高湿度条件下土壤硝酸盐浓度增加对集约化牧场N2O/N2排放比的影响机制研究

《Biology and Fertility of Soils》：Soil nitrate concentrations increase the nitrous oxide to dinitrogen emissions ratio at high soil moisture conditions in intensive dairy pastures

本研究针对集约化牧场高氮输入下氮素利用效率低、温室气体排放严重的问题，通过实验室模拟不同水分条件（60%、80%、100% WFPS）和硝酸盐浓度（45/80 mg NO3?-N kg?1），利用15N同位素示踪技术量化N2O与N2排放。结果发现饱和水分条件下高硝酸盐浓度会显著提升N2O/N2排放比，揭示反硝化途径对氮损失的调控机制，为牧场氮肥管理和温室气体减排提供理论依据。

　　

在集约化管理的奶牛牧场中，为了提高牧草产量，农民通常会施用大量氮肥，每年每公顷的氮肥投入量可超过450公斤。然而，这些施入土壤的氮肥并不能被植物完全吸收，有相当一部分会以硝酸盐（NO₃^?）的形式在土壤中积累。当土壤湿度较高时，这些积累的硝酸盐会通过微生物的反硝化作用转化为氮气（N₂）和氧化亚氮（N₂O）。其中，N₂是大气的主要成分，对环境无害，但N₂O却是一种强效温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳的273倍，还是目前最主要的臭氧消耗物质。

长期以来，科学界普遍认为当土壤水分含量达到80%的水填充孔隙空间（WFPS）时，N₂O排放量会达到峰值，而当土壤接近饱和状态（100% WFPS）时，反硝化作用会完全进行到底，主要产生N₂。然而，近年来的研究发现，在高硝酸盐浓度的条件下，即使土壤处于饱和状态，N₂O排放量仍然可能很高。这一现象对准确估算牧场氮素损失和温室气体排放提出了挑战。

为了解决这一科学问题，来自澳大利亚的研究团队开展了一项实验室研究，旨在探究土壤湿度和硝酸盐浓度如何影响N₂O和N₂的排放比例。研究成果发表在土壤科学领域重要期刊《Biology and Fertility of Soils》上，为理解集约化牧场氮素循环提供了新的见解。

研究人员主要采用了¹⁵N同位素示踪技术，通过向土壤中添加¹⁵NO₃^?-N，精确区分和量化了反硝化过程中产生的N₂O和N₂。实验设置了60%、80%和100%三个WFPS水平，以及45 mg/kg和80 mg/kg两个硝酸盐浓度梯度，模拟了牧场中常见的土壤条件。土壤样品来自澳大利亚维多利亚州西南部的一个集约化管理奶牛牧场，属于棕色钠质溶胶土。

Flux and cumulative emissions of N₂O and N₂

研究发现，N₂O通量在处理后第一天达到峰值，而在100% WFPS和80 mg/kg硝酸盐浓度处理中，峰值出现在第二天。N₂O排放量随土壤湿度增加而显著增加，在100% WFPS条件下达到最高。值得注意的是，硝酸盐浓度对N₂O排放的影响在100% WFPS条件下更为明显，高硝酸盐浓度（80 mg/kg）处理的N₂O排放量显著高于低浓度处理。相比之下，N₂排放主要发生在80%和100% WFPS条件下，在60% WFPS时未检测到N₂排放。在100% WFPS条件下，N₂排放量显著高于80% WFPS，且不受硝酸盐浓度的影响。

Ratios of N₂O: (N₂O+N₂) and pathways of N₂O emissions

N₂O/(N₂O+N₂)产物比在实验初期（第2天）迅速上升后逐渐下降。在100% WFPS条件下，高硝酸盐浓度处理的产物比显著高于低浓度处理，而在80% WFPS条件下，两种硝酸盐浓度处理的产物比无显著差异。来源分析表明，在100% WFPS条件下，反硝化作用是N₂O排放的主要来源（占比超过70%）；而在80% WFPS条件下，反硝化作用和其它来源（硝化作用和硝化菌反硝化作用）对N₂O排放的贡献相当。

讨论与结论

本研究挑战了传统认为的“80% WFPS是N₂O排放峰值湿度”的观点，证实了在高硝酸盐浓度的饱和土壤中，N₂O排放量可以持续维持在较高水平。这种现象可能与反硝化微生物对硝酸盐和N₂O的利用偏好性有关：在缺氧条件下，微生物优先利用硝酸盐作为电子受体，产生N₂O，而将N₂O进一步还原为N₂的过程受到限制。

研究还观察到N₂O和N₂排放存在时间上的异步性：N₂O排放峰值先于N₂出现，这可能与反硝化相关酶系的合成顺序有关。硝酸还原酶在土壤中较为稳定，而氧化亚氮还原酶的合成存在滞后，导致初期N₂O积累。这一发现支持了关于土壤存在不同反硝化表型（连续型与并发型）的最新理论。

该研究的实践意义在于指出，通过合理管理氮肥（如使用硝化抑制剂）和灌溉（避免土壤饱和），可以降低牧场系统的N₂O排放和氮素损失。然而，高土壤湿度可能会影响硝化抑制剂的效果，这需要在更多土壤类型和田间条件下进行验证。

总之，这项研究深化了我们对高氮输入牧场系统中氮素气态损失机制的理解，为改进氮素管理策略、减少温室气体排放提供了重要科学依据。未来研究应关注不同土壤类型的反硝化表型差异，以制定更具针对性的减排措施。