茶園土壤N2O 產(chǎn)出與排放研究進(jìn)展

葉宗輝，鄭寧國(guó)，姚槐應(yīng),*

1. 武漢工程大學(xué) 環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院/環(huán)境生態(tài)工程研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國(guó)科學(xué)院 寧波城市環(huán)境觀測(cè)研究站，浙江 寧波 315800；3. 中國(guó)科學(xué)院 城市環(huán)境研究所，福建 廈門(mén) 361021

氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，對(duì)全球增溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為5%，是造成全球氣候變暖和極端氣候事件增加的主要原因之一[1]。施肥的農(nóng)田土壤主要通過(guò)硝化和反硝化作用向大氣釋放N2O，是大氣N2O 的重要排放源，占比達(dá)60%左右[2]。N 是茶樹(shù)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在生長(zhǎng)過(guò)程中，如果N 肥用量不足，可能引發(fā)茶樹(shù)生長(zhǎng)減慢、新梢萌發(fā)輪次減少等現(xiàn)象；同時(shí)，氮素還直接影響茶葉中茶氨酸、茶多酚以及咖啡堿等的含量，是決定茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素[3-4]。茶農(nóng)為追求最大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，將大量氮肥投入到茶園，引發(fā)土壤酸化、氮素流失和溫室氣體排放增加等系列問(wèn)題，增加土壤N2O 排放量[5-7]，茶園N2O 排放系數(shù)成倍增加[8]。 Akiyama 等發(fā)現(xiàn)日本茶園土壤的N2O 排放系數(shù)（2.82%）是農(nóng)田土壤（0.62%）的4.5 倍[9]。我國(guó)有超過(guò)30%的茶園存在過(guò)量施氮問(wèn)題[10]，Li等發(fā)現(xiàn)我國(guó)茶園土壤N2O 釋放系數(shù)（2.72%）高于聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）推 薦的施肥農(nóng)田土壤N2O 排放系數(shù)（1.0%）[1,11]。

針對(duì)這些現(xiàn)象，從業(yè)人員采取了一些N2O減排措施，但在茶園土壤的應(yīng)用效果并不明顯，甚至出現(xiàn)優(yōu)化氮肥施用方式后N2O 增加的情 況[3,12]。本文綜述了茶園土壤N2O 產(chǎn)出機(jī)制、影響因素及減排措施，提出當(dāng)前茶園土壤N2O 研究存在的問(wèn)題，并提出研究展望。

1 茶園土壤N2O 產(chǎn)出機(jī)制

茶園土壤氨氧化細(xì)菌硝化作用[13-14]、反硝化作用[15]及真菌反硝化作用[16]是產(chǎn)出N2O 的主要過(guò)程。酸性茶園土硝化和反硝化強(qiáng)度較高，N2O排放強(qiáng)度高于中性農(nóng)田土壤N2O排放強(qiáng)度。Zhu 等發(fā)現(xiàn)日本林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴鑸@后，土壤pH 值減少促進(jìn)了土壤硝化過(guò)程，抑制了反硝化過(guò)程中的N2O 還原過(guò)程，最終增加了N2O 釋放量[17]。Chen 等發(fā)現(xiàn)我國(guó)湖南省的松樹(shù)林開(kāi)墾為茶園后增加了土壤有機(jī)氮礦化過(guò)程和氨氧化細(xì)菌反硝化過(guò)程，使得N2O 排放量增加[15]。

長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥的茶園土硝酸鹽積累量較高，反硝化作用是偏酸性茶園土壤N2O 產(chǎn)出的主要貢獻(xiàn)者[18-19]?；谑覂?nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，Jumadi等發(fā)現(xiàn)印度尼西亞茶園土壤中反硝化細(xì)菌比種植土豆和松樹(shù)林土壤的反硝化細(xì)菌豐度高了1 ～3 個(gè)數(shù)量級(jí)[20]，反硝化過(guò)程對(duì)N2O 產(chǎn)出量的貢獻(xiàn)率達(dá)57%～76%[21]。Huang 等發(fā)現(xiàn)我國(guó)浙江龍井茶園土壤中真菌反硝化過(guò)程對(duì)N2O 的貢獻(xiàn)率達(dá)70%[16]。Zhang 等的研究表明，即使在有氧條件下，反硝化過(guò)程對(duì)我國(guó)江西省茶園土壤N2O 排放量的貢獻(xiàn)率高達(dá)73%[22]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，偏中性的茶園土中，硝化作用是土壤N2O 的主要產(chǎn)出過(guò)程。Cheng 等發(fā)現(xiàn)我國(guó)江蘇省pH 值為5.3 的茶園土壤中，自養(yǎng)硝化作用對(duì)土壤N2O 的貢獻(xiàn)率達(dá)50.4%～75.9%；但施肥顯著降低了pH 值，使得反硝化作用對(duì)土壤N2O的貢獻(xiàn)率由未施肥土壤的10.5%增加到施肥土壤的35.7%[23]。

2 茶園土壤N2O 排放的影響因素

通常情況下，土壤溫度升高、降雨和施肥均顯著增加了茶園土壤N2O 釋放量，土壤N2O排放量與土壤溫度、濕度以及礦質(zhì)氮含量呈顯著正相關(guān)[15,24-25]。然而，影響茶園土壤N2O 排放的主導(dǎo)因素在不同環(huán)境條件下存在較大差異。呂天新等對(duì)我國(guó)亞熱帶丘陵區(qū)典型茶園N2O 排放進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤溫度低于15℃時(shí)N2O排放主要與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)土壤溫度高于15℃時(shí)N2O 排放速率與土壤濕度以及礦質(zhì)氮含量呈正相關(guān)關(guān)系[12]。而Li 等對(duì)我國(guó)湖南省一座面積為4.8 hm2的茶園土壤N2O 排放量進(jìn)行高密度觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤N2O 釋放量與土壤礦質(zhì)氮含量以及含水量沒(méi)有顯著相關(guān)性[26]。Fu等進(jìn)一步觀測(cè)并區(qū)分了該茶園在濕潤(rùn)季節(jié)和干旱季節(jié)的土壤N2O 釋放量，發(fā)現(xiàn)在濕潤(rùn)季節(jié)，茶園土壤N2O 釋放量與土壤礦質(zhì)氮含量呈顯著正相關(guān)[27]。Tokuda 等研究表明，在溫度較高而較為干旱的夏季，土壤含水量是影響日本茶園土壤N2O 排放量的主要因素[28]。但在較為濕潤(rùn)的季節(jié)，Han 等發(fā)現(xiàn)降雨對(duì)我國(guó)浙江茶園土壤N2O 釋放的影響相對(duì)較小[8]。Hou 等對(duì)比了日本茶園施肥和未施肥土壤的N2O 排放量，發(fā)現(xiàn)未施肥的茶樹(shù)凋落物礦化釋放了大量的礦質(zhì)氮，使得茶園土壤N2O 的季節(jié)變異性主要由溫度而不是施肥所控制，施肥和未施肥的茶園土壤N2O 釋放量差異不大[29]。

茶園種植年限也影響了土壤N2O 釋放量。隨著茶園種植年限的增加，土壤酸化加劇以及NO3-積累量的增加均會(huì)影響N2O 排放量。Zhu等對(duì)我國(guó)江西省茶園土壤N2O排放量進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限由1 年增加到30 年，長(zhǎng)期施肥的茶園土壤銨態(tài)氮庫(kù)減少而硝態(tài)氮庫(kù)增加，土壤反硝化強(qiáng)度增強(qiáng)，使得茶園土壤N2O 排放量隨種植年限增加呈上升趨勢(shì)[17]。種植年限持續(xù)增加不會(huì)進(jìn)一步增加N2O 排放量。Jumadi 等發(fā)現(xiàn)雖然耐酸性硝化微生物作用下的硝化過(guò)程對(duì)N2O 的貢獻(xiàn)率增加[21]，但茶樹(shù)的根系分泌物和凋落物有效抵消了施肥對(duì)土壤硝化和反硝化作用的正效應(yīng)[30]，使得N2O 釋放量沒(méi)有隨著種植年限的增加而進(jìn)一步增加[21]。

3 茶園土壤N2O 減排措施

3.1 改善土壤酸性環(huán)境

添加白云石、堿石灰和生物炭等堿性物質(zhì)可以改善土壤酸性環(huán)境，通過(guò)降低土壤硝化和反硝化速率減少N2O 釋放量，但在不同研究條件下對(duì)土壤N2O 產(chǎn)出的影響存在較大差異。在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，Huang 等發(fā)現(xiàn)施用石灰可以抑制嗜酸性反硝化微生物活性，降低了反硝化作用強(qiáng)度，進(jìn)而減少了N2O 產(chǎn)出量[31]。Oo 等發(fā)現(xiàn)添加白云石未能有效減少土壤有效氮含量，但可能通過(guò)抑制N2O 還原酶活性降低N2O 釋放量[32]。但在田間試驗(yàn)中，Tokuda 等發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中適當(dāng)添加石灰可以有效減少N2O釋放量，過(guò)量施用石灰反而增加了N2O 釋放量[28]。

施用生物炭不僅改善了土壤酸性條件，而且有效減少了土壤礦質(zhì)氮含量而抑制土壤N2O排放[32-35]，而且這種抑制效率隨著生物炭增加而增加[33-34]。有學(xué)者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)施用生物炭增強(qiáng)了茶園土壤N2O 還原酶活性，促進(jìn)了土壤N2O 還原過(guò)程，最終使得N2O 釋放量降低[36-37]。不過(guò)，生物炭減少N2O 排放的效果可能受施用肥料類(lèi)型的影響。Li 等發(fā)現(xiàn)添加生物炭未顯著降低施用尿素的茶園土壤N2O 釋放量[11]。但在施用有機(jī)肥的茶園，He 等發(fā)現(xiàn)施用生物炭可以顯著降低土壤N2O 排放量[38]。

3.2 合理優(yōu)化施肥措施

我國(guó)大約有30%的茶園存在化肥施用量過(guò)高的問(wèn)題[10]，因地制宜減少氮肥施用量是減少茶園土壤N2O 釋放量的最有效措施。Han 等對(duì)我國(guó)浙江省N2O 排放的試驗(yàn)結(jié)果表明，合理的施氮量有效減少了土壤N2O 釋放量，過(guò)高的施氮量（900 kg·ha-1）使得N2O 排放量成倍增 加[8]。Hou 等也發(fā)現(xiàn)日本茶園土壤施肥量減半使得N2O 排放系數(shù)由7.0%減少至3.7%[29]。Wu 等發(fā)現(xiàn)在未減少茶葉產(chǎn)量的前提下，降低控釋肥料施用量可以使得湖南省茶園土壤N2O 釋放量減少26%[39]。

施用控釋肥料可以延長(zhǎng)茶樹(shù)對(duì)養(yǎng)分吸收利用的有效期，既可以提升茶葉產(chǎn)量、改善茶葉品質(zhì)[40]，也可以降低土壤有效氮含量，是減少農(nóng)田土壤N2O 排放的有效措施。但有研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥的茶園土壤中施用控釋肥料并未顯著減少N2O 釋放量，甚至使得N2O 釋放量增加[11]。Wu 等發(fā)現(xiàn)將控釋肥料用量減半可以使得N2O 釋放量減少26%而茶葉產(chǎn)量增加31%，而常規(guī)控釋肥料施用量使得N2O 釋放量增加97%而茶葉產(chǎn)量減少7%[39]?？赡苁情L(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥的茶園有效氮含量較高，常規(guī)的控釋肥料施用量超過(guò)了茶葉的氮素需求量，使得控釋肥料養(yǎng)分緩慢釋放的過(guò)程中硝化和反硝化強(qiáng)度維持在較高水平，促進(jìn)了土壤N2O 產(chǎn)出和排放[40]。

在茶園土中，大多數(shù)的硝化及反硝化微生物均分布在0 ～20 cm 的表層土壤[41]。將氮肥深施到茶園土壤中可以有效增加茶樹(shù)的氮素利用效率，降低硝化和反硝化強(qiáng)度而減少N2O 釋放量。Li 等在湖南省茶園的研究發(fā)現(xiàn)，將氮肥深施（＞ 20 cm）可以使得N2O 排放量有效減少19.3%[11]。不過(guò)，在降雨量較高的年份，土壤含水量相對(duì)較高，反硝化強(qiáng)度較大，深施氮肥增加了茶園土壤N2O 排放量[12]，并不是減少N2O釋放量的合理措施。

茶樹(shù)是喜銨植物，添加硝化抑制劑可有效 降低土壤硝化速率，增加茶樹(shù)的氮素利用效率， 減少茶園土壤N2O 釋放量?；谑覂?nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)， Tokuda 等發(fā)現(xiàn)施用三氯甲基吡啶（Nitrapyrin） 使得日本茶園土壤N2O 釋放量減少24%[42]； Huang 等發(fā)現(xiàn)添加雙氰胺（dicyandiamide, DCD） 和3,4-二甲基吡唑磷酸（3,4-Dimethylpyrazol phosphate, DMPP）等硝化抑制劑均減少了我國(guó)亞熱帶地區(qū)酸性茶園土壤硝態(tài)氮含量，使得施用氨肥的土壤N2O 產(chǎn)出量減少55%～70%，施用硝酸鹽的土壤N2O 抑制率為13%～21%[43]。但在田間試驗(yàn)條件下，施肥期間較高的土壤溫度和濕度以及酸性條件可能加快了DCD 降解速率，使得單獨(dú)施用DCD 抑制N2O 排放的效果不顯著。Hirono 等通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加DCD無(wú)法顯著減少施肥茶園土壤N2O 釋放量[44]，而添加氰氨化鈣（Calcium cyanamide, CaCN2）既有效提升了土壤pH 值，其分解產(chǎn)生的DCD 也降低了硝化和反硝化速率，使得土壤N2O 釋放量減少[18,45]。

通常情況下，施用有機(jī)肥通常會(huì)增加土壤呼吸速率，造成厭氧環(huán)境，利于茶園土壤通過(guò)反硝化過(guò)程向大氣排放大量的N2O[44,46]，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥降低了N2O 釋放量[38]，可能是不同有機(jī)肥的碳氮比（C/N）對(duì)N2O 釋放的影響存在差異。He 等整合了不同有機(jī)肥處理對(duì)酸性土壤N2O 釋放量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施用C/N 較高（＞8.6）的有機(jī)肥時(shí)，硝化和反硝化微生物不能將有機(jī)肥釋放的礦質(zhì)氮轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O[38]。施用微生物處理后的有機(jī)肥可以減少茶園土壤N2O 釋放量。Xu 等發(fā)現(xiàn)對(duì)茶園施用木霉微生物肥料利于植物吸收礦質(zhì)氮，減少了硝化和反硝化過(guò)程所需底物，使得土壤N2O 釋放量減少而茶葉產(chǎn)量增加[47]。隨后，Xu 等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，施用木霉微生物肥料主要通過(guò)增加nosZ 功能基因豐度，增加N2O 還原量，進(jìn)而減少N2O 釋放量[48]。

4 問(wèn)題與展望

綜上所述，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)茶園土壤N2O 產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及減排措施等方面開(kāi)展了許多研究，但仍然存在以下幾方面的問(wèn)題：（1）N2O 產(chǎn)出過(guò)程依然不清楚。盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究已經(jīng)明確了茶園土壤N2O 的產(chǎn)出機(jī)制，但這些研究主要通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)對(duì)N2O產(chǎn)出過(guò)程進(jìn)行區(qū)分。然而，相對(duì)于其他類(lèi)型土壤，茶園土壤N2O 對(duì)保存條件存在極高的要求，而當(dāng)前基于室內(nèi)培養(yǎng)的試驗(yàn)很少考慮這個(gè)問(wèn)題。（2）缺乏長(zhǎng)時(shí)間尺度上的茶園土壤N2O 減排措施研究?，F(xiàn)有針對(duì)茶園土壤N2O 減排的研究開(kāi)展較多，但由于茶園長(zhǎng)期施用大量氮肥，導(dǎo)致土壤硝酸鹽積累量較高，使得施用硝化抑制劑、控釋肥料等常用的N2O 減排措施在短期內(nèi)并未顯著減少茶園土壤N2O 釋放量，甚至增加了N2O 釋放量。（3）缺乏茶園土壤N2O 排放影響因素的系統(tǒng)研究。相對(duì)于其它耕作系統(tǒng)，當(dāng)前對(duì)茶園土壤N2O 釋放的影響因素研究較少。

針對(duì)當(dāng)前茶園土壤N2O 排放的研究現(xiàn)狀，還應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的探索：（1）采用原位觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)合同位素異構(gòu)體分析法有效量化茶園土硝化和反硝化過(guò)程對(duì)N2O 排放量的貢獻(xiàn)，闡明植物體及微生物交互作用下N2O 的產(chǎn)出機(jī)制及影響因素。（2）加強(qiáng)茶園土壤N2O 排放的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及減排試驗(yàn)，確定長(zhǎng)時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)茶園N2O 減排的有效措施，尤其是不同強(qiáng)度和頻率的降雨對(duì)土壤N2O 減排效率的影響。（3）增設(shè)我國(guó)不同氣候條件及土壤性質(zhì)下的茶園土壤N2O 排放的原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，加強(qiáng)不同氣候條件及土壤理化性質(zhì)等多因子交互作用下土壤N2O排放規(guī)律研究。（4）結(jié)合模型估算我國(guó)乃至全球茶園土壤N2O 排放總量，預(yù)測(cè)不同氣候條件、土壤條件和減排措施等對(duì)茶園土壤N2O 排放的影響，制定更為有效的溫室氣體減排策略，實(shí)現(xiàn)茶園的綠色可持續(xù)發(fā)展。