PDF《封克土壤 pH 对硝酸根还原过程中 N2 O 产生的影响*》

* 联邦德国教研部( B MBF) 项目( CHN 00/089) 资助 作者简介: 封克(1955~ ) ,

1995 年获联邦德国 Justus -Liebig 大学博士学位, 现任扬州大学 教授, 南京农业大 学博士生导师, 中国土壤学 会理事.

主要从事氮素植物营养与环境方面的研究.E -mail:fengke55@ yahoo. com 收稿日期: 2002- 12- 09;

收到修改稿日期: 2003- 01-

08 土壤 pH 对硝酸根还原过程中 N2O 产生的影响* 封克王子波 王小治 张素玲 汪晓丽 ( 扬州大学环境科学与工程学院, 江苏扬州 225009) 摘要采用氢氧化钠和盐酸将中性和碱性土壤分别分步调节成具有不同 pH 的系列土壤, 加入等量 硝态氮后, 在添加易有效碳源葡萄糖和不添加葡萄糖的厌气条件下进行培养, 测定不同处理条件下的 N2O 和N2 产生速率.结果表明, 不加碳源培养

24 h 后, 原中性土壤系列中N2O 的最大产生速率位于 pH

5125 左右, 碱 性土壤系列的该值位于

5190 左右;

加入葡萄糖后, 中性土壤系列中最大 N2O 产生速率的 pH 值不变, 但产生 N2 最大速率的 pH 已提高至

6 1 50.而碱性土壤系列中 N2O 产生最大速率时的 pH 值已移至

6190 处, 即碳源的 加入对产生 N2O 所需的最佳 pH 有所提高.试验还显示, 酸性条件可提高总还原气体中 N2O 所占的比例, 但就N2O 产生速率的绝对值来说, 近中性条件仍然是最为有利的. 关键词 氧化亚氮;

pH 变化;

反硝化;

土壤 中图分类号 O623

1 732, S15314 文献标识码 A 氧化亚氮( N2O) 同二氧化碳、 甲烷一样同属温 室气体, 尽管其绝对量比二氧化碳低得多, 但其单位 分子的增温潜能却是二氧化碳的

250 倍[ 1] .此外, 它还可导致大气平流层中臭氧层的破坏[ 2] .已有的 研究表明, 在由人类活动所造成的 N2O 浓度增加 中, 农业生产占有 70% 以上的份额[ 3] , 且其中大部 分是从土壤中产生并散发出来的[ 4, 5] .土壤中N2O 的产生和散发受多种因素的影响, 其中土壤 pH 是 最主要也是最复杂的因素之一, 它直接影响着参与 土壤中氮转化过程的微生物种群以及不同反应阶段 的酶活性.在农业土壤中, 大范围或微域内的 pH 变化是很经常的, 如酸性土壤施用石灰、 尿素水解等 均会提高土壤 pH, 而长期大量施用铵态氮肥和生理 酸性肥料、 酸雨等则会导致土壤 pH 的降低. 有关 pH 变化影响土壤中反硝化过程以及影响 此过程中N2O 产生的研究已有不少报道, 但结果颇 不一致.如Weier 和Gilliam 认为[ 6] , 产生 N2O 最大 值时的 pH [ 518, 而Stevens 等在研究反硝化过程中 发现[ 7] ,N2O 的最大产生速率出现在 pH615, 而最小 产生速率分别位于 pH

610 和pH

810 左右.这些报 道之所以不一致, 其主要原因可能在于他们采用了 不同的实验土壤, 而未考虑不同土壤在原始理化性 质特别是微生物种群等方面的差异.本文作者认 为, 要明确 pH 变化与 N2O 产生之间的关系, 必须尽 量排除所研究内容以外的其它因素的影响, 即应采 用同一土壤, 在通过分步改变其 pH 后, 观察 pH 变 化与 N2O 产生两者间的联系, 这样才能更科学地揭 示出它们的内在联系.基于这种设想, 我们选用了 两种原始 pH 不同的土壤, 进行了本文的研究.

1 材料与方法 采用一种近中性( pH 6150) 和一种碱性旱地土壤 ( pH 7175) , 将采集后的土壤在 5~

10 e 的条件下轻微 风干并过

5 mm 筛, 在小于

5 e 的条件下储藏备用. 中性土壤含全N

018 mg kg-

1 , 有机质1316 mg kg-

1 , 粘粒70 g kg -

1 ,粉粒360 g kg -

1 , 砂粒

570 g kg -

1 , 最大持 水量(WHC)283 g kg-

1 ;

碱性土壤含全N

110 mg kg-

1 ,有 机质1512 mg kg-

1 , 粘粒

210 g kg-

1 , 粉粒

670 g kg-

1 , 砂粒

120 g kg -

1 , 最大持水量

525 g kg -

1 . 首先大致确定土壤 pH 变化与酸碱加入量之间 的关系.分别将不等量的

1 mol L -

1 HCl 和1 mol L -

1 NaOH 加入一系列等量土壤样品中, 并用去离子水将 所有土壤样品水分含量均调至为最大持水量的 65% . 第41 卷第1 期土壤学报Vol1 41, No

1 1

2004 年1月ACTA PEDOLOGICA SINICA Jan. ,

2004 将处理后的土壤置于

25 e 下恒温培养.10 d 后, 土壤 pH 值趋于稳定.对所有土壤样品的 pH 值加以测定 后, 得到酸碱加入量与培养后土壤 pH 之间的关系 曲线, 并据此算出要获得一定 pH 值的土壤样品时 所应加入的酸碱量. 然后进行土壤的预培养.按上述同样的培养方 法, 在250 ml 的磨口三角瓶中加入相当于30 g 烘干土 的新鲜潮湿土样( 碱性土壤

35 13 g, 中性土壤3212 g) . 根据前述培养试验所得到的酸碱加入量与土壤 pH 之间的关系, 分别滴入酸或碱, 将土壤调节成具有预 期pH 为

415、

515、

615、

715 的系列样品.每个 pH 处 理设

12 个重复.用粘性塑料薄膜封住三角瓶口, 并 在每个薄膜上打8 个直径为

015 mm 的针孔, 使瓶内 气体可与外界大气进行交换, 同时阻止水分的过度 蒸发以保持瓶内水分相对恒定.样品在

25 e 恒温 条件下培养

10 d, 此间每

2 d 称重一次并补充损失 的水分.10 d 后土壤 pH 稳定时, 碱性土壤系列样 品的实际 pH 值分别是

5103、

5190、

6192、 7175;

中性 土壤系列的 pH 值分别是

4157、

5125、

6150、 7144. 考虑到许多微生物都需要有机碳作为能源, 因 此在每个 pH 处理中再分设添加葡萄糖的处理, 以 观察易有效碳源的加入对 N2O 产生和进一步还原 成N2 的影响.由于在测定N2O 时需使用N2 作为载 气, 因此本试验中根据乙炔可阻止 N2O 进一步还原 成N2 的原理, 采用通入与不通入乙炔的方法来推算 可被还原成 N2 的量.因此, 对每种土壤每个不同 pH 的12 个重复而言, 又分设以下

4 个处理: 处理 ? 土壤+ KNO3;

处理? 土壤+ KNO3+ 乙炔;

处理? 土壤+ KNO3 + 葡萄糖;

处理 ? 土壤+ KNO3+ 葡萄糖+ 乙炔.即每个处理具有

3 个 重复.对于处理 ?、 ?, 按照NO-

3 -N

40 mg kg-

1 加入 KNO3 溶液, 对于?、 ?处理, 则在此基础上再按照 C

300 mg kg -

1 的量加入 C6H12O6 溶液, 其后补加蒸馏 水调节土壤含水量至 65% WHC.将三角瓶用特殊 具孔玻璃瓶塞( 玻璃塞中间的孔用橡胶垫封闭, 可将 针穿透橡胶垫进行加入和抽取气体的操作) 盖上, 并 事先在瓶塞周围涂抹润滑油密封以防漏气.随之将 三角瓶内原有空气抽去并充入 N2 以造成厌氧环境. 所有三角瓶置于

25 e 、

120 r min -

1 的恒温振荡机上 晃动培养, 以便产生的 N2O 更易扩散.24 h 后, 将 处理 ?和处理 ? 瓶内的空气抽去再充入新的 N2. 充入N2 后立即用防漏气带阀门的针管从三角瓶中 各抽取2 ml 气样分析N2O( t0) .60 min 时再从以上 各瓶中抽取

2 ml 气样分析 N2O( t60) .对于处理 ? 和处理?, 处理方法与处理?和处理?相似, 只是在 抽去空气并充入N2 后, 再用注射器从三角瓶内抽出

30 ml N2 气, 另加入30 ml 的乙炔气体.培养24 h 后 更换 N2 气, 同样补加乙炔气体, 并立即抽取

2 ml 气 样作为 t0 值, 并于60 min 时再从各瓶内抽取2 ml 气 样分析N2O 作为 t60.将t60值减去 t0 值即代表此阶 段该处理每小时释放 N2O 或N2O+ N2 的速率, 以N2O -N mg kg-

1 h-

1 表示.抽气后立即测定土壤的 pH, 无机氮( NH4 + , NO3 - -N) 和易有效碳( Corg) .之 所以确定加 NO-

3 培养

24 h 后进行测定, 是因为在 预备实验中发现, 培养一天左右是 N2O 产生的高峰 期. 土壤pH 测定采用0101 mol L-

1 CaCl2( W土BW水= 1B2 15)提取、 玻璃电极测定法;

土壤无机氮( NH +

4 , NO3 - ) 和易有效碳( Corg) 采用

0101 mol L-

1 CaCl2 提取、 流动注射自动分析仪测定法;

所抽取气样中的 N2O、 O2 用气相色谱仪分析( Gs perkin Elmer Autosys - tem XL, ARNE4) , 其测定条件为: 前置柱和分离柱分 别为

1 m 和3m的填空柱( Porapak Q column) , 用N2 作为载气, 流速为

30 ml min-

1 , 柱温

50 e , 进样温度

50 e , N2O 用ECD (

350 e ) 进行分析, O2 用FID (

230 e ) 进行分析( 监测 O2 含量主要是为了确证整 个培养过程处于厌氧条件) , 气相色谱仪自动进行转 换测定, 并同时给出N2O、 O2 的浓度值.

2 结果211 无碳源情况下 N2O 的产生与 pH 的关系

21111 无碳源情况下N2O 的产生与pH 的关系 表1显示, 不加乙炔时, pH

7175 的原始土壤中N2O 释 放速率最小, 仅为N

0103 mg kg-

1 h-

1 .当pH 调低 后,N2O 的释放速率明显增加, 至pH 5190........