茶園土壤N2O排放的影響因素及減排措施

方雅各，蘇有健，廖萬有，張永利，羅 毅，孫宇龍，廖 珺，王燁軍

（安徽省農業科學院茶葉研究所，安徽黃山 245000）

0 引言

氧化亞氮(N2O)是重要的溫室氣體，其百年尺度單位質量的增溫潛勢是CO2的265倍[1]，在大氣中的存留時間可達120年，是破壞大氣臭氧層的重要因子[2]。目前全球大氣中N2O平均濃度已經從工業化前的 270 μg/L 持續增至2018年的331 μg/L[3]，其中農業排放的持續增加是其最重要的驅動[4]。農田土壤通過硝化反硝化作用產生N2O，占N2O人為排放源的59.4%[1]，據估計，到2030年農田N2O排放量將增加35%～60%[5]，而土壤N2O排放還與全球氣候變暖具有相互促進作用[6]。因此，如何降低N2O的排放已成為重要的研究課題。

中國是世界上第一產茶大國，茶園種植面積和茶葉產量分別占世界總量的47%和41%[7-8]，茶葉在增加農民收入和產業扶貧中發揮著重要作用。但中國茶園的氮肥平均施用量為429 kg N/(hm2·a)，遠高于其他糧食作物[9-10]，導致大量N2O排放[11]，茶園N2O年平均排放量為 9.55 kg N/(hm2·a)，顯著高于水稻-小麥和玉米-小麥輪作，與蔬菜地和果園相當[9,12]。在印度尼西亞植茶15年的茶園土壤中，N2O釋放速率高達0.37 mg/(m2·h)，年排放量可達32.41 kg N/(hm2·a)，顯著高于馬尾松林和馬鈴薯地[13]。此外，茶園的N2O排放系數為1.92%[10]，遠高于其他農作物（水稻、玉米、小麥、油菜籽、棉花、蔬菜）[12,14]。施氮過量加重茶園土壤酸化[15]，且隨植茶年限的增加，土壤有機質和全氮含量增加，鹽基離子缺乏[16]，鋁和多酚類物質含量增加[17-19]，導致茶園土壤的微生物活性、數量和種群發生變化，形成獨特的生態系統，從而影響土壤中硝化、反硝化作用過程中N2O的產生和排放[20]。

茶園土壤N2O排放受多種因素影響，如氮源、土壤有機質、土壤pH、土壤含水量、土壤溫度和氣溫、土壤質地等，結合茶園獨特的生態系統和現有研究，明確茶園各因素對N2O排放的影響及作用機制，總結出減緩茶園土壤N2O排放的技術措施，以期為減緩茶園土壤溫室氣體的排放提供參考。

1 茶園土壤N2O產生機制

茶園土壤N2O的產生主要在微生物的參與下，通過硝化（自養硝化、異養硝化）作用、反硝化作用、硝酸鹽異化還原成銨作用等過程產生的[21]。此外，硝化-反硝化耦合作用和真菌反硝化作用對N2O排放也有貢獻。而且，化學反硝化、亞硝基化反應等非生物學過程也是土壤N2O的產生途徑。現有研究表明，茶園土壤的酸堿度低至pH 2.9時硝化作用仍可進行[22]，強酸性茶園土壤(pH＜4.3)硝化作用顯著大于荒地和林地，加入茶樹凋落物和尿素會促進茶園土壤硝化作用[23]，導致茶園土壤中N2O排放總量增加。

長期以來，反硝化作用被認為是在嫌氣條件下進行的微生物學過程，適宜pH 6～8之間的中性條件[24]，強酸性土壤抑制反硝化細菌數量[25]，但日本學者發現火山灰母質形成的茶園土壤中存在豐富的反硝化細菌，比松林土壤高1～3個數量級[26]。有研究表明，強酸性茶園土壤中N2O排放主要來源為反硝化作用[24]，且運用15N標記試驗表明，在好氧條件下，田間施用硝化抑制劑，茶園土壤N2O排放量并無明顯下降[27]。此外，也有研究表明酸性土壤中真菌生物量遠高于細菌[28]，真菌反硝化在反硝化作用中也占據重要位置[29]。運用農業生態系統WNMM模擬模型對茶園土壤N2O排放過程進行模擬發現，反硝化過程的N2O排放量占茶園N2O排放總量的75%[30]。以上結果表明硝化作用與反硝化作用是茶園土壤N2O排放的主要途徑，其中反硝化作用是N2O排放的主要來源。

2 茶園N2O排放的影響因素及減排措施

2.1 氮源

氮肥是最早被關注的N2O排放因素[31]，施氮使土壤中硝化、反硝化底物濃度增加，改變土壤微生物活性，進而影響土壤N2O排放[32-35]。有研究表明，N2O排放速率與土壤全氮、NH4+-N含量[36-37]、NO3--N含量[36]呈顯著正相關，其中NO3--N含量是決定茶園土壤N2O排放量大小的主要因素[21,24,35]，但也有研究表明N2O的排放與NO3--N含量呈負相關[34]或與NO3--N含量無顯著相關性[37]。

氮肥種類、用量及施肥方式都能影響N2O的排放。在室內試驗中，向強酸性茶園土壤添加尿素、硫酸銨、硝酸銨、硝酸鉀4種氮肥后，硝態氮肥處理的土壤N2O排放總量顯著高于銨態氮肥處理的土壤N2O排放總量[24]，供應銨態氮肥有利于茶樹生長且能減少N2O排放[38]。在中國，將茶園氮肥水平控制在推薦施用量[300 kg/(hm2·a)]的水平上可減少溫室氣體排放量[39]；在日本茶園中，按政府建議施肥措施[600 kg/(hm2·a)]的N2O排放量顯著低于傳統氮肥施用模式[1200kg/(hm2·a)]的N2O排放量[40]。當施氮水平超過最佳水平時，亞硝酸鹽(NO2-)在土壤中過度積累[41]，土壤N2O排放量隨著施氮強度的增加呈指數型增長[42]而非線性增長[43]。

為減少氮淋失和直接間接的N2O排放，提高氮肥利用率，可以向茶園中施入緩釋氮肥和硝化抑制劑。與傳統施肥相比，施用緩釋氮肥能夠降低N2O排放[44]，但緩釋氮肥施用量過高時，氮肥轉化速度遠高于茶樹吸收氮速度，導致土壤中無機氮累積，土壤N2O排放量升高[45]。在室內培養試驗中添加硝化抑制劑（如3,4-二甲基吡唑磷酸、雙氰胺）能明顯抑制茶園土壤硝化反應，顯著降低土壤N2O排放[46]，但在為期2年的茶園田間試驗中，尿素配施雙氰胺并沒有顯著降低茶園N2O排放[47]，這可能與施氮量以及當地氣候密切相關。此外，施用石灰氮[48]、合理分次施用氮肥[39]、氮肥深施也是有效降低茶園土壤N2O排放的措施，在茶園采用養分有機替代、推薦施肥量，以及茶樹專用配方肥等氮肥管理技術可以實現氮肥減量施用并提高茶葉品質[49-51]，進而減少N2O排放。

2.2 有機質

茶園土壤有機質主要受有機肥投入、根系分泌物、茶樹修剪枝、茶樹凋落物、作物秸稈和生物炭等因素影響。土壤有機質是土壤中絕大多數微生物的能量來源，能夠影響土壤中微生物的群落結構和活性進而影響土壤N2O的產生和排放。有機肥的施用顯著增加了土壤異養微生物的呼吸，能夠為反硝化微生物提供電子供體，促進反硝化作用的發生[52]，增加N2O的排放；茶樹根系分泌物如糖類、有機酸和氨基酸等一些低分子有機物極易分解[53]，造成根際土壤N2O產生量高于非根際土壤[54-55]；向酸化茶園土壤中添加凋落茶葉，顯著促進N2O的排放，土壤可溶性有機碳與N2O的排放通量呈極顯著性關系[37]。

作物秸稈添加到土壤，主要通過影響土壤碳、氮有效性及土壤通氣性而影響N2O的排放，作物秸稈對土壤N2O排放的影響與土壤理化性質（如土壤水分和質地）緊密相關[56]。茶園施肥時采用秸稈覆蓋能輕微降低N2O的排放[57]，可能是秸稈覆蓋降低了水分蒸發，從而引起微生物量的增加，有助于反硝化作用的徹底進行，減少中間產物N2O的產生，進而使茶園土壤N2O排放量減少[21]。

前人研究大多表明，向土壤中施用生物炭，能顯著減少N2O的排放[58-59]，這主要是生物炭改變土壤物理（氣體擴散、團聚體、保水性等）、化學（pH、Eh、有效性有機和礦質態氮、溶解性有機碳等）以及生物學性質（微生物種群結構、微生物量及活性、與氮循環相關酶活性等）[52]。在室內培養條件下，將茶樹修剪枝葉、柳樹枝、小麥秸稈、椰殼等材料燒制的生物炭添加到茶園土壤中能顯著降低茶園土壤N2O的排放[60-61]，但缺乏田間原位觀測。因此，需在茶園中進一步開展添加生物炭對N2O排放影響的研究。

2.3 土壤pH

土壤pH通過直接或間接影響參與氮素轉化過程的微生物活動以及不同作用階段的酶活性來影響土壤N2O排放[62]，也能夠通過改變土壤底物的有效性而影響N2O排放，如pH下降，會降低土壤礦質氮和有機碳的可利用性，進而間接影響N2O排放[63]。土壤酸化促進土壤N2O排放，一方面是低pH干擾反硝化過程中N2O還原酶組裝（nosZ基因的表達），降低了N2O還原酶的活性[27]，影響N2O還原成N2的過程，導致N2O/(N2O+N2)比值變大[64-65]，使得土壤排放出大量N2O[21]，這可能與真菌反硝化有關[66]；另一方面，茶園土壤中較高的有機質含量與較低的pH產生協同反應，從而引起微生物異養硝化反應而產生N2O，或引起土壤中化學反硝化作用而導致N2O的產生[12]。

當土壤pH為中性時，N2是反硝化的主要產物；土壤pH降低，有利于N2O的釋放，當土壤pH降至pH 5.2時，N2O為主要產物[67]；土壤在pH 4.4～6.0之間時，N2O排放與pH呈顯著負相關[68]。因此，可嘗試在酸性茶園土壤中添加堿性材料，以調節土壤酸度，進而減少N2O的排放。如向茶園土壤中添加白云石能顯著降低土壤N2O的排放[69]，這可能是土壤pH升高，導致N2O還原酶活性升高，降低了N2O的排放，但過量施入白云石反而會使N2O排放增加[70]，而且由于茶樹的喜酸特性，過高pH對茶樹的生長不利。因此，向茶園土壤施入堿性材料需結合茶樹生長和土壤N2O排放進行綜合考慮。

2.4 土壤含水量

土壤含水量使土壤的通氣性、氧化還原條件、無機態氮的分布發生改變，導致參與硝化反硝化過程的微生物活性發生改變，進而影響土壤N2O的產生與排放[62]。一般認為，30%～60%WFPS下硝化作用是產生N2O的主要來源；土壤水分含量高于70%WFPS時N2O主要源于反硝化過程，如土壤灌水后N2O含量迅速增加主要是反硝化作用的結果[71]。茶園土壤N2O排放水平隨著土壤含水量的提高而增加，并與施氮存在顯著的正交互作用，當土壤含水量較高時施氮具有刺激N2O排放的作用[32]。N2O排放通量與采樣前5天的累計降雨量有明顯的相關性[57]，強降雨后茶園土壤排放更多的N2O，當土壤溫度高于15℃時，N2O排放與土壤含水量呈正相關關系[72]。

2.5 溫度

土壤溫度不僅直接調控微生物的生長和酶活性[73]，還能通過微生物活動改變土壤氧氣和有效性碳的含量[74]，影響硝化和反硝化作用速率，從而影響N2O的排放。硝化微生物活動的適宜溫度范圍為15～35℃，反硝化微生物所要求的適宜溫度為5～75℃[75]。研究表明，氣溫和土壤溫度與茶園土壤N2O排放通量存在顯著相關性[24]，N2O排放主要發生在春夏季，當土壤溫度低于15℃時，茶園土壤N2O排放與土壤溫度呈正相關[36]；但土壤溫度較高時，則可能使土壤損失更多水分，降低土壤微生物的活性，因而較高的土壤溫度及較低的土壤含水量抑制N2O的排放[76]。因此，研究茶園土壤溫度對N2O排放影響時，需綜合考慮溫度與其他控制因子的交互效應[77]。

2.6 其他因素

土壤質地影響土壤的通透性、水分含量以及氧化還原電位，從而影響土壤硝化作用和反硝化作用以及N2O排放[62]，是影響N2O排放的重要因素之一。與粗質地土壤相比，細質地土壤具有更高的N2O產生潛力[77]。在茶園土壤中，機械化操作或人工采摘均導致土壤壓實，可造成土壤N2O排放量增加[78]，翻耕、除草等茶園管理同樣能夠通過影響土壤微生物群落結構和生物量而影響N2O的產生與排放[21]。

3 結論

通過對茶園土壤N2O排放的影響因素及減排措施進行闡述，主要得出以下結論。

（1）茶園氮肥利用率低，有較大的N2O排放系數，N2O排放量隨氮肥施用量的增加呈線性或指數型增加。為提高氮肥利用率，降低N2O的排放，可根據不同地區茶園的實際情況，采用氮肥推薦施用量、養分有機替代技術。

（2）為減少氮肥直接施用導致的N2O排放，可采用氮肥深施的措施。

（3）茶樹為喜銨植物，硝態氮肥更利于N2O的排放。因此在茶園中，需少施用硝態氮肥，多施用緩釋氮肥，降低氮肥的水解及硝化速率。

（4）外源添加物（硝化抑制劑、生物炭等）在其他作物中使用時，對N2O減排效果較好，但在茶園中的長期原位觀測較少，其減排效果需進一步驗證。

4 研究展望

與小麥、水稻、玉米、蔬菜等作物不同，茶樹為多年生植物，生命周期長，茶葉采摘經濟年限為40～60年。在不同的生物學年齡期，茶樹的需肥量不同；不同的植茶年限，土壤理化性質不同。因此，研究茶園土壤N2O排放需考慮茶樹的整個生長周期。然而，目前主要通過室內試驗探究茶園土壤N2O的排放過程，不能真實地反映自然條件下茶園土壤N2O的排放規律。因此，需要進一步加強田間原位試驗的研究，探究田間條件下各因素對茶園土壤N2O排放的影響，還需建立長期田間原位觀測站，明確茶樹整個生長周期的N2O排放情況。

不同的施肥技術、施肥種類、施肥時期決定了茶園施肥區域差異性，如何綜合考慮施肥區域和非施肥區域，進而準確估算茶園土壤N2O排放是需要考慮的問題。不同的氣候、地形地勢、海拔、土壤、茶樹品種、樹勢影響施肥量和施肥區域，進而增加了田間原位監測難度。因此，如何準確測定茶園土壤N2O排放是未來亟需解決的問題。同時，需明確不同施肥模式（如有機肥料、化學肥料、有機無機配施）和土壤管理制度（如清耕、間種）下土壤N2O減排技術。結合田間原位觀測和室內試驗，構建茶園氮素平衡和N2O排放模型，可進一步為N2O排放機制及其影響因素的研究提供理論依據。