不同鹽漬化土壤N2O排放對生物炭添加和土壤水分的響應

王 春,張通港,羅 敏,閆思慧,程 煜,張體彬,馮 浩

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;3.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

自工業革命以來,人類活動對生物圈的影響已從區域擴展到全球,大氣中N2O濃度逐年增加,對陸地生態系統產生深刻影響并導致全球氣候惡化[1-3]。有研究表明,土壤N2O排放是大氣中N2O的主要排放源之一,導致大氣N2O濃度可增加5%[4],Smith等[5]認為,N2O排放有84%來自農業土壤生產,占全球N2O總排放的69%。溫室氣體是影響全球氣候變化的主要驅動因子,其濃度增加所引起的氣候變暖是當前面臨的嚴峻挑戰。

土壤鹽漬化是農田土壤退化的重要形式之一,在干旱半干旱灌溉農業區及濱海地區普遍存在。鹽度升高會影響土壤氮礦化、硝化、氨化和微生物群落及其活性,并干擾N2O的產生過程[6-8]。Zhou等[7]研究表明土壤鹽漬化可使N2O排放增加3倍以上。Zhang等[9]研究發現,土壤鹽漬化對N2O排放有負面影響,但Inubushi等[10]未發現顯著影響。土壤水分是影響土壤微生物過程的重要因素,對硝化和反硝化過程具有決定性作用[11]。江長勝等[12]研究表明,降雨量對土壤含水量具有直接影響,而土壤含水量是N2O排放量的決定性因素,硝化和反硝化作用的相對強弱以及N2O的擴散速率都受其影響。當水分條件在30%～60%充水孔隙度(WFPS)時,硝化作用是產生N2O的主要過程,而當WFPS>70%時,N2O主要來源于反硝化過程[13]。張世潔等[14]研究發現,農田灌水后,土壤N2O排放主要來源于反硝化過程。另外,生物炭作為一種土壤改良劑,常被用來改良鹽漬土,有研究表明,土壤中添加生物炭會抑制N2O排放且其減排效果與生物炭施用量呈正相關關系[15-16],然而也有研究指出添加生物炭不能降低土壤N2O排放[17-18]。目前關于土壤鹽漬化對N2O排放的影響及其對不同水分和生物炭添加響應的研究仍較為匱乏,需進一步開展研究。

本文選取內蒙古河套灌區典型鹽漬化土壤,開展室內培養試驗,研究不同鹽漬化土壤N2O排放規律及其對不同水分條件及生物炭添加的響應,以探明鹽堿化土壤溫室氣體排放特征,以期為鹽漬化農田管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤取自內蒙古河套灌區曙光試驗站(40°43′26″ N,107°13′23″ E),位于河套灌區中部。取樣區屬黃河中上游半干旱-半漠境鹽漬區,土壤類型為黃河灌淤土。于2021年8月采集0～20 cm土層土壤,其粘粒、粉粒和砂粒組成分別為32.2%、47.8%和20.0%,土壤質地為粉砂壤土,土壤飽和泥漿提取液電導率為8.1 dS·m-1,屬于中度鹽漬化水平。

1.2 試驗設置

本研究設置3個試驗因子,即含鹽量、含水量和生物炭添加;試驗處理步驟如下：淋洗土壤中可溶性鹽分,利用既定濃度的鹽溶液調控土壤含鹽量,將土壤填裝在下層鋪設濾紙且底部有孔的塑料桶中,使用去離子水淋洗土壤,期間測定淋洗液電導率,直至淋洗液電導率保持不變且接近去離子水數值(<0.2 dS·m-1),即視為已淋洗出土壤中的原有可溶性鹽。淋洗后的土壤經風干、過2 mm篩后備用。根據原有土壤鹽分離子構成特點,按照Na+∶Ca2+∶Mg2+=2∶1∶1的比例以氯化鹽形式配置鹽溶液,使用噴灑法加入淋洗后的風干土壤中,使其含鹽量分別達到0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%(分別記為S0、S1、S2、S3和S4)。將不同含鹽量的土壤再次風干、過2 mm篩,用去離子水分別將含水量調至田間持水量的100%和60%(對應質量含水量為22%和13%,分別記為W1和W0);生物炭處理包括不添加和添加土壤質量的5%(分別記為B0和B1)。本研究共計20個處理,各處理重復3次。具體試驗方案列于表1。

表1 試驗處理因子及設置Table 1 Experimental factors and settings

1.3 土壤培養和N2O測定

稱取60 g土壤樣品裝入500 mL培養瓶中,瓶口使用橡膠塞、三通閥密封,于2021年8月24日—9月23日期間置于室溫下密閉培養30 d,培養期間每5 d取一次氣體樣品。使用50 mL醫用注射器進行氣體取樣,將注射器插入三通閥中,旋轉三通閥,使培養瓶內氣體流通,緩慢抽取30～50 mL,每次取氣后取掉橡膠塞,進行通風處理,瓶內與大氣相通15 min,通氣結束后,蓋上橡膠塞,旋轉三通閥,保持瓶內氣體不與外界流通。采集的氣體樣品通過氣相色譜儀測定N2O濃度。N2O排放通量通過以下公式進行計算[19]：

(1)

(2)

式中,Ci為N2O氣體濃度(μL·L-1);C0為標氣濃度(μL·L-1);Areat為N2O峰面積;Area0為標氣峰面積平均值;F為N2O氣體通量(μg·g-1·d-1);Vh為頂空氣體體積(mL);Vw為土壤中水分的體積(mL);α為25℃時的吸收系數(α=0.544);M為N素相對原子質量 (g·mol-1);P為標準大氣壓(P=101.325 kPa);R為通用氣體常數(R=8.31451 L· kPa·mol-1·K-1);T為開氏溫度(T=298.15 K);W為烘干土塊質量(g);t為兩次采樣之間的天數間隔(d);1000是單位換算系數。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理,采用SPSS 24.0統計分析軟件對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗(P<0.05),采用Origin 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 水分條件對鹽漬化土壤N2O排放的影響

2.1.1 不添加生物炭 鹽漬化土壤N2O排放通量隨培養時間的變化趨勢不同,N2O累積排放通量在不同鹽分水平和水分含量之間有較明顯差異。從圖1A看出,S0處理土壤在培養期間內N2O排放通量變化劇烈,主要集中在前10 d,最后20 d內大幅度下降且在此時間段內無顯著變化。S1處理土壤在培養初期N2O的排放通量較高,并在第10 d達到峰值而后逐漸趨于平緩。S2處理土壤N2O排放通量有小幅度增加,而S3、S4處理土壤N2O排放通量無明顯變化。從圖1B看出,S0處理土壤培養初期N2O排放通量較高但低于S1處理,且從培養初期開始大幅度下降。S1處理土壤在開始培養時N2O的排放通量最高,前15 d大幅度降低,后逐漸趨于平緩。S2處理土壤在培養第10 d達到峰值,S3處理土壤則在培養第15 d出現峰值,S4處理土壤在整個培養期間N2O排放通量無明顯峰值且無明顯變化。在同一鹽分水平下,W1處理N2O累積排放量顯著高于W0處理(P<0.01)。S1W1處理土壤N2O累積排放量高于其他處理。與W0處理相比,W1處理中各鹽分濃度導致N2O累積排放量分別增加3.0%、84.8%、187.3%、729.7%和306.3%。在相同水分條件下,不同處理土壤N2O累積排放量存在極顯著差異(P<0.01),在W0水分條件下,與S0處理相比,S1、S2、S3和S4處理土壤N2O累積排放量分別降低43.9%、66.5%、91.9%和93.2%。在W1水分條件下,與S0處理相比,S1處理土壤N2O累積排放量增加70.3%,S2、S3和S4處理則分別降低6.4%、34.4%和73.1%(圖1C)。水分與鹽分交互作用分析表明,土壤水分、鹽分以及二者交互作用對土壤N2O排放均產生極顯著影響(P<0.01)。

注：圖中不同小寫字母代表處理間土壤N2O累積排放差異顯著(P<0.05)。三因素方差分析結果中,W代表水分處理,S代表鹽分處理;B代表生物炭處理;S×W代表水分和鹽分處理的交互效應;B×W代表生物炭和水分的交互效應;S×B代表水分和鹽分處理的交互效應;S×W×B代表水分、鹽分和生物炭處理的交互效應;NS：差異不顯著;*：P<0.05;**：P<0.01。下同。Note：Different lowercase letters in the figure indicate significant differences in soil N2O cumulative emissions between treatments (P<0.05);In the three-way ANOVAs,W represents soil water treatment;S represents salt treatment;B represents biochar treatment;S×W represents the interactive effect of soil water,salt treatment;B×W represents the interactive effect of soil water and biochar treatment;S×B represents the interactive effect of salt and biochar treatment;S×W×B represents the interactive effect of soil water,salt and biochar treatment;NS：Not-significant;*：P<0.05;**：P<0.01.The same below.圖1 不添加生物炭情況下水分、鹽分對N2O排放通量影響Fig.1 Effect of water and salt on N2O emission flux without biochar addition

2.1.2 添加生物炭 S0處理土壤在培養前期N2O排放通量波動幅度大,并在前15 d內驟降,而在最后15 d內保持穩定。S1處理土壤在開始培養時N2O排放通量低,隨后顯著上升并在第10 d出現明顯排放峰,在第15 d形成穩定。S2處理土壤N2O排放通量有小幅度增加,并在第15 d達到峰值。S3和S4處理土壤N2O排放通量無明顯變化(圖2A)。S0處理土壤N2O排放通量在前15 d大幅下降,隨后趨于平緩。S1處理土壤在培養初期N2O的排放通量較高,而后驟降直至平緩。S2處理土壤在培養第10 d出現明顯排放峰,之后N2O排放通量逐漸降低,在第20 d幾乎保持不變。S3處理土壤N2O排放量逐漸增加,在第25 d達到峰值,S4處理土壤N2O排放通量持續增加(圖2B)。土壤含水量為22%時,N2O累積排放量顯著高于W0處理(P<0.01)。與W0處理相比,W1處理中各鹽分濃度導致N2O累積排放量分別增加12.6%、18.1%、317.7%、596.9%和591.3%。在相同水分條件下,不同處理土壤N2O累積排放量存在極顯著差異(P<0.01),在W0水分條件下,與S0處理相比,S1、S2、S3和S4處理土壤N2O累積排放量分別降低39.5%、75.1%、94.3%和95.3%。在W1水分條件下,與S0處理相比,S1、S2、S3和S4處理土壤N2O累積排放量分別降低36.6%、7.5%、64.6%和71.2%(圖2C)。水分與鹽分交互作用分析表明,土壤水分、鹽分以及二者交互作用對土壤N2O排放均產生極顯著影響(P<0.01)。

圖2 添加生物炭情況下水分、鹽分對N2O排放通量影響Fig.2 Effect of soil water and salt on N2O emission flux with biochar addition

2.2 生物炭對鹽漬化土壤N2O排放的影響

低水情況下,B1處理N2O累積排放量與B0處理差異不顯著。與B0處理相比,S0處理中B1條件累積N2O排放量增加30.1%,S1、S2、S3和S4處理中B1條件則分別降低17.1%、3.3%、8.6%和10.5%。在相同生物炭處理,土壤N2O累積排放量無顯著性差異,在B0水分條件下,與S2處理相比,S0和S1處理分別增加301.2%和142.7%,S3和S4處理分別降低77.0%和81.1%。在B1水分條件下,與S1處理相比,S0和S2處理分別增加57.6%和45.8%,S3和S4處理分別降低44.3%和54.5%(圖3A)。高水情況下,B1處理N2O累積排放量與B0處理差異不顯著。與B0條件相比,S0、S2和S4處理中B1條件累積N2O排放量分別增加42.2%、40.5%和52.4%,S1和S3處理中B1條件分別降低47.0%和23.4%。在相同生物炭處理中,土壤N2O累積排放量無顯著性差異,在B0水分條件下,與S0處理相比,S1處理增加70.3%,S2、S3和S4處理分別降低6.4%、34.4%和73.1%。在B1水分條件下,與S0處理相比,S1、S2、S3和S4處理分別降低36.6%、7.5%、64.6%和71.2%(圖3B)。

圖3 生物炭的添加對N2O排放量影響Fig.3 Effect of biochar addition on N2O emission flux

生物炭與鹽分交互作用分析表明,土壤生物炭對N2O排放無顯著性差異;土壤鹽分對土壤N2O排放有極顯著影響(P<0.01),二者交互作用對其影響也達到極顯著水平(P<0.01),在一定程度上說明土壤N2O排放受鹽分的影響也受鹽分和生物炭共同作用的影響,但不受生物炭單獨影響。

2.3 水分、鹽分和生物炭交互效應對N2O排放量的影響

不同處理對N2O累積排放量影響不同(圖4)。不同處理情況下鹽分對N2O累積排放量有極顯著性差異(P<0.01)。在W0B0處理下,與S4處理相比,S0、S1、S2和S3處理累積排放量分別提高1363.6%、1289.4%、390.9%和19.3%。在W1B0處理下,與S1處理相比,S0、S2、S3和S4處理累積N2O排放量分別減少41.3%、45.0%、61.5%和84.2%。W0B1處理下,與S4處理相比,S3、S2、S1和S0處理累積N2O排放量分別提高21.9%、430.5%、956.5%和2028.2%。W1B1處理下,與S0處理相比,S1、S2、S3和S4處理累積N2O排放量分別減少36.6%、7.5%、64.6%和71.2%。

圖4 生物炭、水分和鹽分對N2O排放量的影響Fig.4 Effect of biochar,soil water and salt on N2O emission flux

不同處理情況下水分對N2O累積排放量有極顯著性差異(P<0.01),在S0B0處理情況下表現為W0

在同一鹽分條件下,土壤N2O排放不受水分和生物炭影響,即水分和生物炭沒有顯著性差異。S0情況下,不同處理N2O排放量表現為W1B1>W0B1>W1B0>W0B0;S1情況下,表現為W1B0>W0B0>W1B1>W0B1;S2情況下,表現為W1B1>W1B0>W0B0>W0B1;S3情況下,表現為W1B0>W1B1>W1B0>W0B1;S4情況下,表現為W1B1>W1B0>W0B0>W0B1。

鹽分、水分和生物炭交互作用分析表明,鹽分和水分分別對N2O排放量具有極顯著影響(P<0.01);N2O排放量沒有受到生物炭顯著影響;鹽分和水分、鹽分和生物炭二者交互效應對N2O排放量具有極顯著影響(P<0.01);水分和生物炭交互效應對N2O排放量無顯著影響;鹽分、水分和生物炭交互作用對N2O排放量的影響達到極顯著性水平(P<0.01)。

3 討 論

3.1 水分、鹽分和生物炭對N2O排放的影響

土壤水分已被證明是影響土壤N2O排放最重要的因素之一[20-22]。土壤水分與N2O排放呈正相關關系[23],盡管N2O的產生途徑復雜多樣,但在干燥土壤條件下,硝化作用是N2O的主要來源,而異養反硝化則是濕地土壤N2O排放的主要來源[24]。本研究發現高含水量條件下N2O累積排放量高于低含水量條件,這可能是由于土壤干燥情況下N2O產生是以硝化作用為主,而在水分充足情況下,土壤中氣體排放受阻,在土壤中形成了厭氧環境,減緩了硝化過程,促進了反硝化過程,反硝化作用更適應于厭氧環境,因此土壤水分含量升高,會導致N2O累積排放通量增加[25]。有研究表明,培養初期N2O排放很快,大約從培養的第10～15 d開始緩慢排放,排放通量隨時間的延長呈現減少的趨勢[26],可能是由于不穩定底物耗盡導致排放變緩[13],這與本文研究結果一致。

有研究表明,土壤鹽分對土壤呼吸具有負面影響[27-28]。本研究顯示,在同一處理條件下,含鹽量升高導致N2O累積排放量降低,但是當土壤中的鹽分達到重度鹽漬化程度時,含鹽量的升高不會對N2O累積排放量形成大幅度改變,這可能是因為重度鹽漬化土壤達到了耐鹽閾值,使土壤的理化性質遭到破壞,鹽度升高不會使N2O排放發生大幅度變化,土壤鹽分通過影響土壤微生物生物量、粒徑和基質有效性來影響N2O的排放[29]。鹽分含量較低時,鹽分含量升高導致N2O排放量降低,這可能是鹽分含量使土壤中的微生物受到離子毒害和鹽分脅迫,抑制微生物活性,導致N2O累積排放量降低[30-31]。

生物炭對N2O排放的影響沒有明顯規律[32]。在本研究中,單一的生物炭添加對N2O累積排放量沒有顯著影響,生物炭和水分的交互作用對N2O累積排放量也沒有顯著影響,而生物炭和鹽分的交互作用對N2O累積排放量有顯著影響。在鹽含量較低的土壤中,生物炭的添加降低了N2O累積排放量,這可能是由于生物炭和鹽分都對土壤結構產生一定影響,生物炭添加改變了土壤的理化性質,提高了土壤微生物的活性、硝化和反硝化作用,進而導致N2O排放量降低[33-34]。

3.2 水分、鹽分和生物炭交互作用對N2O排放的影響

土壤產生的N2O受到鹽分和水分交互作用的影響,N2O累積排放量均隨濕度增加而增加,鹽分對土壤N2O的排放有抑制作用,在鹽分含量較低的土壤中存在顯著的負面影響[13],這與本文研究中鹽分和水分交互作用一致。生物炭在土壤中的應用可能通過多種機制影響排放,包括改變土壤的物理、化學和生物特性[35]。本研究中,鹽分、水分和生物炭的交互作用對N2O排放有顯著差異,在較高水分含量條件下,鹽分和生物炭處理N2O累積排放量較高,可能是由于水分的影響在所有處理中占據主導地位,對硝化作用影響較大,鹽分含量超過0.75%時,已經嚴重抑制微生物的活性,導致N2O排放量不會發生明顯變化,生物炭的添加對土壤的物理、化學和生物特性有一定的改變,土壤性質通過影響氣體的產生和擴散顯著影響N2O的排放[36-38]。鹽分含量在0.5%情況下,水分的影響比其余處理更加顯著,這可能是由于水分和鹽分共同使微生物達到較活躍狀態,進而促進N2O產生。鹽分、水分和生物炭三者交互作用對N2O排放有顯著影響,不添加生物炭情況下,鹽分含量為0.25%且水分含量為田間持水量條件下N2O累積排放量最高,同一水平下添加生物炭N2O累積排放通量降低47%,說明添加生物炭可以降低N2O的產生。該研究生物炭與水分水平設置較少,關于生物炭添加含量和土壤濕度在何種程度上能達到更好的減排效果還有待進一步研究。

4 結 論

1)土壤鹽分影響N2O累積排放量,在較高水分含量情況下,S1處理N2O累積排放最高且顯著高于其他處理;在較低水分含量情況下,S0處理N2O累積排放量最高,S3與S4處理N2O累積排放量最低。

2)土壤水分影響N2O累積排放,所有水分含量高的土壤N2O累積排放量均高于水分含量低的土壤。

3)生物炭對N2O累積排放量存在一定影響,生物炭添加對N2O排放有輕微的抑制作用,在S1W0處理下,不添加生物炭處理N2O累積排放量較添加生物炭降低47%。

4)鹽分、水分和生物炭處理的交互作用影響N2O累積排放量,鹽分對N2O累積排放量具有負向影響,水分對N2O累積排放量具有正向影響,生物炭對N2O累積排放量無顯著影響;在不添加生物炭且低水含量條件下的輕度鹽漬土壤中N2O累積排放量最高。