氧化亚氮（N₂O）是除二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）以外的第三大温室气体，由于其增温潜势大、大气滞留时间长、破坏臭氧能力强等特点而备受关注^[1]。尽管N₂O相对于CO₂来说浓度低、增长率小，但其百年增温潜势是CO₂的296倍，是CH₄的13倍^[2]。目前大气中N₂O浓度持续上升，已经达到了325.1 nL·L^-1，比工业革命前增加了20%^[3]。土壤微生物硝化反硝化作用的释放是大气中的N₂O主要来源之一，而在自然状况下由于受土壤中氮素的限制，N₂O排放量有限。人类的活动导致土壤氮素水平增加，土壤N₂O排放量大幅增加，据估计，大气中70%的N₂O来自土壤，农田土壤更是全球N₂O最主要的排放源^[4]。

茶树主要分布在亚热带丘陵地区，属于多年生常绿植物，是我国重要的经济作物。春季是茶树生长和采摘最重要的季节，茶农为提高茶叶年产量和品质，一般在春季大量施肥，加上春季降雨量大和气温较高，造成春季茶园土壤N₂O排放较高。受施肥管理措施和茶树生长等因素的影响，不同植茶年限茶园土壤性质一般不同^[5]，因而不同植茶年限茶园N₂O排放及影响因子存在差异。当地茶园达到一定植茶年限后就会改种树木，香樟树和马尾松是当地广泛改种的两种树。因此，本文以湖北咸宁红壤丘陵区土壤为对象，研究春季期间50年茶园、20年茶园和樟树-马尾松混交林林地土壤N₂O排放特征，并探讨影响茶园和林地土壤N₂O排放的重要环境因子，为编制园林地土壤N₂O排放清单提供可靠数据，以期为制定减少茶园氮素损失和N₂O排放的有效措施提供科学指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地位于湖北省咸宁市（29°02′~30°18′N，133°31′~144°58′E）贺胜桥镇。该地属于中亚热带丘陵区，年平均降水量1 577.4 mm。本实验分别选取当地植茶年限为45~55 年、20~25 年和茶园附近的樟树-马尾松混交林林地（W）作为研究样地，2种植茶年限的样地分别记为50年（50 a）和20年（20 a）。

观察期从2013年2月初开始至5月底结束，共102 d。按当地习惯，每次施肥时开5~10 cm深沟将肥料施入后覆土。茶园分别于3月7日施尿素，4月2日施尿素+鸡粪，5月4日施尿素，施氮量分别为100、150、50 kg N·hm^-2。林地为樟树-马尾松混交林，地面长有杂草，树龄10~15年，林地不施肥。降雨量的资料从咸宁红壤综合试验站内的气象站获得，观测期采样点降雨量的季节性变化如图 1。5月份的降雨量较大，占整个观察期间降雨量的41%。

1.2 样品采集 1.2.1 气体的采集

采气用静态箱法，气体采样箱为圆形不锈钢圆筒，高25 cm，直径20 cm。采样箱箱盖上有两个孔分别固定有玻璃管，其中一根连接一密封气袋置于箱内，用来调节采样箱内的压强，另一根连接一带有三通阀的橡胶管用来采集气体。在50年茶园、20年茶园和林地中各安放3个采样箱，按相同方法重复采样三次。采样前，去除土壤表层凋落物，将采样箱垂直插入土壤表面以下5 cm并将箱周围压实，以防漏气。茶园采样箱置于茶树行间，林地采样箱置于树木之间，相互间隔2～3 m，每隔5～8 d采样一次。用注射器先抽取采样箱上空大气气样作为空白对照，隔20 min抽取箱内气体，将抽取的气体转移到真空玻璃瓶中。在采集气体样品的同时测定采样点土壤表层5 cm处的地温。采样时间设定在上午09：00—11：00之间。

1.2.2 土样的采集

每次气体采样时采集0～20 cm土层土样，去除杂质混均后带回实验室。每种土取3个平行，置于烘箱中烘至恒重，测定土壤含水量，其余土壤鲜样于4 ℃保存，用于测定土壤铵态氮和硝态氮等指标。实验开始前对土壤pH、容重和全氮含量等指标进行了测定。土壤基本理化性质如表 1。

1.3 数据计算与统计

N₂O的排放通量和累积排放量按照Myles等^[6]提出的方法计算。

土壤含水量以土壤孔隙含水量（WFPS）表示，计算方法如下：

WFPS=（土壤重量含水量×土壤容重）/土壤总孔隙度×100%

式中：土壤总孔隙度=1－土壤容重/2.65。

所有实验结果均以3次重复的平均值±标准误表示。实验数据用Excel软件进行处理，用SPSS16.0软件进行相关分析，采用Pearson方法分析环境因子与N₂O排放通量之间的相关性，显著性水平P=0.05，逐步回归分析影响N₂O排放的主要环境因子。采用Origin8.0软件绘图。

2 结果与分析 2.1 茶园和林地土壤的性质

茶园和林地土壤的性质有一定的差异（表 1）。茶园土壤pH值低于林地，土壤的全碳含量在50年茶园中最高（24.20 g·kg^-1），林地中最低（19.79 g·kg^-1）。在观测期间，5 cm土壤温度的变化趋势基本一致，三块实验样地土壤孔隙含水量（WFPS）无显著差异（图 2），其变化主要受降雨影响。两种植茶年限茶园土壤矿质氮（NO₃^--N和NH₄⁺-N）含量主要受施肥影响，3月7日、4月2日和5月4日施肥后NO₃^--N和NH₄⁺-N含量均显著提高（图 2）；而林地土壤矿质氮含量的变化无明显的规律性，在整个观测期处于较低水平。

2.2 土壤氧化亚氮排放

茶园N₂O排放通量随时间有较大的变化（图 3）。受施肥的影响，茶园在3月7日和5月4日两次施肥后N₂O排放量逐渐增高，于5月9日观测到排放峰值。这是由于5月份温度较高，5月9日前出现了强降雨，施肥后降雨的激发效应所致。4月份茶园土壤N₂O排放较高，因为茶园于4月初施有机肥，土壤矿质氮含量维持在较高水平，硝化、反硝化作用有充足的反应底物。春季林地土壤N₂O排放变化不明显，在温度和降雨量较低的2月份观测到吸收值，而在温度和降雨量较高的5月份有一定的排放。

春季茶园和林地土壤N₂O累积排放量差异较大（图 4）。本研究中，50年、20年茶园和林地土壤春季N₂O累积排放量分别为2.07、1.39 kg N₂O-N·hm^-2和0.22 kg N₂O-N·hm^-2，两种茶园土壤N₂O累积排放量均显著高于林地。不同植茶年限的茶园之间N₂O累积排放量也存在显著差异，50年茶园土壤N₂O排放显著高于20年茶园。

2.3 影响土壤N₂O排放的主要土壤因子

采用SPASS16.0软件分析N₂O排放与各种环境因子之间的相关性（表 2）。温度对茶园和林地土壤N₂O排放均有影响，50年茶园和林地土壤的N₂O排放通量与5 cm土壤温度呈显著正相关（P<0.05），20年茶园N₂O排放通量与5 cm土壤温度虽呈正相关，但相关性不显著（P=0.068）。土壤NH₄⁺-N含量和含水量（WFPS）对林地土壤N₂O排放均有显著影响，二者之间呈显著的正相关关系（P<0.05），相关系数分别为0.686和0.595；土壤NO₃^--N对两种茶园土壤N₂O排放均有显著影响（P<0.05），50年和20年茶园的相关系数分别为0.633和0.635。

土壤N₂O产生和排放的机制较复杂，N₂O排放受不同的环境因子互相影响，为消除各影响因子间的相互作用，利用逐步回归方法对5 cm土壤温度、NH₄⁺-N、NO₃^--N、土壤孔隙含水量等因子对N₂O通量的影响进行分析，方程为：

y＝ax₁+bx₂+cx₃+dx₄+e

式中：y为N₂O通量；x₁为5 cm土壤温度，℃；x₂为NH₄⁺-N含量，mg·kg^-1；x₃为NO₃^--N含量，mg·kg^-1；x₄为土壤孔隙含水量（WFPS），%。

逐步回归拟合剔除对N₂O影响不显著的因子（表 3）。结果表明，5 cm土壤温度和NO₃^--N含量是影响茶园土壤N₂O通量的主要因子；而对于林地，5 cm土壤温度和NH₄⁺-N是主要因子。可见5 cm土壤温度是两种利用方式下土壤N₂O排放的共同影响因子。

从回归方程决定系数（R²）来看，茶园5 cm土壤温度和NO₃^--N含量能说明N₂O排放通量的48%~49%；林地5 cm土壤温度和NH₄⁺-N含量能说明N₂O排放通量的55%。

2.4 土壤N₂O排放与降雨量的关系

土壤N₂O排放通量与采样前5 d累积降雨量之间的关系如图 5所示。茶园和林地土壤N₂O排放通量与5 d累积降雨量之间都呈显著正相关关系，说明在观测期内降雨量越高，土壤N₂O排放通量也越高。当采样前的5 d累积降雨量为105 mm时，50年和20年茶园N₂O排放通量均最高（图 5）；当累积降雨量最高时，同时也观测到林地土壤N₂O排放通量的较高值。这说明降雨是影响该地区茶园和林地土壤N₂O排放的重要因素。

3 讨论

氮肥是土壤N₂O排放的主要影响因子之一。两种植茶年限的茶园土壤N₂O排放量均显著高于林地，与茶园施肥量较大有关。为了提高春茶质量，茶园普遍存在春季大量施用氮肥的现象，从而造成茶园土壤氮素的积累^[7]。观测期间，茶园土壤中矿质氮含量是林地土壤中矿质氮含量的3倍。Hoben等^[8]和Ma等^[9]的研究发现N₂O排放量随着施氮量的增加而上升，Zebarth等^[10]的研究得出施用氮肥提高了麦田春季N₂O排放，Burton等^[11]在马铃薯地的研究也指出氮肥的施用显著促进N₂O的累积排放量。本实验的结果与前人一致，大量施入氮肥会增加土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量，为硝化反硝化作用提供充足的反应底物，从而引起较高的N₂O排放量^[12]。土壤中多数微生物都是以有机质作为碳源和电子供体，土壤中有机质的含量影响着土壤N₂O的排放^[13]。本实验中50年茶园N₂O排放量显著高于20年茶园，与50年茶园土壤中有机碳含量较高有关。由于茶树的生长特性，一般认为植茶年限较长的茶园土壤有机碳含量较高^[14]，本研究中50年茶园土壤全碳含量比20年茶园土壤全碳含量高17.1%（表 1）。李睿达等^[15]的研究表明土壤有机碳能显著促进 N₂O 排放，且排放通量随着有机碳含量的增高而增高。J?覿ger等^[16]的实验也得出外源有机碳的输入显著促进土壤 N₂O 排放。有机碳为土壤中微生物的生长繁殖提供碳源，激活土壤微生物的呼吸作用，加快土壤氧的消耗和土壤厌氧环境的形成，间接增强了反硝化微生物的活性^[17]。

土壤N₂O的排放主要由微生物硝化反硝化作用产生，而硝化反硝化过程受土壤碳氮含量、含水量和pH等性质的影响^[18]，因而不同土壤产生N₂O的途径不一致。春季两种茶园N₂O排放通量均与土壤NO₃^--N含量呈显著正相关关系，而与NH₄⁺-N相关性不显著（表 2）。有研究发现茶园随着土壤pH的降低，硝化作用受到抑制，N₂O主要通过反硝化过程产生^[19]。本研究中，茶园土壤pH值较低（pH<4.5），茶园土壤N₂O主要由反硝化作用产生，茶园土壤NO₃^--N对N₂O的产生影响较明显。另一方面，茶树有喜铵的特性，茶园土壤中的NH₄⁺-N易被茶树根系所吸收^[20]，可能导致NH₄⁺-N含量与N₂O排放通量相关性不显著。林地土壤N₂O排放通量与NH₄⁺-N含量呈极显著相关关系（表 2）。这与王颖等^[21]针叶林N₂O通量与NH₄⁺-N含量呈显著正相关的研究结果一致，土壤NH₄⁺-N是影响林地N₂O排放关键因素。当水分含量较低时，受人为活动干扰较小和未施肥的林地土壤排放的N₂O主要由硝化作用产生，N₂O排放通量随着水分的增加而增加，土壤含水量的提高促进了土壤反硝化过程，从而增加了N₂O排放量；但是，N₂O排放通量并未随着土壤含水量的提高而持续增高，当含水量（WFPS）高于76%时，N₂O排放通量反而明显降低。这是由于反硝化作用更彻底促使N₂O进一步转化为N2^[22]。另外，温度也是影响N₂O排放的重要因子，Agehara等^[23]的研究表明N₂O排放通量与温度呈正相关关系。本研究中，茶园和林地土壤N₂O排放通量均随5 cm土壤温度升高而增高，逐步回归分析表明，5 cm土壤温度是影响两种利用方式下土壤N₂O排放的重要环境因子。

有研究表明，在大区域尺度内降雨是土壤含氮气体排放的主要驱动因子之一，是导致森林土壤成为大气N₂O排放源的重要原因^[24]。 本研究中茶园和林地土壤N₂O排放通量均与5 d累积降雨量呈显著的正相关关系（P<0.05）。其他研究也有类似结果：Almaraz等^[25]的研究表明，当土壤温度高于5 ℃时，土壤N₂O排放通量与7 d累积降雨量呈显著正相关关系；Machon等^[26]的研究得出，降雨显著促进了土壤N₂O排放，并在降雨后观测到N₂O排放峰值；在热带地区河滨带生态系统研究中也得出土壤N₂O排放通量与5 d累积降雨量之间存在极显著的正相关关系^[27]。降雨促进土壤N₂O排放，主要是由于其增加了土壤含水量，而施肥后降雨将导致N₂O高排放^[28-29]。本研究也观测到类似现象，于3月21日和5月9日观测到茶园土壤N₂O排放峰值。

4 结论

（1） 中亚热带红壤丘陵区不同植茶年限茶园和林地土壤N₂O排放量存在显著差异，茶园土壤N₂O排放量显著高于林地，50年茶园土壤N₂O排放量显著高于20年茶园，春季50年茶园、20年茶园和林地土壤N₂O累积排放量分别为2.07、1.39 kg N₂O-N·hm^-2和0.22 kg N₂O-N·hm^-2。

（2） 观测期内，土壤NO₃^--N是红壤丘陵区茶园N₂O排放重要影响因子，而土壤水分、NH₄⁺-N含量和5 cm土壤温度均对林地土壤N₂O排放有显著影响。

（3） 施肥和降雨后茶园都观测到N₂O排放峰，降雨对林地土壤N₂O排放有一定的激发效应，这些短期事件对该地区茶园和林地土壤N₂O排放的时间变化有显著影响。