沼液施用对潮土氧化亚氮排放通量的影响

彭永红，陈永根，宋照亮，单胜道，宋哲岳

（浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 临安 311300）

大气中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体浓度的增加是导致全球气温升高的主要因素［1］，它们对温室效应的贡献率近80%。其中氧化亚氮以0.25%·a－1的速度增长，它的增温效应是二氧化碳的296～310倍［2］，且它在大气中具有较长的滞留时间，同时还参与大气中许多光化学反应，破坏大气臭氧层，从而对人类的健康产生威胁［3－4］。而深入研究氧化亚氮产生途径和排放规律及机制是国内外研究的热点问题之一［4－7］。沼液中富含养分，能被作物迅速吸收利用［8］。沼液中还含有抗生素、金属、硝酸盐等物质，可能对土壤中有害物质的积累有影响，且沼液的施加也增加了温室气体的排放［9］，因此，沼液的施加对环境产生一定的影响。据相关研究表明，欧洲将近75%氧化亚氮来源于农田土壤和动物饲养［10－11］。因此，控制好沼液的施加量很重要。陆日东等［12］研究过不同堆放方式牛粪的温室气体排放规律，而有关沼液对农田土壤氧化亚氮排放通量影响的研究不多见，尤其是亚热带潮土类型的地区。本研究通过静态箱-气相色谱法研究了沼液施用对潮土温室气体氧化亚氮排放的贡献，研究潮土氧化亚氮排放规律和氧化亚氮排放通量与沼液施加水平的关系，以揭示沼液施加水平对潮土氧化亚氮排放的影响，试图找到合理的施肥方式，以期减少沼液资源化利用过程中的大气污染。

1 材料与方法

1.1 野外实验样地概况与采样时间

试验用地为浙江省余杭区志绿生态园内的试验地，土壤类型为轻壤质潮土，属湿润的亚热带南缘季风气候区，年均水量为1 391.8 mm，年平均气温为15.3～16.2℃。2010年7月和2011年3月进行2次实验。一次于2010年7月3日12:50到7月5日00:08，隔4 h采气样1次，共采样10次；一次于2011年3月1日15:16到2011年3月3日14:47，隔2～3 h采气样1次，白天采集，晚上不采样，共采样9次。并且2次采样时同步测定5 cm深土壤温度、地表温度、大气温度和箱内温度。

1.2 试验设计

试验共设3个处理，分别为①大量施沼液，②正常施沼液，③不施沼液，重复3次·处理－1，其中大量施沼液为采集气体前施沼液30 min，共施沼液168.0 g·m－2，正常施肥为采集气体前施沼液10 min，共施沼液93.3 g·m－2。本研究试验小区面积约为60 m2。

1.3 土壤样品与沼液的采集与参数分析

采集0～5 cm深度的土壤带回实验室，风干、磨碎、过筛后，用常规方法［13］分析土壤一些化学性状。供试土壤酸碱度为 pH 5.65±0.01，硝态氮为 17.4 mg·kg－1，氨态氮为 2.81 mg·kg－1，总有机碳为 1.65 g·kg－1，水溶性有机碳为 0.0251 g·kg－1，水分为 29.8%。

供试沼液经测试得总氮 268.8 mg·L－1，氨态氮为 215.6 mg·L－1，pH 7.04±0.01。

1.4 氧化亚氮的采集和分析

本研究采用静态暗箱法采集气体。采样箱由底座和顶箱组成。2种箱体均由聚氯乙烯材料制成。底座的几何尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，整个观测期间都固定在采样点上。顶箱长、宽、高均为50 cm。底座上端均有深3 cm，宽5 cm的密封水槽，实验时往槽里浇水以防止箱子和底座的接触处漏气。顶箱上部有气体样品采集口。采气时将顶箱置于底座上，用100 mL注射器采集第1次样品,之后间隔15 min采样1次,罩箱时间为45 min，采集的气体样品置于0.5 L铝箔气袋内。将气袋带到中国科学院南京地理与湖泊研究所测试。

用带十通阀控制的反吹装置电子捕获器的HP 5890II型气相色谱仪测定氧化亚氮的浓度。测定条件为：进样口温度100℃，炉温85℃，检测器温度320℃，填充材料为过80目的Porapak Q柱，载气为氮气，流速为30 mL·min－1。通过对4个气样浓度进行线性回归，得出气体排放速率［1］。

1.5 数据分析

氧化亚氮排放通量计算方法：F=ρ·h·dC/dt·273/（273+T）［7］。其中：F 为氧化亚氮排放通量（μg·m－2·h－1）；ρ为被测气体标准状态下的密度（氧化亚氮为1.97 kg·m－3）；h为采样箱内气室高度（m）； dC/dt为采样箱内被测气体的浓度变化率；T为采样过程中采样箱内的平均温度（℃）。

2 结果

2.1 氧化亚氮相关参数的数值范围

表1为冬末春初和夏季氧化亚氮相关参数的数值范围，包括5 cm地度、硝态氮、有机碳、土壤水分、氨态氮以及土壤pH值的最大值、最小值以及平均值。其中，硝态氮、氨态氮及有机碳的数值基本上随着施沼液量的增加而增加； 土壤水分含量基本为30%～40%；土壤pH 6.0以下，呈酸性。

表1 氧化亚氮相关参数数值范围Table 1 Range of relevant parameters of N2O

2.2 夏季氧化亚氮通量变化特征

图1是7月3－5日氧化亚氮排放通量变化图。可以看出：试验开始后，在施沼液24 h内，土壤氧化亚氮气体释放差异明显；但之后，差异不明显。第1天12:00左右至第2天8:00左右大量施沼液的氧化亚氮排放通量呈急剧下降趋势，而正常施沼液和不施沼液的氧化亚氮通量则呈平缓的变化趋势。8:00左右之后3种施沼液处理氧化亚氮的通量变化平缓。经计算：大量施沼液时，氧化亚氮平均排放通量为 618.4 μg·m－2·h－1·g－1； 正常施沼液为 244.3 μg·m－2·h－1； 不施沼液为 68.5 μg·m－2·h－1。说明土壤为氧化亚氮的源。大量施沼液与正常施沼液和不施沼液皆呈极显著性差异（P＜0.001）。

2.3 冬末春初氧化亚氮通量变化特征

图2是3月1－3日氧化亚氮排放通量变化图。从图2中可看出：2011年3月，可以看出试验开始后第1天17:00左右之后，3种施沼液处理之间土壤氧化亚氮气体释放差异明显。从第2天9:00开始至11:00左右和第3天9:00左右至14:00，大量施沼液处理氧化亚氮排放通量呈明显的上升趋势，而正常施沼液和不施沼液氧化亚氮通量呈平稳的上升和下降趋势。经计算，氧化亚氮大量施沼液时平均排放通量为 40.1 μg·m－2·h－1；正常施沼液为 20.1 μg·m－2·h－1； 不施沼液为 11.3 μg·m－2·h－1。说明土壤为氧化亚氮的源。3种处理间的氧化亚氮排放通量呈极显著性差异（P＜0.001）。

3 讨论

3.1 各种土壤物理化学性质对氧化亚氮通量的影响

土壤中产生 氧化亚氮的途径主要是硝化作用和反硝化作用，且在多数情况下，反硝化作用比硝化作用具有更大的氧化亚氮排放作用。反硝化过程是酶促反应过程，因而受到温度、底物浓度、pH值和水分等的影响［2］。从图3可以粗略地看出，本研究中氧化亚氮的排放通量与硝态氮的质量分数、水分和温度有较大的相关性，与其他因素有较小的相关性。

图1 2010年7月氧化亚氮排放通量变化Figure 1 Variations of N2O emission flux in July 2010

图2 2011年3月氧化亚氮排放通量变化Figure 2 Variations of N2O emission flux in March 2011

图3 氧化亚氮排放通量与各因素之间的聚类分析Figure 3 Cluster analysis between N2O emission flux and the factors

3.1.1 土壤硝态氮对氧化亚氮通量的影响 氧化亚氮主要是由硝化作用与反硝化作用共同产生的。而硝化与反硝化作用与土壤中底物硝态氮的质量分数相关。经相关性分析得，不施沼液下，氧化亚氮通量与硝态氮质量分数存在极显著的正相关关系（相关系数r=0.99，P＜0.001）；正常施沼液下，氧化亚氮通量与硝态氮质量分数存在极显著的正相关关系（相关系数r=0.951，P＜0.001）；大量施沼液下，氧化亚氮通量与硝态氮质量分数存在极显著的相关性（相关系数r=0.94，P＜0.05），并且相关研究也表明土壤氧化亚氮产生量在一定范围内随加入NO3--N的增大而持续增高［14］。

3.1.2 土壤温度对氧化亚氮通量的影响 温度对氧化亚氮形成与排放的影响具有明显的昼夜节律和季节变化，硝化、反硝化作用的最适温度为30℃和25℃［2］。随着土壤温度的改变,土壤微生物的活性会发生变化,其参与的相关生物化学反应速率也会随之改变,从而最终影响氧化亚氮产生和排放。经相关性检验得出，不施沼液下，温度与氧化亚氮存在极显著的正相关关系（相关系数r=0.768，P＜0.001）；正常施沼液下，温度与氧化亚氮存在极显著的正相关关系（相关系数r=0.788，P＜0.001）；大量施沼液下，温度变化与氧化亚氮通量变化有显著的相关性（相关系数r=0.634，P＜0.05）。可以看出，3种施沼液方式都与温度有相关性，但相关系数和显著性并不全部一致，这可能由于其他因素比如土壤水含量、硝态氮等的影响。而一些研究，比如刘晔等［15］对北京森林生态系统的研究表明，土壤 氧化亚氮的排放速率是随土壤温度升高而增加的。郑循华等［16］发现当土壤湿度比较适宜时，氧化亚氮排放通量与5 cm土层深度的日平均温度呈指数关系。这些研究也说明了土壤温度与氧化亚氮排放量存在着一定的关系。

3.1.3 土壤水分对氧化亚氮通量的影响 土壤水分是土壤的重要组成部分，而土壤含水量影响土壤的通气状况和氧化还原状况，并且通过影响NH4+和NO3－在土壤中的分布及其对微生物的有效性，来影响土壤中硝化作用和反硝化作用，从而影响土壤氧化亚氮的排放［17］。相关性分析表明，氧化亚氮与土壤水分的相关系数r=0.523（P＜0.001）。而相关一些研究中也证明了土壤水分与氧化亚氮通量的存在一定的关系，比如杜睿等［18］的研究显示了土壤含水量与草原土壤氧化亚氮排放通量之间存在阶段函数关系。

3.1.4 其他因素对氧化亚氮通量的影响 本研究表明，氧化亚氮通量与pH值、氨态氮和有机质关系具有较小的相关性。其中氧化亚氮通量与pH值相关系数r=－0.155，氧化亚氮通量与氨态氮浓度相关系数r=－0.271，氧化亚氮通量与有机质质量分数相关系数r=0.391（P＜0.05），这与前人白东升等［19］、侯爱新［20］、 梁东丽［14］等的研究基本一致。

3.2 不同施肥措施对氧化亚氮通量的影响

有研究表明［21］，氮肥用量较低时，氧化亚氮排放量一般占施氮肥总量的0.1%～0.8%；较高时则为0.5%～2.0%。而沼液中氮素的含量很高，因此不同水平沼液的施加也会引起氧化亚氮排放量的增加。本研究中2010年7月的1.0 g氮的沼液施加释放的氧化亚氮为1.880～3.270 μg·h－1，在2011年3月的1.0 g氮的沼液施加释放的氧化亚氮为0.095～0.170 μg·h－1。其他研究［22］则表明，施加尿素或者硫胺的多数研究中，1.0 g氮素肥料的施加释放的氧化亚氮在1.000 μg·h－1以内。因此，以相同施氮量计，夏季沼液施加引起的氧化亚氮排放速率高于尿素或者硫胺等氮肥。在大范围利用沼液代替部分氮肥的实践过程中，需要关注氧化亚氮排放对大气温室效应的影响问题。

4 结论

3种处理氧化亚氮排放两两之间差异基本呈极显著（P＜0.001），2次试验氧化亚氮的排放通量大小依次是：大量施沼液＞正常施沼液＞不施沼液。总体显示，沼液处理的氧化亚氮排放通量比未被沼液处理的都高，说明施加沼液有提高氧化亚氮排放通量的作用。

土壤氧化亚氮排放通量季节变化随温度和硝态氮质量分数的变化而变化。在温度最高的7月排放通量较高，温度低的3月排放通量则较低，说明温度也是影响土壤氧化亚氮排放的重要因子之一。土壤氧化亚氮排放通量与土壤水分呈极显著相关（P＜0.001）。

以相同施氮量计，夏季沼液施加引起的氧化亚氮排放速率高于尿素或者硫胺等氮肥。

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