不同類型茶園土壤N2O排放速率及其影響因素

范利超，鄒振浩，韓文炎

不同類型茶園土壤N2O排放速率及其影響因素

范利超，鄒振浩，韓文炎*

中國農業科學院茶葉研究所，浙江 杭州 310008

對不同生產力（高、中、低產）和種植年限（10、45、100?a）的茶園及與其相鄰林地土壤N2O的排放速率進行了田間原位測定，并探究其與土壤pH、有機碳、總氮、水溶性有機碳氮、微生物生物量碳氮（MBN）、銨態氮和硝態氮等土壤理化性質的關系。結果表明，不同類型茶園間的土壤理化性質有顯著差異，且各土壤理化性質之間有一定相關性；不同類型茶園的平均N2O排放速率（以N計）為3.14?mg·m-2·h-1，其中100?a茶園N2O的排放速率（以N計）為4.47?mg·m-2·h-1，顯著高于其他茶園；茶園N2O排放速率是林地的3.1~7.2倍。Mantel檢驗表明N2O的排放速率與水溶性有機碳、有機碳、總氮及微生物碳氮呈顯著正相關（<0.05），線性回歸和結構方程模型表明MBN是茶園土壤N2O排放速率的最顯著影響因子。

茶園；土壤；N2O；田間原位測定；微生物生物量氮

氧化亞氮（N2O）是地球生態系統中最主要的溫室氣體之一，其綜合增溫潛勢是二氧化碳（CO2）的296倍。工業革命以來，大氣中N2O和CO2的濃度持續增加。尤其是近年來，大氣中N2O的濃度以每年平均(0.86±0.05)μg·L-1的速率逐年顯著增加[1]，不僅會破壞臭氧層加劇全球變暖，對生態系統的穩定構成威脅，而且進一步加劇了全球氮沉降，是土壤酸化和營養元素流失的重要影響因素。土壤是大氣N2O最重要的排放源，每年從土壤中排放的N2O量大約為10.2?Tg，占大氣N2O總體量的65%[2]。土壤N2O的產生主要是由硝化作用和反硝化作用這2個微生物過程控制[3]，而土壤硝化和反硝化作用受多種因素影響，如CO2濃度，土壤溫、濕度和氮庫儲量等[4-6]。氮添加（如無機氮肥施用）可以快速增加底物的濃度和有效性，其中銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）是土壤硝化作用和反硝化作用的直接底物，其含量變化是土壤N2O產生的最直接影響因素。多個田間試驗表明，增加CO2濃度和土壤溫度可以顯著影響土壤含水量和微生物活性[5-7]，因為土壤含水量的變化可以改變土壤中氧氣的濃度，進而影響土壤硝化作用和反硝化作用的相對貢獻比例[3]。此外，土壤微生物蘊含著土壤中的重要活性養分，例如微生物生物量氮（MBN）是土壤有機氮庫的重要活性成分，因此是影響土壤質量和N2O排放的重要因子[8-9]。

農業土壤是N2O排放的重要來源，其年排放量為4.2?Tg，占全球陸地生態系統N2O總排放量的41%[10]。其中，茶園土壤具有較高的硝化和反硝化作用，是土壤N2O重要的排放源之一[11-13]。茶園生產以采摘鮮葉為主，施用氮肥可以提高茶葉產量。茶葉具有較高的經濟效益，茶農對茶葉產量的過度追求，促使氮肥過量施用，因此茶園土壤氮素含量逐年增加[14-16]，從而導致其N2O排放增加。茶園土壤N2O排放受多種因素的影響[17-18]，如茶園的施肥管理水平[19]和種植年限[14]等。茶葉是我國重要的經濟作物，目前我國有20個省份近306萬hm2茶園[20]，因此茶園土壤N2O的排放量不容忽視。本研究以茶園附近林地土壤為對照，選取了不同生產力水平（高、中、低產）和不同種植年限（10、45、100?a）的茶園，進行了茶園土壤N2O排放速率的田間原位測定，并結合土壤理化性質分析茶園土壤N2O排放速率的影響因素，以期為茶園科學施肥和低碳環保生態型茶園構建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域及試驗樣地

本研究在浙江省杭州市中國農業科學院茶葉研究所（120°09′E，30°14′N）的茶園種植區開展，該地區處于亞熱帶季風氣候區，全年平均氣溫為17.4℃，月平均低溫出現在1月，為1.7℃，年平均降雨量為1?533?mm[21]。供試土壤的成土母質為安山斑巖，土壤為紅壤[22]。本研究共選取5塊不同種植年限及不同生產力水平的茶園和1塊附近的林地。其中3塊不同生產力水平的茶園是根據茶葉產量和施肥量來區分[21]，分別為：（1）高產茶園，西湖龍井茶葉產量約為280?kg·hm-2·a-1，施N（主要為尿素，以N計）量為900?kg·hm-2·a-1，有機肥（廄肥或餅肥）施用量為2?250?kg·hm-2·a-1；（2）中產茶園，西湖龍井茶葉產量約為200?kg·hm-2·a-1，施N（主要為尿素，以N計）量為600?kg·hm-2·a-1，有機肥（廄肥或餅肥）施用量為1?120?kg·hm-2·a-1；（3）低產茶園，西湖龍井茶葉產量約為150?kg·hm-2·a-1，施N（主要為尿素，以N計）量為300?kg·hm-2·a-1，有機肥（廄肥或餅肥）施用量為1?120?kg·hm-2·a-1。不同生產力水平茶園的種植年限均為45?a。另有2塊不同種植年限茶園，分別為10?a和100?a，其茶葉產量和施肥量與中產茶園相同[20]。茶園附近自然林地視為未施肥處理的0?a茶園種植背景土壤，主要為荷木（）、樟樹（）和苦櫧樹（）的混合林[22]。茶園的其他田間管理相同，且各樣地間距離不超過1?km。供試茶園及相鄰林地的詳細情況見參考文獻[20,23]。

1.2 N2O排放的田間原位測定及測量方法

N2O田間原位測定方法采用靜態箱-抽氣法[24]，即在每個試驗樣地隨機選擇9個測量點，將氣箱（體積為1.0×103cm3，氣箱底面積為84.9?cm2）扣在測量點的土層表面，使氣箱與土壤形成一個密閉的氣室，然后在扣箱后5、20?min和35?min分別用低壓氣密真空管抽取15?mL氣體。在測量開始的前一天除去測量點地表的雜草并盡可能減少對土壤的擾動。田間取樣是在田間施肥1個月后開展，排除了施肥之后的短暫溫室氣體排放高峰期。取樣時間為2014年10月，該月份平均氣溫與研究區域年平均氣溫相當，可推測其間的溫室氣體排放速率趨于全年平均排放速率。氣體的氣樣中N2O和CO2濃度用氣相色譜儀測定（GC-14A，日本島津），N2O和CO2濃度為1次進樣測定，檢測器為63Ni電子捕獲器（ECD）[18,25]。

1.3 土壤樣品采集與分析方法

土壤樣品在氣樣采集結束后立即采集，9個測量點隨機分成3組，形成3個混合土樣。土壤從0~20?cm土層用手持式土鉆采集。采集的土樣過2?mm篩后裝入密封袋儲存于4℃冰箱，用于水溶性碳、氮，微生物生物量碳、氮和硝態氮及銨態氮的測定。部分樣品自然風干測定土壤pH，少量風干土樣研磨后過0.15?mm篩用于測定土壤有機碳和全氮含量。土樣測量的詳細方法參考文獻[18,25-26]。土壤有機碳和全氮測定采用VarioMax CN自動分析儀（Elementar公司）；土壤pH值測定使用玻璃電極法（DRION 3 STAR pH計，Thermo公司）；土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4法提取；水溶性有機碳、氮含量測定采用TOC分析儀（Multi N/C 2100，Analytikjena公司）。土壤水溶性有機氮含量是土壤水溶性總氮與銨態氮和硝態氮之和的差值。硝態氮和銨態氮含量測定用流動注射分析儀（Flow Access 12.0，Skakar公司）。

1.4 數據處理

運用IBM SPSS 19.0進行單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同樣地間的土壤理化性質，包括土壤pH，有機碳（SOC），總氮（TN），水溶性有機碳（DOC）、有機氮（DOC、DON），微生物生物量碳、氮（MBC、MBN），銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）以及N2O和CO2排放速率的差異（<0.05），文中N2O的排放速率均以N計，CO2的排放速率以C計。運用Canoco for Windows（version 5.0，http://www.canoco5.com）進行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）綜合比較不同土壤理化性質對N2O和CO2排放速率的影響。運用R v.3.5.3對土壤理化與性質進行Spearman相關分析，以及采用Mental檢驗[27]分析N2O和CO2排放速率與土壤理化性質的相關性。運用IBM SPSS 19.0和IBM SPSS Amos 25 Graphics分別進行線性回歸分析（Linear regression）和構建結構方程模型（Structural equation model）。運用SigmaPlot 14.0對單因素方差分析和線性回歸分析的結果進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

由圖1可知，試驗茶園土壤pH在3.5~4.0，顯著低于林地土壤pH（圖1-A）。茶園土壤DOC含量為114~258?mg·kg-1，其中高產、10?a和100?a茶園土壤DOC顯著高于中產、低產茶園和林地（圖1-B）。茶園土壤DON含量為66.1~91.3?mg·kg-1，顯著高于林地，是其2.9~4.1倍（圖1-C）。高產茶園SOC含量為27.9?g·kg-1，顯著高于其他樣地，而低產茶園SOC顯著低于其他茶園和林地（圖1-D）。與SOC相同，高產茶園總氮含量為2.9?g·kg-1，顯著高于其他樣地，而低產茶園總氮顯著低于其他茶園和林地（圖1-E）。茶園C/N為8.8~10.5，而林地C/N為13.2，顯著高于茶園（圖1-F）。茶園土壤NO3--N含量為22~33?mg·kg-1，顯著高于林地，而NH4+-N含量在林地和茶園之間無顯著差異（圖1-G和圖1-H)。100?a茶園MBC含量最高，為28.4?mg·kg-1，而低產茶園MBC最低；林地、10?a茶園及中產茶園間MBC無顯著差異（圖1-I）。100?a茶園MBN含量為6.9?mg·kg-1，顯著高于其他樣地，而10?a茶園及低產茶園MBN相對較低；林地與中產茶園的MBN無顯著差異（圖1-J）。

基于茶園和林地土壤基本理化性質的PCA（83%）表明，低產茶園土壤與其他茶園土壤顯著不同，而其余茶園土壤較為相近（PC1，46.8%），林地土壤與各茶園土壤顯著不同（PC2，36.2%）（圖2）。

2.2 茶園和林地N2O及CO2的排放速率

100?a茶園N2O的排放速率要顯著高于其他茶園和林地，其值為4.47?mg·m-2·h-1；其次是10?a茶園（2.32?mg·m-2·h-1）和高產茶園（1.63?mg·m-2·h-1）；中產茶園、低產茶園和林地間無顯著差異（圖3-B）。與N2O不同，100?a茶園的CO2排放速率與林地和低產茶園無顯著差異，10?a茶園、高產茶園和低產茶園CO2排放速率顯著高于100?a茶園（圖3-A）。但是，N2O的排放速率與CO2的排放速率之間無顯著的相關性（＞0.05）。

2.3 茶園和林地N2O及CO2的排放速率與土壤理化性質的相關性

不同土壤理化性質之間存在顯著的相關性（圖4）。DON與NO3--N和MBN顯著正相關，而與C/N顯著負相關；MBC與SOC及TN顯著正相關；MBN與DON、SOC、TN以及MBC均顯著正相關（圖4）。N2O的排放速率與DOC、SOC、TN、MBC和MBN有顯著相關性（＜0.05），其中N2O的排放速率與MBN的相關性最高（Mantel’s＞0.5，＜0.001），而CO2的排放速率與所有土壤理化性質指標之間均無顯著相關性（＞0.05，圖4）。RDA進一步表明，N2O的排放速率受到多個土壤理化性質的顯著影響；其中N2O在RDA1（39.3%）上，與MBN、MBC、SOC、DOC、TN有顯著的正相關關系，而NO3--N對N2O的貢獻低于上述因子，NH4+-N貢獻率幾乎為0（圖5）。土壤pH與N2O的排放速率呈顯著的負相關（圖5）。CO2的排放速率僅與C/N呈負相關，而與其他土壤理化性質無明顯相關性（圖5）。線性回歸分析表明，MBN、DOC及TN均與N2O的排放速率呈顯著正相關，但MBN的2最大，其次是DOC，TN最小。結構方程模型分析表明，影響N2O排放速率的最重要因素為MBN（圖6）。

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。Forest為林地，10a為10年茶園。45a-HP為45年高產茶園，45a-MP為45年中產茶園，45a-LP為45年低產茶園，100a為100年茶園。下同

圖2 不同類型茶園和林地土壤間的主成分分析

注：A為土壤CO2的排放速率，B為N2O的排放速率。不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著

注：SOC為有機碳，TN為總氮，DOC為水溶性有機碳，DON為水溶性有機氮，MBC為微生物生物量碳、MBN為微生物生物量氮，NO3--N為硝態氮，NH4+-N為銨態氮

圖5 不同類型茶園和林地之間的冗余分析

注：虛線是線性相關分析的95%置信區間

3 討論與結論

茶園不同施肥管理水平和種植年限顯著改變了土壤的理化性質（圖1），從而影響了土壤硝化和反硝化作用，使N2O的排放速率在不同類型茶園中有顯著差異（圖3）。不同施肥管理水平的茶園土壤N2O排放速率隨著氮肥施用量的減少而降低，表明氮肥施用量是影響土壤N2O排放速率的重要人為因素，但均與林地土壤N2O的排放速率無顯著差異。而與中產茶園施肥量相同的10?a和100?a茶園的N2O排放速率顯著高于林地，表明茶園種植年限是影響N2O排放速率的顯著因子。由于45?a茶園的N2O排放速率均顯著低于10年和100?a茶園，而高產茶園的施肥量高于10年和100?a茶園，進一步表明茶園施肥量與種植年限之間的相互作用共同控制茶園土壤N2O的排放速率。

N2O是土壤硝化作用和反硝化作用的共同產物，但是相關研究表明，在熱帶和亞熱帶的酸性土壤（包括茶園土壤）中，反硝化作用對其貢獻并不顯著[28]。這可能是由于：（1）反硝化作用在厭氧條件下進行，需要較低的氧化還原電位，而茶園土壤中氧化能力較強，較高的土壤氧化還原電位抑制了茶園土壤中的反硝化作用[29]；（2）茶園土壤的pH較低（pH＜4，圖1-A），而反硝化微生物活性的最佳pH范圍是6~8，嚴重酸化的茶園土壤環境抑制了反硝化微生物的生長和活性[30]；（3）即使在底物充足的條件下，反硝化作用驅動的N2O排放速率顯著低于硝化作用[31]。因此，茶園土壤N2O的排放來源主要是硝化作用。在有氧條件下，NH4+和NO3-、N2O分別是亞硝化細菌和硝化細菌進行硝化作用的底物和產物，但是在不同類型茶園和林地中NH4+的含量并無顯著差異（圖1-H），同時NH4+和NO3-與N2O的排放速率均無顯著相關性（圖4）。該結果表明茶園土壤中的NH4+和NO3-濃度并不是N2O排放速率的顯著指標。傳統理論認為，土壤硝化速率與土壤pH呈顯著正相關關系，即在pH偏低的酸化土壤中，硝化速率應降低，從而導致NO3-的含量很低[32]。但是在pH顯著低于林地的茶園土壤中，NO3-的含量反而顯著高于林地（圖1-G）。這種現象在茶園中普遍存在[17-18,33-34]，主要是由于：（1）茶園土壤施氮量較高，平均（以N計）為533?kg·hm-2·a-1，上限高達2?600?kg·hm-2·a-1[33]；（2）茶樹為典型的喜銨厭硝型植物，大量氮肥的施用導致較高含量的NH4+在茶園土壤中，NH4+優先被茶樹利用導致NO3-的積累[34]；（3）酸性土壤中存在大量耐酸性硝化微生物，即使在較低pH的土壤環境下，依然有較高的硝化活性[35-36]。此外，Huang等[36]研究表明茶園土壤中較高的NO3-含量可以顯著促進N2O的排放速率。

N2O的排放速率與MBC、MBN顯著相關（圖4），且線性相關和結構方程模型分析結果表明，MBN是N2O排放速率的最顯著指標（圖6）。這是因為硝化和反硝化過程是微生物介導的生物化學反應過程，MBC和MBN是土壤微生物量的絕對表征，而且MBN是土壤氮庫中有生命活性的部分，是土壤氮素礦化的驅動力。這同時強調了土壤微生物氮庫在土壤氮循環中的重要作用。Yao等[37]的研究結果表明，在茶園土壤中隨著pH降低，氮素氧化相關的古菌和細菌數量呈指數型增加。本研究中MBN的含量在100?a茶園中是林地的3.3倍，表明極低pH的茶園土壤環境沒有使土壤微生物量減少，反而有大量的微生物種群適應了茶園土壤酸性環境。同時，林地MBC與MBN的比值是100?a茶園的2.2倍，表明茶園微生物的生物化學計量學偏向于氮素增多，即在適應酸性環境的微生物種群中有更多的微生物將參與硝化反應和其他土壤氮循環過程。另外，N2O的排放速率與DOC、SOC以及TN有顯著的相關性（圖4），這是由于土壤微生物的生長離不開必要的碳氮底物，充足的碳氮底物可以促進微生物的快速生長，其中包括硝化作用相關的微生物。

茶園土壤有較高的氮素含量（圖1-E），同時有豐富的氮素循環相關的微生物[35,37]。這是茶園土壤成為N2O排放源的重要原因。100?a茶園N2O的排放速率為4.47?mg·m-2·h-1，是林地N2O排放速率的7.2倍；中產和低產茶園的N2O排放速率與林地無顯著差異（圖3-B），可能是由于較低的茶園施肥量導致DOC、SOC和TN等土壤微生物底物有效性較低，從而使土壤微生物量（MBN）降低，最終使茶園土壤的N2O排放速率與林地相當。但是，不同類型茶園土壤的平均N2O排放速率為3.14?mg·m-2·h-1，依然是林地N2O排放速率的3.1倍。范利超等[18]通過室內培養試驗表明茶園土壤N2O的排放量是林地的2.4倍；Han等[33]研究表明，茶園土壤N2O的年排放量最高可達11.78?kg·hm-2·a-1，是林地的1.57~11.33倍。Inubushi等[38]研究表明，N2O排放速率無明顯的季節變化，而CO2的排放速率有明顯的季節變化。這是由于N2O排放速率主要是土壤濕度和土壤營養元素的有效性決定，而CO2的排放速率主要由土壤溫度影響[20-21,23]。與此相同，本研究發現，土壤理化性質顯著影響N2O的排放速率，而CO2幾乎與所測的土壤理化性質都沒有顯著相關性（圖4、圖5），表明N2O的排放速率與CO2的排放速率沒有顯著相關性。然而，Cantarel等[5]和Dijkstra等[6]研究表明，增加CO2濃度和提高溫度均顯著增加N2O的排放速率。N2O的排放速率最終是由微生物過程控制，本研究表明，MBN是影響N2O排放速率的最顯著因子（圖6）。因此，在保障茶葉產量的前提下，應選擇易于被茶園吸收利用的氮肥；根據茶樹生長的特征優化茶園施肥位置、施肥時間和施肥量，提高茶樹的氮肥吸收利用率，減少氮損失；合理的田間水分管理，減低茶園土壤的硝化作用以及完善水肥耦合措施。

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Soil N2O Emission in Different Tea Gardens and Its Affecting Factors

FAN Lichao, ZOU Zhenhao, HAN Wenyan*

Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310008, China

In this study, we measured the in-N2O emission rate in different types of tea gardens including productivity (high, medium and low) and planting years (10?a, 45?a and 100?a) and their adjacent forest, and analyzed the relationships between N2O emission rate and soil properties including pH, organic carbon, total nitrogen, water-soluble organic carbon and nitrogen, microbial biomass carbon and nitrogen, ammonium nitrogen, and nitrate nitrogen. The results show that different types of tea gardens had significant effects on the changes of soil properties, and there were significant correlations between the soil properties. The average N2O emission rate (N emission equivalents) in tea gardens was 3.14?mg·m-2·h-1, and the highest was in 100?a tea garden with the value of 4.47?mg·m-2·h-1. The N2O emission rates in tea gardens were 3.1-7.2 times higher than that in forest. Mantel test shows that the N2O emission rate was significantly and positively correlated with water-soluble organic carbon, organic carbon, total nitrogen, and microbial biomass carbon and nitrogen (<0.05). Linear regression and structural equation models show that microbial biomass nitrogen (MBN) was the most significant factor affecting the N2O emission rate in the tested fields.

tea garden, soils,N2O, in-measurement, soil microbial biomass nitrogen

S571.1；S153

A

1000-369X(2021)02-193-10

2020-04-17

2020-05-06

國家重點研發計劃（2017YFE0107500）

范利超，男，博士研究生，主要從事土壤碳氮循環方面研究，flcxsy@126.com。*通信作者：hanwy@tricaas.com

(責任編輯：黃晨)