高羊茅（Festuca arundinacea L.）草种轮作砂壤土中氧化亚氮（N2O）排放特征与排放因子研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nitrous oxide emissions from a grass seed crop rotation with tall fescue ( Festuca arundinacea L.) on sandy loam soil

　　

摘要专业翻译 欧盟约50%的草种生产集中在丹麦。草种作物为多年生，与一年生作物在全年土壤覆盖、生长周期长及根系发达等方面存在差异，这些特性支撑了土壤健康的多方面功能，如生物多样性、土壤结构和碳储存，同时提高了养分利用效率。由于活跃的根系可在一年中大部分时间促进氮（N）吸收，多年生作物与在播种时施肥并于初秋收获的一年生作物相比，应具有较低的环境损失风险。 农业是氧化亚氮（N2O）的最大人为排放源，N2O是一种长寿命强效温室气体，其百年时间尺度全球增温潜势约为二氧化碳的273倍。全球范围内，直接N2O排放量已从1980年的2.2（1.6–2.8）Tg N yr?1增至2020年的3.9（2.9–5.1）Tg N yr?1。人为N2O排放的很大部分来源于施入土壤的肥料和粪肥，微生物硝化和反硝化作用是N2O的主要来源。肥料N2O排放的核算遵循政府间气候变化专门委员会（IPCC）的建议，各国或采用肥料氮1%的默认排放因子（EF），或基于实测或建模采用国家特定EF。然而，默认EF可能因肥料类型和立地条件不同而对单个作物的N2O排放产生高估或低估，且尚不清楚多年生作物通过缩短矿质氮在土壤中的停留时间，其N2O排放风险是否低于一年生作物。 高羊茅（Festuca arundinacea L.）因其较其他多年生禾草（如黑麦草）具有更好的抗旱性、快速生长和高产潜力而作为草种作物日益受到关注。此前在丹麦砂壤土上的一项研究报告了用于生物质生产的高施肥高羊茅年排放因子（EF）为0.32±0.03%，Festulolium（x Festulolium braunii）为0.23±0.04%，而玉米为0.54±0.13%。Cardenas等（2019）在类似土壤类型的草地上报告了较高的N2O EF（1.06–1.74%），并将其归因于高降水量。Abalos等（2016）也观察到在粉砂黏壤土上研究的前两年，多年生禾草-豆科混播的N2O EF（0.6–1.1%）低于玉米（2.5–3.2%），但在第三年秋季耕作和重播后，两种作物的N2O排放均较高，且第三年禾草-豆科混播的产量尺度排放更高。这些研究表明，N2O排放受土壤质地、气候、管理和作物影响，排放评估研究应考虑轮作中的所有作物。 N2O排放减缓管理需要了解刺激N2O产生的土壤条件，因此N2O排放研究可受益于收集关于土壤氮动态的支撑信息，包括土壤表面以下N2O的积累。土壤中浓度梯度与表面通量之间的关系复杂，但仍可能有助于识别N2O的来源。 本研究调查了两年内高羊茅草种轮作中N2O排放的规模和分布。研究目标首先是量化春季施肥后轮作中所有作物的N2O总排放量，其次是确定各作物氮肥投入的N2O排放因子。研究人员假设，由于高羊茅比一年生作物具有更快的氮移除速率，其N2O排放因子将更低。

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一、研究背景与问题

氧化亚氮（N₂O）是一种长寿命且增温潜势极强的温室气体，其百年时间尺度全球增温潜势约为二氧化碳的273倍，农业是其最大的人为排放源。全球直接N₂O排放量已从1980年的2.2 Tg N yr^?1增至2020年的3.9 Tg N yr^?1，其中很大部分来源于施入土壤的肥料和粪肥，微生物硝化和反硝化作用是N₂O产生的主要途径。目前各国在核算肥料N₂O排放时，通常采用IPCC推荐的默认排放因子（EF）1%，但该默认值可能因肥料类型和立地条件不同而对特定作物产生高估或低估。多年生作物因具有全年土壤覆盖、生长周期长、根系发达等特点，理论上可通过缩短矿质氮在土壤中的停留时间而降低N₂O排放风险，但这一假设尚缺乏充分的田间实测证据。欧盟约50%的草种生产集中在丹麦，高羊茅（Festuca arundinacea L.）因其抗旱性强、生长迅速和产量潜力高而日益受到关注，然而其作为草种作物在轮作体系中的N₂O排放特征和排放因子尚不清楚。因此，开展高羊茅草种轮作中N₂O排放的系统研究，对于准确评估多年生草种的温室气体足迹和优化氮肥管理具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

本研究在丹麦奥胡斯大学Flakkebjerg校区的长期田间试验中开展，试验地为砂壤土（Alfisol，Typic Agrudalf），含15%黏粒、14%粉粒、43%细砂、27%粗砂和2.0%有机质。研究设置了四作物轮作体系，包括第一年草种（GS1）、第二年草种（GS2）、甜菜（SuB）和混播高羊茅草种的春大麦（SBus），另设化学除草和机械耕作的裸地处理作为对照。研究分两个监测期：第一期从2022年3月至6月底，聚焦各作物和裸地的N₂O总排放；第二期从2022年9月至2024年3月，目标为确定各作物氮肥投入的N₂O排放因子，在各作物中设置了施肥与不施肥小区对比。N₂O通量采用手动静态箱法测定，同时安装土壤气体扩散探针测定5、10、20和50 cm深度的N₂O浓度剖面，并在气体采样日同步采集0–20 cm土壤样品测定矿质氮（NH₄⁺和NO₃^?）含量和含水量。研究结果表明：草种轮作中各作物的N₂O排放差异显著；土壤N₂O浓度剖面随季节变化并反映田间管理措施；草种终止后残体分解对N₂O排放有贡献；年度N₂O排放因子在?0.12%至1.16%之间变化，平均为0.46%；立地条件通过影响N₂O排放而影响草种生产的碳足迹。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：一是手动静态箱法测定N₂O表面通量，箱体为0.75 m × 0.75 m × 0.2 m的两段式设计，根据作物高度可加装0.4 m增高段，气体样品通过气相色谱仪（Agilent 7890）分析N₂O和CO₂浓度；二是土壤气体扩散探针法测定地下N₂O浓度剖面，探针含10 ml扩散池，以含乙烯（C₂H₄）示踪剂的N₂进行冲洗并校正稀释效应；三是土壤矿质氮分析，采用1 M KCl提取和流动比色法测定NH₄⁺-N和NO₃^?-N；四是通量计算采用HMR软件（R包）进行线性或非线性拟合，累积排放量采用梯形法插值计算，排放因子按施肥小区与对照小区N₂O-N净排放量占施氮总量的百分比计算。

四、研究结果

草种轮作中各作物N₂O排放差异显著。 通过2022年春季和2022年秋季至2024年春季两个监测期的静态箱法连续观测，研究人员发现轮作中不同作物的N₂O排放通量和累积排放量存在明显差异，排放水平受施肥时间、作物生长阶段和田间管理措施的综合影响。

土壤N₂O浓度剖面随季节变化并反映管理措施。 通过土壤气体扩散探针在5、10、20和50 cm深度的连续采样分析，研究人员发现地下N₂O浓度分布具有明显的季节性变化特征，施肥后表层土壤N₂O浓度升高，深层浓度变化则与土壤水分状况和作物根系活动相关，浓度剖面特征可反映不同管理措施对N₂O产生和消耗过程的影响。

草种终止后残体分解对N₂O排放有贡献。 通过轮作周期内各阶段的通量监测，研究人员发现草种作物终止后残体分解阶段出现了N₂O排放的升高，表明作物残体中的氮素矿化释放是轮作体系中不可忽视的N₂O排放来源。

年度N₂O排放因子在?0.12%至1.16%之间变化，平均为0.46%。 通过设置施肥与不施肥小区的对比试验，研究人员计算了各作物在完整年度周期内的N₂O排放因子，结果显示不同作物的EF值差异较大，总体平均值0.46%低于IPCC默认的1%排放因子，表明采用默认EF可能高估该轮作体系的N₂O排放。

立地条件通过影响N₂O排放而影响草种生产的碳足迹。 通过综合土壤矿质氮、水分含量与N₂O通量的关联分析，研究人员发现立地条件（包括土壤质地、降水和温度等）对N₂O排放具有显著调控作用，进而影响草种生产全生命周期的碳足迹核算结果。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员将本研究测得的N₂O排放因子与此前在类似土壤类型上的研究结果进行了比较。此前Baral等（2019）在丹麦砂壤土上报告的高羊茅EF为0.32±0.03%，Festulolium为0.23±0.04%，玉米为0.54±0.13%；Cardenas等（2019）在类似土壤的草地上报告了1.06–1.74%的较高EF并归因于高降水量；Abalos等（2016）观察到多年生禾草-豆科混播的EF（0.6–1.1%）低于玉米（2.5–3.2%），但秋季耕作和重播后排放升高。本研究测得的平均EF为0.46%，低于IPCC默认的1%，支持了多年生草种作物通过快速氮移除降低N₂O排放风险的假设，但EF的较大变幅（?0.12%至1.16%）表明排放水平受立地条件和田间管理的强烈调控。研究还讨论了土壤N₂O浓度剖面与表面通量之间的关系，指出浓度梯度虽不能直接定量预测通量，但有助于识别N₂O的产生层位和来源。残体分解对N₂O排放的贡献提示在轮作排放核算中需考虑作物终止后的残留氮效应。研究结论指出，高羊茅草种轮作中各作物的N₂O排放因子存在较大差异，平均排放因子低于IPCC默认值，立地条件通过影响N₂O排放而显著影响草种生产的碳足迹，这为草种生产温室气体排放的精确核算和减缓策略的制定提供了重要的田间实测数据支撑。