農田土壤氧化亞氮產生機制和相關模型研究進展

張亞捷，牛海山

（中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049）

氧化亞氮（N2O）作為重要的大氣溫室效應氣體之一，其在大氣中濃度的不斷增加將會導致氣候變暖等全球性的環境問題［1-2］。與二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等溫室氣體相比，N2O在大氣中存留時間長，達110～150 a，且具有較強的增溫潛勢，1分子N2O的潛在增溫效應是1分子CO2的298倍［1-3］。N2O在大氣中雖以痕量存在，但在過去100 a中，其對溫室效應的貢獻已達5%～10%。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在最新報告中指出，2011年人類活動造成的輻射強迫已達2.29 W·m-2，其中N2O排放造成的輻射強迫為0.17 W·m-2；大氣中N2O體積分數也已升至0.324 μL·L-1，為80萬年以來最高值，且以每年近0.3%的速率增長，預計到2050年將達到0.35～0.40 μL·L-1［3-4］。由于N2O較強的增溫效應在大氣中所起的重要作用，N2O濃度變化必將對全球生態環境產生極大影響。在造成N2O濃度增加的眾多來源中，農田土壤是全球最主要的N2O排放源。當前全球農田土壤N2O的年均排放量（以氮計）高達6.4×1012g，約占全球N2O排放總量的 25%［5-6］。因此，在當今氣候變化背景下，研究農田土壤田土壤N2O排放已成為環境科學領域重要課題，引起學者廣泛關注。近年來國內外已有大量關于農田土壤N2O排放和相應模型發展的研究報道，筆者將以此為基礎綜合評述農田土壤N2O產生機制及相關模型的發展，以期深入了解農田土壤N2O排放機制，并為發展相關模型提供理論依據。

1 農田土壤N2O主要產生機制

農田土壤是N2O的主要產生源。硝化作用（包括自養硝化和異養硝化）、反硝化作用（包括微生物自養反硝化、微生物異養反硝化和化學反硝化）、硝化細菌反硝化和硝態氮異化還原成銨作用等都能產生N2O。其中，土壤微生物主導的以銨態氮（-N）為反應底物的硝化作用（主要指自養硝化）、以硝態氮（-N）為反應底物的反硝化作用（主要指微生物異養反硝化）和硝化細菌反硝化作用是土壤N2O產生的最基本途徑（圖1）。

作為硝化作用的副產物和反硝化作用的中間產物，N2O在此過程中的產生量約占生物圈釋放到大氣中N2O總量的70%～90%［7-9］。硝酸鹽異化還原成銨作用也伴有N2O的釋放；但在自然條件下，此過程中N2O產生量基本可以忽略［10-11］。

圖1 N2O在土壤中的生成與轉化［10-11］Fig.1 Formation of N2O in soil as part of the soil nitrogen cycle

在硝態氮異化還原過程中，除以氣態氮化物為主要產物的反硝化作用外，還有以為終產物的硝態氮異化還原成銨（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA）作用。DNRA作用生成N2O排放量占施氮量的1%～8%［10］。僅在某些特定條件下（如高pH值、高C/N比和厭氧環境），硝態氮異化還原成銨作用會在土壤氮素轉化過程中起較重要作用［11］。

硝化微生物反硝化作用同樣也是N2O產生的主要機制之一，指在低氧條件下僅在硝化微生物驅動下，NO2-被還原為N2O或N2的過程。該過程分為2個階段：第1階段是將NH4（+NH3）氧化成NO2-，第 2階段是將NO2-還原為NO、N2O或N2；整個過程中沒有NO3-生成，且僅由氨氧化細菌這類微生物參與［11-12］。高 NH4+-N（或NH3）含量、低有機碳和O2含量以及低pH值環境更有利于硝化細菌進行反硝化。

2 預測農田土壤N2O排放的機制過程模型

在農業生態系統中，土壤N2O等溫室氣體的產生是一個復雜的過程。在氣候、土壤、現行耕作制度和農業管理措施等諸多條件下，任何因子的細小變化都可能改變土壤N2O產生及排放。由于這些因子存在地域差異，因此，建立一個受氣候、土壤和農業管理措施綜合影響的農田溫室氣體排放模型尤為重要。在明確農田土壤N2O排放機制的基礎上，根據模型建立方法的不同，可將N2O排放模型分為經驗統計模型和機制過程模型2類［15-16］。其中，機制過程模型是以土壤N2O產生機制為基礎，認為N2O的排放主要來源于以土壤NO3--N和NH4+-N含量為基礎、受控于O2含量和水分狀況等因素的硝化和反硝化作用［15-16］。氣候、土壤、作物和農業等因子通過相互作用影響土壤硝化和反硝化作用，繼而得到用數學公式表達的相關物理、化學和生物過程中的氮循環過程，以此模擬土壤N2O排放。機制過程模型的模擬過程復雜，所需參數較多，用于點位模擬時準確度較高；用于區域模擬時，可探索不同土地利用方式和管理方式對溫室氣體排放的影響，繼而因地制宜地制定合理高效的減排措施［17-21］。

當前，用來估算農田土壤N2O排放并得到廣泛應用的機制過程模型主要包括DNDC（denitrification-decomposition）、WNMM（water and nitrogen management model）、DAYCENT 和 Ecosys（ecosystem model）模型等。各模型的氮循環過程類似，但側重點不同，使得各模型N2O占硝化反應的比例、反硝化N2O/N2或N2O/NO/N2的產生來源、硝化和反硝化作用臨界狀態的O2含量和水分狀況等一些基本參數設定有所不同，這也使得各模型N2O排放量模擬結果不同，應用和適用范圍也各異［17］（表 1［15，17，22-31］）。當前國外對于機制過程模型的研究較多，我國尚沒有自主開發的機制過程模型。

2.1 DAYCENT模型

DAYCENT模型是Century模型的衍生模型，所含子模塊包括作物生長模塊，作物殘留和土壤有機質分解模塊，土壤含水量和溫度模塊，痕量氣體模塊等，主要輸入參數包括每日天氣變化、土壤屬性以及當前和歷史土地利用方式等，可用于模擬土壤-大氣-植物碳氮循環相關的主要過程，包括作物生長、水分運移、熱量流動、有機碳分解、氮素礦化和固定作用、硝化作用和反硝化作用以及甲烷氧化作用等［22］（圖2）。

DAYCENT模型可用于模擬各種自然生態系統和人為管理下的農業系統中N2O排放等，在世界范圍內尤其是歐美一些國家得到廣泛應用，被用于預測不同土地利用方式或管理措施下農田N2O排放，取得了較好的模擬效果［32-34］。

我國學者應用DAYCENT模型的研究相對較少。有研究探討了DAYCENT模型用于預測農田系統不同管理模式下的溫室氣體減排潛力，并對不同管理模式下旱作農業系統和稻作系統的產量和溫室氣體排放量進行模擬［35］。CHENG等［36］則采用國內350處農田實驗數據以驗證DAYCENT模型并預測中國農田生態系統在不同土地管理模式下的溫室氣體減排潛力，結果表明，降低土壤有機質含量、控制氮肥施用和減少翻耕次數可大幅減少雨養農業生態系統下溫室氣體排放量。

2.2 Ecosys模型

Ecosys模型由加拿大阿爾伯達大學的GRANT等人開發，可用來模擬不同陸地生態系統下的生態行為，是一個較復雜的數學模型［37］。該模型包括7個子模型，主要用以模擬水、熱、碳、氧和氮等在土壤-大氣-植物界面下的遷移轉化過程，在模擬過程中同時兼顧土壤管理措施對這些過程的影響［38］。該模型需輸入參數較多，主要有氣候、土壤層、土壤屬性、詳細的作物信息和管理措施（施肥、耕作、灌溉、播種和收獲）等。

表1 預測農田土壤N2O排放的機制過程模型簡介Table 1 Introduction of major N2O simulation models at the field scale

Ecosys模型結構復雜，模擬過程繁瑣，模擬時間尺度從1 s到100 a，模擬空間尺度從1 mm到1 km，適用范圍廣，結果也較準確［39-40］。但由于Ecosys模型主要為微生物數學模型，模擬過程所需參數較多，因此該模型應用受到諸多條件限制，目前僅在加拿大等國家應用較多，多用于模擬在不同空間尺度上施肥農田N2O排放［41-42］。當前，我國尚未開展有關Ecosys模型的研究。

圖2 DAYCENT模型中的碳氮收支平衡［23-24］Fig.2 The balance of carbon and nitrogen in DAYCENT model

2.3 WNMM模型

WNMM模型即農業水氮管理模型，由澳大利亞墨爾本大學Li Yong與中國科學院南京土壤研究所張佳寶等人共同開發，用于模擬不同農業管理模式下（灌溉、耕作和施肥等）水分遷移、溶質運動、作物生長和碳氮循環等過程［28，43］（圖3）。WNMM模型適用于干旱半干旱氣候條件下的旱地作物開發，結構較為簡單，所需輸入參數較少，著重于水肥管理措施對溫室氣體排放的影響，主要應用于澳大利亞和中國等國家［15，44］。

WNMM模型在國際和國內的應用多集中在不同氣候條件及農業管理措施下的農田N2O等溫室氣體排放及作物產量的相關研究上，且均取得了較好的模型擬合結果［15］。LI等［45-46］在澳大利亞西部雨養麥田中應用WNMM模型研究了不同氮肥施用所引發的N2O排放變化，并提出了適用于當地農業生產的N2O減排措施。在國內相關研究中，WNMM模型被用于模擬青藏高原陸地生態系統N2O排放總量，發現硝化作用造成了絕大部分N2O排放損失［47］。在發展了新的含氮氣體排放子模型后，WNMM還可用于模擬中國亞熱帶茶田N2O排放損失，發現反硝化作用為主要N2O排放來源［48］。

圖3 WNMM模型在農田系統中的氮循環示意［44］Fig.3 Diagram of nitrogen cycling in soil-crop system in WNMM

2.4 DNDC模型

DNDC模型由美國新罕布什爾州大學陸地海洋空間研究中心李長生等人研發，最初被用來模擬美國農業土壤N2O排放。模型輸入參數主要包括氣象條件、土壤屬性、植被和農田管理措施等4個方面。在研發初期，DNDC模型包括土壤氣候過程子模型、有機質分解過程子模型和反硝化作用子模型3個子模型，并對植物生長過程子模型和土地管理利用方式進行解釋［31］。隨后，DNDC模型增加了利用土壤氧化還原電位模擬發酵過程的子模型并進一步修正了N2O等氣體排放的模擬過程等，逐漸發展為現在的DNDC模型［49］（圖4）。

DNDC模型在模擬N2O排放方面的應用非常廣泛。各國研究者應用DNDC模型模擬不同作物管理模式下農業土壤N2O等溫室氣體排放，取得了較好擬合效果，并發現N2O排放對施肥時機、施肥頻率、肥料類型、施肥方式和使用硝化抑制劑（或脲酶抑制劑）等因素都非常敏感［50-51］。我國學者也應用DNDC模型做了大量相關工作。起初，DNDC模型被應用于貴州省農業土壤N2O排放研究中，初步論述了我國亞熱帶旱田生態系統N2O排放特征及影響因素，揭示并討論了施肥和耕作措施變化等對該地區農業土壤N2O排放量的潛在影響［52］。近些年，關于DNDC模型的研究重點則逐漸集中在不同研究區農業生態系統下N2O等溫室氣體的排放機制和減排措施，發現合理的水肥管理系統能有效減少N2O排放；DNDC模型還被廣泛應用于碳氮循環模擬研究中，擬合效果均較理想［53-54］。

圖4 DNDC模型結構［18］Fig.4 Structure of DNDC model

適用于中國特有農業生態系統的China-DNDC也在不斷發展中。China-DNDC修改土壤水氮運移過程的缺省參數，引入地表徑流曲線和修正的通用土壤流失方程來控制和模擬地表徑流，還加入有關薄膜覆蓋管理模式的參數化模塊，并補充種養結合的相關子模型。這些改動提升了模型在中國主要農業生態系統及生產管理模式下的應用能力，并取得了理想的模擬效果［55-56］。與其他模型相比，DNDC模型適用環境范圍廣（旱地和水田等），模擬過程明確，模擬效果好，便于改造成適用于其他各種用途的綜合模型；且在利用GIS技術進行區域N2O排放模擬時，DNDC模型優勢更明顯［18，57-58］。

3 結論與展望

近年來大氣中N2O濃度呈不斷上升趨勢，其引發的環境問題已成為當今重要的全球性課題。N2O主要來源于土壤尤其是農田土壤。隨著土壤N2O產生機制研究的不斷深入，影響農田土壤N2O排放的相關模型研究也在發展，研究廣度和深度在不斷加強。機制過程模型可有效模擬陸地生化循環中的碳氮時空動態；但不同模型有著不同的物理生化過程，這也使各模型模擬N2O等溫室氣體排放過程時表現出一定差異。在實際應用中，使用者應根據研究目的和數據可用性來選擇模型。針對當前研究現狀，還應加強以下幾方面的探索：

在N2O產生機制研究方面，應更多采用新的工具和技術（如同位素技術、宏基因組學等），加強土壤微環境碳氮循環機制與微生物群落參與的N2O產生與消耗過程的研究，尤其應加強硝化細菌反硝化和硝態氮異化還原成銨過程的相關研究［10-11，59］。

在模型開發和應用相關研究上，應重視以下方面：（1）模型模擬N2O排放機制研究中，普遍只考慮硝化和反硝化作用對N2O排放的貢獻；對硝化細菌反硝化和硝態氮異化還原成銨過程的模擬研究工作應繼續深入開展。（2）作物修剪、病蟲害發生和雜草生長等影響農作物生長并作用于土壤N2O排放的相關模塊仍有待開發和改進。（3）模型中有關農田管理措施的描述應更詳盡，這將有助于探索更有效的土壤N2O減排措施（如施用控釋肥料，肥料深施或混施，應用滴灌等節水灌溉技術，應用秸稈還田和秸稈覆蓋技術以及使用硝化抑制劑等）［5，8，60-61］。（4）在中國，還應加強其他N2O排放模擬模型（或模擬N2O排放的作物模型）相關研究，如NOE（the algorithm of nitrous oxide emission）、NGAS、Expert-N、NLOSS、STICS（simulateur multidiscplinaire pour les cultures standard）和 DSSAT（decision support system for agrotechnology transfer）等模型［62-67］。與N2O排放相關的以上模型的對比研究可參見文獻［68-69］。在對這些模型的研究基礎上，可更多采用多模型結合的方法估算農田土壤N2O排放，以提高預測的可靠性與準確性［70-71］。（5）在未來研究中，可用模型估算區域、國家乃至全球農田土壤N2O排放總量，進一步研究不同氣候條件、土壤條件和農田管理措施等對農田土壤N2O排放的影響，這將有助于決策者制定更加合理有效的溫室氣體減排措施，維持農業穩定發展［1，72-73］。