2016, Vol. 36
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2. 内蒙古师范大学化学与环境科学学院, 呼和浩特 010022;
3. 内蒙古大学生命科学学院, 呼和浩特 010021
2. Chemistry and Environment Science College, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022;
3. College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021
全球变暖是人类关注的热点环境问题, 而氧化亚氮(N2O)是非常重要的温室气体之一.目前, 大气中N2O浓度约为0.312 μmol·mol-1, 并以每年0.2%~0.3%的速率增长(Simpeon et al., 1999).土壤是全球重要的N2O排放源, 主要来自于土壤微生物的硝化和反硝化作用.目前, 国内外有关N2O排放的研究集中在肥料(化肥和有机肥)施用、种植制度或耕作方式, 以及土壤温度等特性对N2O排放的影响(张海楼等, 2012；刘运通等, 2008；徐文彬等, 2002)等方面.关于土壤盐含量对N2O排放的影响主要集中在单一盐渍化程度土壤上, 例如, 土壤盐渍化通过影响微生物活性进而影响N2O排放(Elgharably et al., 2011; 李玲等, 2013)；高盐含量土壤由于离子毒害作用, 降低了微生物活性, 进而影响土壤硝化和反硝化过程, 土壤盐分越高对硝化的抑制作用越强(Badia, 2000; Akhtar et al., 2012; 王龙昌等, 1998; 李玲等, 2013)；低盐分能刺激土壤氮的硝化和矿化作用(Chandra et al., 2002).研究发现, N2O还原酶受土壤盐度影响, 在含盐土壤N2O易累积, 随着土壤盐度的增加, N2O排放增加(李玲等, 2013; Xu et al., 2007)；然而, Silva等(2008)发现, 电导率越高土壤N2O排放越少.国内外研究结论不尽相同, 有待进一步开展相关研究, 而且针对不同盐渍化程度土壤调控不同盐含量对土壤N2O排放影响的系统研究还较少.因此, 本文选取内蒙古河套灌区3种不同盐渍化程度土壤进行室内培养试验, 研究盐分梯度对不同盐渍化程度土壤N2O排放的影响规律, 以期为估算不同盐渍化程度农田N2O排放提供数据支撑.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究地区概况试验土壤采于内蒙古河套灌区乌拉特前旗, 该地处于我国西北黄河上中游地区, 北纬40°10′~41°20′, 东经106°25′~112°, 属中温带干旱气候, 干旱少雨, 昼夜温差大, 季风强劲, 极端最高气温为39.7 ℃, 最低气温-30.7 ℃, 年平均气温7.7 ℃.年平均日照3212.5 h, 无霜期167 d.降水集中于7—9月, 年平均降水量213.5 mm, 最大降水量出现在8月, 极端日降水量达109.6 mm.研究区主要种植小麦、玉米和向日葵.由于灌溉不合理, 盐渍土壤广泛分布于灌区.内蒙古河套灌区的盐渍化面积约占内蒙古盐渍化土地面积的70%, 由于近年来黄河水资源严重不足, 灌区的引黄水量将减少20%, 黄河三角洲盐碱土壤面积高达70%以上(岳勇等, 2008; 杨婷婷等, 2005; Sen et al., 1990).
2.2 样品采集在2014年5月未种植作物前(前茬作物—葵花)选取3种不同盐渍化程度农田土壤.样地S1、S2和S3面积分别为10 m×10 m, 依据“S”型布点法, 用土钻采集作物根区0~20 cm土壤.每个样方设10个样点, 各采样点重复取样3次, 并将3次土壤充分混匀, 将可见植物残体(根、茎和叶)和土壤动物去除, 装于无菌聚乙烯自封袋, 风干磨碎过2 mm筛用于测定土壤理化特性(表 1).
| 表 1 试验样地农田土壤基本情况 Table 1 Basic situation of studied soil of farmland |
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3种土壤含盐总量排序依次为S1(1.69%)>S2(0.83%)>S3(0.12%), S1、S2和S3样地都是SO42-和Cl-含量最多(表 2).结合土壤盐渍化分级标准(表 3)可知, S1土壤为盐土, S2土壤为重度盐渍化土壤, S3为轻度盐渍化土壤.
| 表 2 河套灌区不同盐渍化程度土壤盐分含量 Table 2 Salt content in soil of different salinization degrees in Hetao irrigation area |
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| 表 3 土壤盐渍化分级指标(遵亲等, 1993) Table 3 Soil salinization classification index |
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分别选取S1、S2、S3样地土壤, 称取50 g土壤样品(相当于烘干土重), 装入250 mL规格培养瓶(Glasgeratebau OCHS GmbH), 加入灭菌去离子水5 mL, 预培养7d, 激活土壤微生物, 7 d后取出培养瓶, 调节培养体系土壤盐含量, 土壤质量含水率保持在25%(体积分数), T型硅胶塞封口.无外源盐加入的原土壤含盐量为对照, 用不同浓度KCl溶液调节含盐量分别为S1、S2、S3原土壤盐含量的2倍和3倍, 共9个盐度梯度(表 4).每个梯度设3个重复, 密封后将培养瓶放入培养箱内, 设置温度(25±1) ℃, 每次采集气体样品前打开瓶盖通气3 h后继续密封培养24 h后取气样, 恒温培养21 d(Cheng et al., 2013).采集的气体样品通过改进的Agilent6820型气相色谱仪测定N2O浓度.N2O排放量通过以下公式计算(Cheng et al., 2013)：
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(1) |
式中, F为N2O排放通量(μg· kg-1· h-1), ρ为N2O标准状态下密度(1.96 g· L-1), ΔC为0~24 h培养时间内气体浓度变化值(μg· L-1· h-1), V为试验中使用的培养瓶的体积(mL), T为培养时的温度(℃), W为土壤干重(kg).
| 表 4 外源盐调控土壤盐分含量 Table 4 Salt content in soil after addition of external salt |
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土壤pH采用电位法测定；土壤盐分中碳酸根、重碳酸根离子采用电位滴定法测定；氯离子采用硝酸银滴定法测定；硫酸根离子采用EDTA容量法测定；钙、镁离子采用EDTA容量法测定；钾、钠离子采用火焰光度法测定；土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；土壤硝态氮采用酚二磺酸法测定；土壤粒径采用消光法(中国土壤学会农业化学专业委员会, 1983)测定.利用ANOVA分析理化参数差异显著性.
2.6 数据分析统计分析采用SPSS 11.5(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)进行.利用(ANOVA)分析N2O排放量差异显著性, 相关分析和逐步回归分析用于研究影响N2O排放的因素.
3 结果(Results) 3.1 不同盐渍化程度土壤无外源盐调控的N2O排放无外源盐加入的不同盐渍化程度土壤间N2O的排放速率随培养时间的变化趋势不同.由图 1可以看出, S1土壤在培养时间为160 h左右存在明显排放峰, S2和S3土壤无明显峰值.3种土壤在培养初期N2O的排放速率较高, 后逐渐趋于平缓.培养期间, S1土壤N2O排放速率明显高于其他土壤.
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| 图 1 无外源盐不同盐渍化程度土壤N2O排放速率(a)和N2O累积排放量(b)(标准差棒上的不同小写字母表示不同土壤类型存在显著差异性) Fig. 1 N2O emission rate(a) and N2O cumulative emission(b) from soil of different salinizationevels without external salt |
不同盐渍化程度土壤间N2O的累积排放量差异显著(F=149.0, p < 0.001) (图 2), S1盐土累积排放量最高为0.45 mg·kg-1, S2重度盐渍化土壤N2O累积排放量为0.22 mg·kg-1, S3轻度盐渍化土壤N2O累积排放量最低为0.035 mg·kg-1.3种不同盐渍化程度土壤N2O累积排放量分别是盐土最高, 重度盐渍化土壤次之, 轻度盐渍化土壤最低.
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| 图 2 不同浓度盐分加入不同盐碱程度土壤的N2O排放速率 Fig. 2 N2O emission rate of soil of different salinization levels with addition of different concentrations of salt |
外源盐加入盐土(S1)后, 不同盐度水平(分别为1.7%、3.4%、5.1%)土壤的N2O排放速率随培养时间延长, 变化趋势不同.盐含量3.4%的土壤与盐含量5.1%的土壤N2O排放速率无明显峰值, 而无外源盐加入的对照S1土壤, N2O排放速率在第189 h存在明显排放峰值(2.93 μg·kg-1·h-1).无外源盐的S1土壤N2O排放速率明显高于加入外源盐的土壤(图 2, S1).
3种盐分水平的S1土壤N2O累积排放量存在明显差异(F=41.8, p < 0.001).无外源盐加入的对照土壤N2O累积排放量最高为0.45 mg·kg-1.加入外源盐后, 盐含量增加1倍, 与对照土壤相比, N2O累积排放量减少79%；盐含量增加2倍, N2O排放量减少90%.盐土加入外源盐后, 土壤盐含量升高抑制N2O排放(图 3, S1).
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| 图 3 不同浓度盐分加入不同盐碱程度土壤的N2O累积排放量(N2O变化率为盐含量3.4%和5.1%的S1土壤N2O排放量与无外源盐S1土壤相比较, N2O的变化，其余类似; 标准差棒上的不同小写字母表示不同土壤类型存在显著差异性) Fig. 3 N2O cumulative emissions of soil of different salinization levels with addition of different concentrations of salt |
重度盐渍化土壤S2的不同盐分水平(0.8%、1.6%, 2.4%)N2O排放规律一致, 在培养初期均排放速率出现最大值, 随培养时间延长, 逐渐降低并趋于稳定.无外源盐加入土壤时, N2O排放速率在培养第4 h达到最大值, 为3.87 μg·kg-1·h-1；外源盐加入后, 盐含量为1.6%和2.4%土壤的N2O排放速率在第28 h达到最大值, 分别为2.64 μg·kg-1·h-1和2.09 μg·kg-1·h-1.外源盐加入重度盐渍化土壤, 盐含量为1.6%土壤的N2O排放速率最大, 盐含量为0.8%和2.4%土壤的N2O排放速率较低(图 2, S2).
对于重度盐渍化土壤S2, 3种不同盐分水平下N2O的累积排放量存在显著差异(F=225.0, p < 0.001).无外源盐加入的对照土壤N2O累积排放量为0.216 mg·kg-1.加入外源盐后, 与对照土壤比较, 含盐量1.6%土壤的N2O累积排放量增加100%, 含盐量2.4%土壤的N2O累积排放量减少20%.表明重度盐渍化土壤低含量的外源盐加入后促进N2O排放, 随盐含量升高则会降低N2O的累积排放量.和无外源加入重度盐渍化土壤比较, 重度盐渍化土壤盐含量增加1倍, N2O排放增加1倍；盐含量增加2倍, N2O排放降低20%(图 3, S2).
3.2.3 不同盐分水平对轻度盐渍化土壤N2O排放的影响轻度盐渍化土壤(S3)的3个盐分水平(0.1%、0.2%、0.3%)的N2O排放速率均在培养期出现N2O排放速率最大值, 然后逐渐降低；无外源盐加入土壤的N2O排放无明显峰值；外源盐加入轻度盐渍化土壤后, 盐含量0.3%土壤的N2O排放速率最大, 无外源盐加入土壤的N2O排放速率最小.外源盐加入轻度盐渍化土壤第21 h N2O出现排放峰, 盐含量为0.2%、0.3%土壤的N2O排放速率分别为0.85 μg·kg-1·h-1和1.52 μg·kg-1·h-1.(图 2, S3).
轻度盐渍化土壤N2O累积排放量随土壤含盐量增加而升高(F=30.4, p < 0.001).无外源盐加入的对照土壤的N2O累积排放量为0.035 mg·kg-1；外源盐调控土壤与对照土壤相比, 含盐量0.2%土壤的N2O累积排放量增加585%, 含盐量2.4%土壤的N2O排放量增加935%.结果表明, 轻度盐渍化土壤外源盐调控下, 随土壤盐含量增加促进了土壤N2O的排放.盐含量增加1倍, N2O排放增加5倍；盐含量增加2倍, N2O增加9倍(图 3, S3).
3.3 影响外源盐加入不同盐渍化程度土壤N2O排放的因素不同盐渍化程度土壤加入外源盐后, N2O累积排放变化量(加入外源盐后的土壤与其对照土壤N2O排放量的差值)与土壤铵态氮含量差值(培养前后测定值的差值)进行线性回归分析表明, N2O累积排放变化量的94.6%由土壤NH4+-N含量差值解释(图 4)(R2=0.95, p < 0.01), 与硝态氮含量差值无明显相关关系(p > 0.05).土壤NH4+-N含量是影响加入外源盐后的不同盐渍化程度土壤N2O排放差异的关键因子.由图 4看出, N2O累积排放变化量大于0时, 外源盐加入不同盐渍化程度土壤促进N2O排放, N2O累积排放变化量随NH4+-N含量差值增大而增多；N2O累积排放变化量小于0时, 外源盐加入抑制N2O排放, N2O累积排放变化量随NH4+-N含量差值增大而减少.
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| 图 4 土壤加入外源盐后N2O累积排放变化量与土壤铵态氮含量差值的关系 Fig. 4 Relationship between the variation of N2O accumulation and the difference of soil ammonium nitrogen content in soil with addition of different concentrations of external salt |
研究表明, 盐度梯度会影响土壤N2O排放.无外源盐加入的对照土壤, N2O排放关系表现为盐土N2O排放量最高, 重度盐渍化土壤次之, 轻度盐渍化土壤最低.图 3结果表明, 外源盐加入不同盐渍化程度土壤对N2O影响不同.盐土加入外源盐后, 随土壤盐含量升高会抑制N2O排放.重度盐渍化土壤加入原土1倍的外源盐会促进N2O排放, 随盐含量升高N2O的累积排放量降低.轻度盐渍化土壤在外源盐调控下, 随土壤盐含量增加会促进N2O排放.轻度盐渍化土壤加入外源盐后, 与盐土、重度盐渍化土相比, N2O排放对盐的加入更敏感, 增加量最多, 表明盐分含量越低的土壤加入外源盐后, 越易激发N2O排放.本研究不同盐渍化土壤N2O累积排放量范围为0.035~0.45 mg·kg-1, 与Cheng等(2013)的培养实验中外源盐加入草地和森林土壤后测得的土壤N2O累积排放量值为相同量级.Cheng等(2013)研究表明, 不同含量的外源盐加入草地和森林土壤后对N2O影响不同, 草地土壤加入盐后, 低盐促进N2O排放, 高盐降低N2O排放；但在森林土壤加入盐后, 高盐和低盐含量均降低N2O排放.
本研究发现, 不同盐渍化程度土壤加入外源盐后对N2O排放的影响主要依赖于土壤铵态氮含量差值(图 4).随盐含量增加, 土壤铵态氮含量差值为负值, 硝态氮含量差值为正值(表 5), 表明加入外源盐后不同盐渍化程度土壤铵态氮含量降低, 硝态氮含量增加, 土壤硝化作用增强.铵态氮和硝态氮分别是硝化作用的基质和产物, 铵态氮浓度直接影响土壤硝化作用强度(Aamio et al., 1996; Mendum et al., 1997).
| 表 5 不同盐含量土壤培养前后NO3--N和NH4+-N差值 Table 5 Difference of NO3--N and NH4+-N in the cultured soil with different salt contents |
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Low等(1997)研究也发现, 随着土壤盐度的增加, 硝化反应产生的N2O增加.然而, 针对不同盐渍化程度土壤与其对照土壤比较, 随外源盐含量增加, 硝化作用增强的程度不同.S1土壤加入外源盐后, 土壤铵态氮和硝态氮含量的差值随盐含量的增加均减少(表 5), 表明加入外源盐后, 与其对照土壤相比, 盐分含量逐渐增加对盐渍化土壤硝化作用的增强程度逐渐减弱, 使得土壤铵态氮含量差值和硝态氮含量差值均减少, 致使加入外源盐后, 随盐分含量升高, 与其对照相比, 盐土N2O排放减少.与盐土土壤不同的是, 轻度盐渍化土壤加入外源盐后, 随盐含量的增加, 土壤铵态氮含量差值和硝态氮含量差值均增加, 表明加入外源盐的轻度盐渍化土壤与对照土壤相比, 盐分含量升高对轻度盐渍化土壤硝化作用的增强程度逐渐加强, 从而使得轻度盐渍化土壤N2O排放随盐分含量升高而升高.该研究为模拟培养实验, 关于不同含量外源盐加入不同盐渍化程度土壤对N2O排放的影响从微生物机理角度的研究还有待进一步深入.
5 结论(Conclusions)1) 无外源盐加入时, 不同盐渍化程度土壤N2O排放表现为盐土N2O排放量最高, 重度盐渍化土壤次之, 轻度盐渍化土壤最低, 盐分含量高的土壤N2O排放高.
2) 外源盐加入3种不同盐渍化程度土壤后, 对N2O影响不一致.外源盐加入后, 随土壤盐分水平升高, 盐土N2O排放降低, 重度盐渍化土壤N2O排放先增加后降低, 轻度盐渍化土壤N2O排放升高.
3) 不同浓度外源盐加入不同盐渍化程度土壤对N2O排放的影响程度主要取决于土壤铵态氮含量差值.外源盐加入后, N2O排放变化量的94.6%可由土壤NH4+-N含量差值解释.
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