2020, Vol. 39
N2O是地球上3大温室气体之一，其对全球变暖的贡献率约为6%[1]。由于人类活动的影响，与工业化前相比，N2O同比增长了约18.2%[2]。N2O的全球变暖潜力是CO2的265倍，在大气中可以持续121 a之久[1]。土壤被认为是N2O产生的重要来源，尤其是热带和酸性土壤[3]。作为硝化和反硝化过程的中间产物或副产物[4]，很多因素会通过影响硝化和反硝化作用，包括直接因素如土壤无机氮和土壤有机碳、土壤温度[5]、湿度[6]、容重[7]、pH[8]和间接因素如土地类型[9]、土地利用方式[10]、土壤植被类型[11]等，显著影响土壤N2O排放。
氮、磷是植物生长的必需元素，在植物的生长过程中发挥着重要作用。氮肥（N）作为植物氮素的主要来源，其添加能够促进土壤氮素利用，不仅提高作物经济产量，还能改善作物品质[12]。但随着N用量的增加，会使土壤N2O排放急剧上升。磷是红壤地区植物生长的主要限制元素，是油茶生长和茶油品质的关键限制因子。磷肥（P）添加可提高土壤磷供应，其添加对土壤N2O排放的研究显示，可能有促进作用[13]、抑制作用[14]，或者无影响[15]。农业对N需求量的增加是导致土壤N2O排放量加大的重要原因，研究如何合理施肥对减缓土壤N2O排放具有重要意义。环境因子、土壤理化性质和管理措施是影响温室气体排放的重要因素，采用合理的施肥措施是减缓温室气体排放的重要举措[16]。生物炭是在低氧条件下经高温热解炭化产生的一种富含碳的物质[17]。研究表明生物炭添加可以通过影响土壤的理化性质来影响土壤N2O的排放，如增大土壤pH[8]、增强土壤通气、增加土壤NH4+- N、NO3--N含量等[18]。施用生物炭可降低土壤平均N2O排放44%~60%[19]，加强土壤碳封存[20]，提高土壤肥力[21]。生物炭添加在农业中能够减缓土壤N2O的排放，近年来受到广泛关注。Rondon等[22]首次报道了生物炭土壤改良后土壤N2O排放减少。然而，也有研究表明，生物炭添加导致土壤N2O排放的增加[8]或者对N2O排放无影响[23]，而且不同梯度的生物炭添加对土壤N2O排放影响也有一定差异。石玉龙等[24]认为施加低量生物炭（10 t·hm-2）能够抑制N2O的排放，高量的生物炭（20 t·hm-2）添加反而促进了反硝化作用，增加了N2O的排放。Liu等[7]认为低量生物炭（4.5 t·hm-2）促进N2O年累积排放量增加，高量的生物炭（9 t·hm-2）抑制了N2O的年累积排放量。向农田土壤施用生物炭对N2O的减排效果已经得到了广泛研究，但是在油茶土壤中对于N2O的排放机制尚不清楚。
油茶（Camellia oleifera）是山茶科山茶属植物，是我国特有的重要木本油料作物，与油棕、油橄榄和椰子并称为世界4大木本食用油料树种[25]。目前，我国油茶栽培面积约447万hm2，主要分布于长江流域以南的红壤区，江西为油茶主产区，油茶林总面积超过100万hm2。在油茶果加工过程中一般把油茶壳直接丢弃，不仅造成资源浪费，也加剧环境污染。油茶壳烧制成生物炭，添加到油茶土壤中，不仅能减少环境污染，同时增加土壤肥力，实现变废为宝[26]。江西省属于典型的亚热带季风气候，7—11月，受副热带高压的控制，水热不同期。这个阶段是油茶产果及油脂转化的关键时期，遇到长期的缺水季，林地土壤无法及时为植株提供水分，不利于油茶林的高产稳产，所以保水剂的添加对油茶生长具有重要作用。聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）是一种线型水溶性高分子化合物，易溶于水且具有强黏结性，是现阶段应用最广泛、最具有代表性的吸水保水性树脂材料。聚丙烯酰胺可作为保水剂，同时也是土壤改良剂，能增加土壤表层间的凝聚力[16]，防止土壤板结等。聚丙烯酰胺施入土壤后，能够改善土壤结构，增强土壤渗透性，提高土壤含水量，减少N2O产生需要的厌氧状态，抑制土壤N2O的排放[16]，并促进植物生长。单一保水材料的施用往往容易受自身因素的制约，所以考虑使用油茶壳生物炭和聚丙烯酰胺制作生物炭复合保水材料。针对生物炭和聚丙烯酰胺作为复合保水材料对油茶土壤温室气体排放的研究报道还较少。因此，本文以油茶苗为研究对象，探究在常规施N、施P或配施生物炭基础上添加聚丙烯酰胺改良剂条件下，不同施肥类型对油茶土壤N2O排放的影响，通过寻求合理的施肥方式，以期为油茶土壤温室气体减排提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地点位于江西农业大学农业科技园。所处区域位于东经115°50′ 10″，北纬28°45′ 53″，属于亚热带湿润季风气候，年平均气温在17~18 ℃，盛夏最高气温可达40 ℃以上，冬季最低气温则为-10 ℃；年平均降雨量在1 600 mm左右，年内降水分布不均匀，降水多集中在4—6月，土壤类型为典型红壤。
1.2 试验材料供试油茶苗为1 a生实生苗，取自江西省林业科学院。采集油茶无施肥土壤并移除石块和杂物，备用。生物炭为油茶壳烧制而成，450 ℃条件下隔绝空气烧制1 h，冷却1 h，加适量水和聚丙烯酰胺混合搅拌，烘干再继续打磨过筛，粒径为0.053~0.25 mm。聚丙烯酰胺购自国药集团化学试剂有限公司，为阴离子型聚丙烯酰胺，平均分子量不小于1 000万。试验所用N为NH4NO3，P为Na2HPO4。试验用土壤和生物炭的基本理化性质见表 1。
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表 1 试验材料的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of test materials |
本试验为盆栽试验，每盆土质量为1.5 kg，盆高18 cm，顶部直径16 cm，底部直径11 cm。试验期为2018年4月到2018年9月。共设置12个处理，各处理随机分布，处理包括：对照组（B0CK）、N、P、氮磷肥（NP）、低复合保水材料（B1，1%，每盆13.65 g炭+1.35 g聚丙烯酰胺）、高复合保水材料（B2，2%，每盆27.30 g炭+ 2.70 g聚丙烯酰胺）、低复合保水材料和N（NB1）、高复合保水材料和N（NB2）、低复合保水材料和P（PB1）、高复合保水材料和P（PB2）、低复合保水材料和NP（NPB1）、高复合保水材料和NP（NPB2）。复合保水材料与土壤拌施，氮磷肥料均匀拌水喷施。2018年4月17日油茶苗种入盆中，每隔2~3 d根据生长情况适当浇水。油茶苗生长1个月左右，6月1日进行第1次施肥，6月24日第2次施肥，7月18日第3次追肥，其中施N 0.13 g N·kg-1、P 0.065 g P·kg-1、NP 0.13 g N·kg-1+ 0.065 g P·kg-1，9月26日收获。
1.4 样品采集与测定 1.4.1 N2O采集采用静态暗箱观测法。静态暗箱分为采气桶和底座，采气桶高度根据油茶苗高度由有机玻璃定制而成，桶高80 cm，底座直径为18 cm，距离桶底部高23 cm处开个小孔，使用50 mL医用注射器采气。桶外壁粘贴锡箔纸避光，桶上侧中间位置插有温度计，底座上部由水密封，保证在抽气过程中形成密闭空间。采样时把每盆油茶苗搬到底座上，每个处理3个重复。气体采集时间从5月23日开始，每隔一周采一次，在6月1日、6月24日、7月18日3次追肥后第1、3、6 d采气，再逐渐延长采气间隔时间，9月26日采气结束。每次采集气样时间为上午9：00—11：00，在扣箱后0、5、10、15 min分别抽取40 mL气体注入真空气袋，带回实验室分析。研究结束后，取土壤样品用于理化分析。
1.4.2 测定方法N2O排放通量：用气相色谱仪（安捷伦7890B）测定N2O浓度，N2O检测器为ECD（电子捕获检测器），载气为高纯N2，尾吹气为Ar+CH4（Ar90%，CH410%），尾吹气流量为2 mL·min-1。检测器柱温分别是330 ℃和60 ℃。每次采集样品的同时测定箱内温度、土壤温度和土壤湿度，土壤温度和土壤湿度采用土壤三参数测量仪测定。土壤湿度是用土壤湿度计在盆栽中直接测定读数。利用每组4个样品的气体峰面积算出与采样时间的回归斜率，求得N2O排放通量。N2O排放通量公式为：
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式中：F为N2O排放通量，μg·m-2·h-1；P为标准状态下大气压强，Pa；V为箱的体积，m3；R为普适气体常数，8.314 J·mol-1·K-1；A为箱底面积，m2；dc/dt为N2O浓度随时间变化率；T为采样过程中的绝对温度，K；M为N2O的相对分子质量。
N2O累积排放量公式：
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式中：E为土壤N2O累积排放量，μg·m-2；F为N2O排放通量，μg·m-2·h-1；i为采样次数；ti+1-ti为采样间隔天数。
土壤pH值：以土水比1:2.5（m/V），采用pH计测定（LE438 pH，METTER TOLEDO，上海）。将土自然风干，过2 mm筛，称取10 g风干土，加25 mL去离子水，振荡0.5 h，过滤，静置1 h后进行测定。
土壤含水量：采用烘干法测定。称取过2 mm筛的鲜土10~20 g，称取铝盒质量，把鲜土放进铝盒里，在烘箱里105 ℃下烘干至恒质量，拿出冷却后立即称取质量。
土壤铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）含量：采用KCl溶液浸提法，使用Smart Chem 200全自动间断化学分析仪测定（Westco Scientific Instruments，Brookfield，CT，USA）。称取过2 mm筛鲜土10 g于100 mL塑料瓶中，加KCl溶液50 mL，振荡30 min，过滤，取浸提液在全自动化学分析仪上测定。
1.5 数据分析采用Microsoft Excel 2003进行数据处理，SPSS 20.0进行数据分析。采用单因素方差分析（ANOVA）和多重比较（LSD Duncan）法检验不同施肥和保水措施对油茶土壤N2O累积排放量是否有显著性差异以及N2O排放通量与各因子之间的关系，数据显著性水平采用P < 0.05。绘图利用Origin 8.1软件完成。图表中数据为平均值±标准误。
2 结果与分析 2.1 不同处理中土壤N2O排放通量和土壤含水量的关系从表 2可以看出，不同因素对土壤N2O排放通量和土壤含水量有显著影响。其中，氮添加、复合保水材料添加、磷和复合保水材料的交互作用对土壤N2O排放通量有极显著影响（P < 0.01），磷添加、氮和磷添加的交互作用以及氮磷和复合保水材料的交互作用对土壤N2O排放通量没有影响（P > 0.05）。不同因素中，只有磷添加对土壤含水量没有显著影响（P > 0.05），其余因素均有显著影响。其中，氮添加、复合保水材料添加、氮和复合保水材料的交互作用、磷和复合保水材料的交互作用均对土壤含水量有极显著影响（P < 0.01），且含水量在不同取样时间的差异性显著（P < 0.01）。从图 1可看出，不同处理下N2O排放通量的大小趋势为N>B0CK>NB1>NB2>B1>B2，NB2、B1、B2与对照之间存在显著性差异，N、NB1与对照之间无显著差异。B1与B2之间无显著差异。与对照相比，N添加处理土壤N2O排放增加11.00%，NB1、NB2、B1、B2分别降低14.41%、37.85%、81.04%、81.86%。添加复合保水材料处理N2O排放通量显著低于对照组。从图 2中可看出，不同处理下土壤含水量的大小顺序是NPB1>NPB2>NB2>PB1>NB1>B1>B2> PB2>N>B0CK>NP>P，其中对照、NP、P 3种处理之间土壤含水量没有差异，且显著低于其他处理。施加复合保水材料处理土壤含水量显著高于不施加处理，表明添加复合保水材料对土壤保水性能有明显作用。
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表 2 N2O排放通量和土壤含水量与各因素之间的关系 Table 2 Relationship between N2O emission flux and soil water content with various factors |
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不同字母代表处理间差异显著。下同 Different letters indicate significant difference among treatments. The same below 图 1 不同氮肥和保水措施对N2O排放通量的影响 Figure 1 Effect of different nitrogen fertilizer and water conservation measures on N2O emission flux |
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图 2 不同施肥和保水措施对土壤含水量的影响 Figure 2 Effects of different fertilization and water conservation measures on soil water content |
由表 3可见，磷和氮的交互、磷和复合保水材料的交互作用对N2O累积排放量无显著差异（P > 0.05），其余处理均显著影响N2O累积排放量。其中，氮、复合保水材料以及氮与复合保水材料的交互作用对N2O累积排放量有极显著影响（P < 0.01）。由图 3可见，不同处理下土壤N2O累积排放量的大小顺序是NP>NPB1>N>B0CK>P>NB2>NPB2>NB1>PB1>B1> PB2>B2，其中NPB1和NP处理下土壤N2O累积排放量最高，且两者之间无差异。与对照相比，N、NP和NPB1累积排放量分别增加2.49%、9.63%和8.34%，且3个处理间无明显差异；P和NB2两个处理间无明显差异；NPB2、NB1、PB1、B1、PB2、B2累积排放量分别比对照降低了24.02%、26.62%、49.62%、54.59%、63.52%、82.34%，且差异显著。B2处理下土壤N2O累积排放量最低，显著低于B1。
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表 3 不同处理与N2O累积排放量、土壤矿质氮、土壤pH的关系 Table 3 Relationship between different treatments and cumulative N2O emissions, soil NH4+-N, NO3--N, soil pH |
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图 3 不同施肥和保水措施对N2O累积排放量的影响 Figure 3 Effects of different fertilization and water conservation measures on N2O cumulative emissions |
氮、磷、复合保水材料和它们之间的相互作用均对土壤NH4+-N有显著影响（P < 0.05）。从表 3和图 4可以看出，NP处理下土壤NH4+-N含量最高，对照和P处理下土壤NH4+-N含量最低。氮、磷、复合保水材料和它们之间的交互作用均对土壤NO3--N有极显著影响（P < 0.01）。NPB2处理下土壤NO3--N含量最高，N和NP处理下土壤NO3--N含量次之，其余处理下土壤NO3--N含量均较低，没有显著差异。不同处理下土壤NH4+-N含量的大小顺序是NP>N>NB2>B1>NPB1> PB1>NB1>NPB2>PB2>B2>P>B0CK，其中NP处理下土壤NH4+-N含量显著高于其他处理。
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图 4 不同施肥和保水措施对土壤NH4+-N和NO3--N的影响 Figure 4 Effects of different fertilization and water conservation measures on ammonium and nitrate nitrogen in soil |
氮和磷添加对土壤pH有极显著影响（P < 0.01），氮、磷添加下pH显著低于对照处理，复合保水材料对土壤pH有显著影响（P < 0.05），复合保水材料添加显著提高了土壤pH。其余处理均对土壤pH没有影响（P > 0.05）。
3 讨论 3.1 氮磷添加对油茶土壤N2O排放量的影响N2O可以通过不同的氮转化途径产生，但以硝化和反硝化作用为主。硝化和反硝化作用与NH4+-N和NO3--N两种反应底物浓度有关[23]。氮添加增加了硝化和反硝化作用的底物浓度，利于N2O排放，而对照处理由于植物生长消耗了有效态氮，导致N2O排放相对较少，这也与大多数研究结果一致[2, 26]。本试验结果也表明氮添加后土壤N2O大量排放很大程度上是因为增加了土壤中NH4+-N和NO3--N含量。硝化作用是土壤氮循环的关键过程，其发生和速率与AOA和AOB的丰度和活性密切相关[8]。N添加也可能通过增加AOA、AOB、nirK、nirS和nosZ基因丰度来促进土壤硝化作用，影响土壤氮循环[27]。pH也会影响土壤N2O的排放，在pH较低的土壤中，N2O的排放显著增加。本研究中氮、磷添加后土壤pH（5.46、5.19）显著低于对照处理（5.60），可能导致在酸性条件下通过影响胞质中的酶组装来抑制N2O还原酶，从而对N2O排放产生积极影响[28]。
本试验中磷添加对土壤N2O排放通量无影响，但促进了N2O累积排放。累积排放量是排放通量随时间的积累，在时间尺度上存在增加效应，经过长时间累积，N2O累积排放增加。也有可能是磷添加促进了土壤氮的矿化，进而促进土壤N2O的排放。磷添加后显著提高了土壤NH4+-N和NO3--N含量，促进反硝化作用，也可以促进自养硝化作用，产生更多的N2O[15]。土壤中碳和磷等营养物质的有效性会限制土壤中异养微生物的生长和活性。磷添加可能会增加土壤中有效磷，增大土壤中异养微生物的活性，促进N2O的排放；也可能会通过诱导微生物对氮的需求来促进土壤有机质的分解，基质化学结构的变化会影响总氮矿化，从而影响土壤N2O的排放[29]。
土壤中氮和磷等营养物质的有效性对微生物的生长和呼吸有很强的控制作用。Wang等[30]研究发现在森林生态系统中，由于在湿润季节磷添加时刺激氮吸收更多的微生物生物量，氮、磷共同添加能够促进土壤N2O的排放。Gao等[2]结果表明氮、磷共施促进了杉木林的土壤N2O的排放。本试验中氮、磷同时添加对土壤N2O排放通量和累积排放均没有显著影响。这可能是由于植物的生长和微生物活性的增加增强了微生物的固定，导致土壤N2O排放与对照相比没有显著变化[31]。NP添加后土壤NH4+-N和NO3--N显著高于对照处理，而N2O排放无显著差异，这一结果与曹登超等[15]研究相似，一方面可能是因为土壤的无机氮含量较低，限制了硝化和反硝化过程的底物，另一方面磷肥的添加可能促进植物对氮的吸收，从而减少N2O排放。
3.2 不同保水措施对油茶土壤N2O排放量的影响施加生物炭，能够促进土壤中NH4+-N矿化和硝化作用，促进N2O的排放。但在南方酸性土壤中，施用生物炭大多能降低N2O的排放[26]。可能是因为生物炭能够改善土壤通气性，限制硝化作用及厌氧条件下氮素微生物的反硝化作用，从而减少N2O的排放[9]。本试验中施加生物炭和聚丙烯酰胺能一定程度降低油茶土壤N2O的排放。一方面是因为生物炭和聚丙烯酰胺本身的性质，生物炭具有较高的碳氮比，随着生物炭的添加，改善了土壤团粒结构，抑制了反硝化微生物的活性，减少N2O的排放。经聚丙烯酰胺处理的土壤样品的酰胺酶活性显著高于未经处理的土壤样品，聚丙烯酰胺在酰胺酶催化下脱氨生成氨和聚丙烯酸酯，释放出的氨被微生物用作生长的氮源[32]，添加聚丙烯酰胺和生物炭提高了土壤中NH4+-N和NO3--N含量。施入土壤中的生物炭和聚丙烯酰胺可能会通过吸附作用固定土壤中NH4+-N等，潜在抑制土壤N2O的排放[16]。另一方面与生物炭和聚丙烯酰胺的添加改变土壤理化性质有关，如B2处理下的N2O累积排放量较少可能与B2处理下的pH较高有关。生物炭通过调节土壤pH影响土壤N2O的排放。在酸性土壤中，pH是影响细菌群落多样性、结构、相互作用和功能的关键因素，从而影响温室气体的产生[31]。pH也被证明是预测土壤中细菌水平丰度的良好指标。pH值降低时，硝化螺旋菌减少，对氮循环产生影响，从而影响硝化作用，产生更少的N2O[9]。陈晨等[8]研究表明，生物炭的施用提高了土壤pH，通过改变土壤的理化性质和微生物活性，显著降低N2O的排放。生物炭的大量施用，增加了土壤阳离子交换量，减少了硝化作用的底物氮源，其通过NO3--N的还原过程来减弱反硝化作用，从而整体上表现为减少N2O的排放。NO3--N在还原成N2的过程中可能由于反硝化细菌活性降低，反硝化作用减弱而受到抑制。在本研究中，可能是土壤的反硝化作用减弱降低了土壤N2O的排放。土壤水分是影响硝化微生物活性的重要因素[33]，本试验中复合保水材料在油茶盆栽试验中有一定的保水效能，添加生物炭和聚丙烯酰胺，显著增加了土壤水分含量，从而影响N2O的排放。酸性土壤中，有80%的N2O排放来自土壤的反硝化作用。聚丙烯酰胺是一种合成的高分子量的化合物，聚丙烯酰胺分子与土壤接触时，其内聚性将土壤颗粒和黏粒结合在一起，从而打开较大的土壤孔隙，水就会优先通过这些孔隙流动，保持水分[34]。研究表明，随着聚丙烯酰胺用量的增加，土壤含水量会呈先上升后下降的趋势[35]，与本文中B2处理下的土壤含水量低于B1处理结果一致，可能是因为聚丙烯酰胺在土壤水分亏缺情况下效果更佳[36]。聚丙烯酰胺在有氧和厌氧条件下均可以为土壤提供氮源，且能在有氧条件下为土壤提供碳源，促进土壤N2O的排放，故在本研究中添加生物炭和聚丙烯酰胺显著降低土壤N2O的排放，是生物炭起了主要作用。
3.3 施肥和保水措施对油茶土壤N2O排放量的影响本研究中NP、复合保水材料共同施加的施肥措施对油茶土壤N2O累积排放有显著影响，其中NP配施B2的处理N2O累积排放较低，可能是高量的生物炭和聚丙烯酰胺起主要作用。生物炭和聚丙烯酰胺能增加土壤通透性，促进氧气扩散，有利于土壤中有机物质利用N2O发生非生物反应[37]。N配施生物炭、聚丙烯酰胺处理与对照相比显著降低土壤N2O的排放。可能是因为N的施用增加了土壤微生物能源底物浓度，而生物炭的添加增加了对矿质氮的吸收，结果表现为降低了土壤N2O排放[36]。与周自强等[38]在生物炭添加下配施N能显著降低N2O排放研究结果一致。随着复合保水材料量的增加土壤N2O累积排放减少，与李露等[39]研究中高量的生物炭（40 t·hm-2）处理下N2O排放更低结果一致。可能是因为施加生物炭的含量较高，能有效限制氮素的微生物转化和反硝化作用，减少土壤N2O排放。生物炭的添加在一定程度上提供了氮源，但是增加的氮源可能低于生物炭吸附的有效态氮含量。B2处理的聚丙烯酰胺的含量也相对较高，聚丙烯酰胺的活性基团可以与土壤颗粒表面的离子相互作用，进一步增加土壤对养分的固持作用，减少N2O的排放[40]。也有研究表明[41]，施加低量的生物炭（20 t·hm-2）对N2O排放无显著影响，而高量的生物炭（40 t·hm-2）添加后能显著降低N2O排放。说明生物炭添加对土壤N2O排放的结论不一，还需要进行更深层次的研究。
4 结论氮添加和磷添加均能促进油茶土壤N2O排放，从本试验中可看出添加生物炭和聚丙烯酰胺均能显著降低油茶土壤N2O排放，且随生物炭量和聚丙烯酰胺的增加减排效果更佳。与对照组相比，B1和B2处理均实现N2O减排50%以上。施N后，添加复合保水材料也显著降低了土壤N2O的累积排放。在NP同施时，添加复合保水材料在B2水平上也显著降低了N2O累积排放量。在油茶林中，选择高生物炭和聚丙烯酰胺保水措施（每盆27.30 g炭+2.70 g聚丙烯酰胺）对于减少温室气体排放较为有益，更能达到固氮减排的效果。
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