开放式和密闭式土柱培养系统的差异性 ——以NH3 和N2O 排放为例

米晓君，李睿琦，王 丹，张新星，高志岭

（河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000）

目前我国氮肥用量占全球氮肥用量的30%左右［1］，但主要粮食作物的氮肥利用率却只有10.8%～40.5%［2］。氮肥除了被作物本身吸收和土壤剖面中残留，就是以氧化亚氮（N2O）、氨气（NH3）等气态形式排放到大气中，或者硝酸盐淋洗进入水体［3-5］。研究表明，氧化亚氮(N2O)和氨（NH3）是导致我国NHx沉降增加、大气PM2.5浓度上升、温室效应加剧的重要原因之一［6-8］。这不仅增加农业生产成本，还引起了严重的污染环境。因此无论从氮肥利用率上，还是环境影响上，减少氮素损失具有重要意义。

目前，深入研究农田NH3、N2O 排放与环境条件及管理措施的相关关系，客观评估农田土壤的气态氮损失，并提出切实可行的减排措施是本领域的研究热点。近年来，为了深入研究N2O 的生成与转化机制、硝化与反硝化过程中的氮损失途径与控制机制，Well［9］、Lewicka-Szczebak［10］等研发了一种新型的密闭式培养系统。与当前大多数研究采用的开放式培养系统相比，该培养系统可通过控制培养室气体组成，如调节O2、N2、He、乙炔等气体比例，以探究土壤硝化与反硝化过程中氮素气态损失贡献、途径与调控机理，并采用动态培养箱原理测定不同气体排放［11-12］。由于受培养气体昂贵、仪器检测限等多种因素影响，该密闭式自动培养系统的气流速度通常40 ～100 mL/min，这严重低于开放式培养系统中开放条件下土壤与大气的气流交换速率，因此初步推测，与开放式培养系统相比，该培养系统可能因改变土壤氮素气态损失速率而导致土壤氮素转化途径及其相对贡献发生偏离，而针对上述2 种培养系统的对比研究鲜有报道。

因此，为了系统揭示开放式培养与密闭式培养系统的差异，本研究利用室内模拟试验，通过探明不同施肥方式、土壤含水率等多种条件下2 种培养系统的NH3和N2O 的排放特征的差异，深入解析 2 种培养系统的差异性根源及其适用范围，这将为进一步完善农田土壤氮素转化与损失的研究方法提供理论指导与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

为了揭示开放式培养系统（Open Incubation system，OIS）和密闭式培养系统（Close Incubation system，CIS）2 种培养系统的差异性，以潮褐土为研究对象，利用上述2 种培养系统，监测了不同含水量（40%WFPS 和80%WFPS）、不同施肥方式（NA 空白对照、IA 尿素混施和SA 尿素表施）下土壤NH3和N2O 排放特征。共设6 个处理，分别为NA40%WFPS、IA40%WFPS、SA40%WFPS、NA80%WFPS、IA80%WFPS 和SA80%WFPS， 每个处理设4 个重复，施氮量为150 kg/hm2。

所用土壤：潮褐土取于河北农业大学三分厂玉米地，取土深度为0 ～10 cm，所有土样经自然风干，过2 mm 土壤筛。其主要理化性质见表1。

表1 土壤主要理化性质Table 1 Soil physical-chemical properties

1.2 培养系统

1.2.1 培养装置 本研究采用的OIS 试验装置如 图1a 所示，由内径11 cm、高度为20 cm、底部封底的不锈钢管组成。盖子上有3 个阀门，分别为室外进气口、N2O 采集口、NH3采集口。测定N2O 排放时，密封盖与箱体连接，关闭室外进气口和室内排气口的阀门，箱体顶部可形成一个密闭的静态箱。打开室外进气口和NH3采集口的阀门，箱体顶部形成一个动态箱，启动抽气泵，用2 个酸吸收瓶（每个酸吸收瓶含0.05 mol/L 稀硫酸90 mL［13］）采集流动空气的NH3（图1a）。

CIS 试验装置如图1b 所示，由内径为8 cm、 高度为20 cm、底部封底的玻璃瓶组成。密封盖上设有进气和排气口2 个阀门，其中进气口经流量计与混合空气钢瓶相连，排气口同时也是N2O、NH3样品采集口。培养箱外连接气路，进气口处通入混合空气，与OIS 区别在于该培养过程持续进气，控制气体流量为50 mL/min，不采气时，气体通过N2O、NH3采集口直接排放。当测定N2O 排放时，用带有三通阀的注射器连接采样口采集气体样品 40 mL，开始测定NH3挥发，连接装有10 mL 的 0.05 mol/L 稀硫酸的酸吸收瓶，1 h 后收集酸吸收液。

图1 OIS（a）和CIS（b）土柱模拟装置及N2O、NH3 样品采集系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of open incubation system (a), close incubation system (b) and the collection of N2O and NH3 samples

1.3 气体排放的采集与测定

1.3.1 前期准备 根据所用土壤的容重和风干土含水量、土壤颗粒密度（2.65 g/cm），准确计算每个WFPS 水平的水分添加量，其中表施处理（SA）是将不同量的蒸馏水与相应土壤混合均匀后分层回填，回填完毕后将尿素混匀撒施在土壤表面；混施处理（IA）是将不同量的蒸馏水、尿素与相应土壤混合均匀后分层回填；未施N 处理（NA）是将不同量的蒸馏水与相应土壤混合均匀后分层回填，OIS和CIS 的回填深度均为10 cm，但由于所用土罐内径不同（OIS 土罐内径为11 cm，CIS 土罐内径为 8 cm），因此所需干土质量分别为1.36 和0.92 kg。 本试验在25℃下恒温模拟，通过称重补水以确保含水量恒定，并且每天检查培养装置气密性。

1.3.2 土壤N2O 排放通量测定 尿素施用后立即开始测定N2O 排放。采用OIS 测定时［14］，分别在第0 和30 min 时用50 mL 注射器采集样品40 mL。与此同时，用50 mL 注射器采集CIS 培养系统气体样品40 mL。N2O 样品的采集周期从试验开始第1 天至试验结束，于每天早上9:00—10:00 采集N2O 排放。气体样品的N2O 浓度用气象色谱仪（Agilent6820）分析测定，参考Liao 等［15］的测定方法。

1.3.3 土壤NH3挥发测定 OIS 系统采集N2O 结束后，关闭培养系统的N2O 采集阀门。测定氨挥发时，启动抽气泵，用两个酸吸收瓶（每个酸吸收瓶含 0.05 mol/L 稀硫酸90 mL）采集流动空气的NH3（图1a）［16］。抽气1 h 后收集酸吸收液。

1.4 计算方法

OIS 培养系统的N2O-N 排放速率：

式中：F为N2O-N 排放速率（mg/m2·h）；dCt/dt为观测时间箱内气体浓度随时间变化的直线斜率（mg/m3·h）；H为土壤表面到培养箱盖子的高度 （m）；T0为标准状态下空气的绝对温度（K）；T为实际空气温度（℃）；28/44 为N2O 转化成N2O-N 的转换系数。

CIS 培养系统的N2O-N 排放速率：

式中：F为N2O-N 排放速率（mg/m2·h）；C为箱内气体浓度（mg/m3）；Q为通入气体流量（mL/min）；t为测定时段（min）；10-6为体积转换系数；S为培养土柱的表面积（m2）；T0为标准状态下空气的绝对温度（K）；T为实际空气温度（℃）；28/44为N2O 转化成N2O-N 的转换系数。

式中：Q 为试验期间N2O-N 和NH3-N 排放总累积排放量（mg/m2）；n为试验期间测定总次数；i为按时间排序的采样测定时间；Fi为第i次测定事件的N2O-N 和NH3-N 排放速率（mg/m2·h）；Fi+1为第i+1 次测定事件的N2O-N 和NH3-N 排放速率（mg/m2·h）；ti+1为第i+1 次测定事件的时间（h）；ti为第i次测定事件的时间（h）。

1.5 数据分析

采用Excel 对试验数据进行处理，SPSS24.0 进行数据统计分析，采用LSD法（α=0.05）比较处理间差异的显著性。

2 结果分析

2.1 不同培养系统下土壤NH3 排放速率的动态变化

本研究测定了不同培养系统在80%WFPS、40%WFPS2 种含水率下土壤NH3排放速率，结果表明：不施肥条件下（NA）2 种培养系统均未检测到显著的NH3排放（图2a、2e）；而SA 和IA 等施肥处理，在2 种土壤含水率条件下，均表现出OIS下的NH3排放速率明显高于CIS 的特征。以混施处理IA 为例，在40%WFPS 条件下（图2b），采用OIS 和CIS 测得的NH3排放峰值都出现在第1 天， 排放速率峰值分别为4.30 和0.79 mg/m2·h，OIS系统的NH3排放速率峰值是CIS 培养系统的5.45倍。在80%WFPS 条件下（图2e），采用OIS 和CIS 测得的NH3排放峰值出现时间不同，分别出现在第1 天和第3 天，排放速率峰值分别为5.43 和 5.40 mg/m2·h，但两种培养系统的NH3排放速率峰值基本一致。

以80%WFPS 的处理为例，采用CIS 培养时（图2e、2f），混施处理IA 的NH3排放速率峰值出现在第3 天，达5.40 mg/m2·h，表施处理SA 的NH3排放速率峰值是IA 的NH3排放速率峰值3.39 倍，为18.31 mg/m2·h。与 之 相 似，OIS 下 的IA、SA 的NH3排放速率峰值分别出现在第1、3 天，分别为5.43、45.58 mg/m2·h，表施处理SA 的NH3排放速率峰值是IA 的NH3排放速率峰值8.4 倍。由此可见，2 种培养系统观测到的氨排放特征以及施肥方式与土壤含水率对氨排放的影响基本一致，但OIS 下的NH3排放速率明显高于CIS。

图2 OIS 和CIS 下不同含水量、不同施肥方式的NH3-N 排放特征Fig. 2 Characteristics of NH3-N emissions under different water content and different fertilization methods measured using OIS and CIS

2.2 不同培养系统下土壤N2O 排放速率的动态变化

本研究对比分析了不同土壤含水率、不同施肥方式类型等几种因素下，OIS 和CIS 测定N2O 排放的动态变化的差异性。整体看来，2 种培养系统下不同处理的N2O 排放特征基本一致，在40%WFPS 条件下出现了前期CIS 略高于OIS 的现象（图3b、3c）， 第5 天之后OIS 的排放高于CIS，但整体来看OIS下的N2O 排放速率明显高于CIS（图3）。以表施处理SA 为例，在40%WFPS 条件下（图3c），采用OIS 和CIS 测得的N2O 排放峰值分别出现在第8、9 天，排放速率峰值分别为0.17 和0.13 mg/m2·h，OIS 下的N2O 排放速率峰值是连续培养系统的1.28 倍，排放速率基本一致。在80%WFPS 条件下 （图3f），采用OIS 和CIS 测得的N2O 排放峰值分别出现在第6、1 天，排放速率峰值分别为8.63 和 1.34 mg/m2·h，OIS 下的N2O 排放速率峰值是连续培养系统的6.44 倍。

以40%WFPS 的处理为例，采用CIS 培养时 （图3b、3c），混施处理IA 的N2O 排放速率峰值出现在第4 天，为0.34 mg/m2·h，混施处理IA 的N2O 排放速率峰值是表施处理SA 的N2O 排放速率峰值的2.59 倍，为0.13 mg/m2·h，而OIS 下的IA、SA 的N2O 排放速率峰值分别出现在第5、8 天，分别为0.27、0.17 mg/m2·h，IA 的N2O 排放速率峰值是表施处理SA 的N2O 排放速率峰值的1.62 倍。由此可知，两种培养系统观测到的N2O 排放特征，以及施肥方式与土壤含水率对N2O 排放的影响基本一致，但OIS 下的N2O 排放速率显著高于CIS。

图3 OIS 和CIS 下不同含水量、不同施肥方式的N2O-N 排放特征Fig. 3 Characteristics of N2O-N emissions under different water content and different fertilization methods measured with OIS and CIS

2.3 不同培养系统下N2O-N 及NH3-N 的累积排放量

由表2 可见，2 种培养系统均揭示土壤含水率和施肥方式是影响土壤N2O-N 和NH3-N 累积排放的重要因素。此外，OIS 和CIS 均发现土壤含水率对表施处理SA 的氨累积排放存在显著影响，但其对混施处理IA 的氨排放却呈现出不一致的现象。对比2 种培养系统的差异倍数发现，在40%WFPS 条件下，混施处理IA 的两种系统的氨挥发累积排放量相差6.51 倍，表施处理SA 的氨排放相差3.12 倍；而在80%WFPS 条件下，SA 处理间的差异也达到了4.46 倍（表2）。

对N2O 而言，在2 种含水率条件下，2 种培养系统下均检测到IA 处理的N2O 排放高于SA 处理，但仅在40%WFPS 时OIS 未检测到显著性差异；而在施肥方式相同时，2 种系统均检测到高土壤含水率可显著增加N2O 排放。对比2 种培养系统的差异倍数发现，不同施肥方式下，80%WFPS 处理的2种系统的差异性均高于40%WFPS 处理。

表2 不同培养系统下N2O-N 及NH3-N 的累积排放量Table 2 Cumulative emissions of N2O-N and NH3-N under different culture systems

2.4 不同培养系统下土壤N-N、N-N 变化

图4 室内模拟试验结束时土壤N-N、N-N 含量Fig.4 Soil N-N and N-N content at the end of incubation experiment

3 讨论

通过对比OIS 和CIS 在N2O 和NH3排放上的差异性，分别在不同含水率，施肥方式几种条件下进行模拟试验。总体来看，由于培养条件的不同，二者存在明显差异。

3.1 不同培养系统下含水率和施肥方式对土壤N2O和NH3 排放的影响

本试验OIS 采用静态箱法测定N2O，CIS 采用动态箱法测定N2O。有研究表明，在WFPS 为40%～60%时，土壤N2O 排放主要源于硝化作用，排放速率较小，而在土壤WFPS 大于80%时，由于土壤O2含量极低，N2O 排放主要来自于产生N2O能力更强的反硝化作用［17-20］，这与本研究的结果基本一致，即相同施肥方式下，高含水率的2 种系统下N2O 排放均高于低含水率下的排放。土壤含水率与充气孔隙度线性相关，很大程度上影响了土壤孔隙的连通性和曲折性，因此是影响N2O、NH3等氮素排放的重要因素［21-22］。目前，关于土壤水分条件对于氨挥发的报道不太一致，张翀［23］等研究表明，氨挥发量随着土壤含水率的增加而明显上升，这与本研究结果一致，但Akiyama［24］等研究结果表明，虽然施用尿素使氨挥发量增加，但土壤湿度（WFPS）对氨挥发无显著影响，因此还需要更多试验验证含水率对于氨挥发的影响。

3.2 不同培养系统下通气速率对N2O 和NH3 排放的影响

对于2 种培养系统而言，OIS 的N2O 和NH3排放量均高于CIS 系统，原因可能是通气速率不同导致，开放式培养系统（OIS）是一种强制交换的方法，Kissel［25］等认为在外界风速变小时，空气交换室内部的风速高于土壤表面的实际风速，此时会导致氨挥发测定结果偏高。密闭式培养系统（CIS）持续通入所需气体，由流量计控制通气速率，邹长明［26］等研究表明随着通气速率的增加，氨挥发量也会增多，本研究的通气速率控制在50 mL/min，可能低于大田的真实环境状况，通气速率变慢的情况下，NH3排放量会降低，对后面的氮素转化提供更多的反应底物，所以采用CIS 系统培养可能会低估氨挥发量。除此以外，通气速率也会影响水分的蒸发速率，进而氨挥发量［27］。通过比较N2O 和NH3的累积排放量来看，与OIS 相比，CIS 培养系统的NH3-N 损失下降，可能会提高土壤的N 残留量，并导致N2O排放增加。

本试验所用的CIS可通过控制培养室气体组成，如调节O2、N2、He、乙炔等气体比例，以探究土壤硝化与反硝化过程中氮素气态损失贡献、途径与调控机理，并采用动态培养箱原理测定不同气体排放，这些是OIS 无法实现的，但与此同时需要合理控制通气速率等影响因素，未来还要加强2 种培养方法的对比研究，进一步揭示不同条件下的差异性。

4 结论

本研究以2 种培养系统为研究对象，结合不同含水率、施肥方式等组合进行模拟试验，得出以下结论：

（1）2 种培养系统观测到的氨排放特征以及施肥方式与土壤含水率对氨排放的影响基本一致，除80%IA 条件下2 种系统的氨排放速率一致外，其余条件均表现OIS 下的NH3排放速率明显高于CIS，差异倍数在2.49 ～5.45 倍之间；

（2）2 种培养系统观测到的N2O 排放特征以及施肥方式与土壤含水率对N2O 排放的影响基本一致，2 种培养系统在低含水率（WFPS40%）条件下N2O排放速率无明显差异，但高含水率条件下OIS 下的N2O 排放速率显著高于CIS，差异倍数在2.94 ～6.44倍之间；

（3）利用CIS 探究土壤硝化与反硝化过程中氮素气态损失贡献存在一定的应用潜力，但仍需进行更多的试验验证，为后续推广提供数据支撑。