近年来，温室气体排放导致的全球气候变暖引起了广泛关注。N₂O和CO₂是重要的温室气体，对温室效应的贡献率达到近80%^[1]，而CO₂的贡献率占了一半以上^[2]，N₂O 浓度虽然相对较低，但其增温潜势是CO₂的298倍，对全球变暖的贡献占温室气体总贡献的5%~6%^[3]。据IPCC（2014）综合报告，自1750年（工业革命）以来，大气中CO₂和N₂O浓度分别增加了40%和20%，且在2002—2011年间，CO₂浓度以每年（2.0±0.1）×10^-6的速率增加的最快，而N₂O浓度也以每年（0.73±0.03）×10^-9的速率不断增加^[4]。因此，对N₂O和CO₂排放的研究已成为各国的研究热点。

土壤是温室气体产生的重要来源，有关研究表明，大气中有5%~20%的CO₂和80%~90%的N₂O来源于土壤^[5]。土壤是陆地生态系统的碳氮库，其碳氮含量的变化与N₂O和CO₂排放密切相关。碳氮源的添加改变了土壤养分循环和微生物活性，进而改变了温室气体的产生与排放^{[6, 7]}。土壤中的氮素一方面促进有机质的矿化分解，产生CO₂，另一方面为N₂O的产生提供底物；而碳不仅为微生物活动提供碳源与能源，也为反硝化过程提供电子受体^{[8, 9]}。因此，土壤中碳氮含量或其比例及其生物有效性对有机质矿化与反硝化过程有重要控制作用。有研究表明，向土壤中添加碳氮源后明显促进了N₂O和CO₂排放^[10]；Lin 等^[11]研究表明施用氮肥显著促进红壤区农田N₂O排放；以葡萄糖作为外加碳源易促进土壤N₂O和CO₂排放^[12]；耿远波等^[13]对温带草原土壤的碳氮含量及温室气体通量的相关性研究显示N₂O通量与有机碳含量、C/N及CO₂通量均呈显著相关。虽然国内外已经有不少碳氮源对土壤温室气体排放的研究，但是有机碳含量不同土壤的温室气体对于外源碳氮的响应研究报道较少。本研究以湖北省秭归县不同有机碳含量的土壤为对象，运用静态培养法，设置室内培养试验，探究碳氮源对N₂O和CO₂排放的影响，以期明确N₂O、CO₂排放特征与土壤有机碳差异、碳氮含量的关系，从而为合理施肥及减缓全球温室气体的排放提供参考依据。

采集位于湖北省秭归县（30° 38′~31°11′N，110°18′~111°0′E）两种类型的表层（0~20 cm）土壤，两种土壤分别为有机碳含量不同的黄棕壤（Y）和紫色土（P），土地利用方式均为林地，主要树种有马尾松和樟树等。土样采集后，风干、磨细过2 mm筛备用。供试土壤基本性质见表 1。

表 1 土壤基本性质 Table 1 Basic properties of soil

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基于采集的两种不同有机碳含量土壤（黄棕壤和紫色土），研究80%WFPS条件下，外源碳氮添加和无外源碳氮添加对土壤N₂O和CO₂排放的影响。4种外源碳氮添加和无外源碳氮添加包括：对照（CK：未添加外源碳氮）、低氮处理（LN：硫酸铵，100 mg N·kg^-1）、高氮处理（HN：硫酸铵，400 mg N·kg^-1）、低氮配施碳处理（LNC：硫酸铵+葡萄糖，100 mg N·kg^-1+10 g Glu·kg^-1）、高氮配施碳处理（HNC：硫酸铵+葡萄糖，400 mg N·kg^-1+10 g Glu·kg^-1）。试验培养温度为25 ℃。

实验操作方法：称取不同土壤的风干样品100 g若干份，分别置于1000 mL培养瓶中，加入蒸馏水湿润土壤，培养 10 d以消除干湿效应，按上述试验处理将所需的硫酸铵和葡萄糖溶入蒸馏水，每一份土壤分别加入硫酸铵、葡萄糖。按试验要求用蒸馏水调节含水量80%（WFPS），每隔一天通过测重法保持含水量。用中间有两个小孔的硅橡胶塞塞住瓶口，在胶塞的两小孔中分别插入玻璃管，并在外端套上具三通阀的软管，作为气体取样口和交换口。在确认培养瓶密封性能完好后，将所有培养瓶放入生化培养箱中，在（25±1.0）℃下培养42 d。每个处理设6个重复，3个用于N₂O和CO₂浓度测定，3个用于培养结束时测定土壤可溶性有机碳（DOC）含量。

在培养开始后的第0.5、1、2、3、4、6、11、16、21、31、42 d采集气体样品，分别测定土壤N₂O和CO₂产生速率。采样前，反复抽气并通入大气使瓶内气体浓度与瓶外大气浓度平衡，采集培养瓶上部空间气体样本，作为初始气体浓度，记录采样时间，密闭静置培养2 h后，用注射器抽气3次，立即采集气体样品存入事先抽成真空的集气瓶中，并再次记录采样时间。

气样中的N₂O和CO₂浓度由气相色谱仪（Agilent 7890A）测定^{[14, 15]}。土壤样品中DOC含量采用德国Elementer Vario TOC仪测定。

采用Excel对不同处理3个重复对应的N₂O、CO₂排放量及DOC含量进行计算，采用SPSS16.0对不同处理N₂O和CO₂累计排放量及DOC含量进行方差分析，对N₂O和CO₂关系进行Pearson相关分析，采用Origin8.0对外加碳氮源对N₂O和CO₂排放影响及其相关关系进行图形绘制。

外加可溶性碳、氮源后N₂O排放通量的动态变化如图 1所示。黄棕壤与紫色土各处理N₂O排放时间动态表现基本一致。在培养初期，各处理N₂O排放通量较高，第1 d或第2 d达到峰值，之后随着培养时间的延长迅速下降，黄棕壤在培养第11 d后趋于稳定，而紫色土在培养第21 d后趋于稳定。土壤有机碳、微生物量碳等含量较高的黄棕壤N₂O平均排放通量和累积排放量均高于紫色土（图 1）。培养期间不同处理黄棕壤N₂O平均排放通量范围为2.69~15.18 μg·kg^-1·h^-1，各处理N₂O累积排放量大小顺序为LN>HN>LNC>HNC>CK；紫色土N₂O平均排放通量范围为0.10~2.24 μg·kg^-1·h^-1，各处理N₂O累积排放量大小顺序为HN>LN>HNC>CK>LNC（表 2）。

图 1 外加可溶性碳、氮后不同土壤N2O排放通量随时间动态变化 Figure 1 Temporal dynamics of nitrous oxide fluxes from different soils after additions of soluble C and N

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表 2 不同有机碳土壤N₂O 排放 Table 2 N₂O fluxes from soils with different organic carbon content

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与对照相比，外加氮源显著促进不同有机碳含量土壤N₂O排放。高有机碳含量的黄棕壤，LN和HN处理的N₂O排放均显著高于CK处理（P<0.05），但N₂O排放未随着施氮量的增高而增高，LN处理最高，N₂O累积排放量为4 145.99 μg·kg^-1，是CK处理的4.51倍。低有机碳含量的紫色土，LN和HN处理的N₂O排放也显著高于CK处理（P<0.05），且N₂O的排放随着施氮量的增高而增高，HN处理N₂O累积排放量为1 278.50 μg·kg^-1，是CK处理的9.02倍。

加入碳源后，与单施氮肥相比，紫色土N₂O累积排放量显著降低（P<0.05），LNC处理和HNC处理N₂O累积排放量分别为-21.18、173.59 μg·kg^-1，分别降低了102.92%和86.42%。与LN处理相比，黄棕壤LNC处理N₂O累积排放量显著降低了47.65%（P<0.05），但HNC处理N₂O累积排放量与HN处理差异不显著。同碳水平，黄棕壤与紫色土N₂O排放均随着施氮量的增加而升高（表 2），紫色土中HNC处理N₂O排放显著高于LNC处理（P<0.05）。

图 2为添加碳氮源后土壤CO₂随时间排放的动态变化。土壤CO₂排放通量在培养期内，表现为先增后降而后趋于稳定的状态，黄棕壤在第21 d已趋平稳，而紫色土在第11 d以后逐渐平稳。土壤有机碳、微生物量碳等含量较高的黄棕壤CO₂平均排放通量和累积排放量均高于紫色土（图 2、表 3）。培养期间不同处理黄棕壤CO₂平均排放通量范围为0.71~4.29 mg·kg^-1·h^-1，各处理CO₂累积排放量大小顺序为HNC>LNC>CK>HN>LN；紫色土CO₂平均排放通量范围为0.75~3.03 mg·kg^-1·h^-1，各处理CO₂累积排放量大小顺序为HNC>LNC>HN>CK>LN（表 3）。

图 2 外加可溶性碳、氮后不同土壤CO2排放通量随时间动态变化 Figure 2 Temporal dynamics of carbon dioxide fluxes from different soils after additions of soluble C and N

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表 3 不同有机碳土壤CO₂排放 Table 3 CO₂ fluxes from soils with different organic carbon content

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施氮对黄棕壤CO₂排放无显著影响，黄棕壤LN和HN处理CO₂累积排放量分别为532.21、685.07 mg·kg^-1，降低了25.50%和4.10%；与CK处理相比，高氮处理显著促进紫色土CO₂排放，紫色土HN处理CO₂累积排放量为637.78 mg·kg^-1，较CK处理提高38.73%，而LN处理对紫色土CO₂排放无显著影响。

加入碳源后，明显促进了两种土壤CO₂累积排放量（P<0.05），黄棕壤LNC和HNC处理CO₂累积排放量分别为2 309.02、2 664.31 mg·kg^-1，较单施氮肥增加了76.95%、74.29%。紫色土LNC和HNC处理CO₂累积排放量分别为1 263.71、1 347.85 mg·kg^-1，较单施氮肥增加了69.21%、52.68%。同碳水平，黄棕壤和紫色土CO₂累积排放量均随施氮量增加而增加，但差异不显著。

培养试验末期黄棕壤DOC含量范围为72.43~221.68 mg·kg^-1，紫色土DOC含量范围为64.09~87.85 mg·kg^-1（表 4）。外加氮源显著降低黄棕壤DOC含量（P<0.05），HN处理降幅大于LN处理，其可溶性有机碳变化量（Δ DOC）分别为94.48、51.78 mg·kg^-1；外加氮源对紫色土Δ DOC无显著影响。黄棕壤与紫色土的高氮配施碳处理对Δ DOC均有显著影响，培养结束后黄棕壤与紫色土HNC处理的DOC含量分别降低了149.25、23.76 mg·kg^-1，相应的CO₂排放均为最高值（表 3），土壤CO₂排放与DOC消耗有关。

表 4 培养结束时土壤可溶性有机碳含量 Table 4 Soil dissolved organic carbon content at the end of experiment

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不同处理条件下两种不同有机碳土壤的N₂O与CO₂排放通量之间的相关关系如图 3所示，黄棕壤N₂O与CO₂排放通量呈极显著正相关关系，其相关系数r²=0.439 2（P<0.01）；而紫色土N₂O与CO₂排放通量无显著相关性。这表明在较高有机碳含量的黄棕壤中，N₂O与CO₂有相似的生成环境和相对稳定的产率比。

图 3 外加可溶性碳氮源后N2O与CO2排放相关性 Figure 3 Correlation between N2O and CO2 emissions after additions of soluble C and N

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温室气体的产生与排放主要源于土壤中微生物参与的各种活动，并取决于土壤的性质，气候条件及向土壤中添加的肥料的组成。本研究中，土壤总有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量较高的黄棕壤各处理N₂O排放与CO₂排放均高于紫色土（图 1、表 2），且在对照处理时，黄棕壤N₂O和CO₂累积排放量分别是紫色土的6.49、1.83倍。主要是因为黄棕壤总有机碳和活性有机碳含量高，一方面使微生物活动加剧，呼吸作用增强，产生大量CO₂；另一方面，由于消耗了土壤中的O₂，形成厌氧环境，间接增强了微生物的反硝化作用，从而使N₂O排放增多。此外，黄棕壤偏酸性，酸性土壤中N₂O还原酶的活性易受抑制^[17]，使产生的部分N₂O无法进一步还原为N2，因此其N₂O排放较多。续勇波等^[18]研究结果表明有机碳含量高的土壤排放出较多的N₂O，李睿达等^[19]研究也表明土壤有机碳水平高的样地CO₂ 和N₂O排放通量显著高于有机碳水平低的样地。

氮素是影响N₂O排放的重要因素，土壤中NH₄⁺-N、NO₃^--N是硝化和反硝化作用最直接的底物，一般认为土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量越高，N₂O产生或排放越多^{[20, 21]}。本研究中氮素添加后，显著促进了两种不同有机碳含量土壤N₂O排放。因为在含水量为80%WFPS下，可能硝化和反硝化作用同时进行，但以反硝化作用为主，铵态氮肥的添加刺激土壤中NO₃^--N通过反硝化作用生成更多的N₂O和NO₂^--N，使N₂O排放增多^{[22, 23]}。史昊先等^[22]通过室内控制实验对湿地土壤N₂O排放研究结果表明，外源氮的添加促进了N₂O排放，李睿达等^[19]对桉树林温室气体的研究也表明，施氮对N₂O排放通量有显著的促进作用。许多研究均表明，N₂O排放随施氮量的增加而增加^{[24, 25]}。本研究中，低有机碳含量的紫色土N₂O累积排放量均随施氮量的增加而增加，但土壤有机碳含量较高的黄棕壤N₂O排放并未随着施氮量的增高而增高（表 2）。这可能是因为黄棕壤中高浓度的NH+4-N使产生的部分N₂O进一步转化为N₂，则高氮处理N₂O排放较低氮处理少，有研究证实土壤中的铵离子对N₂O还原有一定的促进作用^[26]。此外，氮素的添加能促进有机质的矿化分解，生成CO₂，但也有研究表明，氮素的输入对有机碳矿化产生抑制作用^{[27, 28]}。本试验中，外加氮源后，黄棕壤CO₂排放小于CK处理，可能是因为氮素使木质素分解酶活性降低^[29]，从而抑制了有机碳矿化，CO₂排放减少。李彬彬等^[30]研究也表明单施氮肥处理的CO₂排放小于CK处理。

碳氮配施后，紫色土LNC处理和HNC处理N₂O累积排放量较单施氮肥时分别降低了102.92%和86.42%，黄棕壤LNC处理和HNC处理N₂O累积排放量也降低了47.65% 和3.98%。土壤可溶性碳作为碳源为土壤微生物提供了丰富的物质和能源，也为反硝化作用提供了电子受体。随着碳源的增加，C/N逐渐增大，在碳贫瘠的紫色土中，反硝化菌群的反硝化作用是N₂O的主要来源^[10]，添加可利用性的易分解的碳源，显著地增强了反硝化作用，使反硝化作用持续进行，从而产生更多的N2。Sanchez-Martin等^[31]研究表明，在氮源基础上增加碳源，土壤N₂O排放减少；黄耀等^[32]研究也发现，N₂O的排放随土壤有机碳含量增加而减少。而朱霞等^[33]研究显示，添加碳氮源后促进了N₂O的排放；还有研究^[34]得出，添加碳源后，N₂O排放取决于观测的时间和土壤层次。本研究碳氮配施还明显促进了两种土壤CO₂排放，且HNC处理CO₂累积排放量大于LNC处理，因为可溶性碳的添加为土壤微生物提供速效基质和能源，增强微生物活性，加剧其对土壤有机碳的分解能力，刺激微生物呼吸作用，则CO₂排放更多^{[13, 35, 36]}。此外，本研究还发现培养试验末期，两种土壤DOC含量随碳氮源的增加而降低，与Sanchez-Martin等^[37]研究的对两种不同有机碳含量土壤外加碳氮源的试验也表明DOC含量降低一致。这可能是因为碳氮源的增加，加快了微生物生命活动，一部分DOC被微生物量固定或作为微生物代谢物释放到土壤中。

土壤中CO₂主要来自微生物与植物的呼吸作用，土壤微生物进行生命活动需要有机质作为能源，而有机质的分解又与硝化和反硝化作用有关，从而影响N₂O的产生。因此，N₂O与CO₂排放通量密切相关。本研究中相关性分析表明，高有机碳含量的黄棕壤N₂O排放通量与CO₂排放通量呈极显著性相关（P<0.01），而低有机碳含量的紫色土N₂O排放通量与CO₂排放通量没有相关关系。温室气体的排放受碳氮耦合作用的影响，有机碳含量越高，N₂O与CO₂排放通量对外源氮的响应越敏感。碳氮都是温室气体排放的限制因子，当有机碳含量高的时候，氮素成为限制因子，外源氮添加后，氮限制减弱，微生物可利用的碳氮源丰富，活性增强，N₂O与CO₂产生的各过程有序地进行，排放增强；而当有机碳含量低的时候，微生物可利用的碳源有限，即使在高氮水平下，N₂O与CO₂排放过程都会受到不同情况的抑制，也就可能导致在低有机碳的土壤上N₂O与CO₂排放无相关性。

Millar等^[38]通过研究向土壤中添加树林中的残留物对N₂O排放的影响发现，N₂O排放通量与CO₂排放通量显著相关；孙丽等^[39]对高有机质含量的沼泽湿地土壤的研究也发现，N₂O与CO₂排放二者之间相关性显著，与本研究结果一致。

（1）土壤总有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量较高的黄棕壤各处理N₂O排放与CO₂排放均高于紫色土。

（2）与对照相比，单施氮肥显著促进了两种土壤N₂O排放，其中紫色土N₂O的排放随着施氮量的增高而增高；与单施氮肥相比，高低氮配施碳处理均显著降低了紫色土N₂O排放，而黄棕壤仅低氮配施碳处理N₂O排放显著降低。外源碳的输入显著提高了两种土壤CO₂排放，单施氮肥对CO₂排放影响不大。

（3）高有机碳含量的黄棕壤N₂O排放通量与CO₂排放通量呈极显著性正相关，而低有机碳含量的紫色土N₂O排放通量与CO₂排放通量没有相关关系。这表明在高有机碳含量的土壤中，N₂O与CO₂有相似的生成环境和相对稳定的产率比。