg,硝態(tài)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(shí)驗(yàn)處理

        采用120 mL血清瓶進(jìn)行培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種水分模式,40% WHC(T1)和80% WHC(T2),于25℃下培養(yǎng)四周,每種處理設(shè)置3組重復(fù)樣,分別在第一、二、三、四周結(jié)束時(shí)進(jìn)行破壞性取樣,并測(cè)定相應(yīng)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示.

        圖1 不同水分培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        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(wú)菌水使水分含量達(dá)到20% WHC,置于生化培養(yǎng)箱預(yù)培養(yǎng)一周(恒溫25℃);培養(yǎng)開(kāi)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(diào)節(jié)至40% WHC和80% WHC,加橡膠塞、鋁箔、封口膜密封,防止瓶?jī)?nèi)外氣體交換,放入培養(yǎng)箱培養(yǎng),記為培養(yǎng)點(diǎn).

        預(yù)培養(yǎng)樣品3瓶,預(yù)培養(yǎng)一周結(jié)束后對(duì)其進(jìn)行破壞性取樣,土壤加1 mol/L KCL溶液浸提,用于測(cè)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(gè)培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí),對(duì)兩種處理各提取3瓶進(jìn)行破壞性取樣,重復(fù)預(yù)培養(yǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)步驟;其余樣品保持恒定40% WHC與恒定80% WHC水分條件.每個(gè)周期連續(xù)監(jiān)測(cè)5天排放的N2O、CO2通量.

        1.3 NH4+-N、NO3--N測(cè)定方法

        土壤中NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定:取2 mL浸提液于50 mL比色管中,加入去離子水至標(biāo)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(zhǎng)為420 nm處,測(cè)量其吸光度.

        土壤中NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定:取2 mL浸提液于50 mL比色管中,加入去離子水至標(biāo)線搖勻,在波長(zhǎng)為220 nm和275 nm處測(cè)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(cè)定方法

        采用氣相色譜GC-7890B,進(jìn)行N2O和CO2的檢測(cè),配有檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器ECD和火焰離子檢測(cè)器FID,檢測(cè)器溫度為300℃和250℃,柱溫為60℃,載氣為高純氮?dú)?,流速?5mL/min,燃?xì)鉃闅錃?、亞甲烷和零?jí)空氣.取一支規(guī)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?jī)?nèi),上下抽吸三次,得到一個(gè)均勻混合的樣品,采集5 mL氣樣插進(jìn)氣相色譜進(jìn)樣口,緩緩注入.每次取樣結(jié)束后,用抽真空泵將瓶?jī)?nèi)氣體排凈,打開(kāi)瓶塞使瓶?jī)?nèi)氣體為空氣.

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        N2O(CO2)排放通量計(jì)算詳細(xì)描述見(jiàn)文獻(xiàn)[7],采用統(tǒng)計(jì)分析作圖軟件為:Microsoft Office 2013、Origin9.0.

        2 結(jié)果

        2.1 不同水分對(duì)NH4+-N、NO3--N含量的影響

        圖2 兩種水分條件對(duì)NH4+-N和NO3--N含量的影響

        2.2 不同水分對(duì)N2O、CO2排放通量的影響

        T1條件下的土壤,在培養(yǎng)的四周內(nèi)幾乎不產(chǎn)生N2O(圖3);而在T2條件下,第一周大量排放N2O并持續(xù)上升,在第四天出現(xiàn)峰值,第二周排放量持續(xù)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(duì)N2O、CO2排放通量的影響

        T1條件下,培養(yǎng)的第一周CO2排放通量少量的增加后減少,第一周結(jié)束時(shí)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(lái)兩周穩(wěn)定在0.2 mg·kg-1·h-1;T2條件下,培養(yǎng)的第二天CO2的排放通量突然增加并達(dá)到峰值,接著開(kāi)始下降,直到培養(yǎng)的第二周趨于平穩(wěn),后兩周的排放量幾乎穩(wěn)定在0.3~0.4 mg·kg-1·h-1之間.在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中除第3天外,均為T2大于T1.

        2.3 不同水分對(duì)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(nèi)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(chǎn)生,T1水分條件下產(chǎn)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(duì)N2O、CO2累積排放量的影響

        3 討論

        3.1 不同水分對(duì)NH4+-N、NO3--N含量的影響

        3.2 不同水分對(duì)N2O、CO2排放通量的影響

        影響土壤N2O產(chǎn)排的主因之一是土壤水分含量,因?yàn)槠溆绊懲寥乐械耐馇闆r,進(jìn)而影響土壤硝化、反硝化微生物的種類及基因豐度來(lái)影響土壤N2O產(chǎn)排.一般在好氧條件下,硝化作用是N2O形成的主導(dǎo)過(guò)程,而厭氧條件下,反硝化作用是N2O形成的主導(dǎo)過(guò)程.土壤濕度增加時(shí),硝化產(chǎn)生N2O可能增加,隨水分增加到一定程度時(shí),N2O則是通過(guò)反硝化產(chǎn)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(duì)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(chǎn)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(guò)程中N2排放量增加[16].

        整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中,低水分條件下幾乎未檢測(cè)到N2O排放,硝化作用條件下,產(chǎn)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?yàn)橥寥牢⑸锘钚越档?,也可能因?yàn)樵诟咚趾繒r(shí),較強(qiáng)的反硝化作用,使土壤中產(chǎn)生的N2O進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成N2;雖然硝化、反硝化反應(yīng)同樣可產(chǎn)生N2O,但高水分含量時(shí)的反硝化能大量產(chǎn)生N2O.兩種水分模式下CO2均在培養(yǎng)的前兩周排放量先增后減,并在后面兩周穩(wěn)定排放,但高水分時(shí)排放的CO2稍高于低水分時(shí),在培養(yǎng)初期土壤中供微生物生長(zhǎng)底物充分,使土壤微生物活性增強(qiáng)發(fā)生劇烈的呼吸作用,且在高水分含量時(shí)硝化、反硝化微生物的呼吸強(qiáng)度高于低水分含量時(shí).在每周培養(yǎng)的開(kāi)始,排放CO2含量小幅增加,是因?yàn)榕囵B(yǎng)開(kāi)始會(huì)對(duì)土壤水分進(jìn)行補(bǔ)充,有研究指出土壤水分含量增加會(huì)增加土壤微生物活性,歐陽(yáng)楊等[17]的實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究多種干濕交替方式發(fā)現(xiàn),干濕交替條件更能促進(jìn)土壤中CO2和N2O產(chǎn)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(kāi)始消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),土壤微生物活性降低,呼吸作用相對(duì)減弱;研究指出土壤干燥會(huì)降低氮的礦化率,可能由于影響底物擴(kuò)散或土壤干燥的限制,低土壤濕度減少底物對(duì)土壤微生物的供應(yīng),引起部分微生物死亡[18].40% WHC時(shí)CO2排放量明顯低于土壤水分值較高的情況,說(shuō)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(lái)的危害.

        3.3 不同水分對(duì)N2O、CO2累積排放量的影響

        N2O四周內(nèi)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(shuō)明水分含量對(duì)N2O產(chǎn)排產(chǎn)生劇烈影響,在低水分的硝化反應(yīng)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生N2O,而在高水分含量下,同時(shí)發(fā)生了強(qiáng)烈的硝化、反硝化反應(yīng),在該過(guò)程中所產(chǎn)生的N2O主要是由反硝化微生物產(chǎn)生的;而CO2在兩種水分條件下均大量產(chǎn)生,在兩種水分含量下微生物呼吸作用都很強(qiáng),活性均很高,但低水分含量條件下主要發(fā)生的是硝化作用,高水分含量下發(fā)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(qiáng),此時(shí)微生物生長(zhǎng)繁殖的活性更強(qiáng).

        4 結(jié)論

        (1)在低水分含量條件下,硝化反應(yīng)占主導(dǎo)地位,通過(guò)硝化反應(yīng)所產(chǎn)生的N2O含量相對(duì)較少,微生物呼吸作用較強(qiáng);

        (2)在高水分含量條件下,土壤同時(shí)發(fā)生了硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng),反硝化作用產(chǎn)生大量的N2O,N2O排放通量降低是因?yàn)榘l(fā)生了強(qiáng)烈的完全反硝化反應(yīng),使產(chǎn)生的N2O進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成了N2,并且微生物呼吸作用強(qiáng)于低水分含量條件;

        (3)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)控制土壤水分含量,減少土壤向大氣排放N2O、CO2等溫室氣體.

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