土壤改良剂影响盐渍土NH3挥发和N2O 排放的研究进展

高攀攀，李国瑜，刘若薇，位宇婧，冯浩杰，娄燕宏，王 会，杨全刚，诸葛玉平，潘 红

（1. 土肥高效利用国家工程研究中心/山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271018；2. 泰安市农业科学院，山东 泰安 271018）

我国人口众多，人均耕地不足，粮食生产还不能完全满足人口内消。盐碱地是宝贵的耕地储备资源，我国盐碱地面积约为9.91×107hm2，约占全世界盐碱地总面积的10%，其中可开发利用的面积约占36%[1-2]。盐渍化一方面会影响土壤有机质、水分有效性和养分转化，以及土壤微生物群落组成；另一方面，高盐土壤会抑制植物生长。因此，土壤盐渍化是农业生态系统的主要制约因素之一，威胁全球粮食安全[3]。

施用土壤改良剂是盐渍土高效利用的重要手段，改良剂主要包括有机和无机改良剂。无机改良剂主要包括石膏等，有机改良剂主要有生物炭、有机物料等，均可以达到改良土壤理化性质和微生物生态环境的目的[4-6]。

氮是制约作物品质及产量的关键因素，合理施用氮肥可达到增产改土的效果。土壤中氮素绝大部分以有机氮的形态存在，而植物可直接吸收利用的氮主要是无机态氮[5]。氮素施入土壤后通常会发生挥发、硝化与反硝化等一系列的转化与反应。传统硝化作用分为两步，氨气（NH3）在氨氧化微生物的作用下氧化为亚硝酸盐，再经亚硝酸盐氧化菌氧化为硝酸盐。氨氧化过程是硝化过程的第一步，也是限速步骤，由编码氨单加氧酶基因（amoA基因）的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）完成[7-8]。土壤反硝化作用是硝态氮（-N）在厌氧条件下逐步还原为亚硝态氮（-N）、一氧化氮（NO）和氧化亚氮（N2O），最终还原为氮气（N2）的生物化学过程。N2O还原为N2的过程是由编码氧化亚氮还原酶基因（nosZ基因）的细菌完成，由于有些反硝化细菌缺少该基因，致使N2O 成为反硝化过程的终产物[9]。在氮素转化过程中，还会有部分氮素可能会通过径流、淋溶、NH3挥发等进入水体和大气，导致农田氮肥利用率降低[4]。土壤盐渍化会通过影响土壤氮素的转化规律和动态迁移，改变各形态氮的比例和含量，进而加重氮素损失、降低作物吸收效率。李红强等[3]认为，土壤盐分对硝化过程的影响因土壤盐分离子组成、pH 值、-N 与-N 比值、微生物丰度与活性等因素而异，同时提出土壤盐分过高会增加NH3挥发，抑制氮素矿化、硝化、反硝化。

我国《“十四五”全国农业绿色发展规划》提出加强耕地质量建设、加强退化耕地治理的时代要求。如何利用改良剂提高盐渍土壤氮素利用效率，提高农产品有效供给，成为当前热点问题[3]。因此，拟就盐渍化土壤常用改良剂（生物炭、石膏、有机物料）的添加对NH3挥发、N2O 排放以及相关功能微生物的影响方面展开论述，以期为盐渍土壤生态系统中氮肥可持续管理提供理论依据。

1 生物炭对盐渍土壤NH3挥发和N2O排放的影响

生物炭又名生物质炭，指的是生物质在高温（＜700 ℃）和厌氧条件下生成的一类结构、性质稳定的富炭产物[7]。在物理性质上，生物炭表面具有较高的比表面积、孔隙度、表面电荷、持水性[8]。在化学性质上，生物炭表面具有大量的官能团、盐基离子，且本身具有较高的灰分含量[9]。此外，生物炭进入土壤后，会耦合很多生物化学物理过程，从而形成新型的土壤生态位，这一过程被称为炭际效应。该过程能改善土壤结构，增加土壤保水透气性，吸附截留有机污染物和重金属，增加养分固持，提高微生物活性，促进作物生长，在环境修复和土壤改良方面效果明显[10-13]。

生物炭对盐渍土硝化作用的影响因气候带和土壤类型不同，表现出促进[14]或抑制[15]效应。PROMMER 等[14]通过在奥地利酸性土壤上复配施用氮肥和生物炭发现，生物炭刺激了硝化作用。该结果与之前BALL 等[13]对森林土壤的研究一致，其认为在森林土壤中，添加生物炭会刺激硝化作用。而在盐渍化土壤中，YAO 等[16]通过研究改良剂和土壤盐分对土壤尿素水解和净硝化速率的交互作用发现，生物炭抑制硝化作用，而且抑制效果随生物炭施用量的增加而加剧，这可能是生物炭和氮肥联合施用降低了盐渍土壤硝化潜能和潜在硝化速率，延长了硝化持续时间[16-18]。推测生物炭对硝化作用的抑制机制：（1）生物炭通过提高土壤pH值，促进NH3挥发，降低-N 的生物有效性来延缓硝化作用[19]；（2）生物炭表面的反应性官能团—COO—和—O—，以及自由基降低了驱动氨和亚硝酸盐氧化过程的AOB 和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的丰度[20]。此外，生物炭显著增加盐渍土中nifH基因（固氮基因）和固氮菌丰度[15-16]。因此，从氮素周转的角度讲，适量施用生物炭可以维持土壤微生物活性，促进氮素形态周转，减缓-N 形成，降低氮素淋失风险，有利于盐渍化土壤氮肥的可持续管理[19-22]。

石玉龙[23]等通过对滨海盐渍土添加生物炭发现，生物炭的施加水平在5 t/（hm2·a）和10 t/（hm2·a）时，能够降低盐渍土N2O 排放量。生物炭减少N2O排放的机制：生物炭具有吸附性，能吸附硝化和反硝化底物，抑制硝化和反硝化的进行，减少N2O 排放[23]；生物炭能促进基因转录，产生更多的氧化亚氮还原酶，使得N2O 还原成分子氮[7]；生物炭表面含有大量含氧官能团，为反硝化作用提供电子受体，使得反硝化作用能够进行完全。但也有学者研究发现，生物炭可增加N2O 的排放。例如，陈晨[20]等的研究发现，生物炭能促进土壤氮素矿化形成氨态氮，增加硝化作用的底物进而促进硝化和反硝化，刺激N2O 的排放。王月玲等[21]通过在塿土土壤添加果树枝条生物炭发现，较少的生物炭（20、40 t/hm2）添加能降低N2O 的排放，而施用相对较多的生物炭（60、80 t/hm2）则会增加N2O 的排放。这可能是由于土壤中施用大量生物炭后，生物炭本身养分及其疏松的结构使得好氧细菌大量繁殖形成厌氧环境，加之生物炭吸附的硝态氮，刺激了反硝化作用，使得N2O排放增加[21-22]。由此可见，生物炭对盐渍土壤N2O 排放的刺激或抑制，与其添加量有关。因此，选择合适的炭用量，可能对盐渍化土壤温室气体N2O 减排至关重要。

生物炭的高阳离子交换量（CEC）特性使其可以吸收大量的阳离子，为补偿电荷平衡导致H+释放出来，同时也将盐渍土壤中的盐基离子置换出来，从而降低土壤pH 值[21-23]。但由于生物炭本身pH 值较高[24]，因此，一直以来研究者对于生物炭的研究主要集中于酸性土的改良。此外，大量的生物炭施入土壤可能会吸附土壤团粒进而破坏土壤结构[25]。ZHANG 等[26]也发现，随着生物炭施用量增加，微生物的数量和丰度呈现负响应，过量的生物炭会抑制土壤微生物多样性。生物炭在生产过程中经过高温热解会产生有毒物质，同时也会吸附土壤中的污染物和重金属离子，从而影响土壤结构，抑制微生物活性和植物生长[27]。在与磷肥共同施入土壤后，生物炭会降低磷的有效性从而影响植物产量[28]，过量生物炭还会抑制盐分胁迫下作物的抗氧化系统，使幼苗表现出生理损伤[29]。

综上所述，国内外将生物炭作为改良剂施入盐渍土壤中对氮素影响的研究虽然取得一定进展，但相关结果依然存在争议，其潜在影响机制尚不明确。鉴于生物炭作为盐渍土改良剂仍存在争议，且生物炭调控盐渍土氮素转化的影响因素复杂多样（盐渍化程度、土壤盐基离子类型、土壤肥力、生物炭用量、生物炭种类、土层深度、施用时间长短等），因此，生物炭对盐渍土壤氮素转化的影响还需要进一步研究。

2 石膏对盐渍土壤NH3挥发和N2O排放的影响

脱硫石膏改良盐碱土技术原理主要包括盐类转化和离子置换2 种类型化学反应。其中，盐类转化是将土壤中对植物毒害较大的碳酸盐和重碳酸盐转化为毒害相对较小的硫酸盐；离子置换是将土壤交换性离子（Na+、K+和Mg2+）转化为水溶性离子，再通过灌排措施将盐分离子从土壤表层淋洗至底层或排出土体，从而实现土壤降碱和脱盐。由于成本低、产量高，石膏被广泛用作盐碱土壤改良剂[30]。施用石膏可降低土壤盐分、碱化度（ESP）和pH 值，改善土壤的物理性质，增加作物产量。此外，石膏作为钙、硫和镁的肥料来源，有利于植物生长[31-35]。盐碱土壤中施用石膏，其含有的钙离子与铵根离子发生置换，减少了氨挥发损失[36]。同样，ZIA 等[37]通过比较施用石膏和不施用石膏处理下土壤NH3挥发量发现，施用石膏显著减少了NH3挥发损失。石膏减少盐渍土NH3挥发的原因可能在于石膏较低的pH值减少了土壤中的碱性基团[37-38]。ZHU等[38]通过在不同盐渍化程度土壤中添加石膏也发现，石膏可降低土壤pH 值，pH 值降低会减少NH4+向NH3的转化，从而减少NH3挥发。石膏含有大量的硫酸盐，施入土壤能显著增加土壤的电导率（EC），含盐量的增加会加重盐分对硝化作用的抑制[39]。LI等[40]报道了添加石膏显著降低硝化功能基因的拷贝数，这与ZHU 等[38]在石膏处理中发现较低的-N 和较高的-N结果一致，石膏对NH3挥发的影响取决于降低pH值和抑制硝化作用之间的净作用。

曾东萍[41]研究发现，施加石膏渣会对稻田N2O排放产生明显抑制，这可能是石膏增大了土壤硫氮比，缓解了不同氮还原酶之间的电子竞争，降低了生成N2O 的底物浓度，从而降低了N2O 积累[42]。也有研究者发现，在热带酸性土中石膏和石灰复混施用能降低牧草根际和非根际土壤中nirK（亚硝酸还原酶基因）和nosZ基因的丰度，减少N2O 排放[43]。SUN 等[44]通过田间试验发现，只添加石膏对N2O 排放的影响并不显著，但石膏与腐植酸和氮肥复配施用显著降低了N2O 排放，这说明石膏与其他物料配施可大幅度优化施用效果。相反，有研究者发现，大量石膏可能刺激N2O 排放。贺坤等[45]发现，施用量大于45 t/hm2时能显著降低土壤pH 值，局部土壤酸化会导致更多的土壤氮素转化为N2O[46]。同时，大量的石膏施用也会破坏土壤结构，恶化土壤性质，影响土壤氮素转化，降低土壤氮素有效性[47]。此外，石膏含有大量作为第二信使的Ca2+，能改变碱性土壤微生物细胞质Ca2+分布和增大ATP 酶活性，为植物和微生物的各种生物化学过程提供能量，增加N2O排放潜力[48]。

就目前研究来看，石膏对盐渍土壤氮素转化主要是通过影响土壤酸碱度和盐基离子，进而间接作用于氮素转化过程。盐渍程度、土壤类型、农田用途和作物种植的差异也会对氮素转化带来影响。此外，大量的石膏施用不利于盐渍土改良和土壤氮素利用，且石膏的单一施用效果并不显著[38-39]。在实际生产中应该选择合适的用量和搭配组分，才能达到预期效果。

3 有机物料对盐渍土壤NH3挥发和N2O排放的影响

有机物料不仅能为土壤微生物提供丰富的养分，增加微生物数量，还能改善土壤结构和环境，增强土壤保肥保水性。与有机物料相比，无机肥可在短期内提高作物产量，但矿物盐的长期积累会加剧土壤盐碱化，降低土壤质量和作物产量，污染环境。有机物料腐解产生的酸性物质和酸性基团，可有效降低盐碱土壤pH 值，同时促进土壤保水和盐分脱离。绿色可持续发展农业要求减少无机肥的用量，采用有机和微生物肥料部分代替化肥，以改良沿海盐渍土，增强土壤微生物系统的抗性和复原力而不影响环境。因此，盐渍土施用有机物料可达到修复土壤、提高资源利用效率的目的。有机物料与化肥相比可以持续释放养分，被认为是无机肥的有效替代品[49-51]。

在土壤全盐量为1.7～37.9 g/kg 时，盐渍土壤NH3挥发会随着土壤含盐量增加而加剧[52]。周慧等[53]通过探究有机肥替代部分无机肥对田间土壤NH3挥发的影响发现，土壤电导率在0.45～1.40 dS/m时，有机肥替代无机肥大于50%时，有机肥会增加土壤盐分，进而促进土壤NH3挥发损失。但在SHI等[18]的报道中，加入有机肥降低了盐渍土的pH 值，使得AOB 数量增加，加速了氨氧化过程，导致有机肥抑制NH3挥发。

有机肥对农田土壤N2O 排放是刺激或抑制，目前尚有异议。LIU 等[54]研究发现，施用有机物料后，土壤N2O 排放量明显高于施用化学肥料，这可能是因为有机物料除为作物提供大量养分外，还为土壤硝化细菌和反硝化细菌增加底物浓度，刺激了N2O排放[55]。SHI等[18]研究发现，有机肥施用12 d后显著提高了AOB-amoA和nirK基因的拷贝数，这可能是N2O排放通量显著增加的主要原因。有机物料也可能通过增加土壤中NH4+浓度和微生物数量，刺激硝化作用，进而产生N2O[56-57]。据此，推测有机物料促进N2O 排放的机制：（1）有机物料含有丰富的养分，为硝化和反硝化提供大量底物，促进了硝化和反硝化产生N2O；同时，有机物料中的酸类物质能降低盐渍土的pH 值，还为微生物提供充足的养分和适宜的生活环境，导致微生物大量繁殖争夺氧气，产生厌氧环境，促进反硝化作用[58-60]；（2）有机物料能提高AOB-amoA和nirK基因的拷贝数，促进硝化和反硝化以及硝化细菌的反硝化等过程的发生[61]。相反，关于有机物料施用降低N2O排放的研究则认为，生物炭配施有机物料导致nirS基因拷贝数的减少和nosZ拷贝数的增加，使N2O 排放减少[14]。土壤水分也是影响N2O排放的重要因素，当施入有机物料后，盐渍土的保水能力增强，水分过多导致嫌气环境的形成和扩散条件的减弱，延长了N2O 在土壤中的存留时间，进一步促进N2O 向N2的转化，使其排放减弱[60]。另外，有机物料施用对氮素转化及N2O 排放的影响与有机肥自身的C/N 和土壤条件有关。高C/N 条件下，施用有机物料后，有机质分解慢，分解微生物与氮素转化微生物争夺氮素，导致土壤硝化-反硝化的底物减少，造成N2O排放减少[62]。

盐渍土中，有机物料对N2O 排放的影响还要考虑盐渍程度。周慧等[53]通过研究有机无机肥配施对N2O 排放的影响发现，轻度盐渍土上120 kg/hm2化肥配施120 kg/hm2有机肥，中度盐渍土施用240 kg/hm2有机肥，N2O 排放最少，作物的产量最高。究其原因，在较小含盐量时，施入适量的有机物料能显著改善微生物生存环境，有利于土壤微生物对氮的固持，同时促进了完全反硝化反应的进行，使N2O排放降低[63]。盐含量较高时，盐分抑制了NOB 的活性使硝化过程受阻，增加了硝化过程产生N2O的可能，同时高盐分抑制了nosZ活性，加大了N2O 排放，因此，需施入高量有机物料，有利于减少异养反硝化过程N2O排放。盐渍化土壤施用有机物料既要考虑本身的C/N，还要综合考虑土壤性质。从减少氮素损失、增加作物产量的角度讲，盐渍化程度是确定有机物料用量的重要依据之一。

4 研究展望

盐渍土是我国宝贵的耕地储备资源，开发和合理利用盐渍土是人类可持续发展的重要保障。盐渍化是周期性动态变化的过程，对盐渍土改良材料进行研究和提高盐渍土产能是当前的热点。目前，针对生物炭、石膏和有机物料等改良材料对盐渍土壤氮素转化的研究已经取得一定的进展，后续对改良材料的选择、优化和规模化推广等方面还需要进一步探究。

（1）生物炭的多孔结构并不具有特异选择性，过量的生物炭施入土壤，除能吸附土壤污染物外，也能吸收土壤本身养分，加重土壤负荷。生物炭是高温裂解的产物，在高温生产中会产生一些有毒物质，过量施用可能会导致有毒物质积累。另外，生物炭属于高温产生的惰性稳定产物，其在土壤中调控氮素转化的机制需要长期试验探索，这导致了很多短期试验结果有偏差。且国内外大量文献多注重生物炭对微生物群落丰度的影响，而忽视对氮素转化的功能微生物和功能基因的探究。未来应深入研究功能基因的表达机制和功能微生物的响应机制。不同材料和不同温度烧制的生物炭，性质和功能上也有差异。因此，应对生物炭进行全方位、多方面、深层次的研究，同时对其生产和用途制定相关行业标准。

（2）石膏因成本低、富含Ca2+，已被广泛应用于盐渍土改良。目前，大多数研究认为，石膏对盐渍土壤氮素转化主要是通过影响pH 值和交换性盐基离子，间接对土壤氮素有效性和微生物群落丰度产生作用，鲜少探究石膏对氮素相关基因转录和转化酶表达的影响。并且单一石膏的施用对土壤改良效果并不显著，未来需多开展石膏对氮素转化微生物生态位点影响的研究，同时寻求石膏的最优配施比和配施组分，减少对土壤的负面影响。

（3）有机物料是节能环保型的盐渍化土壤改良剂，但仅靠有机物料在农田系统内进行养分循环，很难保证作物持续大幅增产。环境因子会对AOA和AOB 群落产生影响，有机物料在土壤中的腐解，会引起水分、温度、肥力等一系列环境因子的变化。因此，评价有机物料作为改良剂施入土壤中的效果，应探明具体环境因子的改变带来的AOA和AOB群落的变化。另外，不同土壤和作物类型下，氮素转化微生物的相对贡献和优势种群尚不明确，还需深入研究。将化肥和有机物料合理配施，充分结合二者之长，才是确保作物优质高产、生态环境友好和集约化生产条件下农业可持续发展的最佳施肥策略。有机物料与无机肥配施对盐渍化土壤中氮素转化的影响，以及二者配施比例、配施种类和配施方式下的微生物学影响机制还需要进一步明确。

（4）对于改良盐渍土的各种物料，不适当的施用会加大土壤负担，造成环境污染和资源浪费，因此，需要选择适宜的用量用法。改良盐渍土的过程不能只把改良盐渍化作为首要目的，而忽略外源物质本身对土壤可能造成的威胁。因此，今后应加大对外源改良材料本身和用量用法的研究。