農田土壤N2O排放的主要影響因素

謝 勇，榮湘民，何 欣，石敦杰

（湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128）

農田土壤N2O排放的主要影響因素

謝 勇，榮湘民，何 欣，石敦杰

（湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128）

農田土壤是溫室氣體N2O產生和排放的主要源頭之一，研究農田土壤N2O排放的主要影響因素，對于減少N2O產生和排放具有重要意義。根據文獻研究對農田土壤N2O的排放機理和影響因素進行了綜述，重點從土壤理化性狀和耕作管理兩大方面闡述了其對農田土壤N2O排放的影響。結果表明，在農業生產過程中減少農田N2O排放需要根據不同的土壤理化性狀進行相應合理的耕作管理，尤其是在水分和施肥環節的調控上影響較為突出。同時，就目前有爭議的問題指出了其可能原因。

農田土壤；N2O排放；影響因素；綜述

氧化亞氮（N2O）是除二氧化碳和甲烷以外的第三大溫室氣體，具有很大的增溫潛能，1 kg N2O的增溫效應相當于296～310 kg CO2，對溫室效應的貢獻率約為5%[1-2]。在整個地球生物圈N2O貢獻總量中，土壤向大氣排放的N2O占比高達90%[3]，其中80%～90%的N2O排放來自于農田土壤[4]，顯然農田土壤是全球重要的N2O排放源[5]。導致農田土壤N2O形成和排放的根本原因是土壤微生物利用土壤氮或肥料氮進行硝化與反硝化作用。因此，影響硝化反硝化作用的主要因素，也成為影響農田土壤N2O排放的主導因子。影響農田土壤N2O排放的因素眾多，如土壤本身的理化特性（土壤物理化學性質和微生物結構）、管理因素（農業措施、作物類型）和環境因子（降水、溫度、光照）等；其影響程度也存在差異。研究農田土壤N2O排放的主要影響因素，以便正確估計和評價農業源對大氣N2O的貢獻，這對促進溫室氣體減排具有重要的指導意義。

1 農田土壤N2O產生機理

1.1 農田土壤氮素的硝化作用

1.2 農田土壤氮素的反硝化作用

反硝化作用實質上是硝化作用的逆過程，是指在厭氧條件下，由土壤微生物將硝酸鹽、亞硝酸鹽或硝態氮還原為氣態氮的過程，其中產生氮氣（N2）和氧化氮（NO，N2O）（如圖1所示）。現已公認，N2O是反硝化過程中的一種中間產物，隨條件的變化，中間產物可以積累在土壤中，也可以從土壤中逸散。研究表明，土壤水分和pH值對土壤反硝化作用的影響較為顯著，它們決定了N2O與N2的比例[6]。

2 土壤理化特性對農田土壤N2O排放的影響

圖1 硝化作用與反硝化作用過程

2.1 土壤通氣狀況

土壤水分含量和土壤氧氣擴散難易及耗氧程度決定著土壤通氣狀況；同時，土壤通氣狀況又影響著土壤硝化和反硝化作用的發生以及N2O在土壤中的擴散速率。Anderson等[7]的土壤灌氧試驗結果表明，土壤灌氧180 h之內，灌氧量越高，土壤N2O排放量越高；超過320 h后，N2O排放量繼續增加，此時O2含量逐漸降低，土壤微生物以反硝化作用為主。衣純真等[8-9]的研究表明，等溫等濕條件下，土壤通氣狀況顯著地影響農田土壤的硝化作用與反硝化作用；嫌氣條件下以反硝化作用為主，好氣條件下硝化作用增強，而大量的N2O排放主要出現在有利于反硝化作用的高含水量土壤中。土壤反硝化速率與O2含量成反比，在土溫較高時更為明顯。反硝化產物的組成和數量也受O2有效性的影響。隨土壤環境條件的變化，土壤反硝化產物中N2O/N2比例會發生較大變化，N2O或N2在一定條件下可成為反硝化的唯一產物。

2.2 土壤質地

土壤質地對土壤通氣狀況有直接影響，進而也影響土壤的硝化與反硝化作用。砂質土壤的通氣性較好，氣體擴散快，其產生的N2O容易向大氣中排放。Mosier等[10]發現，氮肥施用后對農田土壤N2O排放的影響與土壤質地有關，砂性土壤施氮后N2O排放通量增加不明顯，而粘質土壤施氮后N2O排放通量顯著增加。

另有研究表明，輕質地土壤的硝化反應較快，而重質地土壤保水性強，長時間下產生的N2O潛能高，向大氣中擴散卻較慢，土層較深的土壤產生的N2O向土表轉移時易被還原成N2，因此更適宜于反硝化作用[11]。相比水田，旱地土壤含水量低，產生的氣體容易擴散，故在N2O排放通量上重質地土壤大于輕質地土壤。

2.3 土壤有機質含量

土壤有機質礦化后的產物既為微生物硝化反硝化過程提供反應底物，與此同時，其本身也是微生物活動的能量源泉。土壤有機質大量分解，消耗部分氧氣，使土壤產生缺氧區域，進而間接抑制硝化作用[12]，而其生物有效性是調控土壤生物反硝化速率和作用強度的重要因子。有機質含量高，利于硝化反硝化反應的進行，促進N2O的排放，因為有機碳為土壤微生物活動提供能源和基質，對土壤微生物群落和活性有重大影響[13-14]。

通常，土壤有機碳對硝化速率的影響不大，而與反硝化速率正相關，因為土壤有機碳是反硝化微生物活動的電子供體和細胞能源，反硝化速率和N2O的排放受其生物有效性的影響，但這種影響不是直接的，是與其他影響因子共同作用后再作用于N2O的排放。

另外，通過添加有機碳（比如施用有機肥）使土壤中易分解有機質增多，促進微生物的呼吸作用，加快氧氣的消耗，形成土壤厭氧環境，間接地促進了土壤的反硝化作用和N2O釋放。但有研究發現，施用有機肥的處理土壤N2O的排放量高于無機肥處理，也有相反的結論。這可能與有機肥中有機碳的添加量及C/N比有關，因為有機質的分解受有機質C/N比的影響，通常土壤微生物適宜的C/N比是25～30∶1，若大于或小于該范圍，有機質分解和微生物活性均會受到影響，進而抑制或促進土壤N2O產生和排放[15]。

2.4 土壤pH值

土壤pH值主要通過調節各氮素轉化過程中微生物活動和不同作用階段的酶活性來影響N2O的形成和排放。眾多學者探究表明，土壤pH值為7.0～8.0時，硝化反硝化微生物菌落最活躍，硝化反硝化速率最佳[16]。Duggin等[17]研究表明，pH值在5.6～8.0時，硝化速率隨pH值的上升而增大。Daum等[18]發現pH值在3.8～8.0時，反硝化產生的N2O隨pH值的下降而增加，因為在pH值為3.8～5.0時，N2O是唯一的或主要的反硝化產物；當pH值升至5.6～6.6時，N2O只在試驗初期是反硝化主要產物；當pH值為6.9～8.0時，N2成為反硝化的主要產物。土壤pH值對反硝化作用的影響較復雜，研究者從不同的角度探索得出了不同的研究結果。

2.5 土壤含水量

土壤水分含量是影響土壤N2O產生和排放最主要的因素之一，因為土壤水分含量直接影響土壤微生物的活性和土壤通氣性，進而影響土壤硝化作用與反硝化作用的進行以及N2O在土壤中的傳輸和向大氣的擴散。在一定范圍內，含水量提高可增加礦化速率和養分有效性，微生物的活性增強，耗氧量加大，易形成厭氧區域，從而抑制土壤硝化作用，促進土壤反硝化作用[19]。當土壤水分含量達到土壤硝化和反硝化作用“雙贏”的條件時，N2O的生成和排放達到峰值。鄭循華等[20]研究表明，當土壤濕度達田間持水量的90%～100%或者土壤充水孔隙度（waterf lled pore space，WFPS）達77%～86%時，N2O排放最多。Granli和Bockman[21]的研究表明，耕作土壤中WFPS為30%～70%時以硝化作用為主，而當WFPS為70%～90%時以反硝化作用為主。封克等[22]研究表明，當WFPS為45%～75%時，N2O的產生是硝化和反硝化共同作用的結果。一般農田土壤含水量在田間持水量以下時，N2O的產生和排放隨土壤濕度的增加而增加[23]，此時硝化作用是N2O的最基本來源。當土壤含水量在田間持水量的基礎上增加時，O2擴散受阻，硝化作用受限制，反硝化作用開始加強；但土壤含水量增加過高，反硝化產物將會以N2為主，N2O在土壤中的擴散也受到嚴重阻礙，從而減少N2O的排放。因此，在高水分含量情況下，N2O的產生和排放與土壤水分含量呈負相關[24]。農田土壤尤其是水田土壤的干濕交替過程就是典型的水分含量高低變化劇烈的過程，能夠極大地促進N2O在土體中產生和傳輸逸出。于亞軍等[25]對稻田N2O的排放觀測結果表明，稻田排灌交替期N2O的平均排放速率[163.4 g/(m2·h)]與排放總量（1.412 kg/hm2）明顯高于持續淹水期[51.9 g/(m2·h)、0.572 kg/hm2]和排水曬田期[53.9g/(m2·h)、0.316 kg/hm2]。梁東麗等[26]的研究也表明，同一土壤在同等WFPS含量條件下，土壤由濕變干過程以及土壤由干變濕過程中產生的N2O通量存在顯著差異，前者大于后者，其原因存在爭議，有待進一步探究。

土壤水分含量除了通過影響N2O排放的硝化反硝化過程以外，還可以通過其他方式影響N2O的排放。降雨和灌溉可以驅出N2O高濃度區域的空氣，導致N2O的峰值排放。水分本身可以傳輸N2O，在25℃下N2O在水中的溶解度為0.7 g/L，溶解的N2O可隨徑流水、滲漏水或灌溉水進入水體，或在土壤干燥時再排放到大氣中[24]。因此，水稻田的水層深度也是影響N2O排放的因素。Jacinthe等[27]的研究表明，10 cm水層土壤的N2O排放量顯著高于50 cm水層的N2O排放量。

2.6 土壤溫度

反硝化微生物活動的適宜范圍是5～75℃，其中最適范圍是30～67℃。溫度降低并不會明顯減弱反硝化反應的速率，即使在0～5℃的低溫條件下仍能發生反硝化作用，說明低溫對反硝化作用的影響不大，這可能是微生物種群差異的結果。溫度升高，反硝化速率增大，N2排放增加，N2O/N2比值下降，N2O排放被抑制。溫度高于50℃時，化學反硝化可能成為主要作用[28]。

綜上所述，溫度變化對硝化和反硝化微生物的活性都會有所影響，但整體來看反硝化作用對溫度的敏感度更高[29]。

謝軍飛等[30]認為N2O排放通量在10～30℃范圍內隨土層溫度的升高有一定程度的增加，但不具有明顯的線性關系。鄭循華等[28]發現適宜的土壤水分條件下，N2O排放通量與溫度的關系可以用指數函數F=Aeat來描述（式中，F為N2O日平均排放通量，t為5 cm土層日平均溫度，A、a為常數）。 王立剛等[31]研究表明，N2O排放表現出多峰的日變化特征，具有一定的隨機性。N2O排放的最大值在一天中出現在溫度較高的15:00左右，而最小值出現在夜晚溫度較低時段。這種隨機性可能源于其他重要影響因子的作用，比如說水分或者氮素養分的影響大于溫度時，溫度的作用就不明顯[32]。孫向陽等[33]發現，土壤N2O排放的季節性較明顯，表現為夏季最高，春秋季次之，冬季最低甚至出現負值。王立剛等[31]在棉花地、休閑地和冬小麥-夏玉米地土壤N2O排放的研究中也得到了同樣的結論。

另外，從N2O生成后在土壤中的分子運動來看，溫度對氣體的擴散運動影響極大，溫度越高氣體擴散越快，N2O從土壤中溢出的量也越大。研究發現，10～30℃范圍內，隨著溫度的升高，N2O釋放的快速期、減速期和穩定期的啟動時間明顯提前[30]。

3 耕作管理對農田土壤N2O排放的影響

3.1 耕作制度

種植不同的作物對于農田土壤N2O排放的影響也有差異，豆科固氮作物可以直接增加土壤中的氮源，從而促進N2O的產生和排放；水稻等作物內部有氣體通道，可以增加N2O從土壤到大氣的排放量。作物產生和排放N2O也是一個普遍現象。陳冠雄等[37]研究表明，大豆、春小麥和谷子3種植物均可排放N2O，且排放速率的變化規律也都相似，相應生育期內，種植大豆的土壤N2O排放速率明顯比谷子和春小麥高。由此可知，作物覆蓋可以增加農田土壤N2O排放，不同作物N2O排放量不同。此外，作物的枯枝殘骸、根系分泌物等也均可影響N2O的產生和排放。

輪作方式對農田土壤N2O的產生和排放也有影響。陳書濤等[38]的研究表明，常規耕作制度下，不同輪作方式的農田土壤N2O產生/排放的情況是：玉米-小麥＞大豆-小麥＞水稻-小麥。徐文彬等[39]對我國亞熱帶旱地玉米-油菜、大豆-冬小麥輪作和休耕地的研究發現，這3種種植制度下N2O排放量存在較大差異。Xing等[40]通過盆栽試驗發現，不同輪作方式下，稻田生態系統N2O產生/排放差異明顯，表現為：單季水稻-冬季淹水休閑＜雙季水稻-冬小麥＜單季水稻-冬小麥。這些差異可能是由于所采用的水分管理、肥料施用、作物類型和農業管理措施等綜合因素不同所致。

3.2 水分管理

農田土壤水分的管理可改變土壤的溫濕度、土壤通氣性、碳氮形態、O2濃度等，從而影響硝化反硝化菌的活性，導致N2O-N的排放表現出差異。研究表明，旱地土壤N2O-N排放系數明顯高于水田土壤[41]；水稻生長期不同的水分管理下，N2O排放的差異明顯，持續淹水的灌溉模式下N2O-N排放系數僅為0.02%，遠小于淹水-烤田-淹水（0.42%）、淹水-烤田-干濕交替（0.73%）兩種模式[42]。

通常，旱地土壤N2O排放的變化較小，在灌溉后一周內土壤N2O排放通量才會有明顯的增長變化。旱地灌溉前后，土壤經歷了由干變濕和由濕變干的水分變化過程，其轉變過程中土壤N2O排放動態不同。由干變濕時，土壤N2O排放通量隨土壤WFPS的增加而上升，但在土壤由濕變干過程中土壤N2O排放通量是先增后減（WFPS為70%時達到最大）[43]。

目前，對于旱作農田灌溉方式對N2O排放的影響存在爭議。有研究者認為，溝灌土壤的N2O排放高于滴灌，因為溝灌使土壤的WFPS增加，促進反硝化作用；也有研究者認為溝灌土壤的N2O排放低于滴灌，因為滴灌是局部濕潤，土壤中的水、氣熱條件相對協調，利于土壤有機氮礦化[44]。

關于不同水分管理方式下水田土壤N2O的變化已有大量研究表明，水田持續淹水時期N2O排放通量一直維持在較低水平；而在曬田及隨后的復水期，N2O排放通量出現峰值，且在此期間N2O排放量占水稻生長期N2O排放總量的70%～94%。這說明水田水分管理是決定N2O排放的主要影響因素[41]。

3.3 氮肥施用

氮肥的類型、施用量、施肥方式及施肥時間也可影響農田土壤N2O的排放。侯愛新等[45]的研究表明，與施用普通碳酸氫銨和尿素相比，施用長效碳酸氫銨能使N2O釋放高峰明顯延遲，且N2O累積排放量顯著減少，這可能是由氮素形態轉化時間和量上的差異導致的。Hadi等[46]研究發現，與尿素相比，包膜肥料釋放的緩慢性，能有效調節土壤有效氮含量，既能滿足作物的營養需求，又可降低N2O排放量92%左右。一般情況下，農田土壤N2O產生和排放隨施氮量的增加而增加。稻田施肥方式的變更，N2O減排效果較明顯。氮肥深施、少量多次施用或分期分批施用均可顯著減少N2O的排放。

目前，關于施用有機肥和無機肥對農田N2O產生和排放的影響的研究結論不一致，這可能與各自試驗條件不一致有關。有研究表明，在早稻生長季節，有機肥（綠肥）與化肥（尿素）配施，能夠顯著增加N2O排放量[47]。而Zheng等[48]觀測發現，施用有機肥和化肥（碳酸氫銨）的田塊中，N2O的排放量比單施化肥的田塊減少了30%左右。兩個研究的結果全然相反，這可能是有機肥和化肥的種類與施肥比例差異導致的，也可能與土壤類型及其他各種條件變化有關。曾江海等[49]的研究表明，在同等條件下，單施有機肥的土壤N2O排放量占總施氮量的0.70%，單施尿素的土壤N2O排放量占總施氮量的0.54%，顯然有機肥更能促進N2O的生成與排放。這是因為有機肥含有較多的微生物群落和有機C、N，大大激發了硝化反硝化菌群活性，加強了土壤硝化反硝化作用。秦曉波等[50]的研究表明，對于早稻而言，只施化肥處理的N2O排放量最大；對于晚稻而言，施用化肥和有機肥處理的N2O排放量最大。出現早晚稻N2O排放迥異的原因可能與有機肥（稻草）的腐熟程度、田間溫度和土壤溫度差異有關。綜上可知，關于有機肥與化肥處理對土壤N2O排放的影響是個相當復雜的過程，其作用機理還比較模糊，有待于進一步研究。

4 結 論

在各種主要影響因子的限制下，農田土壤N2O排放可能受限，也可能被激發。土壤理化性狀的差異，在不同程度上會影響土壤硝化和反硝化的過程，且不同因素之間的影響效果是主次協調的。土壤水分含量是決定土壤氮素轉化的總體方向，是影響土壤N2O排放的最主要因素之一。當土壤水分含量利于硝化反硝化作用同時進行時，才會促進大量的N2O生成。當水分條件最佳時，影響農田土壤N2O產生和排放的主導因子可能是氮肥的施用或者其他因素，此時水分的作用就不再明顯了；或者是在同等水分含量條件下，土壤N2O排放對土壤濕度的響應有可能因為土壤有機碳、pH值、土壤中的氮素和土壤質地等的差異而不同。土壤N2O排放既受土地利用方式或耕作方式的影響，也受不同作物類型的影響，它們的影響機理有待進一步研究。氮肥有機和無機形態的施用量、施用配比模式以及施肥時間對農田土壤N2O產生/排放的研究結論各有不同，需要進一步探究。

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（責任編輯：成 平）

Review of Main Influence Factors of N2O Emission in Cropland Soil

XIE Yong，RONG Xiang-min，HE Xin，SHI Dun-jie
（College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC）

Cropland soil is one of the major sources of greenhouse gas N2O generation and emission, and it is of important signif cance for reducing the generation and emission of N2O to study on the main inf uence factors of N2O emissions from cropland soil. Based on a large number of literatures, this paper has reviewed the mechanism and the inf uencing factors of the N2O emissions, particularly on soil physicochemical characters and cultivation management; found that reducing agricultural N2O emissions needs the corresponding reasonable tillage management in the process of agricultural production based on different soil physicochemical properties, especially the regulation of the effects of water and fertilizer application; and pointed out that some related controversial problems with probable cause would be solved in research progress.

cropland soil; N2O emission; inf uence factor; review

S154.2

：A

：1006-060X（2015）11-0092-06

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.11.028

2015-10-08

國家科技支撐計劃課題（2014BAC09B01）；湖南省教育廳平臺項目（15K056）

謝 勇（1990-），男，湖南攸縣人，碩士研究生，主要從事農田氮磷面源污染防控研究。

榮湘民