厌氧条件下初始NO3-含量对土壤反硝化气体(N2、N2O和NO)和CO2排放的影响

摘要

自工业革命以来,为了满足人类对食物和能源的需求,化肥的生产和石化燃料的燃烧大大增加了大气中反应性氮Nr(Nr是除N2以外所有氮素形态的总称)的量。反应性氮Nr的过量增加导致了一系列的全球环境问题,而反硝化过程的最后一步可以将这些反应性氮再以大气稳定性氮气(N2)的形式返回大气圈,它起着闭合全球氮循环的作用。另外,反硝化作用还会引起土壤氮肥损失,并且是大气氧化亚氮(N2O)的重要排放源。因此,对反硝化的研究不论从环境角度,还是从农业角度看,都具有非常重要的现实意义。
　　 氦环境培养-气体同步直接测定系统是一种相对较新的研究土壤反硝化作用的方法,该方法是基于用高纯氦(He)或He-氧气(O2)混合气体(O2可设定为≤20％(自由大气浓度))置换去除土壤孔隙和密闭培养容器气室中高N2含量的空气,从而实现对土壤排放的N2的直接测定。该方法在测定N2的同时,还可同步测定N2O、一氧化氮(NO)和二氧化碳(CO2)等。本研究以华北地区广泛分布的盐碱地农田土壤(采自山西运城)为研究对象,采用氦环境培养-气体同步直接测定系统开展实验室培养试验,在初始水溶性有机碳(DOC)供应比较充足(～300 mg c kg-1干土(d.s.))的条件下,测试了不同初始土壤硝态氮含量水平(10、50、100和250 mg N kg-1 d.s.左右,分别表示为10N、50N、100N和250N)下的反硝化气体(N2、N2O和NO)和CO2排放速率动态,并用常规方法测定了相关的土壤要素(包括土壤铵态氮(NH4+)、硝态氮(NO3-)、微生物碳(SMBC)、微生物氮(SMBN)和含水量等)。主要目的是检验该系统测定土壤反硝化速率和反硝化产物比的准确性和可靠性,以及探讨初始NO3-含量对土壤反硝化作用的影响。
　　 本文主要结论如下:
　　 1.土壤初始N03-含量显著影响反硝化速率、氮素气体和CO2排放动态和累积量及反硝化产物摩尔比.当底物NO3-含量较低时,反硝化速率随底物NO3-含量的增加而增大,当底物增加到一定程度后,反硝化速率随底物NO3-含量的增加而减小;尽管土壤初始NO3-含量不同,但各处理NO和N2O排放速率均在同一时间达到峰值,N2排放速率峰值滞后于N2O和NO,且滞后程度随初始NO3-含量的增加而增大;CO2排放动态1ON和100N两处理呈现双峰型,而50N和250N两处理呈现单峰型;除NO外,其他三种气体(N2O、N2和CO2)累积排放量均随土壤初始NO3-含量的增加而增加;反硝化产物NO/N2O摩尔比除25ON因过量的初始NO3-含量抑制N2O向N2的转化从而导致其比值较小(0.26)外,其他处理均在1以上(分别为1.09、1.58和1.36),N2O/N2摩尔比与土壤初始NO3-含量呈弱正相关关系,变化范围在0.20-0.65之间.
　　 2.在完全厌氧且土壤初始DOC含量补充为300 mg C kg-14d.s.的条件下,华北地区盐碱地农田土壤不同初始NO3-啥量处理排放的反硝化氮素气体均以N2为主,占氮素气体排放总量的51～77％;其次为N2O,占氮素气体排放总量的15-37％;最小的是NO,占氮素气体排放总量的5～22％.
　　 3.土壤反硝化气体动态排放速率及相关指标的测定结果表明,从培养土壤中消失的硝态氮被回收77～89％,培养前后的氮平衡率迭92～103％,基本实现了培养前后的氮素质量平衡.
　　 4.完全厌氧条件下,反硝化阶段土壤排放的氮素气体(N2+N2O+NO)累积量和CO2累积量呈极显著的线性正相关关系(R2=0.995,p＜0.001).
　　 5.通过以下三点:(1)整个培养过程中的土壤反硝化氮素气体和CO2排放速率动态可较好地验证反硝化过程基本理论;(2)反硝化氮素气体测定结果能够较好地回收从培养土壤中消失的硝态氮;(3)测定数据基本实现了培养前后的氮素质量平衡,可以说明该氦环境培养-气体同步直接测定系统能够较准确地测定土壤反硝化气体排放速率及其产物比。