外源碳添加对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响

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摘要：摘 要：为探寻有效调控烤烟生长后期植烟土壤氮素水平的措施，采用室内培养的试验方法，研究了葡萄糖、木屑及二者混合物对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响。试验设5个添加等量碳(纯碳3000 mg/kg)处理及1个对照：G1S0，葡萄糖：木屑=1：0 (以纯碳计，下同);G2

　　摘 要：为探寻有效调控烤烟生长后期植烟土壤氮素水平的措施，采用室内培养的试验方法，研究了葡萄糖、木屑及二者混合物对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响。试验设5个添加等量碳(纯碳3000 mg/kg)处理及1个对照：G1S0，葡萄糖：木屑=1：0 (以纯碳计，下同);G2S1，葡萄糖：木屑=2：1;G1S1，葡萄糖：木屑=1：1;G1S2，葡萄糖：木屑=1：2;G0S1，葡萄糖：木屑=0：1;CK，不添加外源碳。結果表明，在培养1 d后，与对照处理相比，G1S0、G2S1、G1S1、G1S2处理的无机氮含量分别降低了51.71、61.78、62.33、62.46 mg/kg，而G0S1处理的无机氮含量却增加了4.12 mg/kg;G1S0，G2S1，G1S1，G1S2和G0S1处理的无机氮含量分别在培养7，14，14，14和28 d后达到最小值后呈不断增大的趋势。在培养结束时，与对照处理相比，添加碳源处理的无机氮降低量为96.80～148.10 mg/kg;除G0S1外，添加碳源处理较CK处理显著增加了CO2和N2O累积排放量(p<0.05)。可见，添加葡萄糖、木屑及其混合物能够显著降低土壤中无机氮含量(p<0.05);葡萄糖与木屑混施较单施木屑可以加快微生物对氮素的固持并增强固持强度，较单施葡萄糖能够延长微生物对氮素的固持时间;添加外源碳增强了土壤微生物活性，同时也刺激了N2O排放。综合来看，葡萄糖和木屑混施降低无机氮含量的效果最好。因此，添加外源碳可作为一种调控植烟土壤氮素水平的措施。

　　关键词：外源碳;植烟土壤;氮素转化;N2O

　　烟草是我国的重要经济作物，然而与先进烤烟生产国如津巴布韦和美国相比较，我国烟叶的内外在品质仍存在差距，表现在整体香气量不足，上部烟叶烟碱含量较高和叶片过厚等方面[1]。

　　氮素是烤烟生产中最重要的营养元素[2]，氮素不足或过量都会对烟叶的产量和品质产生不利影响。国外优质烤烟生产中的氮素管理是确保在烟株快速生长期间有足够的氮素供应，而在烟株开花打顶后土壤中的氮素储备快速耗尽[3-4]。李春俭等[1]研究表明，我国部分植烟区的烤烟在打顶后仍大量吸收氮素，与国外优质烤烟的吸氮曲线有很大差异，这是导致我国上部烟叶整体质量得不到提升的重要原因。因此，有学者认为通过合适的措施来调控烤烟生长后期土壤氮素供应是获得优质烤烟烟叶的关键所在[5-6]。

　　微生物同化作用在调节土壤有效氮含量方面起着重要的作用[7]。土壤中的铵态氮和硝态氮被微生物同化，成为生物体有机组成部分，称为无机氮的微生物固持，又称微生物同化作用[8]。研究表明，微生物同化作用受土壤中有效碳含量的调控，增加土壤中有效碳含量将促进微生物对无机氮的同化作用[9-11]。研究发现向土壤添加葡萄糖可显著降低土壤中无机氮含量[12]。也有研究表明，添加不同来源和不同质量的有机质对土壤中氮素转化具有不同影响[13-15]，添加低C/N有机质(C/N<20)表现为氮素的净矿化[16];而添加高C/N比有机质则表现为微生物对氮素的净固持[17]。例如，巨晓棠等[18]研究发现，添加苜蓿秸秆或鸡粪(低C/N比)显著提高土壤中的无机氮量，而添加小麦秸秆(高C/N比)则显著降低土壤中的无机氮含量。

　　综上所述，我们设想在烤烟生长后期向土壤中添加外源碳可以作为一种调控土壤氮素水平的措施，然而有关添加外碳源对植烟土壤氮素转化的研究少有报道。因此，本文以植烟土壤为研究对象，选取葡萄糖和木屑作为外源碳，并通过添加硝酸铵模拟植烟土壤后期含有大量有效氮的情景，采用实验室静态培养的方法探究外源碳对植烟土壤氮素转化的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 供试土壤与材料

　　供试土壤取自贵州省遵义市务川县烟草科技示范园(107.40° E，28.28° N)内烟田0～20 cm表层。该地属中亚热带湿润性季风气候，山体气候特征明显。年均气温15.9 ℃，年平均无霜期280 d，年降水量1271.7 mm。土壤類型为棕黄壤。供试土壤的基本理化性质为：全氮1.63 g/kg，全碳19.20 g/kg，有机质11.10 g/kg，碳氮比11.78，pH 7.3。供试土壤多点采集混合后，挑出肉眼可见的植物残体和石块，过2 mm筛后保存于4 ℃冰箱。

　　外源碳包括葡萄糖和木屑。木屑的基本理化性质为：全氮1.2 g/kg，全碳470 g/kg，碳氮比461，pH 5.1。木屑用粉碎机粉碎后过100目筛备用;葡萄糖按照试验设计的添加量提前配置成不同浓度的葡萄糖溶液。

　　1.2 试验设计

　　试验共设置6个处理：CK，硝酸铵(200 mg/kg，以纯氮计，下同);G1S0，葡萄糖(3000 mg/kg，以纯碳计，下同)+硝酸铵;G2S1，葡萄糖(2000 mg/kg)+木屑(1000 mg/kg)+硝酸铵;G1S1，葡萄糖(1500 mg/kg)+木屑(1500 mg/kg)+硝酸铵;G1S2，葡萄糖(1000 mg/kg)+木屑(2000 mg/kg)+硝酸铵;G0S1，木屑(3000 mg/kg)+硝酸铵。除CK处理外，外源碳在所有处理中按等碳量(3000 mg/kg)加入，葡萄糖和木屑的实际添加量通过各自的含碳量来计算。

　　称取相当于20 g干土的新鲜土样于250 mL玻璃瓶中，培养开始前把土壤混匀，使其厚度均匀地平铺在瓶底，放在25 ℃室内预培养1 d。预培养结束后，按照试验设计，向每组处理的玻璃瓶中添加外源碳，其中葡萄糖用移液管添加，木屑通过与土壤充分混匀的方式添加。同时向每个玻璃瓶中加NH4NO3溶液(N 200 mg/kg)，含NH4+-N和NO3?-N各100 mg/kg。用去离子水将所有处理的土壤含水量调整为最大田间持水量的67%。然后用硅胶塞将玻璃瓶密封，继续在25 ℃下恒温培养60 d，每隔2 d去塞通气0.5 h左右，每2～3天补水1 次以补充因蒸发导致的水分损失。分别在添加外源碳后的第1、3、5、7、14、28、60天结束时采集气体样品。采集气体样品之前，需要提前6 h进行换气密封。换气前用南京大学研制的704硅胶将橡胶塞与瓶口缝隙密封，待硅胶干燥之后，用真空泵抽取三角瓶中的气体3 min，接着通入新鲜空气，使三角瓶中的气体与外界的气体平衡，再次进行上述操作，如此反复3次，确保三角瓶中充满新鲜的空气。在最后一次通入空气时，采集此时的空气于20 mL的真空瓶中，作为初始气体浓度，记录采样时间。密封培养6 h之后，从每组处理中随机取出3个玻璃瓶作为重复，用注射器快速反复抽提5次以确保三角瓶内气体充分混匀，用带有三通阀的注射器立即采集20 mL的气体，注入20 mL的真空瓶中用于测定N2O和CO2的浓度[19]。

　　分别在培养过程中的第1、7、14、28、60天结束时，从每组处理中随机取出3个土壤样品作为重复，按水土比5：1向玻璃瓶中加入100 mL的2 mol/L KCl溶液，振荡，过滤，收集滤液于塑料瓶中，并于4 ℃下低温保存，用于测定土壤中NO3?-N和NH4+-N浓度。

　　1.3 测定项目与方法

　　土壤用KCl溶液提取后的滤液用Skalar连续流动分析仪测定NO3?-N和NH4+-N浓度，土壤pH用电位法(KCl浸提液)测定。气体样品中的N2O和CO2浓度采用气相色谱仪(Agilent Technologies 7890A)测定。

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