3討論


土壤含水量是控制N2O排放的主要因素,它對N2O產(chǎn)生途徑及同位素組成均具有顯著影響。該研究表明土壤N2O排放量隨土壤含水量的增加而增加,這與前人的研究結(jié)果一致。含水量從67%升高到95%WFPS,土壤N2O排放量出現(xiàn)顯著增加。這與溫帶大田土壤的研究結(jié)果相似,Clayton通過研究草地土壤發(fā)現(xiàn),65%WFPS是一個重要臨界點,當(dāng)超過該含水量,土壤N2O排放量出現(xiàn)顯著增加。溫帶草地和農(nóng)田土壤含水量從60%升到80%WFPS時,N2O排放量分別增加了12倍和30倍,這與本研究結(jié)果相似,高、中含水量土壤N2O累積排放量分別比低含水量處理高13.23倍和2.22倍,這可能是由于隨著土壤含水量(WFPS)的增加,水不斷充滿土壤孔隙,O2向土壤中擴(kuò)散受到限制,土壤的厭氧條件逐漸增強(qiáng)并促進(jìn)反硝化作用,N2O也隨之大量產(chǎn)生并排放出土壤。隨著土壤含水量(WFPS)增加,N2O排放量增加,在含水量為80%—95%WFPS條件下出現(xiàn)最大的N2O排放量。當(dāng)土壤水勢達(dá)到-5 kPa(約為97%WFPS),出現(xiàn)最大的N2O排放量,土壤含水量(-2.5 kPa)進(jìn)一步增加,N2O產(chǎn)生量減少,可能是由于N2O還原速率增加。但是,也有研究提出在70%WFPS下出現(xiàn)較高的N2O排放量。Davidson研究發(fā)現(xiàn),最大N2O排放量產(chǎn)生于60%WFPS,硝化作用和反硝化作用對N2O產(chǎn)生均具有重要作用。出現(xiàn)該矛盾原因可能是由試驗和土壤類型的不同導(dǎo)致。

表3不同含水量土壤硝化和反硝化作用對N2O排放的貢獻(xiàn)率


同一土體中可以同時發(fā)生多個N2O產(chǎn)生過程,利用穩(wěn)定同位素與C2H2(0.1%和10%V/V)抑制相結(jié)合的方法可以確定自養(yǎng)硝化作用和反硝化作用對土壤N2O排放的貢獻(xiàn)率。本研究發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)硝化作用和反硝化作用對土壤排放N2O的貢獻(xiàn)率隨著土壤含水量的變化而有所不同,但絕對貢獻(xiàn)率因所選擇的方法不同有很大的差異。僅利用乙炔抑制技術(shù)估測的反硝化作用(含水量為67%—80%WFPS時貢獻(xiàn)率為82%—83%)對N2O排放貢獻(xiàn)率大于同位素技術(shù)(含水量為67%—80%WFPS時貢獻(xiàn)率為32%—58%)測得的結(jié)果,利用兩種方法估測反硝化作用對N2O排放的貢獻(xiàn)率,大于25%的差異僅出現(xiàn)在67%WFPS條件下,這有可能是乙炔抑制技術(shù)忽略了異養(yǎng)硝化作用對土壤排放N2O的貢獻(xiàn)。但是,不同途徑對土壤N2O排放的貢獻(xiàn)隨著土壤含水量的變化趨勢是相同的。


在大部分生態(tài)系統(tǒng)中,反硝化作用是主要的N2O產(chǎn)生途徑。其最后一步是N2O還原酶將中間產(chǎn)物N2O還原成N2的過程,這步反應(yīng)對估測N2O消耗、了解土壤中氮積累和排放到大氣中的氣態(tài)氮量至關(guān)重要,并且這可能是如何減緩N2O排放的重要方向。反硝化產(chǎn)物N2O/(N2O+N2)比率用于評估N2O轉(zhuǎn)化為N2的程度,變化范圍從0(所有的N2O全部轉(zhuǎn)化為N2)到1(N2O是反硝化過程的唯一最終產(chǎn)物)。本研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量越高,土壤排放的N2O轉(zhuǎn)化成N2的比例越高,土壤排放到外界環(huán)境的N2O絕對量也越高。這將會導(dǎo)致更多的N2O排放到大氣中,加劇溫室效應(yīng)。之前的一些研究也提出較高含水量的土壤出現(xiàn)最大的N2O排放量,這與本研究結(jié)果一致。這說明可以通過控制土壤水分條件來減緩N2O排放。


一些文獻(xiàn)報道δ15Nbulk是區(qū)分硝化作用和反硝化作用的重要指標(biāo),這是因為與反硝化作用相比,硝化作用會加速δ15N-NO-3貧化,其他學(xué)者主張δ15Nbulk取決于底物來源NH+4和NO-3以及土壤異質(zhì)性,并沒有考慮N2O還原過程對剩余N2O的影響。本研究發(fā)現(xiàn)施用NH+4后,由于硝化過程中同位素分餾導(dǎo)致δ15Nbulk值隨著培養(yǎng)時間逐漸升高。底物(NH+4)充足,硝化作用產(chǎn)物NO-3受底物影響,根據(jù)同位素分餾原理,微生物優(yōu)先利用輕同位素,導(dǎo)致δ15N-NO-3逐漸貧化,而發(fā)生反硝化作用的底物幾乎全部來自于硝化作用產(chǎn)物(NO-3),故反硝化作用占據(jù)主導(dǎo)地位的較高土壤含水量,其δ15Nbulk值越低,本研究顯示δ15Nbulk值隨著含水量的增加而降低(δ15Nbulk加權(quán)平均值,95%WFPS處理<80%WFPS處理<67%WFPS處理)。


δ18O值受N2O向N2還原過程的影響,同時O2,H2O與NO-3之間的O原子交換也會影響其大小。與δ15Nbulk和SP相比,對N2O分子中δ18O的解釋更為復(fù)雜。N2O-O可能來源于不同途徑,理論上,硝化細(xì)菌-反硝化過程中(NH+4→NH2OH→NO-2→NO→N2O)一半的氧原子來自于空氣中O2,另一半氧原子來自于H2O,羥胺氧化過程中,100%的N2O-O來源于O2。如果反硝化細(xì)菌利用NO-3產(chǎn)生N2O,那么N2O中所有的O都來自于NO-3。但是在實際環(huán)境中,H2O-O與NO-2-O和NO-3-O發(fā)生氧交換,且H2O-O和NO-3-O對N2O-O的貢獻(xiàn)與微生物種類有關(guān)。基于以上理論和研究結(jié)果,采用δ18O-N2O值對N2O來源進(jìn)行分析比較復(fù)雜,需要考慮多種因素。本試驗中,δ18O與乙炔抑制技術(shù)相結(jié)合,提高了其準(zhǔn)確性。各含水量土壤中,0.1%(V/V)C2H2處理組的δ18O值顯著高于10%(V/V)C2H2處理組(<0.01),這可能是由于兩種處理土壤中均主要發(fā)生反硝化作用,只是10%(V/V)C2H2會抑制土壤中N2O還原成N2的過程,而反硝化作用會消耗土壤中的NO-3,并使土壤中剩余NO-3富18O,增加其δ18O值。有研究提出,反硝化過程中發(fā)生N2O還原會使N-O鍵斷裂,導(dǎo)致剩余N2O相對富集δ15Nα和δ18O。盡管一些研究中利用δ18O來區(qū)分N2O產(chǎn)生途徑,但是只依靠δ18O-N2O值對N2O來源進(jìn)行分析仍備受爭議,如果δ18O與其他同位素值(如δ15N,SP)結(jié)合來分析,可能會提高其準(zhǔn)確性。


與δ15Nbulk和δ18O相比,SP值是區(qū)分土壤N2O排放途徑的一種重要工具,其優(yōu)勢在于受樣品干擾小,與N2O前體的δ15N同位素組成沒有相關(guān)關(guān)系。一般隨著土壤含水量(WFPS)的增加,土體的厭氧體積逐漸增大并使反硝化作用加強(qiáng),N2O也隨之大量產(chǎn)生并排放出土壤。本研究高含水量處理厭氧體積高于中含水量處理,其SP值之所以高于中含水量處理,可能是發(fā)生了部分真菌反硝化作用。Maeda等通過對67種真菌測試發(fā)現(xiàn),其SP平均值為30.0‰±4.8‰(變化范圍為15.8‰—36.7‰)。另有文獻(xiàn)報道真菌產(chǎn)生N2O的SP值為36.9‰—37.1‰,這與細(xì)菌硝化作用的相似(34.1‰—39.6‰)。


本研究利用同位素技術(shù)結(jié)合乙炔抑制技術(shù),高含水量處理中,加10%(V/V)C2H2只發(fā)生反硝化作用,其會抑制自養(yǎng)氨氧化過程和N2O還原成N2的過程,故該處理不會因為這兩個過程而產(chǎn)生較高的SP值,而95%WFPS在10%(V/V)C2H2條件下土壤排放N2O的SP加權(quán)平均值為15.71‰,這正說明高含水量處理中發(fā)生部分真菌反硝化作用。與細(xì)菌反硝化作用相比,真菌反硝化作用和硝化作用排放N2O的過程均會產(chǎn)生較高的SP值。因此,利用同位素技術(shù)區(qū)分細(xì)菌硝化作用和真菌反硝化作用產(chǎn)生的N2O遇到挑戰(zhàn)。另外,較高土壤含水量更有利于反硝化反應(yīng)的發(fā)生,而施加硫酸銨后,雖然同樣產(chǎn)生厭氧環(huán)境,由于硫酸銨提供大量可利用氮,在土壤表層硝化反應(yīng)得到促進(jìn)。除此之外,SP值會隨著N2O還原過程發(fā)生變化,使對N2O產(chǎn)生途徑評估產(chǎn)生偏差。由完全的硝化作用和細(xì)菌反硝化作用產(chǎn)生N2O的SP值,分別約為33‰和0‰,還原過程會使SP值升高,這與本研究結(jié)果一致。高、中和低含水量土壤,10%(V/V)C2H2處理組N2O累積排放量分別比0.1%(V/V)C2H2處理增加了26%、40%和16%,說明未加10%(V/V)C2H2處理的土壤發(fā)生N2O還原過程;同時,與10%(V/V)C2H2處理相比,0.1%(V/V)C2H2處理下高、中和低含水量的SP加權(quán)平均值分別升高了11%、49%和7%,這正驗證了該理論。根據(jù)同位素二源混合模型,以上過程會使由SP值估測的N2O產(chǎn)生途徑低估反硝化作用對N2O排放的貢獻(xiàn)。


與示蹤技術(shù)相比,利用自然豐度同位素技術(shù)(例如SP值的運用)不需要人為標(biāo)記培養(yǎng)、操作方便,具有明顯優(yōu)勢。但是微生物氮循環(huán)過程相當(dāng)復(fù)雜,對SP值用于區(qū)分N2O產(chǎn)生途徑的方法應(yīng)慎重利用,如硝酸鹽異化還原成銨和異養(yǎng)硝化作用也會產(chǎn)生N2O,并影響氮循環(huán)過程中一些含氮化合物的同位素特征值。目前為止,這些過程對土壤產(chǎn)生N2O的15N的SP值的影響還不明確。因此,本研究并未對這些過程對SP值的影響進(jìn)行分析。雖然SP值在應(yīng)用中存在一些不足,但其確實是一種有效的N2O溯源方法,并已在國際上得到廣泛認(rèn)可。當(dāng)下中國對SP值研究剛剛起步,本文對其進(jìn)行初步探討,接下來將進(jìn)一步探究微生物群落結(jié)構(gòu)及其酶組成對土壤產(chǎn)生N2O的同位素特征值隨時間變化的影響,從而能提高利用SP值區(qū)分N2O產(chǎn)生途徑的準(zhǔn)確性;另外,土壤反硝化的NO-3還原成N2O過程中,真菌和細(xì)菌反硝化作用對土壤產(chǎn)生N2O的貢獻(xiàn)及其對SP值變化的影響,也需要做進(jìn)一步研究。


4結(jié)論


本試驗將自然豐度的同位素技術(shù)與乙炔抑制技術(shù)相結(jié)合測定不同含水量(WFPS)下硝化作用和反硝化作用對土壤N2O排放的貢獻(xiàn)率。隨著土壤含水量增大,N2O排放量增加。各處理均在前4天具有較高的N2O排放量,之后排放量相對較小,并且變化不大。隨著土壤含水量增加,N2O/(N2O+N2)比率降低,土壤以N2O形式排放到大氣中的比例降低,以N2形式排放到大氣中的比例升高,N2O還原過程增強(qiáng)。本研究通過SP值估算硝化和反硝化作用的貢獻(xiàn)率得出,培養(yǎng)前7 d內(nèi),67%WFPS土壤N2O排放以硝化作用為主,且在前2 d以反硝化作用為主,之后主要通過硝化作用排放N2O。在一定范圍內(nèi),含水量升高會使反硝化作用增強(qiáng)。