纳米碳溶胶配施尿素对土壤N_2O排放的影响_纪程.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1406-14132023年6月纪程，孙玉香，孟圆，等.纳米碳溶胶配施尿素对土壤N2O排放的影响J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1406-1413.JI C,SUN Y X,MENG Y,et al.Effects of nano-carbon sol and urea on soil N2O emissionsJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,42（6）：1406-1413.纳米碳溶胶配施尿素对土壤N2O排放的影响纪程1，2，孙玉香1，3，孟圆1，3，徐聪1，2，汪吉东1，2，3*，张永春1，2，3（1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；2.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；3.南京农业大学，南京 210095）Effects of nano-carbon sol and urea on soil N2O emissionsJI Cheng1,2,SUN Yuxiang1,3,MENG Yuan1,3,XU Cong1,2,WANG Jidong1,2,3*,ZHANG Yongchun1,2,3（1.Institute of Agricultural Resources and Environmental Sciences,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.School of Environment&Safety Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;3.Nanjing Agricultural University,Nanjing210095,China）Abstract：Nano-carbon improves fertilizer utilization and reduces nitrogen residue in soils;however,its effects on soil N2O emissions stillremain unclear.In this study,nano-carbon sol（a kind of nano-carbon material prepared via electrolytic graphite）and soils without andwith straw returning were selected for comparison.We conducted an incubation experiment to study the effects of nano-carbon on soil N2Oemissions,with soil microcosm exhibiting a temperature of 25 and water-holding capacity of 80%.Results showed that the nano-carbonamendment significantly increased N2O emissions from the straw-removed soil,but significantly decreased N2O emissions from the straw-returned soil,with the mitigation efficiency of 63%.The nano-carbon also significantly increased potential nitrification rates（PNR）fromthe straw-removed and-returned soils and decreased potential denitrification rate（PDR）from the straw-returned soil.The PDR value of收稿日期：2022-10-13录用日期：2023-01-11作者简介：纪程（1991），女，黑龙江人，博士，助理研究员，从事土壤碳氮循环与微生物驱动机制研究。E-mail：*通信作者：汪吉东E-mail：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（42007088，41907069）；江苏省自主创新资金项目（CX（21）-1009）；江苏省重点研发计划项目（BE2019378，BE2021378）；江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金项目（BE2022304）；国家甘薯产业技术体系项目（CARS-10）；水稻生物学国家重点实验室开放课题（20210404）Project supported：The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（42007088，41907069）；The Jiangsu AgriculturalScience and Technology Innovation Fund（CX（21）-1009）；The Key Research and Development Project of Jiangsu Province（BE2019378，BE2021378）；The Carbon Peak and Neutrality Special Funding for Science and Technology Innovation Project of Jiangsu Province（BE2022304）；The Earmarked Fund for CARS-10-Sweetpotato；The Open Project Program of State Key Laboratory of Rice Biology（20210404）摘要：为研究纳米碳材料对土壤N2O排放的影响，选用纳米碳溶胶（一种纳米级材料，利用电解石墨制备而成）作为供试材料，以未经秸秆还田改良（秸秆离田）和秸秆还田改良的潮土为供试土壤，通过培养试验探讨纳米碳溶胶对潮土N2O排放的影响，培养条件为25 和80%田间持水量。结果表明：施氮条件下，添加纳米碳溶胶显著增加了秸秆离田土壤N2O排放，但显著降低了秸秆还田土壤N2O排放，减排效率达63%。纳米碳溶胶显著提高了两种处理土壤的硝化潜势（PNR），但降低了秸秆还田土壤反硝化潜势（PDR）。然而，秸秆离田土壤PDR对纳米碳溶胶无显著响应。纳米碳溶胶通过促进秸秆离田土壤的硝化作用提高N2O排放。对于秸秆还田土壤，纳米碳溶胶减排N2O的机理可能是土壤可溶性有机碳含量的增加一方面激发了土壤异养微生物对底物无机氮的固持，另一方面促进了土壤彻底反硝化过程。关键词：纳米碳；N2O；硝化作用；反硝化作用；土壤中图分类号：S153文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）06-1406-08doi:10.11654/jaes.2022-1023纪程，等：纳米碳溶胶配施尿素对土壤N2O排放的影响2023年6月氧化亚氮（N2O）是大气中重要的温室气体之一，大气中N2O浓度的空前升高是全球气候变化的重要驱动因素1。当前大气中N2O体积分数已达到3.3210-7，与1750年工业革命前相比，增长率达23%2。农业、工业、生物质燃烧以及活性氮淋溶和大气沉降的间接排放是N2O的主要人为排放源3。其中，农业土壤N2O排放占重要地位，氮肥的广泛使用推动了土壤N2O排放量的增长。据估算，农业源排放的N2O可占全球人为排放的60%70%4。国内外科研工作者一直致力于探索如何通过农田氮管理实现土壤N2O减排。一方面通过优化氮肥管理实现N2O减排5-6，另一方面通过提高氮肥利用率减少气态氮（N2O和NO等）损失7-8。近年来纳米碳材料在改良土壤、提高肥料利用率以及节肥增产上表现出较好效果9-11。纳米材料配施氮肥可以发挥其表面效应和小尺寸效应，既能够增强肥料的吸附性能，减少肥料的流失，又可以改善土壤理化性质，尤其是在碱性土壤pH和养分的改良方面12-13。学者们也逐渐关注到纳米碳材料对土壤N2O排放的影响。研究发现，纳米碳可以通过吸附土壤中的铵态氮而降低N2O排放14。然而，也有研究表明添加纳米碳能够提高土壤N2O排放，可能的原因是纳米碳促进了土壤微生物活性15。这些有关纳米碳材料对N2O排放影响相互矛盾的结果可能与纳米碳和土壤之间复杂的相互作用有关。土壤硝化和反硝化作用是产生N2O的关键过程，施加纳米碳材料既可以影响土壤硝化过程，也可以影响反硝化过程。我们推测施加纳米碳材料条件下土壤N2O的排放取决于其对硝化和反硝化过程的净效应。因此，检测纳米碳材料作用下土壤硝化和反硝化潜势的变化有助于揭示纳米碳材料对N2O排放的影响。本文选用纳米碳溶胶为供试材料，研究其对两种处理土壤N2O排放的影响，以期为纳米碳溶胶的推广应用以及减少农业源N2O排放提供理论基础。1材料与方法1.1 试验材料纳米碳溶胶采用通电电解双石墨电极板制成，由沈阳美华农业有限公司提供，纳米碳粒子粒径为10100 nm。供试土壤采集于江苏省滨海界牌镇的小麦-玉米轮作种植区（3343N，11937E），该地区处于暖温带和亚热带季风气候的过渡地带，年平均气温和降水量分别为 14.1 和 942.6 mm，土壤类型为黄河冲积物发育而来的潮土。秸秆还田是改善该地区农田土壤质量的重要措施之一，且已在该种植区大面积推广。目前已实行麦玉双季秸秆还田2 a，获取上一季作物的全量秸秆后，将秸秆机械粉碎至510 cm，再用旋耕机旋入土壤耕层（020 cm）。每年小麦秸秆的还田量约为5 000 kghm2，玉米秸秆的还田量约为6 000 kghm2。同时设置秸秆离田处理，该田块收获的秸秆不还田。本试验土壤样品采集于秸秆还田和秸秆离田田块。根据S点法布点，每个田块采集5份耕层土壤（020 cm），土样混匀后带回实验室，自然风干后过2 mm筛，去除可见的根和有机残留物。取部分风干土样测定土壤基本理化性质，其余风干土样用于开展培养实验。初始土壤性质及纳米碳溶胶的性质详见表1。1.2 培养实验设计称取80 g土样（按干土计）置于250 mL培养瓶，the straw-removed soil showed no significant response to the nano-carbon amendment.Nano-carbon increased N2O emissions due to theenhanced nitrification in the straw-removed soil.The mechanism of decreased N2O emissions from the straw-returned soil amended withnano-carbon sol might be that the amendment increased the contents of dissolved organic carbon,thus inducing the immobilization ofinorganic nitrogen by soil heterotrophic microorganisms and promoting the complete denitrification process.Keywords：nano-carbon;N2O;nitrification;denitrification;soil表1 供试土壤及纳米碳溶胶的基本理化性质Table 1 Basic physico-chemical properties of soils used in the stud