王芝麟 鄒彬 張涵 郭季璞 韓林蓉 王逗 李玲玲 秦紅靈 郭家驊

摘要：【目的】明確不同土地利用方式土壤氧化亞氮（N2O）排放系數(shù)的差異并評估區(qū)域N2O排放，為評估南方紅壤丘陵區(qū)N2O排放清單提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。【方法】選擇南方紅壤丘陵區(qū)4種常見的土地利用方式（油茶林、旱地農(nóng)田、稻田和松林），通過分析土壤不施肥與施氮肥時N2O排放速率和排放量的差異，計算排放系數(shù)，并用15N同位素標記方法探究硝化作用和反硝化作用對土壤排放N2O的相對貢獻?！窘Y(jié)果】不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)差異明顯，稻田全氮含量最高（2.22 g/kg），顯著高于其他3種土地利用方式土壤（P<0.05，下同）。土壤不施肥時，N2O排放速率在0～227.80 μg/（kg?h），施氮量為200 kg N/ha時，N2O排放速率在0～4213.27 μg/（kg?h）。4種土地利用方式的土壤N2O排放系數(shù)均隨土壤孔隙含水量（WPFS）增加而增加，WPFS為75%時，稻田、旱地農(nóng)田、油茶林和松林土壤N2O排放系數(shù)分別為2.47%、0.39%、2.31%和0.91%。4種土地利用方式土壤N2O排放系數(shù)主要受全氮含量影響，N2O累積排放量均與潛在反硝化潛勢呈顯著正相關(guān)，除稻田外，其他3種土地利用方式土壤N2O累積排放量也與潛在硝化勢呈顯著正相關(guān)，以NO3?-N為底物的反硝化作用對N2O排放的相對貢獻平均大于90.00%，遠高于硝化作用?！窘Y(jié)論】南方紅壤丘陵區(qū)土壤以NO3?-N為底物的反硝化作用主導(dǎo)N2O排放，施用氨基氮肥可能有效減少氮肥N2O排放損失，為國家執(zhí)行碳中和政策提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 氧化亞氮（N2O）;排放系數(shù);硝化和反硝化;土地利用方式;紅壤

中圖分類號： S154.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）08-2193-09

Differences in soil N2O emission coefficients of different land use types in red soil hilly areas in southern China

WANG Zhi-lin1， ZOU Bin1， ZHANG Han1， GUO Ji-pu2， HAN Lin-rong3， WANG Dou4，5，

LI Ling-ling5， Qin Hong-ling4*， GUO Jia-hua3

（1State Gird Shaanxi Electric Power Company， Xian 710048， China;2 State Gird Shaanxi Electric Power Research Institute， Xian ?710100， China; 3College of Urban and Environmental Sciences， Northwest University/Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity， Xian ?710127， China; 4Institute of Subtropical Agriculture， Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Agro-ecological Processes in

Subtropical Region， Changsha ?410125， China; 5Agronomy College， Gansu Agriculture University/

Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science， Lanzhou ?730070， China）

Abstract：【Objective】To clarify the differences in soil N2O emission coefficients of different land use methods and assess regional N2O emissions，to provide basic data and basis for evaluating the N2O emission inventory of red soil hilly areas in southern China. 【Method】This paper selected four common land use methods （Camellia oleifera forest，dry farmland，rice field and pine forest） in the red soil hilly region of southern China，and calculated the emission coefficient by ana-lyzing the difference in the N2O emission rate and amount when the soil was not fertilized and when nitrogen was applied，and 15N isotope was used. The labeling method explored the relative contribution of nitrification and denitrification to soil N2O emissions. 【Result】There weregreat differences in soil physical and chemical properties among different land use methods，and the total nitrogen content of paddy fields was the highest（2.22 g/kg），which was significantly higher than others（P<0.05，the same below）. When the soil was not fertilized，the N2O emission rate was 0-227.80 μg/（kg?h），and when the nitrogen application rate was 200 kg?N/ha，the N2O emission rate was 0-4213.27 μg/（kg?h）. The soil N2O emission coefficients of the four land use methods all increased with the increase of water content of soil porosity（WPFS）. When the WPFS was 75%，the soil N2O emission coefficients of paddy field，dry farmland，C. oleifera forest and pine forest were 2.47%，0.39%，2.31%，0.91%，respectively. The N2O emission coefficients of the four land use methods were mainly affected by total nitrogen content，and accumulated N2O emissions were significantly positively related with potential denitrification potential， except paddy fields， N2O cumulative emission of the other three land use methods was signi-ficantly positively related with potential nitrification potential. The relative contribution of denitrification with NO3?-N as the substrate to N2O emissions was more than 90% on average，which was much higher than nitrification. 【Conclusion】In red soil hilly areas in southern China，the denitrification with NO3?-N as the substrate dominates N2O emission. The application of amino nitrogen fertilizer may effectively reduce the loss of nitrogen fertilizer N2O emission and provide technical support for the national implementation of carbon neutral policy.

Key words： nitrous oxide（N2O）; emission factor; nitrification and denitrification; land use type; red soil

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（41771335）; General Project of Hunan Natural Science Foundation （2020JJ4654）

0 引言

【研究意義】氧化亞氮（N2O）是一種具有溫室效應(yīng)的氣體（張玉銘等，2011），在大氣中的存留時間能長達120年左右，并可直接參與某些大氣中的光化學(xué)反應(yīng)，使臭氧層遭到破壞。雖然大氣中的N2O含量很低，但100年時間尺度N2O單分子增溫潛勢為二氧化碳的265倍[Intergovernmental Panelon Climate Change（IPCC），2014]，是繼二氧化碳和甲烷之后的第三大溫室氣體。N2O排放系數(shù)是編制N2O排放清單的重要依據(jù)，硝化或反硝化過程對N2O排放的貢獻率是利用模型估算區(qū)域N2O排放的重要參數(shù)（韋良煥等，2019）。不同土地利用方式導(dǎo)致土壤溫度、濕度、有機碳及養(yǎng)分含量等土壤環(huán)境因子的改變，進而改變土壤N2O的排放，IPCC方法指南中特別強調(diào)各國在編制N2O排放清單時要盡可能采用當?shù)氐呐欧畔禂?shù)（石洪艾等，2013）。目前對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放系數(shù)的研究較多，然而在同一研究區(qū)域，同時選擇當?shù)仄毡榇嬖诘母鞣N土地利用類型開展N2O排放系數(shù)研究較少，急需加大對各區(qū)域不同土地利用方式N2O的排放系數(shù)研究，為國家執(zhí)行碳中和政策提供數(shù)據(jù)支持?！厩叭搜芯窟M展】土壤N2O排放受多種因素的影響，如施肥、水分管理、土地利用方式等。我國南方N2O主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其中氮肥施用是引起N2O排放量增加的主要原因，氮肥施用量和施用方式是影響N2O排放系數(shù)的重要因素（郭樹芳等，2014;顏芳等，2020）。肖杰等（2020）研究發(fā)現(xiàn)長期施氮土壤N2O排放強度顯著增加;隨著氮肥施用量的增加，N2O排放系數(shù)先減小后增大（王成等，2018）;此外，秸稈還田配施化肥或有機肥和化肥配施均顯著增加N2O的排放（劉慧穎等，2013;Tao et al.，2018）。土壤水分狀況主要通過影響氧氣含量、氧化還原電位和土壤微生物的活性影響土壤N2O的排放（劉若萱等，2014）。通常認為低水分含量或好氣條件硝化作用是土壤N2O排放的主要來源，高水分含量或厭氣條件下反硝化作用主導(dǎo)N2O排放（Kool et al.，2011）;干濕交替過程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替產(chǎn)生N2O，硝化和反硝化協(xié)同作用促進N2O的產(chǎn)生與排放（Liu et al.，2012）。不同土地利用類型通過地上植被、根系分泌物和管理方式影響土壤N2O的排放（Dobbie and Smith，2010）。Merino等（2004）在歐洲溫帶研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田和草地土壤N2O排放量分別是森林排放量的3倍和6倍;李平和郎漫（2013）在我國黑龍江暗沃冷涼淋溶土的研究也發(fā)現(xiàn)草地土壤N2O排放量高于林地。不同土地利用方式下，通常土壤中的氮含量越高，氮的礦化過程越迅速，產(chǎn)生的N2O越多（Baggs et al.，2010）?！颈狙芯壳腥朦c】以往對于土壤N2O排放的研究針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的較多，在同一研究區(qū)域，同時比較多種土地利用方式較少;針對排放量的研究較多，關(guān)于硝化與反硝化作用對N2O排放貢獻的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過采集我國南方紅壤丘陵區(qū)的4種典型土地利用方式土壤開展試驗，分析施氮和水分管理對土壤的排放通量與排放速率的影響，并測定相應(yīng)的排放系數(shù)及相關(guān)影響因子，利用15N同位素標記區(qū)分硝化與反硝化作用對N2O排放的相對貢獻，為評估我國南方紅壤丘陵區(qū)N2O排放清單提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

采樣地點為中國科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（111°26′E，28°55′N），該地區(qū)海拔92.2～125.3 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖，四季分明，年平均氣溫16.7 ℃，年降水量1200～1900 mm，無霜期272 d，日照時數(shù)1520 h。該區(qū)域土壤類型為第四紀紅色黏土發(fā)育的紅壤，地勢復(fù)雜，土地利用方式多樣。試驗選取2種農(nóng)田（稻田和旱地農(nóng)田）和2種人工經(jīng)濟林地（松林和油茶林）代表當?shù)爻Ｒ姷?種土地利用方式。

1. 2 試驗方法

土壤樣品采自試驗場內(nèi)濕地松林、油茶林、稻田和旱地農(nóng)田，多點采集，混合后風(fēng)干備用。培養(yǎng)試驗開始前，為了激活微生物活性，先將土壤樣品在25%土壤孔隙含水量（WPFS）和25 ℃的黑暗條件下預(yù)處理2 d。隨后在25 ℃下，將200 g預(yù)處理土壤樣品置于1000 mL玻璃培養(yǎng)瓶中，進行為期4 d的培養(yǎng)試驗。試驗設(shè)置不施肥和施氮肥處理，其中氮肥以NH4NO3施入，15N分別標記15NH4+和15NO3-（15N豐度5%），施氮量為720 μg N/g干土，相當于200 kg N/ha（培養(yǎng)瓶內(nèi)徑9.4 cm，底面積69 cm2）;每處理分別添加純凈水，調(diào)節(jié)含水量為25%、50%、75%、100%和125% WPFS。

1. 3 15N2O采集和測定

在加入純凈水后2、12、24、36、48、60、72、84和96 h采集培養(yǎng)瓶上層空氣，用氣相色譜儀（Agilent 7890A，USA）測定N2O濃度。每次采樣時用蓋子密閉培養(yǎng)瓶1 h，采集密閉開始時和1 h后30 mL氣體樣品放于13 mL采氣瓶內(nèi)，利用2次氣體濃度差計算排放速率（Qin et al.，2018，2020）。在加入純凈水后2、24、48和96 h，利用MAT253同位素比率質(zhì)譜計（Thermo-FisherScience，Waltham，MA，USA）結(jié)合微量氣體低溫預(yù)濃縮設(shè)備（PreCon Thermo-Fisher Scientific）和一個多功能氣體引入裝置[Gasbench II，with a PoraPLOT Q capillary column（0.32 mm I.D×25 m），Thermo-Fisher Scientific]分析N2O中15N百分比含量，用N2O通量×N2O中15N百分比含量來計算15N2O濃度（Qin et al.，2021）。15NH4NO3來源的15N2O被粗略地認為是由硝化作用產(chǎn)生，而NH415NO3來源的15N2O被粗略地認為是由反硝化作用產(chǎn)生。反硝化作用對N2O排放的相對貢獻為NH415NO3來源的15N2O占15NH4NO3和NH415NO3來源的15N2O排放總量的比值（Qin et al.，2021）。

1. 4 土壤取樣采集與分析

在水分處理0（未處理）、24、48和96 h時進行土壤采樣約180 g，4 ℃保存用于后續(xù)理化分析。采用烘干法測定土壤含水量，土壤常規(guī)理化指標分析參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》（鮑士旦，2007）。用pH計法（水土之比為2.5∶1）測定土壤pH（FE-20，METTLER TOLEDO，China），重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機質(zhì);土壤全氮采用H2SO4消解，流動注射分析儀測定（Flastar 5000 Analyzer）;土壤全磷和全鉀采用NaOH消解，電感耦合等離子光譜分析儀（ICP-OES-5110）測定;土壤堿解氮采用堿解擴散法測定;土壤速效鉀用1 mol/L NH4OAC消解，土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3消解，采用原子吸收光譜法測定其含量（TAS-990F）。

用1.0 mol/L KCl溶液浸出土壤懸浮液，過濾后用流動注射系統(tǒng)（FIAstar 5000，F(xiàn)oss Corporation，Hillerod，Denmark）分析土壤NO3?-N和NH4+-N含量。參考Qin等（2021）的方法，用0～96 h土壤中NH4+-N濃度的差異計算底物誘導(dǎo)的土壤潛在硝化速率（PNRs），而0～96 h土壤中NO3?-N濃度的差異計算底物誘導(dǎo)的土壤潛在反硝化速率（PDRs）。

1. 5 N2O累積排放量和排放系數(shù)

N2O氣體累積排放量M（N2O）計算公式：M=Σ（FN+1+FN）×0.5×（tN+1-tN）×10-3（王旭燕等，2015），式中，M為培養(yǎng)96 h內(nèi)氣體累積排放量（mg/kg）;F為氣體排放通量[μg/（kg?h）];N為采樣次數(shù);t為采樣時間，即距初次采樣的時間（h）。N2O排放系數(shù)（%）=（施氮處理N2O排放量?不施氮處理N2O排放量）/施氮量×100（山楠等，2016）。

1. 6 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與作圖，以Duncans多重比較法進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 土壤基本理化性質(zhì)

由表1可知，4種土地利用方式土壤的基本理化性質(zhì)差異明顯。稻田土壤pH及有機質(zhì)、堿解氮和全氮含量均顯著高于其他3種土地利用方式土壤（P<0.05，下同），而旱地農(nóng)田土壤速效鉀、速效磷、全磷和全鉀含量最高，顯著高于其他3種土地利用方式土壤。2種人工林土壤有機質(zhì)、堿解氮和全氮含量均顯著低于稻田，但顯著高于旱地農(nóng)田，其中油茶林的有機質(zhì)和全氮含量高于松林。

2. 2 土壤N2O排放速率

土地利用方式、土壤水分含量和施肥均明顯影響N2O排放（圖1）。當WPFS<50%時，無論是否施加氮肥，N2O的排放速率均接近于0。當WPFS>50%時，不施肥土壤N2O的排放速率在前12 h迅速增加，之后24 h內(nèi)逐漸降為最初狀態(tài)，其中稻田、旱地農(nóng)田、油茶林和松林土壤N2O的排放速率最高分別為1.48、227.80、110.09和44.68 μg/（kg?h）（圖1-A、圖1-C、圖1-E和圖1-G）。施氮土壤N2O的排放速率隨著WPFS的增加而增加，相同水分含量土壤中N2O的排放速率在前72 h先緩慢增加后逐漸降低至穩(wěn)定狀態(tài)，整體呈增加狀態(tài);其中稻田、旱地農(nóng)田、油茶林和松林土壤N2O的排放速率最高分別為4213.27、397.72、1327.70和370.05 μg/（kg?h）（圖1-B、圖1-D、圖1-F和圖1-H）。施氮后，4種土地利用方式土壤N2O的排放速率均明顯增加，其中變化最大的為稻田，N2O排放速率由施肥前平均0.40 μg/（kg?h）上升至施氮后平均755.72 μg/（kg?h），增加約1890倍。

2. 3 N2O累積排放量與排放系數(shù)

土地利用方式、土壤水分含量和施肥均明顯影響N2O累積排放量與排放系數(shù)（圖2）。當WPFS<50%時，4種土地利用方式土壤N2O排放量累積96 h后幾乎為0。當WPFS>50%時，不施肥土壤N2O 96 h累積排放量也近乎為0;而施氮后4種土壤N2O的累積排放量均明顯增加，4種土地利用方式排序為稻田>油茶林>旱地農(nóng)田>松林。當WPFS為125%時，稻田、旱地農(nóng)田、油茶林和松林土壤N2O的累積排放量差異值達最大，累積排放量分別為362、30、91和22 mg/kg。4種土地利用方式土壤N2O排放系數(shù)均隨WPFS的增加而增加，稻田和旱地農(nóng)田土壤在75% WPFS出現(xiàn)拐點，油茶林和松林土壤在50% WPFS出現(xiàn)拐點。當WPFS為75%，接近田間實際水分狀況時，稻田、旱地農(nóng)田、油茶林和松林土壤N2O排放系數(shù)分別為2.47%、0.39%、2.31%和0.91%。

2. 4 硝化與反硝化作用對N2O排放的貢獻

4種土地利用方式土壤N2O累積排放量均與潛在反硝化潛勢呈顯著正相關(guān)，除稻田外，其他3種土地利用方式土壤N2O累積排放量也與潛在硝化勢呈顯著正相關(guān)，但N2O累積排放量與潛在硝化勢相關(guān)性水平小于潛在反硝化潛勢（圖3）。4種土地利用方式下，反硝化作用和硝化作用產(chǎn)生的土壤15N2O累積排放量均隨著WPFS的增加而增加，且反硝化作用產(chǎn)生的15N2O明顯高于硝化作用，當WPFS<50%時，硝化反應(yīng)產(chǎn)生的15N2O累積排放量幾乎可以忽略不計（圖4）。油茶林和松林隨WPFS增加，反硝化作用對N2O排放相對貢獻增加;稻田和旱地農(nóng)田不受含水量的影響，反硝化作用一直主導(dǎo)N2O排放，當WPFS為125%時，油茶林、松林、稻田和旱地農(nóng)田反硝化作用相對貢獻分別為92.14%、93.43%、91.01%和93.53%（圖5）。

2. 5 土壤N2O排放系數(shù)與理化性質(zhì)的關(guān)系

逐步回歸擬合分析剔除對N2O排放影響不顯著（P>0.05）的因子，發(fā)現(xiàn)4種土地利用方式土壤的N2O排放系數(shù)主要受土壤全氮和全磷的影響，逐步回歸方程為：Y=-10.48+8.918TN+2.11TP，R2=98.5%，其中Y表示土壤中N2O排放系數(shù)，TN表示全氮，TP表示全磷，全氮的解釋度為96.8%，全磷的解釋度為1.7%。

3 討論

不同土地利用方式土壤的基本理化性質(zhì)不同，導(dǎo)致土壤中氮含量存在明顯差異。土壤中氮含量會影響土壤中的碳氮比，使微生物的活性存在差異，進而影響N2O的排放量（林杉等，2008）。本研究中，稻田土壤的全氮含量最高，與4種不同土地利用方式土壤中得出稻田N2O的排放量和排放速率最大的結(jié)論相符。當不施肥時，土壤中氮含量偏低造成有機質(zhì)分解緩慢、微生物活性較弱，不利于N2O產(chǎn)生。施加氮肥后，土壤中氮含量較高，在進行大量的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)后將N2O排放到大氣中。本研究結(jié)果表明，土壤中氮含量與N2O的排放具有很強的相關(guān)性，與項虹艷等（2007）研究氮肥施用對紫色土—玉米根系系統(tǒng)N2O排放影響得出的結(jié)果類似，即土壤中N2O的排放量隨氮肥的施加而顯著增加。在研究的4種不同土地利用方式中，稻田的N2O排放量最大，松林N2O排放量最小。經(jīng)分析，除了氮含量的因素影響外，還有可能是因為農(nóng)田耕作降低了區(qū)域土壤容重，使土壤貫穿阻力變?。ˋlvarez and Steinbach，2009）。土壤的孔隙度和含氧量增加，氣體從土壤中擴散速率得以提升，從而單位時間內(nèi)增加了土壤N2O的排放量（Du et al.，2010）。

本研究發(fā)現(xiàn)土壤中N2O的排放主要由微生物的反硝化作用產(chǎn)生，相比NO3?-N，NH4+-N生成的N2O排放量和排放系數(shù)相對較少。土壤中的氮素是微生物進行硝化和反硝化作用的基本物質(zhì)（Meyer et al.，2008;Lin et al.，2010）。NO3?-N一方面為進行硝化反應(yīng)的微生物提供基礎(chǔ)營養(yǎng)物質(zhì)，促進硝化速率;另一方面抑制和延遲N2O還原為氮氣的過程，最終有利于N2O的產(chǎn)生和排放（Passianoto et al.，2003）。NH4+-N在土壤中需先進行水解和硝化反應(yīng)為反硝化反應(yīng)提供營養(yǎng)底物，才能進行反硝化反應(yīng)（Mulvaney et al.，1997;梁東麗等，2007）。因此對于NH4+-N而言，N2O的生成速率和逸出時間均滯后于NO3?-N。

此外，WPFS的變化也有可能使土壤中N2O累積排放量存在明顯差異。通過改變WPFS使土壤中的含水量和氧氣含量發(fā)生改變，進而改變土壤的通透性和微生物的生命活性（Prado et al.，2006）。當WPFS較低時，微生物的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)均不明顯。隨著WPFS增加，土壤逐漸處于水淹缺氧狀態(tài)，此時微生物以反硝化作用為主，同時進行少量的硝化反應(yīng)（Ruser et al.，2006;Sanchez-Martin et al.，2010），極大增加N2O的排放。本研究也證實，選取的4種不同利用方式，土壤水分含量越高，N2O的排放速率和排放量越大。

4 結(jié)論

南方紅壤丘陵區(qū)N2O的排放系數(shù)排序為稻田>油茶林>旱地農(nóng)田>松林，土壤全氮含量是影響N2O排放系數(shù)的關(guān)鍵因子。與以NH4+-N為底物的硝化作用相比，以NO3?-N為底物的反硝化作用主導(dǎo)N2O排放。因此，南方紅壤丘陵區(qū)施用氨基氮肥可能很大程度控制N2O排放系數(shù)在較低范圍，減少氮肥N2O排放損失，為國家執(zhí)行碳中和政策提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）

收稿日期：2021-02-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（41771335）;湖南省自然科學(xué)基金面上項目（2020JJ4654）

通訊作者：秦紅靈（1978-），https：//orcid.org/0000-0002-2385-2965，副研究員，主要從事土壤微生物生態(tài)研究工作，E-mail：huniu @isa.ac.cn

第一作者：王芝麟（1980-），https：//orcid.org/0000-0001-6294-4750，高級工程師，主要從事污染物生態(tài)風(fēng)險評價與環(huán)境影響評價研究工作， E-mail：13319281761@126.com