果樹種植土壤N2O排放研究：認識與挑戰

顧江新，郭艷杰，張麗娟，王 敬，王慎強，胡榮桂，張金波，蔡祖聰，程 誼*

（1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定071001；3.南方現代林業協同創新中心，南京林業大學林學院，南京210037；4.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京210008；5.華中農業大學資源與環境學院，武漢430070；6.南京師范大學地理科學學院，南京210023；7.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，南京210023）

在我國，水果已成為繼糧食、蔬菜之后的第三大農業種植產業，產量和種植面積多年穩居全球首位[1-2]。據不完全統計，全球每2 個蘋果中就有1 個產自中國[3]。水果產業的迅速發展在保障城鄉居民水果供應，振興鄉村經濟中發揮了極為重要的作用。隨著農業集約化生產水平提高，水果產業的高產出、高收益刺激了農民的高投入，特別是盲目高量的化肥投入十分明顯，尤其是氮肥。早在2009 年，全國性問卷調查已表明果園年平均化學氮肥投入量高達550 kg N·hm-2，遠高于水稻、小麥和玉米等大宗糧食作物（＜250 kg N·hm-2）和蔬菜（383 kg N·hm-2）[4]。從果樹種類來看，栽培面積居于我國前兩位的蘋果和柑橘的年平均施氮量均處在490 kg N·hm-2以上的高線上[5-6]，遼寧省和黃土高原蘋果主產區年平均化學氮肥投入量甚至分別高達694 kg N·hm-2和1100 kg N·hm-2[7-8]。肥料投入呈兩極分化趨勢，眾所周知果園施用有機肥能夠提高土壤有機質含量，起到保水保肥、提高肥料利用率的作用，并且可以改善土壤結構。然而，實際生產上有機肥投入總體偏低，許多地方甚至出現投入嚴重不足的現象。以我國主產區柑橘園為例，有機肥施用帶入的純氮量不足總量的10%[6]。盡管如此，當前的氮肥投入量已經遠超果樹的最佳適宜施氮量，這必然導致大量的氮損失和嚴重的生態環境問題，如溫室氣體氧化亞氮（N2O）排放增加、地下水硝酸鹽累積、地表水體富營養化等。N2O 不僅具有較高的增溫潛勢，還可以破壞臭氧層，因而其一直受到國際社會的高度關注。一般而言，旱地土壤中以N2O形式損失的氮量占氮肥施用量的比例（即N2O 排放系數）為1%[9]，但是基于全球尺度的統計分析結果卻表明，這一數值在高氮輸入下（＞200 kg N·hm-2）過于保守[10]。由此可見，與糧食作物相比，果園土壤N2O的單位面積排放量可能較高，排放系數較大。然而，國內外有關果園土壤N2O 排放的研究報道十分稀缺，據初步統計，全球僅有31篇文獻報道了果園土壤N2O排放的原位觀測研究[11]，這極大地限制了我們對果園土壤N2O 排放特征及其控制因子的認識。基于此，本文系統討論了果園土壤N2O 排放的復雜性，在此基礎上闡明了如何形成有效的監測系統，并利用現有技術認識了N2O排放規律，探討了特定減排技術和手段下的減排效果，旨在為果園系統土壤N2O 減排提供科學依據。

1 果樹種植土壤N2O排放監測的復雜性

與大田和蔬菜作物不同，果樹為多年生植物，生命周期長，少則二三十年，長則數百年仍能結果。在不同的生育期和物候期，果樹的不同營養特點決定了不同的施肥特征。不同的生育期施肥量通常不一致，例如未成年果樹的施肥量常低于成年果樹，且施肥區域也不盡相同。因此，研究果樹種植土壤N2O 排放需要考慮果樹生長、結果、更新和衰老等變化過程。然而，當前關于果園土壤N2O 排放監測的研究對象主要是處于盛果期的成年果樹，而且監測周期均較短，不能真實反映果樹整個生命周期的N2O 排放規律[11]。此外，果樹的施肥方法多樣，常見的如環狀溝施法、放射狀溝施法、條狀溝施法、穴施法、葉面噴肥法、灌水施肥法、直接撒施以及交替使用。不同的施肥方法決定了施肥區域的差異性，再加上果樹樹盤面積以及與之關聯的施肥區域因果樹類型而有明顯差異，如何綜合考慮施肥區域和非施肥區域進而準確估算果園土壤N2O 排放是研究者必須面對的問題。最后，不同的樹齡、樹勢、產量、品種、土壤和氣候亦會影響施肥量和施肥區域進而增加監測的難度。近些年來，我國設施果樹栽培發展迅速，占比較大的如桃、草莓和葡萄等[12]，但由于設施栽培對氣體擴散的阻隔作用，箱式法測定的含氮氣體排放通量只能反映棚內土壤界面處氣體的釋放速率，而不一定能夠反映其向棚外大氣的擴散速率[13]。因此，如何準確測定設施果樹栽培土壤N2O排放亦是未來亟待解決的問題。

2 如何形成有效的N2O監測系統？

準確測定果樹種植土壤N2O 排放的關鍵在于確定果樹的種植密度和施肥區域。常見的施肥方法如環狀溝施、放射狀溝施、條狀溝施、穴施，其施肥區面積一般小于非施肥區。因此，最理想的監測方法是在施肥區和非施肥區均設置采樣點或者采樣點權衡了施肥和非施肥區域，已發表文獻中均遵循了該采樣規則[11]。具體來說，要求根據果樹樹形大小、施肥方式、位置以及其他田間環境等的不同，科學合理地布設采樣點數量。例如，對陜西黃土高原蘋果園進行土壤N2O 監測時采樣點分別設置在距離果樹2.5 m（兩排蘋果樹中間，相當于非施肥區）、1.5 m（3 月施肥的施肥坑上）和0.5 m（6 月施肥的施肥坑上）處（圖1a）[14]。在研究蓄水坑灌條件下山西蘋果園土壤N2O 排放時，考慮到蓄水坑是沿樹干呈環形分布，采樣點設置在樹干沿坑中心及沿相鄰兩個坑中間兩個方向上，每個方向上距離果樹40、75、110 cm 和145 cm 處分別設置了采樣點（圖1b）[15]。針對一些環形施肥的果園，也可設置三角形采樣箱以便能一次性覆蓋施肥區和非施肥區（圖1c，未發表數據）。總體而言，必須根據果樹的樹盤面積、施肥區域、管理方式等條件因地制宜地設計靜態箱的擺放位置，以求最真實地反映果園系統土壤N2O排放。

3 果園土壤N2O排放特征和減排技術效果

在全球范圍內，施肥果園土壤N2O 年排放量變化范圍在-0.12～26.00 kg N·hm-2，平均值和中位數分別為3.06 kg N·hm-2和1.12 kg N·hm-2（表1）。最高排放出現在我國華東地區的水蜜桃園[18]，該地屬亞熱帶季風氣候，年施氮量高達1007 kg N·hm-2。最低排放出現在西班牙的橄欖種植園[30]，該地屬地中海式氣候，N2O 排放量只有0.11 kg N·hm-2，年施氮量僅為50 kg N·hm-2，并且在混施硝化抑制劑條件下，出現了N2O負排放。全球范圍內果園土壤N2O 排放量與施氮量呈極顯著正相關[11]。從肥料類型看，施用有機肥（包括糞肥、堆肥、綠肥等）較化肥平均提高了果園N2O 損失率（即N2O 排放量占施氮量的百分比）約25%，其原因可能是有機肥為反硝化微生物提供了豐富的有機碳底物以及厭氧微域，促進了N2O 排放[46]。然而，在對地中海式氣候區葡萄園[41]連續兩年的觀測卻發現了相反的結果，這可能是由于堆肥碳氮比較高（約為20），微生物在分解有機質過程中需要從土壤環境中同化無機氮滿足自身生長的需求，從而限制了硝化、反硝化微生物活動[46]。有機肥施用對N2O 排放的影響取決于其對土壤氮素循環關鍵過程的綜合作用效果。N2O 直接排放系數變化范圍為-0.44%～2.7%，平均值和中位數分別為1.15%和1.37%（n=25），進一步對N2O 排放量與施氮量進行回歸分析發現，全球果園土壤N2O排放系數為1.36%±0.16%[11]。這表明果園土壤N2O 排放系數高于IPCC 默認值1%[9]。但是，受樣本數量的限制，該排放系數在全球范圍內難具代表性。例如，溫帶氣候區內的果園尚未有直接排放系數的報道[11]。從氣候區域來看，熱帶果園土壤排放系數最高，應作為N2O 排放管理的重點對象，而亞熱帶地區果園背景排放量最高，對區域N2O 排放總量的貢獻較大。而在地中海式氣候區，N2O 排放量始終低于5 kg N·hm-2，且與施氮量無顯著相關性，這可能與發達國家果園施氮量較低且多為節水型灌溉有關（表1）。因此，在估算全球或區域果園N2O 排放總量時，應考慮不同氣候類型間排放系數和背景排放的差異。

圖1 陜西黃土高原蘋果園（a）[14]、山西蘋果園（b）[15]和江蘇水蜜桃園（c）土壤N2O排放靜態箱布設示意圖Figure 1 Diagrams of the static closed-chamber used for measuring N2O emissions from apple orchards in Loess Plateau in Shaanxi Province（a）[14]and Shanxi Province（b）[15],and peach orchard in Jiangsu Province（c）

表1 全球果園土壤N2O排放觀測Table 1 Soil N2O emission from fertilized fruit orchards across the globe

整合分析研究[11]表明，施用硝化抑制劑能夠顯著降低73%的果園土壤N2O 排放。與采用滴灌技術的果園相比，采用微噴灌或地下滴灌技術的果園土壤N2O 排放量顯著降低了63%。這主要是由于滴灌噴頭下土壤水分含量和反硝化微生物豐度均較高[30,32,45]，有利于反硝化過程的發生和N2O 的排放。但是節水灌溉系統下果園土壤N2O 排放量整體較低（＜1.74 kg N·hm-2）[11]，這是由于節水條件下灌水量低，灌水附近的濕潤區域土壤孔隙含水率低于傳統漫灌，使得土壤硝化作用強于反硝化作用，從而降低土壤N2O 排放。當前在發展中國家的干旱、半干旱地區，漫灌仍然是一種普遍的農田管理措施，極大地促進了糧食旱作土壤反硝化速率和N2O 排放[47-48]，但在果園中尚未有相關研究報道。相對于漫灌，節水灌溉能否降低果園土壤N2O 排放仍需進一步的觀測研究。此外，生草或者土壤覆蓋是果園常見的管理方式，但這并不能顯著降低土壤N2O 排放[11]，由于生草或覆蓋材料種類繁多且管理方式多樣，還需進一步評估其對土壤N2O排放的影響。

4 結語與展望

隨著果樹科學的發展和生產的提高，不斷涌現出了新的問題及與之關聯的研究課題和方法。如何準確定量果樹種植土壤的N2O 排放，揭示其排放規律，研發針對性的減排措施以及建立N2O 排放估算模型是當前亟待解決的關鍵問題。未來將重點開展以下幾方面的研究。

（1）針對果樹特定的生長規律和管理模式，制定不同種類果樹種植下土壤N2O 排放監測標準，從而形成可比較、可復制、可推廣的監測模式，為將來準確定量果樹種植土壤N2O排放提供依據。

（2）針對不同氣候區域，研發果樹系統不同施肥模式（如有機肥、化學肥、有機無機配施）、不同灌溉模式（如滴灌、噴灌、漫灌）、不同土壤管理制度（如清耕、生草覆蓋）下土壤N2O減排技術。

（3）加強與N2O 排放相關聯的氮素轉化過程的研究。從土壤氮素各個關鍵轉化過程以及與之相關聯的微生物出發，解析環境因子和調控措施對果樹土壤N2O排放的影響及其作用機理。

（4）構建果樹種植系統土壤氮素平衡和N2O 排放模型。