活性碳源对蔬菜地土壤硝态氮及氮氧化物气体的影响

杨程 刘秋香

摘要：室内25 ℃条件下，于存在硝态氮累积、50%田间持水量的设施蔬菜地土壤中，分别添加含碳（C）量为0、0.5、1.0、1.5 g/kg的活性碳源葡萄糖，分别标记为C0、C1、C2、C3，研究活性碳用量对土壤硝态氮及其氮氧化物气体NO、N2O（含量均以氮计）的影响。结果表明，培养16 d，C0处理土壤铵态氮、硝态氮含量相对稳定，C1、C2、C3处理的土壤硝态氮含量均由初始870 mg/kg降至10 mg/kg以下，且葡萄糖用量越高，硝态氮下降越快；培养16 d后，C1、C2、C3处理的土壤铵态氮由初始30.8 mg/kg分别提高到302.0、33.9、62.5 mg/kg；葡萄糖添加显著提高土壤NO、N2O的排放，C0处理土壤NO、N2O的累积产生量分别为3.80、0.04 mg/kg，C1、C2、C3处理NO、N2O的累积产生量则分别达到 4.0～11.7、3.3～62.4 mg/kg。添加活性碳源能有效降低设施蔬菜地土壤积累的硝态氮，但也应充分重视NO、N2O的排放。

关键词：设施蔬菜；土壤；硝态氮；葡萄糖；NO；N2O；活性碳源

中图分类号： S153文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0378-04

收稿日期：2015-02-12

基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE2014722）。

作者简介：杨程（1983—），男，江苏淮安人，硕士，工程师，从事土壤污染分析研究。Tel：（025）51816320；E-mail：yc384522@163.com。为追求设施蔬菜高产，菜农经常施用大量化肥，导致蔬菜地土壤硝态氮累积，不仅严重影响蔬菜产量和品质，也会引起一系列环境问题，如水体污染、刺激氮氧化物气体排放等[1-4]。消除及控制蔬菜地土壤硝态氮含量，既可以减少土壤中积累的硝态氮对环境的污染，又可以缓解蔬菜地土壤的次生盐渍化，是一个值得关注的问题。一般认为，土壤硝态氮的去除途径主要有微生物对硝态氮的同化、异化还原成铵（DNRA）、反硝化或者淋溶等[5-10]。土壤硝态氮的反硝化和淋溶过程会造成氮素损失，产生危害环境的NO、N2O气体[2，4]，或进入地下水和地表水，造成水体硝态氮含量超标[1，3]等问题；微生物对硝态氮的同化可以将硝态氮转化为有机氮，异化还原成铵可将硝态氮转化为铵态氮，而与硝态氮相比，有机氮和铵态氮活动性较弱，易保存在土壤中供后季作物吸收利用。因此，促进设施蔬菜地土壤硝态氮的微生物同化和异化还原成铵可相应减少氮肥的施用，具有重要的现实意义。

有研究发现，添加有机物料能够提高土壤活性有机碳含量，促进土壤微生物同化无机氮[11-12]，外源活性碳的加入可能会使设施蔬菜地土壤硝态氮的含量降低。试验采用室内培养方法，研究葡萄糖作为活性有机碳的加入对设施蔬菜地土壤累积硝态氮的影响，测定NO、N2O的排放，以期为合理有效利用蔬菜地土壤硝态氮提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试土壤

试验于2012年5月开始进行，供试土壤采自江苏省宜兴市周铁镇中心村（31°22′ N，119°57′ E）种植10年的蔬菜地，土壤类型为普通简育水耕人为土。采样时，随机选取5个 1 m×1 m的样方，将已种植的番茄割除，用土钻进行采样，每个样方内采样5～10次，采样深度为0～20 cm；剔除土壤中的石块和植物根系，将新鲜土壤混合均匀，过2 mm筛，装于密封塑料袋中，4 ℃保存。供试土壤基本理化性质为：全碳含量 18.0 g/kg，全氮、NH+4、NO-3 含量（均以氮计，下同）分别为 3 040、30.8、876 mg/kg，容重为1.03 g/cm3，粉粒、沙粒、黏粒含量分别为84.2%、11.9%、4.0%，pH值为4.30，田间持水量（WHC）为62.3%。

1.2试验设计

试验设4个处理，以葡萄糖为活性碳源，分别添加含碳（以碳计）0、0.5、1.0、1.5 g/kg的葡萄糖，分别记为C0、C1、C2、C3处理，其中C0处理不施葡萄糖作为对照。每个处理重复3次。

1.3试验方法

称取相当于30 g烘干土质量的新鲜土样于250 mL三角瓶中，按試验设计添加葡萄糖，与土壤均匀混合；加入蒸馏水，调节土壤持水量至50%；用带孔保鲜膜封住瓶口，25 ℃恒温培养16 d，每2 d调节1次水分，保持土壤恒质量；培养1、2、3、5、8、11、16 d，每个处理分别随机选取3瓶，以测定土壤NO、N2O、CO2气体的产生速率，气体采样结束，分别加入 150 mL 浓度为2 mol/L的KCl溶液，25 ℃、250 r/min振荡 1 h，定量滤纸过滤，测定土壤NH+4-N、NO-3-N含量。

1.4测定方法

1.4.1气体产生速率测定气体采样时，去掉三角瓶保鲜膜，用周围涂抹704硅胶的硅橡胶塞密封瓶口；在固定装置上抽真空1 min，再充入室内空气，重复3次；将采气口用704胶密封，25 ℃恒温培养室中培养3 h，再次采集气体样本；测定NO、N2O、CO2气体产生量，N2O、CO2采用Shimadzu产 GC-14B 型岛津气相色谱仪测定，NO采用USA产Model 42i型氮氧化物测定仪测定。抽取气样前用注射器反复抽提瓶内气体3次，以混匀气体。

1.4.2含氮量测定提取液NH+4、NO-3含量用Skalarplus San流动分析仪测定；土壤pH值（水土比2.5 mL ∶1 g）采用南京Quark公司产DMP-2 mV/pH计测定；土壤有机碳含量用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮含量用半微量凯氏定氮法测定；土壤粒径采用美国产激光粒度分析仪测定。

1.5计算方法和统计分析

气体N2O、NO、CO2产生速率的计算公式分别为：

VN2O=[ρ1×C1×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t；

VNO=[ρ2×C2×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t；

VCO2=[ρ3×C3×Vg×273]/[W×（273+T）]×24/t。

式中：VN2O、VNO分别为N2O、NO的产生速率，以氮计，μg/（kg·d）；VCO2为CO2的产生速率，以碳计，mg/（kg·d）；ρ1、ρ2、ρ3分别为标准状态下N2O-N、NO-N、CO2-C的密度，分别为1.25、0.625、0.536 kg/m3；C1、C2分别为N2O、NO的气体浓度，nmol/mol；C3为CO2的气体浓度，μmol/mol；Vg为培养瓶上部有效空间体积，m3；W为烘干土质量，kg；T为测定气体时的温度，℃；t为取气时间，h。

累积产生量为相邻2次气体产生速率的平均值与测定时间间隔乘积的累加值。

采用SPSS 13.0软件进行方差分析（ANOVA）；采用Duncans极差法进行差异显著性检验；采用Spearmans Rank法进行相关性分析。

2结果与分析

2.1无机氮含量的变化

由图1可见，使用葡萄糖可明显使土壤中无机氮含量发生变化；整个培养过程中，C0处理土壤硝态氮含量相对稳定，约为870 mg/kg，铵态氮含量变化也相对平缓，介于30.8～34.5 mg/kg；添加葡萄糖处理的土壤硝态氮含量迅速降低，下降速度随葡萄糖用量的不同而有较大差异；培养3 d，C1、C2、C3处理的土壤硝态氮含量均降至100 mg/kg以下，且随培养时间的延长，C1、C2处理的土壤硝态氮含量持续降低，培养 16 d 时分别仅为2.52、6.44 mg/kg，而C3处理培养5～10 d，土壤硝态氮含量低于10 mg/kg，培养16 d时又升至 56.0 mg/kg；添加葡萄糖培养初期，土壤铵态氮含量降低，培养1 d，3个处理的铵态氮含量为22.0～27.3 mg/kg；随培养时间的延长，C1处理土壤铵态氮含量持续升高，16 d时达到302 mg/kg，而C2、C3處理土壤铵态氮含量一直降低，至培养10 d时开始升高，培养16 d时分别达到33.9、62.5 mg/kg。

2.2对NO排放的影响

由图2可见，土壤NO的排放速率因葡萄糖添加量不同而有较大差异；培养1 d，与C0处理NO排放速率354 μg/（kg·d）相比，添加葡萄糖促进了NO的排放，NO排放速率达到456～506 μg/（kg·d）；随培养时间延长，4个处理的NO排放量降低，培养3 d时排放量为最低；随后，C0、C1处理的土壤NO排

放趋于平稳，而C2、C3处理NO排放增加，C2处理培养5 d时NO排放出现峰值，为527 μg/（kg·d），C3处理培养8 d时出现峰值，为1 271 μg/（kg·d）；继续培养，NO排放速率迅速降低，16 d时4个处理土壤NO的排放无明显差异。

由图3-a、表1可见，整个培养过程中，添加葡萄糖提高了设施蔬菜地土壤NO的累积产生量，C2、C3处理的土壤NO累积产生量分别为5.9、11.7 mg/kg，与C0处理的土壤NO累积产生量 3.8 mg/kg相比差异显著（P<0.05）；C1处理与对照差异不显著；相关分析表明，土壤NO累积产生量与葡萄糖施用量呈极显著的指数关系（P<0.001）。

2.3对N2O排放的影响

由图4可见，整个培养过程中，添加葡萄糖处理的土壤N2O排放速率明显高于对照；C0处理的土壤N2O排放速率峰值出现在培养1 d时，达到6.98 μg/（kg·d），之后逐渐减弱；添加葡萄糖处理的土壤N2O排放速率总体呈先升高后降低趋势，C1、C2培养5 d时达到最大值，分别为806、4 660 μg/（kg·d），而C3处理培养8 d时出现峰值，为 8 317 μg/（kg·d）；培养至16 d时，C3处理的土壤N2O排放速率仍高达1 707 μg/（kg·d），明显高于其他3个处理。由图3-b、表1可见，添加葡萄糖处理的土壤N2O累积产生量为3.3～62.4 mg/kg，显著高于对照处理的0.04 mg/kg；3个添加葡萄糖处理的土壤N2O累积产生量，其相互间也达到显著差异水平；相关分析表明，土壤N2O累积产生量与葡萄糖添加量呈显著的指数关系（P<0.05）。

2.4对CO2排放的影响

由图5可知，添加葡萄糖明显促进了土壤CO2的排放；整个培养过程中，C0处理的土壤CO2 排放速率介于0.029～0.066 mg/（kg·d）；培养3 d时，C1、C2、C3处理的土壤CO2排放速率出现峰值，分别达到55.3、39.8、15.0 mg/（kg·d），

之后迅速降低；培养5～16 d，变化相对平缓；培养16 d时，C1处理CO2排放速率为17.9 mg/（kg·d），仍明显高于C2、C3处理。由表1可见，整个培养过程中，CO2累积排放量以C1处理最高，为365.9 mg/（kg·d），显著高于C2、C3处理；C0处理CO2累积排放量相对最低，仅为0.7 mg/kg，与其他3个处理有显著性差异。

3结论与讨论

不添加葡萄糖的设施蔬菜地土壤培养16 d，其硝态氮含量相对稳定，而添加葡萄糖处理的土壤，其硝态氮含量由 870 mg/kg 降至10 mg/kg以下，这表明葡萄糖作为一种活性

表1培养16 d不同葡萄糖用量水平下土壤NO、N2O和CO2的

累积产生量

处理气体累计产生量（mg/kg）NON2OCO2C03.8c0.04d0.7cC14.0c3.3c365.9aC25.9b27.4b198.9bC311.7a62.4a145.3b注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

碳源，能够有效降低蔬菜地积累的硝态氮；分别添加含碳量0.5、1.0、1.5 g/kg活性碳源葡萄糖处理的土壤培养16 d时，硝态氮损失量分别为867、864、814 mg/kg，而整个培养过程中，以NO、N2O气体形式损失的氮量分别为7.35、33.3、74.1 mg/kg，远低于硝态氮的损失量，这表明氮氧化物气体NO、N2O并不是硝态氮消耗的主要途径。本试验没有直接测定加入葡萄糖后土壤微生物的生物氮和难溶性有机氮含量，但根据前人研究结论[7，13-14]可知，活性碳源的加入能显著刺激微生物对硝态氮的同化，活性碳源的亏缺可能是蔬菜地土壤微生物活性的限制因子。实际农业生产中，设施蔬菜地土壤中加入绿肥如紫云英、黑麦草等物料，能够提供微生物利用的活性碳源，这可能会提高微生物对硝态氮的同化作用而有效降低硝态氮含量。

添加葡萄糖处理的土壤培养16 d时，其铵态氮含量明显提高，而本试验葡萄糖的加入并没有带来外源氮，铵态氮的产生可能主要来自于土壤原有的有机氮矿化和硝态氮的异化还原。通过15N标记方法，加入0.5 g/kg（以碳计）葡萄糖和丰度为99.2%的NH415NO3于同一蔬菜地土壤，发现培养8 d时土壤铵态氮15N丰度升高至4.74%，这充分证明DNRA过程的发生。值得注意的是，培养16 d时，葡萄糖添加量较高的处理，其土壤铵态氮含量少于低浓度处理，这可能是由于高浓度葡萄糖处理时土壤的DNRA速率低于低浓度。Browning 等发现，碳源极丰富的培养基中，DNRA过程的关键功能基因nrf受到抑制[15]。因此，活性碳源葡萄糖施用量过大并不利于DNRA过程的发生。此外，试验表明，施用高于0.5 g/kg的葡萄糖可使土壤CO2的排放降低，高碳输入量很有可能导致土壤微生物“碳中毒”，而降低了微生物活性、抑制DNRA过程的发生。由于NO-3是DNRA过程发生的底物和影响因素[16]，控制活性碳源的施用量，将硝态氮转化为铵态氮，一方面可以减少蔬菜种植过程中氮肥施用量，另一方面可以减少氮素损失和环境污染[8]。

一般认为，土壤N2O、NO的排放主要来自硝化过程和反硝化过程[17-19]，其发生强度主要受限于土壤O2 [17，20]、矿质氮[21-22]和有机碳[6，9]等。整个培养过程中，不添加葡萄糖处理的土壤，其硝態氮含量比较稳定，约为870 mg/kg，N2O产生速率一直低于NO，培养16 d时N2O累积产生量为 0.04 mg/kg，远低于NO累积产生量3.8 mg/kg，这表明50%持水条件下，无碳源添加的蔬菜地土壤硝化过程主要是NO、N2O的产生过程[23]。添加葡萄糖提高了土壤NO、N2O的排放，葡萄糖加入量越大，NO、N2O的累积产生量越高，其产生量均与加入的葡萄糖量呈显著的指数关系，而 NO/N2O 比例呈下降趋势，这表明活性碳的加入刺激了土壤反硝化速率，反硝化变为NO、N2O的主要产生过程。这可能在于外源活性碳一方面刺激了土壤微生物活性，降低了土壤中O2供应，使土壤厌氧区域增大[20，24]，另一方面增加了土壤中活性有机碳含量，提供了更多的电子供体[25]，利于硝态氮的反硝化过程发生，从而提高了NO、N2O排放。由于NO、N2O在大气光化学过程中起着重要的作用[26-27]，且N2O是一种重要的温室气体[28]，因此，在有效降低设施蔬菜地土壤硝态氮的过程中，应重视NO、N2O的排放。值得注意的是，除NO、N2O气体外，反硝化过程产生的N2可能是活性碳有效降低土壤硝态氮含量的另外一个重要组分[19]，为准确评估硝态氮的去向，N2产生量也应引起注意。

由于本试验是在室内模拟条件下进行，且使用的是葡萄糖，大田原位条件下寻求一种合适的有机物料如绿肥，以降低蔬菜地积累的硝态氮及减少氮氧化物气体排放值得进一步研究。

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