茶园氧化亚氮排放机制及减排措施研究进展

2020-05-20张珂彬刘新亮沈健林

生态与农村环境学报 2020年4期

张珂彬，王毅，刘新亮①，康曼，沈健林，李勇

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125;2.中国科学院长沙农业环境观测研究站，湖南长沙 410125;3.中国科学院大学，北京 100049;4.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128)

由人为因素导致的温室气体排放是引起全球气候变化的一个主要原因［1］。氧化亚氮(N2O)是继二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)之后又一具有重要影响的温室气体，其百年尺度上单位质量增温潜势是CO2的265倍［2］。此外，N2O严重损耗平流层臭氧层，并促进光化学烟雾现象的产生，研究显示21世纪臭氧层的破坏与其紧密相关［3］。近几十年以来，由于人为活动影响，大气中N2O浓度一直呈上升趋势［4］，自1970年代以来，大气中N2O浓度年增长速率约为(1.43±0.06)μg·m-3，截至 2011年，大气中 N2O 浓度已达 636.82 μg·m-3［2］。在众多 N2O排放源中，农田土壤由于大量施用氮肥，被认为是N2O排放的最主要来源，占N2O人为排放源的59.4%［2］，农田土壤有巨大的N2O减排潜势。近年来随着人们对全球气候变化的广泛关注，尤其是大气中温室气体浓度升高所引起的全球变暖现象，如何有效缓解N2O等温室气体的人为排放已成为当前的研究热点。精确估算农田土壤的N2O排放通量、阐明土壤中N2O的产生机制以及如何有效减少N2O排放的研究就显得尤为重要。

茶是世界上3种主要饮品(咖啡、茶、可可)之一，茶园主要分布在热带和亚热带地区［5］。中国是世界上最大的茶叶生产国，随着社会经济的持续发展，市场对于茶叶的需求也不断增加，由此导致茶园面积不断增大。2017年中国茶叶种植面积为2.85×106hm2，占世界种植总面积的54.6%，年产量达 2.46×106t，占世界总产量的 40.5%［6-7］。2013年中国茶园N2O排放量约为40.90 Gg，占全球茶园N2O 排放量的 85.0%［8］。TOKUDA 等［9］研究表明呈酸性的茶园土壤较中性土壤能够产生更多的N2O，是大气中N2O的重要来源。茶园土壤中N2O的排放系数(1.43%～3.44%)显著高于其他土地利用方式的土壤(0.15%～1.81%)，如小麦、蔬菜、水稻等［10-12］。此外，中国茶园N2O平均排放水平(以N 计，下同)为16.60 kg·hm-2·a-1，高于世界平均水平(13.60 kg·hm-2·a-1)［8］。由于茶园 N2O 排放系数高且中国茶园种植面积大，研究茶园N2O的有效减排措施具有十分重要的意义。

茶园土壤N2O排放受到管理措施的影响，明确各种农作措施对茶园中N2O排放的影响及其作用机制，对于减少N2O排放、缓解全球变暖具有十分重要的意义。当前，对于茶园土壤N2O减排研究主要集中在中国和日本，研究方向主要集中在氮肥施用量、氮肥种类、氮肥施用方式、施用硝化抑制剂、添加碱性材料、添加生物质炭等措施对茶园N2O排放的影响等方面。但这些措施对缓解茶园N2O排放的效果尚无定论，因此有必要对当前茶园土壤N2O排放的研究工作进行系统回顾，筛选出对茶园土壤N2O切实有效的关键减排技术，以期为后续深入研究和茶园优化管理提供参考。

1 茶园N2O产生途径及排放影响因素

1.1 茶园N2O产生途径

研究表明，土壤中的硝化反应、反硝化反应、化学反硝化反应、耦合硝化反硝化反应、硝化细菌反硝化反应及硝态氮异化还原成铵反应均能够产生N2O(图1)，但茶园土壤中排放的N2O主要是通过硝化(主要指自养硝化)和反硝化(主要指异养反硝化)过程产生［13-15］。

硝化反应是指微生物将铵(NH4+)、氨(NH3)等还原态氮转化为亚硝酸根(NO2-)或硝酸根(NO3-)等氧化态氮的过程，硝化反应又可分为自养硝化和异养硝化2种类型。自养硝化过程产生的N2O来源于硝化过程中间产物NH2OH，NH2OH氧化过程中出现的中间产物［NOH］会通过化学分解或酶促反应产生N2O［16-19］。异养硝化作用主要有2种生物途径，第1种异养硝化菌持有的氨单加氧酶(ammonia monooxygenase，AMO)和羟胺氧化还原酶(hydroxylamine oxidoreducatase，HAO)与自养硝化微生物极其相似，第2种氨氧化过程的异养途径由真菌完成［20-22］。

广义上反硝化反应指生物反硝化，即在反硝化微生物作用下，将NO3-还原为 NO、N2O和 N2的过程。生物反硝化同样包括自养和异养途径，但目前对于土壤中自养反硝化的研究关注较少，异养反硝化可分为细菌反硝化、真菌反硝化和古菌反硝化［13］。在以往很长一段时间内，生物反硝化一直被认为仅由反硝化细菌作用完成，但HUANG等［23］研究表明茶园中真菌反硝化在反硝化作用中占据十分重要的地位。

图1 土壤中N2O产生途径及相关的酶Fig.1 Pathways of soil N2O production and corresponding enzymes

化学反硝化是指NO2-化学分解或与其他物质的化学反应过程，主要产物为 N2O、NOX和 N2［24］。在pH值＜5.5时，NO2-的化学分解会产生 N2O［25］。此外，在酸性条件下NO2-还可与还原态金属离子(Fe2+、Cu2+等)、NH2OH及某些有机物质(如酚类化合物、腐殖质等)反应生成N2O［25-27］。在碱性条件下，NO2-能够短暂积累，在酸性或弱酸性土壤中则更容易被迅速分解，只有在低pH时化学反硝化才被视为N2O的一个产生源加以考虑，不过该过程产生的N2O量远小于硝化和反硝化过程产生的N2O量，对土壤 N2O 排放的贡献量很小［13，24］。

耦合硝化反硝化作用是将硝化和反硝化反应联系在一起的过程，NO3-的生成能够为反硝化作用提供底物，从而间接导致N2O的生成［22］。硝化细菌反硝化是由于环境中O2含量不足或NO2-浓度过高，NO2-取代O2成为电子受体，导致AOB发生反硝化作用，在还原反应过程中生成N2O［28-29］。

硝态氮异化还原成铵作用(dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA)是一类以 NH4+为主要产物的硝态氮异化还原过程，但DNRA过程除了生成NH4+外，还常伴有NO2-的短暂积累和N2O的排放，DNRA多发现于有机碳含量较高的草地、森林等自然土壤，关于农田土壤的 DNRA研究则较少［13，30］。

研究表明，硝化反应及反硝化反应中产生的N2O占生物圈释放到大气中N2O总量的70.0%～90.0%［26，31］，尽管茶园土壤 N2O 产生机制较为复杂，但硝化和反硝化作用仍是N2O产生的主要过程。CHEN等［32］用农业生态系统模型WNMM模拟茶园土壤N2O排放过程时发现，反硝化过程的N2O排放量占茶园N2O排放总量的75.0%。

1.2 茶园N2O排放的影响因素

不同地区茶园土壤N2O排放因环境因素不同而产生差异［31］。影响土壤N2O产生及排放的主要影响因素包括气候因子、土壤条件和茶园管理措施。气候因子(温度、降雨等)能够通过改变土壤硝化和反硝化微生物活性来影响土壤N2O排放量。茶园N2O日排放通量与空气温度和5 d累计降雨量存在明显相关性［33］，例如暴雨过后茶园土壤N2O排放量迅速升高［31，34］。

土壤pH、含水量、质地、温度和底物等土壤条件均能够影响土壤N2O排放。多数研究认为土壤pH是影响土壤硝化反硝化作用的关键限制性因子，其通过直接或间接作用影响硝化和反硝化微生物活性及不同反应阶段催化酶活性来影响N2O排放［35-36］。低pH环境中氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase，NOS)活性高度敏感，较低的pH会降低NOS活性［37］，从而影响N2O还原为 N2的过程，使得土壤中积累大量的N2O，进而导致土壤N2O大量排放。土壤含水量能够通过影响土壤通气性、氧化还原电位、土壤有效氮(NH4+、NO3-)分布及其对微生物的有效性等，对土壤硝化反硝化过程以及N2O排放产生影响［38-40］。土壤因质地不同导致通透性和水分状况表现出很大差异，不同质地土壤的氧化还原电位也不同，从而导致其硝化反硝化过程存在差异，进而引起N2O排放差异［41-42］。土壤温度直接影响土壤微生物活性，从而影响土壤N2O产生与排放过程［11，31，34］。土壤底物包括土壤有机质、NH4+-N和NO3--N，有机质是土壤中异养微生物的碳源和能量来源，能够通过影响土壤微生物群落结构和生物量来影响N2O的产生与排放，NH4+-N和NO3--N作为硝化作用和反硝化作用的底物，其在土壤中的浓度直接影响土壤N2O排放量。

茶园翻耕、除草、采摘等管理措施同样能够通过影响土壤微生物群落结构和生物量来影响N2O的产生与排放，氮肥施用、硝化抑制剂施用及添加碱性材料等茶园日常管理措施的不同都会导致土壤N2O产生与排放的差异。

1.3 模型模拟茶园N2O排放过程

田间N2O原位监测对于研究不同农作措施对茶园N2O排放的影响十分重要，因为其能直接获得不同措施下茶园N2O排放的第一手资料，但是这种研究方式在数据获取和整理过程中需要投入大量的人力和财力，已不能适应当前社会高效发展的要求，因此亟需寻求其他能够快速得出研究结果并能够用于实际生产的研究新思路。模型方法能够精细模拟碳素和氮素在大气-土壤-作物系统中的循环过程，在寻求农业最佳管理措施时能够提供很大的帮助，有利于理解不同反应过程间的相互作用，找出当前措施的缺漏处，完善试验设计［43］。

目前农业研究中已经开发出多个用于评估土壤N2O排放的模型，并且已被用于政策研究工作［44］。这些模型既有基于经验的简单模型，也有基于过程用于模拟整个系统中不同反应的复杂模型，如 Expert-N［45］、DNDC［46］、NLOSS［47］、DAYCENT［48］、FASSET［49］、WNMM［50］。目前，模型模拟研究集中于不同农作措施对农田N2O排放的影响［43］，而茶园 N2O排放模拟研究较少。KWACK等［51］应用 DNDC模型模拟了日本典型茶园土壤N2O排放，模拟结果表明在施肥和降雨后N2O排放达到峰值，且模拟的N2O年累积排放量(21 kg·hm-2·a-1)与实测结果(25 kg·hm-2·a-1)接近，说明DNDC模型能够较好地模拟茶园N2O产生过程。CHEN等［32］运用WNMM模型模拟了中国亚热带典型茶园土壤N2O排放过程，模拟结果拟合了52.0%的N2O排放时间变化，表明WNMM同样能够较好地模拟茶园N2O排放过程，WNMM也较好地模拟了茶园土壤温度、土壤水分、氮素的动态变化。

2 茶园N2O减排措施

2.1 施肥措施对茶园N2O排放的影响

施入大量氮肥是茶园土壤N2O排放量较高的重要原因［9，14］，茶园氮肥施用量(以 N 计，下同)一般为 450～1 200 kg·hm-2·a-1［31，52］，在某些地区甚至高达 2 600 kg·hm-2·a-1［11］。此外，氮肥种类和施用方式都会对肥料中氮素在茶园生态系统中的流向产生巨大影响。

由表1可知，氮肥施用量显著影响茶园土壤N2O排放量［11］。针对茶园酸性土壤的实验室培养试验显示，氮肥施用量显著影响土壤N2O排放，N2O排放量随着氮肥施用量的增加而升高，60 d内3个氮肥施用量梯度下(300、600、900 kg· hm-2·a-1)土壤N2O累计排放量分别为 6.1、6.9、7.7 mg·kg-1［53］。不施氮肥条件下，中国2个茶园土壤N2O排放量分别为7.1 kg·hm-2·a-1(2010年新开垦茶园，试验于当年进行)［33］和 4.0 kg·hm-2·a-1(2008年开垦茶园，试验始于2012年，此前茶园每年施用化肥)［52］，当茶园中氮肥施用量为450 kg·hm-2·a-1时，N2O排放量分别增至17.2和17.8 kg·hm-2·a-1［33，52］。某日本茶园氮肥施用量为 510 kg·hm-2·a-1，2个不同年份 N2O排放量分别为10.6 和 14.8 kg·hm-2·a-1［31］。对日本静冈市某茶园为期2 a不同氮肥管理措施下N2O排放总量的比较研究显示，传统氮肥施用模式(1 200 kg·hm-2·a-1)下 N2O 排放通量为(25.22±2.43)kg·hm-2·a-1，但政府建议施肥措施(600 kg·hm-2·a-1)下N2O排放通量仅为(0.60±0.07)kg·hm-2·a-1［9］。

不同种类氮肥的物理化学结构存在差异，将其施入土壤后，土壤微生物硝化与反硝化过程也有一定差异［14］，从而引起N2O的排放差异(表1)。

茶树能够同时吸收铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)，但茶树对铵态氮的吸收代谢速率明显高于硝态氮，在供应铵态氮肥的情况下茶树生长状况更佳［54-55］。HUANG 等［56］对茶园 N2O 排放的研究结果表明，与铵态氮肥相比，硝态氮肥的施用会使茶园土壤排放更多的N2O。施用硝酸钾的茶园土壤N2O排放量最高，其次是硝酸铵、尿素和硫酸铵，虽然这3种氮肥也会使茶园土壤N2O排放量有所升高，但显著低于硝酸钾处理［22］。HOU 等［34］研究表明，传统施肥(硫酸铵+鸡粪)茶园土壤N2O低于单施化肥处理(硫酸铵)，但2种处理N2O排放量差异不显著。

秸秆经常作为有机物料返田以改善土壤状况，FU等［33］发现茶园土壤施肥时采用秸秆覆盖能够轻微降低茶园N2O排放，主要原因可能在于秸秆覆盖可降低土壤温度并阻止土壤水分蒸发，从而引起土壤中微生物量升高，这有助于反硝化作用反应更彻底，减少中间产物N2O的产生，进而使得茶园N2O排放量减少。但YAO等［52］研究表明，与施用尿素相比，在茶园中施加有机肥(菜籽饼)明显增加了土壤N2O排放(71.0%)，其原因可能是有机肥施用促进了土壤中异养微生物繁殖，使得土壤中厌氧位点大量提升，从而导致反硝化过程产生的N2O量增加。DENGM等［57］对茶园N2O的观测结果同样表明，茶园施用有机肥(菜籽饼+鸡粪)比施用化肥(硫包衣尿素)释放更多的N2O。虽然目前广泛认为有机肥部分替代化肥或施用有机肥会影响茶园土壤N2O排放，但对于其影响结果目前尚未形成一致结论。

表1 氮肥施用对茶园N2O排放的影响Table 1 Effect of nitrogen application on N2O emission from tea plantation

与其他作物农田相比，茶园中的氮肥利用率明显偏低。在中国，茶园中氮肥利用率仅有30.0%左右［58］。因此茶园中氮肥利用率有着较高的提升空间，较高的氮肥利用率不仅能够提升茶叶产量，还能够减少N2O排放引起的环境污染。目前常用的氮肥品种多系速溶型，容易引起氮素损失，与常规氮肥相比，控释氮肥氮素释放速率更低，因此不失为一种缓解茶园土壤N2O排放的改良措施。已有大量研究探讨了在玉米、小麦及水稻等大田作物中施用控释氮肥对N2O排放的影响，但对于茶园中施用控释肥的研究较少［59］。AKIYAMA 等［60］研究表明，与传统施肥相比，施用控释氮肥能够明显降低土壤中N2O排放，但与排水较好的土壤相比，控释氮肥施用在排水性较差的土壤中对N2O减排效果更好。WUY等［59］对湖南茶园的研究结果显示，控释氮肥对于N2O的减排效果与施用量有显著关系，与传统施肥模式菜籽饼+尿素〔(105+345)kg·hm-2·a-1(以N计)〕相比，施用菜籽饼+控释氮肥〔(105+120)kg·hm-2·a-1(以 N 计)〕能够显著降低茶园N2O(降低26.7%)，但如果控释氮肥处理施氮总量与常规施肥相同，施用控释氮肥反而会增加茶园N2O排放。与施用有机肥(鸡粪+菜籽饼)相比，施用控释氮肥茶园N2O排放总量仅为施用有机肥的51.1%［57］。控释氮肥能够降低农田 N2O排放，主要在于控释氮肥能够降低氮素的释放速率，从而更好地满足植物生长需求，减少微生物硝化反硝化作用能够利用的氮素量，进而减少土壤N2O排放。但当控释氮肥施用量较高时，土壤速效氮含量较大，可能会限制茶树的氮素吸收能力，导致土壤N2O 排放量升高［59］。

相关研究表明，与表面撒施铵态氮肥相比，氮肥深施能够减少土壤N2O排放［61］。硫酸铵深施处理的N2O排放量比表面施用方式减少29.4%［62］。LI等［8］研究表明，尿素深施(20 cm)能够显著减少茶园土壤中N2O排放(降低19.3%)，是茶园N2O减排的有效措施。

2.2 施用硝化抑制剂对茶园N2O排放的影响

硝化抑制剂又称氮肥增效剂，是一类通过抑制铵氧化细菌和铵氧化古菌相关活性来延缓NH4+-N氧化为NO3--N的化合物。理论上，硝化抑制剂能够降低土壤中的硝化速率，延缓土壤中NH4+-N硝化强度及降低NO3--N 积累［4］，使土壤中反硝化作用所需底物NO3--N含量维持在较低水平，从而减少茶园N2O排放量。土壤保持高NH4+-N和低NO3--N含量的状态，对于茶树来说无疑是十分利好的，因为茶树是喜铵植物，维持土壤中高NH4+-N环境能明显提高茶叶的产量和品质，提高氮肥利用效率，同时还能够降低茶园因NO3--N淋溶引起的水体污染。因此从理论上讲，茶园施肥管理中应用硝化抑制剂是一种减缓茶园N2O排放的有效措施。硝化抑制剂从来源上可分为人工合成硝化抑制剂、生物硝化抑制剂和次生硝化抑制剂。

2.2.1 人工合成硝化抑制剂

目前研究表明，各种人工合成硝化抑制剂均能显著影响土壤硝化过程，降低土壤N2O排放。室内培养试验表明，3，4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)、双氰胺(DCD)能够明显抑制茶园土壤硝化反应，与土壤中只施用硫酸铵相比，配施DMPP或DCD能够显著降低土壤 N2O排放(分别降低 70.0%和55.0%)［56］。另一室内培养试验表明，与 DCD相比，2-氯-6-三氯甲基吡啶(Nitrapyrin)能更有效抑制茶园土壤硝化作用，Nitrapyrin是一种对茶园土壤更高效的硝化抑制剂，DCD对茶园土壤的硝化抑制作用随培养时间延长逐渐降低，并且对于不同地域的茶园土壤，DCD表现出不同的硝化抑制效果［63］。而配施DCD的茶园田间试验结果与室内培养试验大相径庭，HIRONO等［4］为期2 a的茶园试验(氮肥施用量为544 kg·hm-2·a-1)表明，配施DCD并没有显著降低茶园N2O排放，尽管DCD处理N2O排放量第1年低于对照组，但第2年DCD处理反而比对照处理排放更多的N2O，施用DCD能否有效降低茶园N2O排放与DCD施用时间及当地气候条件(降水、温度)密切相关。

2.2.2 天然生物硝化抑制剂

人工合成的各种化学硝化抑制剂能够明显降低农田土壤 N2O 排放［64］，减少土壤氮素流失［65］，但由于其在不同农业气候和土壤环境中性能不稳定［66］以及价格昂贵难以在实际生产中应用等因素，化学硝化抑制剂在农业生产中的应用推广受到限制［67-68］。近年来，科学家发现某些植物根系分泌物可抑制土壤硝化反应。科学家用生物硝化抑制剂(biological nitrification inhibitor，BNI)来描述某类特殊植物根系分泌的对土壤硝化微生物具有特定抑制能力的化合物或者具有这种能力的植物。在热带草原上，非洲湿生臂形牧草和筋骨草显示出较强的生物硝化抑制能力［69-70］。在谷类作物中，高粱显示出显著的生物硝化抑制作用［71-72］，已有研究表明菜地间种高粱能够减少18.1%的土壤N2O排放，同时可提高蔬菜产量［73］。此外，还有一些其他植物表现出生物硝化抑制作用［64-65］。与目前普遍研究的化学硝化抑制剂相比，生物硝化抑制剂具有很多优点:首先，生物硝化抑制剂没有毒性，不会污染土壤及对农作物产生毒害作用;其次，只要植物能够正常存活，则能够产生持续稳定的硝化抑制作用;但其最大的优点在于成本较低，容易从自然界获得，经济效益高，便于在农业生产中应用推广。因此，使用生物硝化抑制剂应被视为一种潜在的茶园N2O减排措施。

2.2.3 次生硝化抑制剂氮肥——石灰氮

石灰氮是一种由氰氨化钙(CaCN2)、氧化钙(CaO)及其他不溶性杂质组成的碱性肥料，除了增强土壤肥效外，石灰氮还具有除草杀菌的功效。土壤中施入石灰氮后，CaCN2会水解为氨腈(H2CN2)和氢氧化钙〔Ca(OH)2〕;随后，氨腈会反应生成尿素和DCD［74］。DCD是一种硝化抑制剂，因此茶园中施用石灰氮必然会影响茶园土壤N2O排放(表 2)。

表2 施用石灰氮的茶园N2O排放量Table 2 N2O emission from tea plantation with lime nitrogen application

OH等［75］研究表明，茶园中氮肥(硫酸铵)减量的同时混入石灰氮不仅没有降低茶叶产量和质量，反而降低了茶园土壤中氮素以N2O形式的损失，缓解了茶园土壤的酸化状况。YAMAMOTO等［74］通过田间试验分析认为，常规施肥(有机肥+化肥)和施用石灰氮茶园土壤N2O排放存在显著差异，施用石灰氮显著减少了茶园N2O排放(降低36.0%)，这是因为石灰氮分解过程会影响土壤硝化反硝化作用，在反硝化过程是N2O产生主要途径的土壤中，石灰氮对N2O的减排效果会更好。HIRONO等［4］对茶园N2O为期2 a的监测结果也显示，与传统施肥(硫酸铵+尿素)相比，施用石灰氮处理可明显降低茶园N2O排放，其N2O排放量仅为传统施肥方式的51.0%。因此，在茶园施入石灰氮是一种既能够保证茶叶产量和质量，又能高效利用氮肥的环境友好型施肥策略。

2.3 添加碱性材料对茶园N2O排放的影响

低pH被视为土壤高N2O排放的一个重要原因［37］。TOKUDA 等［76］研究表明，在茶园施 N 量超过1 000 kg·hm-2·a-1时，N2O排放量与土壤pH之间存在明显的负指数相关性。硝化反应能够在低pH环境下进行，HAYATSU［77］研究表明茶园土壤硝化反应可以进行的pH值最低限为2.9左右，并且已从茶园土壤中分离出嗜酸性氨氧化细菌。此外，茶园长期施用大量氮肥可能会对耐受低pH环境的反硝化微生物起到选择作用［78］，使茶园土壤中能够耐受酸性环境的反硝化微生物丰度不断提高。这些现象表明酸性土壤中硝化和反硝化过程仍然比较剧烈，不难解释为何与其他土地利用方式相比，酸性茶园土壤能够产生较多的N2O。但SITAULA等［79］研究结果显示，pH值为4的林地土壤N2O排放量高于pH值为3和5.5的林地土壤，表明土壤的过度酸化也会抑制土壤N2O排放，土壤N2O排放会在最适pH条件下达最高。

农田日常管理加入碱性物质用以改善土壤酸化状况是一项常见的措施［53］，添加碱性物质会影响土壤中有机物质矿化、氮素转移、硝化及反硝化等过程［80-81］。酸性土壤中添加碱性物质能够加快碳素和氮素的矿化过程，促进土壤硝化和反硝化作用，从而提高土壤N2O排放量［82-83］。但是，也有其他研究者发现酸性土壤中加入碱性物质能够减少土壤N2O排放［84-85］。目前，对于酸性土壤中添加碱性物质能否减少土壤N2O排放尚无一致结论。

已有研究表明酸性土壤中添加碱性材料引起的pH升高能够减少土壤N2O排放［86］。针对茶园土壤的室内培养试验表明，土壤中添加白云石能够显著降低土壤N2O排放，可能主要是因为土壤中添加白云石后会引起土壤 pH升高［53］。TOKUDA等［9］研究不同施肥措施条件下茶园土壤N2O排放时发现，不施白云石处理的土壤N2O排放量为(3.08±2.16)kg·hm-2·a-1，施用白云石处理的N2O 排放量却仅为(0.60±0.007)kg·hm-2·a-1，说明施肥时一定量的碱性材料能够有效减少N2O排放，但施入2倍量白云石处理的N2O排放量高达(3.54±0.08)kg·hm-2·a-1，表明施肥时要注意加入碱性材料的用量，否则可能会导致茶园土壤N2O的过高排放。另有研究表明，土壤中添加白云石之所以能够降低土壤N2O排放，原因可能在于添加白云石后土壤pH上升导致NOS酶活性提高［86］。TOKUDA等［9］提出，适宜的土壤酸化状况有利于土壤N2O排放。因此对于茶园土壤中添加碱性材料是否能够减少N2O排放尚无一致结论。

2.4 添加生物质炭对茶园N2O排放的影响

近年来随着生物质炭固碳技术的兴起，科学家对施肥过程添加生物质炭对土壤N2O排放的影响产生了极大兴趣。土壤中添加生物质炭能够通过影响微生物群落结构和生物量而影响到土壤中碳素和氮素的循环过程［87］，进而影响土壤 N2O排放量。添加生物质碳可能通过以下方式影响土壤N2O排放:(1)改变土壤性质以及关键电子受体(O2、NO3-)和电子供体(NH4+、溶解性有机质)的有效性及其分布;(2)生物质炭被氧化后与土壤中矿物质间的相互作用降低N2O还原为N2的酶促反应;(3)影响土壤中微生物群落结构、生物酶活性及其控制的相关反应过程(氮素矿化过程、硝化作用和反硝化作用)［88］。不同生物质炭对土壤性质的影响也不尽相同，因为生物质来源及热解条件不同，生物质炭性质也会有所差异。有研究者认为土壤中添加生物质炭可提升土壤pH，通过提高NOS酶活性起到减少N2O排放量的效果［89］。茶园土壤室内培养试验表明，与对照组相比，不同类型的生物质炭(竹子生物质炭、稻壳生物质炭和锯末生物质炭)均能够显著降低土壤N2O排放;土壤在不同氮肥施用量情况下(300、600、900 kg·hm-2·a-1)，添加竹子生物质炭均可显著降低土壤N2O排放;3种不同类型生物质炭对土壤N2O减排效果不同，竹子生物质炭表现出的减排潜力最大。土壤中添加生物质炭可能会使土壤pH升高、土壤通气状况改善、土壤C/N比升高以及土壤中NO3--N 含量降低［53］。AMELOOT等［90］研究也表明，添加生物质炭对土壤性质的这些改变及其所引起的土壤微生物代谢活动变化能够减少土壤N2O排放量。

为了便于茶叶采摘，茶园在日常管理时会对茶树进行阶段性修剪，一般情况下修剪枝叶被直接丢弃在茶园中。OO等［91］的室内培养试验发现，与修剪枝叶被丢弃到土壤表面或土壤中相比，将修剪枝叶经过碳化转化为生物质炭添加到土壤中能够显著降低茶园土壤N2O排放。但是，LI等［8］的茶园原位监测试验数据显示，施氮肥(450 kg·hm-2·a-1)时添加秸秆生物质炭(10和40 t·hm-2)并未显示出N2O减排能力，与常规施肥相比，N2O排放量还有些许上升。关于茶园施肥过程中应用生物质炭对茶园N2O的减排效果还需进一步研究。

2.5 其他农作措施对茶园N2O排放的影响

HE等［92］提出在种植作物时间种豆科植物的生态工程能够提高氮肥利用效率，减少土壤中用于硝化和反硝化作用的氮素底物浓度，因此施肥时间种豆科植物可能会降低土壤N2O排放。LI等［8］通过茶园施肥时间种豆科植物三叶草的试验指出，与常规施肥〔尿素，450 kg·hm-2·a-1(以 N计)〕相比，茶园施肥后种植三叶草能够减少9.5%的N2O排放。

XU等［93］研究了由红薯淀粉废水和稻草秸秆发酵生产的生物肥施用对茶园土壤N2O排放的影响，结果表明，利用生物肥部分替代常规化肥不仅能够显著提高茶叶产量，还显著降低了茶园土壤N2O排放和化肥施用量。其影响机制可能有以下3个方面:(1)生物肥中的绿色木霉能够促进茶树生长，土壤中的无机氮更快被茶树吸收，从而降低了硝化和硝化作用所需的底物浓度;(2)高C/N比的生物氮肥使得土壤中更多的无机氮被固定;(3)生物肥施用导致土壤pH及O2浓度升高，使得反硝化过程能够进行得更加彻底，形成N2而非N2O。

3 研究展望

随着中国茶园面积的不断扩大，多种农作措施配合的集成技术将是未来茶园管理的主要方向。明确影响茶园土壤N2O排放的因素及影响机制，探寻经济可行的茶园土壤N2O减排农作措施，对于缓解全球温室效应具有积极作用。基于对茶园土壤N2O排放研究工作的综述，未来茶园N2O减排研究应重点集中在以下几个方面:

(1)进一步加强茶园N2O产生、排放途径及其影响因素的研究。明确茶园N2O产生、排放途径及影响因素，对于提出有效合理的茶园N2O减排措施十分重要。目前，已有许多研究通过室内培养试验探寻茶园土壤N2O的产生来源，但自然条件下茶园N2O产生及排放过程受到诸多因素的综合影响，还需进一步加强田间试验的研究工作。

(2)针对世界主要茶叶种植国家(中国和日本)的数个茶园典型土壤，设置多种面向茶园N2O减排方向的茶园管理措施情景(包括施肥制度、硝化抑制剂应用及生物质添加等)，在气候条件(包括当前气候以及 IPCC预测的未来气候 RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 6.0、RCP 8.5，不同频率的极端干旱、洪涝和极端低温等)情景驱动下，应用已校验的成熟模型开展大量情景模拟，分析不同情景下茶园N2O排放结果，挑选最优减排措施。

(3)优化、改进、扩充模型的N2O模拟模块，如更精准模拟N2O在农田土壤中的产生、扩散、排放的生物、化学和物理等过程;扩展真菌硝化-反硝化及其N2O贡献的模拟。

(4)构建评估茶园N2O减排情景的综合指标系统及评价方法。在当今全球可持续发展的大背景下，如果在研究工作中只专注于不同农作措施对茶园N2O排放的影响，而忽略经济效益、生态系统养分利用率以及直接和间接的环境污染，提出的茶园N2O减排措施就很难应用到实际生产中。因此，有必要构建一种综合考虑各指标、能够指导实际生产的综合指标系统和评价方法。