方雅各，蘇有健，廖萬(wàn)有，張永利，羅 毅，孫宇龍，廖 珺，王燁軍

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(zhì)量的增溫潛勢(shì)是CO2的265倍[1]，在大氣中的存留時(shí)間可達(dá)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(jīng)從工業(yè)化前的 270 μg/L 持續(xù)增至2018年的331 μg/L[3]，其中農(nóng)業(yè)排放的持續(xù)增加是其最重要的驅(qū)動(dòng)[4]。農(nóng)田土壤通過(guò)硝化反硝化作用產(chǎn)生N2O，占N2O人為排放源的59.4%[1]，據(jù)估計(jì)，到2030年農(nóng)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(jìn)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(guó)是世界上第一產(chǎn)茶大國(guó)，茶園種植面積和茶葉產(chǎn)量分別占世界總量的47%和41%[7-8]，茶葉在增加農(nóng)民收入和產(chǎn)業(yè)扶貧中發(fā)揮著重要作用。但中國(guó)茶園的氮肥平均施用量為429 kg N/(hm2·a)，遠(yuǎn)高于其他糧食作物[9-10]，導(dǎo)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(dāng)[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(dá)0.37 mg/(m2·h)，年排放量可達(dá)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(shù)為1.92%[10]，遠(yuǎn)高于其他農(nóng)作物（水稻、玉米、小麥、油菜籽、棉花、蔬菜）[12,14]。施氮過(guò)量加重茶園土壤酸化[15]，且隨植茶年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量增加，鹽基離子缺乏[16]，鋁和多酚類(lèi)物質(zhì)含量增加[17-19]，導(dǎo)致茶園土壤的微生物活性、數(shù)量和種群發(fā)生變化，形成獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，從而影響土壤中硝化、反硝化作用過(guò)程中N2O的產(chǎn)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(jī)質(zhì)、土壤pH、土壤含水量、土壤溫度和氣溫、土壤質(zhì)地等，結(jié)合茶園獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)和現(xiàn)有研究，明確茶園各因素對(duì)N2O排放的影響及作用機(jī)制，總結(jié)出減緩茶園土壤N2O排放的技術(shù)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(chǎn)生機(jī)制

茶園土壤N2O的產(chǎn)生主要在微生物的參與下，通過(guò)硝化（自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)硝化）作用、反硝化作用、硝酸鹽異化還原成銨作用等過(guò)程產(chǎn)生的[21]。此外，硝化-反硝化耦合作用和真菌反硝化作用對(duì)N2O排放也有貢獻(xiàn)。而且，化學(xué)反硝化、亞硝基化反應(yīng)等非生物學(xué)過(guò)程也是土壤N2O的產(chǎn)生途徑。現(xiàn)有研究表明，茶園土壤的酸堿度低至pH 2.9時(shí)硝化作用仍可進(jìn)行[22]，強(qiáng)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(shù)凋落物和尿素會(huì)促進(jìn)茶園土壤硝化作用[23]，導(dǎo)致茶園土壤中N2O排放總量增加。

長(zhǎng)期以來(lái)，反硝化作用被認(rèn)為是在嫌氣條件下進(jìn)行的微生物學(xué)過(guò)程，適宜pH 6～8之間的中性條件[24]，強(qiáng)酸性土壤抑制反硝化細(xì)菌數(shù)量[25]，但日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)火山灰母質(zhì)形成的茶園土壤中存在豐富的反硝化細(xì)菌，比松林土壤高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)[26]。有研究表明，強(qiáng)酸性茶園土壤中N2O排放主要來(lái)源為反硝化作用[24]，且運(yùn)用15N標(biāo)記試驗(yàn)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(wú)明顯下降[27]。此外，也有研究表明酸性土壤中真菌生物量遠(yuǎn)高于細(xì)菌[28]，真菌反硝化在反硝化作用中也占據(jù)重要位置[29]。運(yùn)用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)WNMM模擬模型對(duì)茶園土壤N2O排放過(guò)程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，反硝化過(guò)程的N2O排放量占茶園N2O排放總量的75%[30]。以上結(jié)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(lái)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(guān)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(jìn)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(guān)，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(fù)相關(guān)[34]或與NO3--N含量無(wú)顯著相關(guān)性[37]。

氮肥種類(lèi)、用量及施肥方式都能影響N2O的排放。在室內(nèi)試驗(yàn)中，向強(qiáng)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(tài)氮肥處理的土壤N2O排放總量顯著高于銨態(tài)氮肥處理的土壤N2O排放總量[24]，供應(yīng)銨態(tài)氮肥有利于茶樹(shù)生長(zhǎng)且能減少N2O排放[38]。在中國(guó)，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(tǒng)氮肥施用模式[1200kg/(hm2·a)]的N2O排放量[40]。當(dāng)施氮水平超過(guò)最佳水平時(shí)，亞硝酸鹽(NO2-)在土壤中過(guò)度積累[41]，土壤N2O排放量隨著施氮強(qiáng)度的增加呈指數(shù)型增長(zhǎng)[42]而非線性增長(zhǎng)[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(tǒng)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(guò)高時(shí)，氮肥轉(zhuǎn)化速度遠(yuǎn)高于茶樹(shù)吸收氮速度，導(dǎo)致土壤中無(wú)機(jī)氮累積，土壤N2O排放量升高[45]。在室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)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(yīng)，顯著降低土壤N2O排放[46]，但在為期2年的茶園田間試驗(yàn)中，尿素配施雙氰胺并沒(méi)有顯著降低茶園N2O排放[47]，這可能與施氮量以及當(dāng)?shù)貧夂蛎芮邢嚓P(guān)。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(yǎng)分有機(jī)替代、推薦施肥量，以及茶樹(shù)專(zhuān)用配方肥等氮肥管理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氮肥減量施用并提高茶葉品質(zhì)[49-51]，進(jìn)而減少N2O排放。

2.2 有機(jī)質(zhì)

茶園土壤有機(jī)質(zhì)主要受有機(jī)肥投入、根系分泌物、茶樹(shù)修剪枝、茶樹(shù)凋落物、作物秸稈和生物炭等因素影響。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中絕大多數(shù)微生物的能量來(lái)源，能夠影響土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)和活性進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生和排放。有機(jī)肥的施用顯著增加了土壤異養(yǎng)微生物的呼吸，能夠?yàn)榉聪趸⑸锾峁╇娮庸w，促進(jìn)反硝化作用的發(fā)生[52]，增加N2O的排放；茶樹(shù)根系分泌物如糖類(lèi)、有機(jī)酸和氨基酸等一些低分子有機(jī)物極易分解[53]，造成根際土壤N2O產(chǎn)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(jìn)N2O的排放，土壤可溶性有機(jī)碳與N2O的排放通量呈極顯著性關(guān)系[37]。

作物秸稈添加到土壤，主要通過(guò)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(duì)土壤N2O排放的影響與土壤理化性質(zhì)（如土壤水分和質(zhì)地）緊密相關(guān)[56]。茶園施肥時(shí)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(fā)，從而引起微生物量的增加，有助于反硝化作用的徹底進(jìn)行，減少中間產(chǎn)物N2O的產(chǎn)生，進(jìn)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(kuò)散、團(tuán)聚體、保水性等）、化學(xué)（pH、Eh、有效性有機(jī)和礦質(zhì)態(tài)氮、溶解性有機(jī)碳等）以及生物學(xué)性質(zhì)（微生物種群結(jié)構(gòu)、微生物量及活性、與氮循環(huán)相關(guān)酶活性等）[52]。在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，將茶樹(shù)修剪枝葉、柳樹(shù)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(cè)。因此，需在茶園中進(jìn)一步開(kāi)展添加生物炭對(duì)N2O排放影響的研究。

2.3 土壤pH

土壤pH通過(guò)直接或間接影響參與氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程的微生物活動(dòng)以及不同作用階段的酶活性來(lái)影響土壤N2O排放[62]，也能夠通過(guò)改變土壤底物的有效性而影響N2O排放，如pH下降，會(huì)降低土壤礦質(zhì)氮和有機(jī)碳的可利用性，進(jìn)而間接影響N2O排放[63]。土壤酸化促進(jìn)土壤N2O排放，一方面是低pH干擾反硝化過(guò)程中N2O還原酶組裝（nosZ基因的表達(dá)），降低了N2O還原酶的活性[27]，影響N2O還原成N2的過(guò)程，導(dǎo)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(guān)[66]；另一方面，茶園土壤中較高的有機(jī)質(zhì)含量與較低的pH產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)，從而引起微生物異養(yǎng)硝化反應(yīng)而產(chǎn)生N2O，或引起土壤中化學(xué)反硝化作用而導(dǎo)致N2O的產(chǎn)生[12]。

當(dāng)土壤pH為中性時(shí)，N2是反硝化的主要產(chǎn)物；土壤pH降低，有利于N2O的釋放，當(dāng)土壤pH降至pH 5.2時(shí)，N2O為主要產(chǎn)物[67]；土壤在pH 4.4～6.0之間時(shí)，N2O排放與pH呈顯著負(fù)相關(guān)[68]。因此，可嘗試在酸性茶園土壤中添加堿性材料，以調(diào)節(jié)土壤酸度，進(jìn)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(dǎo)致N2O還原酶活性升高，降低了N2O的排放，但過(guò)量施入白云石反而會(huì)使N2O排放增加[70]，而且由于茶樹(shù)的喜酸特性，過(guò)高pH對(duì)茶樹(shù)的生長(zhǎng)不利。因此，向茶園土壤施入堿性材料需結(jié)合茶樹(shù)生長(zhǎng)和土壤N2O排放進(jìn)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(wú)機(jī)態(tài)氮的分布發(fā)生改變，導(dǎo)致參與硝化反硝化過(guò)程的微生物活性發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放[62]。一般認(rèn)為，30%～60%WFPS下硝化作用是產(chǎn)生N2O的主要來(lái)源；土壤水分含量高于70%WFPS時(shí)N2O主要源于反硝化過(guò)程，如土壤灌水后N2O含量迅速增加主要是反硝化作用的結(jié)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(dāng)土壤含水量較高時(shí)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(jì)降雨量有明顯的相關(guān)性[57]，強(qiáng)降雨后茶園土壤排放更多的N2O，當(dāng)土壤溫度高于15℃時(shí)，N2O排放與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系[72]。

2.5 溫度

土壤溫度不僅直接調(diào)控微生物的生長(zhǎng)和酶活性[73]，還能通過(guò)微生物活動(dòng)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(dòng)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(guān)性[24]，N2O排放主要發(fā)生在春夏季，當(dāng)土壤溫度低于15℃時(shí)，茶園土壤N2O排放與土壤溫度呈正相關(guān)[36]；但土壤溫度較高時(shí)，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(duì)N2O排放影響時(shí)，需綜合考慮溫度與其他控制因子的交互效應(yīng)[77]。

2.6 其他因素

土壤質(zhì)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(zhì)地土壤相比，細(xì)質(zhì)地土壤具有更高的N2O產(chǎn)生潛力[77]。在茶園土壤中，機(jī)械化操作或人工采摘均導(dǎo)致土壤壓實(shí)，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(guò)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量而影響N2O的產(chǎn)生與排放[21]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)茶園土壤N2O排放的影響因素及減排措施進(jìn)行闡述，主要得出以下結(jié)論。

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

（2）為減少氮肥直接施用導(dǎo)致的N2O排放，可采用氮肥深施的措施。

（3）茶樹(shù)為喜銨植物，硝態(tài)氮肥更利于N2O的排放。因此在茶園中，需少施用硝態(tài)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(shí)，對(duì)N2O減排效果較好，但在茶園中的長(zhǎng)期原位觀測(cè)較少，其減排效果需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 研究展望

與小麥、水稻、玉米、蔬菜等作物不同，茶樹(shù)為多年生植物，生命周期長(zhǎng)，茶葉采摘經(jīng)濟(jì)年限為40～60年。在不同的生物學(xué)年齡期，茶樹(shù)的需肥量不同；不同的植茶年限，土壤理化性質(zhì)不同。因此，研究茶園土壤N2O排放需考慮茶樹(shù)的整個(gè)生長(zhǎng)周期。然而，目前主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究茶園土壤N2O的排放過(guò)程，不能真實(shí)地反映自然條件下茶園土壤N2O的排放規(guī)律。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)田間原位試驗(yàn)的研究，探究田間條件下各因素對(duì)茶園土壤N2O排放的影響，還需建立長(zhǎng)期田間原位觀測(cè)站，明確茶樹(shù)整個(gè)生長(zhǎng)周期的N2O排放情況。

不同的施肥技術(shù)、施肥種類(lèi)、施肥時(shí)期決定了茶園施肥區(qū)域差異性，如何綜合考慮施肥區(qū)域和非施肥區(qū)域，進(jìn)而準(zhǔn)確估算茶園土壤N2O排放是需要考慮的問(wèn)題。不同的氣候、地形地勢(shì)、海拔、土壤、茶樹(shù)品種、樹(shù)勢(shì)影響施肥量和施肥區(qū)域，進(jìn)而增加了田間原位監(jiān)測(cè)難度。因此，如何準(zhǔn)確測(cè)定茶園土壤N2O排放是未來(lái)亟需解決的問(wèn)題。同時(shí)，需明確不同施肥模式（如有機(jī)肥料、化學(xué)肥料、有機(jī)無(wú)機(jī)配施）和土壤管理制度（如清耕、間種）下土壤N2O減排技術(shù)。結(jié)合田間原位觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，構(gòu)建茶園氮素平衡和N2O排放模型，可進(jìn)一步為N2O排放機(jī)制及其影響因素的研究提供理論依據(jù)。