基于增强回归树的红壤旱坡花生地气态氮损失影响因素分析

尤昆明，刘士余，聂小飞，胡小丹,5，郑海金

(1.江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045；3.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029；4.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029；5.九江市第七中学，江西 九江 332000)

我国每年使用约3 000万t氮肥(按纯氮计)，但农田氮肥利用率仅为30%～35%[1]，通过氨挥发、硝化-反硝化、淋洗和径流等途径损失的氮素分别占施氮量的11%、34%、2%和5%[2]。其中,损失过程中排放大量N2O和NH3易引发严重的次生环境问题，因而受到广泛关注[2-3]。总体而言，国内大多数研究主要关注水稻、小麦和玉米等作物类型，相关研究大多集中于潮土、紫色土和红壤等，但对红壤旱坡地主栽作物——花生的相关研究鲜见。

气态氮损失过程与机理非常复杂，研究结果因试验地点、土壤类型、作物种类差异而不尽相同。例如，湖南第四纪红黏土稻田NH3挥发1～3 d时达到峰值，NH3挥发氮素损失量占施氮量的5%～37.4%，淹水期监测不到N2O排放峰值[4]；对于小麦/玉米轮作农田，施肥后N2O排放在2～3 d时出现峰值，主要集中在施肥后10 d[5]。对于四川紫色土农田，玉米季NH3挥发峰值出现在施肥后4～8 d，NH3挥发损失量占施氮量的(32.8±1.8)%[6]，N2O排放峰值出现在施肥后11～13 d[7]。河套平原盐化潮土玉米地NH3挥发峰值出现在施肥后3～5 d，N2O排放峰值出现在施肥后7 d，NH3挥发和N2O排放损失分别占施肥量的3.84%～8.72%和0.74%～1.09%[8]。这些研究通常侧重于田间观测，模型分析方面的报道较少。农田气态氮损失(以NH3和N2O 为主)受土壤性质、气象条件以及农业管理措施的影响[4-6]。各影响因素之间还会相互影响，关系复杂，而且某些主导因子的显著影响可能会掩盖其他因子对气态氮损失的影响。增强回归树模型(boosted regression tree，BRT)在研究复杂因子间的相互作用关系方面有着十分明显的优势[9]，已经被成功应用于生态学中许多复杂现象的机制分析中，并取得了较好的结果[10]。

南方红壤区耕地面积占全国总面积的36%，花生是该区种植面积和产量最大的油料经济作物之一[11]。研究红壤旱坡花生地气态氮损失机理及减排技术，对促进区域坡地农业生态可持续发展具有现实意义。为此，笔者在原位监测红壤旱坡花生地土壤NH3挥发和N2O排放动态变化的基础上，采用BRT方法剖析气态氮损失的影响因子及其作用规律，以丰富红壤旱坡地氮循环研究成果，为削减氮素气态损失提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在江西水土保持生态科技示范园(29°16′ 37″～29°17′ 40″ N,115°42′ 38″～115°43′ 06″ E)进行。园区地处江西省北部鄱阳湖流域博阳河水系，属亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量为1 449 mm，降水量年内分配不均，主要集中在4—8月，占全年降水量的62.80%；多年平均无霜期为249 d，年日照时数为1 700～2 100 h。地貌为丘陵区，海拔为30～100 m，坡度为5°～25°。土壤为第四纪红黏土发育的红壤，试验区位于我国红壤的中心地带，气候特点、地形特征和土壤类型在南方红壤区具有典型性和代表性。

1.2 试验设计

在园区一处坡度为8°的典型红壤旱坡地进行试验，设置翻耕和免耕2种耕作处理，3次重复，共6个试验小区，每个小区水平投影面积为100 m2(坡长20 m，宽5 m)，随机排列。就翻耕处理而言，于花生种植前人工翻耕土壤，翻耕深度约为20 cm，然后均匀撒施肥料，再顺坡开挖约5 cm深的种植沟，点穴播种花生；就免耕处理而言，不翻耕土壤，直接表面撒施肥料，然后顺坡开挖约5 cm深的种植沟，点穴播种花生。供试花生品种为纯杂1016，种植密度为行距30 cm、株距20 cm，每穴3粒。施肥参照当地农民施肥习惯和花生需肥习性，花生播种时施基肥，开花初期雨后撒施追肥。肥料分别为尿素(N质量含量≥46.4%)、钙镁磷硅肥(P2O5质量含量≥20%)、氯化钾(K2O质量含量≥60%)，N、P2O5和K2O 折纯量依次为139、120和135 kg·hm-2，其中，尿素按照m(基肥)∶m(追肥)=2∶1分配施用，钙镁磷硅肥和氯化钾均全部作为基肥施用。其他管理措施参考当地农民耕作管理习惯实行。2018年5月8日播种花生，同时施基肥；6月8日施追肥，8月17日收获花生。试验地连续8 a进行花生-油菜轮作，油菜季耕作方式与花生季一致。翻耕与免耕处理，除耕作方式不同外，包括施肥在内的其他农作管理措施完全一致。

1.3 样品采集及检测

于2018年花生季(2018年5月8日至8月17日)开展试验观测。土壤NH3挥发采用通气法[12]进行监测。采样装置由内径15 cm、高10 cm聚氯乙烯(PVC)硬质塑料管制成。分别利用两块厚为2 cm、直径为16 cm且用磷酸甘油(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL)均匀浸透海绵收集氨气，下层海绵距管底5 cm，上层海绵与管顶部相平。每个试验小区设置上坡、下坡2个监测点，监测日上午8—9点放置海绵，24 h后回收，立即用300 mL 2.0 mol·L-1KCl溶液浸提1 h，用纳氏试剂分光光度法测定浸提液氨氮含量。

土壤N2O排放使用密闭式静态暗箱-气相色谱法[13]测定。采样时将不锈钢静态箱(高0.60 m，长0.60 m，宽0.40 m)倒扣在预先埋好的底座上，并加水密封，以隔绝外界空气，同时打开箱内微型风扇以保持气体混合均匀，静态箱连接三通阀和温度计。每个小区中部设置1个采样点。采集时间为上午8—10点，每隔10 min采样1次，每个点连续采样4次，每次采样30 mL，同时记录采样箱温度。样品采用气相色谱仪(型号：Agilent GC7890A；产地：美国)检测[14]。

施肥前采集土壤样品，监测试验样地土壤本底状况，其基本理化性质见表1。施肥后即开始气体采样，最初每天采样1次，2周后调整为每周采样 3次。此外，同步监测土壤温度、土壤含水量(指质量含水量，下同)、土壤铵态氮和硝态氮含量，并监测试验期间气温和降水状况。土壤温度通过读取预先埋设在地下0～10 cm的地温计获取，土壤含水量采用烘干法测定，土壤铵态氮和硝态氮含量基于鲜土样分别用水杨酸钠分光光度法和盐酸萘乙二胺分光光度法测定，试验期间气温、降水量、铵态氮含量、硝态氮含量、含水量和土壤温度变化见图1，其中，降水量和气温由园区气象站提供。

表1 供试样地土壤基本理化性状

1.4 数据处理与分析

NH3挥发速率计算公式为

(1)

式(1)中，Ni为第i次采样的NH3挥发速率，kg·hm-2·d-1；Mi为采用通气法单个装置第i次采样测得的氨氮量，mg；S为捕获装置横截面积，m2；Di为第i次采样海绵捕获挥发NH3的历时，d；10-2为单位换算系数。

NH3挥发累积量计算公式为

(2)

式(2)中，P为NH3挥发累积量，kg·hm-2；Ni为第i次采样NH3挥发速率，kg·hm-2·d-1；Ti为第i次采样所处时刻，d；n为总采样次数。

N2O排放通量计算公式为

(3)

N2O累积排放量计算公式为

(4)

式(4)中，M为N2O累积排放量，kg·hm-2；Fi为第i次采样N2O排放通量，mg·m-2·d-1；i为采样次数；t为第i次采样所处时刻，d；10-2为单位换算系数。

BRT分析是基于分类回归树算法的一种自学习二分类机器算法，是回归树算法和Boosting方法的组合。在运算过程中多次随机抽取一定量的数据，分析自变量对因变量的影响程度，剩余数据用于校验拟合结果，对生成的多重回归树取均值并输出[9]。BRT法可用于计算在其他自变量取均值或不变的情况下，某自变量与因变量的相互关系，从而检测出自变量对因变量的影响大小。BRT分析可以提高计算结果的稳定性和精度，并且在处理不同数据格式时具有很大的灵活性，不必考虑自变量之间的相关性，数据可以存在缺省值，输出的自变量贡献度和反应曲线结果较为直观，易于解释。在RStudio软件中，调用ELITH等[9]编写的BRT程序包进行增强回归树分析，模拟氨挥发速率、N2O排放通量与土壤铵态氮、土壤硝态氮、土壤含水量、地温、气温、当天降水量、前2天降水量、前3天降水量、施肥后天数、耕作方式、花生生育期之间的关系，进而识别红壤旱坡花生地气态氮损失关键影响因子，并分析其贡献率。其中，根据《花生栽培观察记载技术规范》[15]，结合试验期花生物候观测结果，将花生生育期划分为4个生育期，分别是苗期(A)：5月8日至6月7日；花针期(B)：6月8日至6月29日；结荚期(C)：6月30日至7月29日；成熟期(D)：7月30日至8月16日。BRT涉及的相关参数如下：决策树复杂度(tree complexity)为5，学习速率(learning rate)为0.001，分割比例(bag fraction)为0.5，每次抽取50%的数据进行分析，50%的数据用于训练，进行5次交叉验证。

采用Excel 2010进行数据整理，采用SPSS 24和OriginPro 2018进行基本统计和制图，采用R3.6.0实现BRT分析与制图(编译环境RStudio 1.3.595)。

2 结果与分析

2.1 NH3挥发特征

试验观测期翻耕与免耕处理土壤氨挥发速率和累积量变化见图2。翻耕和免耕处理氨挥发速率(以N计，下同)分别在0.02～1.55和0.02～1.05 kg·hm-2·d-1之间变动，平均挥发速率分别为(0.23±0.18)和(0.22±0.21) kg·hm-2·d-1，差异未达显著水平(P>0.05，表2)。总体上，两种耕作措施下氨挥发速率均表现为先快速上升，达到峰值后迅速下降，然后以较低值波动变化。具体而言，5月8日施基肥后，翻耕处理氨挥发速率前7 d呈现快速增长趋势，施肥后第7天出现峰值(1.55 kg·hm-2·d-1)，之后的8 d快速下降；免耕处理在基肥后第5天氨挥发达到峰值(1.05 kg·hm-2·d-1)，之后的10 d快速下降。6月8日追肥后，两种耕作处理氨挥发速率均未出现明显峰值，与施用基肥后相比呈现出不同的规律，究其原因：一方面可能与追肥在降雨后开展，土壤含水量相对较高，肥料氮易随土壤溶液向土壤深层迁移，导致氨分子逸散路径变长，氨挥发难度增加有关；另一方面可能与追肥时花生正处于花针期，生长旺盛，对氮素需求较多，对氮肥吸收利用速率较快有关；此外，追肥补充的氮量相对较少，仅为基肥施氮量的一半可能也是原因之一。

两种处理氨挥发累积量均随时间的推移逐渐增加，前期增幅较大而后期增幅较小(图2)。观测初期翻耕处理氨挥发累积量增长速率略快于免耕处理，后期免耕处理氨挥发累积量增速提升，反超翻耕处理氨挥发累积量。在整个试验观测期翻耕和免耕处理氨挥发累积量(以N计，下同)分别为(17.19±8.56)和(18.38±7.41) kg·hm-2(表2)，分别占总施氮量的(11.77±5.86)%和(12.59±5.08)%，免耕处理氨挥发累积量比翻耕处理高6.92%，但差异不显著(表2，P>0.05)。董文旭等[16]对华北冬小麦-夏玉米农田的研究也发现，免耕条件下肥料表施易发生氨挥发，并指出这与免耕表层土壤脲酶活性增强有关。

表2 翻耕和免耕处理气态氮排放速率与累积量特征

2.2 N2O排放特征

试验观测期翻耕和免耕处理土壤N2O排放通量和累积量变化见图2。翻耕和免耕处理N2O排放通量(以N计，下同)变化范围分别为0.07～2.90和0.02～3.97 mg·m-2·d-1，平均排放通量分别为(0.78±0.78)和(0.62±0.76) mg·m-2·d-1，翻耕显著高于免耕(P<0.05，表2)。翻耕处理施基肥后N2O 排放通量迅速增加，在施肥后11 d排放量达到最大，免耕在基肥后第10 天才显著上升，基肥后第14天出现峰值(1.99 mg·m-2·d-1)，免耕不仅延缓基肥后N2O排放，还降低N2O排放峰值。6月8日追肥后，两种处理N2O排放通量变化基本一致，均在第2天出现峰值，然后迅速下降。总体上，两种处理N2O排放通量在施肥前期显著高于后期，且前期波动较大，后期(7月5日后)达到较低水平，波动也较小，施肥引起N2O排放时间持续较长，从基肥到追肥后1个月排放通量都较高。

N2O排放累积量前期增幅较大，后期逐渐减缓(图2)。整个观测期翻耕和免耕处理N2O排放累积量(以N计，下同)分别为(0.81±0.27)和(0.68±0.10) kg·hm-2(表2)，分别占总施氮量的(0.55±0.17)%和(0.46±0.06)%，免耕处理N2O排放累积量较翻耕处理显著降低16.05%(P<0.05)，显示出免耕有助于降低红壤旱坡花生地N2O排放。

2.3 气态氮(NH3和N2O)损失关键影响因子及其贡献率

基于BRT法得出土壤氨挥发各影响因素的贡献率(表3)。相关研究认为，BRT模型中，单个变量贡献率大于5%，即可认为该变量对结果的影响作用显著[17]。基于该标准，识别出土壤铵态氮含量、施肥后天数、花生生育期、前3 天降水量和土壤硝态氮含量是影响红壤旱坡花生地氨挥发的关键因子，上述5个影响因子对土壤氨挥发速率的贡献率分别为47.92%、14.78%、8.21%、7.44%和5.91%；识别出土壤含水量、土壤铵态氮含量、地温、前3天降水量、土壤硝态氮含量、施肥后天数和气温是影响红壤旱坡花生地N2O排放关键因子，上述7个影响因子对N2O排放通量贡献率分别为24.67%、20.34%、12.26%、9.93%、9.91%、9.64% 和8.51%。

表3 各影响因子对NH3挥发和N2O排放影响贡献率

3 讨论

3.1 红壤旱坡花生地气态氮损失途径

气态氮(NH3和N2O)排放是农田氮素损失主要途径之一，如何减少农田气态氮排放是全球生态环境科学研究热点问题之一。笔者试验对红壤旱坡花生地翻耕和免耕氨挥发和N2O排放进行监测，结果发现翻耕和免耕氨挥发损失量分别占总施氮量的(11.77±5.86)%和(12.59±5.08)%，而N2O排放分别占总施氮量的(0.55±0.17)%和(0.46±0.06)%，可见氨挥发损失是主要氮素损失途径。笔者研究中氨挥发损失占比与朱兆良[2]依据国内研究得出的结果、湖南红壤稻田研究结果[4]基本一致，但低于川中紫色土夏玉米[6]，略高于河套灌区盐化潮土夏玉米[8]，可见不同土壤类型及耕作管理条件下氨挥发损失存在差异。河北潮褐土夏玉米N2O排放损失占施氮量的0.06%～0.39%[18]；内蒙古马铃薯N2O排放损失占施氮量的0.30%～0.50%[19]；笔者研究结果与之相似。硝化和反硝化的最终产物为N2，而N2O只是中间产物。WANG等[20]研究华北夏玉米发现，N2、N2O和NO对氮素的贡献率分别达到63%、29%和8%，可见N2排放也是土壤氮素损失的重要途径。但由于不同研究中硝化和反硝化进行程度存在差异，红壤旱坡花生地N2排放有待进一步研究。

3.2 红壤旱坡花生地氨挥发主控因子及其机制

笔者试验结果表明红壤旱坡花生地氨挥发的主控因子有土壤氮底物浓度、施肥后天数、作物生育期和降水量，其对氨挥发的相对影响及其变化趋势见图3。

笔者研究发现，土壤铵态氮含量是影响氨挥发速率的最关键因素，其贡献率达到47.92%，氨挥发随着表层土壤铵态氮含量增高而加快，主要与表层土壤铵态氮是氨挥发的直接氮源有关[21]。尿素施入土壤后，小部分以分子态溶于土壤溶液中，通过氢键作用被土壤吸附，大部分在脲酶作用下水解成NH4+，直接为氨挥发提供氮源。另外，笔者研究发现氨挥发速率随土壤硝态氮增加而降低，张承先等[22]研究也得出相似结果，这可能与试验期间土壤增加的硝态氮主要源于铵态氮的硝化过程，而该过程消耗了大量铵态氮，导致表层土壤可用于氨挥发的铵态氮减少有关。

图3显示，氨挥发速率随着施肥后天数的增加而减少，在一定程度上印证了2.2节中氨挥发热点时段主要集中在基肥后15 d内的规律。笔者研究中氨挥发峰值在基肥后5～7 d出现，前人的相关研究也报道了类似结果。如海南橡胶林夏季施尿素后第7天达到峰值，且氨挥发热点时段集中在施肥后20 d内[23]；又如红壤马唐春季施尿素基施后氨挥发第7～8天达到峰值[24]。氨挥发随着花生生育期(苗期、花针期、结荚期和成熟期)的推移而逐渐减少，主要与不同生育期作物生长特点有关。一般情况下，花生苗期需肥较少，生殖生长期和营养生长期需肥较多，在成熟期营养需求明显下降[25]。此外，苗期距离施肥时间较短，也是其氨挥发较多的重要原因，在施肥和作物对氮吸收双重作用下，导致花生苗期氨挥发显著高于花生生育后期。

笔者研究发现前3天降水量少时促进氨挥发，前3天降水量大于10 mm时抑制氨挥发，此与魏玉云[26]、曹欢欢[27]的相关研究结果类似。降雨量少时，雨水会促进尿素水解，同时降低土壤对NH4+的吸附，从而促进氨挥发；而过多降雨会降低土壤液相中铵态氮浓度，加快表层铵态氮向土壤深处迁移，增加NH4+被土壤颗粒或植物吸收的可能和上升到表层的阻力，从而减少氨挥发。

一般而言，气温及地表温度会通过影响土壤微生物活性并改变土壤液相氨分压，进而影响氨气由土壤向大气的扩散[28]。而笔者研究中，地温和气温对氨挥发影响贡献率均未达5%，未能入选作为红壤旱坡花生地NH3挥发的主控因子。上官宇先等[29]的研究也发现，温度对氨挥发的影响不显著。一方面，可能与笔者试验以红壤旱坡花生地为研究对象，土壤温度和气温在试验期间整体相对较高，处于土壤氨挥发的相对适宜范围，并非氨挥发的限制因子有关；另一方面，笔者试验期内气温和土壤温度逐渐升高，而供应氨挥发氮源的土壤铵态氮含量则处于下降趋势，两者交互作用，掩盖了气温和土壤温度对红壤旱坡花生地氨挥发的影响。

3.3 红壤旱坡花生地N2O排放主控因子及其机制

笔者试验结果表明土壤N2O排放的主控因子有土壤氮底物浓度、气象与土壤微环境状况、施肥后天数，其对N2O排放的相对影响及变化趋势见图4。

土壤N2O主要来源于铵态氮硝化过程和硝态氮-反硝化过程，土壤氮底物浓度必然影响土壤N2O 排放。笔者研究中N2O排放通量随土壤铵态氮含量的增加而增加，随土壤硝态氮含量的增加而减小。杨曲[30]和刘运通等[31]也研究发现土壤N2O排放通量与铵态氮含量呈显著正相关。张玉铭等[32]研究发现，在施肥情况下，土壤硝态氮含量小于25 mg·kg-1时，土壤硝态氮对N2O排放影响显著，当土壤硝态氮含量大于25 mg·kg-1时，影响不显著；而笔者研究中土壤硝态氮含量为10～35 mg·kg-1时，N2O排放通量随土壤硝态氮含量增加而减小，可能是因为笔者研究中供试土壤硝态氮本底含量相对较低，N2O主要来源于铵态氮硝化过程，施肥前期土壤高含量铵态氮通过硝化作用促使N2O大量排放，随着硝化作用的进行，土壤硝态氮含量才逐渐增加，且存在一定的滞后性，因此出现N2O排放随着硝态氮含量增加而减小的现象。

土壤水分可以直接影响土壤微生物活性和土壤通气性，进而影响土壤硝化-反硝化作用。笔者研究与MAPANDA等[33]和SMITH等[34]研究均发现，土壤N2O排放通量随着土壤含水量增加而增加。另外，降水量还可以通过改变土壤含水量影响N2O排放通量，曹文超等[35]研究表明降水后会造成土壤厌氧环境，加速反硝化过程，促进N2O排放；笔者研究中前3天降水量为0～20 mm时，N2O排放通量随降水量增加而增大，该结果与曹文超等研究结果相同。地温和气温主要通过影响土壤微生物活性、土壤气体交换频率进而影响土壤N2O排放。一般认为在适当温度范围内，温度升高能增强脲酶活性进而促进尿素分解，减少土壤对NH4+的吸附；另外，温度升高能增强微生物活性从而促进N2O排放。而笔者研究中N2O排放通量随着地温和气温上升而下降，可能与笔者试验所处季节和施肥时间分布的特殊性有关。笔者研究以南方红壤旱坡花生地为研究对象，基肥、追肥分别施用于5、6月，高强度N2O排放主要集中于施肥后的一段时间内，但该时期温度相对较低；受作物生长吸收利用与氮素损失双重影响，7—8月气态氮排放通量较低，而该时期温度相对较高(图2)。

施肥后0～20 d，N2O排放通量逐渐增大，20 d以后逐渐减小。施肥后天数对N2O排放通量的显著影响，主要与施肥后土壤氮素浓度变化有关。尿素施入土壤中，显著增加土壤NH4+，有效促进土壤N2O排放，随着时间的推移，土壤铵态氮含量逐渐减少，N2O排放通量逐渐减小，至施肥加入的氮素消耗殆尽，N2O排放通量相对稳定地维持着低排放水平。

4 结论

(1)红壤旱坡花生地土壤氨挥发与N2O排放呈现显著的时间变化特征，且随耕作方式的不同表现出不同的规律。翻耕和免耕处理土壤氨挥发速率分别在第7天和第5天出现峰值，其峰值速率分别为1.55和1.05 kg·hm-2·d-1，整个花生生育期氨挥发累积量分别为17.19和18.38 kg·hm-2，分别占总施氮量的11.77%和12.59%，氨挥发热点时段主要集中在基肥后15 d内；翻耕和免耕处理土壤N2O 排放通量分别在基肥后第11天和追肥后第2天出现最大峰值，分别为2.90和3.97 mg·m-2·d-1，整个花生生育期N2O排放累积量分别为0.81和0.68 kg·hm-2，分别占总施氮量的0.55%和0.46%，N2O排放时间持续较长，无明显热点时段。翻耕与免耕处理氨挥发平均速率和累积量无显著差异，而免耕花生地N2O排放平均通量和累积量均显著低于翻耕，免耕使得红壤旱坡花生地N2O排放累积量降低16.05%；从不同损失途径来看，红壤旱坡花生地气态氮排放以氨挥发为主。

(2)基于BRT方法成功识别了气态氮损失的关键影响因子。土壤铵态氮含量、施肥后天数、花生生育期、前3天降水量和土壤硝态氮含量是红壤旱坡花生地氨挥发的关键影响因子，其对土壤氨挥发速率的贡献率分别为47.92%、14.78%、8.21%、7.44%和5.91%；土壤含水量、土壤铵态氮含量、地温、前3天降水量、土壤硝态氮含量、施肥后天数和气温是红壤旱坡花生地N2O排放通量的关键影响因子，其对N2O排放通量的贡献率分别为24.67%、20.34%、12.26%、9.93%、9.91%、9.64% 和8.51%。