高 宇，王佰慧，鄒 瑜，王書麗，向 蒗，付艷秋，胡冬南，郭曉敏，張 令

（1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 江西省森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045；2. 赤峰市農(nóng)牧業(yè)綜合行政執(zhí)法支隊，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

溫室氣體排放加劇全球氣候變暖[1]，導(dǎo)致系列環(huán)境問題頻發(fā)，如水資源短缺[2]、區(qū)域干旱化加劇[3]等。氧化亞氮(N2O)是主要的溫室氣體之一，在百年尺度上，N2O造成全球變暖的潛力是二氧化碳(CO2)的265倍[4]。土壤是N2O的一個重要排放源[5]，據(jù)估計，大氣中80%～90%的N2O來源于土壤[6]。土壤中由微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化過程是N2O主要產(chǎn)生途徑，其中，施肥土壤是N2O排放量最高的土壤。有研究表明：氮(N)、磷(P)肥的大量施用會增加土壤氣態(tài)氮、氧化氮(NO)、N2O等的排放[7?9]。因此，合理施肥對緩解全球氣候變化顯得極為重要。土壤N2O的排放不僅僅與施N、P肥相關(guān)，還受土壤含水量的影響，土壤含水量是影響N2O的排放的一種潛在因素[10]。有研究表明：土壤含水量的增加會降低土壤N2O的排放[11?12]，也有研究表明：土壤含水量的增加會促進土壤N2O的排放[13?15]。聚丙烯酰胺是用強吸水性樹脂制成的超高吸水保水能力的高分子聚合物。它可以吸收大量的水，然后形成水凝膠，且可以反復(fù)吸水。當(dāng)土壤處于干旱時，它會緩慢的將水分釋放，供土壤和植物利用[16?18]，大幅度提高了用水效率。而且聚丙烯酰胺還具有改善土壤結(jié)構(gòu)、低成本、使用方便等諸多優(yōu)點，對農(nóng)林產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營具有一定的實際意義。油茶Camellia oleifera是中國南方最重要的食用油料樹種，主要分布于秦嶺淮河以南至華南北部，以江西和湖南為主產(chǎn)區(qū)。江西省油茶產(chǎn)區(qū)屬于典型的紅壤地區(qū)，受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，夏季水熱不同期。在這一時期內(nèi)，油茶樹進行產(chǎn)果，氮磷的缺乏會影響油茶的油脂轉(zhuǎn)化，缺水會導(dǎo)致油茶落果，這將會限制油茶林的高產(chǎn)[19]。因此，保水劑聚丙烯酰胺的施用對油茶林的產(chǎn)果量有著很大意義。近年來，已有不少研究表明施氮、磷肥可以促進溫室氣體排放[7?9]，聚丙烯酰胺可以增加土壤含水量，進而影響土壤N2O排放，那聚丙烯酰胺和氮、磷肥共同施用會如何影響油茶林土壤N2O排放？本研究通過添加不同肥料和不同用量聚丙烯酰胺，來探究聚丙烯酰胺和施肥對油茶土壤N2O排放的影響，為發(fā)展高效節(jié)水林業(yè)和緩解全球氣候變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況和材料來源

樣地位于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園 (28°45′53″N，115°50′10″E)，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。年日照時間為 1 723～1 820 h，日照率為 40%，7?8月最高，2?3月最低；年平均氣溫約 18 ℃，年降水量為 1 600～1 700 mm，降水日主要集中在4?6月。土壤為典型紅壤。

所用油茶苗是1年生實生苗，土壤采自未施肥油茶林。所施用的氮肥為硝酸銨(NH4NO3，分析純)，磷肥為磷酸氫二鈉(Na2HPO4，分析純)。保水劑聚丙烯酰胺(分析純)為陰離子型，平均分子量不小于 1 000萬。土壤基本理化性質(zhì)：有機碳 13.01 g·kg?1、全氮 1.46 g·kg?1、速效磷 1.07 mg·kg?1、銨態(tài)氮1.87 mg·kg?1、硝態(tài)氮 1.68 mg·kg?1、pH 5.76。

1.2 研究方法

盆栽試驗于2018年4月17日至9月26日進行，盆栽容器為高18 cm，寬16 cm的圓形花盆，每盆土質(zhì)量為1 500 g。試驗共設(shè)置12個處理：C0+ck、C0+P、C0+N、C0+N+P、C1+ck、C1+P、C1+N、C1+N+P、C2+ck、C2+P、C2+N、C2+N+P。其中，C0、C1、C2分別為施用保水劑聚丙烯酰胺0、1.0、2.0 g·kg?1。每個處理3個重復(fù)，聚丙烯酰胺與土壤混施，氮磷肥加水混合均勻噴施。共施肥3次，分別為 6月1日 (0.050 g·kg?1N，0.025 g·kg?1P)、6月 24日 (0.040 g·kg?1N，0.020 g·kg?1P)和 7月18日(0.040 g·kg?1N，0.020 g·kg?1P)，共施氮肥 0.130 g·kg?1，磷肥 0.065 g·kg?1。

1.3 試驗樣品的采集與測定

采用靜態(tài)暗箱法測定土壤N2O通量。靜態(tài)箱體由箱體和底座2個部分組成，箱體是由有機玻璃制成的內(nèi)徑為18 cm，高為80 cm的圓柱體。箱體上側(cè)的中心位置有1個小孔，用于放置溫度計，用于記錄箱體溫度。箱體外部用錫箔紙進行包裹，保證在采氣過程中內(nèi)部是黑暗狀態(tài)。底座由水進行密封，保證在抽氣過程中箱內(nèi)空間密閉。采樣時把每盆油茶苗搬到底座上，再扣上箱體，用50 mL的醫(yī)用注射器進行氣體采集。采氣過程中，注射器需反復(fù)抽拉10次，保證所采氣體是混合均勻的[20]。氣體采集時間自5月23日開始，7 d采集1次，每次施肥后的第1、3、6天進行氣體采集，后逐漸延長采氣時間。每次的氣體采集時間為9:00?11:00，蓋上箱體后的0、5、10、15 min分別抽取40 mL氣體注入真空氣袋。在氣體采集過程中，用W.E.T Sensor Kit測定盆栽內(nèi)土壤的溫度和濕度。

N2O累積排放量根據(jù)以下公式計算：

其中：L代表N2O排放通量(μg·m?2·h?1)，i表示第i次進行氣體采集，ti+1?ti代表2次采樣的間隔天數(shù)，n代表氣體采集的次數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和處理，利用JMP 9.0軟件進行單因素方差分析，利用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理間N2O排放通量、土壤溫度和土壤含水量的動態(tài)變化

由圖1和圖2可見：隨著時間的變化，不同處理土壤溫度和N2O排放通量無明顯差異。聚丙烯酰胺處理土壤含水量高于未添加聚丙烯酰胺，說明聚丙烯酰胺對土壤有很好的保水作用。

圖1 南昌市平均降水量、平均氣溫圖和試驗土壤含水量、土壤溫度動態(tài)圖Figure 1 Dynamic diagram of mean rainfall and medial temperature in Nanchang, and dynamic diagram of soil water content and soil temperature

圖2 土壤 N2O 排放通量動態(tài)圖Figure 2 Dynamic diagram of soil N2O emission flux

2.2 不同聚丙烯酰胺添加和施肥對土壤含水量的影響

由表1和圖3可見：未施肥條件下，C1和 C2處理土壤含水量較之C0，分別增加37.5%、53.2%(P＜0.05)；單施N條件下，土壤含水量從大到小依次為C2、C1、C0，與C0對比，C1和C2分別增加38.3%、61.4%(P＜0.05)；單施P條件下，C1和C2處理土壤含水量較之C0，分別增加51.4%、71.6%(P＜0.05)；施N+P條件下，C1和C2處理土壤含水量較之C0，分別增加65.4%、57.6%(P＜0.05)?？傮w上，C1、C2處理土壤含水量均顯著高于C0，說明聚丙烯酰胺可以有效提高土壤保水性能。

圖3 不同聚丙烯酰胺添加和施肥對土壤含水量的影響Figure 3 Effects of different polyacrylamide addition and fertilization on soil moisture content

表1 不同處理對土壤 N2O 排放通量、土壤含水量和N2O累積排放量的影響Table 1 Effects of different treatments on soil N2O emission flux, soil moisture content and cumulative N2O emission

2.3 不同聚丙烯酰胺添加和施肥對土壤N2O排放的影響

由圖4和圖5可見：添加1.0 g·kg?1聚丙烯酰胺條件下，施N、P、N+P的土壤N2O排放通量較之未施肥土壤，分別增加56.0%、61.7%、40.7%(P＜0.05)；添加2.0 g·kg?1聚丙烯酰胺條件下，施P、N+P的土壤N2O排放通量較之未施肥土壤，分別增加38.7%、58.1%(P＜0.05)。C0+ck、C1+ck、C2+ck處理表明：添加聚丙烯酰胺的土壤N2O排放通量要低于未添加的，但不顯著，可能是聚丙烯酰胺施用的量較小。相對于只添加聚丙烯酰胺的處理，施肥和添加聚丙烯酰胺的，土壤N2O排放通量增加，說明聚丙烯酰胺與N、P之間存在某種作用促進土壤N2O排放。施P顯著提高土壤N2O累積排放量(P＜0.05)，相較于ck增加13.3%。

圖4 不同聚丙烯酰胺添加和施肥對土壤N2O排放通量的影響Figure 4 Effects of different polyacrylamide addition and fertilization on soil N2O emission flux

圖5 施磷肥對 N2O累積排放量的影響Figure 5 Influence of phosphate fertilizer on N2O cumulative emission

3 討論

3.1 聚丙烯酰胺施用對施肥油茶土壤N2O排放的影響

施用聚丙烯酰胺顯著提高了油茶土壤的含水量，原因可能是聚丙烯酰胺影響了土壤的孔隙狀況，降低土壤入滲率，增加了土壤的持水能力[21]，而且聚丙烯酰胺是一種含有大量親水基和疏水基的高分子化合物，它可以加強土壤對水分子的吸著能力，從而有效抑制土壤水分的蒸發(fā)，增加土壤含水量[22]。而土壤含水量和施肥共同影響土壤N2O排放通量。不同施肥處理的土壤含水量從大到小依次為C2+N、C1+N、C0+N和C2+P、C1+P、C0+P和C1+N+P、C2+N+P、C0+N+P，不同施肥處理土壤N2O排放通量最高的分別是C1+N、C1+P、C2+N+P，總體表現(xiàn)為施肥處理下的土壤N2O排放通量隨著土壤含水量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。因為土壤含水量控制著氧氣進入土壤以及土壤中NO、N2O和氮氣(N2)的排放[23]，在干燥的土壤中，氣體的擴散率很高，所以大部分NO在被消耗之前就可以從土壤中擴散出去[24]。在濕潤的土壤中，氣體的擴散率較低，透氣性較差，大部分NO在逸出土壤之前就被減少了，更多的被還原，氧化物N2O是主要的最終產(chǎn)物。當(dāng)土壤的含水量更高且土壤大多為厭氧狀態(tài)時，大部分的N2O在逸出土壤之前被反硝化作用進一步還原為N2[25]。本研究中，在C0處理下，施N、N+P處理并沒有顯著增加土壤N2O排放通量，造成這樣的原因可能是低土壤含水量影響了土壤微生物活性，減少了無機氮的產(chǎn)生，抑制了土壤的硝化和反硝化作用[24]；施P處理的土壤N2O排放通量略低于ck，可能是磷肥的施用促進植物對氮的吸收利用。通過比較C0+ck、C1+ck、C2+ck，較高的土壤含水量抑制了土壤N2O排放通量，這可能是因為土壤處于厭氧環(huán)境，反硝化最終的主要產(chǎn)物是N2，而且較高的土壤含水量有利于提升養(yǎng)分的運輸速率，加快了植物對無機氮的吸收，從而減少了土壤N2O的排放[26]。

3.2 施用磷肥對油茶土壤N2O排放的影響

磷是油茶品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵限制因子，所以在經(jīng)營油茶林的時候，磷肥的施用是不可少的。本研究發(fā)現(xiàn)施用磷肥促進了N2O累積排放量，這與以往的一些研究恰好相反。有研究[11, 27]發(fā)現(xiàn)：施用磷肥減少了N2O的排放，并認(rèn)為這可能是土壤中的速效磷含量低，限制了植物對無機氮的吸收，而磷肥的施用增加了土壤速效磷含量，解除了植物的營養(yǎng)限制，減少了可用于生產(chǎn)N2O的無機氮含量，從而降低了土壤N2O的排放。但也有研究表明：施用磷肥促進了N2O的排放[28?30]，與本研究結(jié)果一致。一方面，因為土壤在缺磷的時候，微生物的活性受到抑制[31?33]，而施用磷肥解除了微生物的磷限制，從而微生物活性增強，由微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化作用就會被加強，促進了土壤N2O的排放。另一方面，施用磷肥刺激了異養(yǎng)菌群的活性，增加了土壤中氧氣的消耗，創(chuàng)造出一個厭氧環(huán)境，有利于反硝化作用[34]。而且施用磷肥也可能會通過誘導(dǎo)微生物對氮的需求來促進土壤有機質(zhì)的分解，影響土壤總氮的礦化，增加硝化和反硝化作用的底物，從而促進土壤N2O的排放[35]。本研究所用土壤是典型紅壤，存在較強的磷限制，這不僅限制了植物對養(yǎng)分的吸收，還限制了微生物的活性。施用磷肥解除了這些限制，促進了植物對無機氮的吸收，但也加強了微生物的硝化和反硝化作用。從本結(jié)果來看，可能是微生物介導(dǎo)氣態(tài)氮釋放過程的強度要大于植物對N的吸收強度，導(dǎo)致總體的土壤N2O排放的增加。

4 結(jié)論

施用聚丙烯酰胺會顯著提高油茶林土壤含水量，并隨施用聚丙烯酰胺施用量的增加土壤含水量也不斷升高。施用聚丙烯酰胺不會促進土壤N2O排放通量，但氮、磷肥和聚丙烯酰胺存在交互作用，施聚丙烯酰胺條件下，施用氮、磷肥會顯著增加土壤N2O排放量。施用磷肥促進了油茶林土壤N2O排放，因此，油茶林要合理施肥，在磷肥能滿足樹木生長所需的前提下，減少磷肥施用，有利于緩解溫室效應(yīng)。