高永欣，潘占磊，王睿，王琳，姚志生，鄭循華，梅寶玲，張翀，巨曉棠

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010021；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049；4.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228）

華北集約化管理農(nóng)田因氮肥施用量高，導(dǎo)致土壤剖面累積了大量的硝態(tài)氮（-N）。據(jù)報(bào)道，華北玉麥輪作農(nóng)田0～1 m土體-N累積量高達(dá)900 kg·hm-2[1]；Meta分析結(jié)果也表明，華北夏玉米收獲后0～4 m 土體-N 累積量達(dá)749 kg·hm-2[2-3]。累積的-N 可通過(guò)淋溶進(jìn)入地下水，導(dǎo)致華北平原淺層地下水-N超標(biāo)率高達(dá)14%（世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)為10 mg·L-1）[4]，而山東設(shè)施蔬菜種植區(qū)的地下水-N超標(biāo)率高達(dá)100%[5]，嚴(yán)重危脅到飲用水安全。

反硝化作用是微生物在無(wú)氧或微氧條件下，利用可溶性有機(jī)碳（DOC）底物氧化提供的電子和能量，以硝酸鹽作為呼吸的電子受體，將其逐步還原成亞硝酸鹽、一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）和氮?dú)猓∟2）的過(guò)程[6]。該過(guò)程是土壤剖面-N 去除的重要途徑，亦是維持生態(tài)系統(tǒng)氮平衡的重要過(guò)程[7-8]；其中間產(chǎn)物N2O 是重要的溫室氣體，也是破壞平流層臭氧的主要組分[9]。深入理解土壤N2O 還原為N2的過(guò)程，對(duì)制定合理的N2O 減排措施至關(guān)重要[10]。但由于大氣背景N2濃度高和反硝化速率時(shí)空變異性較大[11]，導(dǎo)致對(duì)大部分農(nóng)田土壤的反硝化N2損失研究不足，尤其缺乏對(duì)土壤剖面N2損失速率的定量[12-14]。

關(guān)于土壤剖面反硝化N2損失速率的定量，大多是基于完全厭氧條件下的測(cè)定[12，14]。如Chen 等[15]觀測(cè)到華北玉米-小麥輪作農(nóng)田剖面土壤N2的反硝化潛勢(shì)（無(wú)氧，-N添加量為50 mg·kg-1，以N計(jì)）約為208 μg·h-1·kg-1（0～0.2 m）和42 μg·h-1·kg-1（0.5～1.0 m），該N2排放速率顯著高于Wang等[16]在有氧條件下觀測(cè)的玉米季土壤N2排放峰值（約10 μg·h-1·kg-1）。N2O還原酶促進(jìn)N2O還原為N2，其活性比反硝化級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的其他酶更容易被O2抑制，因此，O2會(huì)導(dǎo)致高的N2O/（N2O+N2）值[17]。而與有氧條件相比，完全厭氧下的觀測(cè)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)土壤N2排放的高估和對(duì)N2O/（N2O+N2）值的低估，進(jìn)而影響對(duì)N2排放速率的準(zhǔn)確定量。土壤O2濃度在田間原位觀測(cè)中很少被測(cè)定[18]，對(duì)剖面不同深度土壤O2濃度的變化特征認(rèn)知較缺乏。因此，本研究以華北集約化小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，基于田間原位觀測(cè)的土壤O2濃度變化，設(shè)置不同的O2濃度，采用氦環(huán)境培養(yǎng)-直接測(cè)定N2法（GFSC 法），對(duì)剖面不同深度的土壤N2O 和N2產(chǎn)生速率進(jìn)行定量，以期了解土壤剖面N2O和N2產(chǎn)生速率和N2O/（N2O+N2）值的變化特征，明確土壤剖面O2濃度變化規(guī)律，及其對(duì)不同深度土壤N2產(chǎn)生和N2O/（N2O+N2）值變化的影響，為估算土壤剖面反硝化N2損失量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

本研究依托不同碳氮管理的冬小麥-夏玉米輪作田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（始于2006 年）[18]。試驗(yàn)點(diǎn)位于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站（39°48′N，116°28′E）。該地區(qū)氣候類型為典型的大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為12.5 ℃，年均降水量為500～700 mm，其中60%～70%的降雨集中在夏季（7—9 月）。土壤類型為石灰性潮土，質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土（美國(guó)制），其中黏粒含量為28%、粉粒含量為32%、砂粒含量為40%；SOC 含量為7.1 g·kg-1；TN 含量為0.8 g·kg-1；土壤容重為1.40 g·cm-3；pH為8.1[19]。

選擇農(nóng)民傳統(tǒng)施肥處理（Ncon）為研究對(duì)象，其管理方式：整個(gè)玉米-小麥輪作季N 素（尿素）施用量為560 kg·hm-2。其中夏玉米季于玉米四葉期和十葉期分別施用130 kg·hm-2，施用方式為開(kāi)溝條施，施用深度為5 cm；冬小麥季施用基肥和返青-拔節(jié)肥，均為150 kg·hm-2，施用方式均為撒施，基肥隨翻耕（0～20 cm）施入農(nóng)田，追肥隨灌溉施入農(nóng)田。磷、鉀肥只施用一次，在每季作物第一次施肥時(shí)，隨氮肥一起施用，施用量為P2O5100 kg·hm-2和K2O 100 kg·hm-2。鋅肥只在玉米季的四葉期隨氮肥一起施用，為30 kg·hm-2（ZnSO4）。作物秸稈收獲后不還田。冬小麥于每年10 月初播種，次年6 月中旬收獲后播種夏玉米，夏玉米于10月初收獲。

1.2 土壤樣品采集

供試土壤取自傳統(tǒng)施肥處理，采集時(shí)間為2021年3 月底，即小麥季返青拔節(jié)前。該處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積64 m2（8 m×8 m）。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3 個(gè)采樣點(diǎn)（3 個(gè)重復(fù)小區(qū)共9 個(gè)采樣點(diǎn)），進(jìn)行0～2.5 m 剖面原狀土柱的采集。在每一個(gè)采樣點(diǎn)采用原位取土鉆（美國(guó)犀牛，S1 單人手持土壤取樣機(jī)），對(duì)土壤剖面進(jìn)行連續(xù)、分層（0～1.0、1.0～2.0 m 和2.0～2.5 m）采集。該土鉆為雙層采樣管設(shè)計(jì)，外層為帶刀口的不銹鋼管，可連續(xù)打入土壤3 m 深，以保證在一個(gè)點(diǎn)位對(duì)樣品的連續(xù)采集，不會(huì)因分層取樣時(shí)，上次洞壁掉落的土壤樣品污染下層樣品。內(nèi)層為PVC 管（內(nèi)徑3.8 cm，即采集的原狀土柱直徑），實(shí)現(xiàn)對(duì)剖面3 層土柱依次采集，以減少對(duì)土壤的壓實(shí)。采樣后用保護(hù)區(qū)的土壤回填孔穴并壓實(shí)。

將采集后的剖面土柱樣品兩端密封，以減少O2接觸和水分散失，土樣當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃低溫保存直到試驗(yàn)開(kāi)始。

1.3 試驗(yàn)方案

樣品前處理：從采集的土柱剖面樣品中選擇3 個(gè)目標(biāo)深度的土層，分別為0～0.2、0.5～0.7 m 和2.0～2.2 m（圖1 中大括號(hào)所示），每次對(duì)同一個(gè)土層深度的樣品進(jìn)行氣體產(chǎn)生速率（N2和N2O，1.4 節(jié)）和碳氮底物含量的測(cè)定，共測(cè)3次。具體操作：每次選擇一個(gè)目標(biāo)深度的土層進(jìn)行切割，切割長(zhǎng)度為20 cm，每次樣品切割完，其余樣品仍放回冷藏箱低溫保存。對(duì)切割后的每一個(gè)土層深度樣品做二次切割，即將一個(gè)20 cm 高的樣品分割為3個(gè)4 cm 高的小土柱（圖1 灰色部分）和4 個(gè)2 cm 高的小土柱（圖1白色部分）。因?yàn)槊總€(gè)重復(fù)小區(qū)內(nèi)設(shè)有3個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集的土柱做同樣切割處理，所以3 個(gè)采樣點(diǎn)的樣品共切割出9 個(gè)4 cm 高的小土柱，將其置于氦培養(yǎng)-氣體直接測(cè)定系統(tǒng)（GFSC 系統(tǒng)）的一個(gè)培養(yǎng)罐（GFSC 系統(tǒng)共有3 個(gè)培養(yǎng)罐，每一個(gè)罐子對(duì)應(yīng)裝入一個(gè)重復(fù)小區(qū)的樣品），用于N2和N2O 產(chǎn)生速率的測(cè)定。與此同時(shí)，每重復(fù)小區(qū)的3 個(gè)采樣點(diǎn)的樣品共切割出12 個(gè)2 cm 高的小土柱，將其混合均勻后，用于土壤初始碳氮底物含量的測(cè)定。

圖1 土壤剖面樣品（0～1.0 m和2.0～2.5 m）的分割示意圖Figure 1 Segmentation diagram of collected intact soil samples in profile（0-1.0 m and 2.0-2.5 m）

氣體排放速率測(cè)定的培養(yǎng)條件設(shè)置（表1，P3測(cè)定階段）：培養(yǎng)土壤O2濃度和溫度的設(shè)定依據(jù)為玉米生長(zhǎng)季（2017 年6 月15 日—10 月1 日）田間原位觀測(cè)的不同深度（0.1、1.0 m 和2.0 m）土壤剖面O2濃度和溫度數(shù)據(jù)（2.1 節(jié)）。本試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)不同土壤O2濃度水平：0（反映反硝化氣體產(chǎn)生速率潛勢(shì)[13]）、15.0%（依據(jù)原位不同深度觀測(cè)的平均值）和2.5%（0.2 m 和0.5 m深土層原位觀測(cè)的極小值）或12.0%（比2.0 m 深土層原位觀測(cè)的極小值低14%，為了與15.0% O2水平區(qū)分，而假設(shè)12.0%是原位可能出現(xiàn)的最低濃度）。培養(yǎng)溫度設(shè)定接近土壤不同深度原位觀測(cè)的平均值：0.2 m 和0.5 m 為26 ℃，2.0 m 為20 ℃。土壤濕度的設(shè)定依據(jù)利于反硝化發(fā)生的濕度條件，淺層土壤（0.2 m和0.5 m）補(bǔ)充水分后濕度為68%～72%WFPS（土壤充水孔隙度），深層土壤（2.0 m）不調(diào)節(jié)濕度，為83%WFPS。每次試驗(yàn)針對(duì)同一個(gè)土層深度的樣品，分別在上述3個(gè)O2濃度水平下進(jìn)行氣體產(chǎn)生速率的測(cè)定。

表1 土壤剖面樣品培養(yǎng)條件的設(shè)置Table 1 Setup of soil incubation conditions

1.4 土壤N2和N2O產(chǎn)生速率的測(cè)定

氣體產(chǎn)生速率的測(cè)定采用GFSC 系統(tǒng)[20-21]，其原理是用高純氦氣（He）和20%的氧氣（O2）置換土柱內(nèi)的氣體，使土壤空氣全部被He 和O2所取代，然后以一定時(shí)間間隔測(cè)定培養(yǎng)容器內(nèi)N2和N2O 濃度的變化來(lái)確定其排放速率。GFSC 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體置換、平衡和氣體樣品的自動(dòng)在線采集和分析（表1）；可將培養(yǎng)罐內(nèi)的氣體樣品自動(dòng)注入兩臺(tái)氣相色譜儀，一臺(tái)配有微池?zé)釋?dǎo)檢測(cè)器（micro GC 3000，安捷倫，美國(guó)加州）用于分析N2濃度，另一臺(tái)配有電子捕獲檢測(cè)器（GC 6820，安捷倫，中國(guó)上海）用于分析N2O 濃度。系統(tǒng)詳細(xì)介紹參見(jiàn)Wang 等[20]和曹娜等[21]的研究。

試驗(yàn)采用三階段培養(yǎng)法，即在測(cè)定氣體產(chǎn)生速率（P3）之前，需進(jìn)行低溫有氧置換（P1）及調(diào)整溫度和O2濃度的平衡（P2）。P1階段：采用氦氧混合氣（80%He和20%O2）在低溫（4 ℃）條件下進(jìn)行氣體置換21～24 h，置換氣流速200 mL·min-1，低溫利于保存底物，有氧利于保存底物。P2階段：切換培養(yǎng)O2濃度為15%，采用氦氧混合氣（15% O2）以20 mL·min-1流速吹掃培養(yǎng)罐的頂部空間約2 h 后，將培養(yǎng)溫度升高至設(shè)定溫度，保持約2 h。P3階段：開(kāi)始?xì)怏w產(chǎn)生速率的測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為24 h（測(cè)定1）；改變兩次培養(yǎng)O2濃度（測(cè)定2 和測(cè)定3），每個(gè)O2濃度條件下均測(cè)定24 h。每次速率測(cè)定時(shí)間為3 h 或6 h，即24 h 共測(cè)定8或4 次氣體產(chǎn)生速率。每次氣體產(chǎn)生速率的測(cè)定均基于自動(dòng)采集5 次培養(yǎng)罐氣室內(nèi)的N2和N2O 的濃度，計(jì)算公式如下：

式中：F為N2和N2O 的產(chǎn)生速率（以N 計(jì)），μg·h-1·kg-1；Vh為培養(yǎng)罐氣室體積，mL；M為每摩爾被測(cè)氣體的N 質(zhì)量，g·mol-1；ΔCi/Δt為經(jīng)過(guò)稀釋矯正后的培養(yǎng)罐氣室內(nèi)被測(cè)氣體濃度的變化率，μmol·mol-1·h-1；ΔCl/Δt為培養(yǎng)罐的氣體滲漏率，μmol·mol-1·h-1；Mds為培養(yǎng)土壤樣品的干質(zhì)量，g；Vc為在培養(yǎng)的溫度和壓力下氣體的摩爾體積，L·mol-1。

該系統(tǒng)測(cè)定N2和N2O 氣體排放速率的檢測(cè)限（95%置信區(qū)間）分別為0.5 μg·h-1·kg-1和0.006 μg·h-1·kg-1。

1.5 土壤環(huán)境因子測(cè)定

土壤采用1 mol·L-1KCl 浸提（水土比5∶1，振蕩1 h）后，使用流動(dòng)分析儀（SEAL AA3，德國(guó)）測(cè)定和-N 含量；土壤采用去離子水浸提（水土比5∶1，振蕩1 h）、離心（8 000 r·min-1）并過(guò)濾（0.45 μm 無(wú)碳濾膜）后，使用流動(dòng)分析儀（SEAL AA3，德國(guó)）測(cè)定DOC含量。

在玉米生長(zhǎng)季（2017 年6 月15 日—10 月1 日）田間原位傳統(tǒng)施肥處理的每個(gè)小區(qū)內(nèi)，在土壤剖面3 個(gè)不同深度（0.1、0.5 m 和2.0 m）處，埋設(shè)土壤溫度和O2含量的傳感器（SO-100，Apogee，美國(guó)），自動(dòng)在線記錄數(shù)據(jù)，頻率為0.5 h一次。土壤質(zhì)量含水量（W）采用鋁盒稱質(zhì)量的方法計(jì)算[22]。土壤容重（BD，g·cm-3）根據(jù)采集的原狀土柱的體積（V，cm3）和質(zhì)量（Mfs，g），及W計(jì)算得到，BD=Mfs/[V×（1+W）]。WFPS通過(guò)W、BD和比重（2.65 g·cm-3）計(jì)算得到，WFPS=BD×W/（1-BD/2.65）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用Origin 8.0繪圖；采用SPSS 16.0 對(duì)土壤不同O2濃度影響土壤剖面N2和N2O 排放及N2O/（N2O+N2）值的差異進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）及LSD 多重比較（P＜0.05水平的顯著性檢驗(yàn)），對(duì)N2和N2O 排放及N2O/（N2O+N2）值與土壤環(huán)境因子（O2濃度、溫濕度及-N、-N、DOC 含量等）間的定量關(guān)系采用線性和非線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤環(huán)境因子

在玉米生長(zhǎng)季（2017年6月15日—10月1日），不同深度土壤剖面O2濃度和溫度的變化規(guī)律不同（圖2）。土壤O2濃度的變化受降雨事件影響顯著。土壤剖面0.1 m 和0.5 m 處的O2濃度變化趨勢(shì)較一致，表現(xiàn)為同升同降，變化范圍分別為3.4%～21.0%（平均值為18.1%）和2.5%～18.8%（平均值為15.6%）。受降雨影響后的表層土壤O2濃度可恢復(fù)到背景大氣O2濃度（21.1%），而0.5 m 處的O2濃度恢復(fù)較慢，觀測(cè)季末（約18.6%）仍顯著低于背景大氣。2.0 m 深土壤O2濃度變化范圍較窄，為13.8%～18.4%（平均值為15.0%）。土壤剖面0.1、0.5 m 和2.0 m 處的溫度變化范圍分別為14.2～32.9、18.2～28.4 ℃和15.3～20.5 ℃，平均值為24.4、23.8 ℃和19.1 ℃。

圖2 不同深度土壤剖面的O2濃度和溫度（Ts）動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamics of soil O2 concentration and temperature（Ts）at different depths of soil profile

表2 不同深度土壤剖面的初始碳氮底物含量和含水量Table 2 Initial soil concentrations of carbon and nitrogen substrates and soil water content in different soil depths

2.2 土壤剖面N2和N2O產(chǎn)生速率和N2O/（N2O+N2）值

在同一土壤O2濃度條件下，土壤N2和N2O產(chǎn)生速率隨著土層深度的增加而降低（圖3a和圖3b）。有氧條件下（2.5%和15.0%），表層土壤（0.2 m）的N2產(chǎn)生速率為5.3 μg·h-1·kg-1和7.1 μg·h-1·kg-1，顯著高于深層土壤（0.5～2.3 μg·h-1·kg-1，0.5 m和2 m）。同樣地，N2O產(chǎn)生速率也是表層高于深層，分別為1.1 μg·h-1·kg-1和0.062 μg·h-1·kg-1（P＜0.05）。無(wú)氧條件下，氣體產(chǎn)生速率亦是表層高于深層（P＜0.05），0.2、0.5 m 和2.0 m 土層N2產(chǎn)生速率分別為88.1、25.9 μg·h-1·kg-1和10.4 μg·h-1·kg-1，N2O 產(chǎn)生速率分別為6.7、5.2 μg·h-1·kg-1和0.33 μg·h-1·kg-1。

對(duì)于同一深度的土壤，無(wú)氧條件下氣體產(chǎn)生速率均顯著高于有氧條件（P＜0.05）。無(wú)氧條件下的N2和N2O 產(chǎn)生速率分別為10.4～88.1 和0.3～6.7 μg·h-1·kg-1，是有氧條件下的11～26 倍（平均17 倍）和6～257倍（平均89 倍）（P＜0.05）。同時(shí)，無(wú)氧較有氧條件下N2O 產(chǎn)生速率的增量隨著土層深度的增加而增加，即平均高約6 倍（0.2 m）、44 倍（0.5 m）和112 倍（2.0 m），但N2產(chǎn)生速率的增量隨土層深度變化較窄（14～16倍）。N2O 和N2產(chǎn)生速率隨著O2濃度的增加而降低，但有氧條件下不同O2濃度對(duì)N2產(chǎn)生速率影響差異不顯著（圖3a）。

圖3 不同O2濃度條件下土壤剖面N2和N2O產(chǎn)生速率及N2O/（N2O+N2）摩爾比變化Figure 3 Changes in soil N2 and N2O production rates and N2O/（N2O+N2）molar ratio under different soil O2 concentrations

不同深度剖面土壤的N2O/（N2O+N2）值變化表現(xiàn)為表層高于深層（圖3c）。0.2 m 處土壤的N2O/（N2O+N2）值受O2影響不顯著，變化范圍為0.07～0.13；而深層土壤N2O/（N2O+N2）值均隨著O2濃度降低而增加，表現(xiàn)為0.5 m 深土層的該比值由0.02（15.0%O2）增加至0.17（無(wú)氧）；2.0 m 土層由0.003（15.0% O2）增加至0.042（無(wú)氧）。

2.3 環(huán)境因子對(duì)不同深度土壤剖面N2和N2O 產(chǎn)生速率的影響

不同深度土壤剖面的N2和N2O 產(chǎn)生速率受多因素（如土壤濕度、O2濃度和DOC 含量）的共同影響（表3）。土壤N2和N2O 產(chǎn)生速率與土壤O2濃度顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01，表3、公式2和公式6），而與土壤質(zhì)量含水量顯著正相關(guān)（P＜0.05，表3、公式1 和公式5）。除O2濃度外，土壤DOC 含量是影響N2和N2O 產(chǎn)生的重要因子，DOC 含量和O2濃度變化可共同解釋剖面土壤N2產(chǎn)生速率的89%和N2O 產(chǎn)生速率的46%（P＜0.01，表3、公式8和公式4）。

N2O/（N2O+N2）值變化受土壤DOC、-N 和-N含量的影響，其中DOC和含量可共同解釋該比值變化的41%（表3、公式13）。此外，土壤深度也是影響N2O 產(chǎn)生速率和N2O/（N2O+N2）值變化的因子之一（表3、公式3和公式12）。

表3 土壤剖面N2和N2O產(chǎn)生速率和N2O/（N2O+N2）值與土壤環(huán)境因子的定量關(guān)系Table 3 Quantitative relationships between soil N2 and N2O production rates and N2O/（N2O+N2）ratio and soil environmental factors

2.4 土壤剖面N2和N2O產(chǎn)生量估算

本研究田間原位觀測(cè)的0～2.0 m 土壤剖面O2濃度均大于2.5%，而沒(méi)有觀測(cè)到O2濃度為0 的情況，因此采用有氧條件下測(cè)定的N2產(chǎn)生速率（FN2-有氧）估算田間剖面土體N2產(chǎn)生量。依據(jù)土壤容重和土層深度（H，以0～0.2 m 觀測(cè)代表0～0.5 m 土層，0.5～0.7 m 代表0.5～1.0 m 土層，2.0～2.2 m 代表1.0～2.0 m 土層），換算得到各層土壤N2的損失速率（FN2-有氧×BD×H×24/100）為0.85～1.12（0～0.5 m）、0.17～0.40 kg·hm-2·d-1（0.5～1.0 m）和0.18～0.35 kg·hm-2·d-1（1.0～2.0 m）（表4）。3層累加得到0～2.0 m 土體的N2平均損失量為1.54 kg·hm-2·d-1，換算為整個(gè)玉米生長(zhǎng)季（120 d）為198 kg·hm-2。深層土壤N2O向表層土壤/大氣溢出的過(guò)程中，在田間適宜條件下會(huì)被逐漸還原為N2，假設(shè)N2O（0.19 kg·hm-2·d-1，以N 計(jì)）全部還原為N2，則0～2.0 m土體反硝化損失量（N2O+N2）最高可達(dá)219 kg·hm-2。

表4 0～2.0 m土體N2和N2O產(chǎn)生量估算Table 4 Estimation of soil N2 and N2O production in 0-2.0 m soil profile

3 討論

3.1 不同深度土壤剖面N2和N2O產(chǎn)生速率

無(wú)論是有氧還是無(wú)氧條件，本研究觀測(cè)到土壤剖面N2和N2O 的產(chǎn)生速率均表現(xiàn)為表層高于深層（圖3）。有氧條件下（2.5%和15.0%O2）的表層土壤N2平均產(chǎn)生速率6.2 μg·h-1·kg-1，約為深層土壤的5 倍（圖3a）。該表層N2產(chǎn)生速率與在華北玉米-小麥輪作農(nóng)田夏玉米季觀測(cè)的N2排放峰值的量級(jí)較一致，為2～10 μg·h-1·kg-1[20，23]；但低于英國(guó)放牧草地N2排放量（17.6 μg·h-1·kg-1）[24]，這主要是由于其研究的土壤碳氮底物濃度高，且水分充足。無(wú)氧條件下的表層土壤N2和N2O 產(chǎn)生速率分別為2.0 m 深土壤的8倍和20倍（圖3a和圖3b）。該表層土壤N2產(chǎn)生速率（88 μg·h-1·kg-1）顯著低于碳或氮添加的農(nóng)田土壤N2排放潛勢(shì)（208 μg·h-1·kg-1和590 μg·h-1·kg-1）[15，25]；但高于長(zhǎng)期施用石灰的農(nóng)田土壤N2排放潛勢(shì)（25～60 μg·h-1·kg-1）[26]，盡管其土壤-N 含量（22～89 mg·kg-1）高于本研究，這可能是由于本研究的土壤pH、土壤濕度和培養(yǎng)溫度均較高，有利于反硝化N2產(chǎn)生[27-28]。

類似地，前人研究也觀測(cè)到反硝化潛勢(shì)（N2+N2O）隨著土壤深度的增加而降低[13，15]。本研究表層土壤較深層土壤產(chǎn)生更多的含氮?dú)怏w，可能的原因有：①表層土壤的-N 和DOC 含量較深層高（表2），高的碳氮底物含量促進(jìn)反硝化過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)N2O 和N2產(chǎn)生[28]，該解釋可由土壤N2O 和N2產(chǎn)生速率與土壤DOC 含量間的正相關(guān)關(guān)系來(lái)體現(xiàn)（表3 公式4和公式7）；②表層土壤的培養(yǎng)溫度較底層高（26 ℃＞20 ℃），進(jìn)而促進(jìn)硝化、反硝化過(guò)程的速率[29]；③前人研究顯示表層土壤的細(xì)菌豐度（16S rRNA 基因拷貝數(shù)）較深層土壤高約2 個(gè)數(shù)量級(jí)[15]，同時(shí)反硝化基因豐度（nirK、nirS和nosZ）也高1～3 個(gè)數(shù)量級(jí)[12，15]，這表明表層土壤具有更高的反硝化能力，支持本研究觀測(cè)到的表層土壤含氮?dú)怏w產(chǎn)生量更高的結(jié)果。

3.2 O2對(duì)土壤剖面N2和N2O 產(chǎn)生及N2O/（N2O+N2）值的影響

土壤O2濃度被認(rèn)為是控制反硝化速率和產(chǎn)物組成的首要因子[30]。但O2濃度在田間原位觀測(cè)中很少被測(cè)定，從而限制了對(duì)土壤剖面O2濃度變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)[18]。本研究發(fā)現(xiàn)淺層土壤O2濃度變化劇烈（2.5%～21.0%），而深層土壤O2波動(dòng)范圍較窄（14.0%～18.0%），但均未觀測(cè)到O2濃度為0 的情況（圖2）。當(dāng)土壤中有O2存在時(shí)，微生物不優(yōu)先以-N 作為電子受體，反硝化作用較弱或不發(fā)生，因?yàn)镺2是兼性厭氧微生物最容易利用的電子受體，且其氧化釋放的能量最高[31]。當(dāng)O2濃度逐漸降低時(shí)，土壤反硝化速率增強(qiáng)[17，32]，這與本研究結(jié)果相符，即N2和N2O 產(chǎn)生速率與土壤O2濃度呈指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系（表3 公式2 和公式6）；而且，無(wú)論表層還是深層土壤，無(wú)氧條件下的氣體產(chǎn)生速率顯著高于有氧條件（圖3a和圖3b），N2和N2O產(chǎn)生速率分別平均高出16倍和88倍。本研究觀測(cè)的土壤剖面O2濃度均大于2.5%，表明在無(wú)氧條件下的觀測(cè)會(huì)高估土壤真實(shí)條件下的N2和N2O產(chǎn)生速率。

通常認(rèn)為反硝化作用下N2O/（N2O+N2）值隨著土壤O2濃度的降低而降低[18，33]，這是因?yàn)镺2的存在對(duì)N2O 還原酶合成及活性的抑制比對(duì)還原酶和還原酶的抑制更大[18，34]。相反地，本研究觀測(cè)到深層（0.5 m 和2.0 m）土壤該比值與O2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表3 公式14 和公式15），表明當(dāng)深層土壤出現(xiàn)O2限制時(shí)，會(huì)有更大的N2O 損失風(fēng)險(xiǎn)。這可能是由于深層土壤N2O/（N2O+N2）值的變化還同時(shí)受到其他多因子的影響，如土壤值等[26，35-36]。盡管無(wú)氧顯著地促進(jìn)了反硝化作用，但深層土壤的DOC含量更缺乏以及比值更小（表2），反硝化作用因缺少電子供體進(jìn)行不徹底，而以中間產(chǎn)物N2O 為主，導(dǎo)致N2O/（N2O+N2）值增加[37]。類似地，前人研究也觀測(cè)到缺碳土壤增加水分（即降低O2）會(huì)促進(jìn)反硝化中間產(chǎn)物N2O，進(jìn)而增加比值[16]。通常N2O/（N2O+N2）值被用作估算點(diǎn)位、區(qū)域和全球土壤N2排放的重要參數(shù)[38-39]，本研究結(jié)果顯示基于厭氧條件下的觀測(cè)高估深層土壤的該比值，進(jìn)而低估N2排放。因此該結(jié)果的適用性仍需進(jìn)一步的研究，尤其是對(duì)高-N 累積的土壤剖面。但前人的研究顯示高的土壤-N 含量，更利于作為電子供體和對(duì)N2O 還原酶的抑制作用，導(dǎo)致高的中間產(chǎn)物N2O 產(chǎn)生及增加N2O/（N2O+N2）值[26，35]，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)土壤N2排放的低估更多。

3.3 土壤剖面N2產(chǎn)生量

受限于土壤反硝化速率的時(shí)空變異性和現(xiàn)有方法的局限性，目前僅有較少的研究測(cè)定了不同深度土壤剖面的反硝化潛勢(shì)損失量。如Chen 等[15]報(bào)道玉米-小麥輪作農(nóng)田土體N2+N2O 排放量為1（0.5～2.0 m）～5 μg·g-1·d-1（0～0.2 m），按土層深度2.0 m和容重1.4 g·cm-3換算后，為39.4 kg·hm-2·d-1；Jahangir等[13]的測(cè)定結(jié)果顯示放牧草地土壤剖面（0～1.3 m）N2平均排放量為0.40 mg·kg-1·d-1，范圍為0.13～0.55 mg·kg-1·d-1，按土層深度2.0 m 和容重1.4 g·cm-3換算后為11.2 kg·hm-2·d-1。上述估算結(jié)果均高于本研究有氧條件下的N2估算值（1.54 kg·hm-2·d-1），而與無(wú)氧觀測(cè)下的N2量級(jí)一致（23 kg·hm-2·d-1，表4）。由于不同研究采用不同類型的土壤，其初始碳氮底物含量不同，甚至培養(yǎng)條件和測(cè)定方法也不同，因此測(cè)定結(jié)果之間很難直接比較。

基于本研究設(shè)定的培養(yǎng)條件為不同深度土壤的平均溫度、有氧和利于反硝化發(fā)生的水分條件，估算得到的土壤剖面N2產(chǎn)生量是對(duì)應(yīng)于土壤初始碳氮底物測(cè)定值（表2）的0～2.0 m 土體的平均狀況。但該估算仍存在很大的不確定性，因?yàn)椋孩偻寥榔拭?N含量的時(shí)空變異性大[1，14]。如Huang 等[1]的研究報(bào)道華北玉米-小麥輪作農(nóng)田0～1 m 土體累積的-N平均為585 kg·hm-2（范圍：320～890 kg·hm-2），折合為42 mg·kg-1（23～64 mg·kg-1，按容重1.40 g·cm-3計(jì)，表2）。但本研究測(cè)定的土壤-N 含量較其低65%～77%，由此會(huì)導(dǎo)致對(duì)0～2 m 土體N2產(chǎn)生量低估65%～77%，在此假設(shè)N2產(chǎn)生與-N 含量線性正相關(guān)[20]。②土壤溫濕度的非線性影響。前人研究顯示N2排放與土壤溫濕度的關(guān)系遵循阿倫尼烏斯動(dòng)力學(xué)機(jī)制，即氣體排放隨著溫濕度的增加而指數(shù)增加[16]，表層土壤表現(xiàn)為更劇烈的水熱變化（圖2）。因此，采用平均溫度亦會(huì)導(dǎo)致對(duì)N2產(chǎn)生的低估。未來(lái)研究可關(guān)注土壤剖面不同氮底物含量、溫濕度與O2濃度的交互作用，提升對(duì)土壤剖面反硝化損失的估算。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于同一深度的土壤，無(wú)氧條件下的氣體產(chǎn)生速率均顯著高于有氧條件，原位觀測(cè)的0～2.0 m 土體O2濃度均大于2.5%，表明在無(wú)氧條件下的觀測(cè)會(huì)高估土壤剖面真實(shí)條件下的N2和N2O產(chǎn)生速率。

（2）深層（0.5 m 和2.0 m）土壤N2O/（N2O+N2）值與O2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明基于厭氧條件下的測(cè)定會(huì)高估深層土壤的該比值。

（3）本研究對(duì)玉米生長(zhǎng)季0～2.0 m 土體剖面的反硝化N2損失量進(jìn)行估算，表明該土壤對(duì)累積的-N具有很強(qiáng)的脫氮能力。但考慮到土壤剖面-N 含量的時(shí)空變異性，未來(lái)研究可關(guān)注不同氮底物含量與土壤O2濃度的交互作用，進(jìn)而提升對(duì)土壤剖面反硝化損失估算的準(zhǔn)確度。

致謝：感謝對(duì)本研究提供技術(shù)支持和幫助的馬巨紅、李寶江和李來(lái)港，謹(jǐn)此致謝！