中亚热带丘陵区茶园和林地土壤春季N2O排放及其影响因素

何志龙，周　维，田亚男，Muhammad Shaaban，林　杉

（华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉430070）



中亚热带丘陵区茶园和林地土壤春季N2O排放及其影响因素

何志龙，周维，田亚男，Muhammad Shaaban，林杉*

（华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉430070）

摘要：中亚热带地区春季降雨频繁，茶园施肥量大，该季节茶园土壤氧化亚氮（N2O）排放量较高，研究春季茶园土壤N2O排放及其影响因子有一定意义。以中亚热带丘陵区土壤为对象，采用静态箱-气相色谱法，研究了两种植茶年限茶园和林地土壤春季N2O排放特征及其影响因子。结果表明：茶园N2O排放量明显高于林地，50年茶园N2O排放量明显高于20年茶园，林地N2O的排放量最少；50年茶园、20年茶园和林地土壤春季N2O累积排放量分别为2.07、1.39、0.22 kg·hm-2。两种植茶年限茶园土壤N2O排放通量均与土壤NO-3-N含量呈显著正相关（P＜0.05），林地土壤N2O排放通量则与土壤NH+4-N含量呈极显著正相关关系（P＜0.01）；茶园和林地土壤N2O排放通量均与5 d累积降雨量之间存在显著的相关性。多元逐步回归分析显示，茶园土壤N2O排放通量受土壤温度和NO-3-N含量影响，共同解释其48%～49%的变化；林地土壤N2O排放通量受土壤温度和NH+4-N含量影响，共同解释其55%的变化。这项研究显示施肥对春季茶园N2O排放的促进作用与降雨有关。

关键词：茶园；氧化亚氮排放；矿质态氮；温度；降雨量

何志龙，周维，田亚男，等.中亚热带丘陵区茶园和林地土壤春季N2O排放及其影响因素［J］.农业环境科学学报，2016，35（6）：1210-1217.

HE Zhi-1ong，ZHOU Wei，TIAN Ya-nan，et a1. Nitrous oxide emission and its imPact factors in tea garden and wood1and soi1s in subtroPica1 hi11y region of China during sPring season［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）：1210-1217.

氧化亚氮（N2O）是除二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）以外的第三大温室气体，由于其增温潜势大、大气滞留时间长、破坏臭氧能力强等特点而备受关注［1］。尽管N2O相对于CO2来说浓度低、增长率小，但其百年增温潜势是CO2的296倍，是CH4的13倍［2］。目前大气中N2O浓度持续上升，已经达到了325.1 nL·L-1，比工业革命前增加了20%［3］。土壤微生物硝化反硝化作用的释放是大气中的N2O主要来源之一，而在自然状况下由于受土壤中氮素的限制，N2O排放量有限。人类的活动导致土壤氮素水平增加，土壤N2O排放量大幅增加，据估计，大气中70%的N2O来自土壤，农田土壤更是全球N2O最主要的排放源［4］。

茶树主要分布在亚热带丘陵地区，属于多年生常绿植物，是我国重要的经济作物。春季是茶树生长和采摘最重要的季节，茶农为提高茶叶年产量和品质，一般在春季大量施肥，加上春季降雨量大和气温较高，造成春季茶园土壤N2O排放较高。受施肥管理措施和茶树生长等因素的影响，不同植茶年限茶园土壤性质一般不同［5］，因而不同植茶年限茶园N2O排放及影响因子存在差异。当地茶园达到一定植茶年限后就会改种树木，香樟树和马尾松是当地广泛改种的两种树。因此，本文以湖北咸宁红壤丘陵区土壤为对象，研究春季期间50年茶园、20年茶园和樟树-马尾松混交林林地土壤N2O排放特征，并探讨影响茶园和林地土壤N2O排放的重要环境因子，为编制园林地土壤N2O排放清单提供可靠数据，以期为制定减少茶园氮素损失和N2O排放的有效措施提供科学指导。

图1　采样期间降水量变化Figure 1 Dynamics of PreciPitation during exPerimenta1 Period

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验地位于湖北省咸宁市（29°02＇～30°18＇N，133° 31＇～144°58＇E）贺胜桥镇。该地属于中亚热带丘陵区，年平均降水量1 577.4 mm。本实验分别选取当地植茶年限为45～55年、20～25年和茶园附近的樟树-马尾松混交林林地（W）作为研究样地，2种植茶年限的样地分别记为50年（50 a）和20年（20 a）。

观察期从2013年2月初开始至5月底结束，共102 d。按当地习惯，每次施肥时开5～10 cm深沟将肥料施入后覆土。茶园分别于3月7日施尿素，4月2日施尿素+鸡粪，5月4日施尿素，施氮量分别为100、150、50 kg N·hm-2。林地为樟树-马尾松混交林，地面长有杂草，树龄10～15年，林地不施肥。降雨量的资料从咸宁红壤综合试验站内的气象站获得，观测期采样点降雨量的季节性变化如图1。5月份的降雨量较大，占整个观察期间降雨量的41%。

1.2样品采集

1.2.1气体的采集

采气用静态箱法，气体采样箱为圆形不锈钢圆筒，高25 cm，直径20 cm。采样箱箱盖上有两个孔分别固定有玻璃管，其中一根连接一密封气袋置于箱内，用来调节采样箱内的压强，另一根连接一带有三通阀的橡胶管用来采集气体。在50年茶园、20年茶园和林地中各安放3个采样箱，按相同方法重复采样三次。采样前，去除土壤表层凋落物，将采样箱垂直插入土壤表面以下5 cm并将箱周围压实，以防漏气。茶园采样箱置于茶树行间，林地采样箱置于树木之间，相互间隔2～3 m，每隔5～8 d采样一次。用注射器先抽取采样箱上空大气气样作为空白对照，隔20 min抽取箱内气体，将抽取的气体转移到真空玻璃瓶中。在采集气体样品的同时测定采样点土壤表层5 cm处的地温。采样时间设定在上午09：00—11：00之间。

1.2.2土样的采集

每次气体采样时采集0～20 cm土层土样，去除杂质混均后带回实验室。每种土取3个平行，置于烘箱中烘至恒重，测定土壤含水量，其余土壤鲜样于4℃保存，用于测定土壤铵态氮和硝态氮等指标。实验开始前对土壤PH、容重和全氮含量等指标进行了测定。土壤基本理化性质如表1。

1.3数据计算与统计

N2O的排放通量和累积排放量按照My1es等［6］提出的方法计算。

土壤含水量以土壤孔隙含水量（WFPS）表示，计算方法如下：

WFPS=（土壤重量含水量×土壤容重）/土壤总孔隙度×100%

式中：土壤总孔隙度=1-土壤容重/2.65。

所有实验结果均以3次重复的平均值±标准误表示。实验数据用Exce1软件进行处理，用SPSS16.0软件进行相关分析，采用Pearson方法分析环境因子与N2O排放通量之间的相关性，显著性水平P=0.05，逐步回归分析影响N2O排放的主要环境因子。采用O-rigin8.0软件绘图。

2　结果与分析

2.1茶园和林地土壤的性质

茶园和林地土壤的性质有一定的差异（表1）。茶园土壤PH值低于林地，土壤的全碳含量在50年茶园中最高（24.20 g·kg-1），林地中最低（19.79 g·kg-1）。在观测期间，5 cm土壤温度的变化趋势基本一致，三块实验样地土壤孔隙含水量（WFPS）无显著差异（图2），其变化主要受降雨影响。两种植茶年限茶园土壤矿质氮（NO-3-N和NH+4-N）含量主要受施肥影响，3月7日、4月2日和5月4日施肥后NO-3-N和NH+4-N含量均显著提高（图2）；而林地土壤矿质氮含量的变化无明显的规律性，在整个观测期处于较低水平。

表1　供试样地0～20 cm土层土壤基本理化性质Tab1e 1 Basic Physica1-chemica1 ProPerties of surface（0～20 cm）soi1s

2.2土壤氧化亚氮排放

茶园N2O排放通量随时间有较大的变化（图3）。受施肥的影响，茶园在3月7日和5月4日两次施肥后N2O排放量逐渐增高，于5月9日观测到排放峰值。这是由于5月份温度较高，5月9日前出现了强降雨，施肥后降雨的激发效应所致。4月份茶园土壤N2O排放较高，因为茶园于4月初施有机肥，土壤矿质氮含量维持在较高水平，硝化、反硝化作用有充足的反应底物。春季林地土壤N2O排放变化不明显，在温度和降雨量较低的2月份观测到吸收值，而在温度和降雨量较高的5月份有一定的排放。

春季茶园和林地土壤N2O累积排放量差异较大（图4）。本研究中，50年、20年茶园和林地土壤春季N2O累积排放量分别为2.07、1.39 kg N2O-N·hm-2和0.22 kg N2O-N·hm-2，两种茶园土壤N2O累积排放量均显著高于林地。不同植茶年限的茶园之间N2O累积排放量也存在显著差异，50年茶园土壤N2O排放显著高于20年茶园。

2.3影响土壤N2O排放的主要土壤因子

采用SPASS16.0软件分析N2O排放与各种环境因子之间的相关性（表2）。温度对茶园和林地土壤N2O排放均有影响，50年茶园和林地土壤的N2O排放通量与5 cm土壤温度呈显著正相关（P＜0.05），20年茶园N2O排放通量与5 cm土壤温度虽呈正相关，但相关性不显著（P=0.068）。土壤NH+4-N含量和含水量（WFPS）对林地土壤N2O排放均有显著影响，二者之间呈显著的正相关关系（P＜0.05），相关系数分别为0.686和0.595；土壤NO-3-N对两种茶园土壤N2O排放均有显著影响（P＜0.05），50年和20年茶园的相关系数分别为0.633和0.635。

图2　观察期间茶园和林地土壤环境因子变化Figure 2 Changes of soi1 environmenta1 factors in tea garden and wood1and during exPerimenta1 Period

土壤N2O产生和排放的机制较复杂，N2O排放受不同的环境因子互相影响，为消除各影响因子间的相互作用，利用逐步回归方法对5 cm土壤温度、NH+4-N、NO-3-N、土壤孔隙含水量等因子对N2O通量的影响进行分析，方程为：

图3　观察期间茶园和林地土壤氧化亚氮排放通量变化Figure 3 Changes of N2O f1uxes in tea garden and wood1and during exPerimenta1 Period

图4　茶园和林地春季氧化亚氮累积排放量Figure 4 Cumu1ative emissions of nitrous oxide in tea garden and wood1and in sPring

表2　茶园和林地氧化亚氮排放与环境因子的相关性Tab1e 2 Corre1ation between N2O emissions and environmenta1 factors in tea garden and wood1and

y=ax1+bx2+cx3+dx4+e

式中：y为N2O通量；x1为5cm土壤温度，℃；x2为NH+4-N含量，mg·kg-1；x3为NO-3-N含量，mg·kg-1；x4为土壤孔隙含水量（WFPS），%。

逐步回归拟合剔除对N2O影响不显著的因子（表3）。结果表明，5 cm土壤温度和NO-3-N含量是影响茶园土壤N2O通量的主要因子；而对于林地，5 cm土壤温度和NH+4-N是主要因子。可见5 cm土壤温度是两种利用方式下土壤N2O排放的共同影响因子。

从回归方程决定系数（R2）来看，茶园5 cm土壤温度和NO-3-N含量能说明N2O排放通量的48%～49%；林地5 cm土壤温度和NH+4-N含量能说明N2O排放通量的55%。

表3　N2O排放通量与5 cm土壤温度、WFPS、铵态氮、硝态氮含量的逐步回归方程参数Tab1e 3 Parameters of stePwise regression equation for N2O f1uxes against soi1 temPerature，WFPS，ammonium，and nitrate content

2.4土壤N2O排放与降雨量的关系

土壤N2O排放通量与采样前5 d累积降雨量之间的关系如图5所示。茶园和林地土壤N2O排放通量与5 d累积降雨量之间都呈显著正相关关系，说明在观测期内降雨量越高，土壤N2O排放通量也越高。当采样前的5 d累积降雨量为105 mm时，50年和20年茶园N2O排放通量均最高（图5）；当累积降雨量最高时，同时也观测到林地土壤N2O排放通量的较高值。这说明降雨是影响该地区茶园和林地土壤N2O排放的重要因素。

图5　茶园和林地氧化亚氮排放通量与5 d累积降雨量之间的关系Figure 5 Re1ationshiP between N2O f1ux and cumu1ative rainfa11 of five days in tea garden and wood1and

3　讨论

氮肥是土壤N2O排放的主要影响因子之一。两种植茶年限的茶园土壤N2O排放量均显著高于林地，与茶园施肥量较大有关。为了提高春茶质量，茶园普遍存在春季大量施用氮肥的现象，从而造成茶园土壤氮素的积累［7］。观测期间，茶园土壤中矿质氮含量是林地土壤中矿质氮含量的3倍。Hoben等［8］和Ma等［9］的研究发现N2O排放量随着施氮量的增加而上升，Zebarth等［10］的研究得出施用氮肥提高了麦田春季N2O排放，Burton等［11］在马铃薯地的研究也指出氮肥的施用显著促进N2O的累积排放量。本实验的结果与前人一致，大量施入氮肥会增加土壤中NH+4-N和NO-3-N含量，为硝化反硝化作用提供充足的反应底物，从而引起较高的N2O排放量［12］。土壤中多数微生物都是以有机质作为碳源和电子供体，土壤中有机质的含量影响着土壤N2O的排放［13］。本实验中50年茶园N2O排放量显著高于20年茶园，与50年茶园土壤中有机碳含量较高有关。由于茶树的生长特性，一般认为植茶年限较长的茶园土壤有机碳含量较高［14］，本研究中50年茶园土壤全碳含量比20年茶园土壤全碳含量高17.1%（表1）。李睿达等［15］的研究表明土壤有机碳能显著促进N2O排放，且排放通量随着有机碳含量的增高而增高。Jäger等［16］的实验也得出外源有机碳的输入显著促进土壤N2O排放。有机碳为土壤中微生物的生长繁殖提供碳源，激活土壤微生物的呼吸作用，加快土壤氧的消耗和土壤厌氧环境的形成，间接增强了反硝化微生物的活性［17］。

土壤N2O的排放主要由微生物硝化反硝化作用产生，而硝化反硝化过程受土壤碳氮含量、含水量和PH等性质的影响［18］，因而不同土壤产生N2O的途径不一致。春季两种茶园N2O排放通量均与土壤NO-3-N含量呈显著正相关关系，而与NH+4-N相关性不显著（表2）。有研究发现茶园随着土壤PH的降低，硝化作用受到抑制，N2O主要通过反硝化过程产生［19］。本研究中，茶园土壤PH值较低（PH＜4.5），茶园土壤N2O主要由反硝化作用产生，茶园土壤NO-3-N对N2O的产生影响较明显。另一方面，茶树有喜铵的特性，茶园土壤中的NH+4-N易被茶树根系所吸收［20］，可能导致NH+4-N含量与N2O排放通量相关性不显著。林地土壤N2O排放通量与NH+4-N含量呈极显著相关关系（表2）。这与王颖等［21］针叶林N2O通量与NH+4-N含量呈显著正相关的研究结果一致，土壤NH+4-N是影响林地N2O排放关键因素。当水分含量较低时，受人为活动干扰较小和未施肥的林地土壤排放的N2O主要由硝化作用产生，N2O排放通量随着水分的增加而增加，土壤含水量的提高促进了土壤反硝化过程，从而增加了N2O排放量；但是，N2O排放通量并未随着土壤含水量的提高而持续增高，当含水量（WFPS）高于76%时，N2O排放通量反而明显降低。这是由于反硝化作用更彻底促使N2O进一步转化为N2［22］。另外，温度也是影响N2O排放的重要因子，Agehara等［23］的研究表明N2O排放通量与温度呈正相关关系。本研究中，茶园和林地土壤N2O排放通量均随5 cm土壤温度升高而增高，逐步回归分析表明，5 cm土壤温度是影响两种利用方式下土壤N2O排放的重要环境因子。

有研究表明，在大区域尺度内降雨是土壤含氮气体排放的主要驱动因子之一，是导致森林土壤成为大气N2O排放源的重要原因［24］。本研究中茶园和林地土壤N2O排放通量均与5 d累积降雨量呈显著的正相关关系（P＜0.05）。其他研究也有类似结果：A1maraz等［25］的研究表明，当土壤温度高于5℃时，土壤N2O排放通量与7 d累积降雨量呈显著正相关关系；Machon等［26］的研究得出，降雨显著促进了土壤N2O排放，并在降雨后观测到N2O排放峰值；在热带地区河滨带生态系统研究中也得出土壤N2O排放通量与5 d累积降雨量之间存在极显著的正相关关系［27］。降雨促进土壤N2O排放，主要是由于其增加了土壤含水量，而施肥后降雨将导致N2O高排放［28-29］。本研究也观测到类似现象，于3月21日和5月9日观测到茶园土壤N2O排放峰值。

4　结论

（1）中亚热带红壤丘陵区不同植茶年限茶园和林地土壤N2O排放量存在显著差异，茶园土壤N2O排放量显著高于林地，50年茶园土壤N2O排放量显著高于20年茶园，春季50年茶园、20年茶园和林地土壤N2O累积排放量分别为2.07、1.39 kg N2O-N·hm-2和0.22 kg N2O-N·hm-2。

（2）观测期内，土壤NO-3-N是红壤丘陵区茶园N2O排放重要影响因子，而土壤水分、NH+4-N含量和5 cm土壤温度均对林地土壤N2O排放有显著影响。

（3）施肥和降雨后茶园都观测到N2O排放峰，降雨对林地土壤N2O排放有一定的激发效应，这些短期事件对该地区茶园和林地土壤N2O排放的时间变化有显著影响。

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Nitrous oxide emission and its impact factors in tea garden and woodland soils in subtropical hilly region of China during spring season

HE Zhi-1ong，ZHOU Wei，TIAN Ya-nan，Muhammad Shaaban，LIN Shan*
（Co11ege of Recourses and Environment，Huazhong Agricu1tura1 University/Key Laboratory of Arab1e Land Conservation in Midd1e and Lower Reaches of Yangtze River，Ministry of Agricu1ture，Wuhan 430070，China）

Abstract：In the centra1 subtroPica1 region of China，more rain events and higher ferti1ization rates make tea fie1d soi1 become a 1arger source of N2O emissions in the sPring season. Therefore，it is necessary to investigate soi1 N2O f1uxes and re1ated inf1uencing factors under tea fie1d in sPring. This study measured the N2O emission characteristics and environmenta1 factors of soi1s from tea fie1ds with two P1antation ages in a hi11y region，using static chamber and gas chromatograPhy technique. At the same time，N2O emissions in wood1and were a1so measured. Resu1ts showed that the highest cumu1ative N2O emission（2.07 kg N2O-N·hm-2）was observed in the tea fie1d of 50 years of P1antation during the exPerimenta1 Period（sPring），fo11owed by the tea fie1d（1.39 kg N2O-N·hm-2）of 20 years of P1antation. The 1owest cumu1ative N2O emission（0.22 kg N2O-N·hm-2）was found in the wood1and. Soi1 N2O f1ux had a significant Positive corre1ation with soi1 NO-3-N concentration under tea fie1d of two P1antation ages（P＜0.05），whereas soi1 N2O f1ux was significant1y corre1ated with soi1 NH+4-N concentration in wood-1and（P＜0.01）. The cumu1ative PreciPitation during the Previous five days was found to be significant1y corre1ated with soi1 N2O f1uxes under both tea fie1d and wood1and（P＜0.05）. StePwise regression ana1ysis showed that 48%～49%of the variabi1ity in the N2O f1ux from tea fie1dsoi1 cou1d be exP1ained by NO-3-N concentration and soi1 temPerature，whi1e 55%of the variabi1ity in the N2O f1ux from wood1and soi1 cou1d be exP1ained by the concentration of NH+4-N and soi1 temPerature. These resu1ts indicate that ferti1izer induced N2O f1uxes from tea fie1d soi1s is re1ated with rain events during the sPring Period.

Keywords：tea garden；N2O emission；minera1 nitrogen；temPerature；rainfa11

中图分类号：X511

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）06-1210-08 doi∶10.11654/jaes.2016.06.026

收稿日期：2015-12-22

基金项目：国家自然科学基金项目（41201255，41171212）；教育部创新团队课题（IRT1247）；河南省农业科学院自主创新专项基金

作者简介：何志龙（1991—），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事农田温室气体研究。E-mai1：1940923418@qq.com

*通信作者：林杉E-mai1：1inshan@mai1.hzau.edu.cn