羅天相 謝芳芳

摘要：秸稈還田是常見的農(nóng)業(yè)管理措施，有固氮和增加溫室氣體排放量的作用。N2O是一種重要的溫室氣體，秸稈的碳氮比與土壤N2O排放量密切相關(guān)。秸稈半量還田與秸稈全量還田均可能促進(jìn)N2O排放，增排效應(yīng)與施氮水平相關(guān)，也與秸稈還田時間密切相關(guān)。翻耕還田減少了N2O的排放量，同時抑制土壤中CH4的排放，有利于農(nóng)田N2O減排。土壤N2O排放受秸稈殘體、土壤理化性質(zhì)和栽培方式的交互影響。施用秸稈時配施硝化抑制劑，能有效減緩硝化作用，降低N2O釋放量。秸稈還田后加入蚯蚓，可促使N2O排放量的增加。秸稈還田對溫室氣體排放過程影響復(fù)雜，不能單用減排概括。

關(guān)鍵詞：秸稈;植物殘體;N2O排放;還田;研究進(jìn)展

中圖分類號： S154.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0001-05

氣候變化及溫室氣體排放是全球關(guān)注的熱點，2017年3種主要溫室氣體CO2、CH4和N2O在大氣中的含量達(dá)到80萬年來的最高水平。造成全球氣候變暖的首要因素是人類生產(chǎn)與活動所導(dǎo)致的溫室氣體排放[1]。N2O對全球變暖有明顯作用，百年尺度全球變暖潛勢是CO2的298倍[2]，對大氣溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)到5%，僅次于CO2及CH4。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是溫室氣體的主要排放源，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有數(shù)量龐大的碳儲庫，碳儲量達(dá)17×1014 kg，占全球陸地碳儲量的10%以上[3]，大氣中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及其相關(guān)過程[4]。秸稈是一種可再生有機資源，秸稈還田處理能夠有效減少焚燒秸稈所造成的溫室氣體排放及環(huán)境污染，此外，還能促進(jìn)土壤有機質(zhì)含量及土壤肥力的增加，改善土質(zhì)，促進(jìn)作物增產(chǎn)。我國南稻北麥的種植體系使得作物秸稈數(shù)量巨大，種類繁多，年秸稈產(chǎn)生量約6×108 t[5]。雖然秸稈還田有重要的生態(tài)意義，能夠有效遏制焚燒所引起的溫室效應(yīng)，但秸稈還田對N2O排放的影響仍存爭議。秸稈還田可能導(dǎo)致土壤N2O排放量的增加[6]或無顯著影響[7]，秸稈堆制還田后，甚至可抑制土壤N2O的排放。秸稈的不同施用方法對土壤N2O的排放影響亦有差異，直接覆蓋土壤表層對N2O排放有促進(jìn)作用;而均勻混施有可能減少N2O的排放量[8]。眾多研究結(jié)果表明，作物莖稈還田對N2O排放的作用過程復(fù)雜，不能單用減排概括。因此，本文綜述近年來相關(guān)科研文獻(xiàn)，評價秸稈施用對土壤N2O排放的影響及可能原理，明確秸稈施用在土壤N2O減排中的作用。

1?不同碳氮比秸稈及植物殘體對N2O排放的影響

秸稈、植物殘體種類與土壤N2O的排放密切相關(guān)。薈萃（Meta）分析表明，莖稈碳氮比（C/N）對N2O排放量的加權(quán)平均效應(yīng)值大于0，即植物體C/N與N2O排放量相關(guān)[9]，易被分解的C影響了N2O排放[10]。

田間試驗發(fā)現(xiàn)，在不施化肥情況下，加入秸稈殘體處理的N2O排放量顯著增加，且添加C/N最小的菜餅處理組N2O排放的增加量最大[11]，伍玉鵬等田間試驗結(jié)果[12]與此結(jié)論基本一致，在C/N最大的甘蔗渣處理中，N2O排放量與對照相比甚至降低了3%，這可能是由于C/N為118.7的甘蔗渣N含量過低，導(dǎo)致N相對不足，加劇了硝化細(xì)菌與非自養(yǎng)微生物之間對NH4+的競爭，進(jìn)而使N2O排放量降低[13]。Shan等[14]與王麗媛等試驗結(jié)果[11]一致，秸稈C/N與N2O排放的效應(yīng)值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

稻稈還田適量時，土壤氮素的氨化和氨氧化均能影響N2O排放[15]。土壤微生物對不同C/N秸稈殘體的分解速率不一致，碳氮比為（25～30）/1時更適宜微生物分解有機質(zhì)，而高C/N殘體因碳源過高、氮源相對不足而影響植物體分解速率[16]，加強微生物對土壤礦質(zhì)氮的固定，因而使氮基質(zhì)減少[17]，并可能減少nosZ型反硝化細(xì)菌多樣性，降低N2O、N2O+N2 產(chǎn)物比[18]，最終使N2O排放量減少。當(dāng)施加秸稈的C/N不高于（25～30）/1時，微生物活性較強，加快秸稈腐化過程，且微生物對有效氮固定減弱，使得土壤含有的氮基質(zhì)增多[19]，進(jìn)而促進(jìn)微生物的硝化、反硝化作用[20]，使N2O排放量增加[11]。

2?秸稈的不同田間施用量及還田年限對N2O排放的影響

秸稈全量還田與半量還田是農(nóng)田常見管理措施，但是秸稈的不同田間施用量對N2O排放的影響目前仍未達(dá)成統(tǒng)一觀點。在玉米栽培期間，N2O排放量在不同時期有較大差異，施用基肥后，秸稈全量還田對N2O排放量的促進(jìn)作用明顯低于半量還田，與只施氮肥的對照組相比，秸稈還田增加了土壤N2O排放量，但與對照差異不顯著;在玉米田間試驗期，N2O排放量表現(xiàn)為半量秸稈還田>對照組>全量秸稈還田，在一定程度上，秸稈全量還田抑制了土壤N2O脈沖排放（短期的瞬間排放）[21]。而利用麥稈還田的試驗研究則表明，與對照處理（不加麥稈）相比，麥稈半量還田與全量還田均對農(nóng)田N2O排放有促進(jìn)效應(yīng)，麥稈全量還田對農(nóng)田N2O排放的增排效應(yīng)較半量還田高[22]。

當(dāng)施氮量（以N計算）為0～240 kg/hm2時，土壤N2O的排放量隨農(nóng)田施氮量的增加而增加;但隨著施氮量的進(jìn)一步增加，達(dá)到241～300 kg/hm2時，農(nóng)田N2O的排放量可能隨施氮量增加而減少[9]。秸稈的田間施加量達(dá)到400 kg/hm2 的高施氮水平時，秸稈還田抑制反硝化作用，減少N2O排放量[23]。施氮量達(dá)到600 kg/hm2的高施氮水平時，秸稈還田后玉米、小麥整個生長季的N2O排放通量降至最低水平[24]。

考慮到還田年限，有研究者認(rèn)為，土壤氨氧化細(xì)菌（amoA）和反硝化細(xì)菌（nirS）群落組成與秸稈還田時間存在顯著相關(guān)性[25]，持續(xù)多年的秸稈還田會促進(jìn)N2O排放[26]。在稻麥輪作體系中，秸稈不同還田年限的影響試驗卻表明，1年還田秸稈和5年還田秸稈顯著抑制了N2O的排放，多年的秸稈持續(xù)還田仍能有效減少N2O的排放量，但是長期秸稈還田對降低溫室效應(yīng)的作用可能減弱[27]。

3?不同秸稈還田方式對N2O排放的影響

在農(nóng)田管理中，秸稈殘體可以通過直接或間接的方式進(jìn)行還田處理。直接還田分為留高茬還田、機械粉碎翻耕還田（類似于混施）和覆蓋還田（類似于表施）。集中溝埋還田、表面覆蓋還田、旋耕還田和秸稈不還田對N2O排放影響的試驗表明，短期還田時，與不還田處理相比，不論何種秸稈施用方式均促進(jìn)N2O的排放，表現(xiàn)為秸稈表面覆蓋還田>旋耕還田>溝埋還田[28]。Ma等通過田間試驗研究秸稈焚燒后還田、翻耕還田、覆蓋還田3種還田方式對N2O排放的影響，結(jié)果表明，不同施用方式對于N2O排放的影響有顯著差異[29]。翻耕還田（混施）減少了N2O約3%～18%的排放量，同時抑制了土壤CH4的排放，但覆蓋還田（表施）可能顯著增加土壤中N2O的排放量[30]，所以秸稈翻耕還田（混施）的施用方式或許更有助于農(nóng)田N2O減排。而在通氣性良好的土壤中，翻耕還田對N2O的排放亦具有增強作用[30]。盡管翻耕還田可能降低了土壤N2O的排放量，但是其CH4排放量可能較覆蓋還田方式高[31]，判斷全球變暖潛勢時，需要考慮各溫室氣體的綜合效力。

考慮到不同施用方式的差異性，當(dāng)秸稈以帶狀覆蓋的方式還田（表施）時，未遮蓋的土壤與空氣接觸，利于硝化反應(yīng)的發(fā)生，抑制反硝化作用將N2O還原為N2[32]。此外，在不同的還田方式處理中，微生物對植物殘體的分解速率有差異[33]。植物殘體混施還田與表施還田相比，表施時植物殘體集中分布于土壤表面，而混施時植物殘體則均勻分布于土壤中，氧氣對混施還田的限制性較弱，因此混施可能會降低N2O排放量。

關(guān)于還田方式差異對N2O排放效應(yīng)的研究國內(nèi)外學(xué)者尚未有一致定論，且秸稈還田田間試驗受天氣影響較大，目前關(guān)于此方面研究尚不足。

4?不同種植體系對N2O排放的影響

作物的種植制度對N2O排放具有一定的影響，稻麥輪作試驗表明，秸稈還田在水稻生長期可能顯著減少N2O排放，在麥季則可能增加N2O排放量[34]。在水旱輪作的種植體系中，施加秸稈使水稻季的N2O排放量顯著降低了12%，但CH4排放量增加;而在雙季水稻的種植制度下，與不還田的對照處理相比，秸稈還田顯著增加了土壤N2O的排放量，達(dá)到對照處理的2.1～2.9倍[35]。一般認(rèn)為，稻麥輪作耕作制度下，施加的水稻、小麥莖稈C/N較高，農(nóng)田土壤微生物易固定無機氮，進(jìn)而影響土壤反硝化過程，減少農(nóng)田N2O的排放量[36]。但該結(jié)論在雙季稻田不適用，有待進(jìn)一步進(jìn)行研究[35]。

研究數(shù)據(jù)表明，添加秸稈會促進(jìn)單作或間作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的動態(tài)轉(zhuǎn)化，減少N2O的排放量[37]。與單作配施植物殘體的種植方式相比，在玉米大豆的間作體系中無論添加玉米殘體還是大豆殘體，N2O的排放量均顯著減少;在單作體系中植物殘體來源單一，復(fù)雜的相互作用使土壤微生物群落活性增加，改變土壤氮素的動態(tài);間作栽培時，混合不同秸稈殘體處理作為一種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理做法，或許有助于減少N2O的排放量[38]。間作是一種可持續(xù)的土地管理方式，然而，還需要進(jìn)一步的研究，以更好地了解來自混合或單一秸稈殘體處理的土壤中氮組分之間的相互作用效應(yīng)，這有助于理解秸稈添加（或清除）對溫室氣體特別是N2O排放量影響的差異性[37]。

5?不同的土壤環(huán)境條件下施加秸稈對N2O排放的影響

土壤環(huán)境條件復(fù)雜，其理化性質(zhì)對微生物生理活動的影響及制約性大，不同環(huán)境對N2O排放的影響有所差異。施加秸稈后，土壤N2O排放受秸稈殘體與土壤不同形態(tài)C、N及土壤含水量等多種土壤理化性質(zhì)的交互影響。

5.1?土壤類型對N2O排放的影響

基于Meta分析，研究不同區(qū)域及土壤類型下植物殘體還田對N2O排放的影響，結(jié)果表明，在華中及華北地區(qū)施加植物殘體能顯著增加N2O排放量，但在華東地區(qū)土壤N2O的排放量則有所減少[9]。土壤pH值接近中性時，能顯著增加N2O排放量，偏酸性或堿性時，均對N2O的排放有抑制效應(yīng)。土壤黏粒含量小于15%時（如沙土、壤土），施加植物殘體會抑制N2O排放，土壤黏粒含量為15%～25%時（如黏壤土），施加植物殘體則對N2O排放有促進(jìn)作用。土壤酸堿度越小，土壤的有機物分解速率越慢[39]，主要是由于土壤堿性越強，鐵氨氧化速率越快[40]，使得銨態(tài)氮含量減少，進(jìn)而可能導(dǎo)致N2O排放減少。

參與氮素相關(guān)反應(yīng)的微生物更適宜在非酸性環(huán)境中生存[41]。土壤酸堿度通過改變微生物的反應(yīng)活性來影響微生物主導(dǎo)的硝化、反硝化過程，使土壤N2O的排放量發(fā)生變化。施加秸稈于強酸性土壤中，也許能抑制微生物的硝化、反硝化過程，使N2O排放量降低[42]。土壤pH值可改變微生物反硝化酶Nos的活性，進(jìn)而影響N2O排放;當(dāng)pH值>7時，反硝化酶Nos活性增強;當(dāng)pH值<7時，反硝化酶Nos活性隨酸性增強而減弱，而其他反硝化酶的活性變強，從而產(chǎn)生更多的N2O[43]。

5.2?土壤含水量對N2O排放的影響

在作物秸稈覆蓋還田時，N2O排放量受土壤孔隙水含量（WFPS）的影響[44]。研究表明，WFPS為35%～60%時，硝化作用是農(nóng)田土壤N2O排放的主要來源，而在土壤WFPS為70%時，農(nóng)田N2O排放量幾乎均來源于反硝化作用[45]。當(dāng)土壤完全淹水時，反硝化作用的產(chǎn)物以N2為主，會降低土壤N2O的排放量[45]。水淹環(huán)境中的土壤N2O排放量極少，而干濕輪換環(huán)境的土壤N2O排放量有所增加[46]。

在旱地施加植物殘體往往能起到保水保溫作用，并在土壤表層形成局部厭氧微環(huán)境，加強反硝化作用，刺激N2O排放[9，30]。土壤含水量與施加秸稈的交互作用有時并不明顯[34]，但在濕潤的氣候環(huán)境中，不同的土壤性質(zhì)與秸稈覆蓋則具有相關(guān)性，會導(dǎo)致土壤N2O排放出現(xiàn)不同變化[47]。植物殘體還田為土壤微生物供應(yīng)了大量的碳、氮基質(zhì)，對N2O排放可能存在增強或減弱作用[46]。土壤含水量和植物殘體還田對N2O排放影響的田間試驗表明，N2O排放量與土壤的含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)農(nóng)田處于長期淹水環(huán)境下時，植物殘體還田對土壤N2O排放量的影響不顯著，但在淹水條件解除后，N2O的排放量則顯著增加[30]。

6?配合施用硝化抑制劑對N2O排放的影響

在耕作土壤中，施用秸稈或礦物氮肥時配施硝化抑制劑，能有效減緩硝化作用，降低N2O排放量[48]。3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）是一種較常用的硝化抑制劑，在耕作前噴施可以減少秸稈殘體分解過程中N2O的排放量，同時又不影響土壤肥力[33]。

Kong等通過一個微系統(tǒng)的培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，噴施DMPP在施加植物殘體（三葉草）的土壤處理中，可以顯著減少土壤N2O的排放量，且DMPP對非目標(biāo)土壤微生物或功能基因無不良影響[33]。DMPP對反硝化酶活性無抑制作用[49]，對N2O的減排效應(yīng)很可能是因為抑制了土壤氨氧化過程，減緩了NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)化，為土壤剖面中微生物吸收和固定NH+4提供了機會[33]。0.5～1.5 kg/hm2的硝化抑制劑低施用量有助于N2O的減排[50]。DMPP水溶性低，降解速度慢，可降低NO3-浸出量和N2O排放量[51]。

考慮植物殘體在田間不同的施加方式，噴施DMPP能顯著降低殘體表施處理的N2O累積排放量，但殘體混施時，DMPP的減排作用則并不顯著[33]。與表施植物殘體集中于土壤某個層級不同，混施植物殘體在土壤基質(zhì)中的分布更均勻，有助于減少反硝化過程中氧氣的限制性（局部厭氧環(huán)境促進(jìn)土壤反硝化作用并導(dǎo)致N2O排放量增加），因此與犁耕（表施）不同，旋耕（混施）可減少土壤N2O排放量，但是不同施用方式對N2O排放的影響也需考慮到天氣情況[33]。

與單獨使用DMPP相比，DMPP與化肥或糞肥一起使用對N2O排放的影響更顯著，可減少約40%的N2O排放量[52]。然而，土壤中的植物殘體與氮肥結(jié)合也許會促進(jìn)N2O排放[53]。土壤礦質(zhì)氮含量高時，可溶性有機碳增加會刺激反硝化作用，從而增加N2O的排放量[54]。

有關(guān)肥料對農(nóng)田N2O排放量的影響尚無統(tǒng)一觀點，相比于有機肥料（如動植物殘體），施加氮肥可能更能增加土壤N2O的排放量[55]，但也有試驗得出不同結(jié)論[56]。Menendez等研究得出，在礦物氮肥施用后添加DMPP能顯著降低農(nóng)田N2O排放量，但硝化抑制劑的效果在很大程度上取決于環(huán)境條件[57]。

7?蚯蚓與秸稈殘體的相互作用對N2O排放的影響

蚯蚓被認(rèn)為是移動的N2O排放源，蚯蚓的活動與N2O排放密切相關(guān)[58]。蚯蚓的生理活動能改良土質(zhì)，改善土壤孔隙度及其保水能力。蚯蚓參與了秸稈殘體的分解與土壤的碳氮循環(huán)，間接影響N2O的排放[59]。蚯蚓通過取食活動、排泄蚓糞等促進(jìn)植物殘體的礦化，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓會影響土壤硝化與反硝化菌的可利用基質(zhì)，間接促進(jìn)N2O排放[33]。羅天相等研究也表明，不論秸稈表施處理還是混施處理，加入蚯蚓后，均可能促使N2O排放量的增加，其中表施植物殘體時，接種蚯蚓在整個實驗周期內(nèi)均顯著促進(jìn)了N2O的排放，但在混施植物殘體時，接種蚯蚓在實驗后期對N2O的排放無明顯促進(jìn)作用;接種蚯蚓后土壤銨態(tài)氮含量變化不大，硝態(tài)氮含量顯著增加，尤其是殘體表施并接種蚯蚓時[60]，而N2O的排放量與土壤硝態(tài)氮含量有關(guān)。

蚯蚓在田間的自然種群密度較高，耕作層中蚯蚓的種群密度可達(dá)272條/m2[61]，蚯蚓的生物量約為68.04 g/m2，而草地生態(tài)系統(tǒng)可達(dá)161 g/m2[62]。蚯蚓身體的含水率約為84%，蚯蚓干組織中含氮量約為11%。每平米田間蚯蚓死亡后約可以貢獻(xiàn)0.7 g氮[33]，在培養(yǎng)試驗中，盡管蚯蚓生物體的氮含量遠(yuǎn)低于田間氮肥施用量或植物殘體氮源輸入量，但也是一個不容忽視的氮源。

蚯蚓生活型的差異使不同蚯蚓取食和生活習(xí)性有較大不同，蚯蚓取食、分解土壤中的秸稈殘體，整個分解過程受土壤性狀和蚓種的相互影響。接種蚯蚓并配施秸稈后，其復(fù)雜的相互作用及內(nèi)在的排放機理仍不明確[63]。

8?小結(jié)與展望

秸稈還田作為全球普遍使用的田間有機管理措施，對溫室氣體特別是N2O排放量影響值得關(guān)注[64-65]。N2O的排放會受到各種獨立或相互作用的生物、物理因素影響，作物殘體組成和質(zhì)量、輪作順序、殘體碳氮比、植物殘體還田量均會對土壤氮素的動態(tài)變化產(chǎn)生影響，這是因為植物殘體的生化組成對氮素可利用性、硝化與反硝化作用具有影響[66]，從而影響N2O的排放。硝化和反硝化反應(yīng)是產(chǎn)生N2O的重要途徑，受多種因子影響，如土壤性質(zhì)、土壤環(huán)境、施肥及土壤微生物數(shù)量和活性等，由于土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的大田試驗和培養(yǎng)試驗很難深入研究土壤生物地球化學(xué)過程，準(zhǔn)確理解土壤C、N代謝過程。未來可以通過現(xiàn)代分子生物學(xué)手段及同位素示蹤技術(shù)，利用Meta分析，明確秸稈施用后，土壤硝化與反硝化過程中的關(guān)鍵功能菌代謝過程，進(jìn)而徹底了解秸稈及植物殘體施用在農(nóng)田土壤N2O減排中的作用。

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