茶园土壤N2O排放的影响因素及减排措施

方雅各，苏有健，廖万有，张永利，罗 毅，孙宇龙，廖 珺，王烨军

（安徽省农业科学院茶叶研究所，安徽黄山 245000）

0 引言

氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体，其百年尺度单位质量的增温潜势是CO2的265倍[1]，在大气中的存留时间可达120年，是破坏大气臭氧层的重要因子[2]。目前全球大气中N2O平均浓度已经从工业化前的 270 μg/L 持续增至2018年的331 μg/L[3]，其中农业排放的持续增加是其最重要的驱动[4]。农田土壤通过硝化反硝化作用产生N2O，占N2O人为排放源的59.4%[1]，据估计，到2030年农田N2O排放量将增加35%～60%[5]，而土壤N2O排放还与全球气候变暖具有相互促进作用[6]。因此，如何降低N2O的排放已成为重要的研究课题。

中国是世界上第一产茶大国，茶园种植面积和茶叶产量分别占世界总量的47%和41%[7-8]，茶叶在增加农民收入和产业扶贫中发挥着重要作用。但中国茶园的氮肥平均施用量为429 kg N/(hm2·a)，远高于其他粮食作物[9-10]，导致大量N2O排放[11]，茶园N2O年平均排放量为 9.55 kg N/(hm2·a)，显著高于水稻-小麦和玉米-小麦轮作，与蔬菜地和果园相当[9,12]。在印度尼西亚植茶15年的茶园土壤中，N2O释放速率高达0.37 mg/(m2·h)，年排放量可达32.41 kg N/(hm2·a)，显著高于马尾松林和马铃薯地[13]。此外，茶园的N2O排放系数为1.92%[10]，远高于其他农作物（水稻、玉米、小麦、油菜籽、棉花、蔬菜）[12,14]。施氮过量加重茶园土壤酸化[15]，且随植茶年限的增加，土壤有机质和全氮含量增加，盐基离子缺乏[16]，铝和多酚类物质含量增加[17-19]，导致茶园土壤的微生物活性、数量和种群发生变化，形成独特的生态系统，从而影响土壤中硝化、反硝化作用过程中N2O的产生和排放[20]。

茶园土壤N2O排放受多种因素影响，如氮源、土壤有机质、土壤pH、土壤含水量、土壤温度和气温、土壤质地等，结合茶园独特的生态系统和现有研究，明确茶园各因素对N2O排放的影响及作用机制，总结出减缓茶园土壤N2O排放的技术措施，以期为减缓茶园土壤温室气体的排放提供参考。

1 茶园土壤N2O产生机制

茶园土壤N2O的产生主要在微生物的参与下，通过硝化（自养硝化、异养硝化）作用、反硝化作用、硝酸盐异化还原成铵作用等过程产生的[21]。此外，硝化-反硝化耦合作用和真菌反硝化作用对N2O排放也有贡献。而且，化学反硝化、亚硝基化反应等非生物学过程也是土壤N2O的产生途径。现有研究表明，茶园土壤的酸碱度低至pH 2.9时硝化作用仍可进行[22]，强酸性茶园土壤(pH＜4.3)硝化作用显著大于荒地和林地，加入茶树凋落物和尿素会促进茶园土壤硝化作用[23]，导致茶园土壤中N2O排放总量增加。

长期以来，反硝化作用被认为是在嫌气条件下进行的微生物学过程，适宜pH 6～8之间的中性条件[24]，强酸性土壤抑制反硝化细菌数量[25]，但日本学者发现火山灰母质形成的茶园土壤中存在丰富的反硝化细菌，比松林土壤高1～3个数量级[26]。有研究表明，强酸性茶园土壤中N2O排放主要来源为反硝化作用[24]，且运用15N标记试验表明，在好氧条件下，田间施用硝化抑制剂，茶园土壤N2O排放量并无明显下降[27]。此外，也有研究表明酸性土壤中真菌生物量远高于细菌[28]，真菌反硝化在反硝化作用中也占据重要位置[29]。运用农业生态系统WNMM模拟模型对茶园土壤N2O排放过程进行模拟发现，反硝化过程的N2O排放量占茶园N2O排放总量的75%[30]。以上结果表明硝化作用与反硝化作用是茶园土壤N2O排放的主要途径，其中反硝化作用是N2O排放的主要来源。

2 茶园N2O排放的影响因素及减排措施

2.1 氮源

氮肥是最早被关注的N2O排放因素[31]，施氮使土壤中硝化、反硝化底物浓度增加，改变土壤微生物活性，进而影响土壤N2O排放[32-35]。有研究表明，N2O排放速率与土壤全氮、NH4+-N含量[36-37]、NO3--N含量[36]呈显著正相关，其中NO3--N含量是决定茶园土壤N2O排放量大小的主要因素[21,24,35]，但也有研究表明N2O的排放与NO3--N含量呈负相关[34]或与NO3--N含量无显著相关性[37]。

氮肥种类、用量及施肥方式都能影响N2O的排放。在室内试验中，向强酸性茶园土壤添加尿素、硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾4种氮肥后，硝态氮肥处理的土壤N2O排放总量显著高于铵态氮肥处理的土壤N2O排放总量[24]，供应铵态氮肥有利于茶树生长且能减少N2O排放[38]。在中国，将茶园氮肥水平控制在推荐施用量[300 kg/(hm2·a)]的水平上可减少温室气体排放量[39]；在日本茶园中，按政府建议施肥措施[600 kg/(hm2·a)]的N2O排放量显著低于传统氮肥施用模式[1200kg/(hm2·a)]的N2O排放量[40]。当施氮水平超过最佳水平时，亚硝酸盐(NO2-)在土壤中过度积累[41]，土壤N2O排放量随着施氮强度的增加呈指数型增长[42]而非线性增长[43]。

为减少氮淋失和直接间接的N2O排放，提高氮肥利用率，可以向茶园中施入缓释氮肥和硝化抑制剂。与传统施肥相比，施用缓释氮肥能够降低N2O排放[44]，但缓释氮肥施用量过高时，氮肥转化速度远高于茶树吸收氮速度，导致土壤中无机氮累积，土壤N2O排放量升高[45]。在室内培养试验中添加硝化抑制剂（如3,4-二甲基吡唑磷酸、双氰胺）能明显抑制茶园土壤硝化反应，显著降低土壤N2O排放[46]，但在为期2年的茶园田间试验中，尿素配施双氰胺并没有显著降低茶园N2O排放[47]，这可能与施氮量以及当地气候密切相关。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园土壤N2O排放的措施，在茶园采用养分有机替代、推荐施肥量，以及茶树专用配方肥等氮肥管理技术可以实现氮肥减量施用并提高茶叶品质[49-51]，进而减少N2O排放。

2.2 有机质

茶园土壤有机质主要受有机肥投入、根系分泌物、茶树修剪枝、茶树凋落物、作物秸秆和生物炭等因素影响。土壤有机质是土壤中绝大多数微生物的能量来源，能够影响土壤中微生物的群落结构和活性进而影响土壤N2O的产生和排放。有机肥的施用显著增加了土壤异养微生物的呼吸，能够为反硝化微生物提供电子供体，促进反硝化作用的发生[52]，增加N2O的排放；茶树根系分泌物如糖类、有机酸和氨基酸等一些低分子有机物极易分解[53]，造成根际土壤N2O产生量高于非根际土壤[54-55]；向酸化茶园土壤中添加凋落茶叶，显著促进N2O的排放，土壤可溶性有机碳与N2O的排放通量呈极显著性关系[37]。

作物秸秆添加到土壤，主要通过影响土壤碳、氮有效性及土壤通气性而影响N2O的排放，作物秸秆对土壤N2O排放的影响与土壤理化性质（如土壤水分和质地）紧密相关[56]。茶园施肥时采用秸秆覆盖能轻微降低N2O的排放[57]，可能是秸秆覆盖降低了水分蒸发，从而引起微生物量的增加，有助于反硝化作用的彻底进行，减少中间产物N2O的产生，进而使茶园土壤N2O排放量减少[21]。

前人研究大多表明，向土壤中施用生物炭，能显著减少N2O的排放[58-59]，这主要是生物炭改变土壤物理（气体扩散、团聚体、保水性等）、化学（pH、Eh、有效性有机和矿质态氮、溶解性有机碳等）以及生物学性质（微生物种群结构、微生物量及活性、与氮循环相关酶活性等）[52]。在室内培养条件下，将茶树修剪枝叶、柳树枝、小麦秸秆、椰壳等材料烧制的生物炭添加到茶园土壤中能显著降低茶园土壤N2O的排放[60-61]，但缺乏田间原位观测。因此，需在茶园中进一步开展添加生物炭对N2O排放影响的研究。

2.3 土壤pH

土壤pH通过直接或间接影响参与氮素转化过程的微生物活动以及不同作用阶段的酶活性来影响土壤N2O排放[62]，也能够通过改变土壤底物的有效性而影响N2O排放，如pH下降，会降低土壤矿质氮和有机碳的可利用性，进而间接影响N2O排放[63]。土壤酸化促进土壤N2O排放，一方面是低pH干扰反硝化过程中N2O还原酶组装（nosZ基因的表达），降低了N2O还原酶的活性[27]，影响N2O还原成N2的过程，导致N2O/(N2O+N2)比值变大[64-65]，使得土壤排放出大量N2O[21]，这可能与真菌反硝化有关[66]；另一方面，茶园土壤中较高的有机质含量与较低的pH产生协同反应，从而引起微生物异养硝化反应而产生N2O，或引起土壤中化学反硝化作用而导致N2O的产生[12]。

当土壤pH为中性时，N2是反硝化的主要产物；土壤pH降低，有利于N2O的释放，当土壤pH降至pH 5.2时，N2O为主要产物[67]；土壤在pH 4.4～6.0之间时，N2O排放与pH呈显著负相关[68]。因此，可尝试在酸性茶园土壤中添加碱性材料，以调节土壤酸度，进而减少N2O的排放。如向茶园土壤中添加白云石能显著降低土壤N2O的排放[69]，这可能是土壤pH升高，导致N2O还原酶活性升高，降低了N2O的排放，但过量施入白云石反而会使N2O排放增加[70]，而且由于茶树的喜酸特性，过高pH对茶树的生长不利。因此，向茶园土壤施入碱性材料需结合茶树生长和土壤N2O排放进行综合考虑。

2.4 土壤含水量

土壤含水量使土壤的通气性、氧化还原条件、无机态氮的分布发生改变，导致参与硝化反硝化过程的微生物活性发生改变，进而影响土壤N2O的产生与排放[62]。一般认为，30%～60%WFPS下硝化作用是产生N2O的主要来源；土壤水分含量高于70%WFPS时N2O主要源于反硝化过程，如土壤灌水后N2O含量迅速增加主要是反硝化作用的结果[71]。茶园土壤N2O排放水平随着土壤含水量的提高而增加，并与施氮存在显著的正交互作用，当土壤含水量较高时施氮具有刺激N2O排放的作用[32]。N2O排放通量与采样前5天的累计降雨量有明显的相关性[57]，强降雨后茶园土壤排放更多的N2O，当土壤温度高于15℃时，N2O排放与土壤含水量呈正相关关系[72]。

2.5 温度

土壤温度不仅直接调控微生物的生长和酶活性[73]，还能通过微生物活动改变土壤氧气和有效性碳的含量[74]，影响硝化和反硝化作用速率，从而影响N2O的排放。硝化微生物活动的适宜温度范围为15～35℃，反硝化微生物所要求的适宜温度为5～75℃[75]。研究表明，气温和土壤温度与茶园土壤N2O排放通量存在显著相关性[24]，N2O排放主要发生在春夏季，当土壤温度低于15℃时，茶园土壤N2O排放与土壤温度呈正相关[36]；但土壤温度较高时，则可能使土壤损失更多水分，降低土壤微生物的活性，因而较高的土壤温度及较低的土壤含水量抑制N2O的排放[76]。因此，研究茶园土壤温度对N2O排放影响时，需综合考虑温度与其他控制因子的交互效应[77]。

2.6 其他因素

土壤质地影响土壤的通透性、水分含量以及氧化还原电位，从而影响土壤硝化作用和反硝化作用以及N2O排放[62]，是影响N2O排放的重要因素之一。与粗质地土壤相比，细质地土壤具有更高的N2O产生潜力[77]。在茶园土壤中，机械化操作或人工采摘均导致土壤压实，可造成土壤N2O排放量增加[78]，翻耕、除草等茶园管理同样能够通过影响土壤微生物群落结构和生物量而影响N2O的产生与排放[21]。

3 结论

通过对茶园土壤N2O排放的影响因素及减排措施进行阐述，主要得出以下结论。

（1）茶园氮肥利用率低，有较大的N2O排放系数，N2O排放量随氮肥施用量的增加呈线性或指数型增加。为提高氮肥利用率，降低N2O的排放，可根据不同地区茶园的实际情况，采用氮肥推荐施用量、养分有机替代技术。

（2）为减少氮肥直接施用导致的N2O排放，可采用氮肥深施的措施。

（3）茶树为喜铵植物，硝态氮肥更利于N2O的排放。因此在茶园中，需少施用硝态氮肥，多施用缓释氮肥，降低氮肥的水解及硝化速率。

（4）外源添加物（硝化抑制剂、生物炭等）在其他作物中使用时，对N2O减排效果较好，但在茶园中的长期原位观测较少，其减排效果需进一步验证。

4 研究展望

与小麦、水稻、玉米、蔬菜等作物不同，茶树为多年生植物，生命周期长，茶叶采摘经济年限为40～60年。在不同的生物学年龄期，茶树的需肥量不同；不同的植茶年限，土壤理化性质不同。因此，研究茶园土壤N2O排放需考虑茶树的整个生长周期。然而，目前主要通过室内试验探究茶园土壤N2O的排放过程，不能真实地反映自然条件下茶园土壤N2O的排放规律。因此，需要进一步加强田间原位试验的研究，探究田间条件下各因素对茶园土壤N2O排放的影响，还需建立长期田间原位观测站，明确茶树整个生长周期的N2O排放情况。

不同的施肥技术、施肥种类、施肥时期决定了茶园施肥区域差异性，如何综合考虑施肥区域和非施肥区域，进而准确估算茶园土壤N2O排放是需要考虑的问题。不同的气候、地形地势、海拔、土壤、茶树品种、树势影响施肥量和施肥区域，进而增加了田间原位监测难度。因此，如何准确测定茶园土壤N2O排放是未来亟需解决的问题。同时，需明确不同施肥模式（如有机肥料、化学肥料、有机无机配施）和土壤管理制度（如清耕、间种）下土壤N2O减排技术。结合田间原位观测和室内试验，构建茶园氮素平衡和N2O排放模型，可进一步为N2O排放机制及其影响因素的研究提供理论依据。