硝化抑制劑和生物炭對菜地土壤N2O 與CO2 排放的影響

馬智勇，賈俊香，謝英荷，李廷亮，白春雨

（山西農業大學資源環境學院，國家級實驗教學示范中心，山西太谷030801）

氧化亞氮（N2O）和二氧化碳（CO2）作為2 種重要的溫室氣體，近年來大氣中濃度逐漸升高，加劇了全球溫室效應，對地球生物圈的安全造成了一定的影響[1]。農田中大量氮肥的施用加速了大氣N2O濃度的升高[2-3]。菜地管理中，農事操作具有灌溉頻率高、施肥用量大和復種指數高等特點，已經成為重要的農田N2O 排放源[4-5]，一季蔬菜的施氮量通常高達300～700 kg/hm2，遠大于常規氮肥施用量，不僅導致氮肥利用率低，而且導致土壤N2O 和CO2的大量排放[6]。據統計，我國施用于菜地的氮肥占總氮肥用量的17%，來源于菜地的N2O 直接排放量占全國總N2O 排放量的20%[7]。所以，研究菜地土壤N2O和CO2的減排對大氣環境具有重要的意義。近年來，硝化抑制劑雙氰胺（DCD）因其具有提升氮肥利用率和降低N2O 排放的功效被廣泛關注。有研究顯示，硝化抑制劑施用于不同作物對其產量具有不同程度影響[8-9]。在整個作物生長期間硝化抑制劑均能很好地抑制N2O 的排放[10-11]。以往研究認為，生物炭施加到土壤中具有一定的固碳作用，可以減少土壤溫室氣體向大氣的排放，減緩全球溫室效應[12]。同時，生物炭還可增加土壤有機碳抵抗微生物降解的穩定性，并對作物生長具有一定的影響[13]。目前研究認為，不同土壤中添加雙氰胺與生物炭后，由于受土壤溫度和濕度等多方面因素的影響，N2O 和CO2排放通量變幅較大。生物炭的施用在一定條件下可降低N2O 的排放[14]，減排效果較雙氰胺差，但有可能增加土壤CO2的排放通量，綜合減排效果不穩定。目前，雙氰胺和生物炭對土壤溫室氣體排放影響的研究主要集中在稻田土壤和部分南方菜地土壤[15-16]。北方菜地土壤中關于雙氰胺和生物炭對土壤溫室氣體排放的影響研究較少。

本研究采用室內靜態培養試驗，監測北方菜地土壤N2O 和CO2濃度的動態變化，通過探究菜地N2O 和CO2排放通量和累積排放量，以明確硝化抑制劑和生物炭對北方菜地土壤溫室氣體排放的影響，為菜地土壤N2O 和CO2減排提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤選自山西省晉中市平遙縣南西泉村蔬菜地耕層土壤（菜地種植年限為10 a，試驗地土壤基本理化性狀列于表1）；供試氮肥為天津北辰方正試劑廠生產的含氮量為46.7%的分析純尿素；硝化抑制劑為無錫亞泰聯合化工有限公司生產的分析純雙氰胺，生物炭為秸稈生物炭。

表1 試驗地0～20 cm 土層土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗于2018 年7 月9 日到8 月2 日在山西農業大學資源環境學院實驗室進行，采用靜態培養進行室內模擬試驗。試驗共設5 個處理，每個處理3 個重復，具體設置如表2 所示。

表2 試驗各處理設置

1.3 氣樣采集與分析

土壤培養的第1，3，5，7，14，22，30 天的9：00—11：00 采集氣體。在氣瓶密閉培養0，10，30 min 用20 mL 注射性針筒各采樣一次。采集的氣體樣品用氣相色譜儀（Agilent 7890B）測定。CO2檢測器為FID，檢測器溫度設定為250 ℃，柱溫為60 ℃，載氣為99.999%高純氮氣，流速為30 mL/min；N2O 檢測器為ECD，溫度設定為300 ℃，載氣為99.999%高純氮氣，流速為40 mL/min。根據每組3 個樣品的N2O 與CO2體積比與對應采樣時間的直線回歸斜率求得N2O 與CO2的排放通量，采用加權平均法求得整個觀測時期N2O 與CO2的累積排放量。

1.4 數據處理和計算方法

采用軟件Excel 2010 進行數據統計和作圖，采用軟件JMP 進行數據方差分析，采用SPSS 22.0 進行多重比較（P＜0.05）。

N2O 和CO2排放通量計算公式如下。

式中，F 表示N2O 排放通量（μg/（m2·h）或ng/（m2·h））和CO2排放通量（μg/（m2·h））；ρ 表示標準狀況下N2O-N和CO2-C的密度，分別為1.25，0.54g/L；V 表示采樣氣瓶體積（m3）；A 表示采樣氣瓶內土壤表面積（m2）；ΔC/Δt 表示N2O 和CO2排放速率（N2O為nL/（L·h），CO2為μL/（L·h））；T 為采樣瓶內溫度（℃）。3 次重復取平均值，表示該處理的排放通量，以時間間隔為權重進行加權平均，求得培養期內N2O 和CO2的累積排放量。

2 結果與分析

2.1 N2O 與CO2 排放通量

從圖1 可以看出，整個試驗培養期間，各處理N2O 排放通量表現出相同的變化趨勢，即在培養初期各處理N2O 排放通量迅速升高，隨后逐漸降低，最終各處理排放通量逐漸趨于一致。控制處理（CK）在培養初期N2O 排放通量最高，隨后逐漸平穩降低，在整個試驗期間變化幅度較小，為1.22～12.33 ng/（m2·h）；氮肥處理（N）在試驗初期N2O 排放通量達到峰值，隨后21 d 時間內迅速降低，在整個試驗期間排放通量變化幅度較大，為7.12～190.27 ng/（m2·h）；各處理N2O 最大峰值出現在7 月11 日的氮肥處理（N）中，達到190.27 ng/（m2·h），分別是當日N＋D 和N＋B 處理的68 倍和3.4 倍；硝化抑制劑處理（N＋D）在整個試驗期間排放通量逐漸降低，且變化幅度最小，其較氮肥處理降低了土壤N2O 的排放通量，且使N2O 的排放通量在整個試驗期間維持在較低水平；生物炭處理（N＋B）與氮肥處理（N）的N2O 排放通量在整個試驗期間變化趨勢一致，但排放通量整體低于氮肥處理。在整個試驗期間，硝化抑制劑雙氰胺處理的N2O 排放通量均小于生物炭處理。

CO2排放通量在整個試驗期間各處理變化趨勢一致，均在培養的第1 天達到排放通量峰值，隨后降低，在培養的第5 天再次出現小高峰，后期逐漸趨于平緩，且各處理間CO2排放通量差距逐漸減小。CO2排放通量最大峰值出現在氮肥處理（N）中，峰值達到78.24 μg/（m2·h）。氮肥處理與生物炭處理間CO2排放通量整體偏高，且變化趨勢一致；控制處理（CK）和添加硝化抑制劑處理（N＋D）的CO2排放通量整體偏低，且在整個試驗期間變化趨勢一致（圖1）。

2.2 N2O 與CO2 累積排放量

從圖2 可以看出，整個試驗期間N2O 累積排放量表現為硝化抑制劑和生物炭聯合施用的N＋B＋D 處理最低，為84.74 ng/m2；氮肥處理N2O 累積排放量最高，為1 192.03 ng/m2，且與其他處理間差異達顯著水平，CK 處理、氮肥配施生物炭處理（N＋D）和氮肥配施硝化抑制劑和生物炭處理（N＋B＋D）整個培養期間N2O 排放量均較低，且3 個處理間差異不顯著，變化范圍為84.74～100.14 ng/m2。由此可知，硝化抑制劑雙氰胺和生物炭相對氮肥處理均能顯著降低N2O 累積排放量；硝化抑制劑與生物炭聯用效果最好，該處理的N2O 累積排放量較氮肥處理降低了92.8%；生物炭處理的N2O 累積排放量較氮肥處理降低了67.8%，硝化抑制劑處理較氮肥處理降低了91.6%。

硝化抑制劑和生物炭聯用（N＋D＋B）處理的CO2累積排放量最低，較氮肥處理降低61.7%；控制處理（CK）、生物炭處理（N＋B）和生物炭與硝化抑制劑聯用處理（N＋B＋D）間CO2累積排放量差異不顯著，變化范圍為209.4～238.2 μg/m2。氮肥處理中CO2累積排放量最大，達到546.4 μg/m2，較CK顯著提高了137%；生物炭處理（N＋B）的CO2的累積排放量為428.64 μg/m2，較CK 提高了86.6%，但差異不顯著。

3 討論

3.1 菜地N2O 排放特征

本研究中，施加氮肥的處理較控制處理顯著提高了菜地土壤N2O 排放通量，表明氮肥可以明顯提升土壤N2O 的排放通量。土壤N2O 排放通量受多種因素的影響，其中包括氮肥用量、土壤溫度和濕度等[17]。研究顯示，氮肥用量與土壤N2O 排放通量呈正相關關系[18]。也有研究認為，土壤N2O 排放通量偏高與土壤速效氮含量偏高有關，尤其銨態氮含量偏高[19]。本研究中，相同氮肥用量下添加硝化抑制劑（N＋D）處理較N 處理顯著降低了N2O 排放通量，表明硝化抑制劑雙氰胺有很好的減排菜地土壤N2O 的功效。前人研究表明，在多種施肥模式下硝化抑制劑雙氰胺均能有效抑制土壤中銨態氮向硝態氮的轉化，同樣，其還可以通過減少土壤中硝酸鹽的淋失[20]從而控制土壤中硝態氮的含量，減少土壤N2O 的排放。

生物炭，作為一種新型材料，因其結構疏松多孔，在農業生產中被廣泛應用于改良土壤結構和固碳減排[21]。本研究中，生物炭處理（N＋B）相對氮肥處理（N）顯著降低了菜地土壤N2O 排放通量。說明生物炭對菜地土壤N2O 具有一定的減排作用，其減少N2O 排放的機理可能是改變了土壤結構，增加了土壤孔隙度，從而促進了土壤氣體向空氣中的擴散。也有研究顯示，土壤中添加生物炭降低N2O 排放通量，主要是通過提高土壤pH 值和改變土壤氮素形態來實現的[22]。大量研究認為，菜地中添加生物炭可在很大程度上降低菜地土壤N2O 的排放通量。但也有研究認為，不同土壤水分含量會影響土壤N2O 的排放通量，土壤水分含量較低的情況下生物炭能夠降低N2O 的排放通量，而土壤水分含量較高的情況下反而增加了菜地土壤N2O 的排放通量[23]。

3.2 菜地CO2 排放特征

土壤微生物的呼吸作用和含碳礦物質的化學氧化作用被認為是重要的土壤CO2排放源[24]。同時，生物炭作為土壤的外加碳源可能會增加土壤CO2的排放。本試驗中，生物炭處理的CO2累積排放量顯著高于控制處理，說明生物炭的添加促進了土壤CO2的排放。原因可能是由于生物炭添加到土壤中改變了土壤中有機質含量和土壤微生物活性，從而影響了土壤CO2的排放。但也有研究認為，生物炭的添加會抑制土壤的呼吸作用，從而降低土壤CO2的排放[25]。添加硝化抑制劑雙氰胺的N＋B 和N＋B＋D 處理CO2累積排放量均較低，說明雙氰胺不僅可以降低土壤N2O 的排放，還可降低土壤CO2的排放。但目前關于硝化抑制劑對土壤CO2排放影響機制的研究較少，還有待進一步研究。

4 結論

本研究結果表明，氮肥處理較不施氮肥的控制處理顯著提高了土壤N2O 和CO2的排放通量和累積排放量，說明氮肥的施用會促進土壤溫室氣體N2O 和CO2的排放；硝化抑制劑雙氰胺可以有效降低因氮肥施用導致的土壤N2O 和CO2的排放通量和累積排放量，具有較好的溫室氣體減排作用；生物炭對氮肥施用引起的N2O 排放通量和累積排放量具有一定的減排作用，但效果低于硝化抑制劑雙氰胺，且會促進土壤CO2的排放，其對溫室氣體的綜合減排效果仍待進一步研究。