pH升高对红壤硝化过程产生N2O的影响王小治

土壤(Soils),2009,41(6):962~967pH升高对红壤硝化过程产生N2O的影响①王小治，孙伟，尹微琴，封克（扬州大学环境科学和工程学院，江苏扬州225009）摘要：对红壤添加NaOH培养获得不同pH系列的土壤。通过室内培养试验，研究了3种pH条件下土壤的N2O排放和无机N的变化情况。结果表明：硝化活性随土壤pH升高而增强；pH升高增加了土壤N2O的释放；纯化学过程对N2O散发的贡献随pH的升高而降低；Nitrapyrin在pH4.8和pH6.0时表现出硝化抑制作用，在pH8.5时抑制效果不明显，且提高了培养期间pH8.5土壤N2O的释放量。关键词：pH；N2O；硝化作用；纯化学过程；硝化抑制剂中图分类号：S135气候变暖是当今全球性的环境问题，其主要原因是大气中温室气体浓度的不断增加，除二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）外，氧化亚氮（N2O）被认为是昀重要的温室气体。Rodhe[1]的研究指出，1molN2O的增温效应是CO2的150~200倍，此外，N2O在对流层的惰性较大，存留时间可达110~115年[2]。自工业革命以来大气中N2O一直呈增长趋势，已由工业革命前的2.88×10-4ml/L上升到现在的301×10-4ml/L[3-4]，并且每年以0.25%~0.3%的速度递增。其中热带土壤和农业土壤是全球昀主要的N2O释放源，其贡献达70%~90%[5]。已有研究表明，人类的农业活动是产生N2O的主要来源[6]，而且大部分的是在土壤中产生和散发出来的[7]。硝化作用和反硝化作用是土壤中N素转化的两个重要过程。土壤pH是影响硝化作用和反硝化作用的重要因素之一，土壤pH变化对硝化过程中产生N2O的机理，如对自养硝化、异养硝化和纯化学过程产生N2O的影响还缺少研究。由于土壤pH对N2O净排放的影响复杂，不同研究者在不同土壤上的研究结果不尽一致，如有研究报道，草原土壤上N2O的散发随pH降低而减少[8-9]。施用铵态氮肥后，pH4.7时土壤N2O的散发量仅为pH6.7时的1/3[10]。然而，森林土壤施用石灰提高pH后，减少了N2O的散发[11]。造成这些差异的主要原因在于采用具不同pH的土壤进行比较试验时其原先微生物区系间存在较大差异。我国南方地区存在大面积的酸性土壤，农业生产中常需提高土壤pH。本试验以人为调节红壤pH的方法研究土壤pH变化对土壤硝化过程及纯化学过程产生N2O的影响。1材料与方法所用土壤取自中国科学院红壤实验站（江西鹰潭）0~20cm土层土壤，土质属壤黏土，部分基本性状见表1。表1红壤基本性状Table1Chemicalpropertiesoftestedsoil速效N(mg/kg)速效P(mg/kg)速效K(mg/kg)pH(H2O)饱和含水量(g/kg)23.731.5235.494.8500在试验土壤中加入不同量的1mol/LNaOH溶液，28℃恒温培养，其间间隙搅动并测定pH值，10天后pH基本稳定，12天后将土风干。获得不同pH系列（pH4.8、pH6.0、pH8.5）的土壤样品。试验在250ml的三角瓶中进行，每瓶装相当于20g烘干土的风干土。在施入N肥前，土壤先在50%饱和含水量的情况下培养2天，以促使微生物的正常活动。稍风干后开始培养试验。本试验在上述3个pH土壤下设置4个处理，分别为：①空白，不加外源N（CK）；②按NH4+-N100mg/kg加入硫酸铵溶液处理（用A表示）；③土壤经高压灭菌后，按NH4+-N100mg/kg加入已灭菌的硫酸铵溶液处理（用M表示）；④设置一加硝化抑制剂处理，以研究pH变化对其抑制效果的影响，抑制剂选用应用广泛的硝化抑制剂nitrapyrin，在①基金项目：国家自然科学基金项目（40501035）和江苏省“青蓝工程”项目资助。作者简介：王小治（1975—），男，江苏新沂人，博士，副教授，主要从事土壤元素循环与环境效应研究。E-mail:[e-mail]第6期王小治等：pH升高对红壤硝化过程产生N2O的影响963按NH4+-N100mg/kg加入硫酸铵溶液基础上，同时加入10mg/kgnitrapyrin处理（用Y表示）。每处理均有21个重复。瓶中土壤水分控制在饱和含水量的65%，加塞28℃恒温培养。培养过程中共取样7次（分别为培养4h、8h、1d、2d、4d、8d和16d）。为了保证在培养过程中有充足的氧气供给，培养前在三角瓶中悬挂装有双氧水的小瓶。测定时，每处理取3个重复，从三角瓶中抽20ml气体注入18.5ml真空瓶，供测定N2O，土壤用于测定NH4+、NO3-和NO2-等。N2O的测定系统采用由Zheng等[12]改装的Agilent4890D气相色谱。柱温55℃，转化器温度375℃，N2O用电子捕获检测器检测，检测温度为330℃，载气为N2。N2O标准气体由国家标准物质研究中心提供。NH4+-N、NO3--N、NO2--N分别用靛酚兰比色法、紫外分光光度法及重氮化耦合比色法测定[13]。2结果与分析2.1N2O的释放根据培养瓶内N2O浓度及瓶内体积，扣除在培养开始时各处理瓶内气体所含N2O量，计算不同处理在培养期间N2O释放量，结果如图1所示。在pH4.8土壤中各处理在16天的培养期间N2O的释放量在N0.16~2.15µg/kg之间，且不同处理的N2O浓度一直稳定在0.3µmol/mol左右，接近大气中N2O的背景浓度。表明在此pH条件下，硝化作用非常微弱。在7次测定中，A处理N2O释放量比CK处理高出N0.01~0.79µg/kg（在8h和8天时略低于CK处理）；Y处理除在培养8h、1天和2天时略高于CK处理外，其余时间均略低于CK处理；M处理除在培养8天时高于CK处理外，其余时间均低于CK处理。其原因在于CK未经灭菌处理，其N2O来自生物过程和纯化学过程，而M处理中释放的N2O均来自纯化学过程。比较A和M处理，可知在16天的培养时间内，纯化学过程产生的N2O占总N2O量的比例为15.2%~83.8%。硝化抑制剂nitrapyrin在一定程度上抑制了硝化作用的进行，除在8h和1天外，其余时间均降低了N2O的排放，其释放量为A处理的13.2%~88.9%。在培养后期，各处理中N2O浓度均有所下降，主要原因可能是土壤对N2O的吸附或反硝化作用（N2O→N2）所致。在pH6.0土壤中各处理在培养期间N2O的释放量在N0.92~2.89µg/kg之间，明显高于pH4.8处理，纯化学过程产生的N2O占总N2O量的比例为44.7%~71.9%之间。Y处理降低了N2O的释放，其释放量为A处理的31.7%~86.0%，在培养4h时抑制作用昀为显著。从图1中还可看出，N肥施用对N2O释放量增加幅度不大。在pH8.5土壤中CK处理N2O释放量在N2.54~3.47µg/kg之间。在前3次取样中，CK、A和Y处理N2O释放量差异不显著，但在培养2天时，A处理N2O释放量达N11.34µg/kg，明显高于CK处理（N4.20µg/kg）。表明施N两天时促进了N2O的排放，此时纯化学过程产生的N2O仅占总N2O量的0.5%，在其余时间纯化学过程产生的N2O量占总N2O量的比例为4.1%~32.3%。表明与pH4.8和pH6.5土壤相比，在pH8.5土壤中纯化学过程对于N2O释放的贡献明显下降。在培养2天前，添加抑制剂处理（Y）N2O释放量与A处理差异不显著或明显低于A处理，但从第4天开始Y处理N2O释放量显著高于其他处理，在8天时昀大，达N168.3µg/kg。16天时，N2O浓度图1不同处理在培养期间N2O释放量Fig.1AmountsofN2OemissionunderdifferenttreatmentsduringincubationN2O释放量(N,µg/kg)0246810024684h8h1d2d4d8d16d0510152050100150培养时间964土壤第41卷降低与反硝化作用和土壤吸附有关。2.2无机N的变化培养期间在从瓶中抽取供测定N2O的气体后，即测定土壤NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度，由于培养期间各处理NO2--N浓度几乎均未检测到，仅将NH4+-N（表2）和NO3--N（表3）浓度列出。从表2可见，在pH4.8土壤中各处理在培养期间NH4+-N的变化幅度很小；在pH6.0土壤中CK处理在4h时NH4+-N浓度比在pH4.8土壤中高近N20mg/kg，说明在不同pH系列土壤的预培养过程中发生了矿化作用。在培养4天时，CK处理和A处理NH4+-N浓度降低，表明发生了硝化作用，NH3挥发也可能是造成NH4+-N浓度降低的原因之一；Y处理在第4天时并未降低，在第8天开始有所降低，表现出一定硝化抑制作用；而M处理在培养期间NH4+-N浓度下降不明显。在pH8.5土壤中CK处理在培养4h时NH4+-N浓度与在pH4.8土壤中很接近，即在不同pH系列土壤的预培养过程中并未发生明显NH4+-N积累。CK处理在培养16天时NH4+-N浓度达N13.6mg/kg，比在培养4h时高N8.58mg/kg，表明在培养期间发生了土壤矿化作用。M处理在培养期间浓度变化不显著，A和Y处理表现出先略上升后下降的趋势，表明在培养后期发生的硝化作用或NH3挥发等使土壤NH4+-N的减少量大于来自矿化作用的增加量。表2不同处理在培养期间土壤NH4+-N浓度的变化Table2NH4+-NconcentrationsunderdifferenttreatmentsduringincubationNH4+-N（N,mg/kg）pH培养时间CKAYM4h8.87±1.74105.04±0.36106.09±1.06105.05±6.108h8.24±2.13106.23±1.18104.51±0.11102.65±2.451d8.03±0.31109.80±1.22107.56±1.37105.49±1.732d8.45±0.56107.42±0.61100.48±2.43103.60±1.364d7.82±0.73108.42±0.61105.68±0.68111.68±2.618d7.54±0.25107.63±0.49104.17±1.59104.98±1.644.816d9.64±0.70107.14±5.78105.82±0.97106.09±0.554h28.50±0.82137.96±2.74140.90±0.93136.19±3.998h30.54±0.90142.14±1.63139.83±0.90138.39±5.061d27.03±1.43138.67±0.71142.59±3.82130.25±0.902d27.07±1.52140.19±1.80124.89±2.90129.42±1.404d19.73±1.11129.19±1.80126.57±1.94122.37±5.078d19.73±0.89123.82±1.39119.05±1.49126.12±2.866.016d18.66±1.17123.02±0.85118.92±1.32121.09±1.084h5.02±0.62105.85±2.13101.85±2.59105.26±2.338h8.57±0.33106.13±7.6298.81±6.76106.13±3.471d10.53±0.44109.70±1.33110.12±1.19109.47±2.512d9.44±0.88113.31±3.49105.70±2.34104.11±4.294d9.01±0.66106.28±3.4998.92±1.38104.56±1.208d11.72±0.51102.21±6.1590.98±2.60105.47±1.548.516d13.60±0.8397.50±19.0982.65±3.07108.34±7.32从培养期间土壤NO3--N浓度变化可以看出（表3），在pH4.8土壤中各处理NO3--N浓度变化幅度很小；在pH6.0土壤中除M处理