基于增強回歸樹的紅壤旱坡花生地氣態(tài)氮損失影響因素分析

尤昆明，劉士余，聶小飛，胡小丹,5，鄭海金

(1.江西農(nóng)業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌 330045；2.江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西 南昌 330045；3.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029；4.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029；5.九江市第七中學，江西 九江 332000)

我國每年使用約3 000萬t氮肥(按純氮計)，但農(nóng)田氮肥利用率僅為30%～35%[1]，通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗和徑流等途徑損失的氮素分別占施氮量的11%、34%、2%和5%[2]。其中,損失過程中排放大量N2O和NH3易引發(fā)嚴重的次生環(huán)境問題，因而受到廣泛關(guān)注[2-3]?？傮w而言，國內(nèi)大多數(shù)研究主要關(guān)注水稻、小麥和玉米等作物類型，相關(guān)研究大多集中于潮土、紫色土和紅壤等，但對紅壤旱坡地主栽作物——花生的相關(guān)研究鮮見。

氣態(tài)氮損失過程與機理非常復雜，研究結(jié)果因試驗地點、土壤類型、作物種類差異而不盡相同。例如，湖南第四紀紅黏土稻田NH3揮發(fā)1～3 d時達到峰值，NH3揮發(fā)氮素損失量占施氮量的5%～37.4%，淹水期監(jiān)測不到N2O排放峰值[4]；對于小麥/玉米輪作農(nóng)田，施肥后N2O排放在2～3 d時出現(xiàn)峰值，主要集中在施肥后10 d[5]。對于四川紫色土農(nóng)田，玉米季NH3揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后4～8 d，NH3揮發(fā)損失量占施氮量的(32.8±1.8)%[6]，N2O排放峰值出現(xiàn)在施肥后11～13 d[7]。河套平原鹽化潮土玉米地NH3揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后3～5 d，N2O排放峰值出現(xiàn)在施肥后7 d，NH3揮發(fā)和N2O排放損失分別占施肥量的3.84%～8.72%和0.74%～1.09%[8]。這些研究通常側(cè)重于田間觀測，模型分析方面的報道較少。農(nóng)田氣態(tài)氮損失(以NH3和N2O 為主)受土壤性質(zhì)、氣象條件以及農(nóng)業(yè)管理措施的影響[4-6]。各影響因素之間還會相互影響，關(guān)系復雜，而且某些主導因子的顯著影響可能會掩蓋其他因子對氣態(tài)氮損失的影響。增強回歸樹模型(boosted regression tree，BRT)在研究復雜因子間的相互作用關(guān)系方面有著十分明顯的優(yōu)勢[9]，已經(jīng)被成功應(yīng)用于生態(tài)學中許多復雜現(xiàn)象的機制分析中，并取得了較好的結(jié)果[10]。

南方紅壤區(qū)耕地面積占全國總面積的36%，花生是該區(qū)種植面積和產(chǎn)量最大的油料經(jīng)濟作物之一[11]。研究紅壤旱坡花生地氣態(tài)氮損失機理及減排技術(shù)，對促進區(qū)域坡地農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。為此，筆者在原位監(jiān)測紅壤旱坡花生地土壤NH3揮發(fā)和N2O排放動態(tài)變化的基礎(chǔ)上，采用BRT方法剖析氣態(tài)氮損失的影響因子及其作用規(guī)律，以豐富紅壤旱坡地氮循環(huán)研究成果，為削減氮素氣態(tài)損失提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在江西水土保持生態(tài)科技示范園(29°16′ 37″～29°17′ 40″ N,115°42′ 38″～115°43′ 06″ E)進行。園區(qū)地處江西省北部鄱陽湖流域博陽河水系，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，多年平均降水量為1 449 mm，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在4—8月，占全年降水量的62.80%；多年平均無霜期為249 d，年日照時數(shù)為1 700～2 100 h。地貌為丘陵區(qū)，海拔為30～100 m，坡度為5°～25°。土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的紅壤，試驗區(qū)位于我國紅壤的中心地帶，氣候特點、地形特征和土壤類型在南方紅壤區(qū)具有典型性和代表性。

1.2 試驗設(shè)計

在園區(qū)一處坡度為8°的典型紅壤旱坡地進行試驗，設(shè)置翻耕和免耕2種耕作處理，3次重復，共6個試驗小區(qū)，每個小區(qū)水平投影面積為100 m2(坡長20 m，寬5 m)，隨機排列。就翻耕處理而言，于花生種植前人工翻耕土壤，翻耕深度約為20 cm，然后均勻撒施肥料，再順坡開挖約5 cm深的種植溝，點穴播種花生；就免耕處理而言，不翻耕土壤，直接表面撒施肥料，然后順坡開挖約5 cm深的種植溝，點穴播種花生。供試花生品種為純雜1016，種植密度為行距30 cm、株距20 cm，每穴3粒。施肥參照當?shù)剞r(nóng)民施肥習慣和花生需肥習性，花生播種時施基肥，開花初期雨后撒施追肥。肥料分別為尿素(N質(zhì)量含量≥46.4%)、鈣鎂磷硅肥(P2O5質(zhì)量含量≥20%)、氯化鉀(K2O質(zhì)量含量≥60%)，N、P2O5和K2O 折純量依次為139、120和135 kg·hm-2，其中，尿素按照m(基肥)∶m(追肥)=2∶1分配施用，鈣鎂磷硅肥和氯化鉀均全部作為基肥施用。其他管理措施參考當?shù)剞r(nóng)民耕作管理習慣實行。2018年5月8日播種花生，同時施基肥；6月8日施追肥，8月17日收獲花生。試驗地連續(xù)8 a進行花生-油菜輪作，油菜季耕作方式與花生季一致。翻耕與免耕處理，除耕作方式不同外，包括施肥在內(nèi)的其他農(nóng)作管理措施完全一致。

1.3 樣品采集及檢測

于2018年花生季(2018年5月8日至8月17日)開展試驗觀測。土壤NH3揮發(fā)采用通氣法[12]進行監(jiān)測。采樣裝置由內(nèi)徑15 cm、高10 cm聚氯乙烯(PVC)硬質(zhì)塑料管制成。分別利用兩塊厚為2 cm、直徑為16 cm且用磷酸甘油(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL)均勻浸透海綿收集氨氣，下層海綿距管底5 cm，上層海綿與管頂部相平。每個試驗小區(qū)設(shè)置上坡、下坡2個監(jiān)測點，監(jiān)測日上午8—9點放置海綿，24 h后回收，立即用300 mL 2.0 mol·L-1KCl溶液浸提1 h，用納氏試劑分光光度法測定浸提液氨氮含量。

土壤N2O排放使用密閉式靜態(tài)暗箱-氣相色譜法[13]測定。采樣時將不銹鋼靜態(tài)箱(高0.60 m，長0.60 m，寬0.40 m)倒扣在預先埋好的底座上，并加水密封，以隔絕外界空氣，同時打開箱內(nèi)微型風扇以保持氣體混合均勻，靜態(tài)箱連接三通閥和溫度計。每個小區(qū)中部設(shè)置1個采樣點。采集時間為上午8—10點，每隔10 min采樣1次，每個點連續(xù)采樣4次，每次采樣30 mL，同時記錄采樣箱溫度。樣品采用氣相色譜儀(型號：Agilent GC7890A；產(chǎn)地：美國)檢測[14]。

施肥前采集土壤樣品，監(jiān)測試驗樣地土壤本底狀況，其基本理化性質(zhì)見表1。施肥后即開始氣體采樣，最初每天采樣1次，2周后調(diào)整為每周采樣 3次。此外，同步監(jiān)測土壤溫度、土壤含水量(指質(zhì)量含水量，下同)、土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，并監(jiān)測試驗期間氣溫和降水狀況。土壤溫度通過讀取預先埋設(shè)在地下0～10 cm的地溫計獲取，土壤含水量采用烘干法測定，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量基于鮮土樣分別用水楊酸鈉分光光度法和鹽酸萘乙二胺分光光度法測定，試驗期間氣溫、降水量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、含水量和土壤溫度變化見圖1，其中，降水量和氣溫由園區(qū)氣象站提供。

表1 供試樣地土壤基本理化性狀

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

NH3揮發(fā)速率計算公式為

(1)

式(1)中，Ni為第i次采樣的NH3揮發(fā)速率，kg·hm-2·d-1；Mi為采用通氣法單個裝置第i次采樣測得的氨氮量，mg；S為捕獲裝置橫截面積，m2；Di為第i次采樣海綿捕獲揮發(fā)NH3的歷時，d；10-2為單位換算系數(shù)。

NH3揮發(fā)累積量計算公式為

(2)

式(2)中，P為NH3揮發(fā)累積量，kg·hm-2；Ni為第i次采樣NH3揮發(fā)速率，kg·hm-2·d-1；Ti為第i次采樣所處時刻，d；n為總采樣次數(shù)。

N2O排放通量計算公式為

(3)

N2O累積排放量計算公式為

(4)

式(4)中，M為N2O累積排放量，kg·hm-2；Fi為第i次采樣N2O排放通量，mg·m-2·d-1；i為采樣次數(shù)；t為第i次采樣所處時刻，d；10-2為單位換算系數(shù)。

BRT分析是基于分類回歸樹算法的一種自學習二分類機器算法，是回歸樹算法和Boosting方法的組合。在運算過程中多次隨機抽取一定量的數(shù)據(jù)，分析自變量對因變量的影響程度，剩余數(shù)據(jù)用于校驗擬合結(jié)果，對生成的多重回歸樹取均值并輸出[9]。BRT法可用于計算在其他自變量取均值或不變的情況下，某自變量與因變量的相互關(guān)系，從而檢測出自變量對因變量的影響大小。BRT分析可以提高計算結(jié)果的穩(wěn)定性和精度，并且在處理不同數(shù)據(jù)格式時具有很大的靈活性，不必考慮自變量之間的相關(guān)性，數(shù)據(jù)可以存在缺省值，輸出的自變量貢獻度和反應(yīng)曲線結(jié)果較為直觀，易于解釋。在RStudio軟件中，調(diào)用ELITH等[9]編寫的BRT程序包進行增強回歸樹分析，模擬氨揮發(fā)速率、N2O排放通量與土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮、土壤含水量、地溫、氣溫、當天降水量、前2天降水量、前3天降水量、施肥后天數(shù)、耕作方式、花生生育期之間的關(guān)系，進而識別紅壤旱坡花生地氣態(tài)氮損失關(guān)鍵影響因子，并分析其貢獻率。其中，根據(jù)《花生栽培觀察記載技術(shù)規(guī)范》[15]，結(jié)合試驗期花生物候觀測結(jié)果，將花生生育期劃分為4個生育期，分別是苗期(A)：5月8日至6月7日；花針期(B)：6月8日至6月29日；結(jié)莢期(C)：6月30日至7月29日；成熟期(D)：7月30日至8月16日。BRT涉及的相關(guān)參數(shù)如下：決策樹復雜度(tree complexity)為5，學習速率(learning rate)為0.001，分割比例(bag fraction)為0.5，每次抽取50%的數(shù)據(jù)進行分析，50%的數(shù)據(jù)用于訓練，進行5次交叉驗證。

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 24和OriginPro 2018進行基本統(tǒng)計和制圖，采用R3.6.0實現(xiàn)BRT分析與制圖(編譯環(huán)境RStudio 1.3.595)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NH3揮發(fā)特征

試驗觀測期翻耕與免耕處理土壤氨揮發(fā)速率和累積量變化見圖2。翻耕和免耕處理氨揮發(fā)速率(以N計，下同)分別在0.02～1.55和0.02～1.05 kg·hm-2·d-1之間變動，平均揮發(fā)速率分別為(0.23±0.18)和(0.22±0.21) kg·hm-2·d-1，差異未達顯著水平(P>0.05，表2)?？傮w上，兩種耕作措施下氨揮發(fā)速率均表現(xiàn)為先快速上升，達到峰值后迅速下降，然后以較低值波動變化。具體而言，5月8日施基肥后，翻耕處理氨揮發(fā)速率前7 d呈現(xiàn)快速增長趨勢，施肥后第7天出現(xiàn)峰值(1.55 kg·hm-2·d-1)，之后的8 d快速下降；免耕處理在基肥后第5天氨揮發(fā)達到峰值(1.05 kg·hm-2·d-1)，之后的10 d快速下降。6月8日追肥后，兩種耕作處理氨揮發(fā)速率均未出現(xiàn)明顯峰值，與施用基肥后相比呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，究其原因：一方面可能與追肥在降雨后開展，土壤含水量相對較高，肥料氮易隨土壤溶液向土壤深層遷移，導致氨分子逸散路徑變長，氨揮發(fā)難度增加有關(guān)；另一方面可能與追肥時花生正處于花針期，生長旺盛，對氮素需求較多，對氮肥吸收利用速率較快有關(guān)；此外，追肥補充的氮量相對較少，僅為基肥施氮量的一半可能也是原因之一。

兩種處理氨揮發(fā)累積量均隨時間的推移逐漸增加，前期增幅較大而后期增幅較小(圖2)。觀測初期翻耕處理氨揮發(fā)累積量增長速率略快于免耕處理，后期免耕處理氨揮發(fā)累積量增速提升，反超翻耕處理氨揮發(fā)累積量。在整個試驗觀測期翻耕和免耕處理氨揮發(fā)累積量(以N計，下同)分別為(17.19±8.56)和(18.38±7.41) kg·hm-2(表2)，分別占總施氮量的(11.77±5.86)%和(12.59±5.08)%，免耕處理氨揮發(fā)累積量比翻耕處理高6.92%，但差異不顯著(表2，P>0.05)。董文旭等[16]對華北冬小麥-夏玉米農(nóng)田的研究也發(fā)現(xiàn)，免耕條件下肥料表施易發(fā)生氨揮發(fā)，并指出這與免耕表層土壤脲酶活性增強有關(guān)。

表2 翻耕和免耕處理氣態(tài)氮排放速率與累積量特征

2.2 N2O排放特征

試驗觀測期翻耕和免耕處理土壤N2O排放通量和累積量變化見圖2。翻耕和免耕處理N2O排放通量(以N計，下同)變化范圍分別為0.07～2.90和0.02～3.97 mg·m-2·d-1，平均排放通量分別為(0.78±0.78)和(0.62±0.76) mg·m-2·d-1，翻耕顯著高于免耕(P<0.05，表2)。翻耕處理施基肥后N2O 排放通量迅速增加，在施肥后11 d排放量達到最大，免耕在基肥后第10 天才顯著上升，基肥后第14天出現(xiàn)峰值(1.99 mg·m-2·d-1)，免耕不僅延緩基肥后N2O排放，還降低N2O排放峰值。6月8日追肥后，兩種處理N2O排放通量變化基本一致，均在第2天出現(xiàn)峰值，然后迅速下降。總體上，兩種處理N2O排放通量在施肥前期顯著高于后期，且前期波動較大，后期(7月5日后)達到較低水平，波動也較小，施肥引起N2O排放時間持續(xù)較長，從基肥到追肥后1個月排放通量都較高。

N2O排放累積量前期增幅較大，后期逐漸減緩(圖2)。整個觀測期翻耕和免耕處理N2O排放累積量(以N計，下同)分別為(0.81±0.27)和(0.68±0.10) kg·hm-2(表2)，分別占總施氮量的(0.55±0.17)%和(0.46±0.06)%，免耕處理N2O排放累積量較翻耕處理顯著降低16.05%(P<0.05)，顯示出免耕有助于降低紅壤旱坡花生地N2O排放。

2.3 氣態(tài)氮(NH3和N2O)損失關(guān)鍵影響因子及其貢獻率

基于BRT法得出土壤氨揮發(fā)各影響因素的貢獻率(表3)。相關(guān)研究認為，BRT模型中，單個變量貢獻率大于5%，即可認為該變量對結(jié)果的影響作用顯著[17]?；谠摌藴剩R別出土壤銨態(tài)氮含量、施肥后天數(shù)、花生生育期、前3 天降水量和土壤硝態(tài)氮含量是影響紅壤旱坡花生地氨揮發(fā)的關(guān)鍵因子，上述5個影響因子對土壤氨揮發(fā)速率的貢獻率分別為47.92%、14.78%、8.21%、7.44%和5.91%；識別出土壤含水量、土壤銨態(tài)氮含量、地溫、前3天降水量、土壤硝態(tài)氮含量、施肥后天數(shù)和氣溫是影響紅壤旱坡花生地N2O排放關(guān)鍵因子，上述7個影響因子對N2O排放通量貢獻率分別為24.67%、20.34%、12.26%、9.93%、9.91%、9.64% 和8.51%。

表3 各影響因子對NH3揮發(fā)和N2O排放影響貢獻率

3 討論

3.1 紅壤旱坡花生地氣態(tài)氮損失途徑

氣態(tài)氮(NH3和N2O)排放是農(nóng)田氮素損失主要途徑之一，如何減少農(nóng)田氣態(tài)氮排放是全球生態(tài)環(huán)境科學研究熱點問題之一。筆者試驗對紅壤旱坡花生地翻耕和免耕氨揮發(fā)和N2O排放進行監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翻耕和免耕氨揮發(fā)損失量分別占總施氮量的(11.77±5.86)%和(12.59±5.08)%，而N2O排放分別占總施氮量的(0.55±0.17)%和(0.46±0.06)%，可見氨揮發(fā)損失是主要氮素損失途徑。筆者研究中氨揮發(fā)損失占比與朱兆良[2]依據(jù)國內(nèi)研究得出的結(jié)果、湖南紅壤稻田研究結(jié)果[4]基本一致，但低于川中紫色土夏玉米[6]，略高于河套灌區(qū)鹽化潮土夏玉米[8]，可見不同土壤類型及耕作管理條件下氨揮發(fā)損失存在差異。河北潮褐土夏玉米N2O排放損失占施氮量的0.06%～0.39%[18]；內(nèi)蒙古馬鈴薯N2O排放損失占施氮量的0.30%～0.50%[19]；筆者研究結(jié)果與之相似。硝化和反硝化的最終產(chǎn)物為N2，而N2O只是中間產(chǎn)物。WANG等[20]研究華北夏玉米發(fā)現(xiàn)，N2、N2O和NO對氮素的貢獻率分別達到63%、29%和8%，可見N2排放也是土壤氮素損失的重要途徑。但由于不同研究中硝化和反硝化進行程度存在差異，紅壤旱坡花生地N2排放有待進一步研究。

3.2 紅壤旱坡花生地氨揮發(fā)主控因子及其機制

筆者試驗結(jié)果表明紅壤旱坡花生地氨揮發(fā)的主控因子有土壤氮底物濃度、施肥后天數(shù)、作物生育期和降水量，其對氨揮發(fā)的相對影響及其變化趨勢見圖3。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，土壤銨態(tài)氮含量是影響氨揮發(fā)速率的最關(guān)鍵因素，其貢獻率達到47.92%，氨揮發(fā)隨著表層土壤銨態(tài)氮含量增高而加快，主要與表層土壤銨態(tài)氮是氨揮發(fā)的直接氮源有關(guān)[21]。尿素施入土壤后，小部分以分子態(tài)溶于土壤溶液中，通過氫鍵作用被土壤吸附，大部分在脲酶作用下水解成NH4+，直接為氨揮發(fā)提供氮源。另外，筆者研究發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)速率隨土壤硝態(tài)氮增加而降低，張承先等[22]研究也得出相似結(jié)果，這可能與試驗期間土壤增加的硝態(tài)氮主要源于銨態(tài)氮的硝化過程，而該過程消耗了大量銨態(tài)氮，導致表層土壤可用于氨揮發(fā)的銨態(tài)氮減少有關(guān)。

圖3顯示，氨揮發(fā)速率隨著施肥后天數(shù)的增加而減少，在一定程度上印證了2.2節(jié)中氨揮發(fā)熱點時段主要集中在基肥后15 d內(nèi)的規(guī)律。筆者研究中氨揮發(fā)峰值在基肥后5～7 d出現(xiàn)，前人的相關(guān)研究也報道了類似結(jié)果。如海南橡膠林夏季施尿素后第7天達到峰值，且氨揮發(fā)熱點時段集中在施肥后20 d內(nèi)[23]；又如紅壤馬唐春季施尿素基施后氨揮發(fā)第7～8天達到峰值[24]。氨揮發(fā)隨著花生生育期(苗期、花針期、結(jié)莢期和成熟期)的推移而逐漸減少，主要與不同生育期作物生長特點有關(guān)。一般情況下，花生苗期需肥較少，生殖生長期和營養(yǎng)生長期需肥較多，在成熟期營養(yǎng)需求明顯下降[25]。此外，苗期距離施肥時間較短，也是其氨揮發(fā)較多的重要原因，在施肥和作物對氮吸收雙重作用下，導致花生苗期氨揮發(fā)顯著高于花生生育后期。

筆者研究發(fā)現(xiàn)前3天降水量少時促進氨揮發(fā)，前3天降水量大于10 mm時抑制氨揮發(fā)，此與魏玉云[26]、曹歡歡[27]的相關(guān)研究結(jié)果類似。降雨量少時，雨水會促進尿素水解，同時降低土壤對NH4+的吸附，從而促進氨揮發(fā)；而過多降雨會降低土壤液相中銨態(tài)氮濃度，加快表層銨態(tài)氮向土壤深處遷移，增加NH4+被土壤顆?；蛑参镂盏目赡芎蜕仙奖韺拥淖枇Γ瑥亩鴾p少氨揮發(fā)。

一般而言，氣溫及地表溫度會通過影響土壤微生物活性并改變土壤液相氨分壓，進而影響氨氣由土壤向大氣的擴散[28]。而筆者研究中，地溫和氣溫對氨揮發(fā)影響貢獻率均未達5%，未能入選作為紅壤旱坡花生地NH3揮發(fā)的主控因子。上官宇先等[29]的研究也發(fā)現(xiàn)，溫度對氨揮發(fā)的影響不顯著。一方面，可能與筆者試驗以紅壤旱坡花生地為研究對象，土壤溫度和氣溫在試驗期間整體相對較高，處于土壤氨揮發(fā)的相對適宜范圍，并非氨揮發(fā)的限制因子有關(guān)；另一方面，筆者試驗期內(nèi)氣溫和土壤溫度逐漸升高，而供應(yīng)氨揮發(fā)氮源的土壤銨態(tài)氮含量則處于下降趨勢，兩者交互作用，掩蓋了氣溫和土壤溫度對紅壤旱坡花生地氨揮發(fā)的影響。

3.3 紅壤旱坡花生地N2O排放主控因子及其機制

筆者試驗結(jié)果表明土壤N2O排放的主控因子有土壤氮底物濃度、氣象與土壤微環(huán)境狀況、施肥后天數(shù)，其對N2O排放的相對影響及變化趨勢見圖4。

土壤N2O主要來源于銨態(tài)氮硝化過程和硝態(tài)氮-反硝化過程，土壤氮底物濃度必然影響土壤N2O 排放。筆者研究中N2O排放通量隨土壤銨態(tài)氮含量的增加而增加，隨土壤硝態(tài)氮含量的增加而減小。楊曲[30]和劉運通等[31]也研究發(fā)現(xiàn)土壤N2O排放通量與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)。張玉銘等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在施肥情況下，土壤硝態(tài)氮含量小于25 mg·kg-1時，土壤硝態(tài)氮對N2O排放影響顯著，當土壤硝態(tài)氮含量大于25 mg·kg-1時，影響不顯著；而筆者研究中土壤硝態(tài)氮含量為10～35 mg·kg-1時，N2O排放通量隨土壤硝態(tài)氮含量增加而減小，可能是因為筆者研究中供試土壤硝態(tài)氮本底含量相對較低，N2O主要來源于銨態(tài)氮硝化過程，施肥前期土壤高含量銨態(tài)氮通過硝化作用促使N2O大量排放，隨著硝化作用的進行，土壤硝態(tài)氮含量才逐漸增加，且存在一定的滯后性，因此出現(xiàn)N2O排放隨著硝態(tài)氮含量增加而減小的現(xiàn)象。

土壤水分可以直接影響土壤微生物活性和土壤通氣性，進而影響土壤硝化-反硝化作用。筆者研究與MAPANDA等[33]和SMITH等[34]研究均發(fā)現(xiàn)，土壤N2O排放通量隨著土壤含水量增加而增加。另外，降水量還可以通過改變土壤含水量影響N2O排放通量，曹文超等[35]研究表明降水后會造成土壤厭氧環(huán)境，加速反硝化過程，促進N2O排放；筆者研究中前3天降水量為0～20 mm時，N2O排放通量隨降水量增加而增大，該結(jié)果與曹文超等研究結(jié)果相同。地溫和氣溫主要通過影響土壤微生物活性、土壤氣體交換頻率進而影響土壤N2O排放。一般認為在適當溫度范圍內(nèi)，溫度升高能增強脲酶活性進而促進尿素分解，減少土壤對NH4+的吸附；另外，溫度升高能增強微生物活性從而促進N2O排放。而筆者研究中N2O排放通量隨著地溫和氣溫上升而下降，可能與筆者試驗所處季節(jié)和施肥時間分布的特殊性有關(guān)。筆者研究以南方紅壤旱坡花生地為研究對象，基肥、追肥分別施用于5、6月，高強度N2O排放主要集中于施肥后的一段時間內(nèi)，但該時期溫度相對較低；受作物生長吸收利用與氮素損失雙重影響，7—8月氣態(tài)氮排放通量較低，而該時期溫度相對較高(圖2)。

施肥后0～20 d，N2O排放通量逐漸增大，20 d以后逐漸減小。施肥后天數(shù)對N2O排放通量的顯著影響，主要與施肥后土壤氮素濃度變化有關(guān)。尿素施入土壤中，顯著增加土壤NH4+，有效促進土壤N2O排放，隨著時間的推移，土壤銨態(tài)氮含量逐漸減少，N2O排放通量逐漸減小，至施肥加入的氮素消耗殆盡，N2O排放通量相對穩(wěn)定地維持著低排放水平。

4 結(jié)論

(1)紅壤旱坡花生地土壤氨揮發(fā)與N2O排放呈現(xiàn)顯著的時間變化特征，且隨耕作方式的不同表現(xiàn)出不同的規(guī)律。翻耕和免耕處理土壤氨揮發(fā)速率分別在第7天和第5天出現(xiàn)峰值，其峰值速率分別為1.55和1.05 kg·hm-2·d-1，整個花生生育期氨揮發(fā)累積量分別為17.19和18.38 kg·hm-2，分別占總施氮量的11.77%和12.59%，氨揮發(fā)熱點時段主要集中在基肥后15 d內(nèi)；翻耕和免耕處理土壤N2O 排放通量分別在基肥后第11天和追肥后第2天出現(xiàn)最大峰值，分別為2.90和3.97 mg·m-2·d-1，整個花生生育期N2O排放累積量分別為0.81和0.68 kg·hm-2，分別占總施氮量的0.55%和0.46%，N2O排放時間持續(xù)較長，無明顯熱點時段。翻耕與免耕處理氨揮發(fā)平均速率和累積量無顯著差異，而免耕花生地N2O排放平均通量和累積量均顯著低于翻耕，免耕使得紅壤旱坡花生地N2O排放累積量降低16.05%；從不同損失途徑來看，紅壤旱坡花生地氣態(tài)氮排放以氨揮發(fā)為主。

(2)基于BRT方法成功識別了氣態(tài)氮損失的關(guān)鍵影響因子。土壤銨態(tài)氮含量、施肥后天數(shù)、花生生育期、前3天降水量和土壤硝態(tài)氮含量是紅壤旱坡花生地氨揮發(fā)的關(guān)鍵影響因子，其對土壤氨揮發(fā)速率的貢獻率分別為47.92%、14.78%、8.21%、7.44%和5.91%；土壤含水量、土壤銨態(tài)氮含量、地溫、前3天降水量、土壤硝態(tài)氮含量、施肥后天數(shù)和氣溫是紅壤旱坡花生地N2O排放通量的關(guān)鍵影響因子，其對N2O排放通量的貢獻率分別為24.67%、20.34%、12.26%、9.93%、9.91%、9.64% 和8.51%。