铵态氮源和碳源对土壤N2OCO2释放的影响

大气中氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）等温室气体浓度的不断增加，是近50年来气候变化的主要原因；其中N2O不仅能导致气候变暖，还会间接破坏臭氧层，影响生态环境和人类健康[1-2]。有研究表明，农业生产活动所产生的CO2和N2O分别占全球人为温室气体排放的11%和60%[3]。农田土壤N2O和CO2主要产生于土壤微生物作用，并且受土壤性质和农业管理措施的影响[1，4]，主要包括土壤温度、水分、质地、pH值、耕作与施肥等[5-11]。铵态氮源和碳源对土壤N2O、CO2释放的影响王琳1，周晓丽1，马银丽2，巨晓棠3，吉艳芝1，张丽娟1*（1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定071000；2.河北香河环保产业园区，河北廊坊065400；3.中国农业大学资源与环境科学学院，北京100193）收稿日期：2015-07-27基金项目：农业部“948”项目（2012-Z36）；国家自然科学基金项目（40771098）；河北教育厅项目（Q2012130）作者简介：王琳（1992—），女，河北保定人，硕士研究生，从事土壤环境质量评价与监测研究。E-mail：[e-mail]*通信作者：张丽娟E-mail：[e-mail]摘要：在田间持水量WFPS为70%、温度为20益的条件下，通过室内静态培养方法研究铵态氮源与不同碳源结合，对华北平原典型小麦-玉米轮作体系土壤N2O、CO2释放的影响。其中，碳源种类分别为葡萄糖、果胶、淀粉、纤维素、木质素和秸秆。结果表明添加葡萄糖和果胶有效促进了土壤N2O的释放，并在第1d达到最大值，分别为4039.85滋gN2O-N·kg-1·d-1和2533.44滋gN2O-N·kg-1·d-1；添加纤维素和只施秸秆处理降低了N2O释放。施入碳源增加了CO2释放，顺序为纤维素淀粉葡萄糖果胶秸秆木质素。培养结束后土壤中铵态氮几乎消耗完全，除添加葡萄糖处理外，其他施碳土壤的硝态氮含量均有所增加。在培养前3d，土壤NH+4和NO-3总含量与N2O释放量显著相关。关键词：华北地区；铵态氮源；碳源；N2O；CO2中图分类号：S153.6文献标志码：A文章编号：2095-6819（2016）01-0023-06doi:10.13254/j.jare.2015.0181引用格式：王琳，周晓丽，马银丽，等.铵态氮源和碳源对土壤N2O、CO2释放的影响[J].农业资源与环境学报,2016,33（1）:23-28.WANGLin,ZHOUXiao-li,MAYin-li,etal.EffectofAmmoniumNitrogenSourceandCarbonSourceontheCO2andN2OEmissionsofSoil[J].JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment,2016,33（1）:23-28.EffectofAmmoniumNitrogenSourceandCarbonSourceontheCO2andN2OEmissionsofSoilWANGLin1,ZHOUXiao-li1,MAYin-li2,JUXiao-tang3,JIYan-zhi1,ZHANGLi-juan1*（1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China;2.EnvironmentalIndustrialParkofXianghe,Langfang065400,China;3.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China）Abstract：Tostudytheeffectofammoniumnitrogensourcecombinedwithdifferentcarbonsources,whichincludedglucose,pectin,starch,cellulose,ligninandstraw,onN2OandCO2emissionsofsoilinthetypicalwheat-maizerotationsystemintypicalNorthChinaplain,theexperimentwascarriedoutthroughthestaticincubation-gaschromatographmethod,withtheWFPSof70%andthetemperatureof20益.TheresultsshowedthattheadditionofglucoseandpectincouldeffectivelypromoteN2Oemissions,withthepeakvaluesof4039.85滋gN2O-N·kg·d-1and2533.44滋gN2O-N·kg·d-1onthefirstday,respectively;whilethecelluloseandstrawreducedN2Oemissions.ThecarbonsourceincreasedCO2emissions,theorderwascellulosestarchglucosepectinstrawlignin.Theammoniumnitrogeninsoilwasalmostcompletelyconsumedaftertheincubation.Excepttheadditionofglucose,thenitratenitrogencontentsofthesoiladdedtheothercarbonsourceswereincreased.Inthefirst3daysoftheincubation,thetotalcontentsofNH+4andNO-3insoilweresignificantlycorrelatedwithN2Oemissions.Keywords：NorthChina;ammoniumnitrogensource;carbonsource;N2O;CO2农业资源与环境学报2016年1月·第33卷·第1期：23-28January2016·Vol.33·No.1：23-28JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment——农业资源与环境学报·第33卷·第1期碳量/g·kg-1Amountofcarbon氮量/g·kg-1Amountofnitrogen含水量WFPS/%CK00070NH+4004070NH+4+Glucose葡萄糖0.54070NH+4+Pectin果胶0.54070NH+4+Starch淀粉0.58070NH+4+Cellulose纤维素0.54070NH+4+Lignin木质素0.54070Straw秸秆（小麦）0.5070Morley等[12]研究表明，绝大多数异养微生物以土壤有机质作为碳源和电子供体，因此土壤有机质是调控N2O排放的重要因子，并且为土壤呼吸作用提供基质。目前，很多研究针对于碳源添加及不同碳氮比对N2O、CO2排放的影响[13-14]，而关于碳源种类的影响涉及较少。我国北方农田土壤N2O产生的主要途径为硝化作用[15]，因此将铵态氮肥与碳源结合，对研究氮肥的转化规律及有效利用具有重要意义。华北平原是我国主要粮食产区之一，主要的种植方式为冬小麦-夏玉米轮作体系。本试验以华北平原典型农田土壤为研究对象，运用静态培养系统，通过设置铵态氮源与不同碳源结合的处理，研究土壤N2O、CO2的释放特征，以探明华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系下N2O、CO2释放对不同碳源种类添加的响应，为制定华北地区土壤温室气体减排措施提供理论依据。1材料与方法1.1供试材料供试材料选用中国农业大学曲周试验站长期定位试验土壤，在冬小麦-夏玉米优化管理种植体系，冬小麦季氮肥施用量为139kgN·hm-2，夏玉米季氮肥施用量为185kgN·hm-2，秸秆还田、优化施肥、节水灌溉。曲周实验站位于河北省邯郸市东北部（36毅N，114毅E），属于暖温带半干旱季风气候，光、热、水等气候资源比较丰富，海拔36m，年降水量542.8mm左右，年际变化率大（23.4%），7、8月份降水量约占全年降水量60%，年蒸发量1800mm。供试土壤为盐化潮土，表层土壤（0~20cm）为轻壤土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.34%、58.25%和2.41%，容重1.30g·cm-3，pH值7.72，有机碳含量9.5g·kg-1，总氮含量700mg·kg-1，C/N为12.1，有效磷34.4mg·kg-1，有效钾72.7mg·kg-1。1.2试验设计试验开始于2011年6月21日，采用室内静态培养系统。以硫酸铵作为氮源，与6种不同碳源结合（表1），每个处理3次重复。根据试验处理将添加物与土壤充分混匀，按重量计算分2次装入带胶塞的广口瓶中，均匀压实至大田实际容重（1.30g·cm-3）。用注射器喷洒去离子水使土壤水分达到70%WFPS。盖上Parafilm膜，将广口瓶裹上黑色塑料袋，随机放置在20益的培养箱中培养15d。培养期间根据重量调节水分含量在70%WFPS。1.3气体样品采集与测定在培养后的1、2、3、5、8、11、15d采集气样样品，采集时段为每日上午7：30—8：00。采气前揭开Parafilm膜，充分通气5min，然后盖上连有三通阀的橡胶塞，以此为T0时刻，用20mL一次性注射器连续抽取0~10~20min的气样，同时记录时间和温度。采集的气样12h内利用气相色谱（AgilentGC6820）测定N2O、CO2[16]。1.4土壤样品采集与测定在试验开始的0、3d和15d，分别破坏性采集新鲜土壤样品，通过5mm筛备用。土壤硝态氮、铵态氮测定：称取过筛后的新鲜土壤12.00g，用50mL1mol·L-1优级纯KCl按1颐5土水比提取无机氮。滤液用三通道流动分析仪（TRRACS2000）测定铵态氮和硝态氮的含量。pH值测定：将土样风干并通过1mm孔径筛，称取10.0g于25mL烧杯中，加入除CO2的蒸馏水10mL，搅拌1min使土粒充分分散，静置30min后用校正后的pH计测定。1.5数据计算与统计分析气体通量计算公式[16]为：F=273/（273+T）伊m伊60伊24伊10-3伊V伊dc/dt/22.4/0.46567式中：F为N2O（滋gN2O-N·kg-1·d-1）或CO2（mgCO2-C·kg-1·d-1）释放通量；T为瓶内温度；m为每molN2O分子中N的质量数或每molCO2分子中C的质量数；V为土壤表面上方气体体积（L）；c为气体浓度（nL·L-1）；T为相对时间（min）；dc/dt为广口瓶内气体浓度的时间变化率（nL·L-1·min-1）；22.4为温度273K时的气体的摩尔体积（L·mol-1）。24——2016年1月土壤NO-3-N、NH+4-N含量计算公式[16]为：T=c伊（100+1.24伊w）/24式中：T为土壤NO-3-N、NH+4-N含量（mgN·kg-1）；c为浸提液中NO-3-N、NH+4-N浓度（mgN·L-1）；w为土壤质