应用BaPS技术研究土壤呼吸、硝化和反硝化速率初探

石文君 王婷婷 高梦雨 杨楠南 麻新 杨劲峰

摘 要：土壤硝化和反硝化是生态系统中氮循环的两个重要环节，是氮素损失的潜在途经，土壤硝化和反硝化作用可向大气中释放温室气体，由此带来环境危害。对于它们的研究成为当前农学与环境研究的热点之一。BaPS技术是一种崭新的研究旱地土壤硝化和反硝化作用的方法，采集的是田间原状土柱，对土壤原有的结构破坏较小，不额外添加抑制剂或氮源。有效地避免了同位素示踪法带来的土壤污染和由乙炔抑制法等带来的土壤原有气体组成改变等问题的出现。该技术操作简单、快速，且在通气良好的土壤中准确性和同位素示踪法相当。本文利用沈阳农业大学植物营养学科2011年建立的炭基肥大田定位试验，在花生不同生育时期采集土壤样本，采用BaPS技术进行耕层土壤呼吸、硝化和反硝化速率的测定。初步了解BaPS技术应用方法和特点，明确施用炭基肥及不同生物炭用量对土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率的影响。为深入探明炭基肥及生物炭改良土壤和提高土壤肥力的机理提供理论支撑。

关键词：BaPS技术；炭基缓释肥；土壤呼吸；硝化速率；反硝化速率

气压过程分离（BaPS）技术，针对原状土壤样品进行硝化速率、反硝化速率以及土壤呼吸速率的测定。测量结果精确，与15N同位素稀释技术测量结果高度相关。可实现特定时间土壤中占主导地位微生物学过程（硝化作用和/或反硝化作用）的判断，并且是评价施肥管理条件下硝酸盐淋溶和N2O的释放，评估土壤氮素损失和大气环境污染的潜在途径。成为氮沉降条件下碳氮耦合循环研究的有效解决方案。随着人们对N2O气体的关注和深入研究，硝化作用速率和反硝化作用速率的测定方法也在不断的改进和创新，由于实验过程比较复杂，实验条件、实验装置的要求也比较高。又因为其影响因子较多，所以实验室模拟也比较困难，大部分都是培养后测定其作用速率，和其他研究结果进行对照，我们看到BaPS技术现在被认为是测定硝化作用速率、反硝化作用的首选方法，它不需要运用15N同位素稀释技术，不需要添加抑制剂，可以实现无扰动原状土样的的测定，并且实验的维修成本也远远低于15N同位素稀释技术（不需要大型分光光度计）。BaPS技术有效的避免了同位素示踪法带来的土壤污染和由乙炔抑制法等带来的土壤原有气体组成改变等问题的出现，所以BaPS技术在生态学、环境科学及农学领域具有巨大的潜力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于辽宁省沈阳市沈阳农业大学花生定位科研基地内（123°33' E， 40°48'N），地处松辽平原南部的中心地带，属于温带湿润—半湿润季风气候。年均气温7.0～8.1℃，10℃以上积温3300～3400℃，无霜期为148～180天，生长季降雨量平均为547毫米。试验地为旱地棕壤，成土母质为第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土。炭基肥定位试验始于2011年，试验前耕层土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验地种植制度为一年一熟花生连作，品种为花育33，种植密度为15万穴/公顷，每穴种植2株。试验设5个处理：处理1（不施肥，以CK表示）、处理2（生物炭225公斤/公顷，以C15表示）、处理3（生物炭750公斤/公顷，以C50表示）、处理4（82.5公斤N/公顷、82.5公斤P2O5/公顷、97.5公斤K2O/公顷，以NPK表示），处理5（炭基缓释肥750公斤/公顷，以TJHS表示）。每个处理重复3次，小区面积27平方米，随机排列。采用90厘米大垄双行种植方式，行距30厘米，株距15厘米，小区宽4.5米，长6米。采用随机排列。所有肥料混匀后采用条施做基肥一次施入，施入深度15～20厘米，覆土。其中C15处理与TJHS处理碳素投入量相同，NPK处理与TJHS处理养分投入量相同。

1.3 样本采集与分析

2015年花生不同生育时期土壤样本采集：于2015年花生播种后苗期、开花下针期、结荚期采集耕层（0～20厘米）土壤样本。样本采集为环刀原位取样，BaPS系统中7个环刀为一组，每个环刀在同一小区中随机采集不同样点，采后立即用塑料盖密封环刀，防止水分散失。因此土壤呼吸、硝化和反硝化速率是7个样点的均值。采样结束后立即将装有土样的环刀送到实验室，置于BaPS实验容器，密闭后放入恒温水浴（设定为采样时的土壤温度）进行测定。

1.4 测定项目与方法

将采好的上壤环刀称重后置于实验容器中，密闭后放入恒温水浴设定为采样时的上壤温度，待密闭空间内的温度与恒温水浴温度达到一致，进行气密性检测并同时测定密闭空间体积。气密性检测方法为针筒准确抽取气体，之内密闭空间内压力变化小于0.8百帕。输入必要的土壤参数（土重、含水量、pH值）之后进行测定，密闭测定过程为10～12小时。测定结束之后计算软件直接给出土壤呼吸速率、硝化速率和反硝化速率。对极少数不能立即分析的土样先放入冰箱于0～4℃下保存，保存时间不超过1周。

1.5 数据处理和分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS19.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤呼吸速率的影响

由图1可以看出，不同施肥处理对花生各生育时期土壤呼吸速率影响不同。从花生的整个生育期来看，CK处理与C15处理土壤呼吸速率变化规律类似，均呈下降趋势，但针对花生三个生育期略有差异，在花生开花下针期，C15处理较CK处理呼吸速率高出78.32μgC/kgDWh，而到结荚期C15处理却较CK处理低。可见不施肥或施入低量生物炭土壤呼吸速率随着生育期的进行而降低。C50处理与NPK处理对花生整个生育期的土壤呼吸速率影响规律类似，整个生育期土壤呼吸速率变化不大，趋近于一条直线。TJHS处理对花生整个生育期土壤呼吸速率的影响呈先增加后降低的趋势，在花生开花下针期达到峰值，为260.06μgC/kgDWh，达到5个处理在该时期土壤呼吸速率的最大值。

不同用量生物炭的两个处理（C15和C50）与CK处理作比较，可以明显看出C50处理能够稳定土壤呼吸速率，使得土壤有机质在整个花生生育期能持续、稳定分解。与CK相比，TJHS处理使得土壤呼吸速率呈倒“V”型增长，在开花下针期土壤呼吸速率提高78.43%，可见施用炭基肥可以有效提高花生生长旺盛时期土壤呼吸速率，加快新陈代谢。对比C15与TJHS两个处理，尽管TJHS处理花生土壤呼吸速率比C15处理在花生开花下针期高出35.99μgC/kgDWh，但在苗期TJHS处理却显著低于C15处理，说明等碳量投入情况下，增施氮磷钾养分对花生开花下针期影响较大，而在生育前期和后期影响不大。花生开花下针期是植物迅速生长、增叶、大量开花的时期，对花生最终的产量有决定性的影响，增加炭基肥可有效的提高土壤呼吸速率，促进植物生长，达到提高产量的目的。

2.2 不同施肥处理对土壤硝化速率的影响

由图2可以看出，施肥均能提高土壤的硝化速率，加速氮素流失，采用不同肥料对土壤硝化化速率影响不同。从花生的整个生育期来看，C15与C50处理土壤硝化速率变化规律相似，均为先降低后增加的趋势，但C50处理变动幅度不大，而C15处理则变幅较大，由于苗期施入低量生物炭，使得土壤耕层硝化作用最高，达到318.45μgN/kgSDWh；到开花下针期急剧下降至52.25μgN/kgSDWh，而C50处理此时的硝化速率则高出C15处理61.73μgN/kgSDWh。此后C50处理均比C15处理土壤呼吸速率高，由此可见，排除花生苗期的特殊性，增加生物炭施入明显提高土壤的硝化速率，加速了氮素损失。

对比NPK与TJHS两个处理，育期内的变化趋势大致相同，均先增加后降低。整个生育期TJHS处理土壤硝化作用高于NPK处理。其中炭基肥处理平均硝化作用为74.50μgN/kgSDWh，比NPK处理高26.04%。可见相同养分投入情况下，炭基肥会明显加速氮素转化，发生硝化作用，如果作物吸收量小于转化数量，就会加速氮素以气态形式损失，或过多的氮素进入到水体中，引起地下水硝酸盐超标或水体富营养化。

2.3 不同施肥处理对土壤反硝化速率的影响

由表2可以看出，在不同生育时期花生土壤反硝化速率的差异不像呼吸速率和硝化速率那样明显，仅个别处理的个别时期能监测到土壤反硝化速率。分析原因主要是由于有些文献指出反硝化作用仅仅在田间持水量大于76%的条件下发生，本研究中土壤为棕壤（2011年掺入5厘米沙土），土壤含水量较低；而且表层土壤与大气的气体交换很快，没有达到反硝化发生的最适条件。其次由于目前BaPS技术所能检测的反硝化速率精度为15μgN/kgSDWh，只有当反硝化速率高于临界值时才能检测出。虽然利用BaPS系统研究早地土壤呼吸、硝化—反硝化过程在理论上可行，但反硝化速率只是在外界条件适宜的情况下才可检测到，具有很大的偶然性，因此在本实验的外界条件下应用BaPS技术对于土壤反硝化速率检测效果不理想。

3 结论

应用BaPS技术可以快速准确检测土壤耕层呼吸速率和硝化速率，由于采集的是田间原状土柱，因此对土壤原有结构破坏较小；且该方法操作简单、快速。但在测定过程中外界多种因素会影响测定结果。首先土壤pH值与测定结果密切相关，土壤过酸或过碱会导致仪器检测精度降低。其次土壤含水量会明显影响测定精度和结果，本试验采用的棕壤（掺沙）土壤含水量非常低，因此导致在环刀取土时无法完成取出块状土，导致反硝化作用无法检测出。今后再测定时，如果土壤含水量过低，可采用人工灌水的方式，要确保试验所有小区灌入等量的水。最后环境的温度也会明显影响测定数值大小。外界温度如果变化1℃，就会引起测定结果剧烈变化。由于测定需要培养10～12小时，因此温度都会发生变化，影响测定结果。因此如采用BaPS技术测定，要选择配有空调且单独的房间，以确保外界温度变化对测定结果产生影响；同时尽量过多的打开和关闭仪器的房间门，减少人员流动等。作为一种新兴的方法，BaPS有着传统方法不可比拟的优势，同时也存在着一些不足，一些实验条件的控制和相关参数的标定还需不断摸索、调试。

基金项目：辽宁省大学生创新创业训练计划项目—甲类“应用BaPS技术研究施用炭基肥对土壤硝化和反硝化速率的影响”（2015）。

作者简介：石文君（1993-），女，本科生，从事农业资源与环境研究；通讯作者：杨劲峰（1977-），男，博士，副教授，从事农业资源与环境研究。

（责任编辑 亓 国）