石文君 王婷婷 高夢雨 楊楠南 麻新 楊勁峰

摘 要：土壤硝化和反硝化是生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，是氮素?fù)p失的潛在途經(jīng)，土壤硝化和反硝化作用可向大氣中釋放溫室氣體，由此帶來環(huán)境危害。對于它們的研究成為當(dāng)前農(nóng)學(xué)與環(huán)境研究的熱點(diǎn)之一。BaPS技術(shù)是一種嶄新的研究旱地土壤硝化和反硝化作用的方法，采集的是田間原狀土柱，對土壤原有的結(jié)構(gòu)破壞較小，不額外添加抑制劑或氮源。有效地避免了同位素示蹤法帶來的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來的土壤原有氣體組成改變等問題的出現(xiàn)。該技術(shù)操作簡單、快速，且在通氣良好的土壤中準(zhǔn)確性和同位素示蹤法相當(dāng)。本文利用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)學(xué)科2011年建立的炭基肥大田定位試驗(yàn)，在花生不同生育時(shí)期采集土壤樣本，采用BaPS技術(shù)進(jìn)行耕層土壤呼吸、硝化和反硝化速率的測定。初步了解BaPS技術(shù)應(yīng)用方法和特點(diǎn)，明確施用炭基肥及不同生物炭用量對土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率的影響。為深入探明炭基肥及生物炭改良土壤和提高土壤肥力的機(jī)理提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：BaPS技術(shù)；炭基緩釋肥；土壤呼吸；硝化速率；反硝化速率

氣壓過程分離（BaPS）技術(shù)，針對原狀土壤樣品進(jìn)行硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率的測定。測量結(jié)果精確，與15N同位素稀釋技術(shù)測量結(jié)果高度相關(guān)?？蓪?shí)現(xiàn)特定時(shí)間土壤中占主導(dǎo)地位微生物學(xué)過程（硝化作用和/或反硝化作用）的判斷，并且是評價(jià)施肥管理?xiàng)l件下硝酸鹽淋溶和N2O的釋放，評估土壤氮素?fù)p失和大氣環(huán)境污染的潛在途徑。成為氮沉降條件下碳氮耦合循環(huán)研究的有效解決方案。隨著人們對N2O氣體的關(guān)注和深入研究，硝化作用速率和反硝化作用速率的測定方法也在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，由于實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)裝置的要求也比較高。又因?yàn)槠溆绊懸蜃虞^多，所以實(shí)驗(yàn)室模擬也比較困難，大部分都是培養(yǎng)后測定其作用速率，和其他研究結(jié)果進(jìn)行對照，我們看到BaPS技術(shù)現(xiàn)在被認(rèn)為是測定硝化作用速率、反硝化作用的首選方法，它不需要運(yùn)用15N同位素稀釋技術(shù)，不需要添加抑制劑，可以實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)原狀土樣的的測定，并且實(shí)驗(yàn)的維修成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于15N同位素稀釋技術(shù)（不需要大型分光光度計(jì)）。BaPS技術(shù)有效的避免了同位素示蹤法帶來的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來的土壤原有氣體組成改變等問題的出現(xiàn)，所以BaPS技術(shù)在生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及農(nóng)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于遼寧省沈陽市沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生定位科研基地內(nèi)（123°33' E， 40°48'N），地處松遼平原南部的中心地帶，屬于溫帶濕潤—半濕潤季風(fēng)氣候。年均氣溫7.0～8.1℃，10℃以上積溫3300～3400℃，無霜期為148～180天，生長季降雨量平均為547毫米。試驗(yàn)地為旱地棕壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡育濕潤淋溶土。炭基肥定位試驗(yàn)始于2011年，試驗(yàn)前耕層土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地種植制度為一年一熟花生連作，品種為花育33，種植密度為15萬穴/公頃，每穴種植2株。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：處理1（不施肥，以CK表示）、處理2（生物炭225公斤/公頃，以C15表示）、處理3（生物炭750公斤/公頃，以C50表示）、處理4（82.5公斤N/公頃、82.5公斤P2O5/公頃、97.5公斤K2O/公頃，以NPK表示），處理5（炭基緩釋肥750公斤/公頃，以TJHS表示）。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積27平方米，隨機(jī)排列。采用90厘米大壟雙行種植方式，行距30厘米，株距15厘米，小區(qū)寬4.5米，長6米。采用隨機(jī)排列。所有肥料混勻后采用條施做基肥一次施入，施入深度15～20厘米，覆土。其中C15處理與TJHS處理碳素投入量相同，NPK處理與TJHS處理養(yǎng)分投入量相同。

1.3 樣本采集與分析

2015年花生不同生育時(shí)期土壤樣本采集：于2015年花生播種后苗期、開花下針期、結(jié)莢期采集耕層（0～20厘米）土壤樣本。樣本采集為環(huán)刀原位取樣，BaPS系統(tǒng)中7個(gè)環(huán)刀為一組，每個(gè)環(huán)刀在同一小區(qū)中隨機(jī)采集不同樣點(diǎn)，采后立即用塑料蓋密封環(huán)刀，防止水分散失。因此土壤呼吸、硝化和反硝化速率是7個(gè)樣點(diǎn)的均值。采樣結(jié)束后立即將裝有土樣的環(huán)刀送到實(shí)驗(yàn)室，置于BaPS實(shí)驗(yàn)容器，密閉后放入恒溫水?。ㄔO(shè)定為采樣時(shí)的土壤溫度）進(jìn)行測定。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

將采好的上壤環(huán)刀稱重后置于實(shí)驗(yàn)容器中，密閉后放入恒溫水浴設(shè)定為采樣時(shí)的上壤溫度，待密閉空間內(nèi)的溫度與恒溫水浴溫度達(dá)到一致，進(jìn)行氣密性檢測并同時(shí)測定密閉空間體積。氣密性檢測方法為針筒準(zhǔn)確抽取氣體，之內(nèi)密閉空間內(nèi)壓力變化小于0.8百帕。輸入必要的土壤參數(shù)（土重、含水量、pH值）之后進(jìn)行測定，密閉測定過程為10～12小時(shí)。測定結(jié)束之后計(jì)算軟件直接給出土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率。對極少數(shù)不能立即分析的土樣先放入冰箱于0～4℃下保存，保存時(shí)間不超過1周。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤呼吸速率的影響

由圖1可以看出，不同施肥處理對花生各生育時(shí)期土壤呼吸速率影響不同。從花生的整個(gè)生育期來看，CK處理與C15處理土壤呼吸速率變化規(guī)律類似，均呈下降趨勢，但針對花生三個(gè)生育期略有差異，在花生開花下針期，C15處理較CK處理呼吸速率高出78.32μgC/kgDWh，而到結(jié)莢期C15處理卻較CK處理低?？梢姴皇┓驶蚴┤氲土可锾客寥篮粑俾孰S著生育期的進(jìn)行而降低。C50處理與NPK處理對花生整個(gè)生育期的土壤呼吸速率影響規(guī)律類似，整個(gè)生育期土壤呼吸速率變化不大，趨近于一條直線。TJHS處理對花生整個(gè)生育期土壤呼吸速率的影響呈先增加后降低的趨勢，在花生開花下針期達(dá)到峰值，為260.06μgC/kgDWh，達(dá)到5個(gè)處理在該時(shí)期土壤呼吸速率的最大值。

不同用量生物炭的兩個(gè)處理（C15和C50）與CK處理作比較，可以明顯看出C50處理能夠穩(wěn)定土壤呼吸速率，使得土壤有機(jī)質(zhì)在整個(gè)花生生育期能持續(xù)、穩(wěn)定分解。與CK相比，TJHS處理使得土壤呼吸速率呈倒“V”型增長，在開花下針期土壤呼吸速率提高78.43%，可見施用炭基肥可以有效提高花生生長旺盛時(shí)期土壤呼吸速率，加快新陳代謝。對比C15與TJHS兩個(gè)處理，盡管TJHS處理花生土壤呼吸速率比C15處理在花生開花下針期高出35.99μgC/kgDWh，但在苗期TJHS處理卻顯著低于C15處理，說明等碳量投入情況下，增施氮磷鉀養(yǎng)分對花生開花下針期影響較大，而在生育前期和后期影響不大?；ㄉ_花下針期是植物迅速生長、增葉、大量開花的時(shí)期，對花生最終的產(chǎn)量有決定性的影響，增加炭基肥可有效的提高土壤呼吸速率，促進(jìn)植物生長，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

2.2 不同施肥處理對土壤硝化速率的影響

由圖2可以看出，施肥均能提高土壤的硝化速率，加速氮素流失，采用不同肥料對土壤硝化化速率影響不同。從花生的整個(gè)生育期來看，C15與C50處理土壤硝化速率變化規(guī)律相似，均為先降低后增加的趨勢，但C50處理變動(dòng)幅度不大，而C15處理則變幅較大，由于苗期施入低量生物炭，使得土壤耕層硝化作用最高，達(dá)到318.45μgN/kgSDWh；到開花下針期急劇下降至52.25μgN/kgSDWh，而C50處理此時(shí)的硝化速率則高出C15處理61.73μgN/kgSDWh。此后C50處理均比C15處理土壤呼吸速率高，由此可見，排除花生苗期的特殊性，增加生物炭施入明顯提高土壤的硝化速率，加速了氮素?fù)p失。

對比NPK與TJHS兩個(gè)處理，育期內(nèi)的變化趨勢大致相同，均先增加后降低。整個(gè)生育期TJHS處理土壤硝化作用高于NPK處理。其中炭基肥處理平均硝化作用為74.50μgN/kgSDWh，比NPK處理高26.04%。可見相同養(yǎng)分投入情況下，炭基肥會(huì)明顯加速氮素轉(zhuǎn)化，發(fā)生硝化作用，如果作物吸收量小于轉(zhuǎn)化數(shù)量，就會(huì)加速氮素以氣態(tài)形式損失，或過多的氮素進(jìn)入到水體中，引起地下水硝酸鹽超標(biāo)或水體富營養(yǎng)化。

2.3 不同施肥處理對土壤反硝化速率的影響

由表2可以看出，在不同生育時(shí)期花生土壤反硝化速率的差異不像呼吸速率和硝化速率那樣明顯，僅個(gè)別處理的個(gè)別時(shí)期能監(jiān)測到土壤反硝化速率。分析原因主要是由于有些文獻(xiàn)指出反硝化作用僅僅在田間持水量大于76%的條件下發(fā)生，本研究中土壤為棕壤（2011年摻入5厘米沙土），土壤含水量較低；而且表層土壤與大氣的氣體交換很快，沒有達(dá)到反硝化發(fā)生的最適條件。其次由于目前BaPS技術(shù)所能檢測的反硝化速率精度為15μgN/kgSDWh，只有當(dāng)反硝化速率高于臨界值時(shí)才能檢測出。雖然利用BaPS系統(tǒng)研究早地土壤呼吸、硝化—反硝化過程在理論上可行，但反硝化速率只是在外界條件適宜的情況下才可檢測到，具有很大的偶然性，因此在本實(shí)驗(yàn)的外界條件下應(yīng)用BaPS技術(shù)對于土壤反硝化速率檢測效果不理想。

3 結(jié)論

應(yīng)用BaPS技術(shù)可以快速準(zhǔn)確檢測土壤耕層呼吸速率和硝化速率，由于采集的是田間原狀土柱，因此對土壤原有結(jié)構(gòu)破壞較?。磺以摲椒ú僮骱唵?、快速。但在測定過程中外界多種因素會(huì)影響測定結(jié)果。首先土壤pH值與測定結(jié)果密切相關(guān)，土壤過酸或過堿會(huì)導(dǎo)致儀器檢測精度降低。其次土壤含水量會(huì)明顯影響測定精度和結(jié)果，本試驗(yàn)采用的棕壤（摻沙）土壤含水量非常低，因此導(dǎo)致在環(huán)刀取土?xí)r無法完成取出塊狀土，導(dǎo)致反硝化作用無法檢測出。今后再測定時(shí)，如果土壤含水量過低，可采用人工灌水的方式，要確保試驗(yàn)所有小區(qū)灌入等量的水。最后環(huán)境的溫度也會(huì)明顯影響測定數(shù)值大小。外界溫度如果變化1℃，就會(huì)引起測定結(jié)果劇烈變化。由于測定需要培養(yǎng)10～12小時(shí)，因此溫度都會(huì)發(fā)生變化，影響測定結(jié)果。因此如采用BaPS技術(shù)測定，要選擇配有空調(diào)且單獨(dú)的房間，以確保外界溫度變化對測定結(jié)果產(chǎn)生影響；同時(shí)盡量過多的打開和關(guān)閉儀器的房間門，減少人員流動(dòng)等。作為一種新興的方法，BaPS有著傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢，同時(shí)也存在著一些不足，一些實(shí)驗(yàn)條件的控制和相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定還需不斷摸索、調(diào)試。

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目—甲類“應(yīng)用BaPS技術(shù)研究施用炭基肥對土壤硝化和反硝化速率的影響”（2015）。

作者簡介：石文君（1993-），女，本科生，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究；通訊作者：楊勁峰（1977-），男，博士，副教授，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。

（責(zé)任編輯 亓 國）