生物质炭作为一种富碳产物,因具有良好的多级孔隙结构和功能特性,被用作土壤改良剂,不仅能够提高土壤肥力、修复土壤污染,还可以增加原位土壤固碳、减缓温室气体氧化亚氮(N2O)排放,缓解气候变化[1]。农田土壤作为N2O排放的重要来源,已成为全球关注和研究的热点[2]。我国作为粮食生产大国,截至2020年,粮食播种面积已达11.7亿公顷,其中水稻和小麦总播种面积占45.8%[3]。稻麦轮作制度是我国东南部典型的种植制度之一,占我国粮食生产面积的8.2%,是我国温室气体排放的重要来源,其中稻田占全球N2O排放的11%[4-5]。研究表明生物质炭减少农田N2O排放的主要机制有直接吸附、提高土壤pH、提高N2O还原酶nosZ基因的表达及促进电子传递等[6-9]。但大多数研究仅集中于生物质炭短期一次性大量施用[10],关于生物质炭长期效应的研究较少[11]。
生物质炭施用到土壤后受周围环境影响逐渐老化,导致其物理性质(比表面积、孔隙度和孔径)和化学性质(pH和表面官能团)发生变化[12],进而影响土壤N2O排放。研究发现温和老化生物质炭比表面积增大,微孔结构增多[13],会增加对N2O的直接吸附。田间自然老化或利用化学条件老化产生的生物质炭pH会显著降低[14],则可能会削弱其对N2O排放的抑制效果。Duan等[15]大田试验观测到2年老化生物质炭仍具有显著降低黑钙土N2O排放的能力,主要与生物质炭改善土壤曝气、提高土壤pH有关。Wu等田间试验研究[5,16-17]也表明,3年和6年老化生物质炭均能够降低稻麦轮作体系温室气体排放,且3年老化生物质炭显著增加稻季土壤AOA(氨氧化古菌)和AOB(氨氧化细菌)丰度。但Spokas[18]和Duan等[19]室内培养试验研究发现,3年老化生物质炭丧失了最初对土壤N2O排放的抑制能力,5年老化生物质炭则会促进酸、碱性土壤N2O的排放。由此可见,不同试验条件下老化生物质炭对土壤N2O排放的影响结果并不一致,作用机理也存在争议,需要在田间定位试验中探究其作用机理。
因此,本研究选择稻麦轮作系统开展田间定位试验,设置仅施氮肥、氮肥配施新鲜生物质炭、2年老化生物质炭和5年老化生物质炭处理,通过动态监测稻麦轮作周期内N2O气体排放、测定土壤理化和氮循环相关功能基因丰度,综合评估生物质炭对N2O缓解的长期效应及其微生物机制,以期为农业土壤施用生物质炭减排N2O的措施提供科学的理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况田间定位试验于江苏省南京市江宁区秣陵镇(31°48′N,118°50′E)开展,试验区为典型稻-麦轮作系统,属亚热带季风气候区,年均温与年均降雨量分别为15.4℃和1 050 mm。试验观测期内日降雨和日均温如图 1所示。
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图 1 2017—2018年水稻-小麦轮作周期内日降雨量和气温的动态变化 Fig. 1 Daily precipitation and temperature during the rice and wheat annual rotation cycle in 2017-2018 |
试验地土壤类型为水稻土,质地为黏壤土,pH6.4、有机碳15.2 g·kg–1、全氮1.4 g·kg–1、全磷0.3 g·kg–1、全钾13.2 g·kg–1、容重1.2 g·cm–3。试验供试生物质炭为400℃限氧条件下热解获得的小麦秸秆生物质炭,基本性质:pH 9.2、全碳462.4 g·kg–1、全氮7.2 g·kg–1、阳离子交换量(CEC)24.3 cmol·kg–1、比表面积9 m2·g–1、灰分21.4%。
1.2 试验设计与管理田间定位试验采用随机区组设计,共设5个处理,每个处理3次重复,共15个小区,分别为CK(不施氮肥和生物质炭)、N(氮肥)、NB0y(氮肥+新鲜生物质炭,2017年6月施入)、NB2y(氮肥+2年老化生物质炭,2015年6月施入)和NB5y(氮肥+5年老化生物质炭,2012年6月施入)。每个小区面积为20 m2(5 m × 4 m),各小区之间设有20 cm宽、40 cm深的水泥隔板和独立的灌水排水系统。
稻麦轮作田间管理措施与当地常规管理一致,水稻季和小麦季施肥分为基肥和追肥,其中尿素(以N计)250 kg·hm–2,以4:3:3(基肥:追肥:追肥)的比例施入,钙镁磷肥(以P2O5计)60 kg·hm–2和氯化钾(以K2O计)120 kg·hm–2均作为基肥一次性施入。具体施肥日期见Wu等[5]研究。生物质炭分别于2012年、2015年和2017年6月水稻移栽前一次性翻耕施入40 t·hm–2,后续不再施用。
1.3 气体样品采集与测定试验观测期(2017年6月17日至2018年5月22日)采用静态暗箱法采集气体样品,同时测定采样箱内温度,施肥后和水稻烤田期每周观测4~5次,其余时间每周至少观测1次。采样箱规格为43 cm × 43 cm × 50 cm(作物生长前期)或43 cm × 43 cm × 110 cm(作物生长后期),采样时间(特殊情况除外)集中于上午8:00~11:00,于采样箱密封后0、10、20、30 min用20 mL针筒采集气体样品,返回实验室后立即用气相色谱仪(Agilent 7890A,Agilent Ltd,Shanghai,China)测定。按照吴震等[17]提供的方法计算N2O排放通量及其累积排放量。
1.4 土壤样品采集与测定2017年10月水稻和2018年5月小麦收获后,各小区均按照五点取样法采集0~20 cm耕层土壤。采集的土壤样品一式两份:一份存放于4℃用于土壤理化分析;一份过2 mm筛,存放于–80℃用于土壤DNA提取。土壤pH按水:土比5:1浸提,Mettler-Toledo pH计(FE28,上海)测定。土壤充水孔隙度(WFPS)经烘干法测定土壤质量含水后转换而得,土壤铵态氮(
称取0.5 g土壤样品用Fast DNA SPIN Kit试剂盒(MP Biomedicals,Eschwege,Germany)提取DNA,采用SYBR Premix Ex Taq TM试剂盒分别对土壤微生物功能基因amoA-AOA、amoA-AOB、nirS、nirK和nosZ进行定量分析。并将上述已知拷贝数的目的基因质粒DNA进行连续10倍梯度稀释后,在PCR扩增仪iCycler iQ5(Bio-Rad,美国)上进行荧光定量,得到标准曲线(三次平行)。各基因定量PCR分析引物和反应条件见表 1所示。
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表 1 荧光实时定量PCR扩增引物和反应条件 Table 1 The amplification primer and reaction condition of quantitative PCR |
采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0(IBM Co,Armonk,NY,USA)对数据进行统计分析;采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Turkey比较法对各指标进行差异显著性分析(P < 0.05);并利用Origin 2018(Origin Lab,USA)进行绘图。
2 结果 2.1 生物质炭对土壤理化性质的影响如图 2所示,各处理对土壤理化性质的影响趋势稻麦两季基本一致。与CK处理相比,N处理显著提高稻麦两季土壤TN、
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注:无相同字母表示同一作物生长季内差异显著(P < 0.05)。 Note: Different letters meant significant differences at 0.05 level within each crop season. 图 2 不同处理对2017—2018年稻麦轮作周期内土壤理化性质的影响 Fig. 2 Variation in soil physicochemical properties under different treatments during rice-wheat rotation cycle in 2017-2018 |
与N处理相比,生物质炭处理显著提高麦季土壤pH 0.53~1.17个单位,且均表现为NB0y > NB2y > NB5y,并显著改善土壤充水孔隙度(WFPS)。生物质炭处理较N处理相比,显著提高土壤SOC含量21.4%~35.4%、TN含量9.7%~30.5%、
由图 3可知,水稻季土壤N2O排放通量仅在烤田期出现峰值,且变化范围为N 36.36~205.2 μg·m–2·h–1。小麦季则在基肥和第二次追肥后出现两次峰值,其变化范围分别为N 21.58~735.8 μg·m–2·h–1和23.61~343.4 μg·m–2·h–1。与N处理相比,生物质炭处理可降低稻麦整个周期内N2O排放通量,且降低趋势为NB0y > NB2y > NB5y。
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注:F0:基肥Basal fertilization;F1:第1次追肥First top-dressing;F2:第2次追肥Second top-dressing;不同字母表示同一作物生长季内差异显著(P < 0.05)。 Different letters meant significant differences at 0.05 level within each crop season. 图 3 不同处理2017—2018年稻麦轮作周期内N2O通量动态和季节性累积排放量 Fig. 3 Flux dynamics and seasonal cumulative emissions of N2O under different treatments during rice-wheat rotation cycle in 2017-2018 |
土壤N2O累积排放量表现为N处理最高,生物质炭处理随老化年限增加,N2O累积排放量增加,且表现为麦季 > 稻季。与N处理相比,NB0y、NB2y和NB5y处理均显著降低N2O累积排放量,稻季分别显著降低54.0%、39.4%和35.5%,麦季分别显著降低44.6%、34.5%和32.4%。综上所述,老化生物质炭仍可在一定程度上降低土壤N2O累积排放量,但随着老化年限增加其减排能力有降低趋势。
2.3 生物质炭对N2O排放相关功能基因丰度的影响由图 4可知,与CK相比,各处理均显著提高稻麦两季amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ基因丰度,而nirS基因丰度仅在麦季显著增加。与N处理相比,NB0y处理显著降低稻季amoA-AOB基因丰度31.9%,与amoA-AOA基因丰度无显著差异;相反,NB5y处理显著提高amoA-AOA基因丰度39.1%,与amoA-AOB基因丰度无显著差异。生物质炭处理显著提高麦季amoA-AOA基因丰度79.2%~136.2%,而对amoA-AOB影响各异。与N处理相比,生物质炭处理对稻季AOA/AOB比值影响无显著差异,麦季则显著增加。
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注:不同字母表示同一作物生长季内差异显著(P < 0.05)。 Different letters meant significant differences at 0.05 level within each crop season. 图 4 2017—2018稻麦轮作周期内不同处理N2O排放相关功能基因丰度的变化 Fig. 4 Abundance of functional genes related to N2O emissions under different treatments during rice-wheat rotation cycle in 2017-2018 |
与N处理相比,生物质炭处理降低稻季nirS基因丰度6.0%~72.0%,增加nirK和nosZ基因丰度47.9%~110.5%和33.7%~249.4%,且nirK基因增幅表现为NB5y > NB2y > NB0y,nosZ则相反。麦季生物质炭处理较N处理分别增加nirS、nirK和nosZ基因丰度–16.18%~80.58%、12.2%~138.1%和54.88%~206.7%,且nirK和nosZ基因丰度增长趋势与稻季一致。与N处理相比,生物质炭处理均能降低稻麦两季(nirS+nirK)/nosZ比值,但随着生物质炭老化年限的增加逐渐增加。
2.4 N2O排放及相关功能基因与土壤理化性质的相关关系由表 2可知,稻季N2O累积排放量与土壤pH呈显著负相关(P < 0.05),与
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表 2 稻季土壤N2O累积排放与氨氧化古菌基因、氨氧化细菌基因、亚硝酸盐还原酶基因、N2O还原酶基因及土壤理化性质之间的相关关系 Table 2 Correlation coefficients of soil physicochemical properties and cumulative N2O emission, the abundance of ammonia-oxidizing archaea(amoA-AOA), ammonia-oxidizing bacteria gene(amoA-AOB), abundance of nitrite reductase(nirS, nirK)gene, N2O reductase(nosZ)gene during the rice-growing season |
由表 3可知,同稻季结果一致,麦季N2O累积排放量与土壤pH值呈显著负相关,与
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表 3 麦季土壤N2O累积排放与氨氧化古菌基因、氨氧化细菌基因、亚硝酸盐还原酶基因、N2O还原酶基因及土壤理化性质之间的相关关系 Table 3 Correlation coefficients of soil physicochemical properties and cumulative N2O emission, the abundance of ammonia-oxidizing archaea(amoA-AOA), ammonia-oxidizing bacteria gene(amoA-AOB), abundance of nitrite reductase(nirS, nirK)gene, N2O reductase(nosZ)gene during the wheat-growing season |
本研究结果表明,稻季N2O排放峰主要在烤田期,而麦季则主要在施肥后,且各处理麦季N2O累积排放量均显著高于稻季,同Liu等[4]和Wu等[5]研究结果一致。由于稻田长期处于淹水状态,导致土壤通气性差,氧浓度低,反硝化作用进行完全,进而减少了N2O的排放[26-27]。
与N处理相比,无论是稻季还是麦季,生物质炭处理均显著降低N2O排放,且减排效果表现为NB0y > NB2y > NB5y(图 3),表明老化生物质炭对土壤N2O排放的抑制作用降低。Liu等[28]研究表明生物质炭对N2O排放的影响受生物质炭施用年限的影响,与新鲜生物质炭相比,田间老化两年后减排N2O能力显著降低。老化生物质炭自身表面特性变化也与N2O排放密切相关。本研究发现不同时间老化生物质炭表面结构破坏严重,H和O含量增加,灰分含量降低(数据未发表)。Spokas[18]室内分析指出田间老化生物质炭孔隙结构被堵塞、表面附着的硝化反硝化抑制剂被分解,可能导致其对N2O的吸附和抑制能力下降。另有研究发现生物质炭在田间老化后,表面有明显覆盖层,可吸附大量细颗粒,增加硅、氧、铝等元素,降低碳含量,去除矿物覆盖层后与新鲜生物炭具有相似减排N2O能力[29]。老化生物质炭减排N2O能力下降,还可能与土壤pH有关。土壤pH是调节土壤N2O排放的重要因素,N2O累积排放与土壤pH呈显著负相关(表 2、表 3)。与N处理相比,生物质炭处理增加土壤pH,但增幅随老化年限的增加而降低。研究指出,新鲜生物质炭表面有机酸在微生物作用下被分解,导致土壤pH增加[30],促进电子向反硝化微生物转移,有效降低N2O的排放[31]。随着生物质炭在田间自然老化,表面灰分降解,氧化和酸化作用使得生物质炭表面酸性含氧官能团羧基(-COOH)和羟基(-OH)等增加,导致土壤pH下降,可能会刺激N2O排放[29,32]。
土壤无机氮含量的变化可能导致老化生物质炭减排N2O能力下降。稻麦季土壤N2O累积排放均与土壤
生物质炭通过影响氮循环功能基因丰度影响土壤N2O排放。与N处理相比,NB0y处理显著降低amoA-AOB基因丰度,BN2y和NB5y则有不同程度的增加;生物质炭处理显著增加amoA-AOA丰度,增长趋势为NB5y > NB2y > NB0y。已有研究表明,中碱性土壤中硝化作用主要由AOB而不是AOA主导[36]。因此,新鲜生物质炭显著降低N2O排放可能主要与amoA-AOB丰度降低有关。随着生物质炭老化,amoA-AOB丰度显著增加。徐刚等[37]认为生物质炭主要是通过吸附作用降低抑制AOB活性的酚类化合物,促进硝化作用N2O排放。Liu等[38]则认为生物质炭能够促进铵(
与N处理相比,随生物质炭老化,土壤nirK和nirS基因丰度逐渐增加(图 4)。通常认为nirK和nirS基因是反硝化过程中N2O排放的主要贡献者。nirK基因与SOC呈显著正相关(表 2、3),已有研究表明富含有机分子的秸秆生物质炭会刺激nirK基因增加[39],且老化生物质炭会进一步提高nirK基因丰度[19]。与N处理相比,生物质炭处理增加了稻麦季土壤nosZ基因丰度,且增幅表现为NB0y > NB2y > NB5y。Sun等[40]研究也发现生物质炭能够增加反硝化过程中nosZ基因丰度,从而降低N2O排放。nosZ基因丰度与稻季土壤pH呈显著正相关(表 2)。Obia等[8]指出生物质炭诱导土壤pH增加,会导致土壤中编码N2O还原酶nosZ基因丰度增加,使反硝化产物N2/N2O的化学计量比增加,从而减少N2O的排放。在田间自然条件下,老化生物质炭pH显著降低,对nosZ基因丰度影响减弱[12],导致其减排N2O能力下降。(nirS+nirK)/nosZ作为N2O排放重要的指示指标,随着生物质炭老化年限的增加,(nirS+nirK)/nosZ逐渐增加(图 4),表明老化生物质减排N2O的能力下降。
4 结论在稻-麦轮作周期内,新、老生物质炭均能显著改善土壤理化特性,降低土壤N2O的排放;随着生物质炭老化年限的增加,土壤硝态氮含量及(nirS+nirK)/nosZ比值逐渐增加,从而导致生物质炭对土壤N2O减排能力逐渐降低。本研究利用田间定位试验在2年和5年的时间尺度上分析了老化生物质炭对稻麦轮作体系土壤N2O排放的作用机理,尚需从更长时间尺度探究自然老化生物质炭对N2O排放的长期效应。
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