家畜排泄物驱动的草地氧化亚氮释放及其影响因素

宁瑞迪，宋月青，王 岭

（东北师范大学植被生态科学教育部重点实验室，吉林 长春 130024）

氧化亚氮(N2O)是一种受人类活动影响的重要的温室气体，它的温室增温潜能是同浓度二氧化碳的310倍，对全球的气候变化具有强烈的影响[1-2]。自18世纪以来，大气中N2O的浓度已增加近20%(从2.77 × 10-7mg·kg-1增至3.22 × 10-7mg·kg-1)，且近年来仍以每年约0.25%的速度增加[3]。其浓度的增加不仅加剧了全球的温室效应，而且会间接破坏臭氧层，增强到达地球表面的紫外辐射，危害人类和动植物的健康与安全[4-5]，因此，人类活动导致的N2O大量释放的问题不容忽视。

家畜排泄物在N2O释放中起着重要的作用[6]。家畜作为草地生态系统的初级消费者，会通过排泄物的形式将其采食中70%～95%的氮(N)归还于土壤[7-8]。但是这些N素已远远超出植物的需求，导致部分N素会在微生物的作用下转化为N2O并释放到大气中。此外，排泄物中碳(C)、磷(P)等营养元素也会促进参与N2O产生的微生物活动，进而加剧温室效应[9-10]。Trivedi等[11]通过模型预测，由于放牧家畜数量的不断增加，再过15～20年，大气中N2O的浓度将会增加30%～60%。因此，如何控制家畜排泄物对N2O释放的影响对缓解温室效应具有十分重要的科学意义。目前已有大量关于家畜排泄物驱动N2O释放的评价研究，但由于不同类型的家畜排泄物在存在形式、营养成分等方面存在较大差异，以及N2O在土壤中产生的机理复杂且影响因素众多，导致研究结果并不一致。本文从动物、植物和土壤特征三方面，全面论述排泄物驱动的N2O的释放过程及其影响因素，以及研究过程的不足和未来研究的重点，为制定合理的放牧政策来控制温室气体的释放、缓解温室效应提供科学指导。

1 家畜排泄物驱动的N2O 的释放过程

家畜排泄物中的有机氮首先通过一些生物化学反应(如畜尿中的尿素通过水解作用，畜粪中的蛋白质通过矿化作用)产生氨态氮，然后进一步参与硝化和反硝化作用，释放N2O (图1)。硝化作用和反硝化作用被认为是排泄物驱动的N2O释放的主要途径[12-14]。硝化作用是在有氧的条件下铵根(NH4+)通过化能自养亚硝酸和硝酸细菌的作用被氧化为亚硝酸盐(NO2-)和硝酸盐(NO3-)的过程，并伴有中间产物N2O的形成[15-16]；反硝化作用是在低氧的条件下排泄物中原有少量的NO3-以及硝化作用产生的NO3-通过反硝化细菌依次还原为NO、N2O、N2的过程[17-18]。近年来，许多学者发现硝化细菌的反硝化作用在排泄物驱动的N2O释放中同样具有重要作用[19-20]，即在厌氧条件下，NH4+被氧化后生成的NO2-通过土壤硝化细菌的作用被直接还原成N2O的过程[21]。Pan等[20]通过研究N2O释放的关键微生物过程发现，在没有添加排泄物的处理下，硝化细菌的反硝化作用对N2O释放的影响几乎可以忽略；但在添加了绵羊排泄物之后，由于排泄物导致的土壤NO2-浓度的增加以及厌氧程度的提高，使其对N2O释放的作用明显提高。迄今为止，关于排泄物驱动的N2O释放过程的研究主要集中于硝化作用以及反硝化作用，而对于硝化细菌的反硝化作用的研究相对较少，很大程度上忽略了它在N2O释放中的贡献。因此，在未来研究中需要对硝化细菌的反硝化作用加以重视，深入研究其发生机制及其对N2O释放的贡献。

图 1 家畜排泄物驱动的草地N2O释放的微生物过程Figure 1 A diagram outlining the pathways of microbial-driven nitrogen transformations in excreta patches in grassland ecosystems

2 影响家畜排泄物驱动的N2O 释放的主要因素

影响家畜排泄物驱动的N2O释放的因素主要有排泄物特性、土壤环境和植被特征等[22-23]，但本质上都是通过直接或间接地影响土壤微生物种类、数量及其生理生化过程，进而影响N2O的释放。

2.1 家畜排泄物特性对N2O释放的影响

迄今，国内外学者已在不同地区相继开展了不同放牧家畜种类(如，牛、羊)以及不同排泄物类型(粪便、尿液)对N2O排放的影响(表1)。这些研究工作表明，家畜种类以及排泄物类型可能是影响N2O释放的重要因素。

表 1 放牧家畜排泄物对草地土壤N2O排放的影响Table 1 Effects of the excreta from different grazing animals on grassland soil N2O emissions

2.1.1 不同家畜种类的排泄物效应

牛、羊作为我国草地生态系统主要的放牧家畜，在采食策略和生理结构上都存在较大差异。体尺相对较小的羊通常具有较高的新陈代谢速率和较小的肠容量，因此往往倾向于采食高质量的食物；相反，体尺较大的牛通常拥有更大的肠容量，能够对食物进行更细致的消化，因此往往能够忍受较低质量的食物[31]。生理结构和采食策略上的差异使得牛羊所产生的排泄物在理化性质有所不同，进而导致N2O的释放量也大不相同。然而，当前大多数学者将牛的排泄物作为研究N2O释放的重点，忽略了羊排泄物对N2O释放的重要性，从而导致关于同时比较牛羊排泄物对N2O释放影响的研究十分匮乏。

首先，牛羊尿液对N2O释放的影响存在差异。在有限的文献中，绝大多数学者认为牛尿液驱动的N2O释放量高于羊尿液[24,32]，可能是由于牛尿液中大量的水分以及营养元素(C、N等)加快了微生物的活动从而促进了N2O的释放[33]。然而Sordi等[25]通过比较不同体积的畜尿对N2O释放的影响发现，体积越大的畜尿越容易通过土壤中的大孔隙进入土壤深层，由此可以推测，由于牛尿液的体积较大，其大部分的畜尿会进入土壤深层，导致土壤表层仅留下少量的可利用氮，从而可能会出现N2O释放相对较少的现象。

此外，牛羊粪便对N2O释放的影响也存在显著差异。大多数研究[26-27,34]表明，羊粪便驱动的N2O释放量低于牛粪便。原因有以下两点：第一，羊粪中可利用的氮含量明显低于牛粪，并且在羊粪便的处理下，植被对N的吸收能力更强，因此土壤中仅留下少量的可利用氮产生N2O。第二，羊粪的含水量较少、外形呈现小球状且所占土壤面积较小、分布相对均匀，上述因素的综合作用会导致羊粪产生的厌氧面积较小，从而使N2O的释放量较少。然而，Hoeft等[24]认为，尽管牛粪斑的N2O释放量要远远高于羊粪斑，但由于羊排泄粪便的频率和数量明显高于牛，且羊粪在草地分布的空间面积更大，因此在整个放牧场尺度上，羊粪产生的总N2O释放量要高于牛粪。

2.1.2 排泄物类型(粪尿)的作用

家畜排泄物的两种类型即畜尿和畜粪在驱动草地N2O释放中的表现是不一致的。一般认为，畜尿驱动的N2O释放量高于畜粪[28-29,35]，主要原因包括：首先，畜尿和畜粪的形态特征不同，畜尿的液体形态会使其营养物质更容易进入土层中并加速微生物的活动，而粪便的固体形态会极大地减弱营养物质的淋溶作用，因此畜粪驱动的N2O释放量相对较少。其次，畜尿和畜粪的氮素存在形式也有所不同[36]，畜尿中超过70%的N是以尿素形式存在的，除极度干燥或低温外，一般只需3～4.7 h就可完成50%的水解过程[37]，矿化速率很快，且在尿素水解过程还伴随着土壤pH的提高，增加了有机物质的可溶性，为硝化和反硝化作用提供了更多的底物；而畜粪中大量的N以有机态的形式存在，其矿化途径包括蛋白物质的氨化、氨基酸糖化及其多聚体的氨化，以及核酸物质的脱氨等多种复杂过程[38-39]，能够提供给土壤微生物进行硝化和反硝化的底物较少。此外，畜粪中大量的有机碳能为土壤微生物的活动提供更多的能量[24]，微生物的强烈活动会导致土壤严重缺氧，促使反硝化过程更加彻底，N2O进一步转化为N2。因此相对于畜尿，畜粪释放的N2O较少。

然而，Nichols等[30]通过长期检测牛排泄物驱动的N2O释放通量发现，畜粪驱动的N2O释放量高于畜尿，可能是因为畜尿中大量易水解的无机氮使其释放的N2O多集中在实验初期，而畜粪中大量难分解的有机氮使其在实验后期仍然能够参与反应，且冻融期衰退的微生物细胞也会促进畜粪的氮矿化作用，因此畜粪释放了更多的N2O。Wachendorf等[40]也得到相似结论。此外，Tully等[41]和Sherlock等[42]发现，在干燥的气候下由于水分的限制，畜尿和畜粪驱动的N2O释放量并没有显著差异。

综合大量国内外研究发现，畜尿和畜粪对N2O释放的影响存在较大差异，然而政府间气候变化协调委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在编制国家N2O排放清单指南中，并未将二者区分进行计算。因此，未来仍需要各国研究人员在该方面进行大量的研究并得出相关规律，从而辅助IPCC编制国家N2O排放清单参数的确认和修正[43]。

2.2 土壤特征对家畜排泄物驱动的N2O释放的影响

2.2.1 土壤含水量

土壤含水量是影响家畜排泄物驱动的N2O释放的一个重要因素。徐新超等[43]表明，当土壤孔隙含水量(WFPS，water-filled pore space)在77%～86%，N2O的释放量最高。低于此范围时，随土壤水分的增加，微生物的活性以及对无机氮的获取能力逐渐增强，排泄物驱动的N2O释放量随之增加。多数学者也得出相似结论[44-45]，Lessa等[28]发现，当土壤的孔隙含水量低于20%时，排泄物驱动的N2O释放极低。但经过大量的降雨后，排泄物驱动的N2O释放量明显提高。Cardoso等[46]在湿润(WFPS为62.3%)和干燥(WFPS为40.4%)的两种土壤湿度下施加相同体积的尿液后发现，在湿润的土壤下，尿液驱动的N2O释放量更高。

但当土壤孔隙含水量超过最大范围时，毛管被水充满或由于粘粒或腐殖质膨胀以及悬浮颗粒的沉积等会使毛管堵塞，从而可能会限制N2O释放[47]。Groenigen等[48]在水分饱和的土壤中添加50 mL尿液后发现，有N2O的释放发生暂停的现象，只有当水分蒸腾后N2O才会继续释放。此外，N2O在土壤溶液中的暂时积累，可能还会增加其被进一步还原为N2的风险，从而减少N2O的释放。值得注意的是，在同一水分含量条件下，N2O的释放对土壤水分的响应也会随着供试土壤的不同而表现出差异。Pihlatie等[49]研究发现，当WFPS为40%～60%时，有机土的N2O通量最大，其次是粘土、壤质砂土；而当WFPS为 80%～100%时，砂壤土产生的N2O通量是有机土的两倍。因此，在考虑水分管理对N2O释放影响的同时也应考虑其他因素的影响[50]。

2.2.2 土壤pH

土壤pH可以通过影响硝化和反硝化细菌的活性及相应的氮素转化过程影响排泄物驱动的N2O的释放[51-52]。家畜排泄物的氮硝化和反硝化的适宜土壤pH均为7.0～8.0[53-55]，在此范围内，N2O的释放量与土壤的pH正相关。根据Pual等[56]和Firestone等[57]的研究，土壤pH低于4.5时，硝化和反硝化作用受到强烈抑制。低土壤pH主要是抑制了硝化细菌和反硝化细菌和的生长和酶活性，并使氯化物对硝化过程的抑制作用增强。根据Vallisl等[58]和Firestone等[57]的研究，土壤 pH高于8. 0时，硝化和反硝化作用同样受到抑制。在研究尿氮转化过程中发现，高土壤pH抑制了硝化细菌的活性，从而抑制了铵氮向硝氮转化的过程，使尿斑中出现NO2-的累积现象，从而减少N2O的释放[59]；Monaghan等[60]研究发现，高土壤pH促进了NH3的形成，加剧了对硝化细菌的毒害作用从而减少N2O的释放。土壤pH对排泄物驱动的N2O释放的影响较为复杂[61]，且关于此方面的研究较少，大多数是在没有排泄物的处理下进行的，关于此方面的认识，仍需进一步探索以补充在解析机制上的不足。

2.2.3 土壤温度

土壤温度对排泄物驱动的N2O释放有着非常重要的影响。Agehara等[62]研究表明，N2O的释放量与土壤温度呈正相关关系，当土壤温度高于5 ℃时，硝化和反硝化细菌的活性随温度的提高而增强，从而促进N2O的释放，且在25～35 ℃范围内N2O的释放量达到最高。Luo等[63]也发现，夏季家畜排泄物驱动的N2O释放量显著高于冬季，这主要是由于冬季较低的土壤温度减弱了硝化细菌的活性，从而延缓铵态氮向硝氮转化的过程，进而抑制了N2O的释放[64]。然而，家畜排泄物在冬季仍然能够产生大量的N2O[65]，这可能是因为在低温时植物对氮的吸收速率下降，导致土壤中大量的无机氮在微生物的作用下以N2O的形式释放到大气中。此外，温度对N2O释放的影响也受到其他土壤因子的调控，Barnard等[66]发现，当水分不是限制因子时，温度升高并不会促进N2O的释放，但当水分成为限制因子时，温度升高则能极大的促进N2O的释放。这说明温度对N2O释放的影响可能与土壤含水量有关；杨兰芳等[67]研究表明，当氮源充足时，土壤N2O的释放受温度影响，但当氮源缺乏时，底物浓度成为限制因子，N2O的释放主要受氮源控制而不是温度，这说明温度对N2O释放的影响也可能与土壤氮素浓度有关。因此，在考虑温度对N2O释放的影响时也应兼顾考虑水分、土壤氮素浓度等其他因素的影响。

2.2.4 土壤质地

土壤质地是影响N2O释放的另一个重要因素。其影响机理可以从以下两个方面说明：首先，土壤质地通过影响土壤的透气性和水分含量来影响土壤硝化、反硝化细菌的活性，进而影响排泄物驱动的N2O释放[68-69]。Krol等[70]研究表明，在排水良好的砂质土壤下，排泄物驱动的N2O释放量明显低于粘质土壤，这是因为在大量的降雨后，砂质土壤能快速恢复到干燥的土壤环境，不会造成严重的土壤缺氧，所以N2O的释放量相对较少。其次，土壤质地通过影响土壤温度来影响硝化和反硝化速率，进而影响N2O的释放。Smith等[71]研究表明，在土壤孔隙含水量较高的条件下，相对于砂质土壤，粘质土壤较高的土壤温度系数(Q10)为微生物提供了良好的生活环境从而增加了N2O的释放。因此，总体而言，粘质土壤下排泄物驱动的N2O释放量高于砂质土壤。然而徐华等[72]得出相反结论，原因有以下两方面。首先，N2O释放量最终是由N2O的产生量和N2O的释放速率两方面决定的，尽管粘质土壤较强的保水能力使之产生较多的N2O，但砂质土壤的气体扩散速率更快，更加有利于土壤中产生的N2O向大气中释放。其次，砂质土壤对有机质的保持能力较弱，这可能会为微生物活动提供更多的有机质，从而加速N2O的产生过程[73]。

IPCC在1996年出版的国家温室气体释放清单中提供的N2O的释放因子并没有考虑不同农业土壤类型的差别，然而，上述研究表明在不同的土壤类型下，排泄物的施加对N2O的释放存在显著差异。因此，为了提高编制温室气体释放清单的准确性，应当综合诸如土壤温度、含水量等各种土壤理化特性对排泄物驱动的N2O的释放的影响。此外，深入研究不同土壤理化特性对排泄物驱动的N2O释放的影响，并将得出的规律应用到实际的放牧管理中，对于减缓温室气体的释放具有重要意义。

2.3 植物特征对家畜排泄物驱动的N2O释放的影响

在自然生态系统中，植被与土壤是紧密联系互不可分的，植物在生长过程中会通过影响土壤的理化性质来影响土壤微生物的活性，从而影响排泄物驱动的N2O的释放。综合国内外研究发现，不同的植被特征能够显著影响排泄物对N2O的释放效应(表2)。首先，植物在生长过程中会与土壤微生物竞争营养元素，特别是可利用性氮素，从而减少参与硝化、反硝化过程的底物。Bowatte等[74]通过比较多花黑麦草(Lolium perenne)、白三叶草车(Trifolium repens)等16种不同种类的的植物在施加相同体积的牛尿液后的土壤N2O释放量发现，多花黑麦草等生物量越高的植物对于氮的吸收能力越强，因此能够减少N2O的释放。其次，植物在生长的过程中也会改变土壤的物理环境(如，土壤含水量、土壤pH、土壤氧气含量)，进而影响微生物的活性和丰度。Luo等[63]在车前草(Plantago lanceolate)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、白三叶草(Trifolium repens)、黑麦草(Lolium perenne) 4种不同的植被类型下施加相同体积的牛尿液后发现，由于车前草吸收了土壤中大量水分使微生物的活性急剧下降，从而显著的减少排泄物驱动的N2O释放。此外，某些植物根系分泌的次生代谢产物也会抑制硝化、反硝化过程。例如糖蜜草的根系可以分泌硝化抑制物质，降低土壤硝化细菌的活性，从而抑制N2O的释放[75]。

表 2 植被类型对家畜排泄物驱动的土壤N2O排放的影响Table 2 Effects of plant type on soil N2O emissions from grazing animal excreta

物种丰富度也可能影响排泄物驱动的N2O释放。研究发现，在高物种丰富度的植物群落中，耐胁迫的植物物种通过保护易受胁迫的植物物种，从而减弱畜尿对植物根系产生的NH3毒害作用，形成正向的多样性-生产力关系，进而使不同植物物种间通过资源互补吸收更多的氮素，减少N2O的释放[77-78]。然而也有学者持相反意见。Abalos等[76]在物种丰富度为单种、2种、4种的植物群落上施加相同体积的畜尿后发现，物种丰富度和N2O的释放之间并不存在相关关系。他认为，相对于物种的丰富度，特定植物物种的组合对于N2O释放的影响更大。只有组成群落的物种间在根系深度、营养偏好、通气组织类型和根系分泌物种类及数量等方面存在明显的互补效应，才能对土壤中可利用氮的利用效率达到最大，从而减少N2O的释放。

3 展望

综上所述，现有的研究成果对理解排泄物驱动的N2O的释放过程及其影响因素奠定了较好的基础，但应在以下方面进行更深入的研究。

1)关于排泄物驱动的N2O释放的微生物过程的研究较少。首先，硝化作用和反硝化作用是影响排泄物驱动的N2O释放的重要过程，然而关于二者对N2O的释放相对贡献的研究较少；其次，已有研究发现，排泄物可以通过硝化微生物的反硝化途径产生大量的N2O，但关于此方面的研究仍十分匮乏。在未来的研究中应考虑将15N的示踪技术与分子手段结合起来建立N2O的释放及其微生物群落之间的联系，这可能会更加深层且有效的解释N2O的释放过程。

2)尽管国内外学者对影响排泄物驱动的N2O释放因素做了大量的研究，但大多都在实验室内进行且研究对象单一。然而，草地N2O的产生和释放同时受到多种环境因素的共同制约，且各因素间还存在交互效应，因此仅研究单一因素对排泄物驱动N2O释放的影响对实际的放牧管理指导有限，未来应更加注重多因素参与下的野外实验的重要性，使更加实用的减排措施广泛的应用到草地生态系统中。

3)尽管植物在调控土壤氮素循环中的重要作用是众所周知的，但关于植物对排泄物驱动的N2O释放的研究内容仍然较少，研究机制并不深入。未来需要更多的学者关注此方面的内容，从植物的角度提出新的减排措施。