茶園土壤N2O 產(chǎn)出與排放研究進(jìn)展

葉宗輝，鄭寧國，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. 中國科學(xué)院 寧波城市環(huán)境觀測研究站，浙江 寧波 315800；3. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021

氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，對全球增溫效應(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 是茶樹最重要的營養(yǎng)元素之一，在生長過程中，如果N 肥用量不足，可能引發(fā)茶樹生長減慢、新梢萌發(fā)輪次減少等現(xiàn)象；同時，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]。我國有超過30%的茶園存在過量施氮問題[10]，Li等發(fā)現(xiàn)我國茶園土壤N2O 釋放系數(shù)（2.72%）高于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）推 薦的施肥農(nóng)田土壤N2O 排放系數(shù)（1.0%）[1,11]。

針對這些現(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 研究存在的問題，并提出研究展望。

1 茶園土壤N2O 產(chǎn)出機制

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 的主要過程。酸性茶園土硝化和反硝化強度較高，N2O排放強度高于中性農(nóng)田土壤N2O排放強度。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)了土壤硝化過程，抑制了反硝化過程中的N2O 還原過程，最終增加了N2O 釋放量[17]。Chen 等發(fā)現(xiàn)我國湖南省的松樹林開墾為茶園后增加了土壤有機氮礦化過程和氨氧化細(xì)菌反硝化過程，使得N2O 排放量增加[15]。

長期過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]。基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗，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林土壤的反硝化細(xì)菌豐度高了1 ～3 個數(shù)量級[20]，反硝化過程對N2O 產(chǎn)出量的貢獻(xiàn)率達(dá)57%～76%[21]。Huang 等發(fā)現(xiàn)我國浙江龍井茶園土壤中真菌反硝化過程對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，反硝化過程對我國江西省茶園土壤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)出過程。Cheng 等發(fā)現(xiàn)我國江蘇省pH 值為5.3 的茶園土壤中，自養(yǎng)硝化作用對土壤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。呂天新等對我國亞熱帶丘陵區(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 等對我國湖南省一座面積為4.8 hm2的茶園土壤N2O 排放量進(jìn)行高密度觀測，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有顯著相關(guān)性[26]。Fu等進(jìn)一步觀測并區(qū)分了該茶園在濕潤季節(jié)和干旱季節(jié)的土壤N2O 釋放量，發(fā)現(xiàn)在濕潤季節(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]。但在較為濕潤的季節(jié)，Han 等發(fā)現(xiàn)降雨對我國浙江茶園土壤N2O 釋放的影響相對較小[8]。Hou 等對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-積累量的增加均會影響N2O 排放量。Zhu等對我國江西省茶園土壤N2O排放量進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限由1 年增加到30 年，長期施肥的茶園土壤銨態(tài)氮庫減少而硝態(tài)氮庫增加，土壤反硝化強度增強，使得茶園土壤N2O 排放量隨種植年限增加呈上升趨勢[17]。種植年限持續(xù)增加不會進(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程對N2O 的貢獻(xiàn)率增加[21]，但茶樹的根系分泌物和凋落物有效抵消了施肥對土壤硝化和反硝化作用的正效應(yīng)[30]，使得N2O 釋放量沒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，但可能通過抑制N2O 還原酶活性降低N2O 釋放量[32]。但在田間試驗中，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)施用生物炭增強了茶園土壤N2O 還原酶活性，促進(jìn)了土壤N2O 還原過程，最終使得N2O 釋放量降低[36-37]。不過，生物炭減少N2O 排放的效果可能受施用肥料類型的影響。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

我國大約有30%的茶園存在化肥施用量過高的問題[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 等對我國浙江省N2O 排放的試驗結(jié)果表明，合理的施氮量有效減少了土壤N2O 釋放量，過高的施氮量（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茶樹對養(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，長期過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]。可能是長期過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了茶葉的氮素需求量，使得控釋肥料養(yǎng)分緩慢釋放的過程中硝化和反硝化強度維持在較高水平，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的氮素利用效率，降低硝化和反硝化強度而減少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，在降雨量較高的年份，土壤含水量相對較高，反硝化強度較大，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，增加茶樹的氮素利用效率， 減少茶園土壤N2O 釋放量。基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗， 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，使得單獨施用DCD 抑制N2O 排放的效果不顯著。Hirono 等通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，添加DCD無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，施用有機肥通常會增加土壤呼吸速率，造成厭氧環(huán)境，利于茶園土壤通過反硝化過程向大氣排放大量的N2O[44,46]，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)施用有機肥降低了N2O 釋放量[38]，可能是不同有機肥的碳氮比（C/N）對N2O 釋放的影響存在差異。He 等整合了不同有機肥處理對酸性土壤N2O 釋放量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施用C/N 較高（＞8.6）的有機肥時，硝化和反硝化微生物不能將有機肥釋放的礦質(zhì)氮轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O[38]。施用微生物處理后的有機肥可以減少茶園土壤N2O 釋放量。Xu 等發(fā)現(xiàn)對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 問題與展望

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對茶園土壤N2O 產(chǎn)生機制、影響因素及減排措施等方面開展了許多研究，但仍然存在以下幾方面的問題：（1）N2O 產(chǎn)出過程依然不清楚。盡管當(dāng)前國內(nèi)外研究已經(jīng)明確了茶園土壤N2O 的產(chǎn)出機制，但這些研究主要通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗對N2O產(chǎn)出過程進(jìn)行區(qū)分。然而，相對于其他類型土壤，茶園土壤N2O 對保存條件存在極高的要求，而當(dāng)前基于室內(nèi)培養(yǎng)的試驗很少考慮這個問題。（2）缺乏長時間尺度上的茶園土壤N2O 減排措施研究。現(xiàn)有針對茶園土壤N2O 減排的研究開展較多，但由于茶園長期施用大量氮肥，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。相對于其它耕作系統(tǒng)，當(dāng)前對茶園土壤N2O 釋放的影響因素研究較少。

針對當(dāng)前茶園土壤N2O 排放的研究現(xiàn)狀，還應(yīng)加強以下幾方面的探索：（1）采用原位觀測試驗結(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程對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)出機制及影響因素。（2）加強茶園土壤N2O 排放的長期監(jiān)測及減排試驗，確定長時間尺度上實現(xiàn)茶園N2O 減排的有效措施，尤其是不同強度和頻率的降雨對土壤N2O 減排效率的影響。（3）增設(shè)我國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)測試驗，加強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)合模型估算我國乃至全球茶園土壤N2O 排放總量，預(yù)測不同氣候條件、土壤條件和減排措施等對茶園土壤N2O 排放的影響，制定更為有效的溫室氣體減排策略，實現(xiàn)茶園的綠色可持續(xù)發(fā)展。