劉耀斌，徐 聰，汪吉東，王 磊，韓 笑，紀 程，張永春②

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學觀測站，江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇 南京 210095；3.江蘇大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042)

氧化亞氮(N2O)是除CO2和CH4外的第3大溫室氣體，其百年尺度上單位質(zhì)量增溫潛勢是CO2的約300倍[1]，對氣候變化進程影響顯著。IPCC報告顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是重要的N2O排放源，其排放占全球總N2O排放的60%[2]。隨著1978年以來高量氮肥的施用，我國農(nóng)田N2O排放量占全國N2O總排放量的比例達90%[3]。調(diào)控農(nóng)田土壤N2O排放對于緩解氣候變暖、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。

農(nóng)田土壤N2O排放來源包括土壤本底氮素和施用的外源氮肥[5]。目前研究主要關(guān)注氮肥所產(chǎn)生的N2O直接排放，且常規(guī)估算方法一般假設(shè)土壤本底排放不受氮肥施用的影響[6]。但近年來一些15N 示蹤研究發(fā)現(xiàn)，外源氮施用除導致大量N2O直接排放外，還會顯著增加21%～50%的土壤本底 N2O 排放[7]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物生長也是氮循環(huán)的關(guān)鍵影響因素，可與土壤氮素協(xié)同調(diào)控土壤本底氮素周轉(zhuǎn)及N2O排放[8-9]。由于長期實行集約化施氮措施，我國農(nóng)田土壤本底氮儲量顯著提升[10]，土壤本底N2O排放風險也隨之增大。分析施氮背景下作物生長對土壤本底N2O排放的影響有利于進一步明確N2O排放產(chǎn)生的植物調(diào)節(jié)機制和優(yōu)化減排手段。然而，針對我國典型農(nóng)田土壤，關(guān)于外源施氮和作物生長對本底N2O排放交互影響的研究還較少。

潮土是黃淮海平原小麥、玉米糧食主產(chǎn)區(qū)的主要土壤類型之一。我國潮土區(qū)糧食年產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的22%～25%，在保障我國糧食安全方面發(fā)揮著重要作用[11]。但由于長期實行集約化施氮措施，潮土區(qū)N2O排放量(以N計)可達4.43 kg·hm-2·a-1[12]，約占全國N2O總排放量的40%[13]。探明潮土區(qū)N2O排放機制對我國農(nóng)業(yè)源溫室氣體減排具有重要意義。該研究以黃淮海砂質(zhì)潮土為研究對象，采用盆栽試驗方法，運用15N示蹤技術(shù)定量解析來自外源氮肥和土壤本底的N2O排放，探究施氮和玉米生長及土壤-作物交互作用對N2O排放來源的影響，以期為進一步揭示N2O排放機制、制定針對性減排措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗方法，共設(shè)置2個因素：因素1為種植玉米，包括未種植玉米(P0)和種植玉米(P1)；因素2為氮肥施用，包括未施氮肥(以N計)(N0，0 mg·kg-1)和施氮肥(N1，100 mg·kg-1)2個水平。試驗采用完全實施方案，共4個處理，每個處理設(shè)3次重復。

試驗于2019年7月—2019年9月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院溫室進行。供試土壤取自江蘇省濱海縣界牌鎮(zhèn)三壩村(32°03′ N、118°88′ E)，采集土層為0～20 cm。該地為小麥-玉米輪作，土壤類型為脫鹽潮土。供試土壤基本理化性質(zhì)：pH為8.26〔V(水)∶m(土)=5∶1〕，有機質(zhì)含量為11.8 g·kg-1，全氮含量為0.801 g·kg-1，堿解氮含量為36.1 mg·kg-1，有效磷含量為5.43 mg·kg-1，速效鉀含量為95.0 mg·kg-1。土壤采集后進行風干，過5 mm孔徑篩。

供試盆缽為圓柱體，體積為14.72 dm3(內(nèi)徑為25 cm，高為30 cm)，每個盆缽裝入風干土14.5 kg，缽內(nèi)土壤容重為1.13 g·cm-3。盆缽外緣裝有高3.5 cm，長和寬均為33 cm的水槽，用于氣體采樣時進行密封。將磷鉀肥底肥按施用量67 mg·kg-1(以P2O5計，相當于田間150 kg·hm-2)和100 mg·kg-1(以K2O計，相當于田間225 kg·hm-2)與供試土壤混勻后裝入盆內(nèi)。盆口中間安裝一支PVC管(內(nèi)徑為4 cm，長為11 cm)，管體插入土壤約3 cm。玉米于2019年7月30日播種，播種時將種子播于PVC管中，使玉米苗從管中長出，8月1日出苗。供試品種玉米為燕禾金2000。為保證在監(jiān)測前所有處理土壤本底氮水平一致，種植和未種植玉米處理在施氮前均每盆播種1株。在出苗30 d時，小心清除未種植玉米處理的植株，將15N標記的15NH415NO3(15N豐度為10.0%，上?；ぱ芯吭河邢薰?溶于去離子水中后均勻施入施氮處理盆中，施用量(以N計)為100 mg·kg-1(相當于田間225 kg·hm-2)。未施氮肥處理灌溉采用等量去離子水。

1.2 測定指標及方法

1.2.1N2O和CO2監(jiān)測

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜儀法對N2O和CO2排放進行監(jiān)測[14]。采樣箱由PVC材料制成，為下方敞開的立方體(長×寬×高為27 cm×27 cm×7 cm)，箱頂中間預留直徑45 mm圓孔，使其恰好套進PVC管。箱頂還設(shè)有帶閥門的氣嘴，用于抽取箱內(nèi)氣體。

氣體于氮肥施用前(設(shè)為第0天)采集1次，施氮后前7 d每天采集1次，隨后于第9、12和16天各采集1次，每次采樣均在上午9:00—11:00進行。采集氣體時將盆缽水槽間注入水，箱體倒扣入盆缽水槽間進行閉合，并使用硅膠粘合劑密封采樣箱與PVC管之間的縫隙。在箱體密封后0、20和60 min時分別抽取100 mL氣體樣品，將氣體樣品注入無菌采樣袋中保存待測。采集氣體樣品后清除粘合劑，將采樣箱向上提起交錯置于水槽上，進行通風。氣體樣品在24 h內(nèi)采用氣相色譜儀(Agilent 7820)測定N2O、CO2濃度，采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(Isoprime 100)測定N2O中15N豐度。

1.2.2植株樣品采集與測定

在玉米播種后第46天(即最后1次氣體采集后)，將玉米整株破壞性取出。將植株分地上部和地下部進行烘干、稱重、粉碎。采用H2SO4-H2O2消煮-半微量凱氏定氮法測定植株各部位全氮含量[15]265-267，采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(Isoprime 100)測定植株樣品15N豐度。

1.2.3土壤樣品采集與測定

采集植株后，將盆中土壤取出，按四分法將樣品分為2個部分：一部分鮮土過2 mm孔徑篩后用于測定土壤無機氮含量[15]49-56；另一部分鮮土風干，過0.5 mm孔徑篩待測。新鮮土壤用2 mol·L-1KCl溶液浸提后，采用雙波長分光光度法測定土壤NO3--N含量，采用靛酚藍比色法測定NH4+-N含量。風干土壤采用半微量凱氏定氮法測定全氮(TN)含量[15]42-49，采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳(TOC)含量[15]30-34，采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(Isoprime 100)測定15N豐度。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計方法

N2O和CO2通量計算公式為

F=ρ×(P/1 013)×(V/A)×(Δc/Δt)×(273/273+T)。

(1)

式(1)中，F(xiàn)為N2O、CO2排放通量，mg·m-2·h-1；ρ為標準大氣壓下N2O、CO2密度，mg·m-3；P為采樣時大氣壓強，hPa；1 013為標準大氣壓強，hPa；V為采樣箱有效體積，m3；A為觀測土壤面積，m2；Δc/Δt為采樣箱內(nèi)氣體隨時間變化的回歸曲線斜率；T為采樣時箱內(nèi)平均溫度，℃。采用線性內(nèi)插法計算氣體累積排放量[16]。

采集的N2O可認為是土壤排放和空氣中N2O混合氣體，采用式(2)～(3)計算土壤排放N2O的15N 豐度(%)[7]：

δ15N，mix=(δ15N，air×cair+δ15N，em×cem)/cmix，

(2)

cmix=cair+cem。

(3)

式(2)～(3)中，δ15N，mix為所采集混合氣體中N2O的15N豐度，%；cmix為所采集混合氣體中N2O含量，μL·L-1；δ15N，air為自然空氣中N2O的15N豐度，試驗期間為0.369 9%；cair為空氣中N2O含量，試驗期間為0.335 8 μL·L-1；δ15N，em為土壤排放氣體中N2O的15N豐度，%；cem為土壤排放氣體中N2O含量，μL·L-1。

N2O排放、植株或土壤中氮素來源分為土壤本底和外源氮肥2個部分。采用式(4)計算各氮庫中氮素來自于氮肥的比例(FNDF，%)[7,17-20]：

FNDF=S/N×100%。

(4)

式(4)中，S為排放的N2O及植株或土壤樣品15N原子百分超(樣品15N豐度與15N自然豐度之差)，%；N為所施用15NH415NO3的15N原子百分超，%。

氮肥N2O排放通量、植株氮肥吸收量和土壤中氮肥殘留量分別采用N2O排放通量(mg·m-2·h-1)、植株吸收氮累積量(mg·盆-1)、盆中土壤氮總含量(mg·盆-1)乘以相應(yīng)FNDF計算得到。氮肥損失量(g·盆-1)采用氮肥施用量減去氮肥吸收量計算得到。

采用Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù)，采用Origin 2019 Pro繪圖，采用SPSS Statistics 25進行雙因素方差分析(the two-way ANOVA)和顯著性檢驗(Tukey)。數(shù)據(jù)采用平均值±標準誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源氮施用及玉米生長對N2O和CO2排放量的影響

如圖1所示，施氮后N2O排放顯著升高，在施氮后12 d內(nèi)，N1P0和N1P1處理N2O排放均顯著高于N0P0和N0P1處理(P<0.05)。N1P0和N1P1處理N2O排放通量(以N計，下同)分別在施氮后第5天和第7天達到最高值(分別為0.246和0.112 mg·m-2·h-1)，隨后排放量逐漸降低，在施氮后第16天，施氮(N1P0和N1P1)處理N2O排放通量與相應(yīng)未施氮(N0P0和N0P1)處理之間差異不顯著(P>0.05)。如圖1所示，玉米生長顯著降低N2O排放通量(P<0.05)。監(jiān)測期間N1P0和N1P1處理N2O累積排放量(以N計，下同)分別為52.0和22.9 mg·m-2，分別為N0P0和N0P1處理的11倍和24倍。玉米生長也極顯著降低N2O累積排放量(P<0.01)，種植玉米處理N2O累積排放量比相應(yīng)未種植玉米處理降低55.0%～79.4%。

如圖2所示，N0P0和N0P1處理在試驗期間CO2排放通量(以C計，下同)變異較小，分別為25.8～47.7和17.8～41.6 mg·m-2·h-1。種植和未種植玉米條件下，施氮均能促進CO2排放：與未施氮處理相比，施氮處理CO2排放通量增加23.4%～42.7%。N1P0處理CO2累積排放量(以C計，下同)最高，為20.0 g·m-2，且未施氮(N0P0和N0P1)處理CO2累積排放量顯著低于施氮(N1P0和N1P1)處理(P<0.05)。

2.2 外源氮施用及玉米生長對N2O來源的影響

如圖3所示，通過15N示蹤土壤本底和氮肥產(chǎn)生的N2O排放比例，結(jié)果表明監(jiān)測期間土壤N2O排放主要來自外源氮肥，N1P0和N1P1處理排放的N2O中來源于肥料的比例分別在施氮后第6和第7天達到峰值(91.5%和90.9%)，隨后開始下降。在施氮后6 d內(nèi)，N1P1處理來自肥料的N2O排放比例均低于N1P0處理。來自氮肥的N2O排放比例隨時間變化規(guī)律可用二次曲線進行擬合(P<0.01，圖3)，根據(jù)擬合函數(shù)計算可知，分別在施氮后第15和第18天，N1P0和N1P1處理氮肥N2O排放可降低至50.0%以下。

如圖4所示，15N標記結(jié)果顯示土壤N2O排放主要來自肥料。N1P0和N1P1處理肥料N2O排放通量分別在第5和第7天達到峰值(0.219和0.101 mg·m-2·h-1)，隨后排放量逐漸降低。相較于未種植玉米(N1P0)處理，種植玉米(N1P1)處理氮肥N2O累積排放量顯著降低54.8%(38.9和17.6 mg·m-2，P<0.05)。

如圖5所示，對不同來源N2O累積排放量分析結(jié)果表明，與相應(yīng)未施氮(N0P0和N0P1)處理相比，施氮(N1P0和N1P1)處理土壤本底N2O排放量分別顯著增加162%(6.98 mg·m-2)和460%(4.16 mg·m-2，P<0.05)。分析種植與未種植玉米處理之間差異發(fā)現(xiàn)，N1P1處理土壤本底N2O 排放量顯著小于N1P0處理(P<0.05)，而與相應(yīng)未施氮(N0P0和N0P1)處理相比，施氮后N1P1處理土壤本底N2O排放增加量占總排放量的比例(18.1%)明顯高于N1P0處理(13.7%)。

2.3 施氮條件下氮肥去向分析

施氮處理氮肥去向見表1。試驗結(jié)束時，N1P0和N1P1處理土壤中殘留氮肥(以N計)分別為1.240和0.903 g·盆-1，殘留率分別為85.2%和62.1%，兩者差異顯著(P<0.05)。N1P1處理植株氮肥吸收量(以N計)為0.128 mg·盆-1，吸收率為8.82%。N1P0和N1P1處理氮肥損失量(以N計)分別為0.215和0.424 mg·盆-1，損失率分別為14.8%和29.1%。

表1 施氮處理氮肥去向

以N計。P0和P1分別為未種植和種植玉米處理，N1為施氮肥處理。同一行數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示同一處理不同指標間差異顯著，同一列數(shù)據(jù)后英文大寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)?！啊北硎緹o數(shù)據(jù)。

2.4 外源氮施用和玉米生長對土壤氮含量的影響

各處理土壤碳氮含量見表2。如表2所示，施用氮肥顯著提高土壤NO3--N含量(109%～112%，P<0.05)。N1P0處理NO3--N含量最高，為161 mg·kg-1。N1P1處理NO3--N含量顯著小于N1P0處理(P<0.05)，而N1P1處理NH4+-N含量顯著大于N1P0處理(P<0.05)。就土壤全氮而言，施氮能顯著增加土壤全氮含量(P<0.05)，相較未種植玉米處理，種植玉米處理土壤全氮含量有所下降，但是差異不顯著。各處理土壤有機碳含量差異不顯著。施氮處理土壤C/N顯著小于未施氮處理，N1P0處理顯著小于N1P1處理(P<0.05)。

表2 不同處理土壤碳氮含量

P0和P1分別為未種植和種植玉米處理，N0和N1分別為未施氮肥和施氮肥處理。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理某指標間差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 外源氮施用對土壤本底N2O排放的影響

明確外源氮和土壤本底氮對總N2O排放的貢獻是解釋N2O排放機制、評估氮肥排放系數(shù)的關(guān)鍵[21]。目前常規(guī)估算方法中一般認為施氮對土壤本底N2O排放無顯著影響[6,22]。然而筆者通過15N示蹤研究發(fā)現(xiàn)，施氮可顯著增加土壤本底N2O排放量(162%～460%，P<0.05，圖5)。前人15N示蹤研究也得到類似結(jié)果。SCHLEUSNER等[5]在長期施肥土壤中施用15N肥料，培養(yǎng)試驗結(jié)果表明在氮肥施用7 d內(nèi)，土壤本底N2O排放量比未施氮肥處理顯著增加2倍以上。DALY等[23]采用長期種植大麥的土壤進行培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，添加尿素處理土壤本底N2O排放是未施氮處理的3倍，且施氮處理土壤本底N2O排放增加量可占總排放量的50%以上。土壤原位15N示蹤試驗[7]也表明，外源氮施用后土壤本底N2O排放量是未施氮條件的2～10倍。因此，在氮肥施用條件下，土壤本底氮素也是N2O排放的重要來源。

對于施氮后土壤本底N2O排放增加的機制，目前主要有2種解釋。一方面，有學者認為外源氮對土壤氮素周轉(zhuǎn)產(chǎn)生了激發(fā)效應(yīng)，使土壤初級礦化速率加快，從而導致土壤本底N2O排放量增加[24]；另一方面，有學者認為在土壤中施用15N肥料后，由于微生物固定或氮素損失過程中消耗的15N比例增加，而土壤持續(xù)礦化產(chǎn)生14N，標記與非標記氮庫之間發(fā)生的置換作用引起本底14N2O排放在表觀上增加，而并未發(fā)生初級氮礦化量的改變[25]。施氮后土壤氮素周轉(zhuǎn)的變化因土壤類型以及土壤本底碳、氮含量而異[26]，而土壤CO2排放可以作為反映土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標[27]。沈善敏[28]采用英國Rothamsted研究所長期定位試驗土壤，對施氮和未施氮處理土壤初級礦化速率進行測定發(fā)現(xiàn)，施氮并未導致土壤初級礦化速率增加，且土壤CO2排放亦無顯著變化。而筆者研究中，就種植玉米和未種植玉米處理而言，施氮后7 d內(nèi)土壤CO2排放均顯著增加(P<0.05，圖2)，且CO2排放通量與施氮后土壤本底N2O排放增加通量呈極顯著相關(guān)(P<0.01，圖6)。因此可以認為，在筆者試驗條件下，施氮對土壤有機氮素周轉(zhuǎn)的激發(fā)效應(yīng)是導致土壤本底N2O排放量增加的重要機制。

就累積排放量而言，來自土壤本底氮和肥料氮的N2O排放量分別占總排放量的22.3%～22.8%和77.2%～77.7%(圖5)，N2O總排放主要來自肥料氮。但前人采用氮本底含量較高土壤〔w(TN)=1.00 g·kg-1〕的研究發(fā)現(xiàn)，來自土壤本底氮和肥料氮的N2O排放量可分別占總排放量的約50%[7]。隨著以高量氮肥施用為主要措施的集約化農(nóng)業(yè)的推行，我國農(nóng)田土壤氮儲量也逐步增加。因此，在制定農(nóng)業(yè)面源減排措施時，除控制肥料源的N2O直接排放外，還應(yīng)降低土壤本底氮庫的排放風險。

3.2 作物生長對N2O排放及其來源的影響

作物生長是土壤氮素水平和N2O排放的重要影響因素[29]。雙因素方差分析表明，玉米生長及其與外源氮施用的交互作用均對N2O排放有顯著影響(P<0.01，表3)。與未種植玉米相比，種植玉米處理N2O排放量降低55.0%～79.4%(圖1)。楊蘭芳等[14]通過90 d盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，種植玉米處理N2O排放量比未種植玉米處理顯著降低87%～92%；JAMALI等[30]開展的田間原位監(jiān)測結(jié)果也顯示，未種植玉米處理N2O排放量是種植玉米處理的2.4～6.2倍，筆者試驗結(jié)果與之一致。在試驗結(jié)束時，玉米各部位共累積氮素0.128 g·盆-1(表1)，且種植玉米處理土壤無機氮含量均小于未種植玉米處理(表2)，這表明玉米對土壤可利用氮的吸收是N2O排放量降低的主要原因[31]。

N2O排放來源分析結(jié)果顯示，N1P1處理土壤本底N2O排放量顯著小于N1P0處理(P<0.05，圖5)。但就不同來源N2O排放比例而言，施氮12 d內(nèi)N1P1處理土壤本底N2O排放比例高于N1P0處理(圖3)，且施氮后N1P1處理土壤本底N2O排放增加量占總排放量的比例也顯著高于N1P0處理(P<0.05，圖5)，這說明作物生長提高了N2O排放中來自土壤本底的無機氮素比例[32]。雙因素方差分析結(jié)果也表明，施氮肥與玉米生長的交互作用對N2O排放來源影響顯著(P<0.01，表3)。這可能是由于作物在生長時通過根系分泌物為土壤微生物提供碳源和能量[33]，促進了土壤氮素周轉(zhuǎn)，從而礦化出更多無機氮素[24]。

表3 施氮和玉米生長的雙因素方差分析

作物生長除影響N2O產(chǎn)生來源外，還可能通過氧氣消耗影響N2O產(chǎn)生途徑[34]。N1P1處理CO2排放量顯著高于N1P0處理(圖2)，且N1P1處理土壤NO3--N與NH4+-N含量的比值顯著小于N1P0處理(P<0.05，表2)，這表明在筆者試驗條件下作物根系呼吸作用產(chǎn)生的厭氧環(huán)境更有利于反硝化過程的進行[32,35]。筆者研究中供試土壤呈堿性，且盆栽試驗條件下氮肥淋溶損失可忽略，因此氮肥損失量可能主要以NH3形式揮發(fā)。N1P1處理氮肥損失量顯著高于N1P0處理(表1)，這可能是由于N1P1處理土壤氧氣狀況更利于反硝化過程[36]，在一定程度上抑制了硝化作用[37]，使更多的15NH4+以NH3形式揮發(fā)損失。

4 結(jié)論

施氮后土壤本底N2O排放量顯著增加(P<0.05)，且土壤本底N2O排放增加量約占總排放的13.7%～18.1%。施氮對土壤有機氮素周轉(zhuǎn)的激發(fā)效應(yīng)是導致土壤本底N2O排放量增加的重要機制。施氮與作物生長的交互作用顯著影響N2O排放量及其來源(P<0.01)。與未種植玉米相比，種植玉米顯著降低了土壤N2O排放總量，但土壤本底N2O排放比例顯著增加。該研究結(jié)果表明，外源氮肥與作物生長能協(xié)同促進土壤氮素周轉(zhuǎn)及土壤本底N2O排放，因此在集約化種植的潮土區(qū)，除控制肥料源N2O排放外，還應(yīng)重視土壤本底N2O排放風險。