茶园土壤N2O 产出与排放研究进展

叶宗辉，郑宁国，姚槐应,*

1. 武汉工程大学 环境生态与生物工程学院/环境生态工程研究所，湖北 武汉 430205；2. 中国科学院 宁波城市环境观测研究站，浙江 宁波 315800；3. 中国科学院 城市环境研究所，福建 厦门 361021

氧化亚氮（N2O）是重要的温室气体，对全球增温效应的贡献率约为5%，是造成全球气候变暖和极端气候事件增加的主要原因之一[1]。施肥的农田土壤主要通过硝化和反硝化作用向大气释放N2O，是大气N2O 的重要排放源，占比达60%左右[2]。N 是茶树最重要的营养元素之一，在生长过程中，如果N 肥用量不足，可能引发茶树生长减慢、新梢萌发轮次减少等现象；同时，氮素还直接影响茶叶中茶氨酸、茶多酚以及咖啡碱等的含量，是决定茶叶产量和品质的关键因素[3-4]。茶农为追求最大经济产量，将大量氮肥投入到茶园，引发土壤酸化、氮素流失和温室气体排放增加等系列问题，增加土壤N2O 排放量[5-7]，茶园N2O 排放系数成倍增加[8]。 Akiyama 等发现日本茶园土壤的N2O 排放系数（2.82%）是农田土壤（0.62%）的4.5 倍[9]。我国有超过30%的茶园存在过量施氮问题[10]，Li等发现我国茶园土壤N2O 释放系数（2.72%）高于联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）推 荐的施肥农田土壤N2O 排放系数（1.0%）[1,11]。

针对这些现象，从业人员采取了一些N2O减排措施，但在茶园土壤的应用效果并不明显，甚至出现优化氮肥施用方式后N2O 增加的情 况[3,12]。本文综述了茶园土壤N2O 产出机制、影响因素及减排措施，提出当前茶园土壤N2O 研究存在的问题，并提出研究展望。

1 茶园土壤N2O 产出机制

茶园土壤氨氧化细菌硝化作用[13-14]、反硝化作用[15]及真菌反硝化作用[16]是产出N2O 的主要过程。酸性茶园土硝化和反硝化强度较高，N2O排放强度高于中性农田土壤N2O排放强度。Zhu 等发现日本林地转变为茶园后，土壤pH 值减少促进了土壤硝化过程，抑制了反硝化过程中的N2O 还原过程，最终增加了N2O 释放量[17]。Chen 等发现我国湖南省的松树林开垦为茶园后增加了土壤有机氮矿化过程和氨氧化细菌反硝化过程，使得N2O 排放量增加[15]。

长期过量施用氮肥的茶园土硝酸盐积累量较高，反硝化作用是偏酸性茶园土壤N2O 产出的主要贡献者[18-19]。基于室内培养试验，Jumadi等发现印度尼西亚茶园土壤中反硝化细菌比种植土豆和松树林土壤的反硝化细菌丰度高了1 ～3 个数量级[20]，反硝化过程对N2O 产出量的贡献率达57%～76%[21]。Huang 等发现我国浙江龙井茶园土壤中真菌反硝化过程对N2O 的贡献率达70%[16]。Zhang 等的研究表明，即使在有氧条件下，反硝化过程对我国江西省茶园土壤N2O 排放量的贡献率高达73%[22]。但也有研究发现，偏中性的茶园土中，硝化作用是土壤N2O 的主要产出过程。Cheng 等发现我国江苏省pH 值为5.3 的茶园土壤中，自养硝化作用对土壤N2O 的贡献率达50.4%～75.9%；但施肥显著降低了pH 值，使得反硝化作用对土壤N2O的贡献率由未施肥土壤的10.5%增加到施肥土壤的35.7%[23]。

2 茶园土壤N2O 排放的影响因素

通常情况下，土壤温度升高、降雨和施肥均显著增加了茶园土壤N2O 释放量，土壤N2O排放量与土壤温度、湿度以及矿质氮含量呈显著正相关[15,24-25]。然而，影响茶园土壤N2O 排放的主导因素在不同环境条件下存在较大差异。吕天新等对我国亚热带丘陵区典型茶园N2O 排放进行研究，发现当土壤温度低于15℃时N2O排放主要与土壤温度呈正相关关系，但当土壤温度高于15℃时N2O 排放速率与土壤湿度以及矿质氮含量呈正相关关系[12]。而Li 等对我国湖南省一座面积为4.8 hm2的茶园土壤N2O 排放量进行高密度观测，发现土壤N2O 释放量与土壤矿质氮含量以及含水量没有显著相关性[26]。Fu等进一步观测并区分了该茶园在湿润季节和干旱季节的土壤N2O 释放量，发现在湿润季节，茶园土壤N2O 释放量与土壤矿质氮含量呈显著正相关[27]。Tokuda 等研究表明，在温度较高而较为干旱的夏季，土壤含水量是影响日本茶园土壤N2O 排放量的主要因素[28]。但在较为湿润的季节，Han 等发现降雨对我国浙江茶园土壤N2O 释放的影响相对较小[8]。Hou 等对比了日本茶园施肥和未施肥土壤的N2O 排放量，发现未施肥的茶树凋落物矿化释放了大量的矿质氮，使得茶园土壤N2O 的季节变异性主要由温度而不是施肥所控制，施肥和未施肥的茶园土壤N2O 释放量差异不大[29]。

茶园种植年限也影响了土壤N2O 释放量。随着茶园种植年限的增加，土壤酸化加剧以及NO3-积累量的增加均会影响N2O 排放量。Zhu等对我国江西省茶园土壤N2O排放量进行观测，发现随着种植年限由1 年增加到30 年，长期施肥的茶园土壤铵态氮库减少而硝态氮库增加，土壤反硝化强度增强，使得茶园土壤N2O 排放量随种植年限增加呈上升趋势[17]。种植年限持续增加不会进一步增加N2O 排放量。Jumadi 等发现虽然耐酸性硝化微生物作用下的硝化过程对N2O 的贡献率增加[21]，但茶树的根系分泌物和凋落物有效抵消了施肥对土壤硝化和反硝化作用的正效应[30]，使得N2O 释放量没有随着种植年限的增加而进一步增加[21]。

3 茶园土壤N2O 减排措施

3.1 改善土壤酸性环境

添加白云石、碱石灰和生物炭等碱性物质可以改善土壤酸性环境，通过降低土壤硝化和反硝化速率减少N2O 释放量，但在不同研究条件下对土壤N2O 产出的影响存在较大差异。在室内培养条件下，Huang 等发现施用石灰可以抑制嗜酸性反硝化微生物活性，降低了反硝化作用强度，进而减少了N2O 产出量[31]。Oo 等发现添加白云石未能有效减少土壤有效氮含量，但可能通过抑制N2O 还原酶活性降低N2O 释放量[32]。但在田间试验中，Tokuda 等发现在茶园土壤中适当添加石灰可以有效减少N2O释放量，过量施用石灰反而增加了N2O 释放量[28]。

施用生物炭不仅改善了土壤酸性条件，而且有效减少了土壤矿质氮含量而抑制土壤N2O排放[32-35]，而且这种抑制效率随着生物炭增加而增加[33-34]。有学者进一步发现施用生物炭增强了茶园土壤N2O 还原酶活性，促进了土壤N2O 还原过程，最终使得N2O 释放量降低[36-37]。不过，生物炭减少N2O 排放的效果可能受施用肥料类型的影响。Li 等发现添加生物炭未显著降低施用尿素的茶园土壤N2O 释放量[11]。但在施用有机肥的茶园，He 等发现施用生物炭可以显著降低土壤N2O 排放量[38]。

3.2 合理优化施肥措施

我国大约有30%的茶园存在化肥施用量过高的问题[10]，因地制宜减少氮肥施用量是减少茶园土壤N2O 释放量的最有效措施。Han 等对我国浙江省N2O 排放的试验结果表明，合理的施氮量有效减少了土壤N2O 释放量，过高的施氮量（900 kg·ha-1）使得N2O 排放量成倍增 加[8]。Hou 等也发现日本茶园土壤施肥量减半使得N2O 排放系数由7.0%减少至3.7%[29]。Wu 等发现在未减少茶叶产量的前提下，降低控释肥料施用量可以使得湖南省茶园土壤N2O 释放量减少26%[39]。

施用控释肥料可以延长茶树对养分吸收利用的有效期，既可以提升茶叶产量、改善茶叶品质[40]，也可以降低土壤有效氮含量，是减少农田土壤N2O 排放的有效措施。但有研究结果表明，长期过量施用氮肥的茶园土壤中施用控释肥料并未显著减少N2O 释放量，甚至使得N2O 释放量增加[11]。Wu 等发现将控释肥料用量减半可以使得N2O 释放量减少26%而茶叶产量增加31%，而常规控释肥料施用量使得N2O 释放量增加97%而茶叶产量减少7%[39]。可能是长期过量施用氮肥的茶园有效氮含量较高，常规的控释肥料施用量超过了茶叶的氮素需求量，使得控释肥料养分缓慢释放的过程中硝化和反硝化强度维持在较高水平，促进了土壤N2O 产出和排放[40]。

在茶园土中，大多数的硝化及反硝化微生物均分布在0 ～20 cm 的表层土壤[41]。将氮肥深施到茶园土壤中可以有效增加茶树的氮素利用效率，降低硝化和反硝化强度而减少N2O 释放量。Li 等在湖南省茶园的研究发现，将氮肥深施（＞ 20 cm）可以使得N2O 排放量有效减少19.3%[11]。不过，在降雨量较高的年份，土壤含水量相对较高，反硝化强度较大，深施氮肥增加了茶园土壤N2O 排放量[12]，并不是减少N2O释放量的合理措施。

茶树是喜铵植物，添加硝化抑制剂可有效 降低土壤硝化速率，增加茶树的氮素利用效率， 减少茶园土壤N2O 释放量。基于室内培养试验， Tokuda 等发现施用三氯甲基吡啶（Nitrapyrin） 使得日本茶园土壤N2O 释放量减少24%[42]； Huang 等发现添加双氰胺（dicyandiamide, DCD） 和3,4-二甲基吡唑磷酸（3,4-Dimethylpyrazol phosphate, DMPP）等硝化抑制剂均减少了我国亚热带地区酸性茶园土壤硝态氮含量，使得施用氨肥的土壤N2O 产出量减少55%～70%，施用硝酸盐的土壤N2O 抑制率为13%～21%[43]。但在田间试验条件下，施肥期间较高的土壤温度和湿度以及酸性条件可能加快了DCD 降解速率，使得单独施用DCD 抑制N2O 排放的效果不显著。Hirono 等通过大田试验发现，添加DCD无法显著减少施肥茶园土壤N2O 释放量[44]，而添加氰氨化钙（Calcium cyanamide, CaCN2）既有效提升了土壤pH 值，其分解产生的DCD 也降低了硝化和反硝化速率，使得土壤N2O 释放量减少[18,45]。

通常情况下，施用有机肥通常会增加土壤呼吸速率，造成厌氧环境，利于茶园土壤通过反硝化过程向大气排放大量的N2O[44,46]，但也有学者发现施用有机肥降低了N2O 释放量[38]，可能是不同有机肥的碳氮比（C/N）对N2O 释放的影响存在差异。He 等整合了不同有机肥处理对酸性土壤N2O 释放量的影响，发现当施用C/N 较高（＞8.6）的有机肥时，硝化和反硝化微生物不能将有机肥释放的矿质氮转变为N2O[38]。施用微生物处理后的有机肥可以减少茶园土壤N2O 释放量。Xu 等发现对茶园施用木霉微生物肥料利于植物吸收矿质氮，减少了硝化和反硝化过程所需底物，使得土壤N2O 释放量减少而茶叶产量增加[47]。随后，Xu 等进一步研究发现，施用木霉微生物肥料主要通过增加nosZ 功能基因丰度，增加N2O 还原量，进而减少N2O 释放量[48]。

4 问题与展望

综上所述，当前国内外学者已经对茶园土壤N2O 产生机制、影响因素及减排措施等方面开展了许多研究，但仍然存在以下几方面的问题：（1）N2O 产出过程依然不清楚。尽管当前国内外研究已经明确了茶园土壤N2O 的产出机制，但这些研究主要通过室内培养试验对N2O产出过程进行区分。然而，相对于其他类型土壤，茶园土壤N2O 对保存条件存在极高的要求，而当前基于室内培养的试验很少考虑这个问题。（2）缺乏长时间尺度上的茶园土壤N2O 减排措施研究。现有针对茶园土壤N2O 减排的研究开展较多，但由于茶园长期施用大量氮肥，导致土壤硝酸盐积累量较高，使得施用硝化抑制剂、控释肥料等常用的N2O 减排措施在短期内并未显著减少茶园土壤N2O 释放量，甚至增加了N2O 释放量。（3）缺乏茶园土壤N2O 排放影响因素的系统研究。相对于其它耕作系统，当前对茶园土壤N2O 释放的影响因素研究较少。

针对当前茶园土壤N2O 排放的研究现状，还应加强以下几方面的探索：（1）采用原位观测试验结合同位素异构体分析法有效量化茶园土硝化和反硝化过程对N2O 排放量的贡献，阐明植物体及微生物交互作用下N2O 的产出机制及影响因素。（2）加强茶园土壤N2O 排放的长期监测及减排试验，确定长时间尺度上实现茶园N2O 减排的有效措施，尤其是不同强度和频率的降雨对土壤N2O 减排效率的影响。（3）增设我国不同气候条件及土壤性质下的茶园土壤N2O 排放的原位监测试验，加强不同气候条件及土壤理化性质等多因子交互作用下土壤N2O排放规律研究。（4）结合模型估算我国乃至全球茶园土壤N2O 排放总量，预测不同气候条件、土壤条件和减排措施等对茶园土壤N2O 排放的影响，制定更为有效的温室气体减排策略，实现茶园的绿色可持续发展。