王 啟，蘭 婷,2，賴晶晶，高雪松,2*

生物質(zhì)炭添加對不同pH紫色土硝化作用及N2O排放的影響①

王 啟1，蘭 婷1,2，賴晶晶1，高雪松1,2*

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130； 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與地理信息技術(shù)研究所，成都 611130)

生物質(zhì)炭施用可能對土壤中氮素硝化過程和N2O排放產(chǎn)生影響。本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究銨態(tài)氮肥與玉米秸稈生物質(zhì)炭施用量(0、1%、2%、5%、10%，/)對酸性(pH 5.10)和石灰性(pH 8.15)紫色土氮素硝化率、凈硝化速率及N2O排放特征的影響。結(jié)果表明：①酸性和石灰性紫色土生物質(zhì)炭處理平均凈硝化速率相比對照分別降低了33.7% ~ 93.7%和7.5% ~ 40.9%，生物質(zhì)炭添加抑制了酸性和石灰性紫色土硝化作用，在酸性紫色土中生物質(zhì)炭對硝化作用的抑制作用隨施用量的增加而增強(qiáng)，在石灰性紫色土中無明顯規(guī)律。②與對照相比，酸性紫色土N2O累計(jì)排放量在1% 生物質(zhì)炭和2% 生物質(zhì)炭處理下降幅分別為15.9%和27.7%，在5%和10% 生物質(zhì)炭處理下增幅分別為60.1%和93.2%；石灰性紫色土生物質(zhì)炭各處理N2O累積排放量均顯著高于對照。③綜合考慮，在酸性紫色土中1%、2% 生物質(zhì)炭施用對硝化作用抑制和N2O減排綜合效果最好，但在石灰性紫色土中無明顯抑制和減排效果。

生物質(zhì)炭；紫色土；凈硝化速率；硝化率；N2O排放

我國農(nóng)田每年氮肥施用量高達(dá)3 000萬t純氮，約占全球總用量的1/3，氮肥消費(fèi)量遠(yuǎn)超作物需求量，肥料利用效率卻不到50%[1]。低水平氮肥利用率不僅經(jīng)濟(jì)效益低下，同時(shí)導(dǎo)致土壤酸化[2]、水體富營養(yǎng)化[3]、溫室氣體排放[4]等一系列生態(tài)環(huán)境問題。土壤硝化作用是土壤氮素轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，也是生態(tài)系統(tǒng)中氮素?fù)p失和影響生態(tài)環(huán)境的潛在途徑[5]。硝化作用過程受土壤pH、水分、溫度、有機(jī)質(zhì)等諸多土壤性質(zhì)的綜合影響[6]。N2O被認(rèn)為是最主要的溫室氣體之一，其增溫潛力是CO2的298倍[7]，主要產(chǎn)生來源是土壤硝化和反硝化作用，農(nóng)田土壤排放的N2O占全球N2O排放總量的60%[8]，到2030年農(nóng)業(yè)N2O排放預(yù)期將增長35% ~ 60%[9]。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)缺氧熱解炭化成的難溶性芳香族化合物，對全球碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)和調(diào)節(jié)氣候變化具有重要影響[10]。有研究表明生物質(zhì)炭能通過影響土壤凈硝化速率[11]、提高氮的利用效率[12]、減少N2O排放[13-15]等影響土壤氮循環(huán)。生物質(zhì)炭的施用量及類型均會對土壤氮轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響，土壤類型和土壤性質(zhì)不同也是影響生物質(zhì)炭作用效果的重要因素[16]。季雅嵐等[17]發(fā)現(xiàn)在對酸性土壤分別施入12種不同生物質(zhì)炭后均能顯著促進(jìn)土壤硝化作用，相反Yang等[18]發(fā)現(xiàn)在酸性土壤中施入生物質(zhì)炭抑制了硝化作用，也有研究指出外源碳源的施入對土壤硝化活性沒有顯著影響[19]。Sun等[20]在對堿性土壤施用不同用量麥稈生物質(zhì)炭的研究中發(fā)現(xiàn)，0.5% 和1% 低量生物質(zhì)炭對土壤保氮能力有提升作用，但高量生物質(zhì)炭添加下提升能力減弱。有學(xué)者綜合統(tǒng)計(jì)分析近幾年相關(guān)文獻(xiàn)得出，生物質(zhì)炭施用下對土壤N2O平均減排率為54%[21]。但也有報(bào)道認(rèn)為生物質(zhì)炭對N2O排放沒有明顯影響，甚至?xí)龠M(jìn)N2O排放[22-24]，不同施用量的生物質(zhì)炭在不同土壤中甚至?xí)謩e表現(xiàn)出促進(jìn)和抑制N2O排放效果[25]。由此可見，不同用量生物質(zhì)炭對于不同性質(zhì)土壤中氮素轉(zhuǎn)化及N2O排放的影響和機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

四川紫色土耕地占全省耕地面積的36.5%[26]，其發(fā)育程度淺、結(jié)構(gòu)疏松、氮素含量低、保氮能力弱，硝酸鹽淋溶強(qiáng)烈[27]。隨著近年來紫色土墾殖率和復(fù)種指數(shù)提高，加速了紫色土中氮素的流失，使得氮素成為限制紫色土農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的營養(yǎng)元素。雖然已有生物質(zhì)炭對土壤氮素和N2O排放等方面的相關(guān)研究，但針對紫色土的研究鮮有報(bào)道，而酸堿度不同的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性的差異會影響氮素轉(zhuǎn)化進(jìn)程，尤其是在不同生物質(zhì)炭添加量下對氮轉(zhuǎn)化和N2O排放效果可能不盡相同。因此，本試驗(yàn)以西南地區(qū)典型的酸性和石灰性紫色土為研究對象，通過短期培養(yǎng)試驗(yàn)研究生物質(zhì)炭添加量對紫色土氮素凈轉(zhuǎn)化速率及N2O排放的影響，以期為理解生物質(zhì)炭對紫色土氮素轉(zhuǎn)化的影響及制定N2O減排措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為四川盆地內(nèi)的酸性和石灰性旱地紫色土，酸性紫色土取自樂山市市中區(qū)平興鄉(xiāng)(103° 31′56′′ ~ 103°59′25′′E，29°28′00′′ ~ 29°45′45′′ N)，堿性紫色土取自遂寧市安居區(qū)玉豐鎮(zhèn)(105°4′0′′~ 105° 43′45′′E，30°10′30′′~ 30°34′10′′N)，耕地農(nóng)作物均為玉米。樂山市市中區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，無霜期長達(dá)300 d以上，年平均氣溫為16.5 ~ 18.0 ℃，氣候濕潤、雨量充沛，土壤類型為酸性紫色土，母質(zhì)為白堊紀(jì)夾關(guān)組。遂寧市安居區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和、四季分明，無霜期長達(dá)283 ~ 300 d，年平均氣溫為16.7 ~ 17.4 ℃，雨量充沛、濕度大，土壤類型為石灰性紫色土，母質(zhì)為侏羅紀(jì)中統(tǒng)遂寧組。分別在兩地耕地相鄰范圍內(nèi)采集10個(gè)表層0 ~ 20 cm土壤，將其混合均勻?yàn)橐粋€(gè)土樣。每個(gè)樣本新鮮土過2 mm篩，分為兩個(gè)子樣本，一個(gè)子樣本放入4 ℃冰箱冷藏或立即用于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)；另一個(gè)風(fēng)干后測定理化性質(zhì)，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 供試生物質(zhì)炭

供試生物質(zhì)炭由玉米秸稈在450 ℃無氧條件下熱解制得，生物質(zhì)炭過2 mm篩備用，其基本理化性質(zhì)見表2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在酸性和石灰性紫色土中分別設(shè)置5個(gè)生物質(zhì)炭添加水平(0、1%、2%、5%、10%，/)：①酸性土無生物質(zhì)炭施入(AB0)；②酸性土1% 生物質(zhì)炭施入處理(AB1)；③酸性土2% 生物質(zhì)炭施入處理(AB2)；④酸性土5% 生物質(zhì)炭施入處理(AB5)；⑤酸性土10% 生物質(zhì)炭施入處理(AB10)；⑥石灰性土無生物炭輸入(CB0)；⑦石灰性土1% 生物質(zhì)炭施入處理(CB1)；⑧石灰性土2% 生物質(zhì)炭施入處理(CB2)；⑨石灰性土5% 生物炭輸入處理(CB5)；⑩石灰性土10% 生物質(zhì)炭施入處理(CB10)。每個(gè)處理設(shè)置7個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)3次重復(fù)。試驗(yàn)時(shí)，稱取40 g(風(fēng)干土重)鮮土樣于400 ml塑料瓶中，分別向培養(yǎng)瓶中加入相應(yīng)磨碎的生物質(zhì)炭(0.2 mm)。所有樣品在25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)預(yù)培養(yǎng)1 d，然后用移液槍向瓶內(nèi)土樣均勻加入2 ml 含氮(N)50 mg/kg的NH4Cl溶液，使其盡可能均勻分布于土壤；并用去離子水調(diào)節(jié)所有樣品含水量至60% 田間持水量，蓋上蓋子在25 ℃恒溫培養(yǎng)14 d。試驗(yàn)過程中，每天打開蓋子通氣30 min，保證培養(yǎng)在好氣條件下進(jìn)行，每隔3 d通過稱重法補(bǔ)充因蒸發(fā)而損失的水分。

表2 供試生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)

1.4 樣品采集與分析

在培養(yǎng)試驗(yàn)開始后的2 h、1 d、2 d、4 d、7 d、12 d和14 d，隨機(jī)選取3個(gè)重復(fù)破壞性采樣，加入200 ml 2 mol/L的KCl溶液，在25℃、250 r/min下振蕩1 h，過濾后儲存于4 ℃冰箱，采用CleverChem 380全自動間斷化學(xué)分析儀測定土壤浸提液中的NH4+--N和NO– 3-N濃度。

氣體樣本采集在培養(yǎng)試驗(yàn)開始后的1、2、4、7、12、14 d進(jìn)行。在采氣前12 h進(jìn)行換氣，蓋上連有三通閥的蓋子，使其完全密閉。采氣時(shí)用20 ml注射器接上三通閥，推拉5次使培養(yǎng)瓶內(nèi)空氣充分混合后精確采集20 ml氣體，并轉(zhuǎn)移入20 ml用真空泵已抽真空的小玻璃氣瓶中保存，N2O氣體濃度采用安捷倫7890A氣象色譜測定，N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體由中國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。

土壤基本理化性質(zhì)測定參照魯如坤《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[28]，其中土壤pH采用METTLER-S220- K pH計(jì)測定(2.5∶1水土質(zhì)量比浸提)，土壤顆粒組成采用比重計(jì)法測定，CEC采用乙酸銨-EDTA交換法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1)土壤硝化率計(jì)算公式[29]：

硝化率(%)=[NO– 3-N]/([NH4+-N]+[NO– 3-N])×100 (1)

2)氮素凈硝化速率計(jì)算公式[30]：

式中：N為土壤凈硝化速率，單位mg/(kg·d)；為培養(yǎng)天數(shù)。

3)N2O排放速率計(jì)算公式[30]：

式中：為N2O排放速率，單位mg/(m3·h)(N2O-N)；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度，單位1.25 kg/m3(N2O- N)；為培養(yǎng)瓶中氣體的有效空間，單位m3；為置于培養(yǎng)瓶內(nèi)的烘干土重，單位kg；Δ為二次采樣時(shí)間間隔的氣體濃度差，單位μg/L；Δ為兩次采樣的時(shí)間間隔，單位h；為培養(yǎng)時(shí)的溫度，單位℃。N2O排放速率為每次測得的3個(gè)重復(fù)計(jì)算平均值所得。

4)N2O累積排放量計(jì)算公式[30]：

N2O的累積排放量是通過相鄰兩次采樣的氣體平均排放通量與排放時(shí)間的乘積累加計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

式中：代表土壤N2O的累積排放量，單位為g/m3；代表土壤N2O排放速率，單位mg/(m3·h)(N2O-N)；代表采樣次數(shù)；為相鄰兩次采氣所間隔的天數(shù)。

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析(Pearson)檢驗(yàn)不同生物質(zhì)炭添加量下硝化率和N2O氣體排放之間的關(guān)系，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)各處理間差異的顯著性水平，采用最小顯著差異法(LSD，<0.05)進(jìn)行不同處理間均值的顯著性差異比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物質(zhì)炭對土壤銨態(tài)氮動態(tài)變化的影響

在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，AB0處理下NH4+--N含量均始終呈下降趨勢，生物質(zhì)炭處理下土壤中NH4+--N含量存在明顯的階段性特征(圖1)。各生物質(zhì)炭處理NH4+--N含量在培養(yǎng)0 ~ 1 d略微上升，此后至12 d各處理NH4+--N含量降低，12 ~ 14 d含量呈上升趨勢。至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，酸性紫色土添加生物質(zhì)炭處理NH4+--N含量為28.17 ~ 38.80 mg/kg，下降了23.8% ~ 48.0%，AB10處理NH4+--N含量降幅最小(23.8%)，AB0處理NH4+--N含量僅為6.06 mg/kg，下降了90.2%，與添加生物質(zhì)炭處理含量差異顯著。

同酸性紫色土，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，CB0處理下石灰性紫色土NH4+--N含量均始終呈下降趨勢，生物質(zhì)炭各處理在0 ~ 2 d時(shí)NH4+--N含量急劇下降，此后變化較小，在12 ~ 14 d時(shí)NH4+--N含量呈上升趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，石灰性紫色土各處理NH4+--N含量為2.81 ~ 9.84 mg/kg，CB0處理NH4+--N含量下降了95.1%，CB2處理下NH4+--N含量降幅最小(81.2%)。

圖1 生物質(zhì)炭不同添加量對酸性和石灰性紫色土NH4+-N含量的影響

2.2 添加生物質(zhì)炭對土壤硝態(tài)氮動態(tài)變化的影響

從圖2可知，各處理酸性紫色土NO– 3-N含量總體隨時(shí)間均呈上升趨勢。在整個(gè)培養(yǎng)期間，酸性紫色土AB0處理下NO– 3-N含量持續(xù)增加。在培養(yǎng)前4 d，酸性紫色土生物質(zhì)炭處理NO– 3-N含量變化較小，此后NO– 3-N 含量均顯著上升，在培養(yǎng)期間NO– 3-N含量均小于AB0處理。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，低量生物質(zhì)炭處理AB1、AB2的NO– 3-N含量與AB0處理間差異不顯著，高量生物質(zhì)炭處理AB5、AB10與AB0處理則差異顯著，AB10處理NO– 3-N含量最低，相比與AB0處理減少了47.7%。

石灰性紫色土生物質(zhì)炭各處理在1 ~ 14 d培養(yǎng)期間，NO– 3-N含量均小于CB0處理。在培養(yǎng)前2 d，石灰性紫色土各處理NO– 3-N含量顯著增加，此后CB0處理NO– 3-N含量略微上升，其余各處理NO– 3-N含量總體呈下降趨勢。至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與CB0處理相比，石灰性紫色土添加生物質(zhì)炭處理NO– 3-N含量下降了6.8% ~ 26.4%，CB10處理下石灰性紫色土NO– 3-N含量降幅最大(26.4%)。

圖2 生物質(zhì)炭不同添加量對酸性和石灰性紫色土NO– 3-N含量的影響

2.3 添加生物質(zhì)炭對土壤硝化率的影響

培養(yǎng)期間酸性紫色土AB0處理下硝化率始終呈上升趨勢，各生物質(zhì)炭處理土壤硝化率0 ~ 1 d先降低，1 ~ 12 d逐漸升高，12 ~ 14 d再下降(圖3)。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，酸性紫色土AB0處理硝化率最高(89.1%)，各生物質(zhì)炭處理硝化率為40.0% ~ 63.1%，且硝化率隨生物質(zhì)炭添加量增多而降低，AB10處理下培養(yǎng)結(jié)束時(shí)硝化率最低(40.0%)。石灰性紫色土硝化率呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定再略下降的趨勢。在0 ~ 2 d，石灰性紫色土各處理硝化率顯著上升，此后變化較小且處于同一顯著水平，在12 ~ 14 d時(shí)各處理(除AB0)處理外硝化率均有略微下降趨勢。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，石灰性紫色土CB0處理硝化率為95.9%，生物質(zhì)炭各處理硝化率為86.2% ~ 95.5%，CB2處理下石灰性紫色土硝化率最低(86.2%)；在2 ~ 12 d期間各處理硝化率無顯著差異，各處理硝化率均在93.8% ~ 98.7%，基本完成硝化作用。

生物質(zhì)炭添加可顯著降低酸性紫色土硝化率，且硝化率隨生物質(zhì)炭施入量的增多而降低；生物質(zhì)炭添加對石灰性紫色土硝化率影響不大，CB2處理下石灰性紫色土硝化率降低相對最多。

圖3 酸性和石灰性紫色土不同生物質(zhì)炭添加量下硝化率變化

2.4 添加生物質(zhì)炭對紫色土氮素凈硝化速率的影響

酸性紫色土氮素平均凈硝化速率隨生物質(zhì)炭添加量的增多呈下降趨勢(圖4)。酸性紫色土AB0處理平均凈硝化速率最高(3.05 mg/(kg·d))，酸性紫色土生物質(zhì)炭處理平均凈硝化速率相比AB0處理降低了33.7% ~ 93.8%。AB10處理平均凈硝化速率最低(0.19 mg/(kg·d))，與AB0處理相比下降了93.8%。石灰性紫色土各處理氮素平均凈硝化速率均處于較高水平，且隨生物質(zhì)炭施入的增多而降低(CB2處理除外)。石灰性紫色土CB0處理平均凈硝化速率最大(4.90 mg/(kg·d))，添加生物質(zhì)炭各處理平均凈硝化速率為2.89 ~ 4.53 mg/(kg·d)，相比CB0處理降低了7.5% ~ 40.9%。CB10處理平均凈硝化速率最低(2.89 mg/(kg·d))，與CB0處理相比下降了40.9%。

因此，添加生物質(zhì)炭可抑制酸性和石灰性紫色土氮素凈硝化速率，且高量(10%)生物質(zhì)炭添加下紫色土氮素平均凈硝化速率最低?？傮w來看，酸性紫色土平均凈硝化速率小于石灰性紫色土。

2.5 土壤N2O排放速率與累積排放量的變化

由圖5可知，在酸性紫色土試驗(yàn)中，在試驗(yàn)開始時(shí)(1 d)，土壤迅速產(chǎn)生N2O，在培養(yǎng)的1 ~ 4 d排放速率逐漸降低。培養(yǎng)1 d時(shí)，相比AB0處理，AB5處理N2O排放速率增加31.1%，AB1和 AB10處理分別降低26.0% 和70.9%。添加生物炭各處理在培養(yǎng)7 d時(shí)N2O排放速率均較培養(yǎng)4 d時(shí)增加。培養(yǎng)期間，AB1和 AB2處理N2O排放速率除在培養(yǎng)7 d時(shí)高于AB0處理，其余均小于AB0處理。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(14 d)，相比AB0處理，AB1和 AB2處理N2O排放速率分別降低73.5% 和75.1%，AB10處理增加了48.0%。

圖中同系列柱圖上方不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

石灰性紫色土N2O排放速率在試驗(yàn)開始時(shí)顯著大于酸性紫色土。在培養(yǎng)1 d時(shí)，除CB2處理外其余生物質(zhì)炭處理N2O排放速率均大于CB0處理。添加生物炭各處理在培養(yǎng)2 d和14 d天時(shí)的N2O排放速率均增加，且在2 d時(shí)增加顯著，各處理增幅分別為283.0%、350.4%、130.1% 和266.3%；培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(14 d)，生物質(zhì)炭各處理較CB0處理N2O排放速率分別增加50.8%、73.7%、45.9% 和143.8%。

圖5 酸性和石灰性紫色土不同生物質(zhì)炭添加量下N2O排放速率變化

由圖6可知，在酸性紫色土中與AB0處理相比，AB1和AB2處理N2O累計(jì)排放量降幅分別為15.9% 和27.7%；AB5和AB10處理N2O累計(jì)排放量分別增加60.1% 和93.2%。相比AB0處理，添加生物質(zhì)炭在1%和2% 低量時(shí)對N2O的排放具有抑制作用，而隨著添加量的提高，當(dāng)添加量為5% 和10% 時(shí)，促進(jìn)了土壤N2O的排放。在酸性紫色土中較低量生物質(zhì)炭添加能顯著降低N2O排放，但高量添加條件下顯著促進(jìn)了N2O排放。

石灰性紫色土生物質(zhì)炭各處理的N2O累積排放量均顯著高于CB0處理，CB1、CB2、CB5和CB10處理N2O累積排放量分別增長了42.3%、34.4%、18.8% 和34.7%。添加生物質(zhì)炭促進(jìn)了石灰性紫色土N2O的排放。

2.6 土壤硝化率與N2O排放的相關(guān)分析

由表3可知，酸性和石灰性紫色土中，各處理土壤硝化率與N2O累積排放量均有正相關(guān)關(guān)系。其中在酸性紫色土中，硝化率與N2O累積排放量在各處理中均呈極顯著正相關(guān)性；在石灰性紫色土中，硝化率與N2O累積排放量在CB0處理中呈極顯著正相關(guān)性，在CB1、CB5和CB10處理中呈顯著正相關(guān)性。

(圖中不同小寫字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05))

表3 土壤硝化率與N2O累積排放量的相關(guān)性分析

注：“*”和“**”表示在<0.05和<0.01水平顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭不同添加量對紫色土硝化作用的影響

在不同量生物質(zhì)碳的施用處理下，至培養(yǎng)結(jié)束酸性和石灰性紫色土NH4+-N含量降幅顯著低于對照，10%生物質(zhì)炭處理降幅最低，生物質(zhì)炭可能提高了土壤對NH4+的固持能力，尤其是酸性紫色土中NH4+-N含量降幅隨生物質(zhì)炭施用量的增加而減小。生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積會增加土壤中離子交換位點(diǎn)，使其表面交換活性升高，增加了土壤對NH4+的吸附[31]。針對紫色土的NH4+吸附動力學(xué)研究表明，隨土壤pH升高，土壤對NH4+吸附量增加[32]。生物質(zhì)炭施入增加了土壤pH，也促進(jìn)了土壤對NH4+的吸附能力。酸性紫色土在培養(yǎng)12 ~ 14 d時(shí)NH4+-N含量開始上升，李娜[33]在施用生物質(zhì)炭對黑土作用培養(yǎng)試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，并推測，當(dāng)土壤NH4+-N含量降低到一定水平，生物質(zhì)炭固定的非交換性氮釋放到土壤所導(dǎo)致。石灰性紫色土在培養(yǎng)0 ~ 2 d時(shí)土壤NH4+-N含量急劇下降，可能主要由生物質(zhì)炭施入后土壤pH升高帶來的氨揮發(fā)造成，同時(shí)pH的升高也降低了礦化速率且抑制了土壤氨氧化微生物的活性[34]。生物質(zhì)炭添加對紫色土NH4+的“吸附-解吸”過程及機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

培養(yǎng)期間，酸性和石灰性紫色土NO– 3-N含量和硝化率隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而降幅越大(CB2處理除外)，這與陳玉真等[35]研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭添加量對硝化作用的影響隨土壤pH、培養(yǎng)時(shí)間不同而有差異。在酸性土壤中，生物質(zhì)炭添加對硝化作用有明顯的抑制作用，且隨添加量增多硝化率降低。這些可能是因?yàn)椋孩偕镔|(zhì)炭本身的物質(zhì)組成會抑制土壤硝化作用，存在著一種硝化抑制劑-松萜或酚類物質(zhì)[22]，會改變土壤氨化或者硝化微生物活性，從而抑制硝化作用。②由于生物質(zhì)炭一般呈堿性[36](pH范圍8.2 ~ 13.0)，施用后能顯著提高紫色土pH，研究認(rèn)為參與硝化作用的氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)在酸性條件下豐度與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[37]。且AOA屬酸性古菌，在酸性環(huán)境中AOA比AOB活性更強(qiáng)，與硝化勢能的關(guān)聯(lián)度更高[38]。因此，在酸性紫色土中，AOA對生物質(zhì)炭施入后提升pH的響應(yīng)更為顯著，將會抑制硝化作用。③生物質(zhì)炭施入作為較高含量碳源，對土壤的異化還原反應(yīng)(DNRA)過程有利，從而降低NO– 3含量[39]。④Cheng等[40]研究指出，當(dāng)外源有機(jī)碳含量豐富(大于500 mg/kg)時(shí)，土壤微生物主導(dǎo)下的NO– 3固定作用會增強(qiáng)，進(jìn)而降低NO– 3含量?？傮w來看，石灰性紫色土硝化率高于酸性紫色土，與高pH土壤硝化作用較強(qiáng)結(jié)論一致[41]。由于施入生物質(zhì)炭對土壤pH的增加作用以酸性土壤較為明顯，在石灰性土壤中的增幅較小，可能導(dǎo)致了生物質(zhì)炭對酸性紫色土硝化率的影響遠(yuǎn)大于石灰性紫色土。

3.2 生物質(zhì)炭不同添加量對紫色土N2O排放的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，酸性紫色土在低量生物質(zhì)炭(1%、2%)添加條件下，抑制了N2O排放速率，2%生物質(zhì)炭添加量下N2O累積排放量降低了27.7%，與高德才等[42]和何志龍等[43]的研究結(jié)論相似。首先可能由于生物質(zhì)炭對NH4+的吸附減少了硝化底物，從而減少N2O排放。適量的生物質(zhì)炭添加也增加了土壤通透性，不利于厭氧條件下氮素微生物的反硝化進(jìn)程[44]，從而減少N2O累積排放量。本研究中土壤N2O排放量與NO– 3-N含量呈正相關(guān)關(guān)系(表3)，且本研究是進(jìn)行好氧培養(yǎng)，則推測大部分N2O的產(chǎn)生可能由硝化作用引起，且60% 田間持水量培養(yǎng)條件是N2O產(chǎn)自硝化或反硝化過程的臨界值[45]，但有研究表明在60%田間持水量的好氧條件下，反硝化過程對N2O的貢獻(xiàn)率仍達(dá)到28.0% ~ 46.9%，好氣培養(yǎng)條件下反硝化過程仍是土壤N2O排放的一個(gè)重要過程[46]。在酸性土壤中適量生物質(zhì)炭的施入能提高土壤pH，提高N2O功能還原酶(nosZ)活性，促進(jìn)N2O還原為N2[47]。而在酸性紫色土5% 和10% 生物質(zhì)炭添加量下促進(jìn)了N2O排放，推測可能原因?yàn)椋孩佥^高量生物質(zhì)炭輸入可能會通過顯著增加土壤有機(jī)碳含量，為反硝化微生物提供充足底物，顯著提高土壤型反硝化功能基因豐度促進(jìn)反硝化進(jìn)程[48]。Wang等[49]的研究也證明，在好氧條件下，如果可利用的有機(jī)碳含量充足，反硝化過程是產(chǎn)生N2O的主要過程。②高量生物質(zhì)炭的施入也可能促進(jìn)了硝化細(xì)菌反硝化過程(即硝化細(xì)菌驅(qū)動下的NO– 2還原過程)，在整個(gè)過程中只有氨氧化細(xì)菌參與，沒有NO– 3-N的生成[50]。而無生物質(zhì)炭添加的對照處理低pH限制了土壤硝化作用的進(jìn)行，導(dǎo)致生物質(zhì)炭處理的土壤N2O排放速率在前期1 ~ 2 d高于對照。石灰性紫色土中生物質(zhì)炭處理N2O累積排放量均高于對照，Prommer等[51]研究指出在石灰性耕作土壤中，生物質(zhì)炭能提高土壤氨氧化細(xì)菌的數(shù)量促進(jìn)反硝化進(jìn)程，在石灰性土壤上反硝化過程對N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)大于硝化作用[52]。本研究石灰性紫色土N2O排放集中在前4 d，是因?yàn)閴A性條件適宜硝化與反硝化作用的進(jìn)行，氨氧化菌豐度較大，施入氮肥后促進(jìn)其生長繁殖，造成NH4+-N含量迅速下降，同時(shí)釋放大量N2O[53]。生物質(zhì)炭不同用量在不同pH紫色土中N2O產(chǎn)生途徑和機(jī)制還需利用15N同位素示蹤技術(shù)和微生物學(xué)方法進(jìn)一步驗(yàn)證研究。

4 結(jié)論

1)生物質(zhì)炭施入抑制了酸性和石灰性紫色土硝化作用，對酸性紫色土抑制效果更明顯。在酸性紫色土中生物質(zhì)炭對硝化率和氮素凈硝化速率的抑制作用隨施用量的增加而增強(qiáng)；在石灰性紫色土中1% 和2%生物質(zhì)炭處理硝化率低于對照，10% 生物質(zhì)炭處理氮素凈硝化速率最低。

2)在酸性紫色土中低量(1% 和2%)生物質(zhì)炭處理對N2O的排放具有抑制作用，高量(5% 和10%)生物質(zhì)炭處理對N2O排放具有促進(jìn)作用。在石灰性紫色土中，各生物質(zhì)炭處理均促進(jìn)了N2O排放。

3)在酸性紫色土中1%、2% 生物質(zhì)炭施用下對硝化作用抑制和N2O減排綜合效果最好，在石灰性紫色土中無明顯效果。

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Effects of Biochar Application on Nitrification and N2O Emission in Purple Soils with Different pH

WANG Qi1, LAN Ting1,2, LAI Jingjing1, GAO Xuesong1,2*

(1 College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Institute of Resources and Geography Information Technology, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

Biochar can influence soil nitrogen nitrification and N2O emission. An indoor incubation experiment was conducted to study the net nitrogen nitrification rates and N2O emission in acidic (pH 5.10) and calcareous (pH 8.15) upland purple soils under different application rates of maize straw biochar (0, 1%, 2%, 5%, and 10% dry soil weight) with ammonium nitrogen fertilizer. The results showed that: 1) Biochar addition inhibited net nitrogen nitrification rate in purple soils, compared withthe control treatment (no biochar application), biochar application reduced the average net nitrogen nitrification rate by 33.7%-93.7% in acidic purple soil and 7.5%-40.9% in calcareous purple soil. With the increase of biochar application rate, the inhibition was enhanced in acidic purple soil but irregular in calcareous purple soil. 2) compared with the control treatment, cumulative N2O emission in acidic purple soil decreased by 15.9% and 27.7% with 1% and 2% biochar addition rates, increased by 60.1% and 93.2% with 5% and 10% biochar addition rates, respectively, and cumulative N2O emission of all biochar addition treatments in calcareous purple soil were significantly higher than that of the control treatment. 3) In general, biochar has no positive effect for calcareous purple soil in inhibiting nitrification and mitigate N2O emission,while 1% and 2% biochar addition rates are optimal for in acidic purple soil.

Biochar; Purple soil; Net nitrogen nitrification rate; Nitrification rate; N2O emission

S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.06.011

王啟, 蘭婷, 賴晶晶, 等. 生物質(zhì)炭添加對不同pH紫色土硝化作用及N2O排放的影響. 土壤, 2020, 52(6): 1170–1178.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501243)資助。

(gxs80@126.com)

王啟(1994—)，男，四川雅安人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽仙恋匮h(huán)和溫室氣體排放。E-mail：wangqibilly@sohu.com