城市草坪土壤N2O排放及其影响因素研究进展

邢肖毅，张亚丽，杨贤均，李晓红，倪 绯

(邵阳学院城乡建设学院，湖南邵阳 422000)

近几十年全球城市化进程不断加快，城市绿地面积随之快速增加。草坪是城市绿地最主要的组成部分，在吸收CO、过滤有害物质、降低噪音、吸滞粉尘、增加空气湿度等方面具有重要作用。随着生态文明理念的提出，城市生态环境越来越被人们所关注，可预测未来草坪的面积还会进一步增加。城市草坪往往经历频繁的氮肥施用和灌溉，为NO排放创造了良好的条件。NO是一种重要的温室气体，其百年增温潜势是CO的296倍。目前对NO排放的研究主要集中于农田及自然生态系统，较少关注城镇用地。然而，随着草坪面积的不断增加，其对NO的贡献逐渐受到了研究者的关注。

对城市草坪土壤NO排放进行研究，不仅有助于积累城市温室气体排放的数据，以准确评估NO排放通量，也有助于促进草坪的健康良性发展，为城市生态环境保护提供参考。该研究对草坪土壤NO的排放量、排放途径、微生物驱动机制、影响因素以及草坪NO减排措施等进行综述，以期为评估城市化的生态环境效益提供科学依据。

1 草坪土壤N2O排放量

草坪位于城市区域内，化石燃料的燃烧以及交通运输导致城市大气氮沉降较为严重，提高了土壤氮素含量；另外为弥补运动和娱乐等活动对草坪的损害，人们往往对草坪进行频繁的施肥和灌溉；并且草坪草往往具有密集丰富的根系，可以通过根系分泌物产生较多的有效碳；加之城市普遍存在热岛效应，土壤温度略高，这些因素均为NO排放创造了良好的条件。

研究表明，草坪土壤具有较高的NO排放潜力，特别是人为管理程度高的草坪，其NO排放速率与农田土壤或自然生态系统土壤相近，甚至更高。例如，美国科罗拉多州早熟禾(L.)草坪NO的平均排放速率为2.4 kg(N)/(hm·a)，而结缕草(Steud.)草坪则高达2.7 kg(N)/(hm·a)，均不低于甚至高于周边农业土壤。Groffman等分析了4个城市草坪土壤和8个林地土壤，结果表明NO排放速率均介于0.5～3.0 kg(N)/(hm·a)，无显著差异。并且，农田土壤NO排放量随作物生长季的不同而出现很大变异，而草坪土壤NO排放速率在一年之中始终处于较高的水平。但是也有研究发现，草坪土壤NO速率较低。例如Wang等对比分析了城市草坪、城郊草坪以及农田(菜地和稻田)土壤NO的排放量，发现草坪土壤NO排放速率、反硝化潜势均低于农田土壤。甚至有研究者发现，草坪土壤往往具有较高的有机质累积能力，特别是经历农业用地历史的草坪，因而对氮素的固定能力较强，有很大潜力成为NO的汇。但该现象仅为短期现象，随着碳氮含量的不断累积，最终会产生强烈的矿化作用，最终促进NO的排放。另外，不同地区草坪土壤NO排放差异较大，究其原因在于草坪管理水平不同导致土壤水分及氮素含量差异较大以及各研究区域的气候条件不同，并且，不同研究者NO排放监测时间不同，有可能导致采样时错过高峰期，从而低估了NO的排放量。

总体而言，多数研究认为草坪具有较高的NO排放潜力，考虑到未来草坪的分布面积仍会进一步增加，有必要对其NO排放规律进行深入的研究，以采取相应措施进行干预，减少其对温室效应的贡献。

2 草坪土壤N2O的产生途径

土壤微生物介导的硝化和反硝化作用是生物圈NO的最重要来源。硝化作用是指硝化微生物在好氧条件下将NH-N转化成NO-N，继而转化为NO-N的过程。反硝化作用是指反硝化微生物在兼气或者低氧环境下，逐步将NO-N、NO-N还原成NO、NO及N的过程。反硝化作用往往被认为是NO的主要来源，而硝化作用尽管在某些特殊条件下成为NO的主要贡献者，但此时NO绝对排放量较低，因此对NO排放的贡献较低。目前对于草坪土壤，直接区分不同途径对于NO贡献的研究较少，但是可根据各研究所得的NO排放规律对其可能的途径进行推测。很多研究发现，施肥后NO排放速率迅速增高，尤其是施肥后灌溉或降水可以最大程度地促进NO的排放。草坪土壤氮肥施用多采用尿素，水分的增加既可以促进尿素的水解，有利于发生硝化作用，又可以导致土壤中氧气含量减少，有利于反硝化作用的进行。但由于硝化作用产生的NO一般较少，因此可推测，灌溉或降水后大量的NO主要来自反硝化作用。而施肥后期，NO排放速率逐渐降低，被认为是土壤中高效的氮循环过程，包括氮同化以及氮固定等，降低了土壤中NO-N的有效性。另外，有研究发现，施肥时添加硝化抑制剂或脲酶抑制剂并没有显著降低NO排放。从而间接证明了硝化作用并非NO排放的主要贡献者。综上所述，尽管在某些条件下，硝化作用是草坪土壤NO的主要贡献者，但当有大量NO排放时，反硝化作用的贡献往往更为重要。

3 草坪N2O排放的微生物机制

硝化作用主要由硝化微生物调控，用于表征硝化微生物的功能基因主要为基因，因其所处微生物类别的不同，分为细菌(AOB)和古菌(AOA)。一般而言，土壤养分含量较高的土壤中，AOB丰度较高，对硝化作用的贡献较大。研究发现，氮素含量较高的草坪土壤中，AOB的组成以和为主，与其他陆地生态系统基本一致，另外，其在不同年龄的草坪中的差异较小，但硝化势变异较大。由此可推测，AOB的组成并不是硝化势的决定性因素，其丰度、功能活性是否发生变化，以及如何影响硝化作用及NO排放有待于进一步研究。而养分含量较低的草坪土壤中AOA的丰度高于AOB，可能对NO排放的贡献更为重要。总体而言，硝化作用对草坪土壤NO排放的贡献较小，对于草坪土壤硝化微生物的研究也比较少，AOA和AOB在不同草坪土壤中的分布特征及二者对于硝化作用和NO排放的贡献如何，还需进一步探索。

反硝化作用主要由反硝化微生物调控，多数研究以和基因表征NO生成微生物，以I和II基因表征NO还原微生物。目前对于草坪土壤反硝化微生物的研究更为系统，研究者先后以最大或然计数法、分离培养和功能基因鉴定、变性梯度凝胶电泳以及定量PCR等方法研究了不同草坪土壤反硝化微生物的群落特征。草坪土壤反硝化细菌数量、多样性与农田及其他自然生态系统相当，甚至更高。例如，Wang等利用纯培养发现美国剪股颖(Huds.)草坪和百慕大[(L.)]草坪土壤反硝化细菌在总细菌中的占比为17%左右，与农田土壤相近，且反硝化细菌的主要类群为和，均为反硝化细菌的常见类群。Dell等通过凝胶梯度电泳技术分析发现，与毗邻的林地相比，草坪土壤和I的多样性更高，另外，其组成随草坪年龄变化略有变化。定量PCR表明，草坪土壤、、I丰度及+(I)均较高，可能意味着草坪土壤具有较强的反硝化作用，且NO占反硝化气态产物的比例更高。同时，2012年新发现的II基因在草坪土壤中同样具有较高的丰度，由于II与NO还原能力密切相关，因此其对草坪土壤NO排放的影响值得关注。除反硝化细菌外，有研究表明反硝化真菌对干旱土壤反硝化作用也有重要贡献，但草坪土壤往往经历频繁的灌溉过程，土壤水分含量较高，因此其对NO产生的贡献可能较小。

尽管目前对于草坪土壤中硝化及反硝化微生物的分布已经进行了一些研究，但相较于其他生态系统，仍较为缺乏，并且上述研究并没有深刻分析硝化、反硝化微生物与NO排放的关系，未揭示调控反硝化作用的关键微生物类群。目前，高通量测序等技术为土壤微生物群落结构的研究提供了新的方法。一定时间跨度范围内，草坪土壤NO排放和功能微生物动态变化的研究，有利于揭示草坪土壤NO排放的微生物机制，对于调控草坪土壤NO排放具有重要意义。

4 草坪土壤N2O排放的影响因素

草坪土壤中NO的排放受多种因素的影响，目前已得到了较为深入的研究。系统总结其影响因素，有助于草坪土壤NO减排措施的制定。

化学氮肥的大量施用是导致土壤NO排放增加的主要原因。氮肥添加会显著提高土壤中NH-N和NO-N的含量，为土壤硝化和反硝化作用提供充足的底物。同时，NO-N会与NO竞争电子，不利于其进一步还原为N，从而增加NO排放风险。由于草坪刈割会导致氮素的流失，因此很多草坪需要持续施用氮肥，从而增加NO排放。氮肥对NO排放的影响主要包含氮肥用量和氮肥类型两个方面。

尿素是草坪最常用的氮肥类型，尿素施用后，NO出现排放高峰期，其短期最高排放速率可达到背景值的数百倍。就年均排放速率而言，施肥量越高，NO的排放速率越高。例如，当尿素用量分别为98和200 kg(N)/(hm·a)时，与不施用氮肥相比，NO排放速率分别增加了38%和127%～476%。施用其他形态的氮肥，例如氮磷钾复合肥、硝态氮肥、铵态氮肥，同样会促进NO的排放。施肥对NO的影响程度受施肥后土壤水分含量和温度的影响，干旱寒冷的冬季施肥后，并未见NO的明显排放，而多雨的夏季，施肥后NO出现明显的排放峰。

氮肥类型同样影响NO的排放。当分别施用100 kg(N)/(hm·a)的硫酸铵、硝酸钙、尿素时，以及250 kg(N)/(hm·a)的硫酸铵和尿素时，NO排放速率无显著差异。但也有研究者得出了不同的结果，Maggiotto等发现，当施用量为50 kg(N)/(hm·a)时，硝酸铵处理的NO排放速率高于尿素。尿素与其他速效氮肥相比，需要水解，方可转换为有效态氮，因此供氮即时性较低。当施肥时或施肥后土壤水分含量较高时，尿素水解迅速，可能导致尿素处理与其他速效氮肥处理NO排放相当，而若土壤水分条件不利于尿素水解，则短期内尿素处理的NO排放较少。草坪施用的氮肥主要是速效氮肥，施用后短期内，NO排放速率大幅上升，因此有学者积极尝试以缓释氮肥替代传统化肥，例如聚合物包膜尿素，以降低草坪土壤的NO排放。一般而言，与普通尿素相比，施用聚合物包膜尿素的草坪土壤中NO的排放量可降低20%～99%，降低程度受土壤性质，例如土壤质地的影响。这主要是因为聚合物包膜尿素由于膜材的物理保护，氮肥溶出速率较低，即便土壤水分含量较高时，也不会出现明显的NO排放峰。然而由于缓释氮肥具备持续提供NO-N的能力，因此若后期不再施肥时，相对于普通尿素，其NO排放能力可能更高。有研究发现，在两年的试验周期内，聚合物包膜尿素处理NO累积排放量甚至高于普通尿素。但是由于草坪管理过程中，施肥活动频繁发生，因此选用缓释氮肥对于缓解NO排放具有重要意义，但缓释氮肥的施肥量、施肥时间、施肥频率等对NO排放的影响仍需进一步研究。

土壤湿度对NO排放的影响是多方面的，其一，影响水分供应和有机物的降解，继而影响草坪微生物的生长；其二，影响黏土矿物对NO的吸附能力，较低的水分含量会导致NO被土壤基质中的黏土矿物所吸附，有利于NO进一步转化为N；其三，影响土壤中O的含量，继而影响土壤硝化和反硝化作用的强度，从而影响NO的排放。硝化作用多在好氧条件下发生，当土壤水分含量在30%～60% WFPS时，硝化作用是NO的主要贡献者，当水分含量增加至70%～90% WFPS以上时，反硝化作用成为NO的主要来源。由于反硝化作用产生的NO排放量高于硝化作用，因此在一定的范围内，水分条件含量往往与NO的排放正相关。当水分含量高于90% WFPS甚至淹水时，由于NO的进一步还原，排放量下降。但有研究发现，淹水条件下，NO气体可通过草坪植物的传输作用释放到大气中，因此NO排放仍较为可观。虽然在某些排水良好的草坪土壤中，降雨后土壤O含量没有发生显著的变化，但由于O由大孔隙向小孔隙流动，形成了反硝化微区，NO的排放速率依然显著升高。土壤水分含量的增加，尤其是施肥后水分含量的增加，包括灌溉和降雨，可在很大程度上刺激草坪土壤NO的排放。例如，Maggiotto等发现，同样的施肥条件下，当土壤水分含量低于35% WFPS，并未出现明显的NO排放，而当水分含量为83% WFPS时，NO出现明显的排放峰。因此，施肥和灌溉的有效控制，例如精确滴灌施肥技术，有助于降低NO的排放。

土壤温度不仅影响微生物的生长，大多数反硝化微生物适宜的生存温度在25～35 ℃，还会影响酶的活性和土壤有机质的降解过程，从而影响微生物的底物和能量供给，最终影响NO排放。在一定的温度范围(11～30 ℃)，NO排放与温度线性相关，甚至有研究发现，当土壤湿度和底物充足时，温度与NO排放指数相关。当土壤水分达到75% WFPS、温度达到30 ℃时，施入草坪中的氮肥甚至有90%以上通过反硝化作用损失，然而当温度高于30 ℃时，反硝化作用导致的NO损失不再随温度升高而增加。因此，在田间试验中，一般而言，夏季草坪土壤NO排放更高，而冬季较低。例如梅雪英在上海草坪的研究发现，夏季草坪土壤NO日通量最大，而冬季最小，某些类型草坪，例如结缕草草坪，甚至在冬季出现负排放现象。然而值得注意的时，春季土壤消融时，NO也会出现较高的排放。另外，近几十年来，全球气候变暖，冬季气温上升，冬季NO的排放明显上升。

植物对土壤中NO排放的影响较为复杂。一方面，植物与土壤微生物存在养分的竞争，植物根系吸收养分导致土壤中NO-N含量降低，从而抑制反硝化作用和NO的排放，另外，植物的光合作用也会明显抑制NO的排放。另一方面，有研究者认为，植物的气孔等组织能加速NO从土壤中向外扩散，从而增加NO的排放。例如有研究发现，和裸土相比，草坪土NO的排放量较高。草种类型同样影响NO的排放，不同草种根系分泌物不同，导致底物的有效性不同。另外不同草坪由于用途不同，人为干扰程度不同，导致土壤中O的含量不同，也会影响NO的排放。梅雪英研究发现，麦冬()草坪NO日通量高于结缕草(Steud)草坪，可能是因为结缕草草坪为耐践踏开放式草坪，土壤O含量较低，虽然有利于反硝化作用，但NO被进一步还原为N。Gillette等同样发现，不同类型施肥处理下，黑麦草草坪的NO始终高于早熟禾，前者是后者的1.5～5.1倍。因此，草坪建立过程中，满足各功能需求的前提下，可选择NO排放能力较低的草种。

草坪的建立年限同样影响NO排放。草坪建立之初，特别是当农田等有机质条件较差的土地转变为草坪之初，微生物对有机质和氮素的固持能力较低，当外源施氮量较高时，易造成较高的氮素损失。草坪建立的前20～30年，土壤微生物量和活性逐渐达到较高的稳定水平，此时有机质固持能力增加，有机质及有机氮含量逐渐增加，甚至由于氮素的固持，草坪会成为外源氮的汇。而年限更久之后，土壤有机质含量丰富，而前期累积的大量有机氮发生较强的矿化作用，导致无机氮含量升高，此时任何外源氮施用都可能造成氮素的损失。例如，Chen等研究发现，同样施肥处理条件下，建立20年左右的草坪氮素的损失量低于建立时间更短(1和15年)和更久的草坪(109年)。草坪建立年限对NO排放的影响主要是通过有机质含量的变化而实现的，一般认为，有机质含量越高，NO的排放越高，但这种相关性并非绝对，而是受土壤微生物对碳氮相对需求量的影响。因此，草坪的施氮量应考虑植物和微生物的氮素需求，对于建立年限较长的草坪，可适当减少氮肥的投入，以发挥土壤本身的供氮能力。Zhang等利用模型研究发现，早熟禾草坪在建立20～30年后，草坪由NO的汇变成了弱源，此时若将氮肥施用量由150 kg(N)/(hm·a)逐渐降低为50 kg(N)/(hm·a)，50年内，可减少40%的NO排放。

另外，土壤质地、刈割高度等因素也会通过影响其他因素继而影响NO的排放。例如。土壤质地的不同往往导致同种灌溉条件下，土壤持水量不同，而刈割高度则会影响土壤温度、水分含量以及植物生物量。

5 城市草坪N2O减排措施

草坪土壤NO受多种因素的影响，并且各因素之间相互作用，因此草坪土壤NO减排措施的制定，应综合考虑土壤、植物、气候等各种因素。综上而言，草坪土壤NO减排可采取以下措施：

(1)选择合适的肥料类型，确定合理的施肥量。草坪因建立年限不同，土壤有机质含量和微生物生活状态不同，对氮素的需求量不同，动态探究植物生长状态与氮素需求量的关系，确定合理的氮肥用量，可有效降低NO的排放。例如，对于东北地区黑麦草草坪，施氮量为250 kg/(hm·a)较为合适，较高时则可能增加NO排放风险。而对于建立年限较长的草坪可减少氮肥施用，以发挥土壤自身供氮能力，降低NO排放。另外，肥料可选择养分释放速率较慢的类型，如有机肥、缓/控释肥料。

(2)加强水分管理，特别是肥水配合。根据不同草坪草类型、生长阶段对养分和水分的不同需求，确定精确的施肥量和灌溉量，采用合理的施用方式，例如精确滴灌施肥，可有效减少NO排放，该方法在农田土壤中已取得了较好的研究效果。

(3)接种II型微生物，发挥土壤NO还原潜能。含II基因的非典型反硝化微生物中约有50%缺少基因，不会产生NO，而可还原NO，从而使土壤成为NO汇。通过接种含II基因的微生物，可降低土壤NO排放，例如接种土壤后，NO排放量可降低约190%。

6 展望

未来伴随着城市化的进一步发展和人们对美好生态环境的需求，城市草坪的分布面积会进一步增加，其对温室效应的贡献不容忽视。总体而言，目前对于草坪土壤NO排放的相关研究还比较少，且研究深度不够，还有很多问题需要解决。

目前草坪土壤的研究以美国开展较多，而其他地区还少有研究，且涉及的草坪类型较少。为准确评估城市化对温室效应的影响，不同地域、不同草坪类型的长期研究尚需进一步开展。施肥、灌溉程度高的草坪是NO的重要排放源，对其应加强研究，建立包含肥料类型、施肥时间、施肥量、灌溉方式、灌溉量等因素的、易于操作的草坪肥水模式，服务于草坪管理。关于草坪土壤NO排放的微生物调控机制的研究较为缺乏。对于硝化和反硝化微生物在草坪土壤中的分布特征，不同管理措施下微生物类群的变化规律，以及影响NO排放的关键微生物类群还需进一步探索。