威百亩及辣根素对甘薯土壤氮转化及 N₂O 排放的影响

1. 引言

甘薯作为我国重要的粮食、饲料及工业原料作物，近年来种植面积和产量持续增长。然而，随着种植规模的不断扩大，连作现象愈发普遍，由此引发的土壤质量下降、病虫害加重、作物减产等问题严重制约着甘薯产业的可持续发展 [1]。熏蒸剂在改善连作土壤环境、防控土传病害方面发挥着重要作用 。威百亩作为一种传统的土壤熏蒸剂，能够有效杀灭土壤中的病原菌、线虫及杂草种子 [3]；辣根素作为一种新型生物熏蒸剂，具有环境友好、生物降解性好等特点，逐渐成为化学熏蒸剂的潜在替代品[4]。

由于熏蒸剂具有广谱性，在杀灭有害病虫害的同时，也会对驱动土壤养分转化的有益微生物产生影响 [5]。土壤氮循环作为土壤养分循环的核心过程，深刻影响着植物的生长发育与生态系统功能。这一过程高度依赖氮转化微生物的参与，当熏蒸剂干扰土壤微生物的群落结构与活性时，土壤氮转化进程将发生变化，进而影响氮素在土壤 - 植物系统中的分配与利用效率 [6]。此外，土壤氮转化过程产生的 N₂O 作为全球增温潜势为二氧化碳 298 倍的强效温室气体，其排放量的波动，对全球气候变化具有一定的影响[7]。

目前有相关研究报道了熏蒸剂对土壤氮转化的影响，但关于熏蒸剂对甘薯种植土壤氮转化及 N₂O 排放的影响还处于空白阶段，因此本研究以威百亩及辣根素为研究对象，开展田间小区试验，旨在明确两种熏蒸剂对土壤氮转化及 N₂O 排放的影响。本研究不仅为深入理解熏蒸剂 - 氮循环两者交互作用提供关键数据，还为全面评价两种熏蒸剂对土壤生态环境的影响提供了重要的理论依据。

2. 材料与方法

2.1 试验设计

试验在河北省保定市易县瑞熠天甘薯种植基地进行，供试土壤容重 1.36g/cm^∗ ，pH 6.9，有机质含量 11.21 g/kg，全氮含量 0.89 g/kg。试验选择化学熏蒸剂威百亩（N- 甲基二硫代氨基甲酸钠）及生物熏蒸剂辣根素（异硫氰酸烯丙酯）。共设置 4 个处理，不施用氮肥及熏蒸剂的处理（0）、施用氮肥不施用熏蒸剂的处理（CK）、施用氮肥及威百亩处理（WBM）、施用氮肥及辣根素处理（LGS）。威百亩及辣根素施用浓度均以农民常规施用浓度为准，分别为 20g/m 及 10g/m^⋅ 。每个处理设置三个重复，每个试验区长10 米，宽8 米，棋盘格式布置。试验开始于 5 月 10 日，施用熏蒸剂后覆膜，进行为期2 周的熏蒸，熏蒸结束后揭膜晾晒1 周，起垄，施肥，点苗。

2.2 样品采集及测定

2.2.1 土壤样品的采集与测定

分别于熏蒸结束后的第 1 天、第 17 天、第 37 天、第 57 天、第77天及107天进行土壤样品的采集，用于土壤无机氮含量（NO3 -N及 NH4 -N）及氮转化速率（硝化及反硝化速率）的测定。土壤NH4 -N 和 NO₃^- -N 用 2mol⋅L^-1 的 KCl 溶液以 1：5 的土液比，振荡 1 h 后过滤，收集滤液，使用化学分析仪（Smart Chem200）测定NH₄⁺ 和 NO₃^- 浓度。采用氯酸盐抑制法进行硝化潜势（PNR）的测定[8]。土壤反硝化潜势（PDR）的测定采用乙炔抑制法[9]。

2.2.2 气体样品的采集、测定与计算

点苗前，按照225kg/ha 氮肥施用量进行折算进行肥料的施用，施入肥料后，开始进行 N2O 排放的采集及测定。采集装置由内径40cm 、高度 60cm 的无底塑料桶组成。箱底底部戳有气孔，并插入土面下 10cm 。测定气体排放时，将带有三通阀的密封盖与箱体连接，使箱体顶部形成一个密闭的静态箱。用 50ml 注射器分别在第 0，30min 时采集 30ml 气体注入 10ml 真空瓶，利用气相色谱仪（Agilent6820）在 24h 内测定。

N2O 排放速率计算公式[10]：

F=dC_t/dt×H×T₀/（T₀+T）

式中：F 为 N₂O 、 CH₄ 和 CO₂ 排放速率（ ）；dCt /

dt 为箱内气体浓度随时间变化的直线斜率（ Ω_mg⋅Ω_m^-3⋅h^-1 ）；H 为土壤表面到培养箱顶盖的高度（m）； T₀ 为标准状态下空气的绝对温度（K）；T 为实际空气温度（ C ）。

N2O 累积排放量 [11]：

式中：Q 为试验期间 N₂O 排放总量 （mg/m² ）；n 为试验期间测定总次数；i 为按时间排序的采样测定时间；Fi 为第 i 次测定事件的N₂O 排放速率 （mg/m²/h） ； F_i+1 为第 i+1 次测定事件的 N₂O 排放速率（mg/m /h）； t_i+1 为第 i+1 次测定事件的时间 （h）；ti 为第 i 次测定事件的时间 （h）。

2.3 数理统计

采用excel 2018 进行数据统计，差异显著性分析采用Duncan 法。

3. 结果与讨论

3.1 土壤熏蒸对 N₂O 排放通量及累积排放量的影响

试验结果得出，0 处理的 N₂O 排放通量在甘薯整个生育期均保持在较低水平，在 0.001-0.020mg/m²/h 范围内波动，在动态取样开始后的第 31 天达到排放高峰，动态取样期间，0 处理 N₂O 排放量均显著低于CK 及熏蒸剂（WBM、LGS）处理；CK 处理及熏蒸剂处理在动态取样的前 31 天 N₂O 排放成波折上升的趋势，并在第 31 天达到排放峰值，分别为 0.113mg/m²/h 、 0.088mg/m²/h 及 0.081mg/m²/h ，达到峰值后， N₂O 排放通量迅速降低，50 天后排放量降低至趋近于0 在前 31 天内，降雨和灌溉后均会出现一个小排放峰，造成这种现象的原因可能与土壤湿度增加后，土壤反硝化过程加剧有关。动态取样过程中，CK 处理与 WBM 及 LGS 处理间 N₂O 排放通量并未表现出显著的一致性差异。在动态取样的 15-20 天 WBM 处理 N₂O 排放通量显著高于 CK 处理，而在 31-39 天，CK 处理 N₂O 排放通量显著高于 WBM 处理；在动态取样的 7-9 天，LGS 处理 N₂O 排放通量显著高于 CK 处理，动态取样的 25-40 天，LGS 处理 N₂O 排放通量显著低于 CK 处理。累积排放量结果表明，各处理 N₂O 累积排放量分别为 3.89g/m 、 24.90g/m² 、 23.42g/m² 及 22.23g/m² ，其中 0 处理显著低于 CK、WBM 及 LGS 处理，CK、WBM 及 LGS 处理间未表现出显著差异。综上可知，熏蒸剂的施用，对土壤 N₂O 排放通量及累积排放量无显著影响。

3.2 土壤熏蒸对土壤无机氮含量的影响

施用威百亩后，土壤中无机氮含量的变化情况如下：熏蒸结束时，WBM 处理土壤 NH₄⁺-N 含量约 18.39mg/kg ，显著高于未施肥料的 0 处理及 CK 处理的 6.05g/kg_⨀ 肥料使用后，动态取样的第 17天，土壤中 NH₄⁺ -N 含量表现为 WBM >CK>0 ，且三个处理间均达到统计学显著差异水平，其中 CK 及 WBM 处理 NH₄⁺ -N 含量达到取样期间的峰值，分别为 29.3mg/kg 及 64.3mg/kg_⨀ 0 处理 NH₄⁺-N 含量在整个生育期均保持在较低的水平，动态取样 17 天后，CK 及WBM 处理土壤 NH₄⁺ -N 含量快速降低，到77 天时，降至0 处理水平。在动态取样的第 37 及 57 天，CK 处理 NH₄⁺ -N 含量显著高于 WBM处理。0 处理及 CK 处理土壤 N0₃^--N 含量在取样期内呈先增加后降低的趋势，WBM 处理在整个取样期内整体呈降低的趋势。熏蒸结束时，WBM 处理土壤 NO₃^--N 含量为 93.4mg/kg 显著高于 0 及 CK处理的 39.1mg/kg，在第 17 天 -37 天，0 处理及 CK 处理土壤 NO₃^- -N 含量显著高于 WBM 处理，57 天之后各处理 NO3 -N 含量趋于一直，至甘薯生育期结束。综合土壤 NH₄⁺ -N 及 NO3 -N 的变化趋势，在熏蒸结束时，WBM 处理土壤 NH4 -N 及 NO3 -N 含量显著高于 0和CK 处理，造成这种现象的原因：一是，WBM 促进了土壤有机氮的矿化；二是，WBM 本身存在有机氮，熏蒸过程中，在土壤微生物的作用下，逐步降解为无机氮，这个过程大概在熏蒸后的 1-2周内完成。在取样的第 17 天，CK 处理和 WBM 处理土壤 NH4+ -N含量达到峰值，这与施用酰胺态氮肥后，氮肥在土壤中的水解有关。此外，在取样的第17天，WBM处理中 NH4+ -N含量显著高于CK处理，而  -N 含量显著低于 CK 处理，可能与 WBM 显著抑制了土壤硝化及反硝化过程有关。在培养 17 天后，WBM 处理 NH4+ -N 及 NO3- -N 含量在一段时间内显著低于CK 处理，说明随着甘薯生育期的进行，WBM 对土壤硝化反应的作用可能由抑制转向了促进。

施用辣根素后，土壤无机氮含量的变化趋势如下：LGS 处理NH -N 及 NO3- -N 变化趋势与 0 及 CK 处理一致，均呈现先增加后降低的变化趋势。在整个培养期内，LGS 处理 NH4+ -N 含量均显著高于 0 和 CK 处理，并在取样的前 57 天，达到统计学显著水平。在取样的 37-57 天，LGS 处理 NO3- -N 含量显著高于 0 和CK 处理。与 WBM 一致，LGS 中含有有机氮，熏蒸后，在微生物的作用下逐步降解为无机氮。与 WBM 不同的是，LGS 处理后土壤 NH4+ -N 及NO3 -N 含量在较长的时间内显著高于 CK 处理，推测造成这种现象的原因有三点：一是，LGS 处理土壤初始氮含量高；二是，LGS 处理显著促进了土壤净矿化速率；三是，LGS 处理抑制了土壤硝化及反硝化过程。

3.3 土壤熏蒸对土壤硝化及反硝化潜势的影响

熏蒸剂熏蒸后会通过影响土壤微生态进而影响土壤氮素的转化。熏蒸结束时，WBM 及 LGS 处理土壤 PNR 显著低于 0 和 CK 处理，说明熏蒸剂的使用降低驱动硝化过程的微生物活性。在整个取样期间， 0 处理土壤硝化潜势在 0.058-0.095mg/kg/h 范围内波动，显著低于施肥处理，说明肥料的施用会显著提升土壤的硝化潜势。第二次取样点后，WBM 处理 PNR 显著高于 CK 处理，LGS 处理显著低于 CK 处理。WBM 及 LGS 对土壤反硝化潜势的影响呈显著差异。除 0 天及 77 天外，各处理土壤反硝化潜势呈 WBM ＞ CK ＞ 0＞ LGS 的趋势，且处理间差异显著。综上可知，WBM 的施用显著促进了土壤反硝化潜势，LGS 显著抑制了土壤反硝化潜势。综上可知，WBM 和 LGS 对土壤硝化与反硝化潜势的影响与土壤无机氮含量变化具有一致性，WBM 和 LGS 通过影响土壤中氮转化速率进而影响土壤无机氮的变化。

结论

本研究以威百亩及辣根素为研究对象，通过田间小区试验，明确了两种熏蒸剂对土壤氮转化及 N2O 排放的影响。结果表明，威百亩和辣根素虽对土壤 N2O 排放无显著影响，但对土壤氮转化影响不同；威百亩在试验初期增加了土壤 NH4+ -N 和 NO3--N 含量，后期因促进土壤硝化及反硝化的进行使其含量低于对照；辣根素则通过抑制土壤硝化及反硝化速率，在试验期间 NH4+ -N 和 NO₃⁻-N 含量均高于对照处理。综上可知不同熏蒸剂对土壤氮循环调控机制各异。研究为评估两种熏蒸剂的生态效应，指导甘薯种植中熏蒸剂科学施用提供依据，后续可深入探究其对土壤微生物及氮转化基因的长期影响。

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作者简介：王妍（2004.5），女，汉，河北保定，本科在读，研究方向：资源与环境；

* 通讯作者：张新星（1990.12）女，汉，河北邢台，博士，助理研究员，研究方向：农业环境保护 。

基金项目：保定学院科研培育基金：不同熏蒸剂田间作用效果评价研究（编号：2024D03）