施氮对草原温室气体排放的影响及氮素资源合理利用

舒晓晓

（1 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075；2 陕西省土地工程建设集团有限责任公司；3 国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室；4.陕西省土地整治工程技术研究中心）

目前，气候变暖已经成为全球共同关注的热点问题。不管是汽车尾气的排放还是人类日常生活燃烧的化石燃料，都增加了大气中的温室气体含量。一般认为，最主要向大气中排放的温室气体是CO2、CH4和N2O。按照IPCC 第二次评估报告给出的GWP 计算，1994 年中国温室气体总排放量约为36.50 亿t 的CO2当量，其中CO2、CH4、N2O 分别占73.05%、19.73%和7.22%[1]。日益增加的温室气体使全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气、干旱和海平面上升，这种全球性影响无时无刻不在威胁着人类生命和生活。

在温室气体所有源与汇中，草原生态系统作为陆地生态系统中最重要的类型之一，是对温室气体增加和全球变暖反应较为明显的生态系统[2]。草地施肥有助于草地生产力的恢复和提高，其中施氮能够大大提高植物地上产量，但同时也影响着土壤中温室气体的排放。近年来，由于对氮肥的不合理使用已经影响了温室气体的排放，众多学者致力于施氮对温室气体排放的研究，如李建敏等[3]在玉米生长季，采用温室盆栽试验，研究了氮肥对土壤呼吸、土壤基础呼吸、根系呼吸和根际微生物呼吸的影响，结果表明施氮肥处理土壤基础呼吸、根系呼吸和根际微生物呼吸对土壤呼吸的贡献率分别为36.2%、45.9%和17.9%，而不施氮肥处理分别为35.5%、36.9%和37.6%。Hutsch 等[4]利用英国了无机氮肥的长期效应，结果表明甲烷氧化速率最高值出现在无氮肥处理的小区上，并且当无机氮施用量每年由48kg/hm2增至144kg/hm2时，土壤的甲烷氧化速率明显降低。章颖等[5]的试验也发现追肥攻茎肥后土壤N2O 的排放速率增加且出现排放高峰，国外也有研究表明施氮相对提高了土壤N2O 排放通量。但这些研究大多集中于森林、农田和稻田中土壤中，极少涉及草原生态系统温室气体通量对施氮肥的响应。所以研究施氮对高寒草原温室气体排放的影响势在必行。

1 施氮对草原系统3 种温室气体排放的影响

1.1 施氮对CO2 排放的季节变化

CO2排放包括根系呼吸和微生物呼吸2 部分。已有研究表明，施氮对土壤CO2释放有促进、无影响、抑制3 种作用[6]。CO2排放通量随着施氮时间的增加逐渐增加，这是因为随着施氮时间的延长，养分输入增加对土壤呼吸的影响也逐步呈现，正与前人关于氮输入增加初期对土壤呼吸的影响结果相一致[7]。在炎热夏季，施氮增加了CO2的排放量的峰值，这是因为化学氮肥的施用能增加植物氮素吸收，提高微生物量，增加了土壤矿质养分，改善了土壤碳氮比等性状，并能提高微生物活性，增加土壤呼吸的供应，从而促进了土壤的呼吸作用，进而增加了CO2的排放量[8]。这与李娜等对内蒙古草原施氮后CO2的季节排放规律一致[9]。秋季CO2排放通量开始减少，各个施氮水平下增加幅度下降，这是CO2排放量与作物生长有着密切关系[10]，成熟后期植物根系逐渐衰老，再加上温度下降，水分减少等环境因素，导致土壤中微生物活动减弱，植被和微生物呼吸速率均下降，出现CO2排放量迅速下降的趋势。对于氮肥与水分因子的关系，朱天鸿等研究表明，低剂量和高剂量氮输入倾向于消耗土壤水分，而中剂量氮输入倾向于土壤水分保持[11]。水分相对较多的草甸草原和高寒草甸土壤水分变化对氮素输入的响应比典型草原可能更加敏感。

1.2 施氮对CH4 排放的季节变化

CH4由甲烷菌产生，主要发生在厌氧环境，在有氧环境下，大气中CH4扩散进入土壤深层被甲烷氧化菌氧化吸收，CH4通量取决于产生量与吸收量的平衡[12]。通过对夏秋两季土壤CH4通量的分析，草原排放通量主要表现为吸收作用。这与前人研究结果相一致[13]。生长季初，土壤CH4吸收通量较高，随着生长季的到来，土壤CH4吸收通量逐渐降低，而后在生长季末，吸收量又逐渐增加。夏季高温高湿，土壤的水热条件配比较好，NH4+和NO3-对土壤CH4氧化的抑制作用较低，产甲烷的微生物数量与代谢活动较为旺盛，所以达到夏秋两季土壤CH4吸收量的最大值。进入草原秋季，植物生长末期凋落物大量增加，土壤枯枝落叶层增厚，阻碍了大气O2向土体扩散，再加上此时温度降低水分不易蒸发，植被蒸腾作用大幅度降低，进一步减少了土壤O2含量，限制了甲烷氧化菌代谢，进而使土壤空气中的CH4吸收通量值降低[14]。土壤C/N 比对CH4排放的影响与微生物活动有关，一般认为微生物的生长与繁殖在C/N 为25～30∶1 较适宜，高氮量会降低土壤的C/N，从而抑制土壤微生物活性，使CH4增排强度相对降低[15]。因此，进行长期定位实验能够更好地反映土壤微生物对氮肥施用的响应趋势。

1.3 施氮对N2O 排放的季节变化

N2O 是由有氧硝化和厌氧硝化过程产生的，土壤湿度决定的氧分压控制着硝化和反硝化过程的存在状况，自然界土壤是硝化和反硝化的嵌套体。观测中N2O通量是硝化和反硝化产生量的总和，这2 个过程对水分和温度条件敏感，尤其是反硝化过程[16]。整个生长季，施氮对N2O 通量变异剧烈，植物生长初期，气候干燥，土壤微生物主要以反硝化过程为主，N2O 排放量较高。夏季生长季的旺季，温度较高，微生物代谢活动剧烈，反硝化过程大于硝化过程，N2O 释放量大，这与杜睿等的研究结果一致[17]。其他研究也曾观测到草地N2O 排放通量为负值的情况[18，19]，原因可能是土壤消耗大气中的N2O。毕竟草原土壤N2O 的排放是一个较为复杂的过程，其N2O 排放量取决于多因子协同作用的结果[20]。

2 氮素资源合理利用的建议

中国已成为全球温室气体排放第二大国，为担负大国义务，中国已于1998 年5 月29 日签约了《京都议定书》，在国际谈判中面临碳减排问题。针对草原区域减排应从以下几方面入手：①加大各种环境因子对温室气体排放通量影响的研究，建立更加全面的理论数据资料；②增加研究地区测定的年限，丰富年鉴参考数据，找出更适合该地区温室气体减排和促进植物生长的施氮量以及方式方法；③扩大范围研究范围，增加对全球范围内的研究，为全球温室气体减排提供更详尽的数据资料。

2.1 因地制宜，合理控制氮肥施用量

应该根据作物的品种以及所处地区不同，充分考虑当地的气候、温度等环境因子和土壤理化性状，因地制宜合理控制氮肥用量。例如在作物品种方面的考虑，由于不同作物品种其习性及生长条件，对氮肥的要求也不相同。玉米和小麦等禾谷类作物，因为其需氮量多，可以多施。对于豆科植物等，其固氮作用比较强，可以在根瘤菌未起作用之前的生长期施用少量氮肥。而对于草地，氮肥的施用可以增加牧草的粗蛋白含量，其施氮量的确定应根据不同时期牧草的生长需要酌量施加，还要结合当地所面临的草价低、肥价高的制约，以增加产草量的第一性产品来衡量经济效益，而以增加第二性生产载畜量，改善草地生态环境来计算环境效益，将所有因素综合起来选用一个最合适的施氮量。在具体对牧草施肥时，应针对不同地区、不同理化性质的土壤，不同牧草类型进行因地制宜的施肥。如我国陕北地区缺硒，可增加微量元素硒的施用量。过黏或过沙的土壤可常施有机肥，以改善土壤的理化性质和增加土壤的团粒结构。豆科牧草有根瘤菌，自身有固氮的能力，在整个生长过程中应尽量少施氮肥，而禾本科牧草对氮肥的需求量较大，应多施氮肥。总之，在施用氮肥时，应该充分考虑不同的土壤条件、土壤粘粒和pH值。对于保肥能力差的砂质土壤，应坚持少量多次的原则，采用分次施肥；对于土壤较深较厚、保肥力强的土壤，以基肥为主，多次追肥。

2.2 合理耕作，正确控制施氮时间

施肥时期的确定，是合理应用氮肥，减少温室气体排放的重要部分。对于草原生态系统，氮肥的施用主要是针对牧草的施用，发现一般牧草从发芽或再生到第1 片绿叶长成时，仅需水分，不需要补充其他养分。在第1 片绿叶长成后，牧草开始从土壤中吸取养分，它需要的养分数量不多，但如缺少也会影响牧草生长。在牧草刚开始生长时，由于生物作用小，需水和需肥都较少，此时可以减少氮肥和水分的施用。当牧草开始旺盛生长时，对养分的需求很大，应保证土壤的养分供应。土壤对养分供应的多少也与气候情况和微生物活动有关系。如在寒冷季节，土壤里硝化细菌等微生物不活跃，对氮素的供应少，温暖的时候，硝化细菌等微生物活跃，对氮素的供应就多，而牧草生长到了的成熟期，对水肥需求敏感，适当地补充水分，会有利于植物对土壤氮素的吸收。对牧草进行追肥时，追施的时间一般在禾本科牧草的分蘖、拔节期；豆科牧草的分枝、现蕾期。为了提高牧草产草率，每次收割后也应追肥。多年生牧草，每年春季要追1 次肥，促其早发快长。秋季禾本科牧草追施氮肥时，可以配施一定量的磷钾肥。豆科牧草除苗期追施氮肥外，其他时期以磷钾肥为主。因此，在植物不同的生长时期，根据其实际情况合理地施用氮肥，可以提高氮肥的利用率，减少氮肥损失。对于不同类型的生态系统如草原、沼泽、农田等，应该根据其对氮素吸收的内在机理进行不同时间施氮肥，减少温室气体的排放量。

2.3 注重氮肥种类选择，促进氮素资源利用

不同地区的土壤对不同的氮肥种类吸收不同，合理选用氮肥种类，是促进氮素资源利用，减少温室气体排放的重要方面。经研究，一般石灰性的土壤，pH 值偏碱宜选用酸性肥料，如硫铵、氯化铵等；在酸性土壤上，选择碱性或生理性肥料，如石灰氮、硝酸钙等。对于无机肥与有机肥的选用也很重要，无机肥肥效快且其合理施用将增加有机质的固定，相比于有机肥，可减少CO2和CH4气体的排放，但其肥效短暂需多次施用。有机肥肥效持久，但过量施用，可促进CO2和CH4气体的排放，且有机肥和畜禽粪肥堆放场地有大量NH3气污染，对人居、工作和生活都带来不愉悦的影响。总之，有机肥和无机N 肥的过量使用，都会导致土壤N 素积累。在厌氧还原条件下，土壤中的反硝化作用有N2O的排放。N2O 在近地面增加O3的形成，而到达同温层的N2O 则破坏O3层，两者都对人体健康及作物生长有负面效应。所以，对于无机肥与有机肥的选用，应该根据不同地区的作物、土壤需要以及环境条件，在充分考虑经济发展和环境保护的基础上合理选用。

对草原牧草进行施肥时，在基肥和追肥期应进行肥料种类的合理施用。如在基肥施用时，一般分为2 种方法：一是播种前，结合耕翻土地时施用优质农家肥如厩肥、堆肥，或缓效性化肥，用于满足牧草整个生长期的需要，一般667m2施用有机肥1000～2500kg、过磷酸钙10～20kg 或钙镁磷肥20～25kg、氯化钾8～10kg；耕前撒施，撒后耕翻。二是种肥，播种时与种子同时施入肥料，以满足牧草幼苗生长的需要，种肥可施在播种沟内或穴内，盖在种子上，或用作浸种、拌种，所用肥料不管是农家肥还是化学肥料，都不能影响种子出苗。在追肥时，牧草出苗后，在其生长期内，根据牧草的长势进行追肥。追肥以化肥为主，追施方法有撒施、条施、穴施、灌溉施肥或叶面喷肥等。对于氮肥种类的选用，还应该针对不同生态系统综合考虑，多方面提高氮素的利用率。而且在肥料使用的研究方面，人们为了弥补有机肥与无机肥的缺陷，着力研究出了新型的缓释肥料和生物肥料来兼顾二者优点，并且发现施用氮素添加剂也可以减少氮素的挥发损失，提高氮素的有效性。