城市草坪土壤N2O排放及其影響因素研究進展

邢肖毅，張亞麗，楊賢均，李曉紅，倪 緋

(邵陽學院城鄉建設學院，湖南邵陽 422000)

近幾十年全球城市化進程不斷加快，城市綠地面積隨之快速增加。草坪是城市綠地最主要的組成部分，在吸收CO、過濾有害物質、降低噪音、吸滯粉塵、增加空氣濕度等方面具有重要作用。隨著生態文明理念的提出，城市生態環境越來越被人們所關注，可預測未來草坪的面積還會進一步增加。城市草坪往往經歷頻繁的氮肥施用和灌溉，為NO排放創造了良好的條件。NO是一種重要的溫室氣體，其百年增溫潛勢是CO的296倍。目前對NO排放的研究主要集中于農田及自然生態系統，較少關注城鎮用地。然而，隨著草坪面積的不斷增加，其對NO的貢獻逐漸受到了研究者的關注。

對城市草坪土壤NO排放進行研究，不僅有助于積累城市溫室氣體排放的數據，以準確評估NO排放通量，也有助于促進草坪的健康良性發展，為城市生態環境保護提供參考。該研究對草坪土壤NO的排放量、排放途徑、微生物驅動機制、影響因素以及草坪NO減排措施等進行綜述，以期為評估城市化的生態環境效益提供科學依據。

1 草坪土壤N2O排放量

草坪位于城市區域內，化石燃料的燃燒以及交通運輸導致城市大氣氮沉降較為嚴重，提高了土壤氮素含量；另外為彌補運動和娛樂等活動對草坪的損害，人們往往對草坪進行頻繁的施肥和灌溉；并且草坪草往往具有密集豐富的根系，可以通過根系分泌物產生較多的有效碳；加之城市普遍存在熱島效應，土壤溫度略高，這些因素均為NO排放創造了良好的條件。

研究表明，草坪土壤具有較高的NO排放潛力，特別是人為管理程度高的草坪，其NO排放速率與農田土壤或自然生態系統土壤相近，甚至更高。例如，美國科羅拉多州早熟禾(L.)草坪NO的平均排放速率為2.4 kg(N)/(hm·a)，而結縷草(Steud.)草坪則高達2.7 kg(N)/(hm·a)，均不低于甚至高于周邊農業土壤。Groffman等分析了4個城市草坪土壤和8個林地土壤，結果表明NO排放速率均介于0.5～3.0 kg(N)/(hm·a)，無顯著差異。并且，農田土壤NO排放量隨作物生長季的不同而出現很大變異，而草坪土壤NO排放速率在一年之中始終處于較高的水平。但是也有研究發現，草坪土壤NO速率較低。例如Wang等對比分析了城市草坪、城郊草坪以及農田(菜地和稻田)土壤NO的排放量，發現草坪土壤NO排放速率、反硝化潛勢均低于農田土壤。甚至有研究者發現，草坪土壤往往具有較高的有機質累積能力，特別是經歷農業用地歷史的草坪，因而對氮素的固定能力較強，有很大潛力成為NO的匯。但該現象僅為短期現象，隨著碳氮含量的不斷累積，最終會產生強烈的礦化作用，最終促進NO的排放。另外，不同地區草坪土壤NO排放差異較大，究其原因在于草坪管理水平不同導致土壤水分及氮素含量差異較大以及各研究區域的氣候條件不同，并且，不同研究者NO排放監測時間不同，有可能導致采樣時錯過高峰期，從而低估了NO的排放量。

總體而言，多數研究認為草坪具有較高的NO排放潛力，考慮到未來草坪的分布面積仍會進一步增加，有必要對其NO排放規律進行深入的研究，以采取相應措施進行干預，減少其對溫室效應的貢獻。

2 草坪土壤N2O的產生途徑

土壤微生物介導的硝化和反硝化作用是生物圈NO的最重要來源。硝化作用是指硝化微生物在好氧條件下將NH-N轉化成NO-N，繼而轉化為NO-N的過程。反硝化作用是指反硝化微生物在兼氣或者低氧環境下，逐步將NO-N、NO-N還原成NO、NO及N的過程。反硝化作用往往被認為是NO的主要來源，而硝化作用盡管在某些特殊條件下成為NO的主要貢獻者，但此時NO絕對排放量較低，因此對NO排放的貢獻較低。目前對于草坪土壤，直接區分不同途徑對于NO貢獻的研究較少，但是可根據各研究所得的NO排放規律對其可能的途徑進行推測。很多研究發現，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進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進尿素的水解，有利于發生硝化作用，又可以導致土壤中氧氣含量減少，有利于反硝化作用的進行。但由于硝化作用產生的NO一般較少，因此可推測，灌溉或降水后大量的NO主要來自反硝化作用。而施肥后期，NO排放速率逐漸降低，被認為是土壤中高效的氮循環過程，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，有研究發現，施肥時添加硝化抑制劑或脲酶抑制劑并沒有顯著降低NO排放。從而間接證明了硝化作用并非NO排放的主要貢獻者。綜上所述，盡管在某些條件下，硝化作用是草坪土壤NO的主要貢獻者，但當有大量NO排放時，反硝化作用的貢獻往往更為重要。

3 草坪N2O排放的微生物機制

硝化作用主要由硝化微生物調控，用于表征硝化微生物的功能基因主要為基因，因其所處微生物類別的不同，分為細菌(AOB)和古菌(AOA)。一般而言，土壤養分含量較高的土壤中，AOB豐度較高，對硝化作用的貢獻較大。研究發現，氮素含量較高的草坪土壤中，AOB的組成以和為主，與其他陸地生態系統基本一致，另外，其在不同年齡的草坪中的差異較小，但硝化勢變異較大。由此可推測，AOB的組成并不是硝化勢的決定性因素，其豐度、功能活性是否發生變化，以及如何影響硝化作用及NO排放有待于進一步研究。而養分含量較低的草坪土壤中AOA的豐度高于AOB，可能對NO排放的貢獻更為重要?？傮w而言，硝化作用對草坪土壤NO排放的貢獻較小，對于草坪土壤硝化微生物的研究也比較少，AOA和AOB在不同草坪土壤中的分布特征及二者對于硝化作用和NO排放的貢獻如何，還需進一步探索。

反硝化作用主要由反硝化微生物調控，多數研究以和基因表征NO生成微生物，以I和II基因表征NO還原微生物。目前對于草坪土壤反硝化微生物的研究更為系統，研究者先后以最大或然計數法、分離培養和功能基因鑒定、變性梯度凝膠電泳以及定量PCR等方法研究了不同草坪土壤反硝化微生物的群落特征。草坪土壤反硝化細菌數量、多樣性與農田及其他自然生態系統相當，甚至更高。例如，Wang等利用純培養發現美國剪股穎(Huds.)草坪和百慕大[(L.)]草坪土壤反硝化細菌在總細菌中的占比為17%左右，與農田土壤相近，且反硝化細菌的主要類群為和，均為反硝化細菌的常見類群。Dell等通過凝膠梯度電泳技術分析發現，與毗鄰的林地相比，草坪土壤和I的多樣性更高，另外，其組成隨草坪年齡變化略有變化。定量PCR表明，草坪土壤、、I豐度及+(I)均較高，可能意味著草坪土壤具有較強的反硝化作用，且NO占反硝化氣態產物的比例更高。同時，2012年新發現的II基因在草坪土壤中同樣具有較高的豐度，由于II與NO還原能力密切相關，因此其對草坪土壤NO排放的影響值得關注。除反硝化細菌外，有研究表明反硝化真菌對干旱土壤反硝化作用也有重要貢獻，但草坪土壤往往經歷頻繁的灌溉過程，土壤水分含量較高，因此其對NO產生的貢獻可能較小。

盡管目前對于草坪土壤中硝化及反硝化微生物的分布已經進行了一些研究，但相較于其他生態系統，仍較為缺乏，并且上述研究并沒有深刻分析硝化、反硝化微生物與NO排放的關系，未揭示調控反硝化作用的關鍵微生物類群。目前，高通量測序等技術為土壤微生物群落結構的研究提供了新的方法。一定時間跨度范圍內，草坪土壤NO排放和功能微生物動態變化的研究，有利于揭示草坪土壤NO排放的微生物機制，對于調控草坪土壤NO排放具有重要意義。

4 草坪土壤N2O排放的影響因素

草坪土壤中NO的排放受多種因素的影響，目前已得到了較為深入的研究。系統總結其影響因素，有助于草坪土壤NO減排措施的制定。

化學氮肥的大量施用是導致土壤NO排放增加的主要原因。氮肥添加會顯著提高土壤中NH-N和NO-N的含量，為土壤硝化和反硝化作用提供充足的底物。同時，NO-N會與NO競爭電子，不利于其進一步還原為N，從而增加NO排放風險。由于草坪刈割會導致氮素的流失，因此很多草坪需要持續施用氮肥，從而增加NO排放。氮肥對NO排放的影響主要包含氮肥用量和氮肥類型兩個方面。

尿素是草坪最常用的氮肥類型，尿素施用后，NO出現排放高峰期，其短期最高排放速率可達到背景值的數百倍。就年均排放速率而言，施肥量越高，NO的排放速率越高。例如，當尿素用量分別為98和200 kg(N)/(hm·a)時，與不施用氮肥相比，NO排放速率分別增加了38%和127%～476%。施用其他形態的氮肥，例如氮磷鉀復合肥、硝態氮肥、銨態氮肥，同樣會促進NO的排放。施肥對NO的影響程度受施肥后土壤水分含量和溫度的影響，干旱寒冷的冬季施肥后，并未見NO的明顯排放，而多雨的夏季，施肥后NO出現明顯的排放峰。

氮肥類型同樣影響NO的排放。當分別施用100 kg(N)/(hm·a)的硫酸銨、硝酸鈣、尿素時，以及250 kg(N)/(hm·a)的硫酸銨和尿素時，NO排放速率無顯著差異。但也有研究者得出了不同的結果，Maggiotto等發現，當施用量為50 kg(N)/(hm·a)時，硝酸銨處理的NO排放速率高于尿素。尿素與其他速效氮肥相比，需要水解，方可轉換為有效態氮，因此供氮即時性較低。當施肥時或施肥后土壤水分含量較高時，尿素水解迅速，可能導致尿素處理與其他速效氮肥處理NO排放相當，而若土壤水分條件不利于尿素水解，則短期內尿素處理的NO排放較少。草坪施用的氮肥主要是速效氮肥，施用后短期內，NO排放速率大幅上升，因此有學者積極嘗試以緩釋氮肥替代傳統化肥，例如聚合物包膜尿素，以降低草坪土壤的NO排放。一般而言，與普通尿素相比，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%，降低程度受土壤性質，例如土壤質地的影響。這主要是因為聚合物包膜尿素由于膜材的物理保護，氮肥溶出速率較低，即便土壤水分含量較高時，也不會出現明顯的NO排放峰。然而由于緩釋氮肥具備持續提供NO-N的能力，因此若后期不再施肥時，相對于普通尿素，其NO排放能力可能更高。有研究發現，在兩年的試驗周期內，聚合物包膜尿素處理NO累積排放量甚至高于普通尿素。但是由于草坪管理過程中，施肥活動頻繁發生，因此選用緩釋氮肥對于緩解NO排放具有重要意義，但緩釋氮肥的施肥量、施肥時間、施肥頻率等對NO排放的影響仍需進一步研究。

土壤濕度對NO排放的影響是多方面的，其一，影響水分供應和有機物的降解，繼而影響草坪微生物的生長；其二，影響黏土礦物對NO的吸附能力，較低的水分含量會導致NO被土壤基質中的黏土礦物所吸附，有利于NO進一步轉化為N；其三，影響土壤中O的含量，繼而影響土壤硝化和反硝化作用的強度，從而影響NO的排放。硝化作用多在好氧條件下發生，當土壤水分含量在30%～60% WFPS時，硝化作用是NO的主要貢獻者，當水分含量增加至70%～90% WFPS以上時，反硝化作用成為NO的主要來源。由于反硝化作用產生的NO排放量高于硝化作用，因此在一定的范圍內，水分條件含量往往與NO的排放正相關。當水分含量高于90% WFPS甚至淹水時，由于NO的進一步還原，排放量下降。但有研究發現，淹水條件下，NO氣體可通過草坪植物的傳輸作用釋放到大氣中，因此NO排放仍較為可觀。雖然在某些排水良好的草坪土壤中，降雨后土壤O含量沒有發生顯著的變化，但由于O由大孔隙向小孔隙流動，形成了反硝化微區，NO的排放速率依然顯著升高。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等發現，同樣的施肥條件下，當土壤水分含量低于35% WFPS，并未出現明顯的NO排放，而當水分含量為83% WFPS時，NO出現明顯的排放峰。因此，施肥和灌溉的有效控制，例如精確滴灌施肥技術，有助于降低NO的排放。

土壤溫度不僅影響微生物的生長，大多數反硝化微生物適宜的生存溫度在25～35 ℃，還會影響酶的活性和土壤有機質的降解過程，從而影響微生物的底物和能量供給，最終影響NO排放。在一定的溫度范圍(11～30 ℃)，NO排放與溫度線性相關，甚至有研究發現，當土壤濕度和底物充足時，溫度與NO排放指數相關。當土壤水分達到75% WFPS、溫度達到30 ℃時，施入草坪中的氮肥甚至有90%以上通過反硝化作用損失，然而當溫度高于30 ℃時，反硝化作用導致的NO損失不再隨溫度升高而增加。因此，在田間試驗中，一般而言，夏季草坪土壤NO排放更高，而冬季較低。例如梅雪英在上海草坪的研究發現，夏季草坪土壤NO日通量最大，而冬季最小，某些類型草坪，例如結縷草草坪，甚至在冬季出現負排放現象。然而值得注意的時，春季土壤消融時，NO也會出現較高的排放。另外，近幾十年來，全球氣候變暖，冬季氣溫上升，冬季NO的排放明顯上升。

植物對土壤中NO排放的影響較為復雜。一方面，植物與土壤微生物存在養分的競爭，植物根系吸收養分導致土壤中NO-N含量降低，從而抑制反硝化作用和NO的排放，另外，植物的光合作用也會明顯抑制NO的排放。另一方面，有研究者認為，植物的氣孔等組織能加速NO從土壤中向外擴散，從而增加NO的排放。例如有研究發現，和裸土相比，草坪土NO的排放量較高。草種類型同樣影響NO的排放，不同草種根系分泌物不同，導致底物的有效性不同。另外不同草坪由于用途不同，人為干擾程度不同，導致土壤中O的含量不同，也會影響NO的排放。梅雪英研究發現，麥冬()草坪NO日通量高于結縷草(Steud)草坪，可能是因為結縷草草坪為耐踐踏開放式草坪，土壤O含量較低，雖然有利于反硝化作用，但NO被進一步還原為N。Gillette等同樣發現，不同類型施肥處理下，黑麥草草坪的NO始終高于早熟禾，前者是后者的1.5～5.1倍。因此，草坪建立過程中，滿足各功能需求的前提下，可選擇NO排放能力較低的草種。

草坪的建立年限同樣影響NO排放。草坪建立之初，特別是當農田等有機質條件較差的土地轉變為草坪之初，微生物對有機質和氮素的固持能力較低，當外源施氮量較高時，易造成較高的氮素損失。草坪建立的前20～30年，土壤微生物量和活性逐漸達到較高的穩定水平，此時有機質固持能力增加，有機質及有機氮含量逐漸增加，甚至由于氮素的固持，草坪會成為外源氮的匯。而年限更久之后，土壤有機質含量豐富，而前期累積的大量有機氮發生較強的礦化作用，導致無機氮含量升高，此時任何外源氮施用都可能造成氮素的損失。例如，Chen等研究發現，同樣施肥處理條件下，建立20年左右的草坪氮素的損失量低于建立時間更短(1和15年)和更久的草坪(109年)。草坪建立年限對NO排放的影響主要是通過有機質含量的變化而實現的，一般認為，有機質含量越高，NO的排放越高，但這種相關性并非絕對，而是受土壤微生物對碳氮相對需求量的影響。因此，草坪的施氮量應考慮植物和微生物的氮素需求，對于建立年限較長的草坪，可適當減少氮肥的投入，以發揮土壤本身的供氮能力。Zhang等利用模型研究發現，早熟禾草坪在建立20～30年后，草坪由NO的匯變成了弱源，此時若將氮肥施用量由150 kg(N)/(hm·a)逐漸降低為50 kg(N)/(hm·a)，50年內，可減少40%的NO排放。

另外，土壤質地、刈割高度等因素也會通過影響其他因素繼而影響NO的排放。例如。土壤質地的不同往往導致同種灌溉條件下，土壤持水量不同，而刈割高度則會影響土壤溫度、水分含量以及植物生物量。

5 城市草坪N2O減排措施

草坪土壤NO受多種因素的影響，并且各因素之間相互作用，因此草坪土壤NO減排措施的制定，應綜合考慮土壤、植物、氣候等各種因素。綜上而言，草坪土壤NO減排可采取以下措施：

(1)選擇合適的肥料類型，確定合理的施肥量。草坪因建立年限不同，土壤有機質含量和微生物生活狀態不同，對氮素的需求量不同，動態探究植物生長狀態與氮素需求量的關系，確定合理的氮肥用量，可有效降低NO的排放。例如，對于東北地區黑麥草草坪，施氮量為250 kg/(hm·a)較為合適，較高時則可能增加NO排放風險。而對于建立年限較長的草坪可減少氮肥施用，以發揮土壤自身供氮能力，降低NO排放。另外，肥料可選擇養分釋放速率較慢的類型，如有機肥、緩/控釋肥料。

(2)加強水分管理，特別是肥水配合。根據不同草坪草類型、生長階段對養分和水分的不同需求，確定精確的施肥量和灌溉量，采用合理的施用方式，例如精確滴灌施肥，可有效減少NO排放，該方法在農田土壤中已取得了較好的研究效果。

(3)接種II型微生物，發揮土壤NO還原潛能。含II基因的非典型反硝化微生物中約有50%缺少基因，不會產生NO，而可還原NO，從而使土壤成為NO匯。通過接種含II基因的微生物，可降低土壤NO排放，例如接種土壤后，NO排放量可降低約190%。

6 展望

未來伴隨著城市化的進一步發展和人們對美好生態環境的需求，城市草坪的分布面積會進一步增加，其對溫室效應的貢獻不容忽視?？傮w而言，目前對于草坪土壤NO排放的相關研究還比較少，且研究深度不夠，還有很多問題需要解決。

目前草坪土壤的研究以美國開展較多，而其他地區還少有研究，且涉及的草坪類型較少。為準確評估城市化對溫室效應的影響，不同地域、不同草坪類型的長期研究尚需進一步開展。施肥、灌溉程度高的草坪是NO的重要排放源，對其應加強研究，建立包含肥料類型、施肥時間、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，服務于草坪管理。關于草坪土壤NO排放的微生物調控機制的研究較為缺乏。對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類群的變化規律，以及影響NO排放的關鍵微生物類群還需進一步探索。