南方红壤丘陵区不同土地利用方式土壤N2O排放系数研究

王芝麟 邹彬 张涵 郭季璞 韩林蓉 王逗 李玲玲 秦红灵 郭家骅

摘要：【目的】明确不同土地利用方式土壤氧化亚氮（N2O）排放系数的差异并评估区域N2O排放，为评估南方红壤丘陵区N2O排放清单提供基础数据和参考依据。【方法】选择南方红壤丘陵区4种常见的土地利用方式（油茶林、旱地农田、稻田和松林），通过分析土壤不施肥与施氮肥时N2O排放速率和排放量的差异，计算排放系数，并用15N同位素标记方法探究硝化作用和反硝化作用对土壤排放N2O的相对贡献。【结果】不同土地利用方式土壤理化性质差异明显，稻田全氮含量最高（2.22 g/kg），显著高于其他3种土地利用方式土壤（P<0.05，下同）。土壤不施肥时，N2O排放速率在0～227.80 μg/（kg?h），施氮量为200 kg N/ha时，N2O排放速率在0～4213.27 μg/（kg?h）。4种土地利用方式的土壤N2O排放系数均随土壤孔隙含水量（WPFS）增加而增加，WPFS为75%时，稻田、旱地农田、油茶林和松林土壤N2O排放系数分别为2.47%、0.39%、2.31%和0.91%。4种土地利用方式土壤N2O排放系数主要受全氮含量影响，N2O累积排放量均与潜在反硝化潜势呈显著正相关，除稻田外，其他3种土地利用方式土壤N2O累积排放量也与潜在硝化势呈显著正相关，以NO3?-N为底物的反硝化作用对N2O排放的相对贡献平均大于90.00%，远高于硝化作用。【结论】南方红壤丘陵区土壤以NO3?-N为底物的反硝化作用主导N2O排放，施用氨基氮肥可能有效减少氮肥N2O排放损失，为国家执行碳中和政策提供理论依据。

关键词： 氧化亚氮（N2O）;排放系数;硝化和反硝化;土地利用方式;红壤

中图分类号： S154.1                           文献标志码： A 文章编号：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】氧化亚氮（N2O）是一种具有温室效应的气体（张玉铭等，2011），在大气中的存留时间能长达120年左右，并可直接参与某些大气中的光化学反应，使臭氧层遭到破坏。虽然大气中的N2O含量很低，但100年时间尺度N2O单分子增温潜势为二氧化碳的265倍[Intergovernmental Panelon Climate Change（IPCC），2014]，是继二氧化碳和甲烷之后的第三大温室气体。N2O排放系数是编制N2O排放清单的重要依据，硝化或反硝化过程对N2O排放的贡献率是利用模型估算区域N2O排放的重要参数（韦良焕等，2019）。不同土地利用方式导致土壤温度、湿度、有机碳及养分含量等土壤环境因子的改变，进而改变土壤N2O的排放，IPCC方法指南中特别强调各国在编制N2O排放清单时要尽可能采用当地的排放系数（石洪艾等，2013）。目前对农田生态系统土壤N2O排放系数的研究较多，然而在同一研究区域，同时选择当地普遍存在的各种土地利用类型开展N2O排放系数研究较少，急需加大对各区域不同土地利用方式N2O的排放系数研究，为国家执行碳中和政策提供数据支持。【前人研究进展】土壤N2O排放受多种因素的影响，如施肥、水分管理、土地利用方式等。我国南方N2O主要来源于农业生产，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响N2O排放系数的重要因素（郭树芳等，2014;颜芳等，2020）。肖杰等（2020）研究发现长期施氮土壤N2O排放强度显著增加;随着氮肥施用量的增加，N2O排放系数先减小后增大（王成等，2018）;此外，秸秆还田配施化肥或有机肥和化肥配施均显著增加N2O的排放（刘慧颖等，2013;Tao et al.，2018）。土壤水分状况主要通过影响氧气含量、氧化还原电位和土壤微生物的活性影响土壤N2O的排放（刘若萱等，2014）。通常认为低水分含量或好气条件硝化作用是土壤N2O排放的主要来源，高水分含量或厌气条件下反硝化作用主导N2O排放（Kool et al.，2011）;干湿交替过程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替产生N2O，硝化和反硝化协同作用促进N2O的产生与排放（Liu et al.，2012）。不同土地利用类型通过地上植被、根系分泌物和管理方式影响土壤N2O的排放（Dobbie and Smith，2010）。Merino等（2004）在欧洲温带研究发现农田和草地土壤N2O排放量分别是森林排放量的3倍和6倍;李平和郎漫（2013）在我国黑龙江暗沃冷凉淋溶土的研究也发现草地土壤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，氮的矿化过程越迅速，产生的N2O越多（Baggs et al.，2010）。【本研究切入点】以往对于土壤N2O排放的研究针对农田生态系统的较多，在同一研究区域，同时比较多种土地利用方式较少;针对排放量的研究较多，关于硝化与反硝化作用对N2O排放贡献的研究较少。【拟解决的关键问题】通过采集我国南方红壤丘陵区的4种典型土地利用方式土壤开展试验，分析施氮和水分管理对土壤的排放通量与排放速率的影响，并测定相应的排放系数及相关影响因子，利用15N同位素标记区分硝化与反硝化作用对N2O排放的相对贡献，为评估我国南方红壤丘陵区N2O排放清单提供基础数据和参考依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

采样地点为中国科学院桃源农业生态试验站（111°26′E，28°55′N），该地区海拔92.2～125.3 m，属于亚热带季风气候，气候温暖，四季分明，年平均气温16.7 ℃，年降水量1200～1900 mm，无霜期272 d，日照时数1520 h。该区域土壤类型为第四纪红色黏土发育的红壤，地势复杂，土地利用方式多样。试验选取2种农田（稻田和旱地农田）和2种人工经济林地（松林和油茶林）代表当地常见的4种土地利用方式。

1. 2 试验方法

土壤样品采自试验场内湿地松林、油茶林、稻田和旱地农田，多点采集，混合后风干备用。培养试验开始前，为了激活微生物活性，先将土壤样品在25%土壤孔隙含水量（WPFS）和25 ℃的黑暗条件下预处理2 d。随后在25 ℃下，将200 g预处理土壤样品置于1000 mL玻璃培养瓶中，进行为期4 d的培养试验。试验设置不施肥和施氮肥处理，其中氮肥以NH4NO3施入，15N分别标记15NH4+和15NO3-（15N丰度5%），施氮量为720 μg N/g干土，相当于200 kg N/ha（培养瓶内径9.4 cm，底面积69 cm2）;每处理分别添加纯净水，调节含水量为25%、50%、75%、100%和125% WPFS。

1. 3 15N2O采集和测定

在加入纯净水后2、12、24、36、48、60、72、84和96 h采集培养瓶上层空气，用气相色谱仪（Agilent 7890A，USA）测定N2O浓度。每次采样时用盖子密闭培养瓶1 h，采集密闭开始时和1 h后30 mL气体样品放于13 mL采气瓶内，利用2次气体浓度差计算排放速率（Qin et al.，2018，2020）。在加入纯净水后2、24、48和96 h，利用MAT253同位素比率质谱计（Thermo-FisherScience，Waltham，MA，USA）结合微量气体低温预浓缩设备（PreCon Thermo-Fisher Scientific）和一个多功能气体引入装置[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百分比含量来计算15N2O浓度（Qin et al.，2021）。15NH4NO3来源的15N2O被粗略地认为是由硝化作用产生，而NH415NO3来源的15N2O被粗略地认为是由反硝化作用产生。反硝化作用对N2O排放的相对贡献为NH415NO3来源的15N2O占15NH4NO3和NH415NO3来源的15N2O排放总量的比值（Qin et al.，2021）。

1. 4 土壤取样采集与分析

在水分处理0（未处理）、24、48和96 h时进行土壤采样约180 g，4 ℃保存用于后续理化分析。采用烘干法测定土壤含水量，土壤常规理化指标分析参考《土壤农业化学分析方法》（鲍士旦，2007）。用pH计法（水土之比为2.5∶1）测定土壤pH（FE-20，METTLER TOLEDO，China），重铬酸钾氧化—外加热法测定土壤有机质;土壤全氮采用H2SO4消解，流动注射分析仪测定（Flastar 5000 Analyzer）;土壤全磷和全钾采用NaOH消解，电感耦合等离子光谱分析仪（ICP-OES-5110）测定;土壤碱解氮采用碱解扩散法测定;土壤速效钾用1 mol/L NH4OAC消解，土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3消解，采用原子吸收光谱法测定其含量（TAS-990F）。

用1.0 mol/L KCl溶液浸出土壤悬浮液，过滤后用流动注射系统（FIAstar 5000，Foss Corporation，Hillerod，Denmark）分析土壤NO3?-N和NH4+-N含量。参考Qin等（2021）的方法，用0～96 h土壤中NH4+-N浓度的差异计算底物诱导的土壤潜在硝化速率（PNRs），而0～96 h土壤中NO3?-N浓度的差异计算底物诱导的土壤潜在反硝化速率（PDRs）。

1. 5 N2O累积排放量和排放系数

N2O气体累积排放量M（N2O）计算公式：M=Σ（FN+1+FN）×0.5×（tN+1-tN）×10-3（王旭燕等，2015），式中，M为培养96 h内气体累积排放量（mg/kg）;F为气体排放通量[μg/（kg?h）];N为采样次数;t为采样时间，即距初次采样的时间（h）。N2O排放系数（%）=（施氮处理N2O排放量?不施氮处理N2O排放量）/施氮量×100（山楠等，2016）。

1. 6 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0进行数据统计与作图，以Duncans多重比较法进行方差分析。

2 结果与分析

2. 1 土壤基本理化性质

由表1可知，4种土地利用方式土壤的基本理化性质差异明显。稻田土壤pH及有机质、碱解氮和全氮含量均显著高于其他3种土地利用方式土壤（P<0.05，下同），而旱地农田土壤速效钾、速效磷、全磷和全钾含量最高，显著高于其他3种土地利用方式土壤。2种人工林土壤有机质、碱解氮和全氮含量均显著低于稻田，但显著高于旱地农田，其中油茶林的有机质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显影响N2O排放（图1）。当WPFS<50%时，无论是否施加氮肥，N2O的排放速率均接近于0。当WPFS>50%时，不施肥土壤N2O的排放速率在前12 h迅速增加，之后24 h内逐渐降为最初状态，其中稻田、旱地农田、油茶林和松林土壤N2O的排放速率最高分别为1.48、227.80、110.09和44.68 μg/（kg?h）（图1-A、图1-C、图1-E和图1-G）。施氮土壤N2O的排放速率随着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先缓慢增加后逐渐降低至稳定状态，整体呈增加状态;其中稻田、旱地农田、油茶林和松林土壤N2O的排放速率最高分别为4213.27、397.72、1327.70和370.05 μg/（kg?h）（图1-B、图1-D、图1-F和图1-H）。施氮后，4种土地利用方式土壤N2O的排放速率均明显增加，其中变化最大的为稻田，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），增加约1890倍。

2. 3 N2O累积排放量与排放系数

土地利用方式、土壤水分含量和施肥均明显影响N2O累积排放量與排放系数（图2）。当WPFS<50%时，4种土地利用方式土壤N2O排放量累积96 h后几乎为0。当WPFS>50%时，不施肥土壤N2O 96 h累积排放量也近乎为0;而施氮后4种土壤N2O的累积排放量均明显增加，4种土地利用方式排序为稻田>油茶林>旱地农田>松林。当WPFS为125%时，稻田、旱地农田、油茶林和松林土壤N2O的累积排放量差异值达最大，累积排放量分别为362、30、91和22 mg/kg。4种土地利用方式土壤N2O排放系数均随WPFS的增加而增加，稻田和旱地农田土壤在75% WPFS出现拐点，油茶林和松林土壤在50% WPFS出现拐点。当WPFS为75%，接近田间实际水分状况时，稻田、旱地农田、油茶林和松林土壤N2O排放系数分别为2.47%、0.39%、2.31%和0.91%。

2. 4 硝化与反硝化作用对N2O排放的贡献

4种土地利用方式土壤N2O累积排放量均与潜在反硝化潜势呈显著正相关，除稻田外，其他3种土地利用方式土壤N2O累积排放量也与潜在硝化势呈显著正相关，但N2O累积排放量与潜在硝化势相关性水平小于潜在反硝化潜势（图3）。4种土地利用方式下，反硝化作用和硝化作用产生的土壤15N2O累积排放量均随着WPFS的增加而增加，且反硝化作用产生的15N2O明显高于硝化作用，当WPFS<50%时，硝化反应产生的15N2O累积排放量几乎可以忽略不计（图4）。油茶林和松林随WPFS增加，反硝化作用对N2O排放相对贡献增加;稻田和旱地农田不受含水量的影响，反硝化作用一直主导N2O排放，当WPFS为125%时，油茶林、松林、稻田和旱地农田反硝化作用相对贡献分别为92.14%、93.43%、91.01%和93.53%（图5）。

2. 5 土壤N2O排放系数与理化性质的关系

逐步回归拟合分析剔除对N2O排放影响不显著（P>0.05）的因子，发现4种土地利用方式土壤的N2O排放系数主要受土壤全氮和全磷的影响，逐步回归方程为：Y=-10.48+8.918TN+2.11TP，R2=98.5%，其中Y表示土壤中N2O排放系数，TN表示全氮，TP表示全磷，全氮的解释度为96.8%，全磷的解释度为1.7%。

3 讨论

不同土地利用方式土壤的基本理化性质不同，导致土壤中氮含量存在明显差异。土壤中氮含量会影响土壤中的碳氮比，使微生物的活性存在差异，进而影响N2O的排放量（林杉等，2008）。本研究中，稻田土壤的全氮含量最高，与4种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结论相符。当不施肥时，土壤中氮含量偏低造成有机质分解缓慢、微生物活性较弱，不利于N2O产生。施加氮肥后，土壤中氮含量较高，在进行大量的硝化反应和反硝化反应后将N2O排放到大气中。本研究结果表明，土壤中氮含量与N2O的排放具有很强的相关性，与项虹艳等（2007）研究氮肥施用对紫色土—玉米根系系统N2O排放影响得出的结果类似，即土壤中N2O的排放量随氮肥的施加而显著增加。在研究的4种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。经分析，除了氮含量的因素影响外，还有可能是因为农田耕作降低了区域土壤容重，使土壤贯穿阻力变小（Alvarez and Steinbach，2009）。土壤的孔隙度和含氧量增加，气体从土壤中扩散速率得以提升，从而单位时间内增加了土壤N2O的排放量（Du et al.，2010）。

本研究发现土壤中N2O的排放主要由微生物的反硝化作用产生，相比NO3?-N，NH4+-N生成的N2O排放量和排放系数相对较少。土壤中的氮素是微生物进行硝化和反硝化作用的基本物质（Meyer et al.，2008;Lin et al.，2010）。NO3?-N一方面为进行硝化反应的微生物提供基础营养物质，促进硝化速率;另一方面抑制和延迟N2O还原为氮气的过程，最终有利于N2O的产生和排放（Passianoto et al.，2003）。NH4+-N在土壤中需先进行水解和硝化反应为反硝化反应提供营养底物，才能进行反硝化反应（Mulvaney et al.，1997;梁东丽等，2007）。因此对于NH4+-N而言，N2O的生成速率和逸出时间均滞后于NO3?-N。

此外，WPFS的变化也有可能使土壤中N2O累积排放量存在明显差异。通过改变WPFS使土壤中的含水量和氧气含量发生改变，进而改变土壤的通透性和微生物的生命活性（Prado et al.，2006）。当WPFS较低时，微生物的硝化反应和反硝化反应均不明显。随着WPFS增加，土壤逐渐处于水淹缺氧状态，此时微生物以反硝化作用为主，同时进行少量的硝化反应（Ruser et al.，2006;Sanchez-Martin et al.，2010），极大增加N2O的排放。本研究也证实，选取的4种不同利用方式，土壤水分含量越高，N2O的排放速率和排放量越大。

4 结论

南方红壤丘陵区N2O的排放系数排序为稻田>油茶林>旱地农田>松林，土壤全氮含量是影响N2O排放系数的关键因子。与以NH4+-N为底物的硝化作用相比，以NO3?-N为底物的反硝化作用主导N2O排放。因此，南方红壤丘陵区施用氨基氮肥可能很大程度控制N2O排放系数在较低范围，减少氮肥N2O排放损失，为国家执行碳中和政策提供理论依据。

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（責任编辑 罗 丽）

收稿日期：2021-02-03

基金项目：国家自然科学基金面上项目（41771335）;湖南省自然科学基金面上项目（2020JJ4654）

通讯作者：秦红灵（1978-），https：//orcid.org/0000-0002-2385-2965，副研究员，主要从事土壤微生物生态研究工作，E-mail：huniu @isa.ac.cn

第一作者：王芝麟（1980-），https：//orcid.org/0000-0001-6294-4750，高级工程师，主要从事污染物生态风险评价与环境影响评价研究工作， E-mail：13319281761@126.com