近年来，由于温室气体浓度不断上升导致的气候变暖，已成为当今全球性的环境问题。CO₂是大气中最主要的温室气体^[1]，对全球变暖的贡献率在60%以上^[2]。N₂O 是仅次于CO₂的一种温室气体，其增温潜势是等质量CO₂的310 倍^[3]。目前大气中CO₂和N₂O 浓度持续上升，分别达到了393.1 μL·L^-1和325.1 nL·L^-1，比工业革命前(1750 年)增加了40%和20%^[4]。农业生态系统是温室气体排放的主要来源，其占温室气体排放总量的20%~35%。据农业部门估计，在全球范围内，农业活动产生的N₂O排放占总人类活动产生N₂O排放的70%^[5]，因此，研究不同农业生态系统温室气体排放已成为当今热点问题。

茶园是我国主要的农业生态系统之一，我国茶园面积和茶叶产量均居世界首位^[6]。在茶园生态系统中，茶园定期修剪以及茶树自然落叶过程，使茶园每年都有一定量的凋落茶叶归还于土壤，一方面这些凋落茶叶在养分循环中起到连接植物与土壤的“纽带”作用^[7]；另一方面，凋落物作为养分的基本载体，不仅影响土壤微生物活性，还会影响土壤酸度，进而改变温室气体的产生和排放^{[8-10, 24]}。目前，关于凋落物的研究主要集中在森林凋落物及农作物残落物^[10-14]，而对于茶园凋落物对酸化茶园土壤的改良效果及温室气体排放的影响报道较少。本研究以华中地区酸化茶园土壤为对象，通过室内培养试验，探讨了凋落茶叶不同添加量对茶园土壤酸度及温室气体排放的影响，以期明确茶园土壤温室气体排放对凋落物输入的响应特征。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤采集于湖北省咸宁市贺胜桥镇茶园(29º58′28″N，114º21′42″E)表层(0~20 cm)土壤，随机分成两个部分：一部分风干后过2 mm 筛，用于培养试验；另一部分用四分法取一定土壤研磨过0.25 mm筛，用于土壤理化性质测定。凋落物捡取自该茶园秋季凋落叶，置于65 ℃的烘箱内干燥72 h直至恒重并粉碎通过0.25 mm 筛待用。供试土壤初始pH 值为4.64，全碳含量为17.16 g·kg^-1，全氮含量为1.04 g·kg^-1，C/N 为16.50；凋落茶叶全碳含量为60.15 g·kg^-1，全氮含量为3.78 g·kg^-1，C/N 为15.91。

1.2 试验设计

称取过2 mm 孔筛的风干土样500 g于1 L广口瓶中，先加适量蒸馏水湿润土壤，预培养6 d，以激活土壤微生物和消除干湿效应^[15]。试验设置4 种添加凋落物水平的处理：CK(0 g·kg^-1)、T5(5 g·kg^-1)、T10(10g·kg^-1)、T20(20 g·kg^-1)。用蒸馏水调节土壤孔隙含水量(Water filled pore space，WFPS)为80%，在25 ℃条件下恒温培养26 d。利用称重法，每2 d补水一次，以补充因蒸发引起的水分损失。每个处理设置6 个重复，3 个用于N₂O 和CO₂浓度测定，3 个用于土壤pH值、NH₄⁺-N、NO₃^--N、DOC 含量动态变化分析。

在培养的第1、2、3、4、5、6、8、12、14、18、22、26 d采集气体样品和土壤样品，测定土壤N₂O 和CO₂产生速率及土壤理化指标。采气前，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1 h后，用注射器反复推拉针管3次以混匀瓶内气体，然后立即将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。

1.3 气体及土壤样品分析

N₂O 和CO₂ 浓度由气相色谱仪(Agilent 7890A)测定；土壤pH 按水土比2.5:1 搅拌，pH 计测定；土壤无机氮(NH₄⁺-N 和NO₃^--N)含量采用1 mol·L^-1 KCl 浸提，德国Seal Analytical AA3流动分析仪测定；土壤中DOC 含量采用德国Elementer Vario TOC仪测定。

1.4 数据处理

采用Excel 对N₂O、CO₂ 排放量及土壤各指标含量进行计算，采用SPSS16.0 进行Pearson 相关分析和方差分析，采用Origin8.0对动态变化进行图形绘制。

2 结果与分析 2.1 土壤N₂O和CO₂排放通量变化

培养期内，各处理N₂O 和CO₂排放通量均表现出先增加后下降，最后趋于平稳的状态(图 1)。与CK处理相比，添加凋落茶叶后N₂O 排放通量激增，T5、T10、T20 处理N₂O 排放高峰均出现在第1 d，峰值分别为2.14、8.96、19.67 μg·kg^-1·h^-1，第6 d后基本趋于稳定且各处理间N₂O 排放通量差异缩小；而CO₂排放的变化更为明显，与CK 处理相比，各处理CO₂ 排放在添加凋落茶叶后也显著增加，T5 处理CO₂排放高峰出现在第2 d，T10、T20 处理则出现在第3 d，峰值分别为1.35、2.18、3.83 mg·kg^-1·h^-1，第10 d后基本趋于稳定，但凋落茶叶高添加量的土壤CO₂排放始终高于低添加量的土壤。培养结束时，T20、T10、T5处理土壤CO₂排放通量分别是CK 处理的4.19、2.99、1.87倍。

2.2 凋落茶叶对N₂O和CO₂排放的影响

培养期内，各处理N₂O 与CO₂累积排放量大小顺序均为T20>T10>T5>CK。T5、T10、T20处理N₂O累积排放量较CK 处理分别增加了74.11、367.31、1 809.56μg·kg^-1(表 1)，且T10、T20 处理与CK 处理达到显著差异(P＜0.05)。各处理的CO₂累积排放量也显著高于CK 处理(P ＜0.05)，T5、T10、T20 处理较CK 处理分别显著增加了241.44、500.24、845.78 mg·kg^-1。N₂O 与CO₂平均排放通量与凋落茶叶添加量呈显著和极显著的线性正相关关系(图 2)。可见，添加凋落茶叶后均显著促进了N₂O 和CO₂排放，且N₂O 和CO₂累积排放量随着添加量的增加而增多。

2.3 土壤无机氮、DOC、pH动态变化

整个培养阶段，各处理铵态氮含量呈现先增加后降低直至平稳的过程(图 3)。各处理铵态氮含量均在第2 d达到峰值，T20 处理的铵态氮含量最高，其次是T10 处理，T5 处理与CK 处理相近，之后急剧下降，第6 d后，各处理铵态氮含量已趋于稳定且基本相同。而不同处理间的土壤硝态氮含量动态变化趋势不一致，在培养期间，CK 处理的土壤硝态氮含量逐渐增加而后趋于稳定，而添加凋落茶叶后，土壤硝态氮含量前期先逐渐增加，T5和T10处理硝态氮含量在第5 d后下降并趋于稳定，而T20 处理硝态氮含量在第5 d剧烈下降，第11 d后逐渐趋于稳定。培养结束时，CK 处理硝态氮含量最高，T20 处理最低。

添加凋落茶叶处理土壤DOC 含量均表现为先增加后剧烈下降的趋势，第1 d均达到峰值，T20 处理峰值最高，为375.32 mg·kg^-1，其次是T10 和T5 处理，含量分别为202.31 mg·kg^-1和117.63 mg·kg^-1，第3 d后含量已基本趋于稳定，而对照处理土壤DOC 含量基本保持不变。培养结束时，各处理DOC 含量平均值存在显著差异(P＜0.05)，高低顺序为T20 ＞T10＞T5＞CK，表明凋落茶叶增加土壤DOC含量。

培养期间各处理土壤pH 值变化趋势基本一致，凋落茶叶的添加明显提高了土壤pH 值，且添加量越多，pH值变幅越大(图 5)。培养结束后，土壤pH值呈现显著差异，T20 处理的土壤pH 值最高，其次是T10处理，CK 处理最低。添加凋落物后T20、T10、T5处理土壤pH值较CK 处理分别提高了0.64、0.32、0.12。

2.4 土壤N₂O和CO₂排放影响因素 2.4.1 土壤矿质氮与N₂O 排放的关系

土壤矿质氮是影响N₂O 排放通量的主要因素之一。通过对不同处理下土壤NH₄⁺-N 含量与N₂O 排放通量的相关性分析表明，二者呈极显著正相关关系(P ＜0.01)，说明土壤NH₄⁺ -N 含量越高，N₂O 排放越多。而不同处理下土壤NO₃^--N 与N₂O 并不存在显著相关关系(图 6)。

2.4.2 土壤DOC 与N₂O 和CO₂排放的关系

土壤可溶性有机碳是土壤活性有机碳库的重要表征指标之一，其与土壤温室气体的产生直接相关。不同处理下DOC 对N₂O 和CO₂排放通量均有极显著影响，与N₂O 和CO₂ 排放呈线性正相关关系(P＜0.01)，其相关系数R²分别为0.799和0.337(图 7)。

2.4.3 土壤pH值与N₂O 排放的关系

土壤pH 值与N₂O 平均排放通量的关系如图 8所示，土壤pH值极显著影响了N₂O的排放(P＜0.01)，其与N₂O 平均排放通量呈线性正相关关系，且相关系数达到0.998。表明在一定范围内，酸化茶园土壤pH值越接近中性，茶园土壤N₂O排放通量越高。

2.5 N₂O排放通量和CO₂排放通量的相关关系

华中地区酸化茶园土壤N₂O 排放通量与CO₂排放通量存在一定的相关关系(图 9)。本研究中，添加凋落茶叶后N₂O 排放通量与CO₂排放通量呈极显著正相关关系(P＜0.01)，其相关系数R²=0.469。可见，N₂O 与CO₂的生成环境具有紧密的关联性。

3 讨论

本研究中，添加凋落茶叶促进了温室气体排放，一方面，凋落茶叶作为茶园土壤丰富的碳源，为微生物提供了丰富的物质和能源，使微生物数量增加，活动加剧，呼吸作用迅速增强；另一方面，凋落茶叶的添加激发了土壤有机质及凋落物的矿化分解^[16]，导致CO₂大量产生。因此，本研究中发现土壤CO₂排放通量与凋落茶叶添加量呈极显著的线性正相关关系(图 2，P ＜0.01)，CO₂排放通量随着凋落茶叶添加量的增加而逐渐增多。微生物分解凋落茶叶中的碳源会消耗土壤中的氧气，加快土壤厌氧环境的形成，同时又为硝化和反硝化作用提供更多的底物，导致N₂O 排放增加。本研究得出，N₂O 排放通量与凋落茶叶添加量呈现显著的线性正相关关系(图 2，P＜0.01)。王光军等^[10]研究马尾松林土壤呼吸对去除和添加凋落物处理的响应结果表明：树木凋落物促进森林土壤呼吸，施加凋落物处理可使土壤呼吸速率增加了17.03%，与本实验结果一致。Jäger 等^[17]室内培养试验的结果表明：土壤有机碳含量越高，N₂O 排放越多。倪玉雪等^[18]研究也发现外源碳的增加促进了N₂O 和CO₂的排放。此外，本研究还发现N₂O 排放通量与CO₂排放通量呈极显著正相关关系(图 9，P＜0.01)，两者排放通量都随着凋落茶叶的添加而增加，且累积排放量随着添加量的增加而增多。这与Millar 等^[19]研究向土壤中添加树林中的残留物发现N₂O 排放通量与CO₂排放通量显著相关结果一致。

土壤NH₄⁺-N 和NO₃^- -N 作为微生物进行硝化和反硝化作用的底物，直接影响了硝化反硝化的强度。通过对培养试验过程中土壤NH₄⁺-N 和NO₃^--N 含量的监测(图 3)，土壤NH₄⁺ -N 含量在第3 d后剧烈下降，表明土壤中进行硝化作用比较强烈，在这个过程中产生了大量N₂O，因此本研究中发现NH₄⁺-N 含量与N₂O 排放通量呈极显著正相关(图 6，P＜0.01)。Chen 等^[20]研究旱地硝化和反硝化作用时，发现N₂O的产生与硝化作用极显著相关；姜宁宁等^[21]研究不同氮源添加对菜地土壤N₂O排放影响结果也表明，铵态氮肥促进了N₂O 排放。NO₃^--N 含量在培养初始时由于NH₄⁺-N 的转化而增加，而第5 d后凋落茶叶处理的土壤中NO₃^--N 含量下降，CK 处理则继续增加，表明添加凋落茶叶后NO₃^--N 很可能通过反硝化作用被转化成N₂O，这也说明凋落茶叶处理的土壤中产生的N₂O 既来自硝化作用，也来自反硝化作用。但添加凋落茶叶的T5 和T10 处理，NO₃^--N 含量下降趋势不明显，说明只进行了微弱的反硝化作用，N₂O 排放来源主要是硝化作用。因此本研究中NO₃^--N 含量与N₂O排放通量并没有显著相关关系(图 6)。

土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤有机碳中最活跃的组分，是土壤中易于利用的养分库及有机物分解和氮矿化的动力。整个培养期内，DOC 含量先增加后下降直至趋于稳定，这主要是因为凋落茶叶含有大量的有机物质，添加到土壤后，微生物将凋落物及土壤中的大分子有机物分解成可直接利用的碳源，使DOC 含量急剧升高，呼吸作用增强；随着培养时间的延长，由于可利用的碳源被分解，DOC 含量减少，呼吸作用减弱，当微生物数量、可利用的碳氮源处于平衡时，DOC 含量和CO₂ 排放通量基本保持稳定(图 4)。因此，DOC 含量变化趋势与CO₂排放趋势一致，呈现极显著正相关关系(图 7，P＜0.01)。李彬彬等^[22]研究结果也表明DOC 含量与CO₂排放呈显著相关。而DOC 含量还与N₂O 排放通量呈极显著正相关(图 7，P＜0.01)，这可能由于DOC不仅为硝化和反硝化细菌提供碳源和能源，还为反硝化作用提供了电子受体^[23]。本研究中，凋落茶叶处理的DOC 含量均大于对照处理，且添加量越多，DOC 含量增加越多，这是由于添加凋落物后，刺激了微生物的繁殖，促进了对凋落物的分解，且添加量越多分解越多，DOC 作为有机物质的分解产物含量逐渐升高。

随着茶树种植年限及施肥的影响，茶园土壤酸化问题日℃加剧。本研究中，添加凋落茶叶后，土壤pH值升高，且添加量越多，pH 值增幅越大(图 5)。一方面可能是凋落茶叶中的碱性成分(灰化碱)中和了土壤酸度，提高土壤pH 值^[24]；另一方面可能是凋落物中有机氮的矿化过程会消耗质子，从而提高土壤pH值^[25]。但有机氮矿化过程中产生铵态氮，促进硝化作用释放一定量的质子，使pH 值有一定的降低^[25]，这也可能造成在培养过程中pH 值的波动(图 5)。王辉等^[24]研究结果也表明茶树叶提高了土壤pH 值，与本文结果一致；而杨平平等^[26]研究发现茶树修剪叶的添加降低了土壤pH 值，认为如果茶园初始pH 值较低，会改变土壤中化学反应的发生条件，此时，灰化碱起到中和的作用较小，而有机阴离子的去羧基化也会被氧化反应取代，且由于该实验是淋溶条件下的模拟土柱试验，盐基离子更容易淋失，使土壤酸度进一步增加。因此，茶树落叶对茶园土壤酸化的影响，需根据土壤特定的理化条件而定。

土壤pH 值对N₂O 排放也有一定的影响，其可以通过影响硝化和反硝化作用微生物的活性影响N₂O排放。一般认为，pH值为6~8的中性条件最适宜土壤中反硝化作用，在酸性条件下反硝化作用会受到限制^[27]。当土壤pH 值为中性时，N₂ 是反硝化作用的主要产物，随着pH值的降低，N₂O 所占比例增大，当pH值降至5.2 时，N₂O 成为主要产物^[28]。本研究中，土壤pH 值主要在4.5~5.4 之间，此时反硝化作用比较微弱，这也进一步证明N₂O 主要来源于硝化作用。本研究还发现，土壤pH 值与N₂O 平均排放通量呈极显著正相关关系(图 8，P＜0.01)，表明在此pH 值范围内，N₂O 排放随着pH 值增加而增加。有研究表明，pH 值在3.4~6.8 内，硝化作用与土壤pH 值呈正相关^[29]；Han 等^[30]研究也认为，茶园土壤硝化作用与土壤pH值呈正相关性或显著正相关性，与本文结果一致。

4 结论

凋落茶叶显著促进了华中地区酸化茶园土壤N₂O和CO₂排放；相关分析表明可溶性有机碳含量与N₂O 和CO₂排放通量的相关性极显著，土壤铵态氮与N₂O排放通量极显著相关，而硝态氮与N₂ O 排放通量未呈相关性。凋落茶叶显著提高了茶园土壤pH 值，在一定程度上能缓和茶园土壤酸化。

凋落茶叶的添加能有效促进有机物质的分解，改变茶园的碳氮供应及动态变化，调节茶园酸化程度，对了解茶园生态系统碳氮循环有一定的理论意义及实际参考价值，今后应进一步深入研究茶园生态系统碳氮循环机制，以期为优化茶园农业管理措施提供理论指导。