廢棄物在抑制茉莉土壤溫室氣體產生中的應用

藍 妮， 張禮宏， 嚴錦華， 王 純， 曾 瑜， 王維奇,b

(1. 福建師范大學 a. 地理研究所；b. 生態地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；2. 閩榕茶業有限公司，福建 福州 350018)

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廢棄物在抑制茉莉土壤溫室氣體產生中的應用

藍 妮1a， 張禮宏1a， 嚴錦華2， 王 純1a， 曾 瑜2， 王維奇1a,b

(1. 福建師范大學 a. 地理研究所；b. 生態地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；2. 閩榕茶業有限公司，福建 福州 350018)

選取福州帝封江茉莉園為研究樣點，采用室內培養-氣相色譜法對對照、貝殼、石膏、爐渣、生物炭和花桿添加后土壤甲烷、氧化亞氮與二氧化碳產生進行了測定和分析。結果表明：在整個觀測期內，對照、貝殼、石膏、爐渣、生物炭、花桿處理甲烷平均產生分別為0.014、0.012、0.012、0.012、0.013、0.014 μg/(g·d)，各處理分別比對照減少了16.7%、16.7%、15.2%、7.25%、2.17%；土壤氧化亞氮平均產生分別為0.008、0.014、0.030、0.015、0.009、0.019 μg/(g·d)，各處理均未減少氧化亞氮的產生；土壤二氧化碳平均產生分別為58.7、79.5、86.5、51.0、44.7、1050 μg/(g·d)，爐渣、生物炭分別比對照減少了13.1%和23.8%；貝殼、石膏的添加均能有效抑制茉莉土壤甲烷的產生；爐渣、生物炭的添加能有效抑制茉莉土壤甲烷和二氧化碳的產生；但各處理并未有效抑制茉莉土壤氧化亞氮的產生。

甲烷； 氧化亞氮； 二氧化碳； 廢棄物； 茉莉園

0 引 言

由于對全球氣候變暖的日益關注，有關農田溫室氣體排放在調節氣候變暖中所起的作用研究不斷增加。二氧化碳、甲烷和氧化亞氮是最為重要的溫室氣體類型[1]，其排放與減排過程是當今研究的熱點與核心問題[2]。

工農業廢棄物近年來在溫室氣體減排中的應用不斷增加，但主要集中于秸稈、爐渣和生物炭施加的影響，其中，秸稈添加的影響已經基本達成共識。爐渣與生物炭可改良土壤并增加作物產量，使其在溫室氣體減排中的應用得到國際學者們的廣泛關注[3-4]。目前，關于爐渣與生物炭對甲烷與氧化亞氮排放的影響研究都是獨立開展的，結果顯示，爐渣在日本、韓國的溫帶地區、中國的亞熱帶地區均可減少甲烷排放[5-6]，但對于氧化亞氮的影響則尚無定論，有研究指出，爐渣施加對氧化亞氮排放的影響并不顯著[6]，更有研究指出爐渣的施加增加了氧化亞氮排放[5]，爐渣施加對二氧化碳排放的影響尚未見報道。然而生物炭對農田甲烷和氧化亞氮的影響研究結論與爐渣恰恰相反，生物炭對氧化亞氮的影響，無論是在德國的農田土壤，還是中國的稻田均得出了一致的結論，即生物炭施加可以有效地減少氧化亞氮排放[2,7]，對于甲烷排放的影響則沒有定論[7-8]，對二氧化碳的影響更是鮮見報道。

此外，進一步篩選出更適于溫室氣體減排和肥力提升的工農業添加物也是當前生態學發展的新方向?；诖?，本研究以福州帝封江茉莉園為研究樣點，開展：①貝殼、石膏、爐渣、生物炭和花桿添加對茉莉土壤溫室氣體產生的影響；②工農業廢棄物添加后是否通過改變土壤理化特征進一步影響溫室氣體產生。預期可為篩選福州茉莉種植合適的溫室氣體減排策略提供參考，也可填補國際上在該領域研究的不足。

1 材料與方法

1.1 研究區與采樣點

研究區位于福建省福州市帝封江茉莉園，E118°08′～120°31′，N25°15′～26°39′。屬于亞熱帶海洋性季風氣候，全年冬短夏長，溫暖濕潤，雨量充沛，無霜期達326 d。年平均日照時間為1 700～1 980 h，年降水量為900～2 100 mm，年平均氣溫為19.6 ℃，最冷月為1～2月，最熱月為7～8月。

1.2 土壤樣品的采集與添加物制備

2014年4月，在福州帝封江茉莉園隨機選取3個重復采樣點，采集0～30 cm土壤，將鮮土樣品自然風干后，挑去殘體根系，研磨過2 mm、0.154 mm篩，分別放入自封袋中密閉，備用。

生物炭制備：550 ℃下經O-KTF1200管式爐(江蘇宜興市前錦爐業)燒制而成，貝殼、石膏、爐渣、茉莉花生物炭、茉莉花桿粉碎過1 mm孔篩。添加物中貝殼、石膏、爐渣、茉莉花生物炭、茉莉花桿的總碳含量分別為123、7.26、6.52、222、448 g/kg，總氮含量分別為2.63、0.138、0.145、4.70、29.5 g/kg，全磷含量分別為0.387、0.053、0.085、2.21、1.59 g/kg。

1.3 實驗設計

1.3.1 甲烷、氧化亞氮與二氧化碳產生的測定

分別稱取相當于烘干土重10 g的風干土放入120 mL的培養瓶，再分別加入貝殼、石膏、爐渣、茉莉花生物炭、茉莉花桿，添加物為2 %的土壤質量[9]，并設置對照，每個培養樣品設置3個重復，共6個處理。用硅橡膠塞塞住瓶口，瓶塞周圍以704膠密封，在塞住瓶口的硅橡膠塞的兩邊打兩個孔，插入玻璃管，一根較長，插入泥漿中，作為測定氣體產生時夾口；另一根較短，稍稍插入培養瓶即可，作為氣體取樣口。將培養瓶放入28℃培養箱中培養，分別在第1、3、7、14、21、28、35、42、49、56 d測定甲烷、氧化亞氮與二氧化碳產生，甲烷、氧化亞氮與二氧化碳產生通過分析密閉培養一定時間后培養瓶內甲烷、氧化亞氮與二氧化碳濃度的變化求得。

1.3.2 土壤理化特征測定

1.3.3 氣樣分析

甲烷、氧化亞氮和二氧化碳氣體濃度分別由兩臺日本島津公司生產的GC-2014氣相色譜儀測定。甲烷測定檢測器為FID(氫離子火焰化檢測器)，檢測條件為柱溫70 ℃，檢測器溫度200℃，載氣流速30 mL/min。二氧化碳測定采用甲烷轉換爐轉化后與甲烷測定條件一致。氧化亞氮測定檢測器為電子捕獲檢測器，檢測條件為柱溫70 ℃，檢測器溫度320 ℃，載氣流速30 mL/min。

1.3.4 氣樣產生與綜合增溫潛勢計算

甲烷、氧化亞氮和二氧化碳產生計算公式為：

(1)

式中：P為氣體產生質量(μg/(g·d))；dc/dt為培養箱內氣相氣體濃度單位時間變化(μmol/(mol·d))；VH為培養瓶內上部空間體積(L)；Ws為干土質量

(g)；MW為氣體的相對分子質量；MV為標準狀態下氣體摩爾體積(22.4 L/mol)；T為培養瓶內溫度(K)。

以二氧化碳為參照氣體，100 a時間尺度的綜合溫室效應計算公式[1]為:

(2)

式中：PGW為綜合增溫潛勢值(mg(CO2-eq)/g)；RN2O為觀測期(56 d)的氧化亞氮累積釋放量(μg/g)；RCH4為觀測期(56 d)的甲烷累積釋放量(μg/g)；RCO2為觀測期(56 d)的二氧化碳累積釋放量(μg/g)。

1.4 數據處理

原始數據的平均值及標準差的計算采用Excel 2003，采用SPSS 13.0中One-Way ANOVA對不同處理甲烷、氧化亞氮和二氧化碳產生、累積與綜合增溫潛勢、不同處理土壤理化特征的差異性進行檢驗，同時采用SPSS 13.0中Pearson相關分析來分析甲烷、氧化亞氮及二氧化碳和土壤理化特征間的關系。

2 結果與分析

2.1 廢棄物添加對土壤甲烷產生的影響

整個觀測期內，對照、貝殼、石膏、爐渣、生物炭、花稈處理表現為甲烷產生最大值均出現在第35 d(見圖1)，分別為0.021、0.017、0.017、0.018、0.018、0.021 μg/(g·d)。其中，對照、貝殼、石膏、爐渣、生物炭處理表現為甲烷產生最小值均出現在第21 d(圖1)，分別為0.009、0.007、0.007、0.007、0.007 μg/(g·d)，花桿處理甲烷產生最小值則出現在第1 d(圖1)，為0.010 μg/(g·d)。

圖1 土壤甲烷產生

不同處理甲烷產生總體表現為：對照>花稈>生物炭>爐渣>貝殼>石膏(見表1)，花桿、生物炭、爐渣、貝殼、石膏處理產生分別減少了2.17%、7.25%、15.2%、16.7%、16.7%，其中，爐渣、貝殼、石膏處理與對照存在顯著差異(P<0.05)。

表1 土壤溫室氣體產生的差異性

注：同一行中不同字母表示差異性顯著，P<0.05

2.2 廢棄物添加對土壤氧化亞氮產生的影響

整個觀測期內，對照、石膏、爐渣、生物炭處理表現為氧化亞氮產生最小值均出現在第14 d(見圖2)，分別為0.003、0.002、0.002、0.002 μg/(g·d)。其中，石膏、爐渣處理表現為氧化亞氮產生最大值均出現在第28 d(見圖2)，分別為0.220、0.082 μg/(g·d)。對照、生物炭處理則表現為氧化亞氮產生最大值分別出現在第3 d和第1 d(見圖2)，分別為0.017、0.033 μg/(g·d)。貝殼處理氧化亞氮產生最大值和最小值分別出現在第21 d和第7 d(見圖2)，分別為0.074、0.006 μg/(g·d)?；U處理氧化亞氮產生最大值和最小值則分別出現在第1 d和第21 d(見圖2)，分別為0.033、0.111 μg/(g·d)。

不同處理氧化亞氮產生總體表現為：石膏>花桿>爐渣>貝殼>生物炭>對照(見表1)，石膏、花桿、爐渣、貝殼、生物炭處理均未減少茉莉土壤氧化亞氮產生，且均與對照無顯著差異(P>0.05)。

2.3 廢棄物添加對土壤二氧化碳產生的影響

整個觀測期內，對照、貝殼、石膏、爐渣處理表現為二氧化碳產生隨著培養時間的增加先增加后降低的趨勢(見圖3)。對照、貝殼、石膏、爐渣處理表現為二氧化碳產生最小值均出現在第42 d(見圖3)，分別為38.4、32.7、30.8、30.4 μg/(g·d)。其中，對照、石膏、爐渣處理表現為二氧化碳產生最大值均出現在第3 d(圖3)，分別為128、138、95 μg/(g·d)。而貝殼處理二氧化碳產生最大值則出現在第1 d(圖3)，為204 μg/(g·d)?；U處理二氧化碳產生最大值和最小值則分別出現在第7 d和第14 d(圖3)，分別為2 241、298 μg/(g·d)。

圖2 土壤氧化亞氮產生

圖3 土壤二氧化碳產生

不同處理二氧化碳產生總體表現為：花桿>石膏>貝殼>對照>爐渣>生物炭(表1)，爐渣、生物炭處理二氧化碳產生分別降低了13.1%和23.8%，花桿顯著增加了茉莉土壤二氧化碳產生(P<0.05)，其他處理均增加了茉莉土壤二氧化碳產生。

2.4 廢棄物添加對土壤溫室氣體綜合溫室效應影響

為了更好地評價廢棄物添加對福州茉莉土壤溫室效應的影響，運用溫室效應潛勢綜合估算甲烷、氧化亞氮和二氧化碳3種溫室氣體對大氣的潛在增溫效應，以進一步闡明廢棄物添加對福州茉莉土壤溫室效應是促進還是抑制。

表2為6種不同處理下福州茉莉土壤在觀測期內甲烷、氧化亞氮和二氧化碳累積釋放量及其溫室效應。從表2可以看出，貝殼、石膏、爐渣、生物炭、花桿處理均以氧化亞氮和二氧化碳為茉莉土壤溫室效應主要貢獻者。貝殼、石膏、爐渣處理下的甲烷累積釋放量和溫室效應與對照相比顯著降低(P<0.05)，分別比對照處理低1.32 μg/g和0.045 mg (CO2-eq)/g、1.32 μg/g和0.045 mg (CO2-eq)/g、1.17 μg/g和0.040 mg (CO2-eq)/g；石膏和花桿處理下的氧化亞氮累積釋放量和溫室效應與對照相比顯著增加(P<0.05)，分別比對照處理高12.5 μg/g和3.74 mg (CO2-eq)/g、6.30 μg/g和1.88 mg (CO2-eq)/g；花桿處理下的二氧化碳溫室效應與對照相比顯著增加(P<0.05)，比對照處理高555 mg (CO2-eq)/g。從綜合溫室效應來看，花桿處理綜合溫室效應與對照相比顯著增加(P<0.05)，增加了1 622 %。

表2 廢棄物添加條件下對福州茉莉土壤溫室氣體累積釋放量及其溫室效應

注：同一列中不同字母表示差異性顯著，P<0.05

2.5 廢棄物添加對土壤理化特征的影響

2.6 土壤環境因子與溫室氣體產生的關系

整個觀測期內，對不同處理土壤理化特征與甲烷、氧化亞氮和二氧化碳產生的相關性進行綜合分析可知(見表4)，茉莉土壤的N、Eh與甲烷產生呈顯著正相關；茉莉土壤的N、Eh、EOC與二氧化碳產生呈極顯著正相關，土壤的C、pH與二氧化碳產生呈顯著正相關，土壤NO3-含量與二氧化碳產生呈顯著負相關；而各土壤理化特征均與氧化亞氮產生無相關性。

3 討 論

3.1 廢棄物添加對土壤理化特征的影響

表3 不同處理方式下土壤理化特征的差異性

注：同一行中不同字母表示差異性顯著，P<0.05

表4 不同土壤理化特征與溫室氣體產生的相關性

注：*表示顯著相關，P<0.05；**表示極顯著相關，P<0.01

3.2 廢棄物添加對溫室氣體產生的影響

3.2.1 廢棄物添加對土壤甲烷產生的影響

本研究中，貝殼、石膏、爐渣能顯著抑制甲烷的產生。本實驗選用的貝殼中，CaCO3的含量為95%。貝殼添加能顯著降低甲烷的產生，這可能與貝殼中含有豐富的鈣，將會提高土壤的pH，抑制了甲烷產生菌的活性，進而降低甲烷的產生。石膏添加能顯著降低甲烷產生，本實驗選用的石膏為城市裝修的石膏渣經烘干研磨過篩而成，主要成分為CaSO4·2H2O，其施加后增加了土壤中的硫酸鹽含量，而硫酸鹽還原菌可與產甲烷菌競爭相同的基質，如醋酸、低分子有機碳化合物等，從而發生還原作用，進而能明顯地抑制甲烷的產生[13]。爐渣施加能顯著抑制甲烷的產生，這與前期研究指出的爐渣能有效抑制甲烷的產生的結論相符合[5-6]，本實驗選用的爐渣中，含有4.8%的Fe2O3，其施加后增加了土壤中的Fe3+電子受體含量，這將會抑制甲烷的產生。

3.2.2 廢棄物添加對土壤二氧化碳產生的影響

本研究中，僅表現為爐渣、生物炭減少了土壤二氧化碳產生，而花桿的添加顯著增加了二氧化碳的產生。爐渣能減少二氧化碳的產生，可能是由于爐渣的添加增加了電子受體的含量，抑制了相關產生二氧化碳微生物的活性，因此降低了二氧化碳的產生。生物炭對二氧化碳產生的抑制作用是因為生物炭具有較大的表面積、較高的交換特性和土壤團聚體的物理保護功能，使得在其添加后土壤有機碳總礦化量下降?；U添加顯著增加了二氧化碳產生，其原因是：首先，秸稈添加后，增加了土壤中的碳底物含量，從而增加二氧化碳的產生；其次，添加的秸稈本身分解的最終產物也是二氧化碳，這將進一步增強土壤的二氧化碳釋放量。

此外，本實驗中，不同工農業廢棄物對氧化亞氮產生的影響不顯著，這可能是由于土壤氧化亞氮的產生是受多因子的綜合影響，土壤的硝化作用與反硝化作用是氧化亞氮產生的主要機制，而本次實驗中并未探討這兩個過程。因此，關于工農業廢棄物對氧化亞氮產生的影響及其機制仍需進一步開展更為深入地研究予以揭示。

3.3 環境因子對溫室氣體產生的影響

本研究中，N含量與甲烷產生存在顯著的正相關關系，是因為N是控制土壤微生物生長與C釋放過程的主要限制性養分因子。土壤Eh與甲烷產生呈顯著正相關，說明甲烷產生并不一定受Eh的控制，同時也間接說明了在本研究中Eh并不是決定不同工農業廢棄物添加后茉莉土壤甲烷產生的主要因素。

4 結 論

(1)在整個培養周期內，貝殼、石膏、爐渣可顯著抑制福州茉莉土壤甲烷產生。

(2)貝殼、石膏、爐渣、茉莉花生物炭、茉莉花桿的添加均對氧化亞氮產生的影響不顯著。

(3)爐渣、茉莉花生物炭一定程度上降低二氧化碳產生，茉莉花桿添加顯著增加了二氧化碳的產生。

(4)從外源物質添加對福州茉莉土壤溫室氣體產生的綜合效應與土壤理化特征的影響來看，與對照相比，貝殼、石膏、爐渣、茉莉花生物炭并未顯著增加茉莉土壤溫室氣體產生綜合增溫潛勢.與此同時，還一定程度上增加了土壤養分含量，可作為茉莉土壤的有效添加物，茉莉花桿處理顯著增加了土壤溫室氣體產生綜合增溫潛勢，雖然在改良土壤養分中具有一些優點，但在今后茉莉管理中，直接秸稈還田方式仍需慎重考慮，使用由其制備的生物炭是更佳的選擇。

致謝：本研究在野外采樣和室內分析過程中得到福建師范大學地理科學學院楊柳明老師、彭園珍老師以及汪旭明、曾冬萍、張禮宏等同學的幫助，在此真誠地表示感謝。

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Application of Waste Inhibition on Jasmine Soil Greenhouse Gas Production

LANNi1a,ZHANGLi-hong1a,YANJin-hua2,WANGChun1a,ZENGYu2,WANGWei-qi1a,b

(1a. Institute of Geography; b. Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process, Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Minrong Tea Company, Fuzhou 350018, China)

Difengjiang Jasmine Garden of Fuzhou was chosen as the study site. Methane, nitrous oxide and carbon dioxide production were in the control, and shell, gypsum, slag, biochar and straw addition treatments were determined by experiment incubation-gas chromatogram method. The results showed: During the whole observation period, averaged methane production were 0.014, 0.012, 0.012, 0.012, 0.013, 0.014 μg/(g·d), respectively. All addition treatment were decreased by 16.7%, 16.7%, 15.2%, 7.25%, 2.17% comparison with the control, respectively. Averaged nitrous oxide production were 0.008, 0.014, 0.030, 0.015, 0.009, 0.019 μg/(g·d), respectively. All addition treatments were not decreased nitrous oxide production comparison with that of the control, respectively. Averaged carbon dioxide production were 58.7, 79.5, 86.5, 51.0, 44.7, 1050 μg/(g·d), respectively. Slag, biochar addition treatment were decreased by 13.1%, 23.8% comparing with the control, respectively. Shell, gypsum addition inhibited the jasmine soil methane production. Slag, biochar addition inhibited the jasmine soil methane and carbon dioxide production, however, all addition could not inhibit the jasmine soil nitrous oxide production.

methane; nitrous oxide; carbon dioxide; waste; jasmine garden

2015-08-31

福州市科技計劃項目(2014-G-66)；福建省大學生創新性實驗計劃項目(cxxl-2014092、201510394071)

藍 妮(1993-), 女, 廣西來賓人, 學士，主要研究方向為生態與環境。Tel.: 13424048635; E-mail:ni_lan16@163.com

王維奇(1982-), 男，遼寧沈陽人，助理研究員，主要研究方向為生態與環境。

Tel.: 13459193831; E-mail: wangweiqi15@163.com

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A

1006-7167(2016)05-0035-06