茶園氧化亞氮排放機制及減排措施研究進展

張珂彬，王 毅，劉新亮①，康 曼，沈健林，李 勇

(1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南長沙 410125;2.中國科學(xué)院長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站，湖南長沙 410125;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128)

由人為因素導(dǎo)致的溫室氣體排放是引起全球氣候變化的一個主要原因［1］。氧化亞氮(N2O)是繼二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)之后又一具有重要影響的溫室氣體，其百年尺度上單位質(zhì)量增溫潛勢是CO2的265倍［2］。此外，N2O嚴重損耗平流層臭氧層，并促進光化學(xué)煙霧現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究顯示21世紀臭氧層的破壞與其緊密相關(guān)［3］。近幾十年以來，由于人為活動影響，大氣中N2O濃度一直呈上升趨勢［4］，自1970年代以來，大氣中N2O濃度年增長速率約為(1.43±0.06)μg·m-3，截至 2011年，大氣中 N2O 濃度已達 636.82 μg·m-3［2］。在眾多 N2O排放源中，農(nóng)田土壤由于大量施用氮肥，被認為是N2O排放的最主要來源，占N2O人為排放源的59.4%［2］，農(nóng)田土壤有巨大的N2O減排潛勢。近年來隨著人們對全球氣候變化的廣泛關(guān)注，尤其是大氣中溫室氣體濃度升高所引起的全球變暖現(xiàn)象，如何有效緩解N2O等溫室氣體的人為排放已成為當前的研究熱點。精確估算農(nóng)田土壤的N2O排放通量、闡明土壤中N2O的產(chǎn)生機制以及如何有效減少N2O排放的研究就顯得尤為重要。

茶是世界上3種主要飲品(咖啡、茶、可可)之一，茶園主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)［5］。中國是世界上最大的茶葉生產(chǎn)國，隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，市場對于茶葉的需求也不斷增加，由此導(dǎo)致茶園面積不斷增大。2017年中國茶葉種植面積為2.85×106hm2，占世界種植總面積的54.6%，年產(chǎn)量達 2.46×106t，占世界總產(chǎn)量的 40.5%［6-7］。2013年中國茶園N2O排放量約為40.90 Gg，占全球茶園N2O 排放量的 85.0%［8］。TOKUDA 等［9］研究表明呈酸性的茶園土壤較中性土壤能夠產(chǎn)生更多的N2O，是大氣中N2O的重要來源。茶園土壤中N2O的排放系數(shù)(1.43%～3.44%)顯著高于其他土地利用方式的土壤(0.15%～1.81%)，如小麥、蔬菜、水稻等［10-12］。此外，中國茶園N2O平均排放水平(以N 計，下同)為16.60 kg·hm-2·a-1，高于世界平均水平(13.60 kg·hm-2·a-1)［8］。由于茶園 N2O 排放系數(shù)高且中國茶園種植面積大，研究茶園N2O的有效減排措施具有十分重要的意義。

茶園土壤N2O排放受到管理措施的影響，明確各種農(nóng)作措施對茶園中N2O排放的影響及其作用機制，對于減少N2O排放、緩解全球變暖具有十分重要的意義。當前，對于茶園土壤N2O減排研究主要集中在中國和日本，研究方向主要集中在氮肥施用量、氮肥種類、氮肥施用方式、施用硝化抑制劑、添加堿性材料、添加生物質(zhì)炭等措施對茶園N2O排放的影響等方面。但這些措施對緩解茶園N2O排放的效果尚無定論，因此有必要對當前茶園土壤N2O排放的研究工作進行系統(tǒng)回顧，篩選出對茶園土壤N2O切實有效的關(guān)鍵減排技術(shù)，以期為后續(xù)深入研究和茶園優(yōu)化管理提供參考。

1 茶園N2O產(chǎn)生途徑及排放影響因素

1.1 茶園N2O產(chǎn)生途徑

研究表明，土壤中的硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)、化學(xué)反硝化反應(yīng)、耦合硝化反硝化反應(yīng)、硝化細菌反硝化反應(yīng)及硝態(tài)氮異化還原成銨反應(yīng)均能夠產(chǎn)生N2O(圖1)，但茶園土壤中排放的N2O主要是通過硝化(主要指自養(yǎng)硝化)和反硝化(主要指異養(yǎng)反硝化)過程產(chǎn)生［13-15］。

硝化反應(yīng)是指微生物將銨(NH4+)、氨(NH3)等還原態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸根(NO2-)或硝酸根(NO3-)等氧化態(tài)氮的過程，硝化反應(yīng)又可分為自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)硝化2種類型。自養(yǎng)硝化過程產(chǎn)生的N2O來源于硝化過程中間產(chǎn)物NH2OH，NH2OH氧化過程中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物［NOH］會通過化學(xué)分解或酶促反應(yīng)產(chǎn)生N2O［16-19］。異養(yǎng)硝化作用主要有2種生物途徑，第1種異養(yǎng)硝化菌持有的氨單加氧酶(ammonia monooxygenase，AMO)和羥胺氧化還原酶(hydroxylamine oxidoreducatase，HAO)與自養(yǎng)硝化微生物極其相似，第2種氨氧化過程的異養(yǎng)途徑由真菌完成［20-22］。

廣義上反硝化反應(yīng)指生物反硝化，即在反硝化微生物作用下，將NO3-還原為 NO、N2O和 N2的過程。生物反硝化同樣包括自養(yǎng)和異養(yǎng)途徑，但目前對于土壤中自養(yǎng)反硝化的研究關(guān)注較少，異養(yǎng)反硝化可分為細菌反硝化、真菌反硝化和古菌反硝化［13］。在以往很長一段時間內(nèi)，生物反硝化一直被認為僅由反硝化細菌作用完成，但HUANG等［23］研究表明茶園中真菌反硝化在反硝化作用中占據(jù)十分重要的地位。

圖1 土壤中N2O產(chǎn)生途徑及相關(guān)的酶Fig.1 Pathways of soil N2O production and corresponding enzymes

化學(xué)反硝化是指NO2-化學(xué)分解或與其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過程，主要產(chǎn)物為 N2O、NOX和 N2［24］。在pH值＜5.5時，NO2-的化學(xué)分解會產(chǎn)生 N2O［25］。此外，在酸性條件下NO2-還可與還原態(tài)金屬離子(Fe2+、Cu2+等)、NH2OH及某些有機物質(zhì)(如酚類化合物、腐殖質(zhì)等)反應(yīng)生成N2O［25-27］。在堿性條件下，NO2-能夠短暫積累，在酸性或弱酸性土壤中則更容易被迅速分解，只有在低pH時化學(xué)反硝化才被視為N2O的一個產(chǎn)生源加以考慮，不過該過程產(chǎn)生的N2O量遠小于硝化和反硝化過程產(chǎn)生的N2O量，對土壤 N2O 排放的貢獻量很?。?3，24］。

耦合硝化反硝化作用是將硝化和反硝化反應(yīng)聯(lián)系在一起的過程，NO3-的生成能夠為反硝化作用提供底物，從而間接導(dǎo)致N2O的生成［22］。硝化細菌反硝化是由于環(huán)境中O2含量不足或NO2-濃度過高，NO2-取代O2成為電子受體，導(dǎo)致AOB發(fā)生反硝化作用，在還原反應(yīng)過程中生成N2O［28-29］。

硝態(tài)氮異化還原成銨作用(dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA)是一類以 NH4+為主要產(chǎn)物的硝態(tài)氮異化還原過程，但DNRA過程除了生成NH4+外，還常伴有NO2-的短暫積累和N2O的排放，DNRA多發(fā)現(xiàn)于有機碳含量較高的草地、森林等自然土壤，關(guān)于農(nóng)田土壤的 DNRA研究則較少［13，30］。

研究表明，硝化反應(yīng)及反硝化反應(yīng)中產(chǎn)生的N2O占生物圈釋放到大氣中N2O總量的70.0%～90.0%［26，31］，盡管茶園土壤 N2O 產(chǎn)生機制較為復(fù)雜，但硝化和反硝化作用仍是N2O產(chǎn)生的主要過程。CHEN等［32］用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型WNMM模擬茶園土壤N2O排放過程時發(fā)現(xiàn)，反硝化過程的N2O排放量占茶園N2O排放總量的75.0%。

1.2 茶園N2O排放的影響因素

不同地區(qū)茶園土壤N2O排放因環(huán)境因素不同而產(chǎn)生差異［31］。影響土壤N2O產(chǎn)生及排放的主要影響因素包括氣候因子、土壤條件和茶園管理措施。氣候因子(溫度、降雨等)能夠通過改變土壤硝化和反硝化微生物活性來影響土壤N2O排放量。茶園N2O日排放通量與空氣溫度和5 d累計降雨量存在明顯相關(guān)性［33］，例如暴雨過后茶園土壤N2O排放量迅速升高［31，34］。

土壤pH、含水量、質(zhì)地、溫度和底物等土壤條件均能夠影響土壤N2O排放。多數(shù)研究認為土壤pH是影響土壤硝化反硝化作用的關(guān)鍵限制性因子，其通過直接或間接作用影響硝化和反硝化微生物活性及不同反應(yīng)階段催化酶活性來影響N2O排放［35-36］。低pH環(huán)境中氧化亞氮還原酶(nitrous oxide reductase，NOS)活性高度敏感，較低的pH會降低NOS活性［37］，從而影響N2O還原為 N2的過程，使得土壤中積累大量的N2O，進而導(dǎo)致土壤N2O大量排放。土壤含水量能夠通過影響土壤通氣性、氧化還原電位、土壤有效氮(NH4+、NO3-)分布及其對微生物的有效性等，對土壤硝化反硝化過程以及N2O排放產(chǎn)生影響［38-40］。土壤因質(zhì)地不同導(dǎo)致通透性和水分狀況表現(xiàn)出很大差異，不同質(zhì)地土壤的氧化還原電位也不同，從而導(dǎo)致其硝化反硝化過程存在差異，進而引起N2O排放差異［41-42］。土壤溫度直接影響土壤微生物活性，從而影響土壤N2O產(chǎn)生與排放過程［11，31，34］。土壤底物包括土壤有機質(zhì)、NH4+-N和NO3--N，有機質(zhì)是土壤中異養(yǎng)微生物的碳源和能量來源，能夠通過影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量來影響N2O的產(chǎn)生與排放，NH4+-N和NO3--N作為硝化作用和反硝化作用的底物，其在土壤中的濃度直接影響土壤N2O排放量。

茶園翻耕、除草、采摘等管理措施同樣能夠通過影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量來影響N2O的產(chǎn)生與排放，氮肥施用、硝化抑制劑施用及添加堿性材料等茶園日常管理措施的不同都會導(dǎo)致土壤N2O產(chǎn)生與排放的差異。

1.3 模型模擬茶園N2O排放過程

田間N2O原位監(jiān)測對于研究不同農(nóng)作措施對茶園N2O排放的影響十分重要，因為其能直接獲得不同措施下茶園N2O排放的第一手資料，但是這種研究方式在數(shù)據(jù)獲取和整理過程中需要投入大量的人力和財力，已不能適應(yīng)當前社會高效發(fā)展的要求，因此亟需尋求其他能夠快速得出研究結(jié)果并能夠用于實際生產(chǎn)的研究新思路。模型方法能夠精細模擬碳素和氮素在大氣-土壤-作物系統(tǒng)中的循環(huán)過程，在尋求農(nóng)業(yè)最佳管理措施時能夠提供很大的幫助，有利于理解不同反應(yīng)過程間的相互作用，找出當前措施的缺漏處，完善試驗設(shè)計［43］。

目前農(nóng)業(yè)研究中已經(jīng)開發(fā)出多個用于評估土壤N2O排放的模型，并且已被用于政策研究工作［44］。這些模型既有基于經(jīng)驗的簡單模型，也有基于過程用于模擬整個系統(tǒng)中不同反應(yīng)的復(fù)雜模型，如 Expert-N［45］、DNDC［46］、NLOSS［47］、DAYCENT［48］、FASSET［49］、WNMM［50］。目前，模型模擬研究集中于不同農(nóng)作措施對農(nóng)田N2O排放的影響［43］，而茶園 N2O排放模擬研究較少。KWACK等［51］應(yīng)用 DNDC模型模擬了日本典型茶園土壤N2O排放，模擬結(jié)果表明在施肥和降雨后N2O排放達到峰值，且模擬的N2O年累積排放量(21 kg·hm-2·a-1)與實測結(jié)果(25 kg·hm-2·a-1)接近，說明DNDC模型能夠較好地模擬茶園N2O產(chǎn)生過程。CHEN等［32］運用WNMM模型模擬了中國亞熱帶典型茶園土壤N2O排放過程，模擬結(jié)果擬合了52.0%的N2O排放時間變化，表明WNMM同樣能夠較好地模擬茶園N2O排放過程，WNMM也較好地模擬了茶園土壤溫度、土壤水分、氮素的動態(tài)變化。

2 茶園N2O減排措施

2.1 施肥措施對茶園N2O排放的影響

施入大量氮肥是茶園土壤N2O排放量較高的重要原因［9，14］，茶園氮肥施用量(以 N 計，下同)一般為 450～1 200 kg·hm-2·a-1［31，52］，在某些地區(qū)甚至高達 2 600 kg·hm-2·a-1［11］。此外，氮肥種類和施用方式都會對肥料中氮素在茶園生態(tài)系統(tǒng)中的流向產(chǎn)生巨大影響。

由表1可知，氮肥施用量顯著影響茶園土壤N2O排放量［11］。針對茶園酸性土壤的實驗室培養(yǎng)試驗顯示，氮肥施用量顯著影響土壤N2O排放，N2O排放量隨著氮肥施用量的增加而升高，60 d內(nèi)3個氮肥施用量梯度下(300、600、900 kg· hm-2·a-1)土壤N2O累計排放量分別為 6.1、6.9、7.7 mg·kg-1［53］。不施氮肥條件下，中國2個茶園土壤N2O排放量分別為7.1 kg·hm-2·a-1(2010年新開墾茶園，試驗于當年進行)［33］和 4.0 kg·hm-2·a-1(2008年開墾茶園，試驗始于2012年，此前茶園每年施用化肥)［52］，當茶園中氮肥施用量為450 kg·hm-2·a-1時，N2O排放量分別增至17.2和17.8 kg·hm-2·a-1［33，52］。某日本茶園氮肥施用量為 510 kg·hm-2·a-1，2個不同年份 N2O排放量分別為10.6 和 14.8 kg·hm-2·a-1［31］。對日本靜岡市某茶園為期2 a不同氮肥管理措施下N2O排放總量的比較研究顯示，傳統(tǒng)氮肥施用模式(1 200 kg·hm-2·a-1)下 N2O 排放通量為(25.22±2.43)kg·hm-2·a-1，但政府建議施肥措施(600 kg·hm-2·a-1)下N2O排放通量僅為(0.60±0.07)kg·hm-2·a-1［9］。

不同種類氮肥的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)存在差異，將其施入土壤后，土壤微生物硝化與反硝化過程也有一定差異［14］，從而引起N2O的排放差異(表1)。

茶樹能夠同時吸收銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-)，但茶樹對銨態(tài)氮的吸收代謝速率明顯高于硝態(tài)氮，在供應(yīng)銨態(tài)氮肥的情況下茶樹生長狀況更佳［54-55］。HUANG 等［56］對茶園 N2O 排放的研究結(jié)果表明，與銨態(tài)氮肥相比，硝態(tài)氮肥的施用會使茶園土壤排放更多的N2O。施用硝酸鉀的茶園土壤N2O排放量最高，其次是硝酸銨、尿素和硫酸銨，雖然這3種氮肥也會使茶園土壤N2O排放量有所升高，但顯著低于硝酸鉀處理［22］。HOU 等［34］研究表明，傳統(tǒng)施肥(硫酸銨+雞糞)茶園土壤N2O低于單施化肥處理(硫酸銨)，但2種處理N2O排放量差異不顯著。

秸稈經(jīng)常作為有機物料返田以改善土壤狀況，F(xiàn)U等［33］發(fā)現(xiàn)茶園土壤施肥時采用秸稈覆蓋能夠輕微降低茶園N2O排放，主要原因可能在于秸稈覆蓋可降低土壤溫度并阻止土壤水分蒸發(fā)，從而引起土壤中微生物量升高，這有助于反硝化作用反應(yīng)更徹底，減少中間產(chǎn)物N2O的產(chǎn)生，進而使得茶園N2O排放量減少。但YAO等［52］研究表明，與施用尿素相比，在茶園中施加有機肥(菜籽餅)明顯增加了土壤N2O排放(71.0%)，其原因可能是有機肥施用促進了土壤中異養(yǎng)微生物繁殖，使得土壤中厭氧位點大量提升，從而導(dǎo)致反硝化過程產(chǎn)生的N2O量增加。DENGM等［57］對茶園N2O的觀測結(jié)果同樣表明，茶園施用有機肥(菜籽餅+雞糞)比施用化肥(硫包衣尿素)釋放更多的N2O。雖然目前廣泛認為有機肥部分替代化肥或施用有機肥會影響茶園土壤N2O排放，但對于其影響結(jié)果目前尚未形成一致結(jié)論。

表1 氮肥施用對茶園N2O排放的影響Table 1 Effect of nitrogen application on N2O emission from tea plantation

與其他作物農(nóng)田相比，茶園中的氮肥利用率明顯偏低。在中國，茶園中氮肥利用率僅有30.0%左右［58］。因此茶園中氮肥利用率有著較高的提升空間，較高的氮肥利用率不僅能夠提升茶葉產(chǎn)量，還能夠減少N2O排放引起的環(huán)境污染。目前常用的氮肥品種多系速溶型，容易引起氮素損失，與常規(guī)氮肥相比，控釋氮肥氮素釋放速率更低，因此不失為一種緩解茶園土壤N2O排放的改良措施。已有大量研究探討了在玉米、小麥及水稻等大田作物中施用控釋氮肥對N2O排放的影響，但對于茶園中施用控釋肥的研究較少［59］。AKIYAMA 等［60］研究表明，與傳統(tǒng)施肥相比，施用控釋氮肥能夠明顯降低土壤中N2O排放，但與排水較好的土壤相比，控釋氮肥施用在排水性較差的土壤中對N2O減排效果更好。WUY等［59］對湖南茶園的研究結(jié)果顯示，控釋氮肥對于N2O的減排效果與施用量有顯著關(guān)系，與傳統(tǒng)施肥模式菜籽餅+尿素〔(105+345)kg·hm-2·a-1(以N計)〕相比，施用菜籽餅+控釋氮肥〔(105+120)kg·hm-2·a-1(以 N 計)〕能夠顯著降低茶園N2O(降低26.7%)，但如果控釋氮肥處理施氮總量與常規(guī)施肥相同，施用控釋氮肥反而會增加茶園N2O排放。與施用有機肥(雞糞+菜籽餅)相比，施用控釋氮肥茶園N2O排放總量僅為施用有機肥的51.1%［57］?？蒯尩誓軌蚪档娃r(nóng)田 N2O排放，主要在于控釋氮肥能夠降低氮素的釋放速率，從而更好地滿足植物生長需求，減少微生物硝化反硝化作用能夠利用的氮素量，進而減少土壤N2O排放。但當控釋氮肥施用量較高時，土壤速效氮含量較大，可能會限制茶樹的氮素吸收能力，導(dǎo)致土壤N2O 排放量升高［59］。

相關(guān)研究表明，與表面撒施銨態(tài)氮肥相比，氮肥深施能夠減少土壤N2O排放［61］。硫酸銨深施處理的N2O排放量比表面施用方式減少29.4%［62］。LI等［8］研究表明，尿素深施(20 cm)能夠顯著減少茶園土壤中N2O排放(降低19.3%)，是茶園N2O減排的有效措施。

2.2 施用硝化抑制劑對茶園N2O排放的影響

硝化抑制劑又稱氮肥增效劑，是一類通過抑制銨氧化細菌和銨氧化古菌相關(guān)活性來延緩NH4+-N氧化為NO3--N的化合物。理論上，硝化抑制劑能夠降低土壤中的硝化速率，延緩?fù)寥乐蠳H4+-N硝化強度及降低NO3--N 積累［4］，使土壤中反硝化作用所需底物NO3--N含量維持在較低水平，從而減少茶園N2O排放量。土壤保持高NH4+-N和低NO3--N含量的狀態(tài)，對于茶樹來說無疑是十分利好的，因為茶樹是喜銨植物，維持土壤中高NH4+-N環(huán)境能明顯提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高氮肥利用效率，同時還能夠降低茶園因NO3--N淋溶引起的水體污染。因此從理論上講，茶園施肥管理中應(yīng)用硝化抑制劑是一種減緩茶園N2O排放的有效措施。硝化抑制劑從來源上可分為人工合成硝化抑制劑、生物硝化抑制劑和次生硝化抑制劑。

2.2.1 人工合成硝化抑制劑

目前研究表明，各種人工合成硝化抑制劑均能顯著影響土壤硝化過程，降低土壤N2O排放。室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，3，4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)、雙氰胺(DCD)能夠明顯抑制茶園土壤硝化反應(yīng)，與土壤中只施用硫酸銨相比，配施DMPP或DCD能夠顯著降低土壤 N2O排放(分別降低 70.0%和55.0%)［56］。另一室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，與 DCD相比，2-氯-6-三氯甲基吡啶(Nitrapyrin)能更有效抑制茶園土壤硝化作用，Nitrapyrin是一種對茶園土壤更高效的硝化抑制劑，DCD對茶園土壤的硝化抑制作用隨培養(yǎng)時間延長逐漸降低，并且對于不同地域的茶園土壤，DCD表現(xiàn)出不同的硝化抑制效果［63］。而配施DCD的茶園田間試驗結(jié)果與室內(nèi)培養(yǎng)試驗大相徑庭，HIRONO等［4］為期2 a的茶園試驗(氮肥施用量為544 kg·hm-2·a-1)表明，配施DCD并沒有顯著降低茶園N2O排放，盡管DCD處理N2O排放量第1年低于對照組，但第2年DCD處理反而比對照處理排放更多的N2O，施用DCD能否有效降低茶園N2O排放與DCD施用時間及當?shù)貧夂驐l件(降水、溫度)密切相關(guān)。

2.2.2 天然生物硝化抑制劑

人工合成的各種化學(xué)硝化抑制劑能夠明顯降低農(nóng)田土壤 N2O 排放［64］，減少土壤氮素流失［65］，但由于其在不同農(nóng)業(yè)氣候和土壤環(huán)境中性能不穩(wěn)定［66］以及價格昂貴難以在實際生產(chǎn)中應(yīng)用等因素，化學(xué)硝化抑制劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣受到限制［67-68］。近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些植物根系分泌物可抑制土壤硝化反應(yīng)?？茖W(xué)家用生物硝化抑制劑(biological nitrification inhibitor，BNI)來描述某類特殊植物根系分泌的對土壤硝化微生物具有特定抑制能力的化合物或者具有這種能力的植物。在熱帶草原上，非洲濕生臂形牧草和筋骨草顯示出較強的生物硝化抑制能力［69-70］。在谷類作物中，高粱顯示出顯著的生物硝化抑制作用［71-72］，已有研究表明菜地間種高粱能夠減少18.1%的土壤N2O排放，同時可提高蔬菜產(chǎn)量［73］。此外，還有一些其他植物表現(xiàn)出生物硝化抑制作用［64-65］。與目前普遍研究的化學(xué)硝化抑制劑相比，生物硝化抑制劑具有很多優(yōu)點:首先，生物硝化抑制劑沒有毒性，不會污染土壤及對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用;其次，只要植物能夠正常存活，則能夠產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的硝化抑制作用;但其最大的優(yōu)點在于成本較低，容易從自然界獲得，經(jīng)濟效益高，便于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用推廣。因此，使用生物硝化抑制劑應(yīng)被視為一種潛在的茶園N2O減排措施。

2.2.3 次生硝化抑制劑氮肥——石灰氮

石灰氮是一種由氰氨化鈣(CaCN2)、氧化鈣(CaO)及其他不溶性雜質(zhì)組成的堿性肥料，除了增強土壤肥效外，石灰氮還具有除草殺菌的功效。土壤中施入石灰氮后，CaCN2會水解為氨腈(H2CN2)和氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕;隨后，氨腈會反應(yīng)生成尿素和DCD［74］。DCD是一種硝化抑制劑，因此茶園中施用石灰氮必然會影響茶園土壤N2O排放(表 2)。

表2 施用石灰氮的茶園N2O排放量Table 2 N2O emission from tea plantation with lime nitrogen application

OH等［75］研究表明，茶園中氮肥(硫酸銨)減量的同時混入石灰氮不僅沒有降低茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量，反而降低了茶園土壤中氮素以N2O形式的損失，緩解了茶園土壤的酸化狀況。YAMAMOTO等［74］通過田間試驗分析認為，常規(guī)施肥(有機肥+化肥)和施用石灰氮茶園土壤N2O排放存在顯著差異，施用石灰氮顯著減少了茶園N2O排放(降低36.0%)，這是因為石灰氮分解過程會影響土壤硝化反硝化作用，在反硝化過程是N2O產(chǎn)生主要途徑的土壤中，石灰氮對N2O的減排效果會更好。HIRONO等［4］對茶園N2O為期2 a的監(jiān)測結(jié)果也顯示，與傳統(tǒng)施肥(硫酸銨+尿素)相比，施用石灰氮處理可明顯降低茶園N2O排放，其N2O排放量僅為傳統(tǒng)施肥方式的51.0%。因此，在茶園施入石灰氮是一種既能夠保證茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量，又能高效利用氮肥的環(huán)境友好型施肥策略。

2.3 添加堿性材料對茶園N2O排放的影響

低pH被視為土壤高N2O排放的一個重要原因［37］。TOKUDA 等［76］研究表明，在茶園施 N 量超過1 000 kg·hm-2·a-1時，N2O排放量與土壤pH之間存在明顯的負指數(shù)相關(guān)性。硝化反應(yīng)能夠在低pH環(huán)境下進行，HAYATSU［77］研究表明茶園土壤硝化反應(yīng)可以進行的pH值最低限為2.9左右，并且已從茶園土壤中分離出嗜酸性氨氧化細菌。此外，茶園長期施用大量氮肥可能會對耐受低pH環(huán)境的反硝化微生物起到選擇作用［78］，使茶園土壤中能夠耐受酸性環(huán)境的反硝化微生物豐度不斷提高。這些現(xiàn)象表明酸性土壤中硝化和反硝化過程仍然比較劇烈，不難解釋為何與其他土地利用方式相比，酸性茶園土壤能夠產(chǎn)生較多的N2O。但SITAULA等［79］研究結(jié)果顯示，pH值為4的林地土壤N2O排放量高于pH值為3和5.5的林地土壤，表明土壤的過度酸化也會抑制土壤N2O排放，土壤N2O排放會在最適pH條件下達最高。

農(nóng)田日常管理加入堿性物質(zhì)用以改善土壤酸化狀況是一項常見的措施［53］，添加堿性物質(zhì)會影響土壤中有機物質(zhì)礦化、氮素轉(zhuǎn)移、硝化及反硝化等過程［80-81］。酸性土壤中添加堿性物質(zhì)能夠加快碳素和氮素的礦化過程，促進土壤硝化和反硝化作用，從而提高土壤N2O排放量［82-83］。但是，也有其他研究者發(fā)現(xiàn)酸性土壤中加入堿性物質(zhì)能夠減少土壤N2O排放［84-85］。目前，對于酸性土壤中添加堿性物質(zhì)能否減少土壤N2O排放尚無一致結(jié)論。

已有研究表明酸性土壤中添加堿性材料引起的pH升高能夠減少土壤N2O排放［86］。針對茶園土壤的室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，土壤中添加白云石能夠顯著降低土壤N2O排放，可能主要是因為土壤中添加白云石后會引起土壤 pH升高［53］。TOKUDA等［9］研究不同施肥措施條件下茶園土壤N2O排放時發(fā)現(xiàn)，不施白云石處理的土壤N2O排放量為(3.08±2.16)kg·hm-2·a-1，施用白云石處理的N2O 排放量卻僅為(0.60±0.007)kg·hm-2·a-1，說明施肥時一定量的堿性材料能夠有效減少N2O排放，但施入2倍量白云石處理的N2O排放量高達(3.54±0.08)kg·hm-2·a-1，表明施肥時要注意加入堿性材料的用量，否則可能會導(dǎo)致茶園土壤N2O的過高排放。另有研究表明，土壤中添加白云石之所以能夠降低土壤N2O排放，原因可能在于添加白云石后土壤pH上升導(dǎo)致NOS酶活性提高［86］。TOKUDA等［9］提出，適宜的土壤酸化狀況有利于土壤N2O排放。因此對于茶園土壤中添加堿性材料是否能夠減少N2O排放尚無一致結(jié)論。

2.4 添加生物質(zhì)炭對茶園N2O排放的影響

近年來隨著生物質(zhì)炭固碳技術(shù)的興起，科學(xué)家對施肥過程添加生物質(zhì)炭對土壤N2O排放的影響產(chǎn)生了極大興趣。土壤中添加生物質(zhì)炭能夠通過影響微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量而影響到土壤中碳素和氮素的循環(huán)過程［87］，進而影響土壤 N2O排放量。添加生物質(zhì)碳可能通過以下方式影響土壤N2O排放:(1)改變土壤性質(zhì)以及關(guān)鍵電子受體(O2、NO3-)和電子供體(NH4+、溶解性有機質(zhì))的有效性及其分布;(2)生物質(zhì)炭被氧化后與土壤中礦物質(zhì)間的相互作用降低N2O還原為N2的酶促反應(yīng);(3)影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、生物酶活性及其控制的相關(guān)反應(yīng)過程(氮素礦化過程、硝化作用和反硝化作用)［88］。不同生物質(zhì)炭對土壤性質(zhì)的影響也不盡相同，因為生物質(zhì)來源及熱解條件不同，生物質(zhì)炭性質(zhì)也會有所差異。有研究者認為土壤中添加生物質(zhì)炭可提升土壤pH，通過提高NOS酶活性起到減少N2O排放量的效果［89］。茶園土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，與對照組相比，不同類型的生物質(zhì)炭(竹子生物質(zhì)炭、稻殼生物質(zhì)炭和鋸末生物質(zhì)炭)均能夠顯著降低土壤N2O排放;土壤在不同氮肥施用量情況下(300、600、900 kg·hm-2·a-1)，添加竹子生物質(zhì)炭均可顯著降低土壤N2O排放;3種不同類型生物質(zhì)炭對土壤N2O減排效果不同，竹子生物質(zhì)炭表現(xiàn)出的減排潛力最大。土壤中添加生物質(zhì)炭可能會使土壤pH升高、土壤通氣狀況改善、土壤C/N比升高以及土壤中NO3--N 含 量 降 低［53］。AMELOOT等［90］研究也表明，添加生物質(zhì)炭對土壤性質(zhì)的這些改變及其所引起的土壤微生物代謝活動變化能夠減少土壤N2O排放量。

為了便于茶葉采摘，茶園在日常管理時會對茶樹進行階段性修剪，一般情況下修剪枝葉被直接丟棄在茶園中。OO等［91］的室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，與修剪枝葉被丟棄到土壤表面或土壤中相比，將修剪枝葉經(jīng)過碳化轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭添加到土壤中能夠顯著降低茶園土壤N2O排放。但是，LI等［8］的茶園原位監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)顯示，施氮肥(450 kg·hm-2·a-1)時添加秸稈生物質(zhì)炭(10和40 t·hm-2)并未顯示出N2O減排能力，與常規(guī)施肥相比，N2O排放量還有些許上升。關(guān)于茶園施肥過程中應(yīng)用生物質(zhì)炭對茶園N2O的減排效果還需進一步研究。

2.5 其他農(nóng)作措施對茶園N2O排放的影響

HE等［92］提出在種植作物時間種豆科植物的生態(tài)工程能夠提高氮肥利用效率，減少土壤中用于硝化和反硝化作用的氮素底物濃度，因此施肥時間種豆科植物可能會降低土壤N2O排放。LI等［8］通過茶園施肥時間種豆科植物三葉草的試驗指出，與常規(guī)施肥〔尿素，450 kg·hm-2·a-1(以 N計)〕相比，茶園施肥后種植三葉草能夠減少9.5%的N2O排放。

XU等［93］研究了由紅薯淀粉廢水和稻草秸稈發(fā)酵生產(chǎn)的生物肥施用對茶園土壤N2O排放的影響，結(jié)果表明，利用生物肥部分替代常規(guī)化肥不僅能夠顯著提高茶葉產(chǎn)量，還顯著降低了茶園土壤N2O排放和化肥施用量。其影響機制可能有以下3個方面:(1)生物肥中的綠色木霉能夠促進茶樹生長，土壤中的無機氮更快被茶樹吸收，從而降低了硝化和硝化作用所需的底物濃度;(2)高C/N比的生物氮肥使得土壤中更多的無機氮被固定;(3)生物肥施用導(dǎo)致土壤pH及O2濃度升高，使得反硝化過程能夠進行得更加徹底，形成N2而非N2O。

3 研究展望

隨著中國茶園面積的不斷擴大，多種農(nóng)作措施配合的集成技術(shù)將是未來茶園管理的主要方向。明確影響茶園土壤N2O排放的因素及影響機制，探尋經(jīng)濟可行的茶園土壤N2O減排農(nóng)作措施，對于緩解全球溫室效應(yīng)具有積極作用?；趯Σ鑸@土壤N2O排放研究工作的綜述，未來茶園N2O減排研究應(yīng)重點集中在以下幾個方面:

(1)進一步加強茶園N2O產(chǎn)生、排放途徑及其影響因素的研究。明確茶園N2O產(chǎn)生、排放途徑及影響因素，對于提出有效合理的茶園N2O減排措施十分重要。目前，已有許多研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗探尋茶園土壤N2O的產(chǎn)生來源，但自然條件下茶園N2O產(chǎn)生及排放過程受到諸多因素的綜合影響，還需進一步加強田間試驗的研究工作。

(2)針對世界主要茶葉種植國家(中國和日本)的數(shù)個茶園典型土壤，設(shè)置多種面向茶園N2O減排方向的茶園管理措施情景(包括施肥制度、硝化抑制劑應(yīng)用及生物質(zhì)添加等)，在氣候條件(包括當前氣候以及 IPCC預(yù)測的未來氣候 RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 6.0、RCP 8.5，不同頻率的極端干旱、洪澇和極端低溫等)情景驅(qū)動下，應(yīng)用已校驗的成熟模型開展大量情景模擬，分析不同情景下茶園N2O排放結(jié)果，挑選最優(yōu)減排措施。

(3)優(yōu)化、改進、擴充模型的N2O模擬模塊，如更精準模擬N2O在農(nóng)田土壤中的產(chǎn)生、擴散、排放的生物、化學(xué)和物理等過程;擴展真菌硝化-反硝化及其N2O貢獻的模擬。

(4)構(gòu)建評估茶園N2O減排情景的綜合指標系統(tǒng)及評價方法。在當今全球可持續(xù)發(fā)展的大背景下，如果在研究工作中只專注于不同農(nóng)作措施對茶園N2O排放的影響，而忽略經(jīng)濟效益、生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分利用率以及直接和間接的環(huán)境污染，提出的茶園N2O減排措施就很難應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。因此，有必要構(gòu)建一種綜合考慮各指標、能夠指導(dǎo)實際生產(chǎn)的綜合指標系統(tǒng)和評價方法。

4 結(jié)論

在當前中國茶產(chǎn)業(yè)市場快速發(fā)展及全球氣候變暖的背景下，筆者系統(tǒng)綜述了不同農(nóng)作措施對茶園土壤N2O排放的影響。主要結(jié)論如下:

(1)茶園土壤N2O排放量隨茶園氮肥施用量增加而提高，茶園中施用硝態(tài)氮肥比施用銨態(tài)氮肥會釋放更多的N2O，茶園中氮肥利用率僅有30.0%左右，氮肥利用率有較大的提升空間，應(yīng)大力推廣施用緩控釋氮肥等氮素釋放速率較慢的氮肥，氮肥深施也能夠明顯降低茶園N2O排放。

(2)各種化學(xué)硝化抑制劑雖然能夠明顯降低茶園N2O排放，但由于其成本較高難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，經(jīng)濟可行的生物硝化抑制劑對茶園N2O排放的影響尚需進一步的研究。

(3)次生硝化抑制劑氮肥(石灰氮)由于其硝化抑制特性可顯著降低茶園土壤N2O排放，應(yīng)在茶園施肥管理中推廣應(yīng)用。然而，在施肥過程中添加堿性材料對于茶園土壤N2O減排的效果目前尚無一致性結(jié)論。

(4)添加生物質(zhì)炭對茶園N2O排放的影響研究多集中于室內(nèi)培養(yǎng)試驗，自然條件下的田間試驗較少，且已有田間試驗結(jié)果表明其并未顯示出明顯的N2O減排作用，因此關(guān)于添加生物質(zhì)炭對于茶園土壤N2O的減排效果尚需進一步研究。

(5)對于有機肥及與化肥配施以緩解茶園土壤N2O排放也需繼續(xù)研究，茶園間種豆科植物以及施用生物肥料對茶園N2O排放影響的研究工作還較少，對于其有效性還需進一步探討。此外，茶園N2O排放研究中的應(yīng)用模型方法也比較少，應(yīng)大力加強這一方面的工作。