朱啟林，劉麗君，何秋香，劉金霞，曹明，伍延正，湯水榮，孟磊，柯用春*

（1.海南省三亞市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，海南 三亞 572000；2.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228）

近年來(lái)隨著溫室氣體排放的增加，全球氣候變暖已成為亟需解決的環(huán)境問(wèn)題。NO 作為主要的溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)不容忽視。SMITH 等認(rèn)為，人類活動(dòng)排放的NO 有84%來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，降低農(nóng)田土壤NO 排放，對(duì)減緩氣候變暖具有重要意義。

微生物參與的硝化和反硝化過(guò)程是土壤NO 排放的重要途徑。生物炭可以提高土壤碳儲(chǔ)量，進(jìn)而影響到微生物活性及其氮底物的獲取，由此可能對(duì)NO 排放產(chǎn)生影響。生物炭大多呈堿性，施入土壤后會(huì)引起土壤pH升高，導(dǎo)致氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌群落結(jié)構(gòu)和豐度發(fā)生改變，從而影響土壤硝化和反硝化等NO的產(chǎn)生過(guò)程，改變土壤NO排放。研究顯示，土壤中添加生物炭會(huì)抑制NO排放，NO減排效果與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系。但也有研究指出，添加生物炭不能降低土壤NO排放。秸稈還田作為重要的農(nóng)田土壤健康管理措施，已被證實(shí)能提高土壤肥力、增加土壤碳儲(chǔ)量，此外，秸稈還田也會(huì)影響土壤NO排放。與生物炭還田對(duì)NO排放的影響相同，秸稈還田對(duì)NO 排放的作用效果也有截然不同的報(bào)道。WANG 等和CAO 等發(fā)現(xiàn)，秸稈還田降低了農(nóng)田土壤NO排放。而許多研究結(jié)果支持秸稈還田增加農(nóng)田土壤NO排放的觀點(diǎn)。由此可見(jiàn)，生物炭或秸稈還田對(duì)土壤NO排放的作用效果尚未取得共識(shí)，還需要綜合土壤固碳能力和溫室氣體排放兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

土壤水分是影響土壤微生物過(guò)程的重要因素，對(duì)土壤微生物代謝活動(dòng)、硝化和反硝化過(guò)程具有決定性作用。水分條件在30%~60%充水孔隙度（WFPS）時(shí)，硝化作用是產(chǎn)生NO 的主要過(guò)程，而當(dāng)WFPS>70%時(shí)，NO 主要來(lái)源于反硝化過(guò)程。張世潔等研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田灌水后，土壤NO 劇烈排放主要來(lái)源于反硝化作用過(guò)程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同作物對(duì)水分條件要求不同，因此土壤水分含量變化幅度大，如旱地土壤水分條件很多時(shí)候只有田間持水量的45%或者更低，蔬菜地等灌溉條件好的土壤水分達(dá)到田間最大持水量的75%，水稻種植的大部分時(shí)間土壤水分是飽和的并且田面要覆水。土壤水分調(diào)控土壤硝化和反硝化過(guò)程的發(fā)生，決定了硝化和反硝化的強(qiáng)度和優(yōu)勢(shì)。在好氧條件下，水分增加會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)氮礦化，同時(shí)會(huì)對(duì)無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中NO 的產(chǎn)生造成影響。生物炭或秸稈的添加會(huì)改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)；生物炭本身大孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，有利于氧氣的儲(chǔ)存，為好氧微生物提供了生存環(huán)境；而土壤中加入秸稈后，會(huì)導(dǎo)致微生物活性增強(qiáng)，造成土壤微區(qū)缺氧，進(jìn)而使土壤形成厭氧環(huán)境。前期研究指出，60%WFPS 是土壤硝化和反硝化轉(zhuǎn)化的閾值，土壤中施入生物炭或秸稈后，是否會(huì)導(dǎo)致這一閾值的改變，進(jìn)而引起土壤NO排放的改變，仍需深入探究。

海南是我國(guó)唯一熱帶島嶼省份，其充沛的水熱資源使該地區(qū)物質(zhì)循環(huán)徹底，紅壤為該地區(qū)典型的種植土壤，強(qiáng)烈的物質(zhì)循環(huán)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分貧瘠、保肥性能差。瓜菜-水稻輪作是海南典型的種植模式，為保證產(chǎn)量，通常需要大量的肥料投入，同時(shí)，在水稻種植過(guò)程中，水分長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，而冬季瓜菜種植時(shí)，土壤水分基本保持在田間持水量的75%。瓜菜-水稻輪作過(guò)程中，水分的交替變換必然引起土壤NO 排放的變化。通常情況下，土壤水分會(huì)對(duì)硝化和反硝化過(guò)程產(chǎn)生影響，施加生物炭或秸稈還田后，土壤孔隙增加，同時(shí)土壤pH 提高，進(jìn)而改變硝化反硝化進(jìn)程。不同水分條件下，生物炭添加和秸稈還田對(duì)土壤NO 排放的影響還需進(jìn)一步驗(yàn)證?；诖耍疚倪x取海南地區(qū)典型的紅壤，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)探究不同水分條件下，生物炭和秸稈添加對(duì)土壤NO 排放的影響，以期為農(nóng)田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自海南省樂(lè)東萬(wàn)鐘實(shí)驗(yàn)基地，該基地位于海南省樂(lè)東黎族自治縣尖峰鎮(zhèn)（18°39'N，108°47'E），土壤為淺海沉積物發(fā)育的紅壤，該地常年進(jìn)行瓜菜-水稻輪作。采集0~20 cm 表層土壤，風(fēng)干后去除土壤中植物根系和石礫等，過(guò)2 mm篩備用，另取部分土壤用于測(cè)定土壤理化指標(biāo)。供試生物炭為水稻秸稈在400 ℃條件下厭氧熱解制備而成。供試秸稈為水稻秸稈，生物炭和秸稈經(jīng)烘干、粉碎后過(guò)2 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。生物炭和水稻秸稈基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic chemical and physical properties of tested soil

表2 供試生物炭和秸稈理化性質(zhì)Table 2 Chemical and physical properties of biochar and straw

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)試驗(yàn)共設(shè)CK（空白），B1、B2 兩個(gè)生物炭處理（B1：生物炭添加量為土壤質(zhì)量的1%，B2：生物炭添加量為土壤質(zhì)量的2%）和秸稈處理S（水稻秸稈添加量為土壤質(zhì)量的2.75%，秸稈用量與制備B1 的秸稈用量相當(dāng)）4 種處理，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)水分條件，分別為W1（45%土壤田間持水量）、W2（75%土壤田間持水量）和W3（100%土壤田間持水量，模擬淹水條件，淹水1 cm），共計(jì)12個(gè)處理，具體見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 3 Experimental design

1.2.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

稱取200.00 g 供試土壤（以干土計(jì)），按上述要求分別添加相應(yīng)質(zhì)量的生物炭和秸稈，充分混合后裝入250 mL 錐形瓶中，向錐形瓶?jī)?nèi)均勻滴加相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水，使土壤含水量分別達(dá)到田間持水量的45%、75%和100%。土壤活化7 d 后向錐形瓶中加入1 mL純氮量為30 mg 的尿素溶液，折合加入氮150 mg·kg。用保鮮膜封住瓶口，并用針頭在保鮮膜上扎3個(gè)小孔，用于空氣流通，且能減少水分散發(fā)，扎口后將錐形瓶置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)25 d，培養(yǎng)過(guò)程通過(guò)稱取質(zhì)量的方法每4 d補(bǔ)充一次水分以維持土壤水分恒定。每處理設(shè)6 個(gè)重復(fù)，其中3 個(gè)重復(fù)用于測(cè)定NO 和CO氣體排放通量，其余的用于土壤礦質(zhì)氮含量測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理

NO排放通量和CO排放通量計(jì)算公式為：

式中：為 NO 排放通量或 CO排放通量，μg·kg·h或 mg·kg·h；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 NO-N 或 CO-C 的密度，1.25 kg·m或0.536 kg·m；?/?為單位時(shí)間內(nèi)錐形瓶?jī)?nèi)氣體濃度增加量；為錐形瓶?jī)?nèi)頂部空間體積，m；為培養(yǎng)溫度，℃；為培養(yǎng)烘干土質(zhì)量，kg。

NO累積排放量和CO累積排放量計(jì)算公式為：

式中：為 NO 累積排放量或 CO累積排放量，μg·kg或 mg·kg；為采樣時(shí)間，d；為采樣次數(shù)；為總測(cè)定次數(shù)；t-t為兩次采樣的間隔天數(shù)，d。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行方差分析（One-way ANOVA）和多因素方差分析，采用Duncan法檢驗(yàn)不同處理下土壤理化性質(zhì)和氣體排放速率等指標(biāo)的差異顯著性。采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用Origin Pro 8.5做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放通量和累積排放量

2.1.1 土壤NO排放通量對(duì)水分的響應(yīng)

土壤水分顯著影響NO排放（圖1）。不同物料添加下，W2和W3的土壤NO排放通量高于W1。CK處理在 W2 和 W3 時(shí)，第 3 d 土壤 NO 排放通量開(kāi)始增加，而S、B1和B2處理在W2和W3水分條件下，第6 d土壤NO 排放通量開(kāi)始增加，培養(yǎng)第10 d 出現(xiàn)最高峰。S 處理土壤中，W2 和W3 水分條件下，土壤NO排放通量高于其他處理。S 處理在W1 水分條件下，第6 d 土壤NO 排放通量開(kāi)始增加，峰值出現(xiàn)在第15 d，而 B1 和 B2 處理土壤 NO 排放通量在第 6 d 開(kāi)始增加，最高排放通量出現(xiàn)在第10 d。不同水分條件下，土壤NO排放通量表現(xiàn)為S>CK>B。W2和W3水分條件下，相比CK，生物炭添加后土壤NO排放通量降低。

圖1 不同水分條件對(duì)添加秸稈或生物炭的土壤N2O排放通量的影響Figure 1 Effects of different water conditions on the N2O emission flux from soil with straw or biochar

2.1.2 土壤NO累積排放量對(duì)水分的響應(yīng)

水分顯著影響土壤NO累積排放量（圖2）。土壤含水量在W2 和W3 時(shí)的NO 累積排放量顯著高于W1（<0.05）。相比 W1，W2 和 W3 條件下 CK 處理的NO 累積排放量分別增加806.2%和798.6%；S處理分別增加455.8%和315.3%，且W2 顯著高于W3（<0.05）；B1 處理分別增加 713.2%和801.6%；B2 處理分別增加311.3%和661.7%。相同水分條件不同處理土壤NO 累積排放量相比，W1 水分條件下，相比CK，S處理增加80.9%，B1 和B2 處理分別減少25.9%和22.9%；W2水分條件下，S處理增加10.9%，B1和B2處理分別減少33.5%和65.0%；W3 水分條件下，相比CK，S、B1和B2處理分別減少16.4%、25.7%和34.6%。

圖2 不同水分條件對(duì)添加秸稈或生物炭的土壤N2O累積排放的影響Figure 2 Effects of different water conditions on the cumulative emission of N2O from soil with straw or biochar

土壤NO 排放受土壤含水量及生物炭、秸稈添加的影響，對(duì)水分與生物炭和秸稈添加的交互作用分析表明，土壤水分和生物炭添加均極顯著影響土壤NO排放（<0.01），二者交互作用的影響也達(dá)到極顯著水平（<0.01）。秸稈添加對(duì)土壤NO排放影響不顯著，而與水分的交互作用顯著影響土壤NO排放（<0.05）。

2.2 土壤CO2排放通量和累積排放量

2.2.1 不同水分條件下土壤CO排放通量

不同處理土壤CO排放通量主要集中在培養(yǎng)前7 d（圖3），CK處理3個(gè)水分條件（W1、W2和W3）下CO的排放峰值分別達(dá)到了0.23、0.41、0.49 mg·kg·h（以CO-C 計(jì)，下同），S 處理分別達(dá)到0.25、0.45、0.48 mg·kg·h，B1處理分別達(dá)到0.18、0.38、0.40 mg·kg·h，B2處理分別達(dá)到0.24、0.38、0.44 mg·kg·h。相同水分不同處理之間，CO排放通量高峰含量無(wú)顯著差異。

圖3 不同水分條件對(duì)添加秸稈或生物炭的土壤CO2排放通量的影響Figure 3 Effects of different water conditions on the CO2 emission flux from soil with straw or biochar

2.2.2 不同水分條件下土壤CO累積排放量

水分和有機(jī)物添加均會(huì)引起土壤CO累積排放量的變化（圖4）。CK 處理中，CO累積排放量為W3>W2>W1，且W1和W3差異達(dá)到顯著水平（<0.05），相比 W1，W2 和 W2 土壤 CO累積排放量分別提高177.9%和247.1%。S 處理W2 和W3 條件下土壤CO累積排放量差異顯著，且均顯著高于W1（<0.05），分別提高116.6%和96.3%。B1 處理土壤CO排放總量在各水分處理間無(wú)顯著差異，（>0.05），相比W1，W2和W3 分別提高27.1%和15.4%。B2 處理土壤CO累積排放量為W3>W2>W1，W1、W2、W3 排放總量分別為29.26、41.92、55.64 mg·kg。相同水分不同處理之間土壤CO累積排放相比，W1 條件時(shí)為B1>B2>S>CK，其中，B2 和 CK、S 無(wú)顯著差異,但卻顯著低于 B1處理；W2條件不同處理中，土壤CO累積排放量為S>CK>B1>B2，其中CK 和S 處理差異不顯著，但顯著高于 B1 和 B2 處理（<0.05），相比 CK，S、B1 和 B2 處理CO累積排放量分別降低8.1%、26.9%和34.4%。W3水分條件下，相比 CK，S、B1 和 B2 處理 CO累積排放量均顯著降低（<0.05），分別降低33.3%、46.8%和30.3%。

圖4 不同水分條件對(duì)添加秸稈或生物炭的土壤CO2累積排放的影響Figure 4 Effects of different water conditions on the cumulative emission of CO2 from soil with straw or biochar

雙因素分析顯示，土壤水分和生物炭添加均極顯著影響土壤CO排放（<0.01），秸稈添加顯著影響土壤CO排放（<0.05），土壤水分和生物炭二者交互作用的影響也達(dá)到極顯著水平（<0.01），秸稈添加和水分二者交互作用顯著影響CO排放（<0.05）。

2.3 土壤含量變化

圖5 不同水分條件對(duì)添加秸稈或生物炭的土壤NH+4-N含量的影響Figure 5 Effects of different water conditions on the change of NH+4-N content in the soil with straw or biochar

2.4 水分和物料添加對(duì)N2O 和CO2排放的影響及其相互作用關(guān)系

土壤CO排放與土壤NO 排放之間的關(guān)系如圖7所示?；貧w分析顯示，隨土壤CO累積排放量的升高，土壤NO 排放量升高，二者呈線性關(guān)系，且達(dá)到極顯著相關(guān)水平（<0.000 1）。不同水分條件下，土壤NO 排放在不同物料添加后存在一定差異（圖8），回歸分析顯示，隨土壤水分的升高，土壤NO 排放量升高，其中，CK、S 和B1 處理隨水分升高，呈二次方程關(guān)系，B2 處理呈線性關(guān)系，4 個(gè)處理均達(dá)到極顯著相關(guān)水平（<0.001）。

圖7 土壤CO2與土壤N2O排放相關(guān)分析Figure 7 Correlation analysis of soil CO2 and soil N2O emission

圖8 土壤水分與土壤N2O排放相關(guān)分析Figure 8 Correlation analysis of soil moisture and soil N2O emission

3 討論

3.1 秸稈或生物炭添加對(duì)土壤N2O排放的影響

土壤中添加生物炭或秸稈均會(huì)引起土壤NO 排放量的改變。本研究中，在45%和75%田間持水量時(shí)，添加秸稈增加土壤NO 累積排放量，100%田間持水量時(shí)降低了土壤NO 累積排放量，而添加生物炭在3 個(gè)水分條件下均降低了土壤NO 累積排放量，這與多數(shù)研究結(jié)果一致。LIN 等研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期秸稈還田降低土壤NO 排放，而LI 等的研究指出，秸稈還田會(huì)導(dǎo)致NO 排放增加。秸稈還田時(shí)間的長(zhǎng)短是影響土壤NO 排放的重要因素，一般認(rèn)為短期秸稈還田通過(guò)增加土壤無(wú)機(jī)氮和土壤有機(jī)碳含量使土壤硝化和反硝化速率發(fā)生改變，而長(zhǎng)期秸稈還田通過(guò)改變土壤C/N 影響土壤微生物對(duì)氮素的吸收利用，進(jìn)而影響土壤NO 排放。在本研究培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)，秸稈添加后土壤NH-N 含量降低速度加快，說(shuō)明秸稈添加促進(jìn)了土壤硝化過(guò)程，同時(shí)相比其他處理，NO-N 含量較低，說(shuō)明反硝化速率提高，土壤無(wú)機(jī)氮的快速轉(zhuǎn)化、硝化和反硝化過(guò)程速率加快是導(dǎo)致土壤NO 排放量增加的主要原因。秸稈添加后，土壤pH 和土壤透氣性提高，土壤CO排放量增加（圖4），說(shuō)明土壤呼吸速率加強(qiáng)，參與硝化和反硝化等過(guò)程的微生物活性提高，從而促進(jìn)了土壤NO排放。土壤水分為100%時(shí)，秸稈添加降低了土壤NO 排放量，土壤水分飽和時(shí)，土壤呼吸作用受阻，致使土壤微生物活性降低，這可能是淹水條件下秸稈添加降低土壤NO 排放量的原因。

3.2 不同水分條件下秸稈或生物炭添加對(duì)土壤N2O排放的影響

土壤水分是影響土壤呼吸速率的主要因素，通過(guò)影響土壤生物與非生物進(jìn)程影響土壤CO的排放。土壤CO排放通量在前7 d 內(nèi)反應(yīng)劇烈，主要原因在于土壤水分狀況的變化會(huì)引起“Birch 效應(yīng)”（Birch ef?fect），即土壤水分變化會(huì)迅速提高微生物活性，激發(fā)土壤呼吸，進(jìn)而對(duì)土壤NO 排放產(chǎn)生影響。本研究中，土壤水分為45%和75%時(shí)，秸稈添加使土壤NO排放量增加，此時(shí)土壤CO累積排放量增加，通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖7），說(shuō)明秸稈添加后，土壤微生物活性提高，加快了土壤呼吸作用，導(dǎo)致土壤CO排放量增加，進(jìn)而導(dǎo)致土壤NO 排放量增加。水分對(duì)土壤呼吸作用的影響一般會(huì)持續(xù)2~6 d，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。本研究中，培養(yǎng)10 d 后，土壤CO排放通量基本不再隨水分變化發(fā)生劇烈變化，即土壤呼吸對(duì)土壤水分的響應(yīng)不再敏感，WEI等研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO排放在前27 d水分為主要影響因素，隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤CO排放通量不再隨水分變化而變化，本試驗(yàn)培養(yǎng)10 d 后，土壤CO排放通量基本穩(wěn)定，這可能是由培養(yǎng)試驗(yàn)所用土壤不同使水分的響應(yīng)敏感性不同導(dǎo)致的。土壤含水量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致土壤呼吸受阻，而在土壤水分接近田間持水量時(shí)，土壤呼吸最強(qiáng)烈。45%土壤含水量的土壤CO累積排放量最低，隨水分含量升高，土壤CO累積排放量顯著升高。DAVIDSON等研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，土壤水分含量與土壤呼吸量成顯著正相關(guān)。本研究中，土壤呼吸與土壤NO 排放存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖7），說(shuō)明土壤呼吸作用增強(qiáng)時(shí)，土壤NO排放量也會(huì)提高。

4 結(jié)論

（1）土壤水分影響土壤無(wú)機(jī)氮含量，S、B1 和B2處理土壤NH-N 含量為W1>W2>W3，4 個(gè)處理土壤NO-N含量均為W3>W2>W1。

（2）相比CK，生物炭添加在各水分條件下均顯著降低了土壤NO 排放量；秸稈添加在W1 和W2 水分條件下增加了土壤NO 排放量，在W3 水分條件下降低了土壤NO排放量。

（3）隨水分含量升高，秸稈添加后土壤NO 排放量先升高后降低，在W2 水分條件時(shí)最高；B1 和B2 處理隨水分增加，土壤NO 排放量增加，生物炭添加后，W2水分條件降低了土壤反硝化過(guò)程產(chǎn)生的NO。