深松耕作通过调控牧场土壤气体扩散性、氧气状况及微生物群落降低N2O排放

《Geoderma》：Subsoiling reduces N 2O emissions by altering the relative gas diffusivity, O 2 status and microbial communities in grazed pasture soil

本研究针对放牧牧场土壤因牲畜践踏压实导致N2O排放加剧的问题，开展了深松耕作对土壤理化性质、微生物过程及N2O排放影响的原位田间研究。结果表明，深松显著改善土壤大孔隙度、氧气有效性及相对气体扩散系数(Dp/Do)，使尿液处理和非尿液处理的N2O累积排放量分别降低81%和52%，且不影响牧草产量。研究证实Dp/Do可作为高氮负荷下N2O排放的预测指标，为牧场可持续氮管理提供了新策略。

　　

放牧牧场系统是全球温室气体排放的重要来源，其中氧化亚氮(N₂O)的增温潜能是二氧化碳的273倍，同时还会导致臭氧层损耗。牧场土壤由于牲畜频繁践踏和机械作业，容易发生压实，导致土壤结构破坏、大孔隙减少，进而影响气体扩散和水分运动。这种物理性质的改变会创造厌氧微环境，促进反硝化过程，从而显著增加N₂O排放。据统计，牲畜践踏导致的土壤压实可使N₂O排放量增加51%至814%。因此，如何有效缓解牧场土壤压实，减少N₂O排放，同时维持牧场生产力，成为当前农业环境领域亟待解决的重要问题。

传统上，深松耕作被用于缓解土壤压实，通过创造土壤剖面裂缝来改善土壤结构。尽管已有研究证实深松能够提高土壤大孔隙度、饱和导水率和空气渗透率，但其对土壤氧气状况、气体扩散特性以及N₂O排放的具体影响机制，特别是在高氮负荷（如尿液沉积）条件下的作用，尚不明确。为此，新西兰林肯大学土壤与环境研究中心的科研团队在《Geoderma》上发表了题为"Subsoiling reduces N₂O emissions by altering the relative gas diffusivity, O₂status and microbial communities in grazed pasture soil"的研究论文，通过原位田间试验系统评估了深松耕作对牧场土壤N₂O排放的调控机制。

本研究采用随机区组设计，设置不深松、深松、不深松+尿液、深松+尿液四种处理，在新西兰坎特伯雷地区的多年生黑麦草/白三叶草牧场进行为期175天的田间试验。研究人员综合运用了土壤物理性质分析（容重、孔隙度测定）、原位传感器监测（土壤温度、体积含水量、氧气含量、水势）、气体采样与色谱分析（N₂O通量和浓度）、土壤化学分析（铵态氮、硝态氮含量）以及分子生物学技术（实时定量PCR检测功能基因丰度）等多种方法，系统探究了深松耕作对土壤理化性质、微生物氮转化过程和N₂O排放的综合影响。

土壤物理性质变化

深松处理显著降低了土壤容重，提高了大孔隙度和总孔隙度。在0-10厘米和10-20厘米土层，深松处理的大孔隙度分别达到23.9%和18.2%，显著高于不深松处理的4.1%和4.8%。这种结构改善在深松后11个月仍然保持，表明深松效果具有较好的持久性。

土壤水分、氧气和气体扩散特性

在10厘米深度，深松处理的平均土壤体积含水量显著低于不深松处理。更重要的是，深松显著提高了各土层的氧气含量和相对气体扩散系数(D_p/D_o)。试验期间，深松处理土壤D_p/D_o低于0.02（反硝化发生的临界值）的天数为20天，远少于不深松处理的91天。

N₂O排放特征

尿液施用后，不深松+尿液处理的N₂O通量在第五天达到峰值（2951±829 g N ha^-1day^-1），而深松+尿液处理的峰值仅为364±49 g N ha^-1day^-1，降低了8倍。整个试验期间，深松+尿液处理的N₂O累积排放量为2802±788 g N₂O-N ha^-1，较不深松+尿液处理（14425±3422 g N₂O-N ha^-1）降低81%。非尿液条件下，深松也使N₂O排放降低了52%。

气体扩散系数与N₂O排放的关系

在尿液施用后的前15天内，土壤D_p/D_o与N₂O通量呈显著相关，不深松和深松处理的决定系数(R²)分别为0.87和0.59。这表明在高底物可用性条件下，D_p/D_o可以作为预测N₂O排放的有效指标。

微生物功能基因响应

尿液添加显著增加了氨氧化细菌(AOB)的amoA基因丰度，但深松处理对AOB、氨氧化古菌(AOA)、完全氨氧化菌(comammox)和亚硝酸盐氧化细菌(nxrB)的基因丰度影响有限。在反硝化功能基因方面，深松+尿液处理在多个时间点的nirK基因丰度显著低于不深松+尿液处理，而nirS、nosZ I和nosZ II基因对深松的响应不一致。

牧草生产性能

深松处理对总牧草干物质产量和氮吸收量无显著影响，表明深松在减少N₂O排放的同时，不会牺牲牧场生产力。

研究结论与讨论部分指出，深松耕作通过改善土壤结构，增强气体扩散能力，提高氧气有效性，从而有效抑制了反硝化和硝化菌反硝化过程，显著降低了N₂O排放。特别值得注意的是，虽然深松仅使土壤整体氧气含量提高约1%，但却导致了N₂O排放的大幅降低（52-81%），这可能与深松减少了厌氧微站点数量、改变了N₂O产生的垂直分布有关。在深松处理中，N₂O产生热点向深层土壤移动，增加了N₂O向完全反硝化产物N₂转化的机会。

该研究的创新之处在于首次在田间尺度上系统阐明了深松耕作通过调控土壤物理结构、气体扩散特性和微生物过程来减少N₂O排放的机制，并证实了D_p/D_o作为N₂O排放预测指标的实用性。研究成果为牧场系统可持续氮管理提供了重要理论依据和技术途径，对实现农业温室气体减排和粮食安全生产具有双重意义。