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(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)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(zhì)、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(tài)文明理念的提出，城市生態(tài)環(huán)境越來越被人們所關(guān)注，可預(yù)測未來草坪的面積還會進一步增加。城市草坪往往經(jīng)歷頻繁的氮肥施用和灌溉，為NO排放創(chuàng)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(nóng)田及自然生態(tài)系統(tǒng)，較少關(guān)注城鎮(zhèn)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(guān)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(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確評估NO排放通量，也有助于促進草坪的健康良性發(fā)展，為城市生態(tài)環(huán)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(qū)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(tài)環(huán)境效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 草坪土壤N2O排放量

草坪位于城市區(qū)域內(nèi)，化石燃料的燃燒以及交通運輸導(dǎo)致城市大氣氮沉降較為嚴(yán)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(chǎn)生較多的有效碳；加之城市普遍存在熱島效應(yīng)，土壤溫度略高，這些因素均為NO排放創(chuàng)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(nóng)田土壤或自然生態(tài)系統(tǒng)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(jié)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(nóng)業(yè)土壤。Groffman等分析了4個城市草坪土壤和8個林地土壤，結(jié)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(nóng)田土壤NO排放量隨作物生長季的不同而出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(nóng)田(菜地和稻田)土壤NO的排放量，發(fā)現(xiàn)草坪土壤NO排放速率、反硝化潛勢均低于農(nóng)田土壤。甚至有研究者發(fā)現(xiàn)，草坪土壤往往具有較高的有機質(zhì)累積能力，特別是經(jīng)歷農(nóng)業(yè)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(xiàn)象僅為短期現(xiàn)象，隨著碳氮含量的不斷累積，最終會產(chǎn)生強烈的礦化作用，最終促進NO的排放。另外，不同地區(qū)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(dǎo)致土壤水分及氮素含量差異較大以及各研究區(qū)域的氣候條件不同，并且，不同研究者NO排放監(jiān)測時間不同，有可能導(dǎo)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(shù)研究認(rèn)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(guī)律進行深入的研究，以采取相應(yīng)措施進行干預(yù)，減少其對溫室效應(yīng)的貢獻。

2 草坪土壤N2O的產(chǎn)生途徑

土壤微生物介導(dǎo)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(zhuǎn)化成NO-N，繼而轉(zhuǎn)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(huán)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(rèn)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(qū)分不同途徑對于NO貢獻的研究較少，但是可根據(jù)各研究所得的NO排放規(guī)律對其可能的途徑進行推測。很多研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)生硝化作用，又可以導(dǎo)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(chǎn)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(rèn)為是土壤中高效的氮循環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(dāng)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(diào)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(xì)菌(AOB)和古菌(AOA)。一般而言，土壤養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，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(tài)系統(tǒng)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(fā)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(yǎng)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(diào)控，多數(shù)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(tǒng)，研究者先后以最大或然計數(shù)法、分離培養(yǎng)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(xì)菌數(shù)量、多樣性與農(nóng)田及其他自然生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)，甚至更高。例如，Wang等利用純培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)美國剪股穎(Huds.)草坪和百慕大[(L.)]草坪土壤反硝化細(xì)菌在總細(xì)菌中的占比為17%左右，與農(nóng)田土壤相近，且反硝化細(xì)菌的主要類群為和，均為反硝化細(xì)菌的常見類群。Dell等通過凝膠梯度電泳技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，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(tài)產(chǎn)物的比例更高。同時，2012年新發(fā)現(xiàn)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(guān)，因此其對草坪土壤NO排放的影響值得關(guān)注。除反硝化細(xì)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(jīng)歷頻繁的灌溉過程，土壤水分含量較高，因此其對NO產(chǎn)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(jīng)進行了一些研究，但相較于其他生態(tài)系統(tǒng)，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(guān)系，未揭示調(diào)控反硝化作用的關(guān)鍵微生物類群。目前，高通量測序等技術(shù)為土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究提供了新的方法。一定時間跨度范圍內(nèi)，草坪土壤NO排放和功能微生物動態(tài)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(diào)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(tǒng)總結(jié)其影響因素，有助于草坪土壤NO減排措施的制定。

化學(xué)氮肥的大量施用是導(dǎo)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(fēng)險。由于草坪刈割會導(dǎo)致氮素的流失，因此很多草坪需要持續(xù)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(xiàn)排放高峰期，其短期最高排放速率可達到背景值的數(shù)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(dāng)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(tài)的氮肥，例如氮磷鉀復(fù)合肥、硝態(tài)氮肥、銨態(tài)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(xiàn)明顯的排放峰。

氮肥類型同樣影響NO的排放。當(dāng)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(jié)果，Maggiotto等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(zhuǎn)換為有效態(tài)氮，因此供氮即時性較低。當(dāng)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(dǎo)致尿素處理與其他速效氮肥處理NO排放相當(dāng)，而若土壤水分條件不利于尿素水解，則短期內(nèi)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(nèi)，NO排放速率大幅上升，因此有學(xué)者積極嘗試以緩釋氮肥替代傳統(tǒng)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(zhì)，例如土壤質(zhì)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(xiàn)明顯的NO排放峰。然而由于緩釋氮肥具備持續(xù)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(fā)現(xiàn)，在兩年的試驗周期內(nèi)，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(fā)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(yīng)和有機物的降解，繼而影響草坪微生物的生長；其二，影響?zhàn)ね恋V物對NO的吸附能力，較低的水分含量會導(dǎo)致NO被土壤基質(zhì)中的黏土礦物所吸附，有利于NO進一步轉(zhuǎn)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(fā)生，當(dāng)土壤水分含量在30%～60% WFPS時，硝化作用是NO的主要貢獻者，當(dāng)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(chǎn)生的NO排放量高于硝化作用，因此在一定的范圍內(nèi)，水分條件含量往往與NO的排放正相關(guān)。當(dāng)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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(qū)，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(fā)現(xiàn)，同樣的施肥條件下，當(dāng)土壤水分含量低于35% WFPS，并未出現(xiàn)明顯的NO排放，而當(dāng)水分含量為83% WFPS時，NO出現(xiàn)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(shù)，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(shù)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(zhì)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(guān)，甚至有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤濕度和底物充足時，溫度與NO排放指數(shù)相關(guān)。當(dāng)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(dāng)溫度高于30 ℃時，反硝化作用導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(jié)縷草草坪，甚至在冬季出現(xiàn)負(fù)排放現(xiàn)象。然而值得注意的時，春季土壤消融時，NO也會出現(xiàn)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(fù)雜。一方面，植物與土壤微生物存在養(yǎng)分的競爭，植物根系吸收養(yǎng)分導(dǎo)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(rèn)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(fā)現(xiàn)，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(dǎo)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(dǎo)致土壤中O的含量不同，也會影響NO的排放。梅雪英研究發(fā)現(xiàn)，麥冬()草坪NO日通量高于結(jié)縷草(Steud)草坪，可能是因為結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(dāng)農(nóng)田等有機質(zhì)條件較差的土地轉(zhuǎn)變?yōu)椴萜褐?，微生物對有機質(zhì)和氮素的固持能力較低，當(dāng)外源施氮量較高時，易造成較高的氮素?fù)p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(wěn)定水平，此時有機質(zhì)固持能力增加，有機質(zhì)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(zhì)含量豐富，而前期累積的大量有機氮發(fā)生較強的礦化作用，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)含量的變化而實現(xiàn)的，一般認(rèn)為，有機質(zhì)含量越高，NO的排放越高，但這種相關(guān)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(yīng)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(dāng)減少氮肥的投入，以發(fā)揮土壤本身的供氮能力。Zhang等利用模型研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)，可減少40%的NO排放。

另外，土壤質(zhì)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(zhì)地的不同往往導(dǎo)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(yīng)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(zhì)含量和微生物生活狀態(tài)不同，對氮素的需求量不同，動態(tài)探究植物生長狀態(tài)與氮素需求量的關(guān)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(qū)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(fēng)險。而對于建立年限較長的草坪可減少氮肥施用，以發(fā)揮土壤自身供氮能力，降低NO排放。另外，肥料可選擇養(yǎng)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(jù)不同草坪草類型、生長階段對養(yǎng)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(nóng)田土壤中已取得了較好的研究效果。

(3)接種II型微生物，發(fā)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(chǎn)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(fā)展和人們對美好生態(tài)環(huán)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(yīng)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(guān)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(qū)還少有研究，且涉及的草坪類型較少。為準(zhǔn)確評估城市化對溫室效應(yīng)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(yīng)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(wù)于草坪管理。關(guān)于草坪土壤NO排放的微生物調(diào)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(guī)律，以及影響NO排放的關(guān)鍵微生物類群還需進一步探索。