猪粪与菌剂配施对山地红壤温室气体排放的影响

2019-09-10王晓朋胡坤童晨晓朱巧莲黄昭昶毛艳玲

福建农业学报 2019年11期

王晓朋胡坤童晨晓朱巧莲黄昭昶毛艳玲

摘要：【目的】研究猪粪与菌剂配施对山地红壤温室气体排放的影响，为减少温室气体排放提供理论依据。【方法】通过盆栽试验，探讨对照（CK）、复合肥（F）、猪粪（FM）、低量菌剂与猪粪配施（FMI1）、中量菌剂与猪粪配施（FM12）和高量菌剂与猪粪配施（FM13）6种不同处理下土壤温室气体的排放规律。【结果】（1）施用菌剂可以显著降低CO2，CH，和N₂O的排放通量，且高量菌剂与低中量菌剂有显著差异性;（2）高剂量菌剂与CK相比，CO₂累计排放量降低了84.33%，CH₄累计排放量降低了76.39%，N₂O累计排放量降低了86.44%;（3）施用菌剂可以显著降低综合温室效应（GWP），菌剂施用量越大，对温室效应抑制越明显;（4）施用菌剂可以显著提高土壤养分含量。【结论】在施用肥料的基础上配施菌剂，可以降低山地红壤CO₂、CH₄和N₂O排放通量与综合温室效应，且菌剂剂量越大，效果越佳。

关键词：菌剂;猪粪;山地红壤;温室气体排放

中图分类号：S153 文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2019）11-1323-09

0 引言

【研究意义】温室气体排放引起的全世界气候变化是当今社会广泛关注的全球性问题。全球温室效应带来的一系列气候问题归咎于CO₂、CH₄和N₂O等温室气体[1]。其中CO₂对温室效应的增强起关键性作用，贡献率约占56%，CH₄约占15%，N₂O约占9%[2-3]。土壤是温室气体的重要来源之一，每年有大约10%的CO₂、15%～30%的CH₄、80%～90%的N₂O的来自于土壤[4-5]。土壤温室气体的排放对全球气候变化有不可忽视的作用，而不同类型的土壤温室气体的排放存在差异。福建省70%山地土壤为红壤[6]，因此探究山地红壤温室气体排放的相关规律及排放特征有重要意义。【前人研究进展】土壤中CO₂的主要产出途径为根系呼吸作用和有机质被微生物矿化分解[7]，甲烷产生菌和氧化菌互相作用产生的CH₄占土壤排放CH₄的80%[8]，70%的N₂O气体的产生由微生物主导[9]，可见温室气体的排放与微生物生理活动密切相关。微生物菌剂作为一种新兴肥料，既可以活化土壤养分，又可以提高作物产量和品质，还能提高肥料利用率，抑制农作物对重金属的吸收[10]。现有研究表明，在肥料中加入微生物菌剂是一种新的温室气体减排思路[11-13]。【本研究切入点】近年来，国内多将菌剂施用于果树、蔬菜中，用于提高作物产量、防治病虫害以及土壤修复[14-16]，而忽略了微生物菌剂对土壤温室气体排放的影响。【拟解决的关键问题】本研究通过盆栽试验研究猪粪配施不同剂量微生物菌剂对土壤CH₄、N₂O和CO₂排放的影响，以期通过微生物固氮及固碳过程中减少肥料对土壤温室气体排放的影响，为温室气体减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为花岗岩类风化的残坡积物发育的亚热带山地红壤，取自福建省三明市清流县灵地镇（25°51′N，116°49′E），采集深度为20cm，土壤风干后挑去石块、石砾和动植物残体，过2mm孔径筛。供试土壤基本性质为：有机质5.38g·kg^-1，全氮0.42g·kg^-1，全磷0.76g·kg^-1，全鉀0.42g·kg^-1，碱解氮24.15mg·kg^-1，速效磷7.31mg·kg^-1，速效钾30.42mg·kg^-1，pH5.43。

供试微生物菌剂为北京世纪阿姆斯公司生产，黑色颗粒状，有效菌种为枯草芽孢杆菌和胶冻样类枯草芽孢杆菌，每克菌剂中有效菌种数量大于10⁸个。

供试猪粪取自福建省三明市清流县灵地镇养猪场，放置阴凉通风处干燥后施用，其基本养分含量为：有机质384.85g·kg^-1，全氮21.98g·kg^-1，全磷30.11g·kg^-1，全钾2.82g·kg^-1。所用化肥为N：P^-1O₅：K₂O=15：15：15复合肥。

1.2 试验设计

试验地点为福建农林大学田间实验室（26°5′N，119°13′E）。选取直径33cm，高24cm的塑料花盆，每盆装土6 kgo共设6个处理：不施肥（CK）、复合肥（F）、猪粪（FM）、低量菌剂与猪粪配施（FMI1）、中量菌剂与猪粪配施（FMI2）、高量菌剂与猪粪配施（FMI3）。每个处理设3个重复，共18盆，随机排列，采取相同的农业管理措施。选用15：15：15复合肥，每盆施用量为1.2g，折合大田施用量为444kg·hm^-2。猪粪施用量为每盆40.54g，折合大田施用量为15t·hm^-2，与土壤混匀后装入盆中。微生物菌剂分低中高3个梯度施用，每盆施用量分别为10、20、30g，折合大田施用量分别为3700、7400、11100kg·hm^-2，与上述施用量的物料混匀后装入盆中。于2016年11月选择长势良好、株高约45cm的竹柏幼苗种植于装土的花盆中，每盆2株。

1.3 样品采集与测定

CH₄、N₂O和CO₂气体样品的测定采用密封静态箱法（明箱法）。箱体由长X宽X高为50cm×50cm×100cm，厚度5mm透明有机玻璃板制成，箱体顶部配有小风扇以混匀箱内气体，顶部设有温度计专用孔，测定箱内温度。箱体底部中央位置设盆栽花盆最大外径大小的圆孔，箱体与底板密封性良好，底板四周设凹槽，测量时以水密封。每月采集气体1次，每次采集均在上午9：00-11：00完成。分别在罩箱后的10、20、30min用50mL注射器从箱中抽取气体，来回抽动3次以完全混匀气体，转移到0.5L气体采样袋，并同步记录采样箱内温度。气体样品采用气相色谱仪（Agilent 7890A）测定CH₄、N₂O和CO₂的浓度，CH₄和CO₂检测器为火焰原子化检测器（FID），检测器温度为250℃，载气是高纯氮气（99.999%），柱箱温度为60℃;N₂O检测器为电子捕获检测器（ECD），检测器和分离柱的温度分别为330℃和55℃。

竹柏于2017年7月收获，种植结束后，每个盆内取0～20cm深混合样，测定土壤养分指标。土壤碳氮采用碳氮元素分析仪（德国ELEMENTAR）测定，土壤速效磷采用0.5mol·L^-1NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用NH₄OAc浸提火焰光度法测定，土壤全磷、全钾采用NaOH熔融法测定，土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸TOC测定仪（岛津SHIMADZU，日本）测定。

1.4 数据处理与分析方法

1.4.1 CH₄、N₂O和CO₂排放通量计算

式中：F为CO₂、CH₄和N₂O排放通量，单位分别为mg·m^-2·h^-1、mg·m^-2·h^-1和μg·m^-2·h^-1;ρ为标准状态下CO₂、CH₄和N₂O气体密度，分别是1.96kg·m^-3，0.714kg·m^-3和1.25kg·m^-3;V为采样箱体积，m³;A为盆栽表层土面积，m²;dC/dt为单位时间内采样箱内CO₂、CH₄和N₂O浓度变化率;T为采样过程中箱内的平均温度（℃）;CO₂、CH₄和N₂O排放通量用3個重复的平均值表示。

1.4.2 温室气体累计排放量计算

式中：F_i表示生长期内CH₄、N₂O和CO₂平均排放通量;D表示生长天数。

1.4.3 综合温室效应计算

式中：R_CH₄为季节累积排放量，kg·hm^-2;R_N₂O为N₂O季节累积排放量，kg·hm^-2;25和298分别为CH₄和N₂O与CO₂增温潜势相比的倍数系数。

1.4.4 数据处理运用Excel 2013和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析，用LSD进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 猪粪与菌剂配施对山地红壤CO₂排放的影响

由图1可知，不同处理间土壤CO₂排放通量的变化趋势大致相同，CO₂排放通量均为负值，不同处理间CO₂排放在不同时间段内有差异性。不同剂量微生物菌剂施入土壤中，CO₂排放通量均呈现下降趋势，表现出对CO₂的吸收作用，随后吸收强度逐渐减弱。高量菌剂与猪粪配施（FMI3）处理中CO₂排放通量在各个时间段均低于其他处理，平均通量为-209.61mg·m^-2·h^-1，而中量菌剂与猪粪配施（FMI2）CO₂平均通量为-137.13mg·m^-2·h^-1，降低幅度为52.45%，FM13最小值出现在2月12日，为-278.80mg·m^-2·h^-1。

整个试验期内，土壤CO₂累计排放通量表现为负值（图2）。各处理对CO₂吸收能力大小为FMI3>F>FMI1>FMI2>FM>CK。不施肥（CK）累计排放量为-6424.24kg·hm^-2，为各处理间最大值。低量菌剂与猪粪配施（FMI1）和中量菌剂与猪粪配施（FMI2）累计排放量为-8421.34、-7767.23kg·hm²，与CK相比累计吸收量分别降低31.08%、20.90%。高量菌剂与猪粪配施（FM13）累计排放量为-11841.56kg·hm^-2，为处理间最小值，与CK相比降低84.33%，与FM相比降低54.89%，与FM12相比降低52.45%，高量菌剂表现出较强的CO₂吸收能力，说明猪粪配施微生物菌剂可以有效增加土壤对CO₂的吸收能力。

2.2 猪粪与菌剂配施对山地红壤CH₄排放的影响

试验期内各处理CH₄排放通量变化趋势如图3所示，各处理间变化趋势大致相似，同一处理在不同时间段存在差异性，CH₄排放高峰出现在2～3月，之后排放量逐渐回落。与其他处理相比，对照（CK）在试验期内CH₄排放通量变化较为平稳，平均排放量为0.089mg·m^-2·h^-1，高于其他施肥处理。高量菌剂与猪粪配施（FMI3）处理中CH₄排放通量在各个时间段均处于较低水平，在3月12日出现负排放，最小值为-0.035mg·m^-2·h^-1，平均排放通量为0.021mg·m^-2·h^-1，与CK相比降低76.39%，表现出较强的CH₄吸收能力。

各处理CH₄累计排放量均为正值（图4），试验期内CH₄累计排放通量大小为FMI3>F>FMI1>FMI2>FM>CK。与CK相比各处理甲烷排放降低了1.1～2.2倍，猪粪配施菌剂降低了甲烷的排放。CK处理中CH₄累计排放量为5.04kg·hm^-2，是处理间最大值。FMI3处理中CH₄累计排放量为1.19kg·hm^-2，是处理间最小值，与CK相比降低了76.39%，与FMI2相比降低了61.35%，说明配施高量菌剂能显著降低土壤CH₄的排放量。

2.3 猪粪与菌剂配施对山地红壤N₂O排放的影响

试验期内各处理N₂O排放规律见图5，排放峰值集中在3月份。对照（CK）生长期内N₂O排放通量皆高于其他施肥处理，最大值为3月12日的N₂O排放通量34.56μg·m^-2·h^-1，平均排放通量为21.49μg·m^-2·h^-1。高量菌剂与猪粪配施（FMI3）处理中N₂O排放通量在各个时间段均处于最低水平，在1-2月份出现负排放，最小值为-5.64mg·m^-2·h^-1，平均排放通量为2.91mg·m^-2·h^-1，与CK相比降低86.44%，高量菌剂可以有效抑制N₂O的排放。

试验内各处理土壤N₂O累计排放量见图6，各处理N₂O均为正排放。各施肥处理与不施肥（CK）相比，N₂O排放量均呈現降低的趋势。与CK相比，各施肥处理N₂O累计排放量降低了3.2～6.0倍，其中高菌剂配施猪粪（FMI3）处理最为显著。添加微生物菌剂后，3个浓度的N₂O累计排放量分别为0.94kg·hm²、0.74kg·hm²和0.16kg·hm²，与CK相比添加菌剂后对土壤从。的排放有抑制作用，且随着菌剂剂量的增加，N₂O排放量减少。

2.4 猪粪与菌剂配施对山地红壤综合温室效应的影响

试验内各处理的综合温室效应大小与CH₄4N₂O的增温潜势序相同（表1），说明本研究中CH₄和N₂O对综合温室增温趋势的影响一致。各处理综合温室效应大小为：FM13>FM12>FMI1>FM>F>CK，在100年尺度下，施用菌剂降低了土壤综合温室效应，且随着施入微生物菌剂剂量的增加，综合温室效应抑制效果越明显，与CK表现出显著差异（P>0.05）。与FM相比，加入高量菌剂的处理综合温室效应减少了53.67%。

2.5 猪粪与菌剂配施对山地红壤微生物量碳的影响

不同处理间土壤微生物量碳差异较大（图7）。空白（CK）和复合肥（F）处理最低且没有显著差异。与空白相比，施用猪粪（FM）后土壤微生物量碳大幅提高了1.3倍。与猪粪处理相比，添加菌剂后土壤微生物量碳含量提高了13.40%～89.67%，且随着菌剂施用量的增加微生物量碳含量增加。

2.6 猪粪与菌剂配施对土壤养分状况的影响

猪粪与菌剂配施有提高土壤养分含量的效果（表2）。土壤全氮提升了11.90%～69.05%，猪粪处理（FM）对土壤全氮含量提升最大，菌剂配施猪粪对全氮含量的提升效果低于不施用菌剂的处理，且不同菌剂用量对土壤全氮含量无显著差异。土壤全磷含量随菌剂施用量的提高而提高，但不同菌剂用量处理间无显著差异，FM处理与配施菌剂处理（FMI）间土壤全磷存在显著差异，菌剂与猪粪配施能显著提高土壤全磷含量，与CK相比施用猪粪全磷含量提高了64.52%，施用菌剂的处理全磷含量提高了1倍。菌剂与猪粪配施处理（FMI）土壤全钾含量相比空白处理显著提高了22.67%～31.26%，且随菌剂使用量的提高而提高，但不同施用量间无显著差异。FM处理全钾含量提高了16.71，提升效果显著低于菌剂与猪粪处理。在速效养分上施用猪粪和菌剂的处理均显著高于不施肥和单施复合肥处理。与空白相比，菌剂与猪粪配施后土壤碱解氮含量提高了43.15%～49.77%，速效磷提高了5.05～5.15倍，速效钾提高了1倍，速效养分随菌剂施用量的提高而提高，但不同用量间无显著差异。FM处理碱解氮和速效磷含量低于配施菌剂处理，但速效钾含量与菌剂处理无显著差异。与空白相比，施用猪粪碱解氮提高了22.45%，速效磷提高了3.52倍，速效钾提高了86.75%，施用猪粪可以显著提高土壤速效养分，菌剂与猪粪配施效果更佳。

3 讨论

3.1 猪粪与菌剂配施对COZ排放的影响

本研究中所测的C02排放通量为包括土壤呼吸与地上部植物呼吸共同作用的结果。结果表明，施肥会降低土壤CO₂排放量，猪粪与菌剂配施效果更为明显。与未施菌剂相比，加入微生物菌剂可以降低CO₂排放量，但高量剂量微生物菌剂与低中剂量的减排效果有明显差异。猪粪的施入，提高了土壤养分含量，为植物和微生物的生长发育提供条件;而菌剂的加入，为土壤带来大量枯草芽孢杆菌，增加了原生微生物的数量和种类[17-18]，促进了生物固碳的过程，土壤碳库被微生物截留下来用于生长繁殖[19]，同时枯草芽孢杆菌还具有分解并抑制土壤中病菌、害虫的滋生的特点，为作物根系的健康生长提供良好的环境，并且枯草芽孢杆菌能够诱导能够产生类似细胞分裂素、植物生长激素的物质，使植物不受病原菌的侵害，在此环境下植物生长速度加快，吸收大量CO₂进行光合作用合成自身所需养分[20-22]，因此CO₂排放量呈降低的趋势。

3.2 猪粪与菌剂配施对CH

甲烷的排放主要指甲烷产生、氧化和甲烷从土壤传送到大气三个过程，甲烷的产生是关键环节，甲烷的产生过程由产甲烷菌控制[23-25]。王玉英[25]对冬小麦一夏玉米轮作体系土壤温室气体通量进行研究，认为微生物数量增加可能会对CH₄的排放或吸收有抑制作用。猪粪与菌剂配施，为土壤带来大量枯草芽孢杆菌，破坏了原生微生物圈的平衡，枯草芽孢杆菌与其他微生物争夺氧气和营养物质，形成空间占位[26]，限制甲烷菌的繁殖发育，激活土壤中有益菌的数量与活性，加快分解植株根系分泌物和土壤有机质，减少产甲烷基质从而使甲烷产率降低[27-28]。

3.3 猪粪与菌剂配施对N

土壤N₂O的产生主要来自硝化和反硝化过程[29-30]，这两个生物过程的限制条件主要为土壤含水量和氧气状况[31]，高氧气条件下，消化过程为主导，反之反硝化过程为主导。王斌[29]在水稻大田实验中施用了有效微生物菌剂（EM），发现EM对水稻的NZO有减排效果，其原因可能是菌剂中的一些菌群在生长代谢中对铵态氮和硝态氮吸收利用，并与硝化细菌、反硝化细菌形成了竞争关系，从而降低了N₂O的排放。[32]等认为芽孢杆菌可以使小分子氮素化合物更容易被植物吸收利用，进而对N₂O的排放起到一定控制作用。本研究中，猪粪配施微生物菌剂后，对土壤N₂O排放表现出抑制作用，原因可能为菌剂中大量的枯草芽孢杆菌，对铵态氮和硝态氮吸收利用，并限制硝化/反硝化细菌的繁殖发育，同时促进植物根系吸收小分子氮素化合物，从而降低N₂O的排放。

3.4 微生物菌劑对综合温室效应的影响

本研究在100年尺度上评价不同施肥措施山地红壤CH₄和N₂O的综合温室效应。各处理与CK相比，综合温室效应显著降低，高量菌剂配施猪粪处理的综合温室效应最显著，说明施用菌剂会显著降低土壤的综合温室效应。与猪粪处理相比，微生物菌剂可以显著降低山地红壤的综合温室效应，但随着菌剂剂量的增加，对综合温室效应的抑制作用增加。

3.5 微生物菌剂对土壤微生物量碳的影响

土壤微生物量碳可以有效的表征土壤微生物，是土壤质量变化的生物学指标[33]。本研究中，土壤微生物量碳含量较低，主要是因为供试土壤有机碳含量比较低（5.38g·kg^-1），且种植盆栽前土壤经过晾晒，原生微生物群落破坏严重。单施复合肥量比较小，对土壤微生物量影响较小。施用猪粪后，带人了大量的碳源和氮源，促进了微生物的生长繁殖，因此与CK相比，微生物量碳大幅提高。菌剂中本身就含有大量的枯草芽孢杆菌，借助猪粪和复合肥的养分，施入土壤后迅速生长繁殖，从而提高土壤微生物量。有研究表明化肥与有机肥配施下土壤微生物量碳显著大于不施肥和单施化肥的处理，微生物量碳也是土壤生物固碳的重要过程，外源有机物料的添加能显著影响土壤微生物量碳的变化。施用微生物菌剂后土壤微生物量碳显著高于其他未施用菌剂处理，说明菌剂中的农业益生菌施入土壤后可以存活，且有助于土壤温室气体的减排。

4 结论

施用有机肥降低了土壤温室气体的排放，在原有施肥条件下添加复合微生物菌剂后，可以有效降低山地红壤温室气体排放，且随着菌剂施用量的增加，效果越明显。与空白相比，猪粪配施菌剂CH₄和N₂O排放量都大幅降低，猪粪配施高剂量菌剂增幅最大。施用微生物菌剂大幅提高土壤微生物量碳，提高土壤的生物固碳、固氮过程。总的来看，在施用猪粪的基础上配施微生物菌剂，不仅可以提高土壤肥力，降低山地红壤温室气体排放，还可以消纳有机废弃物，减少畜禽粪便对环境的破坏。

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