可持续管理策略对城市草坪氧化亚氮和二氧化碳减排效应的研究

《Urban Ecosystems》：Minimizing N2O and CO2 emissions from urban lawns through sustainable management strategies

为应对城市草坪常规管理（如矿质施肥、灌溉）导致温室气体排放增加、碳足迹扩大的问题，本研究评估了11种常规与替代草坪管理措施对CO2和N2O排放的影响。研究发现，有机肥可显著降低N2O排放，每年修剪一次的草坪CO2排放低于常规管理，而草屑与落叶回收则未显著增加温室气体排放。该研究为城市绿地实现低碳、可持续管理提供了关键科学依据。

　　

在城市中，一片片绿茵茵的草坪不仅是居民休闲活动的场所，更是城市生态系统不可或缺的组成部分。它们可以占城市绿地(UGSs)面积的50-70%，在固碳、调节微气候、提供生物栖息地等方面扮演着关键角色。然而，为了维持草坪的“完美”外观，常规的管理措施——如频繁施用矿质肥料、定期灌溉和高频率修剪——背后却隐藏着巨大的环境代价。这些做法会显著增加土壤中强效温室气体氧化亚氮(N₂O)的排放，并贡献可观的二氧化碳(CO₂)排放，使得草坪的碳足迹居高不下。有研究指出，一块被高强度管理的草坪，其二十年间的碳排放甚至可能超过其固碳潜力。换言之，我们为维护草坪美观所付出的环境成本，可能正抵消甚至超过其带来的生态效益。这引发了一个紧迫的问题：我们能否找到更可持续的草坪管理方式，在维持其社会与生态功能的同时，大幅减少其对气候变化的负面影响？

为了回答这个问题，由T. Künnemann, P. Cannavo, V. Guérin, R. Guénon等研究人员在法国昂热进行了一项为期两年的深入研究。他们的目标是系统评估包括常规方法和替代方法在内的11种不同草坪管理措施，对CO₂和N₂O这两种关键温室气体通量的影响。研究特别聚焦于对比矿质施肥与有机施肥的效果，并探索了降低修剪频率、回收草屑及树木落叶等“生态友好”型措施的实际减排潜力。这项研究的结果发表在《Urban Ecosystems》期刊上，为城市绿地管理者提供了基于实证的科学决策依据。

为了开展这项研究，作者在法国昂热的一处已有18年历史的草坪上，设立了33个试验小区，对比了11种管理措施，每种措施重复3次。研究采用了两种测量策略：一是“整体特征策略”，在2023年和2024年的春、夏、秋三季，每周对所有处理进行一次温室气体通量测量，共13次；二是“施肥特征策略”，在2024年三次施肥后的7天内，对矿质施肥(Min)、有机施肥(Org)和无肥对照(M7_E)进行高频监测（13次测量）。气体通量（CO₂和N₂O）的测量使用傅里叶变换红外分析仪(DX4040, Gasmet)连接密闭舱室进行。同时，研究者监测了土壤温度、体积含水量，并计算了充水孔隙度(WFPS)。在施肥特征策略中，还在每次气体测量的同时采集了土壤样品，分析其中的铵态氮(NH₄⁺)和硝态氮(NO₃^-)浓度，并记录了草坪的地上生物量产量。所有数据均通过重复测量方差分析(rm-ANOVA)等统计方法进行处理，以确定不同处理和不同时间对温室气体通量和土壤矿质氮的显著影响。

CO₂和N₂O通量取决于草坪管理方式

从2024年3月到10月的监测数据显示，不同处理间的CO₂通量随时间变化模式相似，均在7月较高，9月较低。年均CO₂通量在每年仅修剪一次并保留草屑(M1Y_R)的处理中最低，为752 mg CO₂m^-2h^-1，显著低于每周修剪并施用矿质肥的常规处理(Min)的1147 mg CO₂m^-2h^-1。这表明减少修剪频率可以降低CO₂排放。相比之下，年均N₂O通量则在Min处理中最高(0.1 mg N₂O m^-2h^-1)，显著高于其他所有处理(0.003-0.02 mg N₂O m^-2h^-1)。N₂O排放在施肥后迅速升高，尤其是在Min处理中，在三月、七月和十月施肥后分别达到了0.75、0.25和0.26 mg N₂O m^-2h^-1的峰值。而其他处理（包括有机肥、不同修剪频率及落叶回收处理）的N₂O通量始终维持在很低水平。CO₂通量与土壤温度呈线性正相关。

施肥对碳氮动态的影响

气候条件：2024年施肥期间（3月、7月、10月）降雨较多，土壤充水孔隙度(WFPS)时常超过40%，这为反硝化作用（微生物在缺氧条件下将硝酸盐转化为氮气或N₂O的过程）创造了条件。

土壤矿质氮含量变化：矿质施肥，以及在较轻程度上有机施肥，在施肥后6小时内迅速提高了土壤中的NH₄⁺和NO₃^-含量。Min处理的矿质氮含量始终显著高于Org和M7_E（无肥对照）处理。特别是在3月，Min处理的NO₃^-峰值高达182 mg N kg^-1，远高于7月和10月，表明早春草坪对氮的利用效率较低。

CO₂和N₂O通量：在3月和7月，各处理间CO₂通量无显著差异，仅在10月Min处理高于对照。N₂O通量则明确显示，Min处理在每次施肥后都引发了显著的排放峰，而Org和M7_E处理的通量始终极低。N₂O排放动态因施肥季节而异：3月排放持续较久（2-99小时），7月排放延迟启动（23小时后），10月则出现剧烈但短暂的峰值（施肥后4小时）。较高的N₂O通量通常出现在WFPS超过40%时。7天累积N₂O排放量在Min处理中最高（3月70 mg N m^-2，7月39 mg N m^-2，10月34 mg N m^-2），而Org处理的累积排放量比Min低8.1倍。以施入氮肥的比例计算的排放因子(%N_fert)在Min处理中为0.5-1.2%，在Org处理中则低得多。

地上草坪生物量：到实验结束时，Min和Org处理累积产生了相似的高生物量（约590 g dw m^-2），而无肥对照(M7_E)的生物量则低1.8倍（328 g dw m^-2）。这表明有机肥在维持草坪生产力的同时，大幅减少了N₂O排放。

研究的讨论部分深入剖析了这些发现的意义。首先，矿质施肥是N₂O排放的主要贡献者。本研究中观测到的N₂O排放峰值高于许多温带气候下的研究报告，可能与使用了速效矿质肥有关。使用缓释肥或添加硝化抑制剂是潜在的减排手段。研究还发现，早春（3月）施肥后土壤NO₃^-含量异常高，而草坪生长受温度限制，氮利用效率低，导致了更高的N₂O排放风险和硝酸盐淋失风险。因此，推迟或取消早春施肥，让草坪利用土壤中已有的矿质氮，可能是更高效环保的选择。本研究中矿质肥的N₂O排放因子与政府间气候变化专门委员会(IPCC)对湿润气候区管理土壤的默认值范围相符。更重要的是，研究验证了使用有机肥可显著减少N₂O排放的假设。这是首项针对城市草坪使用固体有机肥的研究，发现有机肥在保持与矿质肥相似草坪生物量的前提下，其累积N₂O排放可忽略不计。这归因于有机肥中的氮需经微生物矿化才能释放，过程缓慢，降低了土壤中矿质氮的即时可用性，从而抑制了硝化和反硝化过程。

其次，研究发现降低修剪频率和回收凋落物具有较低的温室气体排放潜力。每年修剪一次的处理(M1Y_R)CO₂排放最低，这可能是由于施肥刺激的微生物活动和植物自养呼吸减少，以及低修剪频率限制了净初级生产和碳输入。与假设相反，在草屑或树木落叶（栎树、辐射松及其混合）回收的处理中，并未观察到CO₂排放的显著增加。这可能是因为衰老落叶的高碳氮比(C:N)和木质素含量延缓了其分解。尽管在秋季WFPS较高时，某些落叶处理出现了轻微的N₂O排放，但总体而言，凋落物回收的温室气体排放潜力很低。考虑到其在增加土壤碳储存、改善水分下渗和提升生物多样性方面的广泛益处，这无疑是一项可持续的实践。

最后，研究者对土地管理者提出了明确建议。基于两年数据的可重复性，他们倡导转变城市草坪管理策略。理想情况下应避免施肥，仅靠归还草屑即可维持草坪。当必须施肥时，固体有机肥是优于矿质肥的选择，可大幅减排而保持产量。若使用矿质肥，应选择缓释型或含硝化抑制剂的产品。降低修剪频率能有效减少管理活动本身的碳足迹，应予以鼓励。而回收草屑和落叶对土壤温室气体排放影响甚微，且有多重生态效益，值得推广。尽管两年实验不足以检测土壤碳库的变化，但长期（5-10年）研究有望证实这些措施对增汇的贡献。该研究为城市决策者提供了清晰、可操作的科学证据，推动城市绿地从“高维护、高排放”向“低干预、高效益”的可持续模式转型。