趙 穎 ，張金波 ，2，3，4，蔡祖聰 ，2，3，4*

（1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2.虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)），南京 210023；3.江蘇省地理環(huán)境演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，南京 210023；4.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023）

氧化亞氮（N2O）是一種重要的溫室氣體，百年尺度上的全球增溫勢(shì)是CO2的298倍[1]，也可對(duì)平流層臭氧產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用[2]。從工業(yè)革命前至2012年，大氣中N2O濃度增加了約20%，達(dá)到了325μL·m-3[3]。因而，N2O的排放及其環(huán)境影響備受各界關(guān)注。土壤、沉積物和水體是N2O的主要自然排放源。土壤產(chǎn)生的N2O占自然來源的60%以及總產(chǎn)生量的37%左右[4]，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)則貢獻(xiàn)了全球人為排放N2O的60%[1，5]。人為活動(dòng)引起的N2O排放增加主要由氮的輸入增加引起。肥料的施用量、施肥方式以及農(nóng)業(yè)調(diào)控措施對(duì)農(nóng)田土壤N2O的排放具有重要的影響[6-7]。常用的農(nóng)田土壤調(diào)控管理措施對(duì)N2O的排放具有不同程度的影響。硝化抑制劑可直接減少硝化菌產(chǎn)生N2O，或間接降低反硝化底物NO-3的可利用性，從而減少N2O的排放[8]。施用礦質(zhì)氮肥的同時(shí)添加硝化抑制劑是一種有效的延緩農(nóng)田土壤硝化作用、減少N2O排放的方法[9]。秸稈還田作為一種農(nóng)田土壤調(diào)控措施，能夠維持土壤有機(jī)質(zhì)，減少土壤侵蝕[10]。然而，根據(jù)土壤的通氣狀況以及無機(jī)氮和易分解有機(jī)碳的供應(yīng)，添加秸稈可能會(huì)因改變硝化和反硝化過程而增加N2O的排放，從而導(dǎo)致土壤N損失的增加[11-13]，因此，秸稈還田固碳產(chǎn)生的氣候效應(yīng)有可能因N2O排放的增加而被抵消。此外，農(nóng)田土壤添加生物炭也成為近年出現(xiàn)的新型管理方式。生物炭中的碳非常穩(wěn)定，能夠長期固存于土壤中[14]，并且具有提高土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)的潛力[15-16]。生物炭對(duì)土壤N2O產(chǎn)生的影響的研究結(jié)果并不一致[17-24]。一方面，如果生物炭的添加導(dǎo)致N2O和CO2產(chǎn)生的增加，那么生物炭對(duì)土壤長期碳固存的正效益可能會(huì)受到一定程度的抵消；另一方面，如果生物炭并未增加N2O和CO2的產(chǎn)生，那么可以在增加碳儲(chǔ)存的同時(shí)降低溫室氣體排放而形成雙倍效益。然而，土壤調(diào)控措施對(duì)N2O排放的影響效果在不同土壤中存在差異。盡管目前的文獻(xiàn)對(duì)硝化抑制劑減少N2O排放的作用的報(bào)道較一致，但在不同土壤類型中的抑制效率差異較大[25-27]。很多研究表明，對(duì)不同類型的土壤進(jìn)行秸稈還田能夠增加農(nóng)田土壤N2O的排放，但同時(shí)也有研究得出秸稈還田能夠降低土壤N2O排放或沒有影響的結(jié)論[10，28]。生物炭也同樣如此，對(duì)N2O并不總是表現(xiàn)為減排效應(yīng)，也可導(dǎo)致一些土壤N2O排放的增加[18-19，21-22]。土壤類型和性質(zhì)不同，其自身的氮轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)也不同，這可能是影響土壤氮素調(diào)控措施作用效果的重要因素，但是目前尚缺少直接的研究證據(jù)。

我國幅員遼闊，自然條件復(fù)雜，農(nóng)業(yè)歷史悠久，土壤類型繁多。土壤類型的形成、分布與其所處的綜合自然環(huán)境密切相關(guān)。一般認(rèn)為，發(fā)育良好的地帶性土壤與其所處的自然環(huán)境相適應(yīng)，通常具有較強(qiáng)的土壤氮素保持能力。如亞熱帶濕潤地區(qū)，發(fā)育良好的土壤（如紅壤）呈酸性，硝化速率通常遠(yuǎn)低于礦化速率，無機(jī)氮以銨態(tài)氮為主，因而硝態(tài)氮淋溶和徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)較小，并且較低的pH環(huán)境下氨揮發(fā)也較低，土壤能夠有效地保持氮素[29]。相對(duì)于亞熱帶地區(qū)發(fā)育良好的地帶性土壤，由紫色砂巖頁巖發(fā)育而來的紫色土是亞熱帶地區(qū)的一種非地帶性土壤，廣泛分布于長江上游丘陵地區(qū)，是中國西南地區(qū)重要的旱作土壤之一[30]。紫色土硝化作用較強(qiáng)，土壤無機(jī)氮以硝態(tài)氮為主[31]，氮肥利用率低、損失嚴(yán)重，具有潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。紅壤和紫色土均為我國亞熱帶地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)土壤，其特點(diǎn)各不相同，N2O的排放量也存在明顯的差異，并且因氮肥施用而造成的N2O排放量也不盡相同。如果能夠根據(jù)亞熱帶地區(qū)不同類型土壤的氮轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝妥魑锏葘?shí)際條件，篩選出適合的農(nóng)業(yè)調(diào)控措施，對(duì)于最大程度地減少土壤N2O的排放具有重要的意義。目前我國關(guān)于農(nóng)田土壤N2O排放的研究仍主要集中在東北和華北地區(qū)，雖已有學(xué)者分別研究了紅壤和紫色土地區(qū)N2O的排放特征，但多數(shù)是針對(duì)氮肥品種和施肥方式的影響[6，7，32-35]，鮮有研究對(duì)比不同土壤添加物對(duì)這兩種典型亞熱帶農(nóng)田土壤N2O排放的影響。因此，本研究通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了短期添加硝化抑制劑、生物炭和秸稈三種土壤添加物對(duì)紅壤和紫色土農(nóng)田土壤施氮后N2O排放的影響，同時(shí)研究了長期添加秸稈，并在秸稈不同分解階段添加氮肥后N2O的排放情況，以期為根據(jù)土壤類型和性質(zhì)合理選擇氮素調(diào)控措施提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

為了能夠更好地理解硝化抑制劑、生物炭和秸稈對(duì)亞熱帶地帶性和非地帶性農(nóng)田土壤N2O排放的影響，本試驗(yàn)選擇了地帶性的酸性紅壤和非地帶性的石灰性紫色土作為供試土壤。紫色土采自中國科學(xué)院四川鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（SC），紅壤采自江西省鷹潭市龍虎山（JX）。四川地區(qū)是典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量1157 mm，年平均氣溫17.3℃。江西地區(qū)同屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量為1785 mm，年平均氣溫18.4℃。供試紫色土發(fā)育于紫砂巖，土壤分類為始成土，紅壤發(fā)育于第三紀(jì)紅砂巖，土壤分類為淋溶土[36]。土壤樣品均采自0~20 cm耕層。所有土壤樣品采集后，挑根、過2 mm篩并混勻，以降低土壤異質(zhì)性，在進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)前密封儲(chǔ)存于4℃。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

本研究設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)1主要研究各處理措施實(shí)施后短期（24 h）內(nèi)對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響；試驗(yàn)2主要研究不同秸稈添加較長時(shí)間后（3個(gè)月和6個(gè)月，即1個(gè)生長季）對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響。

試驗(yàn)1：每個(gè)土壤設(shè)置6個(gè)處理：①對(duì)照（CK），②添加苜蓿（NA），③添加水稻秸稈（NS），④添加甘蔗渣（NBa），⑤添加硝化抑制劑（NC），⑥添加水稻秸稈所制成的生物炭（NB）。硝化抑制劑為2-氯-6-三氯甲基吡啶，浙江奧復(fù)托化工有限公司生產(chǎn)，淡黃色乳油，含量24%。秸稈和生物炭粉碎后過0.3 mm篩。三種秸稈和生物炭的主要性質(zhì)見表2。稱取20 g（烘干重計(jì)）土壤于一系列250 mL三角瓶中，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，其中苜蓿、水稻秸稈、甘蔗渣和生物炭的物料加入量為0.2 g（相當(dāng)于1%土壤質(zhì)量），物料與土壤混合均勻，在25℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)12 h。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，每個(gè)三角瓶中均勻加入2 mL的NH4NO3溶液，添加量為60 mg N·kg-1。NC處理同時(shí)添加所施氮量2.5‰的三氯甲基吡啶。然后，用蒸餾水將土壤水分含量調(diào)節(jié)至田間最大持水量（WHC）的60%，繼續(xù)在25℃下培養(yǎng)24 h。分別于加氮后第0.5、6、12 h和24 h加入2 mol·L-1KCl溶液（液土比 5∶1）浸提土壤以測(cè)定無機(jī)氮濃度，并于第6、12 h和24 h進(jìn)行氣體的采集。

試驗(yàn)2：設(shè)置4個(gè)處理，即對(duì)照（CK）、添加苜蓿（NA）、添加水稻秸稈（NS）和添加甘蔗渣（NBa），物料的添加量與試驗(yàn)1相同，并設(shè)置添加物料后預(yù)培養(yǎng)3個(gè)月和6個(gè)月的兩組，期間定期補(bǔ)充蒸餾水以保持含水率為60%WHC。預(yù)培養(yǎng)時(shí)間達(dá)到3個(gè)月和6個(gè)月后，在每個(gè)三角瓶中均勻加入2 mL的NH4NO3溶液，添加量為60 mg N·kg-1，在25℃下培養(yǎng)24 h。分別于加氮后第 0.5、6、12 h 和 24 h 加入 2 mol·L-1KCl溶液（液土比5∶1）浸提土壤以測(cè)定無機(jī)氮濃度，并于第6、12 h和24 h進(jìn)行氣體的采集。

1.3 氣體的采集與測(cè)定

在添加NH4NO3溶液后的第6、12 h和24 h分別進(jìn)行氣體樣品的采集。進(jìn)行氣體樣品采集前，用硅膠塞密封三角瓶，接至固定裝置抽真空并重新充入新鮮空氣，反復(fù)三次。將置換好空氣的三角瓶在25℃下密封培養(yǎng)4 h，分別在密封培養(yǎng)開始（0 h）和結(jié)束（4 h）時(shí)，使用氣密性注射器各采集20 mL氣體，并測(cè)定其中N2O的濃度。每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的N2O排放通量即是密封4 h的N2O平均排放速率。

表2 秸稈及生物炭的基本性質(zhì)Table 2 Properties of crop residues and biochar made by rice straw

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table1 Propertiesof thestudied soils

氣體中N2O的濃度測(cè)定采用裝有63Ni電子捕獲檢測(cè)器（ECD）的Agilent 7890A氣相色譜儀測(cè)定（Agilent，美國）。色譜柱為80/100目的Porapak Q填充柱，柱溫和檢測(cè)器溫度分別為65℃和300℃。載氣為95%Ar+5%CH4，流速為 40 mL·min-1。

1.4 土壤采樣及測(cè)定

土壤無機(jī)氮含量的測(cè)定方法參見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[38]。土壤經(jīng)2 mol·L-1KCl提取后在25℃下以250 r·min-1轉(zhuǎn)速振蕩1 h。提取液經(jīng)濾紙過濾后，分別使用MgO和定氮合金對(duì)其進(jìn)行蒸餾以測(cè)定NH+4和NO-3的濃度。先取用一定比例的提取液加入MgO進(jìn)行蒸餾以測(cè)定NH+4濃度，隨后向蒸餾管中加入定氮合金繼續(xù)蒸餾以測(cè)定NO-3濃度。NH+4和NO-3的濃度均由H2SO4滴定確定。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

式中：F 為 N2O 排放通量，μg·kg-1·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下 N2O 密度，kg·m-3；ΔC 為兩次采樣間隔（0 h和 4 h）的氣體濃度差，μL·m-3；V為培養(yǎng)三角瓶的氣體有效體積，m3；T 為培養(yǎng)溫度，℃；Δt為培養(yǎng)時(shí)間，h，本研究為4 h；W為烘干土質(zhì)量，kg。N2O累積排放量為相鄰兩次測(cè)定的N2O排放通量的平均值與時(shí)間間隔乘積的累積值，μg·kg-1。

所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS19.0（IBMInc.，美國）軟件進(jìn)行。不同措施對(duì)土壤N2O排放的影響差異采用ANOVA和LSD法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 短期內(nèi)不同調(diào)控措施對(duì)N2O排放通量和累積排放量的影響

從圖1可以看出，JX土壤的N2O排放通量低于SC土壤。兩種土壤CK、NC和NB處理均在6 h時(shí)出現(xiàn)N2O排放峰值。NC處理兩種土壤的N2O排放通量均低于CK。NB處理兩種土壤N2O排放通量均高于CK。在JX土壤中添加三種不同秸稈后，只有NS處理的N2O排放通量高于CK，并且在6 h時(shí)排放通量出現(xiàn)峰值，而NA和NBa均低于CK且隨時(shí)間變化不明顯。對(duì)于SC土壤，三種秸稈處理后的N2O排放通量均高于CK處理，而NA處理中N2O排放通量隨時(shí)間延長而上升，NS處理的N2O排放通量在6 h出現(xiàn)峰值，并隨培養(yǎng)時(shí)間延長而下降，NBa處理下的N2O排放通量則變化不明顯。

加氮培養(yǎng)期間，JX 土壤 CK、NA、NS、NBa、NC 和NB 6個(gè)處理的N2O累積排放量分別為7.54、1.82、18.95、1.17、4.49 μg·kg-1和 10.70 μg·kg-1；而 SC 土壤6個(gè)處理中的累積排放量分別為24.00、72.15、69.30、31.12、9.21μg·kg-1和30.82μg·kg-1（圖2）。SC土壤各處理的N2O排放量均高于JX土壤。NC處理后兩種土壤的N2O累積排放量均顯著低于CK（P＜0.05），分別降低了40%（JX）和62%（SC）；而NB處理下，JX土壤的N2O累積排放量顯著升高（P＜0.05），SC土壤中則雖有升高，但差異不顯著（P＞0.05）。添加秸稈處理后，JX土壤NA和NBa處理下的N2O累積排放量均顯著低于 CK（P＜0.05），而 NS處理下則顯著升高（P＜0.05）。SC土壤NA和NS處理后N2O累積排放量顯著高于CK（P＜0.01），NBa處理下N2O累積排放量較CK 有所升高，但差異不顯著（P＞0.05，圖 2）。

2.2 添加不同種類的秸稈較長時(shí)間后土壤N2O的排放通量和累積排放量

圖1 短期施加不同土壤添加物后土壤N2O排放通量的變化Figure 1 N2Ofluxesduring theincubation of the studied soils with different soil additives application

兩種土壤添加秸稈并經(jīng)過3個(gè)月和6個(gè)月分解，加氮后各處理中N2O的排放通量均低于添加初期（圖3和圖4）。經(jīng)3個(gè)月預(yù)培養(yǎng)后，加氮培養(yǎng)期間，JX土壤的 N2O 排放通量為 NA＞NS＞CK＞NBa，CK 和 NBa的N2O排放通量在12 h時(shí)達(dá)到峰值，而NA和NS的峰值則出現(xiàn)在6 h（圖3）。然而在SC土壤中，CK、NA和NS處理下N2O排放通量隨時(shí)間延長而升高，NBa處理則在6 h出現(xiàn)峰值（圖3）。在預(yù)培養(yǎng)6個(gè)月后，JX土壤CK、NA和NBa處理N2O排放通量隨培養(yǎng)時(shí)間延長而降低，而NS處理下N2O排放通量在24 h時(shí)最大（圖4）。SC土壤中，4個(gè)處理下N2O排放通量均隨培養(yǎng)時(shí)間延長而升高（圖4）。

圖2 短期施加不同土壤添加物后土壤N2O的累積排放量Figure2 N2Ocumulative emissions from soilswith different soil additives application

圖3 添加秸稈3個(gè)月時(shí)加氮后土壤N2O排放量的變化Figure3N2O fluxes frim soils after sddition of nitrogen at 3 months after incorporation of crop residues

圖4 添加秸稈6個(gè)月時(shí)加氮后土壤N2O排放通量的變化Figure 4 N2Ofluxes from soils after addition of nitrogen at 6 monthsafter incorporation of crop residues

土壤添加秸稈并經(jīng)過3個(gè)月和6個(gè)月培養(yǎng)后，N2O累積排放量較添加初期有所下降（圖5和圖6）。添加秸稈并經(jīng)過3個(gè)月預(yù)培養(yǎng)后，加氮培養(yǎng)期間JX土壤NA和NS處理中N2O累積排放量分別為2.78 μg·kg-1和 2.27 μg·kg-1，均顯著高于 CK（1.57 μg·kg-1，P＜0.05），而 NBa處理下 N2O 累積排放量（1.15 μg·kg-1）與CK 并無顯著差異（P＞0.05，圖 5）。6個(gè)月預(yù)培養(yǎng)后，NA和NBa處理則顯著增加了JX土壤N2O的累積排放量（P＜0.05），分別為 2.85 μg·kg-1和 2.82 μg·kg-1，但NS 處理（2.17 μg·kg-1）與 CK（2.33 μg·kg-1）處理間差異不顯著（P＞0.05，圖6）。SC土壤在經(jīng)過3個(gè)月預(yù)培養(yǎng)后，NBa處理顯著降低了N2O累積排放量（P＜0.05），為 6.01 μg·kg-1，而 NA 和 NS 處理下的累積排放量分別為 11.69 μg·kg-1和 11.47 μg·kg-1，與CK（11.39 μg·kg-1）處理間無顯著差異（P＞0.05，圖 5）；但6個(gè)月后，SC土壤CK處理的N2O累積排放量為9.55μg·kg-1，NA和NS處理顯著增加了N2O的累積排放量（P＜0.05），分別為 10.88 μg·kg-1和 10.36 μg·kg-1，而NBa仍然顯著降低了SC土壤的N2O累積排放量（P＜0.05），僅為6.85μg·kg-1（圖6）。

2.3 添加不同調(diào)控措施后土壤無機(jī)氮含量的變化

短期添加硝化抑制劑、秸稈和生物炭，隨著添加氮肥后培養(yǎng)時(shí)間的延長，兩種土壤各處理的NH+4含量下降，而NO-3含量則逐漸上升，表明發(fā)生了凈硝化作用。然而NS處理例外，在兩種土壤中其無機(jī)氮含量均顯著下降，表明發(fā)生了凈同化作用（圖7）。SC土壤中無機(jī)氮含量的變化程度大于JX土壤。培養(yǎng)結(jié)束后，NC處理的SC土壤中，NH+4含量高于CK處理，而NO-3含量則顯著低于CK處理；但硝化抑制劑對(duì)JX土壤的影響并不顯著。NB處理的土壤在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，JX土壤中NH+4含量略高于CK處理，而在SC土壤中則低于CK；JX土壤的NO-3含量與CK相比無明顯變化，但在SC土壤中則高于CK。NBa處理培養(yǎng)結(jié)束時(shí)兩種土壤NH+4含量低于CK處理，而NO-3含量與CK相比變化不明顯。NS處理顯著降低了兩種土壤的無機(jī)氮含量。NA處理后，土壤無機(jī)氮濃度的變化趨勢(shì)與NBa類似。

在施加秸稈3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)添加NH4NO3，其土壤NH+4和NO-3含量隨加氮后培養(yǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)與短期添加類似，并且在JX土壤中的變化不如SC土壤顯著（圖8）。長期添加秸稈，土壤無機(jī)氮含量隨秸稈分解時(shí)間延長而增加，即6個(gè)月時(shí)各處理的無機(jī)氮含量高于3個(gè)月時(shí)，尤其是NO-3含量。JX土壤添加秸稈3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)加氮，其土壤NO-3含量均為CK＞NA＞NS≈NBa；而SC土壤在添加秸稈6個(gè)月后加氮，其 NO-3含量為 NA＞CK＞NS＞NBa（圖 8）。從圖 7和圖8可以看出，短期添加時(shí)，甘蔗渣對(duì)無機(jī)氮含量的影響效果最弱，而水稻秸稈最強(qiáng)，苜蓿的影響效果則在二者之間；秸稈的影響在短期添加時(shí)最為顯著，隨著長期的分解，其影響效果逐漸下降。

圖5 添加秸稈3個(gè)月時(shí)加氮后土壤N2O的累積排放量Figure5 N2O cumulativs emissions fron soils after addition of nitrogen at 3 months after incorporation of crop residues

圖6 添加秸稈6個(gè)月時(shí)加氮后土壤N2O的累積排放量Figure 6 N2Ocumulative emissionsfromsoilsafter addition of nitrogen at 6 monthsafter incorporation of crop residues

3 討論

3.1 硝化抑制劑對(duì)土壤N2O排放的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在添加的初期階段（24 h），三氯甲基吡啶可顯著降低土壤N2O的排放，尤其是SC土壤。SC土壤在添加NH4NO3溶液后，N2O累積排放量可達(dá)24.00μg·kg-1（CK），而三氯甲基吡啶的添加可降低其累積排放量至9.21μg·kg-1，抑制程度可達(dá)62%，與前人的研究結(jié)果[8，39]相一致。氮肥施加于土壤，2~3周內(nèi)大部分氮肥即可通過硝化作用轉(zhuǎn)化為易淋失的NO-3[40]，進(jìn)而導(dǎo)致較低的氮保留性。硝化抑制劑可通過抑制土壤氨氧化菌（特別是氨氧化細(xì)菌）的活性來延遲NH+4氧化為NO-3[41-42]。因此，硝化抑制劑可通過抑制硝化過程而直接減少硝化作用產(chǎn)生的N2O，或降低土壤NO-3濃度，減少反硝化可利用的底物，從而減少N2O的排放[26]。有研究表明，在60%WHC和25℃條件下，反硝化作用可忽略不計(jì)[43]，因此在本研究中，硝化過程是土壤產(chǎn)生N2O的主要途徑[8]。添加三氯甲基吡啶后，SC土壤NO-3濃度降低，三氯甲基吡啶可抑制SC土壤的凈硝化作用（圖7）。此外，我們先前的研究表明，SC土壤的硝化速率大于JX土壤，并且以自養(yǎng)硝化為主，而三氯甲基吡啶可顯著降低SC土壤的初級(jí)自養(yǎng)硝化速率[44]。因此，三氯甲基吡啶對(duì)SC土壤N2O排放的影響主要是由于其對(duì)自養(yǎng)硝化的抑制效果。添加了三氯甲基吡啶后，JX土壤的NO-3濃度并無顯著改變，表明三氯甲基吡啶對(duì)JX土壤的凈硝化作用無顯著影響，N2O累積排放量由7.54μg·kg-1降低為4.49μg·kg-1。有研究表明，酸性土壤中異養(yǎng)硝化對(duì)N2O排放的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于自養(yǎng)硝化作用[45-46]，然而三氯甲基吡啶并不能有效抑制異養(yǎng)硝化過程，故三氯甲基吡啶對(duì)酸性JX土壤N2O的減排效果不如SC土壤明顯。因此，對(duì)于性質(zhì)不相同的土壤，硝化抑制劑對(duì)N2O排放的影響程度并不一致，若以減少N2O排放為目的，則硝化抑制劑對(duì)自養(yǎng)硝化作用較弱的酸性土壤來說并不是最有效的方法。

圖7 短期施加不同添加物并添加NH4NO3后土壤無機(jī)氮含量的變化Figure 7 Changes of soil inorganic Ncontentsafter short-termapplication of different soil additiveswith addition of NH 4NO3

3.2 添加生物炭對(duì)土壤N2O排放的影響

添加初期生物炭可顯著增加培養(yǎng)期間JX土壤N2O的累積排放量，而SC土壤N2O雖有升高但不顯著，這與 Clough 等[18]、Scheer等[47]以及 Yoo 等[48]的研究結(jié)果相一致。與此相反，也有研究證明生物炭的添加對(duì)土壤N2O的排放并無影響或可降低排放[19，49-51]。我們此前的研究表明，生物炭的添加對(duì)兩種土壤NO-3產(chǎn)生和消耗過程的初級(jí)速率具有一致的影響，生物炭的添加對(duì)初級(jí)異養(yǎng)硝化速率并無顯著影響，但是能夠提高初級(jí)自養(yǎng)硝化速率[44]。因此，N2O排放的增加可能與土壤自養(yǎng)硝化速率的增加有關(guān)。此外，有研究表明，土壤類型、土壤水分條件以及生物炭類型、新鮮度和添加量均可導(dǎo)致生物炭對(duì)土壤N2O排放的不同影響[17，19，52-53]。Clough 等[54]總結(jié)認(rèn)為添加生物炭后 N2O 排放的升高可歸因于生物炭中N的釋放對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)，也可能是生物炭的添加增加了土壤含水量并改善了反硝化作用的環(huán)境，還可能是由于生物炭為微生物生長提供了無機(jī)氮和/或碳源基質(zhì)。因此，本研究添加生物炭的初始階段，也可能由于激發(fā)效應(yīng)而導(dǎo)致N2O排放的升高。添加生物炭并配施氮肥培養(yǎng)24 h后，JX土壤的無機(jī)氮含量（NH+4+NO-3）由只施氮肥的 74.05 mg·kg-1增加為 88.91 mg·kg-1；而在 SC 土壤中則由 58.12 mg·kg-1增加為 60.08 mg·kg-1。因此生物炭的添加為兩種土壤中微生物的生長提供了無機(jī)氮和碳源，并且在JX土壤中該作用效果更為顯著，這與Clough等[54]的研究相一致。長期效果仍需進(jìn)一步研究，以確定生物炭對(duì)兩種土壤的長期生態(tài)效應(yīng)。

3.3 添加秸稈對(duì)土壤N2O排放的影響

圖8 施加秸稈3個(gè)月（3M）和6個(gè)月（6M）時(shí)添加NH4NO3后土壤無機(jī)氮含量的變化Figure8 Changesof soil inorganic Ncontents after addition of NH4NO3 at 3 months（3M）and 6 months（6M）after application of crop residues

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，添加苜蓿和水稻秸稈短期內(nèi)（2 4 h）可顯著增加S C土壤中N2O的累積排放量，而甘蔗渣雖然增加了N2O排放但并不顯著；J X土壤中水稻秸稈的添加可顯著增加N2O累積排放量，但苜蓿和甘蔗渣卻顯著降低了土壤N2O的排放。因此可以看出，秸稈對(duì)土壤N2O排放的影響取決于秸稈類型與性質(zhì)、土壤質(zhì)地和理化性質(zhì)。秸稈的礦化以及隨后造成的N2O排放與秸稈的性質(zhì)，尤其是C/N有關(guān)[55]。秸稈在調(diào)節(jié)土壤N2O的排放中具有多種作用。作為一種有機(jī)氮肥，秸稈受到微生物N礦化和硝化作用，從而導(dǎo)致N2O的產(chǎn)生。一般來說，該作用取決于秸稈的氮含量[56-58]。低C/N秸稈具有較高的N含量，往往可導(dǎo)致更大量的N2O排放[55]。秸稈也可作為微生物生長的有機(jī)C底物，并因此促進(jìn)微生物的N同化，該作用通常會(huì)導(dǎo)致異養(yǎng)微生物與自養(yǎng)硝化對(duì)NH+4的競爭[59-60]，進(jìn)而減少N2O的產(chǎn)生。通常高C/N的秸稈具有此類作用。Chen等[10]分析表明，通常來說，當(dāng)秸稈C/N＜45，秸稈可為土壤微生物群落的生長和增殖提供足夠的N源，進(jìn)而導(dǎo)致凈礦化的發(fā)生，多余的N可刺激硝化和反硝化作用，從而對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用；當(dāng)C/N在45~100之間，存在輕微的刺激作用；而當(dāng)C/N＞100，則具有輕微的抑制作用。秸稈C/N較高，秸稈自身的N無法滿足秸稈C引起的微生物生長的需求，因此，活性微生物將同化土壤N成為微生物量氮，導(dǎo)致凈同化的發(fā)生。顯然，氮的損耗可降低硝化和反硝化作用，從而減少N2O排放。添加秸稈后土壤異養(yǎng)微生物的生長及其導(dǎo)致的N同化是N2O排放與秸稈C/N呈負(fù)相關(guān)的基礎(chǔ)[57-58]。

然而，從本研究的結(jié)果也可看出，C/N的影響也并非絕對(duì)的，高C/N的秸稈并不總會(huì)降低土壤N2O的排放，這表明秸稈也可能影響土壤無機(jī)氮以外的非生物因素[61-62]。例如，添加秸稈后微生物的生長消耗了土壤孔隙中大量的O2，導(dǎo)致土壤微域的好氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榱藚捬鯒l件，因而反硝化可能取代硝化作用，成為一些土壤孔隙中N2O產(chǎn)生的主要過程，從而增加N2O的排放。異養(yǎng)微生物生長導(dǎo)致的O2消耗與添加的秸稈量呈正相關(guān)，即影響程度與輸入的秸稈C和N含量呈正相關(guān)。此外，秸稈對(duì)SC土壤N2O排放的影響效果更為顯著，這可能與土壤質(zhì)地和理化性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)Chen等[10]的分析，在砂性土中，秸稈還田對(duì)土壤N2O排放的影響較小，但在其他土壤類型中，秸稈的添加可顯著刺激土壤N2O的排放。從土壤性質(zhì)可看出，JX土壤屬砂性土，因此秸稈對(duì)JX土壤N2O排放的影響小于SC土壤。土壤質(zhì)地對(duì)N2O排放的影響可能是通過O2可利用性間接產(chǎn)生的[63-64]。此外，由于添加秸稈對(duì)土壤N2O排放的影響在中性和微堿性條件下更加顯著[10]，也可能使得添加秸稈后SC土壤中N2O的排放更為劇烈。

秸稈對(duì)土壤N2O排放的影響也與秸稈添加后的分解時(shí)間有關(guān)。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)過較為長期的分解后，秸稈對(duì)土壤N2O排放的影響隨著添加時(shí)間延長而下降，尤其是C/N相對(duì)較低的苜蓿和水稻秸稈，影響程度不如初期時(shí)明顯，但甘蔗渣在添加6個(gè)月后仍能顯著降低SC土壤的N2O排放。經(jīng)過6個(gè)月長期培養(yǎng)后，由于秸稈中的植物C和養(yǎng)分被分解，秸稈對(duì)微生物活性的刺激效果降低，故對(duì)N2O排放的影響程度降低。一般來說，C/N低的秸稈在土壤中更容易礦化分解[65]。此外，秸稈中各類有機(jī)化合物，如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等的含量差異對(duì)秸稈的分解轉(zhuǎn)化也有很大的影響[66]。甘蔗渣的組分中含有約40%的纖維素、24%的半纖維素和25%的木質(zhì)素，其中木質(zhì)素是最難降解的組分，這導(dǎo)致甘蔗渣不易被礦化[67-68]。因此，從土壤無機(jī)氮濃度可看出，較難分解的甘蔗渣，在經(jīng)過6個(gè)月的培養(yǎng)后，對(duì)土壤無機(jī)氮的同化作用仍較高，氮的損耗可減少N2O的排放。

從上述試驗(yàn)結(jié)果綜合來看，雖然本研究中添加生物炭后，N2O排放有所上升，但其刺激程度低于秸稈，因此，從降低N2O排放的角度來說，將秸稈制成生物炭也許是一個(gè)好的選擇。但是，本研究是在室內(nèi)條件下進(jìn)行的培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)于野外大田的真實(shí)環(huán)境還需進(jìn)一步的研究。此外，本研究并未從微生物學(xué)機(jī)理的角度來闡釋調(diào)控措施對(duì)N2O排放的影響機(jī)制，可進(jìn)一步從該角度來進(jìn)行研究。

施肥對(duì)土壤N2O的排放具有促進(jìn)作用[7]。本研究中添加NH4NO3溶液后，短時(shí)間內(nèi)可造成土壤中無機(jī)氮的積累，為硝化和反硝化微生物提供充足的底物和能源，進(jìn)而可增加土壤N2O的排放通量。但是本研究沒有設(shè)置不加氮對(duì)照，不能評(píng)估添加氮的激發(fā)效應(yīng)。本研究的重點(diǎn)是以只添加NH4NO3處理為對(duì)照，研究添加硝化抑制劑、生物炭和秸稈三種土壤添加物，對(duì)紅壤和紫色土農(nóng)田土壤施氮后N2O排放的影響，以期為根據(jù)土壤類型和性質(zhì)合理選擇氮素調(diào)控措施提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

在對(duì)土壤施肥并進(jìn)行調(diào)控時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)土壤類型和性質(zhì)進(jìn)行選擇。若以減少N2O排放為目的，那么對(duì)于堿性土壤選擇硝化抑制劑調(diào)控是合適的，但對(duì)酸性土壤則效果并不顯著。生物炭對(duì)土壤N2O排放的影響也因土壤性質(zhì)不同而不同。秸稈的添加在初期分解階段會(huì)顯著增加土壤N2O排放，對(duì)于環(huán)境來說是不利的影響，但隨著時(shí)間的增加刺激效果會(huì)隨之下降，因此，客觀的評(píng)價(jià)需要進(jìn)行長期觀察。從本試驗(yàn)來看，若將秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭，以穩(wěn)定的生物炭的C形式添加于土壤，其N2O的排放少于秸稈，對(duì)于減少土壤溫室氣體排放和增加土壤C儲(chǔ)存是較為有益的。

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