應(yīng)用BaPS技術(shù)研究土壤呼吸、硝化和反硝化速率初探

石文君 王婷婷 高夢(mèng)雨 楊楠南 麻新 楊勁峰

摘 要：土壤硝化和反硝化是生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，是氮素?fù)p失的潛在途經(jīng)，土壤硝化和反硝化作用可向大氣中釋放溫室氣體，由此帶來(lái)環(huán)境危害。對(duì)于它們的研究成為當(dāng)前農(nóng)學(xué)與環(huán)境研究的熱點(diǎn)之一。BaPS技術(shù)是一種嶄新的研究旱地土壤硝化和反硝化作用的方法，采集的是田間原狀土柱，對(duì)土壤原有的結(jié)構(gòu)破壞較小，不額外添加抑制劑或氮源。有效地避免了同位素示蹤法帶來(lái)的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來(lái)的土壤原有氣體組成改變等問(wèn)題的出現(xiàn)。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單、快速，且在通氣良好的土壤中準(zhǔn)確性和同位素示蹤法相當(dāng)。本文利用沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)科2011年建立的炭基肥大田定位試驗(yàn)，在花生不同生育時(shí)期采集土壤樣本，采用BaPS技術(shù)進(jìn)行耕層土壤呼吸、硝化和反硝化速率的測(cè)定。初步了解BaPS技術(shù)應(yīng)用方法和特點(diǎn)，明確施用炭基肥及不同生物炭用量對(duì)土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率的影響。為深入探明炭基肥及生物炭改良土壤和提高土壤肥力的機(jī)理提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：BaPS技術(shù)；炭基緩釋肥；土壤呼吸；硝化速率；反硝化速率

氣壓過(guò)程分離（BaPS）技術(shù)，針對(duì)原狀土壤樣品進(jìn)行硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率的測(cè)定。測(cè)量結(jié)果精確，與15N同位素稀釋技術(shù)測(cè)量結(jié)果高度相關(guān)。可實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間土壤中占主導(dǎo)地位微生物學(xué)過(guò)程（硝化作用和/或反硝化作用）的判斷，并且是評(píng)價(jià)施肥管理?xiàng)l件下硝酸鹽淋溶和N2O的釋放，評(píng)估土壤氮素?fù)p失和大氣環(huán)境污染的潛在途徑。成為氮沉降條件下碳氮耦合循環(huán)研究的有效解決方案。隨著人們對(duì)N2O氣體的關(guān)注和深入研究，硝化作用速率和反硝化作用速率的測(cè)定方法也在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)裝置的要求也比較高。又因?yàn)槠溆绊懸蜃虞^多，所以實(shí)驗(yàn)室模擬也比較困難，大部分都是培養(yǎng)后測(cè)定其作用速率，和其他研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，我們看到BaPS技術(shù)現(xiàn)在被認(rèn)為是測(cè)定硝化作用速率、反硝化作用的首選方法，它不需要運(yùn)用15N同位素稀釋技術(shù)，不需要添加抑制劑，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)原狀土樣的的測(cè)定，并且實(shí)驗(yàn)的維修成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于15N同位素稀釋技術(shù)（不需要大型分光光度計(jì)）。BaPS技術(shù)有效的避免了同位素示蹤法帶來(lái)的土壤污染和由乙炔抑制法等帶來(lái)的土壤原有氣體組成改變等問(wèn)題的出現(xiàn)，所以BaPS技術(shù)在生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及農(nóng)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于遼寧省沈陽(yáng)市沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)花生定位科研基地內(nèi)（123°33' E， 40°48'N），地處松遼平原南部的中心地帶，屬于溫帶濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年均氣溫7.0～8.1℃，10℃以上積溫3300～3400℃，無(wú)霜期為148～180天，生長(zhǎng)季降雨量平均為547毫米。試驗(yàn)地為旱地棕壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡(jiǎn)育濕潤(rùn)淋溶土。炭基肥定位試驗(yàn)始于2011年，試驗(yàn)前耕層土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地種植制度為一年一熟花生連作，品種為花育33，種植密度為15萬(wàn)穴/公頃，每穴種植2株。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：處理1（不施肥，以CK表示）、處理2（生物炭225公斤/公頃，以C15表示）、處理3（生物炭750公斤/公頃，以C50表示）、處理4（82.5公斤N/公頃、82.5公斤P2O5/公頃、97.5公斤K2O/公頃，以NPK表示），處理5（炭基緩釋肥750公斤/公頃，以TJHS表示）。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積27平方米，隨機(jī)排列。采用90厘米大壟雙行種植方式，行距30厘米，株距15厘米，小區(qū)寬4.5米，長(zhǎng)6米。采用隨機(jī)排列。所有肥料混勻后采用條施做基肥一次施入，施入深度15～20厘米，覆土。其中C15處理與TJHS處理碳素投入量相同，NPK處理與TJHS處理養(yǎng)分投入量相同。

1.3 樣本采集與分析

2015年花生不同生育時(shí)期土壤樣本采集：于2015年花生播種后苗期、開(kāi)花下針期、結(jié)莢期采集耕層（0～20厘米）土壤樣本。樣本采集為環(huán)刀原位取樣，BaPS系統(tǒng)中7個(gè)環(huán)刀為一組，每個(gè)環(huán)刀在同一小區(qū)中隨機(jī)采集不同樣點(diǎn)，采后立即用塑料蓋密封環(huán)刀，防止水分散失。因此土壤呼吸、硝化和反硝化速率是7個(gè)樣點(diǎn)的均值。采樣結(jié)束后立即將裝有土樣的環(huán)刀送到實(shí)驗(yàn)室，置于BaPS實(shí)驗(yàn)容器，密閉后放入恒溫水浴（設(shè)定為采樣時(shí)的土壤溫度）進(jìn)行測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將采好的上壤環(huán)刀稱(chēng)重后置于實(shí)驗(yàn)容器中，密閉后放入恒溫水浴設(shè)定為采樣時(shí)的上壤溫度，待密閉空間內(nèi)的溫度與恒溫水浴溫度達(dá)到一致，進(jìn)行氣密性檢測(cè)并同時(shí)測(cè)定密閉空間體積。氣密性檢測(cè)方法為針筒準(zhǔn)確抽取氣體，之內(nèi)密閉空間內(nèi)壓力變化小于0.8百帕。輸入必要的土壤參數(shù)（土重、含水量、pH值）之后進(jìn)行測(cè)定，密閉測(cè)定過(guò)程為10～12小時(shí)。測(cè)定結(jié)束之后計(jì)算軟件直接給出土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率。對(duì)極少數(shù)不能立即分析的土樣先放入冰箱于0～4℃下保存，保存時(shí)間不超過(guò)1周。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤呼吸速率的影響

由圖1可以看出，不同施肥處理對(duì)花生各生育時(shí)期土壤呼吸速率影響不同。從花生的整個(gè)生育期來(lái)看，CK處理與C15處理土壤呼吸速率變化規(guī)律類(lèi)似，均呈下降趨勢(shì)，但針對(duì)花生三個(gè)生育期略有差異，在花生開(kāi)花下針期，C15處理較CK處理呼吸速率高出78.32μgC/kgDWh，而到結(jié)莢期C15處理卻較CK處理低。可見(jiàn)不施肥或施入低量生物炭土壤呼吸速率隨著生育期的進(jìn)行而降低。C50處理與NPK處理對(duì)花生整個(gè)生育期的土壤呼吸速率影響規(guī)律類(lèi)似，整個(gè)生育期土壤呼吸速率變化不大，趨近于一條直線(xiàn)。TJHS處理對(duì)花生整個(gè)生育期土壤呼吸速率的影響呈先增加后降低的趨勢(shì)，在花生開(kāi)花下針期達(dá)到峰值，為260.06μgC/kgDWh，達(dá)到5個(gè)處理在該時(shí)期土壤呼吸速率的最大值。

不同用量生物炭的兩個(gè)處理（C15和C50）與CK處理作比較，可以明顯看出C50處理能夠穩(wěn)定土壤呼吸速率，使得土壤有機(jī)質(zhì)在整個(gè)花生生育期能持續(xù)、穩(wěn)定分解。與CK相比，TJHS處理使得土壤呼吸速率呈倒“V”型增長(zhǎng)，在開(kāi)花下針期土壤呼吸速率提高78.43%，可見(jiàn)施用炭基肥可以有效提高花生生長(zhǎng)旺盛時(shí)期土壤呼吸速率，加快新陳代謝。對(duì)比C15與TJHS兩個(gè)處理，盡管TJHS處理花生土壤呼吸速率比C15處理在花生開(kāi)花下針期高出35.99μgC/kgDWh，但在苗期TJHS處理卻顯著低于C15處理，說(shuō)明等碳量投入情況下，增施氮磷鉀養(yǎng)分對(duì)花生開(kāi)花下針期影響較大，而在生育前期和后期影響不大。花生開(kāi)花下針期是植物迅速生長(zhǎng)、增葉、大量開(kāi)花的時(shí)期，對(duì)花生最終的產(chǎn)量有決定性的影響，增加炭基肥可有效的提高土壤呼吸速率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤硝化速率的影響

由圖2可以看出，施肥均能提高土壤的硝化速率，加速氮素流失，采用不同肥料對(duì)土壤硝化化速率影響不同。從花生的整個(gè)生育期來(lái)看，C15與C50處理土壤硝化速率變化規(guī)律相似，均為先降低后增加的趨勢(shì)，但C50處理變動(dòng)幅度不大，而C15處理則變幅較大，由于苗期施入低量生物炭，使得土壤耕層硝化作用最高，達(dá)到318.45μgN/kgSDWh；到開(kāi)花下針期急劇下降至52.25μgN/kgSDWh，而C50處理此時(shí)的硝化速率則高出C15處理61.73μgN/kgSDWh。此后C50處理均比C15處理土壤呼吸速率高，由此可見(jiàn)，排除花生苗期的特殊性，增加生物炭施入明顯提高土壤的硝化速率，加速了氮素?fù)p失。

對(duì)比NPK與TJHS兩個(gè)處理，育期內(nèi)的變化趨勢(shì)大致相同，均先增加后降低。整個(gè)生育期TJHS處理土壤硝化作用高于NPK處理。其中炭基肥處理平均硝化作用為74.50μgN/kgSDWh，比NPK處理高26.04%。可見(jiàn)相同養(yǎng)分投入情況下，炭基肥會(huì)明顯加速氮素轉(zhuǎn)化，發(fā)生硝化作用，如果作物吸收量小于轉(zhuǎn)化數(shù)量，就會(huì)加速氮素以氣態(tài)形式損失，或過(guò)多的氮素進(jìn)入到水體中，引起地下水硝酸鹽超標(biāo)或水體富營(yíng)養(yǎng)化。

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤反硝化速率的影響

由表2可以看出，在不同生育時(shí)期花生土壤反硝化速率的差異不像呼吸速率和硝化速率那樣明顯，僅個(gè)別處理的個(gè)別時(shí)期能監(jiān)測(cè)到土壤反硝化速率。分析原因主要是由于有些文獻(xiàn)指出反硝化作用僅僅在田間持水量大于76%的條件下發(fā)生，本研究中土壤為棕壤（2011年摻入5厘米沙土），土壤含水量較低；而且表層土壤與大氣的氣體交換很快，沒(méi)有達(dá)到反硝化發(fā)生的最適條件。其次由于目前BaPS技術(shù)所能檢測(cè)的反硝化速率精度為15μgN/kgSDWh，只有當(dāng)反硝化速率高于臨界值時(shí)才能檢測(cè)出。雖然利用BaPS系統(tǒng)研究早地土壤呼吸、硝化—反硝化過(guò)程在理論上可行，但反硝化速率只是在外界條件適宜的情況下才可檢測(cè)到，具有很大的偶然性，因此在本實(shí)驗(yàn)的外界條件下應(yīng)用BaPS技術(shù)對(duì)于土壤反硝化速率檢測(cè)效果不理想。

3 結(jié)論

應(yīng)用BaPS技術(shù)可以快速準(zhǔn)確檢測(cè)土壤耕層呼吸速率和硝化速率，由于采集的是田間原狀土柱，因此對(duì)土壤原有結(jié)構(gòu)破壞較小；且該方法操作簡(jiǎn)單、快速。但在測(cè)定過(guò)程中外界多種因素會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。首先土壤pH值與測(cè)定結(jié)果密切相關(guān)，土壤過(guò)酸或過(guò)堿會(huì)導(dǎo)致儀器檢測(cè)精度降低。其次土壤含水量會(huì)明顯影響測(cè)定精度和結(jié)果，本試驗(yàn)采用的棕壤（摻沙）土壤含水量非常低，因此導(dǎo)致在環(huán)刀取土?xí)r無(wú)法完成取出塊狀土，導(dǎo)致反硝化作用無(wú)法檢測(cè)出。今后再測(cè)定時(shí)，如果土壤含水量過(guò)低，可采用人工灌水的方式，要確保試驗(yàn)所有小區(qū)灌入等量的水。最后環(huán)境的溫度也會(huì)明顯影響測(cè)定數(shù)值大小。外界溫度如果變化1℃，就會(huì)引起測(cè)定結(jié)果劇烈變化。由于測(cè)定需要培養(yǎng)10～12小時(shí)，因此溫度都會(huì)發(fā)生變化，影響測(cè)定結(jié)果。因此如采用BaPS技術(shù)測(cè)定，要選擇配有空調(diào)且單獨(dú)的房間，以確保外界溫度變化對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響；同時(shí)盡量過(guò)多的打開(kāi)和關(guān)閉儀器的房間門(mén)，減少人員流動(dòng)等。作為一種新興的方法，BaPS有著傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著一些不足，一些實(shí)驗(yàn)條件的控制和相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定還需不斷摸索、調(diào)試。

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目—甲類(lèi)“應(yīng)用BaPS技術(shù)研究施用炭基肥對(duì)土壤硝化和反硝化速率的影響”（2015）。

作者簡(jiǎn)介：石文君（1993-），女，本科生，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究；通訊作者：楊勁峰（1977-），男，博士，副教授，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。

（責(zé)任編輯 亓 國(guó)）