韓 慧, 喬林明, 王曉璐, 杜炎玲, 王 蕊,, 郭勝利,**

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

在干旱和半干旱生態(tài)類型區(qū), 降水是影響生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的關(guān)鍵因素。對于土壤CO排放的研究表明, “Birch效應(yīng)”產(chǎn)生的CO排放量大約占異養(yǎng)呼吸總量的50%～65%。由降雨引起的土壤碳釋放對土壤呼吸總量的貢獻可達44.5%。與此同時, Cui等研究發(fā)現(xiàn), 降水導(dǎo)致的NO大量排放可以占到全年排放量的73%。全球變暖趨勢下, 發(fā)生極端降水事件的頻率增加。然而至今對極端降水條件下土壤CO和NO產(chǎn)生、排放機制并不十分清楚。

土壤O濃度是影響土壤溫室氣體產(chǎn)生的重要因子, 但土壤O濃度極少被測定, 通常將土壤水分含量作為O含量的替代指標來測定。然而土壤水分含量不僅影響O的濃度及其擴散性能, 同時也會對底物的有效性和微生物的活性產(chǎn)生影響。因此, 僅僅依靠土壤水分含量變化, 不能準確地解釋O、底物對CO、NO溫室氣體變化各自貢獻及其機制。此外, 土壤中CO的產(chǎn)生主要是有機物在有氧條件下進行微生物礦化分解, 土壤中O缺乏時通常會降低有機物的礦化, 在完全缺氧條件下, 有機物分解直接產(chǎn)生甲烷(CH), 導(dǎo)致CO產(chǎn)生減少。土壤中NO主要是通過硝化作用和反硝化作用產(chǎn)生。硝化作用通常是在有氧條件下將氨(NH)氧化為硝酸鹽(NO)的微生物過程, NO作為中間產(chǎn)物而產(chǎn)生; 反硝化作用則是在缺氧或厭氧條件下, 異養(yǎng)反硝化菌在反硝化酶的作用下將NO-和NO-還原為NO、NO和N的過程。通過直接測定土壤O濃度變化, 分析O濃度變化與土壤中CO、NO產(chǎn)生、排放關(guān)系, 有助于深入理解極端降水條件下溫室氣體排放的機理。

黃土高原是我國傳統(tǒng)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 水分和養(yǎng)分(特別是氮素)始終是制約該地區(qū)作物生產(chǎn)力提高的主要因素。降水是該地區(qū)土壤水分的唯一來源,且年際和季節(jié)間變化幅度大。近50年來, 黃土高原地區(qū)極端降水事件發(fā)生概率呈增加趨勢, 但極端降水條件下土壤O變化與農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響鮮有報道。本研究基于極端降水條件下的土柱模擬試驗, 通過高頻率監(jiān)測極端降水條件下3種施肥處理(對照、施氮肥、施氮肥并添加秸稈)中土壤O、CO、NO濃度和地表CO、NO通量, 探究極端降水條件下農(nóng)田土壤中O與CO、NO濃度間的關(guān)系及其對地表CO、NO通量的影響，為進一步理解土壤溫室氣體的排放過程提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020年8月1日至8月31日在中國陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀察研究站(35°13′N, 107°40′E, 海拔1220 m)進行。該站位于黃土高原南部高塬溝壑區(qū)的陜西省長武縣境內(nèi), 氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候。供試土壤選用該地區(qū)地帶性土壤(黑壚土), 母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土,土層深厚, 土質(zhì)疏松。土壤容重為1.3 g·cm, 土壤田間持水量為27.3%～30.9% (容積含水量), 凋萎含水量為12% (容積含水量)。土壤肥力指標: 有機碳6.50 g·kg, 全氮含量0.62 g·kg, 堿解氮37.0 mg·kg, 速效磷3.0 g·kg, 速效鉀129.3 mg·kg, CaCO10.5%, pH為8.4。土壤在自然風(fēng)干后, 去除植物殘體和根系,過2 mm 篩, 統(tǒng)一調(diào)整初始含水量為(12±1)% (容積含水量)。

研究區(qū)約60%的降水發(fā)生在雨季(7-9月), 雨季單次降水量多集中在5～10 mm, 單次最大降水量為120.7 mm。基于此, 試驗設(shè)置了單次10 mm降水量為對照(P), 單次100 mm降水量為極端降水量(P)。

該地區(qū)土壤肥力低下, 化肥的投入(尤其氮肥)和秸稈還田是該地區(qū)提高土壤肥力, 保持糧食產(chǎn)量的重要田間管理措施。處理中秸稈還田量參考了當?shù)囟←?)收獲后地上部秸稈還田量。由于氮肥利用率較低, 常常殘留一定量氮肥, 當?shù)靥镩g管理上冬小麥6月底收獲后, 直接秸稈還田。因此, 本試驗設(shè)置不施肥、施氮肥、添加秸稈3種處理(表1), 其中氮肥為尿素, 添加量為該地區(qū)施氮量(200 kg·hm)的4倍; 秸稈為當季小麥秸稈, 將秸稈烘干后粉碎, 并過2 mm篩, 秸稈含碳量418.9 g·kg, 含氮量3.7 g·kg, 含磷量0.2 g·kg, 添加量為秸稈∶土壤=1∶200, 具體添加量如表1所示。每個處理設(shè)置5個重復(fù), 各處理和重復(fù)之間隨機排列。

表1 不同土壤管理措施處理的尿素和秸稈施加量Table 1 Urea and straw addition rates in different treatments of soil management practices g·kg-1

1.2 土柱制作與準備

圖1為試驗用的土柱。土柱材質(zhì)為聚氯乙烯(PVC)管, 直徑為25 cm, 高60 cm, 管壁用保溫隔熱膜包裹,底部與土壤連通。由下至上分別添加10 cm沙(在砂層上部放置一層紗布)、20 cm初始含水量為12%的土壤以及20 cm初始含水量為12%且進行不同處理的土壤, 在頂部留10 cm空間, 用于采集和測定氣體。在距離土層表面15 cm處水平間隔放置兩根氣體平衡管。氣體平衡管根據(jù)Song等改進而成, 由內(nèi)徑為2.5 cm、長15 cm的PVC管、PVC防塵帽、橡膠塞和微內(nèi)徑聚四氟乙烯(PTFE)管(內(nèi)徑為0.25 cm)組成, 在放置平衡管位置的PVC管壁上打兩個直徑為1.5 cm的孔, 將PTFE管從該孔鉆出, 用M型塑料尼龍防水接頭將PTFE管固定在該位置, 然后在PTFE管安裝三通閥用于氣體取樣, 其中一根氣體平衡管裝有兩根PTFE管用于氣體的測定。PVC管打有多排小孔, 以確保氣體在氣體平衡管與周圍土壤之間進行擴散和交換。在兩根氣體平衡管表面均包裹了一層紗布, 防止土壤顆粒進入平衡管內(nèi)和水分在平衡管內(nèi)積累, 影響氣體測量儀器的使用。

圖1 土柱設(shè)計示意圖Fig. 1 Diagram of soil column schematic design

密封蓋選用與PVC管配套的PVC管帽, 在其頂部打兩個孔將3根PTFE管按照一根、兩根的配置將它們的一端分別從該孔穿過, 與土柱內(nèi)部空氣聯(lián)通, 并用M型塑料尼龍防水接頭將它們固定在該位置, 另一端安裝三通閥用于氣體采集和測定。同時在安裝有一根PTFE管的孔放置一個JM624傳感器探頭, 用于測定土層上部10 cm空間的氣溫。

裝土?xí)r每5 cm一層, 按照土壤容重為1.3 g·cm的原則, 計算每層土柱中所填土壤重量, 將稱取的土壤進行壓實填充至每層分界線, 從而控制不同處理土層的高度, 確保每層高度保持一致。

1.3 水分的控制

本試驗共持續(xù)31天, 在試驗布設(shè)第2天, 按照不同單次降水量加水。模擬降水采用噴壺噴灑的方式,選用500 mL和2 L規(guī)格的噴壺, 噴灑時間選擇蒸發(fā)量較小的18:00-19:00。對于10 mm單次降水量每天用500 mL的噴壺一次性噴灑完成，共持續(xù)30天;100 mm單次降水量僅在試驗布設(shè)后第2天用500 mL和2 L的噴壺噴灑若干次完成，噴灑時間持續(xù)1 h左右。

1.4 氣體采集與測定

氣體的采集與測定在試驗期間共進行22次, 其中, 在試驗布設(shè)后的前18天內(nèi), 培養(yǎng)前期每天采集并測定一次氣體樣品, 之后在試驗的第20天、22天、24天和31天各采集測定一次, 采集測定時段為每日上午8:30-11:30。在采集測定地表氣體前, 將密封蓋蓋在土柱頂部, 并用寬橡皮條(對折30 cm、寬3 cm、厚0.3 mm)將連接處密封。密封10 min后在0 min、10 min、20 min、30 min用50 mL醫(yī)用一次性注射器共抽取4針氣體樣品用于NO濃度測定,每針40 mL。用LI-850 CO/HO分析儀(LI-COR,Lincoln, USA)測定相同時間下CO濃度, 測定前將LI-850分析儀打開, 預(yù)熱成功后, 將兩根PTFE管接入LI-850CO/HO分析儀的兩個接口后開始監(jiān)測, LI-850CO/HO分析儀每隔1 s記錄一次CO濃度, 選擇CO濃度趨于穩(wěn)定時的數(shù)值, 此過程大約持續(xù)1 min。與此同時, 用JM624手持式數(shù)字溫度計讀取該時間土柱頂部氣體溫度, 并記錄數(shù)據(jù)。氣體采集測定結(jié)束后將密封蓋取走, 使土柱頂部與空氣聯(lián)通。

在采集測定土壤表層氣體后, 進行土壤內(nèi)部氣體的采集與測定。首先, 從連接單根PTFE管的氣體平衡管中用注射器抽取40 mL氣體用于NO濃度測定; 同時將連接在氣體平衡管上的兩根PTFE管連接在LI-850CO/HO分析儀兩個接口上測定土壤CO濃度, 測定過程與地表CO濃度的測定相一致; 在此之后, 立即將這兩根PTFE管連接至便攜式氧濃度分析儀(G100 Range, Geotech Instruments Ltd., UK)上測定土壤O濃度。

在采集測定氣體結(jié)束后, 用氣相色譜儀(Agilent 6820, USA)測定采集氣體中的NO濃度。氣相色譜儀安裝有火焰離子化檢測器和電子捕獲器, 以99.999%的高純氮氣作載體, 10% CO作補償氣。火焰離子化檢測器使用高純氫和壓縮空氣作燃氣, 其中高純氫由SGK-2LB型氫氣發(fā)生儀產(chǎn)生, 壓縮空氣由SGK-300型空氣泵產(chǎn)生進入色譜。樣品測定時電子捕獲器的溫度為300 ℃, 柱溫為60 ℃。用已知濃度的混合氣體標定氣體樣品濃度, 每測10個樣品標定一次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 CO、NO排放通量計算

土壤CO、NO排放通量的計算公式為:

式中:為目標氣體的排放通量(mg·m·h),為土柱內(nèi)土層上部10 cm空間溫度(℃),為CO、NO的分子量,為土柱頂部空間高度(m),/為土柱內(nèi)氣體濃度的變化率(μL·L·min)。/由線性或指數(shù)回歸模型給出: 如果線性和指數(shù)回歸模型都是顯著的, 當指數(shù)回歸模型的高于線性回歸模型時,選擇指數(shù)回歸模型。

1.5.2 培養(yǎng)期間CO、NO累積排放通量計算

監(jiān)測當天CO或NO排放通量的計算公式:

式中:表示監(jiān)測當天CO或NO的排放通量(mg·m·h),F表示監(jiān)測當天所測得的第個重復(fù)的排放通量(mg·m·h), 5為5次重復(fù), 24表示一天有24 h (h·d)

用線性內(nèi)插法計算相鄰兩次監(jiān)測的氣體排放通量, 最后將每天的排放通量相加即得到試驗期間氣體的累積排放通量。

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析; 采用SPSS 26.0軟件進行方差分析; 用Origin 2021進行回歸分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水條件下土壤中O2、CO2、N2O濃度的變化

土壤中CO、NO濃度與O濃度具有相反的動態(tài)變化趨勢: O濃度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(圖2 a, d), CO、NO濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖2b,e, c, f)。對于O而言, 極端降水條件下土壤O濃度降低幅度及到達峰值的時間不同(除CK外)(圖2a, d)。在N處理土壤中, P條件下土壤中O濃度在連續(xù)降水第7天后降至最低15.3%, P條件下土壤中O濃度在降水后第6天達最低值11.6%。在NM處理土壤中, 相比于P(O濃度到達峰值時間第11天), P條件下O濃度到達峰值的時間(第6天)較早。

對土壤中CO濃度變化而言, 極端降水條件下CO濃度在各處理土壤中升高幅度及出現(xiàn)峰值的時間不同(圖2b, e)。CK處理土壤中CO濃度在P條件下處于較低且穩(wěn)定的波動狀態(tài)。在NM處理土壤中, 相比于P(CO濃度降水第9天后達到峰值),P條件下CO濃度出現(xiàn)峰值時間(第6天)較早。在N處理土壤中, P條件下CO濃度變化與NM處理相似, 但升高幅度明顯低于NM處理, 且出現(xiàn)峰值的時間略早。

土壤NO濃度在極端降水條件下升高幅度差異顯著且到達峰值的時間不同(除CK外)(圖2c, f)。在N處理土壤中, 相比于P(NO濃度在第7天達到峰值), P條件下NO濃度出現(xiàn)峰值時間(第6天)較早。與N處理類似, NM處理土壤中同樣在P條件下NO濃度出現(xiàn)峰值時間(第6天)較早。

圖2 對照(左列, 降雨量為10 mm)和極端(右列, 降雨量為100 mm)降雨條件下3種管理措施對土壤中O2、CO2和N2O濃度動態(tài)的影響Fig. 2 Effects of three management measures on dynamics of soil O2, CO2, and N2O concentrations under the control (the left figures, 10 mm precipitation) and extreme (the right figures, 100 mm precipitation) precipitation conditions

2.2 極端降水條件下管理措施對土壤中O2、CO2、N2O濃度變化的影響

土壤O濃度的降低幅度在極端降水下的3種管理措施中存在顯著差異(＜0.05), 平均降低幅度表現(xiàn)為NM＞N＞CK(圖3A)。P條件下, 與CK相比, N、NM處理土壤中O平均降低濃度分別增加60%和240%; P條件下, 與CK相比, N、NM處理土壤中O平均降低濃度分別增加130%和210%。土壤CO平均濃度在P/P條件下的3種管理措施土壤中差異同樣較為顯著, 且由高至低分別為NM＞N＞CK(圖3B)。P條件下N、NM處理土壤中CO平均濃度較CK處理分別增加180%和960%, P條件下分別增加290%和780%。P條件下, NO平均濃度在3種管理措施土壤中表現(xiàn)為NM＞N＞CK, P條件下差異增強, 且由高至低分別為N＞NM＞CK(圖3C)。P條件下, 與CK相比, N、NM處理土壤中NO平均濃度分別增加390%和502%; P條件下, 與CK相比, N、NM處理土壤中NO平均濃度分別增加4330%和1320%。

圖3 對照(降水量為10 mm)和極端(降水量為100 mm)降水條件下土壤中O2平均降低濃度(空氣O2濃度21%)和CO2、N2O平均濃度Fig. 3 Average reduction in soil O2 concentration (air O2 concentration 21%), average soil CO2 and N2O concentrations under the control (10 mm precipitation) and extreme (100 mm precipitation) precipitation conditions

2.3 極端降水對地表CO2、N2O通量及累積排放量的影響

地表CO、NO通量的動態(tài)變化特征與土壤中CO、NO濃度變化相似, 均在培養(yǎng)期呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(圖2b, c, e, f; 圖4)。極端降水影響地表CO、NO累積排放量(圖5)。地表CO累積排放量在P和P條件下無顯著差異, 相比于P, P條件下地表CO累積排放量分別增加27%、1%和-11%。在P/P條件下的3種管理措施中地表CO累積排放量間的差異較為顯著(0.05) (圖5A)。P條件下, 與CK相比, N、NM處理地表CO累積排放量分別增加360%和2210%; P條件下, N、NM處理地表CO累積排放量分別增加270%和1520%。地表NO累積排放量在P和P條件下均存在顯著差異(0.05) (圖5 B); 相比于P, P條件下地表NO累積排放量分別增加310%、440%和190%。P條件下, 地表NO累積排放量在CK和N、NM處理土壤中存在顯著差異(＜0.05); 與CK相比,N、NM處理地表NO累積排放量分別增加1160%和1320%; 在P條件下, 地表NO累積排放量在3種管理措施土壤中均存在顯著差異(0.05), 與CK相比, N、NM處理地表NO累積排放量分別增加1530%和900%。

圖4 對照(左列, 降雨量為10 mm)和極端(右列, 降雨量為100 mm)降雨條件下3種管理措施對地表CO2和N2O通量動態(tài)的影響Fig. 4 Effects of three management measures on dynamic of surface CO2 and N2O fluxes under the control (the left figures, 10 mm precipitation) and extreme (the right figures, 100 mm precipitation) precipitation conditions

圖5 對照(降水量為10 mm)和極端(降水量為100 mm)降水條件下地表CO2和N2O累積排放量Fig. 5 Cumulative emissions of CO2 and N2O from soils under the control (10 mm precipitation) and extreme (100 mm precipitation) precipitation conditions

3 討論

土壤O濃度對土壤CO和NO濃度變化具有重要調(diào)控作用(圖6)。在土壤水分相對穩(wěn)定的條件下(10 mm單次降水), 秸稈的大量還田也會導(dǎo)致土壤O濃度降低、CO和NO排放通量增加。在干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤由干變濕能夠?qū)е峦寥涝跇O短時間內(nèi)大量排放CO和NO。本研究的結(jié)果顯示, P和P條件下, 土壤O與CO、NO濃度均存在顯著負相關(guān)關(guān)系, 但隨著土壤中O濃度的降低, CO呈生長曲線型增長, 而NO呈指數(shù)型增長(圖6); 相比于P, P條件下土壤中O濃度迅速降低, CO和NO濃度短時間內(nèi)大幅度提高(圖2),但CO和NO濃度的增長速率(曲線斜率)在N、NM處理土壤中存在差異(圖6)。例如, 在N、NM處理土壤中, 當O濃度為15%時, 與P相比, P條件下CO增長速率分別增加300%和52%, NO增長速率分別增加160%和97%(圖6b, c, e, f)。極端降水條件下, 土壤由干變濕過程迅速, 微生物在短時間內(nèi)活性增強, 促進了土壤中可溶性有機碳的礦化分解和硝化過程的發(fā)生(CO和NO濃度迅速增加), 土壤中O快速耗竭。極端降水與施肥的交互作用加劇了土壤O消耗, 促進CO、NO產(chǎn)生(圖2)。在CK處理土壤中并未觀察到很顯著的O濃度變化(圖2d), 但在N、NM處理土壤中, P條件下的土壤O濃度變化幅度較大(最低分別降至11.6%、8.0%),這表明土壤中O濃度的降低主要是水分和底物共同作用的結(jié)果。與N處理相比, P條件下NM處理土壤進一步促進O的消耗和CO產(chǎn)生(圖2d, e, f);且當O濃度為15%時, CO增長速率增加97% (圖6e,f)。秸稈的添加能夠加強土壤微生物活性, 刺激微生物的呼吸作用, 導(dǎo)致O被消耗, CO濃度增加。本研究雖然揭示了土壤O濃度變化與CO和NO之間的關(guān)系, 但無法排除水分及其水分和O交互作用對本研究結(jié)果的影響。這也是未來研究需要關(guān)注的方面。

圖6 對照(左列, 降雨量為10 mm)和極端(右列, 降雨量為100 mm)降雨條件下土壤中O2與CO2、N2O濃度的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Correlation between soil O2 and CO2 and N2O concentrations in soil under the control (the left figures, 10 mm precipitation)and extreme (the right figures, 100 mm precipitation) precipitation conditions

地表CO、NO通量與其土壤中濃度存在顯著正相關(guān)關(guān)系, 但兩者對極端降水的響應(yīng)不同(圖7)。CO地表通量與土壤濃度在極端降水條件下表現(xiàn)為生長曲線關(guān)系(圖7a, c), 這與極端降水后土壤水分變化、微生物活動增強以及CO濃度變化有關(guān)。同樣,土壤水分含量增加后, 微生物的礦化活動消耗O, 容易在土壤中形成厭氧環(huán)境, 產(chǎn)生大量NO; 隨著土壤NO濃度的升高, 地表NO排放逐漸減緩(圖7b, d)。其原因可能與下列因素有關(guān): 1)土壤水分延長了NO向地表擴散的路徑, 增加了所需的時間; 2) NO可能會進一步脫氧生成N, 造成地表NO排放逐漸減緩。

圖7 對照(左列, 降雨量為10 mm)和極端(右列, 降雨量為100 mm)降雨條件下土壤中CO2、N2O濃度與地表CO2、N2O通量的相關(guān)關(guān)系Fig. 7 Correlation between soil CO2 and N2O concentrations and surface CO2 and N2O fluxes under the control (the left figures,10 mm precipitation) and extreme (the right figures, 100 mm precipitation) precipitation conditions

此外, 極端降水影響地表CO、NO累積排放量。在極端降水下, 培養(yǎng)期間地表CO累積排放量減少,但卻促進地表NO累積排放量增加。通過分析極端降水后土壤O濃度降低至最低值期間地表CO、NO的累積排放量, 發(fā)現(xiàn)該時間段內(nèi)地表CO、NO累積排放量分別占培養(yǎng)期間地表CO、NO總累積排放量的34.9%和56.6%。這表明極端降水雖然歷時較短, 但對溫室氣體的排放影響較大。由于NO的增溫潛勢是CO的298倍, 因此, 將NO的累積排放量換算為CO的累積排放量后, 卻發(fā)現(xiàn)本研究中極端降水對溫室氣體排放潛勢總體上影響不明顯。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明極端降水與管理措施的交互作用顯著促進地表NO的累積排放量, 在不施肥、施氮肥、施氮肥并添加秸稈處理下分別增加310%、440%和190%, 地表CO、NO通量在極端降水后均呈先升高后降低的變化趨勢。土壤中CO、NO濃度與地表CO、NO通量的動態(tài)變化基本一致; 土壤中CO、NO濃度隨著O濃度的降低而升高, 但隨著土壤O濃度的降低, CO濃度呈生長曲線型增長,NO濃度呈指數(shù)型增長; 并且在極端降水與施肥的交互作用下會促進土壤中O的消耗和CO、NO的產(chǎn)生。試驗中雖然通過直接測定土壤O濃度方法,揭示了土壤中O濃度與CO和NO濃度之間具有顯著關(guān)系, 但無法排除水分、水分與O的共同作用對本研究的影響, 在以后的研究中需進一步關(guān)注。