張玉銘 ,邢 力 ,李曉欣 ,秦樹平 ,李燕楠,3 ,韓 建,3 ,胡春勝**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;2.河北地質(zhì)大學(xué) 石家莊 050021;3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000)

氧化亞氮(N2O)是重要的溫室氣體之一,其全球增溫潛勢(shì)是CO2的296～310 倍[1],強(qiáng)烈地影響著全球熱平衡,與全球變暖、臭氧層破壞和酸沉降三大全球大氣環(huán)境問(wèn)題息息相關(guān),因此,N2O 排放在全球變化研究中備受關(guān)注。目前大氣中N2O 濃度已經(jīng)達(dá)到7.28 nmol·L-1,比2010 年增加了0.02 nmol·L-1,比工業(yè)革命前(6.12 nmol·L-1)提高了20%,并仍以每年0.25%～0.30%的速率遞增[2-4]。土壤向大氣排放的N2O 約占生物圈釋放到大氣中N2O 總量的90%[5-6],農(nóng)田土壤向大氣排放的N2O 約占土壤總排放量的40%[1,7],由此可見,農(nóng)田土壤是大氣N2O 的重要排放源。近年來(lái),隨著人口的增加對(duì)糧食的需求不斷攀升,氮肥的大量施用導(dǎo)致土壤N2O 排放急劇增加。一般來(lái)說(shuō)向土壤每施用100 kg 氮肥,就會(huì)有大約1 kg 的氮肥以N2O 的形式由土壤排放到大氣中,且N2O 的排放量隨氮肥投入量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)[8]。由于肥料用量的不斷增加,2010 年我國(guó)農(nóng)業(yè)氮肥施用導(dǎo)致的N2O 排放是1990 年的3～5 倍[9],因此,遏制農(nóng)田N2O 排放迫在眉睫。

長(zhǎng)期以來(lái),盡管人們對(duì)全球各類N2O 排放源進(jìn)行了通量監(jiān)測(cè)和總量估算,但是,在全球大氣N2O 平衡的研究中,估算的N2O 源不足以解釋大氣中N2O濃度的持續(xù)增加[10]。大約每年有1.5 Tg N 的N2O 源神秘地消失了,約占已知N2O 源的1/10[11],這似乎暗示當(dāng)前N2O 排放通量的監(jiān)測(cè)存在偏低的問(wèn)題,或傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法忽略了某一部分重要排放源,造成低估了N2O 源的強(qiáng)度。當(dāng)前,農(nóng)田N2O 排放通量測(cè)定多采用箱式法,采氣過(guò)程中箱體安置位置是否需要考慮作物根系一直存在爭(zhēng)議[12]。因此,準(zhǔn)確定量“作物根系-根際土壤-非根際土壤”N2O 排放通量,評(píng)估各部分在農(nóng)田N2O 排放中的相對(duì)重要性,明確根系生長(zhǎng)對(duì)土壤N2O 排放的影響程度,可為優(yōu)化農(nóng)田N2O 排放通量的監(jiān)測(cè)方法提供依據(jù),也是減少全球N2O 排放預(yù)測(cè)不確定性的迫切需求。

農(nóng)田N2O 排放不僅受管理措施影響,還與作物根系生長(zhǎng)密切相關(guān),根系自身代謝可產(chǎn)生N2O,并影響土壤N2O 生成與還原,進(jìn)而影響農(nóng)田N2O 排放。根際是根系影響土壤N2O 排放最直接、最強(qiáng)烈的場(chǎng)所,是農(nóng)田N2O 產(chǎn)生的熱點(diǎn)區(qū)域,在農(nóng)田N2O 排放中所占份額不容忽視。由于受研究方法限制,目前作物根系對(duì)農(nóng)田N2O 排放的影響機(jī)制及其對(duì)排放量的影響強(qiáng)度的田間原位研究鮮見報(bào)道。根系對(duì)農(nóng)田N2O 排放的影響過(guò)程復(fù)雜,涉及因子頗多,如何田間原位準(zhǔn)確測(cè)定“根系-根際土-非根際土”各單元N2O排放量、解析根系生長(zhǎng)對(duì)根際N2O 生成與還原的影響機(jī)制在方法學(xué)上一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),探索、完善田間原位測(cè)定方法是我們所面臨的挑戰(zhàn)。本文梳理了國(guó)內(nèi)外有關(guān)作物根系生長(zhǎng)對(duì)農(nóng)田土壤N2O 排放的影響強(qiáng)度及其對(duì)根際微域N2O 產(chǎn)生與排放的調(diào)控機(jī)制、以及相關(guān)檢測(cè)方法方面取得的研究進(jìn)展,剖析了作物根系影響根際微域土壤N2O 產(chǎn)生與排放相關(guān)研究中存在的難點(diǎn),并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望,以期為準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)田N2O 排放及其在全球變化中的效應(yīng)提供借鑒,將對(duì)減少全球N2O 排放預(yù)測(cè)的不確定性意義重大。

1 作物根系生長(zhǎng)對(duì)農(nóng)田土壤N2O 排放強(qiáng)度的影響

當(dāng)前,有關(guān)作物根系對(duì)土壤N2O 排放的影響研究尚處于起步階段,多數(shù)研究只是對(duì)比了種植和不種植作物情況下農(nóng)田N2O 排放量的區(qū)別,即通過(guò)有無(wú)作物的“差減法”來(lái)了解作物根系對(duì)農(nóng)田N2O 排放的影響,有關(guān)作物根系對(duì)農(nóng)田N2O 排放調(diào)控機(jī)制的田間原位研究還鮮見報(bào)道。農(nóng)田土壤N2O 的排放不僅受耕作、施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施的影響,還與作物根系的生長(zhǎng)密切相關(guān),根系的自身代謝對(duì)農(nóng)田土壤N2O 的生成與還原產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響農(nóng)田N2O 排放。因此,作物根系在農(nóng)田N2O 排放中的作用不容忽視。通常認(rèn)為,農(nóng)田N2O 主要產(chǎn)生于土壤中微生物的硝化和反硝化過(guò)程,因此,長(zhǎng)期以來(lái),在農(nóng)田N2O 排放的研究中,人們更多關(guān)注的是農(nóng)事活動(dòng)及環(huán)境要素對(duì)土壤N2O 排放的影響;而有關(guān)作物根系生長(zhǎng)對(duì)土壤N2O 排放的影響關(guān)注甚少。目前,對(duì)比種植和不種植作物情況下農(nóng)田N2O 排放量的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn): 生長(zhǎng)有水稻(Oryza sativa)的土壤N2O排放量比相同條件下裸土N2O 排放量增加37%[13],種大豆(Glycine max)土壤的N2O 排放總量是相同條件下裸土排放總量的5.9 倍,而裸土的N2O 排放總量是種玉米(Zea mays)土壤N2O 排放總量的13.5 倍[14-16]。丁琦等[17]采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)比較了種植小麥(Triticum aestivum)與休耕土壤以及小麥主根區(qū)和行間土壤N2O 排放情況,觀測(cè)了小麥關(guān)鍵生育期根系對(duì)土壤N2O 排放的影響,發(fā)現(xiàn)小麥孕穗期行間土壤N2O排放通量是主根區(qū)土壤的5.64 倍,但開花期和成熟期差異表現(xiàn)并不明顯;而種植小麥情況下各時(shí)期土壤N2O 平均排放通量均高于休耕土壤,且種植小麥?zhǔn)雇寥乐蠳2O 排放的主要區(qū)域擴(kuò)大,孕穗期土壤N2O 排放通量出現(xiàn)最大值,隨根系質(zhì)量和活性下降,生殖后期N2O 排放量減少。另外,根系生長(zhǎng)對(duì)垂向土層N2O 的產(chǎn)生亦有影響,根系生長(zhǎng)使土壤N2O 排放的活躍區(qū)域被抬升,與休耕土壤相比,N2O 排放的主要場(chǎng)所由10～15 cm 土層抬升到了5～10 cm 土層。由此可見,作物根系的生長(zhǎng)確實(shí)會(huì)對(duì)土壤N2O 排放產(chǎn)生影響,且因作物類型、作物生育時(shí)期的不同根系對(duì)主要根系層土壤N2O 排放的影響存在差異。對(duì)于作物根系是促進(jìn)還是抑制土壤N2O 排放,尚未達(dá)成共識(shí)[18]。Hayashi 等[19]匯總了大量有關(guān)作物根系生長(zhǎng)對(duì)土壤N2O 排放影響的研究結(jié)果,得出的結(jié)論為: 作物的存在通常會(huì)刺激土壤N2O 的排放,種植作物土壤N2O 排放大約是裸地的2 倍(平均值2.1,中位數(shù)1.8),當(dāng)土壤N2O 排放越高時(shí),作物的促進(jìn)效應(yīng)越高,而當(dāng)土壤N2O 排放較低時(shí),作物的抑制效應(yīng)越明顯。這表明,作物根系生長(zhǎng)對(duì)土壤N2O 的生成與排放的影響具有雙重作用: 一方面,作物通過(guò)根系向土壤中釋放分泌物為根際微生物提供碳源、改變根際微生物群落結(jié)構(gòu),以及通過(guò)根和根微生物呼吸消耗O2,在根際創(chuàng)造厭氧微環(huán)境,促進(jìn)根際土壤反硝化過(guò)程的進(jìn)行,影響N2O 的生成與還原N2O[18,20-21];另一方面,作物吸收水分和養(yǎng)分,與微生物競(jìng)爭(zhēng)氮,有可能使硝化或反硝化作用因缺少礦質(zhì)氮而導(dǎo)致土壤N2O 產(chǎn)生減少、還原速率升高[22],從而抑制N2O 排放。此外,根系對(duì)N2O 排放的激發(fā)還是抑制效應(yīng)很大程度上取決于土壤氮素含量水平,當(dāng)土壤氮素供應(yīng)不足時(shí),作物根系與微生物競(jìng)爭(zhēng)吸收氮素,氮素成為限制因素,硝化或反硝化作用就會(huì)受到抑制;當(dāng)?shù)毓?yīng)富余時(shí),作物根系的自身代謝就會(huì)在根際創(chuàng)造缺氧但碳、氮源充足的微環(huán)境,有利于促進(jìn)根際土壤反硝化作用進(jìn)行和N2O 排放[23]。作物根系對(duì)土壤N2O 排放的促進(jìn)或抑制作用將影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N2O 的總體排放預(yù)算,因此,進(jìn)一步研究作物根系對(duì)土壤N2O 排放的調(diào)控作用,對(duì)于全面了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的機(jī)理和復(fù)雜調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

2 作物根系對(duì)根際微域土壤N2O 產(chǎn)生與排放的調(diào)控機(jī)制

根際是根系-土壤-微生物相互作用的重要界面,是根系影響土壤N2O 排放最直接、最強(qiáng)烈的關(guān)鍵場(chǎng)所,也是農(nóng)田土壤N2O 產(chǎn)生的熱點(diǎn)區(qū)域,在農(nóng)田N2O排放中所占份額不容忽視。因而根系對(duì)根際N2O 排放的影響機(jī)制研究普遍受到重視。作物根系既可以自身生成N2O 對(duì)根際N2O 排放產(chǎn)生影響,也可以通過(guò)自身代謝改變根際土壤生物化學(xué)特性而影響根際N2O 的生成、還原與排放。大量研究結(jié)果表明,肥料種類與用量是影響根系N2O 產(chǎn)生的關(guān)鍵因子。Smart 等[24]利用可隔離根與莖葉的密閉分室裝置,研究了供應(yīng)15NO3--N、15NH4+-N 對(duì)小麥根系產(chǎn)生15N2O的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥根系產(chǎn)生的15N2O 均來(lái)自硝酸鹽的同化過(guò)程而非銨鹽的同化,而且15N2O 產(chǎn)生量隨15NO3--N 供應(yīng)量的增加而增加。Lenhart 等[25]通過(guò)15N 同位素法進(jìn)一步明確了植物產(chǎn)生的N2O 前體源自NO3-而非NH4+。在硝酸鹽的同化過(guò)程中因NO2-的累積對(duì)植物生長(zhǎng)有毒害作用,因此植物可能通過(guò)“ NO3-→NO2-→NO→N2O”這一生化反應(yīng)序列將NO2-還原為N2O 來(lái)保護(hù)細(xì)胞生長(zhǎng)[26]。上述研究結(jié)果為通過(guò)改善施肥措施以調(diào)控根系N2O 減排提供了佐證,即可以通過(guò)施用銨態(tài)氮肥或使用硝化抑制劑遏制NH4+-N 向NO3--N 的轉(zhuǎn)化,減少土壤中NO3--N 過(guò)度積累,降低作物同化NO3-過(guò)程中釋放N2O。根系從土壤中汲取水分和營(yíng)養(yǎng),同時(shí)向土壤中產(chǎn)出大量的種類繁多的低分子物質(zhì),包括滲出物、分泌物、粘膠質(zhì)、分解和脫落物[27],為根際土壤微生物提供了充足的碳源和氮源等營(yíng)養(yǎng)成分,影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量和活性以及在土壤中的分布[28-29],介導(dǎo)根際微生物的硝化、反硝化過(guò)程,影響根際土壤N2O 生成、還原與排放。莊姍等[30]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了根系分泌物的主要成分(有機(jī)酸、氨基酸、糖類)對(duì)土壤N2O 排放及其微生物過(guò)程的影響,結(jié)果表明,添加根系分泌物促進(jìn)了土壤N2O 排放,不同分泌物組分對(duì)土壤生成N2O 的影響存在差異。高濃度下葡萄糖的促進(jìn)效果最強(qiáng),其土壤N2O 排放量是低濃度下的2 倍;而低濃度下草酸的促進(jìn)效果最強(qiáng)。葡萄糖的添加對(duì)土壤生成N2O 的作用機(jī)制是增加微生物數(shù)量和提高酶活性[31],葡萄糖的濃度越高,越有利于N2O 的生成與還原,且N2O 還原與N2O 生成同比例增加[32];而草酸則是改變了土壤微生物的結(jié)構(gòu),且促進(jìn)了N2O 還原基因的復(fù)制而導(dǎo)致更多的N2O 還原為N2[20,33];添加絲氨酸增加土壤N2O 排放主要是發(fā)揮了為土壤微生物提供碳源的作用[34],從而促進(jìn)反硝化進(jìn)行。由此可見,根系分泌物的組成和數(shù)量均可對(duì)土壤N2O 排放及其微生物過(guò)程產(chǎn)生影響。光照強(qiáng)烈地影響作物光合作用以及光合碳氮代謝產(chǎn)物向根部轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌,繼而影響根際N2O 排放[35]。徐勝光等[36]利用小型光控培養(yǎng)箱開展了不同光照下供應(yīng)NO3--N、NH4NO3和NH4+-N 對(duì)水稻根際N2O 排放的影響研究,結(jié)果表明,根際N2O 排放隨光照增強(qiáng)顯著增加,光照不足限制光合碳、氮產(chǎn)物向根部轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌,從而降低根際N2O 排放;等氮情況下,供應(yīng)不同類型氮源對(duì)根際N2O 排放的影響存在差異,供應(yīng)NO3--N 根際N2O 排放速率最高,NH4NO3次之,NH4+-N最低,且強(qiáng)光較弱光下不同氮源處理間根際N2O 排放的差異更明顯。由此可見,光、氮耦合的碳氮代謝對(duì)根際N2O 排放具有強(qiáng)烈的調(diào)控作用。但是,也有研究表明,光照不足和過(guò)量的氮元素會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)NO3--N 含量上升、根系產(chǎn)生的N2O 增加[37];磷的供給和光照條件的改善則會(huì)明顯降低植物體內(nèi)NO3--N 含量,減少根系N2O 的排放[38]。此外,溫度亦是影響植物N2O 排放的重要因素,一定溫度范圍內(nèi),植物N2O 排放量隨溫度上升而上升,在35 ℃時(shí)N2O排放量最多[39]。鑒于光照和溫度均可通過(guò)調(diào)控根系生長(zhǎng)來(lái)影響根際N2O 的生成與排放,研究作物根系對(duì)根際N2O 排放的影響及其對(duì)全球變暖的反饋機(jī)制勢(shì)在必行,對(duì)減緩人類活動(dòng)對(duì)全球變化的影響具有極其重要的意義。

3 根際微域N2O 產(chǎn)生與排放檢測(cè)方法

根系對(duì)根際N2O 排放的影響過(guò)程復(fù)雜,涉及因子頗多,如何田間原位準(zhǔn)確測(cè)定“根系-根際土壤-非根際土壤”各單元N2O 排放量、解析根系生長(zhǎng)對(duì)根際土壤N2O 生成與還原的影響機(jī)制在方法學(xué)上一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),探索、完善田間原位測(cè)定方法是我們所面臨的挑戰(zhàn)。由于受到研究方法的限制,國(guó)內(nèi)外有關(guān)作物根系對(duì)根際微環(huán)境土壤N2O 產(chǎn)生、還原與排放的影響機(jī)制以及準(zhǔn)確定量的田間原位研究非常薄弱。近年來(lái),丹麥Unisense 公司研發(fā)了可以測(cè)定N2O、NO、O2、NO3-、NO2-、NH4+、pH、Eh等一系列與N2O 生成與還原過(guò)程相關(guān)的微電極,可在不破壞測(cè)點(diǎn)微環(huán)境的情況下檢測(cè)出納米尺度空間變化和秒級(jí)時(shí)長(zhǎng)變化的N2O 等指標(biāo)的濃度差異,其測(cè)量精度高(電流精度10-12安培)、檢測(cè)下限低,適合測(cè)定植物根系和根際相關(guān)指標(biāo)的濃度梯度(https://www.unisense.com/),為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定田間原位無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)下根系-根際土壤界面微域環(huán)境N2O的排放、生成以及還原機(jī)制研究提供了理論依據(jù)和可靠的技術(shù)支撐。但是,以往基于微電極測(cè)試的N2O 排放與硝化-反硝化等氮素轉(zhuǎn)化方面的研究多集中在污水、淤泥、稻田等水分含量相對(duì)較高的環(huán)境[40-46]。迄今為止,利用Unisense 微電極開展旱地農(nóng)田土壤N2O 排放的研究還鮮見報(bào)道。Li 等[40]基于微電極測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)了我國(guó)紅壤區(qū)兩個(gè)水稻品種根系誘導(dǎo)的根系內(nèi)與根際O2濃度梯度,闡明了根際O2濃度降低及其對(duì)根際硝化過(guò)程的影響以及與根系性狀的關(guān)系;Penton 等[47]基于微電極系統(tǒng)研究了夏威夷淹水芋頭(Colocasia esculenta)農(nóng)田土壤根際介導(dǎo)的硝化-反硝化過(guò)程與N2O 排放。這些研究為開展作物根系對(duì)根際N2O 排放的影響機(jī)制研究奠定了方法基礎(chǔ)。受此啟發(fā),Xing 等[48]基于微電極測(cè)試方法開展了玉米根際N2O 排放的研究。但是,在試驗(yàn)伊始,利用Unisense 傳統(tǒng)(手冊(cè))N2O 微電極方法測(cè)定旱地土壤(水分含量WFPS30%) N2O 排放時(shí)發(fā)現(xiàn): 無(wú)論土壤中添加化學(xué)氮肥與否,測(cè)定的微電極電信號(hào)值均很低,將電信號(hào)值導(dǎo)入微電極檢測(cè)系統(tǒng)自帶的Senser-Profiling 軟件后擬合得到N2O 的通量為負(fù)值,表征被測(cè)土壤基本無(wú)N2O 排放。顯然,這一結(jié)果與事實(shí)不符,為此,經(jīng)反復(fù)查找原因,發(fā)現(xiàn)在配置N2O 標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)用土壤浸提液代替蒸餾水可顯著提高微電極的電信號(hào)值,提高N2O 檢測(cè)的靈敏度,基于此,檢測(cè)了利用不同水土比土壤浸提液配置N2O 標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)微電極電信號(hào)值的變化,擬合出達(dá)到最大電信號(hào)值時(shí)的水土比,以此水土比浸提液配置N2O 標(biāo)準(zhǔn)曲線用以校準(zhǔn)N2O 微電極顯著提高了其靈敏度,結(jié)果表明,用水土比7∶1 或8∶1 土壤浸提液配置N2O 標(biāo)準(zhǔn)曲線是利用N2O 微電極測(cè)定非飽和土壤N2O 排放的最佳選擇[48]。在此基礎(chǔ)上建立了適宜于我國(guó)北方旱地土壤的N2O 排放通量測(cè)定的微電極方法,為田間原位無(wú)擾動(dòng)定量檢測(cè)旱地農(nóng)田作物根系及根際微域N2O 排放通量的測(cè)定提供了技術(shù)支撐;利用該方法定量了玉米苗期根際與根區(qū)外土壤N2O 排放,結(jié)果表明,根際N2O 排放顯著高于非根際土壤[48]。

作物生長(zhǎng)期間根系對(duì)根際N2O 排放的影響是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,與作物根系活性、光合碳氮產(chǎn)物向根部轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌密切相關(guān),隨作物生育期的延續(xù),根系活性會(huì)經(jīng)歷由弱到強(qiáng)再到弱的轉(zhuǎn)變過(guò)程,根系分泌物的組成和數(shù)量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變,由此造成根系對(duì)根際N2O 的影響隨生育期存在季節(jié)性變化,全面準(zhǔn)確了解根系對(duì)根際N2O 排放的影響機(jī)制與效應(yīng),有必要在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期開展田間原位非破壞性連續(xù)監(jiān)測(cè)。但是,根際土壤的非破壞性連續(xù)采集一直是個(gè)技術(shù)難點(diǎn),限制了此類研究的順利開展。“一種非破壞性連續(xù)采集根際土的根盒(ZL 2018 2 2078995.X)”的成功研發(fā)[49],使“連續(xù)采集同一植株不同生長(zhǎng)時(shí)期根際土壤,并且不損傷植株根系”得以實(shí)現(xiàn),推動(dòng)了對(duì)同株作物不同時(shí)期的根際土壤特性(如微生物區(qū)系、根系分泌物、理化因子等)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤研究[50-52],對(duì)田間原位開展根際N2O 排放機(jī)制研究在方法學(xué)上提供了借鑒,對(duì)量化根際微域N2O 產(chǎn)生及排放與土壤要素的數(shù)量關(guān)系提供了技術(shù)支撐。

N2O 是硝化、反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物,硝化、反硝化進(jìn)程決定不同途徑對(duì)N2O 生成量的貢獻(xiàn)。定量區(qū)分根際土壤N2O 的產(chǎn)生來(lái)源并建立與根際土壤生物化學(xué)要素的響應(yīng)關(guān)系,是闡明根系對(duì)根際N2O 生成與排放的影響機(jī)制的關(guān)鍵所在。近年來(lái),隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展,在N2O 產(chǎn)生途徑的定量溯源方法方面有所突破。自然豐度條件下的N2O 分子內(nèi)同位素位置偏好(15N-site preference,簡(jiǎn)稱15N-SP,15NSP=δ15Nα-δ15Nβ,其中α 位表示15N 位于N2O 分子的中間位置,即14N15N16O,β 位表示15N 位于N2O 分子的邊緣位置,即15N14N16O)分析技術(shù),與傳統(tǒng)的δ15N 和δ18O 分析相比,具有不受N2O 前體同位素組成和同位素分餾現(xiàn)象的影響等優(yōu)點(diǎn),是估測(cè)N2O 產(chǎn)生來(lái)源及貢獻(xiàn)的強(qiáng)有力手段[53-55]。純培養(yǎng)試驗(yàn)表明,硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2O 的15N-SP 值約為33‰,而反硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2O 的15N-SP 值約為0～0.1‰[54,56],這為應(yīng)用15N-SP 值定量區(qū)分N2O 產(chǎn)生途徑提供了依據(jù),為田間原位無(wú)擾動(dòng)定量區(qū)分土壤N2O 產(chǎn)生來(lái)源提供了技術(shù)支撐。Opdyke 等[53]利用靜態(tài)箱與穩(wěn)定同位數(shù)質(zhì)譜儀相結(jié)合的方法,監(jiān)測(cè)了美國(guó)密歇根西南部農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤排放N2O 的δ15N、δ18O 和15N-SP 值,基于15N-SP 值與穩(wěn)定同位素質(zhì)量平衡模型,定量區(qū)分了不同管理措施下土壤表層排放的N2O 來(lái)源。同時(shí),也比較了利用δ15N、δ18O 和15N-SP 值定量區(qū)分土壤N2O 來(lái)源的可靠性,結(jié)果表明,δ15N 和δ18O 由于受到硝化、反硝化底物(NH4+-N、NO3--N)同位素組成和N2O 生成過(guò)程中與底物、水和大氣O2中O 交換途徑的影響,不能準(zhǔn)確定量區(qū)分土壤產(chǎn)生的N2O 來(lái)源;而15N-SP 值由于不受這些因素的干擾可作為定量區(qū)分土壤N2O 來(lái)源的重要指標(biāo)?；诖?我們申請(qǐng)了國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目“基于15N 位置偏好分析技術(shù)的農(nóng)田土壤剖面N2O 產(chǎn)生機(jī)制研究(41571291)”,通過(guò)田間埋設(shè)氣體采集器與穩(wěn)定同位素分析技術(shù)相結(jié)合,田間原位研究了華北小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤剖面不同層次N2O 產(chǎn)生途徑及其穩(wěn)定同位素指紋的變化特征,量化不同途徑產(chǎn)生的N2O 對(duì)農(nóng)田N2O 排放的貢獻(xiàn)度。研究結(jié)果表明,華北小麥-玉米輪作農(nóng)田排放的N2O 有20.9%～44.4%來(lái)自于硝化過(guò)程;在土壤極度干旱情況下,80%～100%的N2O 來(lái)自于硝化過(guò)程。20 cm 以下土壤N2O 的δ15N-SP 值多數(shù)情況下高于37‰,表明20 cm 以下土壤N2O 主要來(lái)自于真菌反硝化;此外,深層土壤N2O 的δ15N-SP 值偏高,表明深層土壤中郁閉的N2O 發(fā)生了還原。由于受到土壤碳氮含量、溫濕度、作物生長(zhǎng)等多重因子的共同作用,長(zhǎng)期不同施肥處理土壤N2O 生成與還原過(guò)程及其N2O 的穩(wěn)定同位素特征值(δ15N2Osource、δ15NSP)存在明顯的季節(jié)性差異。無(wú)肥處理和施肥處理夏季土壤剖面δ15N2Osource分別為-10.46‰和-20.60‰,冬季分別為-15.86‰和-8.82‰。這表明,夏季施肥處理N2O 的生成速度高于還原速度,生成過(guò)程占主導(dǎo)地位;冬季施肥處理N2O 還原強(qiáng)度高于無(wú)肥處理,即低溫情況下施肥可增強(qiáng)N2O 還原過(guò)程[57]。N2O 同位素特征值的季節(jié)性變化表征其生成與還原過(guò)程的相對(duì)強(qiáng)弱亦存在季節(jié)性改變,由此引發(fā)了我們的思考,除了溫度季節(jié)性變化的影響外,根系活性及其根系分泌物的組成與數(shù)量的季節(jié)性改變亦應(yīng)該是導(dǎo)致N2O 生成與還原強(qiáng)度發(fā)生變化的主要誘因。因此,不同農(nóng)業(yè)管理措施下作物根系對(duì)根際N2O 生成、還原與排放的調(diào)控機(jī)制,根系-根際土壤-非根際土壤N2O排放量的田間無(wú)擾動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及各部分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放中的相對(duì)重要性評(píng)估尚需進(jìn)一步研究。

4 研究展望

在全球變暖的大背景下,作物根系對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響程度有多大、根系如何對(duì)土壤硝化、反硝化進(jìn)程產(chǎn)生影響以及哪些關(guān)鍵要素誘導(dǎo)根系對(duì)土壤N2O 的生成、還原與排放產(chǎn)生影響是我們需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。如何通過(guò)改善農(nóng)業(yè)管理措施來(lái)發(fā)揮根系對(duì)根際土壤氮素轉(zhuǎn)化的調(diào)控作用,促進(jìn)反硝化進(jìn)程進(jìn)展完全,使其更有利于N2O 向N2的轉(zhuǎn)化,是農(nóng)田N2O 減排的關(guān)鍵,這一領(lǐng)域的研究正在引起國(guó)內(nèi)外的高度重視。定量根系及根際土壤硝化和反硝化過(guò)程對(duì)N2O 產(chǎn)生的貢獻(xiàn)及其與溫度、光照、氮肥類型及用量等影響因素之間的數(shù)量關(guān)系,探明根系在根際土壤N2O 生成與還原過(guò)程中的調(diào)控方向與強(qiáng)度,有利于加深對(duì)土壤氮周轉(zhuǎn)過(guò)程的理解,可為制定阻控N2O 排放的技術(shù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

迄今為止,大部分有關(guān)根系對(duì)根際產(chǎn)生N2O 調(diào)控機(jī)制的數(shù)據(jù)都是在實(shí)驗(yàn)室控制條件下測(cè)得,仍缺乏在自然狀態(tài)下的田間原位觀測(cè)數(shù)據(jù)。畢竟實(shí)驗(yàn)室條件與自然條件相去甚遠(yuǎn),在田間自然狀態(tài)下觀測(cè)根系影響N2O 排放對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制更具有說(shuō)服力。因此,在今后的研究中需要加強(qiáng)田間原位動(dòng)態(tài)觀測(cè)典型農(nóng)田作物關(guān)鍵生育期根系對(duì)根際N2O 排放的影響機(jī)制研究,定量作物根系-根際土壤-非根際土壤N2O 排放通量及其與環(huán)境要素變化的響應(yīng)關(guān)系,闡明N2O 排放的根際效應(yīng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)制,將有助于正確估算全球農(nóng)業(yè)源N2O 排放通量,為農(nóng)田N2O 減排提供理論依據(jù)。