三种碳添加土壤在不同水势下氧化亚氮、氮气和二氧化碳的排放

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原名: Emissions of nitrous oxide, dinitrogen and carbon dioxide from three soils amended with carbon substrates under varying soilmatric potentials

译名：三种碳添加土壤在不同水势下氧化亚氮、氮气和二氧化碳的排放

期刊：European Journal of Soil Science

2020影响因子：4.949

5年影响因子：3.526

在线发表时间：2021.05.01

第一作者：Yuan Li  [e-mail]

第一单位：新西兰林肯大学

文章亮点

1. 评估了不同土壤类型和C底物对CO₂和N2O排放的协同调节作用2. 相对土壤扩散系数可以同时解释N2O和CO2累积排放量3. 在所研究的三种草地土壤中，乙酸盐比葡萄糖更能促进N2O还原为N24. C底物对土壤N2O、N2和CO2排放的影响因土壤质地而异

1 研究背景

作为一种强破坏力温室气体，氧化亚氮(N2O)来源广泛，而人为活动N2O总排放量的6%来自农业领域。其主要产生途径是土壤中由微生物氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)主导的硝化和反硝化作用。具体来说，在好氧条件下，N2O是由AOB和AOA硝化作用产生的，最终通过亚硝酸盐(NO2^-)将氨转化为硝酸盐(NO3^-)；在缺氧条件下，AOB转变为“硝化反硝化”，通过NO2^-还原产生N2O；而在厌氧条件下，AOB也可以通过羟胺的厌氧氧化产生N2O。此外，硝化中间体(羟胺、一氧化氮(NO)和NO2^-)可能通过非生物或生物过程产生N2O。在厌氧条件下，反硝化作用还原NO3^-为对环境无害的氮气(N2)，此过程以N2O为专性中介物。因此，微生物产生N2O及其还原为N2都依赖于土壤的氧气(O2)状态，而土壤的O2状态受其供应和消耗的相互作用。

土壤孔隙由水或气填充，因此土壤O2的状态受含水量的强烈影响。长期以来土壤孔隙含水率(WFPS)被视为土壤反硝化潜力的衡量指标。然而，最近的研究认为用WFPS预测N2O的排放是不准确的，但N2O和土壤水分的关系可以很好的被土壤相对气体扩散系数(D_p/D_o)所概括，而且D_p/D_o已被越来越多被用来描述这一关系，其中D_p是气体在土壤中的扩散系数，D_o是同一气体在自由空气中的扩散系数，D_p/D_o也可以解释N2O:N2的变化。

反硝化微生物大多是需氧异养菌，厌氧条件下使用碳(C)源作为电子供体来还原氮氧化物。土壤C底物的数量和质量也会影响反硝化速率和N2O:N2比。随着反硝化微生物可利用C的增加，如果有足够的NO3^-底物和厌氧条件存在，反硝化速率也会增加。在草地土壤中，C底物的来源很广泛，包括土壤有机质的矿化、植物根系分泌物、肥料和泥浆的沉积。由于呼吸作用，土壤中活性C的增加可以增加O2的消耗，这可能会增强有利于反硝化作用和N2O产生的厌氧条件。

此前有研究表明，N2O还原为N2的效率依赖于C底物，并提出这种效应可能因土壤类型而异。但目前还没有研究表明，在受控条件下，添加碳底物可能增加土壤呼吸，从而改变土壤中的氧供应(土壤D_p/D_o)。因此，本研究的目的是改变C底物供应和土壤水势(ψ)，以改变O2供应(D_p/D_o)，进而改变O2消耗(增加呼吸)，并确定它们对N2O和N2产生的协同作用。对于特定的土壤，我们假设(1)当D_p/D_o不适合反硝化作用时，添加C底物可以增强土壤呼吸，从而增加反硝化作用；(2)无论C底物类型如何，增加土壤水势(降低D_p/D_o)可能会增加反硝化速率，但会降低N2O:(N2+N2O)的比值。(3)与葡萄糖相比，乙酸盐底物在所有土壤中均能促进N2O向N2的还原。

2 研究方案

本研究包含三个处理因素：3种不同质地、不同磷含量、不同硝态氮含量的土壤(AD、LD和LU)，3个水平的ψ(ψ=-3，-5和-7kPa)，同时每天添加3种C底物(乙酸盐，葡萄糖，水作为对照)，在实验进行的14天内，每天测定CO2和N2O的排放量。在实验的第3天和第14天进行15N测定N2O:(N2+N2O)比值。进而研究土壤N2O、N2、CO2的排放以及N2O:(N2+N2O)的比值与C底物类型、土壤相对气体扩散系数的关系。

3 研究结果

3.1.不同处理对土壤理化性质的影响

与对照相比，添加乙酸盐或葡萄糖后的土壤pH值均有所增加。土壤ψ对土壤pH值在第3天和第14天均无影响。同预期一样，在第3天和第14天，低ψ处理的土壤含水量都较低。在所有ψ处理中，LU和LD土壤的平均含水量均高于AD土壤。C底物的添加对土壤水分含量没有影响。D_p/D_o也不随C底物的变化而变化。第3天，AD和LU土壤中乙酸盐处理和葡萄糖处理的DOC浓度均高于对照，土壤NO3^--N浓度未受各处理影响。第14天，各土壤DOC在所有ψ下均高于对照。LU和LD土壤中NO3^--N浓度均比对照低一个数量级。土壤NH4⁺-N浓度在第3天和第14天随C底物的变化均无差异。ψ=-3kPa时，土壤NH4⁺-N浓度高于ψ=-7kPa时，但第14天AD土壤无此影响。

 3.2.N2O和N2的排放

在所有处理中N2O排放一般在3~5天达到峰值，只有AD土壤在-7kPa时是例外。添加葡萄糖处理的各土壤N2O的峰值普遍较高。前7天内，N2O排放的最大值出现在-3kPa下添加葡萄糖的LU土壤中。第8天，在对照处理的LU和LD土壤中N2O的排放高于乙酸盐和葡萄糖处理(Figure 1)。AD土壤在各ψ和C底物条件下，N2O的排放在第8天接近于0。14天后，添加葡萄糖的处理在各土壤ψ下N2O的累计排放量较高。在各C底物添加条件下，土壤ψ对N2O累计排放量无影响。第3天，在各ψ条件下，添加葡萄糖和乙酸盐的处理中N2的排放均高于对照处理，只有在AD土壤在-7kPa时未检测到N2(Figure 2)。与-7kPa相比，在-3kPa时N2的排放量较高。第14天时，在LU和LD土壤中，乙酸盐处理下N2的排放量高于葡萄糖处理。添加C底物相同时，在LD和LU土壤中ψ对N2的排放没有影响。葡萄糖处理的LU和LD土壤的N2排放量高于对照处理(Figure 2)。C底物类型在第3天对N2O:(N2O+N2)排放比有影响(Figure 3)，葡萄糖和对照的N2O:(N2O+N2)排放比较乙酸盐处理(0.81)高，分别为0.91和0.90。第14天，乙酸盐(0.10)和葡萄糖(0.07)处理的N2O:(N2O+N2)排放比对照低(0.86)。第14天，LU和LD土壤N2O:(N2O+N2)排放比最高，葡萄糖处理LU和LD土壤最低(Figure 3)。此时，AD土壤N2O:(N2O+N2)排放比例没有因葡萄糖或乙酸盐处理而发生变化。土壤ψ对N2O:(N2O+N2)排放比在第3天和第14天均无影响。

 
Figure 1 三个样地土壤，AD，LU和LD，三个水势(-3kpa，-5kpa，-7kpa)和三种C底物(葡萄糖、乙酸盐和水作对照)处理氧化亚氮在14天内的排放情况。值是四次重复的平均值(±标准偏差)，n=4。Figure 2 C底物添加以及水势处理对三种土壤在第3天和第14天N2排放的影响。值是四次重复的平均值(±标准偏差)，n=4。 3.3.土壤CO2的排放

根据非线性混合模型，CO2排放对葡萄糖或乙酸盐添加的响应能很好的用模型拟合(Figure 4)。例外情况是AD土壤在ψ为-3kpa时使用乙酸盐的处理，没有达到稳态。在-3kPa下，其它处理的稳态CO2排放量与底物处理没有差异。除葡萄糖处理的AD土壤和乙酸盐处理的LU土壤外，AD土壤在-5kPa的稳态CO2排放量最大，LU土壤在-5kPa的稳态CO2排放量最小，C底物对-5kPa稳态CO2排放的影响无显著性差异，其中-7kPa葡萄糖处理的AD土壤稳态CO2排放最高。在-3kPa处理下，C底物处理对CO2排放达到稳定状态的速率无显著影响，但葡萄糖处理的LU土壤的CO2排放达到稳定状态所需要的时间比添加乙酸盐的LU土壤时间更长(Table S5)。在-5kPa时，葡萄糖处理的AD土壤比乙酸盐处理的AD土壤需要更多的时间达到CO2排放的稳定状态。在-7kPa，C底物添加对CO2排放达到稳定状态所需的时间无显著影响。在AD或LU土壤中，土壤ψ对达到CO2排放稳定状态所需的时间无显著影响。葡萄糖和乙酸盐处理的LU土壤-7kpa的稳态CO2排放值高于-3kpa。对于所有土壤，无论土壤ψ处理如何，对照的累积CO2排放量均低于乙酸盐和葡萄糖处理。

Figure 3 C底物添加以及水势处理对三种土壤在第3天和第14天N2O:(N2+N2O)比的影响。值是四次重复的平均值(±标准偏差)，n=4。

Figure 4 三个样地土壤，AD，LU和LD，三个水势(-3kpa，-5kpa，-7kpa)和三种C底物(葡萄糖、乙酸盐和水作对照)处理二氧化碳在14天内的排放情况。值是四次重复的平均值(±标准偏差)，n=4。

 Figure 5 累积N2O-N排放量、累积CO2-C排放量与土壤相对气体扩散率之间的关系。值是四次重复的平均值(±标准偏差)，n=4。 3.4.CO2和N2O排放量与D_p/D_o的关系

累积N2O排放量随着Dp/Do的增加呈指数级下降，其中67%和65%的累积N2O变化可由葡萄糖和乙酸盐的添加所解释(Figure 5)。类似的，D_p/D_o与累积CO2排放量之间存在正线性关系，其中47%和21%的变化可由葡萄糖和乙酸盐的添加来解释。

4 研究结论

土壤微生物对C底物的响应取决于土壤相对气体扩散率和C底物类型。土壤相对气体扩散率影响反硝化作用和C底物的利用，后者也可以通过增加O2需求来产生反硝化厌氧条件。C底物也调节反硝化产物：与葡萄糖相比，最初的乙酸盐(第3天)产生了更低的N2O峰值排放和更低的N2O:(N2O+N2)比值。试验14天后，土壤氮素排放以N2为主，土壤有机质含量较高，质地较细(扩散系数较低)的土壤氮素排放量是葡萄糖的2倍。达到稳态CO2排放所需的时间和最大CO2排放速率与C底物和土壤相对气体扩散率有关，后者与土壤类型有关。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1111/ejss.13124

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