马铃薯品种与土壤微地形对草原地区生长季N2O排放的调控机制研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Cultivar and soil effects on growing season and production-scaled N 2O emissions from Prairie Potato systems

本研究针对马铃薯生产中氮肥利用率低、N2O排放风险高的问题，通过分析不同品种（Clearwater Russet、Dark Red Norland、Sangre）在两种土壤（黏壤土与砂壤土）及微地形（垄与沟）下的排放特征，发现高氮效率品种可通过提升产量与氮吸收降低单位产量的N2O排放（降幅达35%–67%），为草原地区马铃薯生产的温室气体减排提供了品种选育策略。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，农业活动作为温室气体排放的重要来源之一，其减排潜力日益受到关注。其中，氧化亚氮（N₂O）作为一种温室效应潜力是二氧化碳298倍的强效温室气体，主要来源于土壤中的氮循环过程，尤其是氮肥的施用。马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为全球重要的粮食作物，因其氮肥利用率（NUE）较低（通常为40%–60%），且需高量氮肥投入（加拿大草原地区通常为125–225 kg N ha^?1），导致N₂O排放风险显著高于其他作物。然而，目前关于马铃薯N₂O排放的研究多集中于湿润地区，而对半干旱的加拿大草原地区（占全国马铃薯产量的44.3%）的研究较为缺乏。此外，马铃薯种植中形成的垄-沟微地形为研究N₂O产生机制提供了独特视角，但微地形对排放的影响尚不明确。为此，研究人员在萨斯喀彻温大学开展了为期两年的田间试验，旨在探究品种选择与土壤微地形如何影响草原马铃薯系统的N₂O排放。

本研究主要采用静态箱法监测N₂O通量，结合土壤无机氮分析、产量测定及氮吸收效率（NUpE）计算，对三种马铃薯品种（Clearwater Russet、Dark Red Norland、Sangre）在黏壤土和砂壤土上的排放动态进行量化。技术方法包括气体采样与色谱分析、土壤理化性质测定、统计模型（线性混合效应模型）以及基于梯形积分法的累积排放量计算。

环境条件与作物产量

试验期间的气象数据显示，2022年与2023年生长季的降水量（分别为163 mm和147.7 mm）均低于历史平均水平（218 mm），气温较高。黏壤土站点累计降水量（降雨+灌溉）为215.5 mm（2022年）和264.1 mm（2023年），砂壤土站点为232.6 mm（2022年）和278.9 mm（2023年）。马铃薯产量在不同站点和年份间差异显著，其中Dark Red Norland和Sangre的产量普遍高于Clearwater Russet，尤其在砂壤土站点2022年的干旱条件下，Clearwater Russet产量仅为9.8 Mg ha^?1，而Dark Red Norland达到20.8 Mg ha^?1。

每日N₂O通量模式

N₂O排放通量在生长季内呈现明显的波动，峰值多出现于施肥后和降水事件期间。在黏壤土站点，2022年的通量较低，而2023年降雨后通量升至40 g N ha^?1 day^?1；砂壤土站点在2022年一次强降雨后通量高达151 g N ha^?1 day^?1。微地形分析显示，垄位置的排放通量在三年站点中高于沟位置，但2022年砂壤土站点则相反，沟位置通量更高，表明排放动态受土壤质地和水分条件的共同调控。

站点年份对N₂O排放的影响

站点类型（黏壤土 vs. 砂壤土）对排放量有显著影响（p < 0.05），砂壤土站点的累积排放量、产量尺度排放和块茎氮尺度排放均高于黏壤土站点（增幅162%–688%）。这种差异主要归因于砂壤土站点较高的氮肥施用量（100 kg N ha^?1）和较低的植物氮吸收，导致土壤无机氮残留量较高，从而加剧N₂O排放风险。

品种对N₂O排放的影响

尽管品种间累积生长季排放量无显著差异，但产量尺度排放和块茎氮尺度排放分析表明，Clearwater Russet的排放强度最高（如产量尺度排放为32.30 g N₂O N Mg^?1），而Dark Red Norland和Sangre分别降低35%–67%。回归分析进一步证实，氮吸收效率（NUpE）与N₂O排放呈显著负相关（R² = 0.94, p < 0.001），说明高氮效率品种可通过提升氮利用减少单位产品的排放。

土壤微地形对N₂O排放的影响

微地形（垄 vs. 沟）在三年站点中显著影响排放量，但方向不一致：2022年黏壤土和2023年砂壤土站点垄位置排放较高，而2022年砂壤土站点沟位置排放更高。这种变异性可能与碳氮底物 availability、水分状况及微生物过程有关。例如，垄位置通常具有较低的容重和较高的碳氮含量，利于硝化作用；而沟位置在厌氧条件下可能促进反硝化，但若氮素不足或水分饱和过度，可能导致N₂O还原为N₂，降低排放。

讨论与结论

本研究表明，草原地区马铃薯生产的N₂O排放量（164–848 g N₂O N ha^?1）低于湿润地区，但排放风险仍不容忽视。品种选择虽未显著改变累积排放量，但高产品种（如Dark Red Norland和Sangre）通过提高氮利用效率，显著降低了产量尺度和块茎氮尺度的排放强度。此外，土壤微地形的排放效应受站点特定条件（如质地、降水、前茬作物残留）调制，凸显了N₂O产生过程的复杂性。研究结果强调，结合品种选育与优化氮管理（如基于土壤测试的施肥）可有效降低草原马铃薯系统的碳足迹。未来研究需关注非生长季排放及品种性状（如根系构型）与排放的关联，以完善减排策略。

本论文发表于《Canadian Journal of Soil Science》，为半干旱区作物生产的温室气体管控提供了实证依据。