增氧灌溉培养条件下土壤N2O及CO2排放规律研究

雷宏军, 王维一, 刘欢, 张振华

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.鲁东大学 资源与环境工程学院,山东 烟台 264025)

N2O与CO2是主要的温室气体,也是造成全球变暖的元凶。在温室气体中,大气CO2浓度增加对气候变化产生的影响也尤其引人关注[1]。CO2在大气中的存留寿命为5～200 a,对全球温室效应的相对贡献率最大，约为60%[2];而N2O的增温潜势是CO2的298倍[3],对温室效应的相对贡献率约为5%。据估计,大气中每年有5%～20%的CO2、80%～90%的N2O来源于土壤,因此农业生产活动是温室气体最重要的排放源之一[4]。

目前,发展节水农业和实施环境保护正在成为国家战略。由于传统灌溉模式下的长期灌溉会导致植物根部缺氧,严重影响植物生长,进而促进了增氧灌溉的产生。作为一种新型的高效节水灌溉技术,增氧灌溉旨在将增氧水直接输送到植物根部,达到优化植物根部气体环境的目的[5-6]。增氧灌溉可改善植物根际的生长环境,对植物生长产生有利影响,最终达到增产的效果;但其同样会影响N2O与CO2等温室气体的排放[7-8]。为进一步明确增氧灌溉条件下N2O与CO2排放量的变化规律,以及土层中N2O与CO2的浓度与排放通量间的关联程度,特开展土培试验,研究不同增氧水平灌溉条件下N2O与CO2的排放规律,以期为评估增氧灌溉技术下土壤温室气体的排放响应机制提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验概况

于2017年11月在华北水利水电大学农业高效用水试验室(34°47′23″N,113°47′41″E)开展室内恒温培养试验。供试土壤为菜地原状土,土壤性质为壤质黏土,其砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和黏粒(<0.002 mm)的质量分数分别为42.9%、35.3%和21.87%。土壤的田间持水量(质量含水率)为36.64%,土壤容重为1.15 g/cm3,NO3--N含量为5.68 mg/kg,NH4+-N含量为3.36 mg/kg,速效钾含量为3.42 mg/kg,速效磷含量为9.98 mg/kg,有机质含量为21.54 g/kg,pH值为6.30[9]。

1.2 试验设计

试验设置了2个溶解氧水平(40、5 mg/L,分别记为A和C)和2个灌水量(分别灌溉至田间持水量的70%和90%,记为W1和W2)共4个处理,分别为:增氧非充分灌溉FAW1、增氧充分灌溉FAW2、非增氧非充分灌溉FCW1、非增氧充分灌溉FCW2,每个处理重复进行3次。设施菜地原状土的初始体积含水率为22.17%,经预备试验计算,W1与W2分别为1.0 L和2.0 L;灌溉方式采用地表滴灌,从土表定量加入非曝气水和曝气水。曝气装置采用微纳米气泡水制备技术[10],利用纯氧进行曝气,溶解氧设置浓度为40 mg/L。

1.3 采样测定及计算方法

用于室内恒温(土壤温度控制在25 ℃)培养试验的设施菜地原状土土样,利用直径为30 cm、高为40 cm的圆柱体硬质PVC土柱进行采集。采土时,将土柱均匀压入土壤,土柱挖出后,用托盘垫于土柱底部,并于托盘底部打孔,用胶密封四周。定期喷洒适量的去离子水湿润土壤,确保土壤中微生物的正常活动。

试验于灌水结束后的0、0.25、0.5、1、2、4、6、8 d采集气体,在盖上静态箱的0、10、20、30 min时进行静态箱采气(测定气体浓度进而计算排放通量)及硅胶管采气(测定土层中温室气体的浓度)。硅胶管埋于土层5 cm和10 cm埋深处。温度计装于土表和土层5 cm埋深处,用于监测培养环境。

室内恒温培养试验的采气静态箱为圆柱体,直径30 cm(与土柱直径相同)、高10 cm。于静态箱顶部打孔,装入三通阀并用胶密封;于硬质PVC土柱的侧壁打两个小孔(打孔位置分别距土层表面5、10 cm),直径均为3 mm,向内延伸装入硅胶管,长度为10 cm。于设计的各采气时间点,将静态箱扣于土柱上,四周用胶密封,利用带三通阀的50 mL注射器,从静态箱顶部抽取35 mL气体。其中,5 mL气体用于三通阀和针头的润洗,剩余30 mL气体注入抽成真空的12 mL集气瓶中,2周内进行测量,用于测定温室气体的浓度进而计算排放通量。硅胶管取样时,用注射器从硅胶管中吸取7 mL的气体,2 mL用于润洗,剩余5 mL注入12 mL的气瓶中,并向12 mL的气瓶中注入25 mL的惰性气体(氦气),用于测定土层中温室气体的浓度。利用气相色谱仪(GC-2010 PLUS)测定N2O和CO2浓度[9]。

温室气体排放通量的计算见式(1)[8]。

(1)

式中:F为温室气体排放通量,mg/(m2·h);ρ为标准气体的浓度,取1.96 g/cm3;h为土面距静态箱顶部的距离,取0.15 m;T为箱内温度,℃;P为采集气体时静态箱内的压强,mm Hg;P0为标准大气压,mm Hg;t为培养时间,h;dc/dt为气体浓度的变化率,mg/(m3·h)。

土壤中温室气体累积排放量的计算见式(2)[11]。

(2)

式中:E为气体累积排放量,mg/m2;Fi为第i次测量的气体排放通量,mg/(m2·h);ti为第i次测量的时间,h;(ti+1-ti)为两次测量的时间间隔,h;n为测量次数,取n=8。

由于N2O的百年增温潜势是CO2的298倍,因此，采用综合增温潜势GWP计算二者的综合效应,公式如下[12]：

GWP=FCO2+298FN2O。

(3)

(4)

1.4 数据处理方法

研究中采用Excel 2019作图;采用SPSS Statistics 22.0软件进行显著性和相关性分析;采用Fisher LSD方法进行显著性检验,显著性水平为P<0.05。

2 结果分析

2.1 增氧灌溉下土层N2O与CO2浓度变化特征

2.1.1 增氧灌溉下土层N2O浓度变化特征

不同土壤埋深处N2O的浓度变化特征如图1所示。由图1可知:①土层5 cm与10 cm埋深处,处理FCW2与FAW2的N2O浓度均出现先上升后下降的变化趋势,且于灌溉24 h后达到顶峰,于灌溉96 h后趋于平稳;而处理FCW1与FAW1的变化趋势不明显。②培养期内,土层5 cm与10 cm埋深处各处理N2O浓度由大到小的顺序均为:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

图1 不同土层埋深处N2O的浓度变化

对不同处理与土层中N2O的浓度进行相关性分析可得,高灌水量可显著提高土层中N2O的浓度与浓度峰值(P<0.05):①土层5 cm埋深处,处理FCW2的平均浓度与峰值分别较FCW1的提高246.01%和477.10%;FAW2的平均浓度与峰值分别较FAW1的提高235.67%和340.08%。②土层10 cm埋深处,处理FCW2的平均浓度与峰值分别较FCW1的提高290.96%和519.31%;处理FAW2的平均浓度与峰值分别较FAW1的提高305.27%和417.45%。

2.1.2 增氧灌溉下土层CO2浓度变化特征

不同土壤埋深CO2的浓度变化特征如图2所示。由图2可知:①土层5 cm与10 cm埋深处,处理FAW2的CO2浓度均出现先增加后下降的变化趋势,且于灌溉48 h后达到顶峰;而处理FCW1、FCW2、FAW2的变化趋势不明显。②在培养期内,土壤5 cm与10 cm埋深处各处理CO2浓度由大到小的顺序均为:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

图2 不同土层埋深处CO2的浓度变化

对不同处理与土层中CO2的浓度进行相关性分析可得:①高灌水量可显著提高土层中的CO2浓度(P<0.05)。在土层5 cm埋深处,处理FCW2的平均浓度较FCW1的提高47.58%;FAW2的平均浓度较FAW1的提高38.75%。在土层10 cm埋深处,处理FCW2的平均浓度较FCW1的提高65.77%,处理FAW2的平均浓度较FAW1的提高71.73%。②高灌水量可显著增加土层中CO2的浓度峰值(P<0.05)。在土层5 cm埋深处,处理FCW2的CO2浓度峰值较FCW1的增加59.31%;处理FAW2的CO2浓度峰值较FAW1的增加71.74%。在增氧条件下,土层10 cm埋深处,处理FAW2的CO2浓度峰值较FCW2的增加67.96%。③在充分灌溉条件下,增氧灌溉可显著提高土层中CO2的浓度与峰值(P<0.05)。在土层10 cm埋深处,处理FAW2的平均浓度与峰值较FCW2的分别增加了30.26%和41.38%。

2.2 增氧灌溉下土壤N2O与CO2排放特征

2.2.1 增氧灌溉下土壤N2O排放特征

经计算，在培养期内,4个处理下土壤N2O排放通量的变化情况如图3所示。由图3可知:①随培养时间的增加,各处理的N2O排放通量均出现先上升后下降的变化趋势,且于灌溉24 h后达到排放峰值,于灌溉96 h后趋于稳定;②培养期内各处理N2O排放通量由大到小的顺序均为:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。

图3 增氧灌溉下土壤N2O排放动态

增氧灌溉处理下N2O的排放特征见表1。

表1 增氧灌溉处理下土壤N2O排放特征

注:各列不同小写字母表示差异性显著(P<0.05),显著性由高到低的顺序为a、b、c、d,下同。

由表1可知:①增氧灌溉可显著增加土壤N2O的排放通量和累计排放量(P<0.05)。其中,FAW1的排放通量和累计排放量较FCW1的分别增加24.17%和47.58%;FAW2的排放通量和累计排放量较FCW2的分别增加38.76%和40.23%。②高灌水量可显著增加土壤N2O排放峰值(P<0.05)。其中,FCW2的排放峰值较FCW1的增加94.63%;FAW2的排放峰值较FAW1的增加105.68%。

2.2.2 增氧灌溉下土壤CO2排放特征

经计算,在培养期内,4个处理下CO2排放通量的变化情况如图4所示。由图4可知:①随培养时间的增加,各处理的CO2排放通量均出现上升趋势,且于灌溉48 h后达到排放峰值,随后下降;②培养期内各处理CO2排放通量由大到小的顺序均为:FAW2、FAW1、FCW1、FCW2。

图4 增氧灌溉条件下土壤CO2排放动态

增氧灌溉处理下CO2的排放特征见表2。

表2 增氧灌溉处理下土壤CO2排放特征

由表2可知:①充分灌溉条件下,增氧可显著增加CO2的排放峰值(P<0.05),其中FAW2的CO2排放峰值较FCW2的增加20.47%;②在增氧条件下,高灌水量可显著增加CO2排放峰值和累积排放量(P<0.05),其中FAW2的峰值和累积排放量较FAW1的分别增加71.75%和17.69%;③增氧可显著增加土壤CO2累计排放量(P<0.05),其中FAW1的累计排放量较FCW1的增加16.31%,FAW2的累计排放量较FCW2的增加48.50%。

2.2.3 温室气体排放通量与土层中温室气体浓度的关系

N2O与CO2的排放通量与土层中N2O与CO2浓度之间的相关系数见表3。由表3可知:不同土层埋深处的N2O浓度与N2O排放通量呈极显著的正相关关系(P<0.01);在非增氧非充分灌溉条件下,土层10 cm埋深处的CO2浓度与CO2排放通量间呈显著的相关关系(P<0.05)。

表3 增氧灌溉条件下N2O与CO2的排放通量与土层中N2O与CO2浓度间的相关系数

注:**表示在P<0.01水平显著相关;*表示在P<0.05水平显著相关;无*表示不相关。

2.3 增氧灌溉对土壤中温室气体排放增温潜势的影响

图5为各处理下温室气体的综合增温潜势。由图5可知:①各处理的增温潜势由大到小的顺序为:FAW2、FCW2、FAW1、FCW1。②高灌水量可显著增加温室气体的增温潜势(P<0.05)。其中,FCW2的增温潜势较FCW1的增加20.4%;FAW2的增温潜势较FAW1的增加44.5%。③在充分灌溉条件下,增氧可显著增加温室气体的增温潜势(P<0.05)。其中,FAW2的增温潜势较FCW2的增加28.2%。④在非充分灌溉条件下,增氧灌溉对温室气体增温潜势的影响不显著(P>0.05)。

图5 土壤温室气体排放增温潜势

对温室气体的排放通量和增温潜势进行相关性分析,由分析结果可知，增氧灌溉条件下温室气体的综合增温潜势与N2O排放相关系数为0.990,呈极显著正相关关系(P<0.01),与CO2排放无显著相关关系(P>0.05)。

3 讨论

3.1 增氧灌溉对土壤N2O排放的影响

3.1.1 灌水量对N2O排放的影响

土壤含水量增加会增大N2O的排放峰值[13]。在本次试验中,高灌水量显著提高了N2O的排放通量,这说明N2O的排放主要存在于以反硝化作用为主导的高含水量土壤中[14]。可见,水分是影响N2O产生与排放的主要原因之一。有研究显示,当土壤处于饱和含水量以下时,N2O的排放通量与土壤湿度呈正相关关系[15]。

对于不同土层的N2O浓度而言,在灌水后土层5 cm埋深处的N2O浓度小于10 cm埋深处的N2O浓度。已有研究表明:N2O的产生主要以反硝化为主[16]。本试验中,深层(10 cm)土壤的通气性差,同时水分入渗驱散土壤孔隙中的空气形成了厌氧环境,而厌氧环境更有利于反硝化的进行,所以10 cm埋深处的N2O浓度会高于5 cm埋深处的。

3.1.2 增氧灌溉对N2O排放的影响

通过纯氧曝气装置制得超高溶解氧微纳米气泡水进行灌溉,可以有效提高灌溉水中溶解氧的含量[17],灌水的同时可弥补常规灌溉下造成的土壤氧气的逃逸;而氧气的大量汇入使得土壤的厌氧状况得以改善,促进了硝化反应的发生,增加了N2O的产生,因溶解氧可改善土壤的通气状况，从而进一步促进了N2O排向大气。

土壤的通气状态主要影响硝化作用与反硝化作用,进而影响N2O的排放。一般条件下,土壤的反硝化速率与土壤氧气含量成反比,反硝化产物也受土壤氧气浓度的影响。在通气条件不利的情况下,N2O的产生主要以反硝化作用为主导,而通气状况较好的条件下以硝化作用为主导。所以在增氧条件下,虽然氧气的参与抑制了反硝化过程中N2O的产生,但是此时N2O的产生是以好气条件下硝化作用为主导。这就可以解释在增氧条件下N2O排放通量依然会升高的原因。

3.2 增氧灌溉对土壤CO2排放的影响

3.2.1 灌水量对CO2排放的影响

土壤中CO2的排放来源主要为植物根系的呼吸作用和微生物的呼吸作用[18],而本文是在未种植植物的条件下进行的土壤培养试验,所以该CO2主要来源于微生物的呼吸作用。利用静态箱气相色谱法对室内恒温培养土壤的CO2排放进行检测,发现高灌水量会造成土壤的高CO2排放,这与一些学者的研究结论一致[19-20]。分析其原因:在非充分灌溉条件下,低土壤含水量时微生物的活性减弱,CO2排放量减少，但土壤固碳能力增强。

对于土壤深层的CO2浓度而言,高灌水量会显著提高土层CO2浓度。有研究显示,当温度在10 ℃以上时,埋深为0～5 cm土层的土壤含水率与土壤CO2排放通量均呈显著正相关关系[21]。本试验消除了温度对其他因子的掩盖效应,在恒温条件下进行培养试验,发现高灌水量会显著增加土层CO2浓度,但增氧对深层CO2浓度的影响不显著。这可能是因为:高灌水量时,土壤通气性较弱,但是土壤的呼吸作用一直在进行,其产生的CO2因土壤的通气性变差而滞留在土壤中无法顺利逸出,所以CO2浓度在灌水后出现缓慢升高的趋势。

3.2.2 增氧灌溉对CO2排放的影响

有研究表明,增氧灌溉会增加土壤呼吸[22-23]。本试验中，增氧显著增加了CO2的累计排放量;且在充分灌溉条件下,增氧显著增加了CO2的排放通量与排放峰值。这是因为:在充分灌溉条件下,土壤深层的CO2因高灌水量而聚集,随后释放,而增氧更有利于土壤呼吸作用的进行,因此在充分灌溉条件下增氧显著提高了CO2的排放通量与排放峰值。

3.3 增氧灌溉对温室气体增温潜势的影响

在充分灌溉条件下,增氧显著增加了温室气体的增温潜势;而非充分灌溉条件下,增氧对温室气体增温潜势的影响并不显著。在增氧灌溉和非增氧灌溉条件下,高灌水量均显著增加了温室气体的增温潜势。相关性分析结果表明:温室气体的增温潜势与N2O的排放呈极显著的正相关关系,而与CO2的排放无显著的相关性。

4 结语

为研究增氧灌溉对土壤温室气体排放的影响,在室内土壤恒温培养条件下，采用静态箱与气相色谱相结合的方法，研究土壤中N2O与CO2浓度及其与排放通量的关系,得出以下结论:

1)增氧灌溉和高灌水量灌溉均可显著增加土层中N2O与CO2的浓度。

2)增氧和充分灌溉增加了土壤N2O与CO2的排放通量、排放峰值及累计排放量。N2O与CO2排放通量均在灌水后迅速上升,随后下降趋于稳定。

3)土壤N2O与CO2的排放通量依赖于土壤深层N2O与CO2的浓度。N2O的排放通量与土壤5 cm与10 cm埋深处的N2O的浓度均呈极显著的正相关关系(P<0.01);CO2的排放通量与土壤10 cm埋深处的CO2浓度呈显著的正相关关系(P<0.05)。

4)在充分灌溉条件下,增氧可显著增加温室气体的增温潜势,且增温潜势与N2O的排放呈极显著的正相关关系(P<0.01)。