家畜排泄物驅動的草地氧化亞氮釋放及其影響因素

寧瑞迪，宋月青，王 嶺

（東北師范大學植被生態科學教育部重點實驗室，吉林 長春 130024）

氧化亞氮(N2O)是一種受人類活動影響的重要的溫室氣體，它的溫室增溫潛能是同濃度二氧化碳的310倍，對全球的氣候變化具有強烈的影響[1-2]。自18世紀以來，大氣中N2O的濃度已增加近20%(從2.77 × 10-7mg·kg-1增至3.22 × 10-7mg·kg-1)，且近年來仍以每年約0.25%的速度增加[3]。其濃度的增加不僅加劇了全球的溫室效應，而且會間接破壞臭氧層，增強到達地球表面的紫外輻射，危害人類和動植物的健康與安全[4-5]，因此，人類活動導致的N2O大量釋放的問題不容忽視。

家畜排泄物在N2O釋放中起著重要的作用[6]。家畜作為草地生態系統的初級消費者，會通過排泄物的形式將其采食中70%～95%的氮(N)歸還于土壤[7-8]。但是這些N素已遠遠超出植物的需求，導致部分N素會在微生物的作用下轉化為N2O并釋放到大氣中。此外，排泄物中碳(C)、磷(P)等營養元素也會促進參與N2O產生的微生物活動，進而加劇溫室效應[9-10]。Trivedi等[11]通過模型預測，由于放牧家畜數量的不斷增加，再過15～20年，大氣中N2O的濃度將會增加30%～60%。因此，如何控制家畜排泄物對N2O釋放的影響對緩解溫室效應具有十分重要的科學意義。目前已有大量關于家畜排泄物驅動N2O釋放的評價研究，但由于不同類型的家畜排泄物在存在形式、營養成分等方面存在較大差異，以及N2O在土壤中產生的機理復雜且影響因素眾多，導致研究結果并不一致。本文從動物、植物和土壤特征三方面，全面論述排泄物驅動的N2O的釋放過程及其影響因素，以及研究過程的不足和未來研究的重點，為制定合理的放牧政策來控制溫室氣體的釋放、緩解溫室效應提供科學指導。

1 家畜排泄物驅動的N2O 的釋放過程

家畜排泄物中的有機氮首先通過一些生物化學反應(如畜尿中的尿素通過水解作用，畜糞中的蛋白質通過礦化作用)產生氨態氮，然后進一步參與硝化和反硝化作用，釋放N2O (圖1)。硝化作用和反硝化作用被認為是排泄物驅動的N2O釋放的主要途徑[12-14]。硝化作用是在有氧的條件下銨根(NH4+)通過化能自養亞硝酸和硝酸細菌的作用被氧化為亞硝酸鹽(NO2-)和硝酸鹽(NO3-)的過程，并伴有中間產物N2O的形成[15-16]；反硝化作用是在低氧的條件下排泄物中原有少量的NO3-以及硝化作用產生的NO3-通過反硝化細菌依次還原為NO、N2O、N2的過程[17-18]。近年來，許多學者發現硝化細菌的反硝化作用在排泄物驅動的N2O釋放中同樣具有重要作用[19-20]，即在厭氧條件下，NH4+被氧化后生成的NO2-通過土壤硝化細菌的作用被直接還原成N2O的過程[21]。Pan等[20]通過研究N2O釋放的關鍵微生物過程發現，在沒有添加排泄物的處理下，硝化細菌的反硝化作用對N2O釋放的影響幾乎可以忽略；但在添加了綿羊排泄物之后，由于排泄物導致的土壤NO2-濃度的增加以及厭氧程度的提高，使其對N2O釋放的作用明顯提高。迄今為止，關于排泄物驅動的N2O釋放過程的研究主要集中于硝化作用以及反硝化作用，而對于硝化細菌的反硝化作用的研究相對較少，很大程度上忽略了它在N2O釋放中的貢獻。因此，在未來研究中需要對硝化細菌的反硝化作用加以重視，深入研究其發生機制及其對N2O釋放的貢獻。

圖 1 家畜排泄物驅動的草地N2O釋放的微生物過程Figure 1 A diagram outlining the pathways of microbial-driven nitrogen transformations in excreta patches in grassland ecosystems

2 影響家畜排泄物驅動的N2O 釋放的主要因素

影響家畜排泄物驅動的N2O釋放的因素主要有排泄物特性、土壤環境和植被特征等[22-23]，但本質上都是通過直接或間接地影響土壤微生物種類、數量及其生理生化過程，進而影響N2O的釋放。

2.1 家畜排泄物特性對N2O釋放的影響

迄今，國內外學者已在不同地區相繼開展了不同放牧家畜種類(如，牛、羊)以及不同排泄物類型(糞便、尿液)對N2O排放的影響(表1)。這些研究工作表明，家畜種類以及排泄物類型可能是影響N2O釋放的重要因素。

表 1 放牧家畜排泄物對草地土壤N2O排放的影響Table 1 Effects of the excreta from different grazing animals on grassland soil N2O emissions

2.1.1 不同家畜種類的排泄物效應

牛、羊作為我國草地生態系統主要的放牧家畜，在采食策略和生理結構上都存在較大差異。體尺相對較小的羊通常具有較高的新陳代謝速率和較小的腸容量，因此往往傾向于采食高質量的食物；相反，體尺較大的牛通常擁有更大的腸容量，能夠對食物進行更細致的消化，因此往往能夠忍受較低質量的食物[31]。生理結構和采食策略上的差異使得牛羊所產生的排泄物在理化性質有所不同，進而導致N2O的釋放量也大不相同。然而，當前大多數學者將牛的排泄物作為研究N2O釋放的重點，忽略了羊排泄物對N2O釋放的重要性，從而導致關于同時比較牛羊排泄物對N2O釋放影響的研究十分匱乏。

首先，牛羊尿液對N2O釋放的影響存在差異。在有限的文獻中，絕大多數學者認為牛尿液驅動的N2O釋放量高于羊尿液[24,32]，可能是由于牛尿液中大量的水分以及營養元素(C、N等)加快了微生物的活動從而促進了N2O的釋放[33]。然而Sordi等[25]通過比較不同體積的畜尿對N2O釋放的影響發現，體積越大的畜尿越容易通過土壤中的大孔隙進入土壤深層，由此可以推測，由于牛尿液的體積較大，其大部分的畜尿會進入土壤深層，導致土壤表層僅留下少量的可利用氮，從而可能會出現N2O釋放相對較少的現象。

此外，牛羊糞便對N2O釋放的影響也存在顯著差異。大多數研究[26-27,34]表明，羊糞便驅動的N2O釋放量低于牛糞便。原因有以下兩點：第一，羊糞中可利用的氮含量明顯低于牛糞，并且在羊糞便的處理下，植被對N的吸收能力更強，因此土壤中僅留下少量的可利用氮產生N2O。第二，羊糞的含水量較少、外形呈現小球狀且所占土壤面積較小、分布相對均勻，上述因素的綜合作用會導致羊糞產生的厭氧面積較小，從而使N2O的釋放量較少。然而，Hoeft等[24]認為，盡管牛糞斑的N2O釋放量要遠遠高于羊糞斑，但由于羊排泄糞便的頻率和數量明顯高于牛，且羊糞在草地分布的空間面積更大，因此在整個放牧場尺度上，羊糞產生的總N2O釋放量要高于牛糞。

2.1.2 排泄物類型(糞尿)的作用

家畜排泄物的兩種類型即畜尿和畜糞在驅動草地N2O釋放中的表現是不一致的。一般認為，畜尿驅動的N2O釋放量高于畜糞[28-29,35]，主要原因包括：首先，畜尿和畜糞的形態特征不同，畜尿的液體形態會使其營養物質更容易進入土層中并加速微生物的活動，而糞便的固體形態會極大地減弱營養物質的淋溶作用，因此畜糞驅動的N2O釋放量相對較少。其次，畜尿和畜糞的氮素存在形式也有所不同[36]，畜尿中超過70%的N是以尿素形式存在的，除極度干燥或低溫外，一般只需3～4.7 h就可完成50%的水解過程[37]，礦化速率很快，且在尿素水解過程還伴隨著土壤pH的提高，增加了有機物質的可溶性，為硝化和反硝化作用提供了更多的底物；而畜糞中大量的N以有機態的形式存在，其礦化途徑包括蛋白物質的氨化、氨基酸糖化及其多聚體的氨化，以及核酸物質的脫氨等多種復雜過程[38-39]，能夠提供給土壤微生物進行硝化和反硝化的底物較少。此外，畜糞中大量的有機碳能為土壤微生物的活動提供更多的能量[24]，微生物的強烈活動會導致土壤嚴重缺氧，促使反硝化過程更加徹底，N2O進一步轉化為N2。因此相對于畜尿，畜糞釋放的N2O較少。

然而，Nichols等[30]通過長期檢測牛排泄物驅動的N2O釋放通量發現，畜糞驅動的N2O釋放量高于畜尿，可能是因為畜尿中大量易水解的無機氮使其釋放的N2O多集中在實驗初期，而畜糞中大量難分解的有機氮使其在實驗后期仍然能夠參與反應，且凍融期衰退的微生物細胞也會促進畜糞的氮礦化作用，因此畜糞釋放了更多的N2O。Wachendorf等[40]也得到相似結論。此外，Tully等[41]和Sherlock等[42]發現，在干燥的氣候下由于水分的限制，畜尿和畜糞驅動的N2O釋放量并沒有顯著差異。

綜合大量國內外研究發現，畜尿和畜糞對N2O釋放的影響存在較大差異，然而政府間氣候變化協調委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在編制國家N2O排放清單指南中，并未將二者區分進行計算。因此，未來仍需要各國研究人員在該方面進行大量的研究并得出相關規律，從而輔助IPCC編制國家N2O排放清單參數的確認和修正[43]。

2.2 土壤特征對家畜排泄物驅動的N2O釋放的影響

2.2.1 土壤含水量

土壤含水量是影響家畜排泄物驅動的N2O釋放的一個重要因素。徐新超等[43]表明，當土壤孔隙含水量(WFPS，water-filled pore space)在77%～86%，N2O的釋放量最高。低于此范圍時，隨土壤水分的增加，微生物的活性以及對無機氮的獲取能力逐漸增強，排泄物驅動的N2O釋放量隨之增加。多數學者也得出相似結論[44-45]，Lessa等[28]發現，當土壤的孔隙含水量低于20%時，排泄物驅動的N2O釋放極低。但經過大量的降雨后，排泄物驅動的N2O釋放量明顯提高。Cardoso等[46]在濕潤(WFPS為62.3%)和干燥(WFPS為40.4%)的兩種土壤濕度下施加相同體積的尿液后發現，在濕潤的土壤下，尿液驅動的N2O釋放量更高。

但當土壤孔隙含水量超過最大范圍時，毛管被水充滿或由于粘粒或腐殖質膨脹以及懸浮顆粒的沉積等會使毛管堵塞，從而可能會限制N2O釋放[47]。Groenigen等[48]在水分飽和的土壤中添加50 mL尿液后發現，有N2O的釋放發生暫停的現象，只有當水分蒸騰后N2O才會繼續釋放。此外，N2O在土壤溶液中的暫時積累，可能還會增加其被進一步還原為N2的風險，從而減少N2O的釋放。值得注意的是，在同一水分含量條件下，N2O的釋放對土壤水分的響應也會隨著供試土壤的不同而表現出差異。Pihlatie等[49]研究發現，當WFPS為40%～60%時，有機土的N2O通量最大，其次是粘土、壤質砂土；而當WFPS為 80%～100%時，砂壤土產生的N2O通量是有機土的兩倍。因此，在考慮水分管理對N2O釋放影響的同時也應考慮其他因素的影響[50]。

2.2.2 土壤pH

土壤pH可以通過影響硝化和反硝化細菌的活性及相應的氮素轉化過程影響排泄物驅動的N2O的釋放[51-52]。家畜排泄物的氮硝化和反硝化的適宜土壤pH均為7.0～8.0[53-55]，在此范圍內，N2O的釋放量與土壤的pH正相關。根據Pual等[56]和Firestone等[57]的研究，土壤pH低于4.5時，硝化和反硝化作用受到強烈抑制。低土壤pH主要是抑制了硝化細菌和反硝化細菌和的生長和酶活性，并使氯化物對硝化過程的抑制作用增強。根據Vallisl等[58]和Firestone等[57]的研究，土壤 pH高于8. 0時，硝化和反硝化作用同樣受到抑制。在研究尿氮轉化過程中發現，高土壤pH抑制了硝化細菌的活性，從而抑制了銨氮向硝氮轉化的過程，使尿斑中出現NO2-的累積現象，從而減少N2O的釋放[59]；Monaghan等[60]研究發現，高土壤pH促進了NH3的形成，加劇了對硝化細菌的毒害作用從而減少N2O的釋放。土壤pH對排泄物驅動的N2O釋放的影響較為復雜[61]，且關于此方面的研究較少，大多數是在沒有排泄物的處理下進行的，關于此方面的認識，仍需進一步探索以補充在解析機制上的不足。

2.2.3 土壤溫度

土壤溫度對排泄物驅動的N2O釋放有著非常重要的影響。Agehara等[62]研究表明，N2O的釋放量與土壤溫度呈正相關關系，當土壤溫度高于5 ℃時，硝化和反硝化細菌的活性隨溫度的提高而增強，從而促進N2O的釋放，且在25～35 ℃范圍內N2O的釋放量達到最高。Luo等[63]也發現，夏季家畜排泄物驅動的N2O釋放量顯著高于冬季，這主要是由于冬季較低的土壤溫度減弱了硝化細菌的活性，從而延緩銨態氮向硝氮轉化的過程，進而抑制了N2O的釋放[64]。然而，家畜排泄物在冬季仍然能夠產生大量的N2O[65]，這可能是因為在低溫時植物對氮的吸收速率下降，導致土壤中大量的無機氮在微生物的作用下以N2O的形式釋放到大氣中。此外，溫度對N2O釋放的影響也受到其他土壤因子的調控，Barnard等[66]發現，當水分不是限制因子時，溫度升高并不會促進N2O的釋放，但當水分成為限制因子時，溫度升高則能極大的促進N2O的釋放。這說明溫度對N2O釋放的影響可能與土壤含水量有關；楊蘭芳等[67]研究表明，當氮源充足時，土壤N2O的釋放受溫度影響，但當氮源缺乏時，底物濃度成為限制因子，N2O的釋放主要受氮源控制而不是溫度，這說明溫度對N2O釋放的影響也可能與土壤氮素濃度有關。因此，在考慮溫度對N2O釋放的影響時也應兼顧考慮水分、土壤氮素濃度等其他因素的影響。

2.2.4 土壤質地

土壤質地是影響N2O釋放的另一個重要因素。其影響機理可以從以下兩個方面說明：首先，土壤質地通過影響土壤的透氣性和水分含量來影響土壤硝化、反硝化細菌的活性，進而影響排泄物驅動的N2O釋放[68-69]。Krol等[70]研究表明，在排水良好的砂質土壤下，排泄物驅動的N2O釋放量明顯低于粘質土壤，這是因為在大量的降雨后，砂質土壤能快速恢復到干燥的土壤環境，不會造成嚴重的土壤缺氧，所以N2O的釋放量相對較少。其次，土壤質地通過影響土壤溫度來影響硝化和反硝化速率，進而影響N2O的釋放。Smith等[71]研究表明，在土壤孔隙含水量較高的條件下，相對于砂質土壤，粘質土壤較高的土壤溫度系數(Q10)為微生物提供了良好的生活環境從而增加了N2O的釋放。因此，總體而言，粘質土壤下排泄物驅動的N2O釋放量高于砂質土壤。然而徐華等[72]得出相反結論，原因有以下兩方面。首先，N2O釋放量最終是由N2O的產生量和N2O的釋放速率兩方面決定的，盡管粘質土壤較強的保水能力使之產生較多的N2O，但砂質土壤的氣體擴散速率更快，更加有利于土壤中產生的N2O向大氣中釋放。其次，砂質土壤對有機質的保持能力較弱，這可能會為微生物活動提供更多的有機質，從而加速N2O的產生過程[73]。

IPCC在1996年出版的國家溫室氣體釋放清單中提供的N2O的釋放因子并沒有考慮不同農業土壤類型的差別，然而，上述研究表明在不同的土壤類型下，排泄物的施加對N2O的釋放存在顯著差異。因此，為了提高編制溫室氣體釋放清單的準確性，應當綜合諸如土壤溫度、含水量等各種土壤理化特性對排泄物驅動的N2O的釋放的影響。此外，深入研究不同土壤理化特性對排泄物驅動的N2O釋放的影響，并將得出的規律應用到實際的放牧管理中，對于減緩溫室氣體的釋放具有重要意義。

2.3 植物特征對家畜排泄物驅動的N2O釋放的影響

在自然生態系統中，植被與土壤是緊密聯系互不可分的，植物在生長過程中會通過影響土壤的理化性質來影響土壤微生物的活性，從而影響排泄物驅動的N2O的釋放。綜合國內外研究發現，不同的植被特征能夠顯著影響排泄物對N2O的釋放效應(表2)。首先，植物在生長過程中會與土壤微生物競爭營養元素，特別是可利用性氮素，從而減少參與硝化、反硝化過程的底物。Bowatte等[74]通過比較多花黑麥草(Lolium perenne)、白三葉草車(Trifolium repens)等16種不同種類的的植物在施加相同體積的牛尿液后的土壤N2O釋放量發現，多花黑麥草等生物量越高的植物對于氮的吸收能力越強，因此能夠減少N2O的釋放。其次，植物在生長的過程中也會改變土壤的物理環境(如，土壤含水量、土壤pH、土壤氧氣含量)，進而影響微生物的活性和豐度。Luo等[63]在車前草(Plantago lanceolate)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、白三葉草(Trifolium repens)、黑麥草(Lolium perenne) 4種不同的植被類型下施加相同體積的牛尿液后發現，由于車前草吸收了土壤中大量水分使微生物的活性急劇下降，從而顯著的減少排泄物驅動的N2O釋放。此外，某些植物根系分泌的次生代謝產物也會抑制硝化、反硝化過程。例如糖蜜草的根系可以分泌硝化抑制物質，降低土壤硝化細菌的活性，從而抑制N2O的釋放[75]。

表 2 植被類型對家畜排泄物驅動的土壤N2O排放的影響Table 2 Effects of plant type on soil N2O emissions from grazing animal excreta

物種豐富度也可能影響排泄物驅動的N2O釋放。研究發現，在高物種豐富度的植物群落中，耐脅迫的植物物種通過保護易受脅迫的植物物種，從而減弱畜尿對植物根系產生的NH3毒害作用，形成正向的多樣性-生產力關系，進而使不同植物物種間通過資源互補吸收更多的氮素，減少N2O的釋放[77-78]。然而也有學者持相反意見。Abalos等[76]在物種豐富度為單種、2種、4種的植物群落上施加相同體積的畜尿后發現，物種豐富度和N2O的釋放之間并不存在相關關系。他認為，相對于物種的豐富度，特定植物物種的組合對于N2O釋放的影響更大。只有組成群落的物種間在根系深度、營養偏好、通氣組織類型和根系分泌物種類及數量等方面存在明顯的互補效應，才能對土壤中可利用氮的利用效率達到最大，從而減少N2O的釋放。

3 展望

綜上所述，現有的研究成果對理解排泄物驅動的N2O的釋放過程及其影響因素奠定了較好的基礎，但應在以下方面進行更深入的研究。

1)關于排泄物驅動的N2O釋放的微生物過程的研究較少。首先，硝化作用和反硝化作用是影響排泄物驅動的N2O釋放的重要過程，然而關于二者對N2O的釋放相對貢獻的研究較少；其次，已有研究發現，排泄物可以通過硝化微生物的反硝化途徑產生大量的N2O，但關于此方面的研究仍十分匱乏。在未來的研究中應考慮將15N的示蹤技術與分子手段結合起來建立N2O的釋放及其微生物群落之間的聯系，這可能會更加深層且有效的解釋N2O的釋放過程。

2)盡管國內外學者對影響排泄物驅動的N2O釋放因素做了大量的研究，但大多都在實驗室內進行且研究對象單一。然而，草地N2O的產生和釋放同時受到多種環境因素的共同制約，且各因素間還存在交互效應，因此僅研究單一因素對排泄物驅動N2O釋放的影響對實際的放牧管理指導有限，未來應更加注重多因素參與下的野外實驗的重要性，使更加實用的減排措施廣泛的應用到草地生態系統中。

3)盡管植物在調控土壤氮素循環中的重要作用是眾所周知的，但關于植物對排泄物驅動的N2O釋放的研究內容仍然較少，研究機制并不深入。未來需要更多的學者關注此方面的內容，從植物的角度提出新的減排措施。