植被冠层氨释放及对草地氨挥发贡献与源解析

　　摘 要：为原位监测 3 种不同植被的草地土壤与冠层氨挥发，并考查不同植被冠层氨释放的生理机制及其对草地氨挥发的贡献，本试验设置 3 个品种(麦冬、高羊茅和狗牙根)，每个品种设 3 个施肥处理(不施氮，30 g·m-2缓释尿素和 30 g·m-2 尿素)。采用泵吸式便携氨气探测仪原位监测土壤和冠层氨挥发，采用酶联免疫法测定叶片的乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脱羧酶(GDC)、谷氨酰胺合成酶(GS)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)等酶活性。主要结果：3 种草地的土壤、冠层和草地的周年氨挥发量分别为 14.1~128.1、4.9~90.3、18.9~207.3 kg·hm-2·a-1。施用氮肥显著增加了土壤和冠层氨挥发，狗牙根对氮肥的响应大于麦冬和高羊茅。在测定周期内冠层氨为净释放，冠层氨释放量占草地总氨挥发量的 37%~39%;C3 和 C4 植物冠层氨通量均受苯丙氨酸解氨酶和质外体pH的显著正向影响(P<0.05)，C4草地还受甘氨酸脱羧酶显著负向调控(P<0.05)。草地土壤氨挥发主要受铵态氮的控制(P<0.05)。研究表明，冠层氨释放是草地氨挥发的重要来源;C3 和C4 植物冠层氨来源均与苯丙氨酸代谢途径有关;C4 植物光呼吸和氮同化途径负向调控冠层氨挥发，C3 植物的光呼吸通过苯丙氨酸代谢途径间接影响冠层氨释放。

　　关键词：C3 植物;C4 植物;氨挥发;光呼吸;苯丙氨酸代谢途径;谷氨酰胺合成酶

　　大气氨(NH3)作为最具流动性的活性氮，极易通过化学反应形成 PM2.5和 PM10，导致空气质量下降;大气氨沉降还会加速土壤酸化和水体富营养化，降低物种多样性[1-3]。从 1978年到 2017 年，我国的 NH3 排放量增加了 102%。农业活动中过量施肥，导致氮肥利用不完全，部分氮以 NH3 的形式损失[4]。草地生态系统具有美化环境、调节小气候、净化空气和水土保持等作用 [5]。草地施肥一般采用表面撒施，高温高湿的条件更有利于氨气的挥发，其NH3 损失率与农田相当或更高。有研究表明在草地生态系统中氨挥发损失占氮肥用量的0.04%~60%[6-7]。草地氨挥发受施氮量、灌溉和降雨等影响;也受土壤温度、pH、水分、矿质氮含量等的影响[8-11]。植物冠层既是氨源又是氨汇[12]，对田间氨挥发具有重要的调节作用。

　　植物土壤论文：内蒙古荒漠草原植被对气候响应的滞后性研究

　　草地成坪后冠层密集，因此，冠层在草地系统氨挥发中的作用不容忽视。植物冠层与大气氨交换量和交换方向主要取决于 NH3 补偿点及冠层大气氨浓度，当环境中的 NH3 大于 NH3 补偿点植物则吸收大气 NH3，反之则释放 NH3[13]。NH3 补偿点受质外体 NH4+、pH 和铵态氮同化的影响，质外体 NH4+浓度和 pH 升高有利于植物释放氨气[14]。植物体铵来源有光呼吸途径、苯丙氨酸代谢途[15]。乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脱羧酶(GDC)和谷氨酰胺合成酶(GS)等酶活性反映了光呼吸强度;苯丙氨酸解氨酶(PAL)反映苯丙氨酸代谢活性，其与木质素合成有关。另外，植物生殖生长后期营养器官的氮转运也可能与质外体铵浓度和冠层氨交换有关[16]。由于 C3 植物的光呼吸强而 C4 植物的光呼吸弱[17]，因此 C3 和 C4 植物的冠层氨交换强度可能产生差异。

　　目前，关于草地氨挥发有几个科学问题需要澄清。不同植被类型的草地的氨挥发通量及其影响因素为何?冠层在草地生态系统中是氨源还是氨汇? C3 植物和 C4 植物之间的冠层交换通量是否存在差异?本试验通过田间原位监测和室内分析相结合的方法研究三种不同类型草地(暖季型草地狗牙根(C4 植物，俗称百慕大)、冷季型草地高羊茅(C3 植物)和耐阴冷季型草地麦冬(C3 植物))的土壤氨挥发和冠层氨交换通量，质外体 pH 及氨气补偿点及其光呼吸和苯丙氨酸代谢途径的相关酶活性，并通过结构方程模型考察冠层氨挥发的生理机制。

　　本试验的主要目的：(a)定量观测 3 种草地生态系统的周年土壤与冠层氨挥发通量及累积量，以及施肥对其影响，(b)探索 C3 和 C4 草地草的冠层氨挥发差异及其氨的来源。1 材料与方法1.1 试验地概况试验地位于陕西省杨凌农业高新技术产业示范区西北农林科技大学南校区，地处关中平原腹地，34°15′34″N，180°04′18″E，属于温带季风气候半湿润易旱区，海拔高度 480 m，年降雨量 660 mm，年均气温 13.0~13.4 ℃，土壤类型为褐土。土壤基础理化性质见表 1。

　　1.2 试验材料与试验设计

　　供试草地品种为麦冬(C3)、高羊茅(C3)和狗牙根(C4)(校园内已有种植年份相同的草地，同一草地盖度一致)，供试肥料为尿素(U，N46.6%)和缓释尿素(河南心连心化肥有限公司生产，属于基质型缓释尿素，通过添加具有较强离子交换性能的功能性吸附材料，控制养分的运移和损失，释放期为 50 d，SRU，N45%)。试验设置 3 个品种，每个品种设 3 个施肥处理(N0：不施氮处理，SRU：施用 30 g·m-2 的缓释尿素和 U：施用 30 g·m-2的尿素)，共 9 个处理，每个处理重复 3 次，共计 27 小区。小区面积 3 m×3m。试验时间2021 年 3 月末~11 月末，于 4 月 25 日将所有氮肥一次均匀撒施于地表。

　　1.3 测定项目与方法氨挥发速率采用泵吸式便携氨气探测仪测定(Portable ammonia detector 简称PAD)[18]。测定装置由 3 部分组成，气室(由于草地高度和密度不同所用气室不同，高羊茅和狗牙根采用高 20 cm，直径 5 cm 的 PVC 管，麦冬采用高 25 cm、直径为 15 cm 的 PVC 管)、软管和氨气探测仪(博世安电子有限公司)。将气室分别罩在土壤或土壤+冠层上，PAD 通过泵吸取气室内空气(0.25 L·min-1 由制造商推荐设置)测定其中氨的浓度。各小区随机取点进行测定，重复 3 次。

　　施肥后的第一周每天测定，之后间隔 5~7 天测定一次。每次测定时间为上午 8:00~10:00，下午 2:00~4:00(每次测定的氨通量为上午与下午的平均值)，如有降雨则顺延。氨挥发通量计算公式：AE = c ×v ×14 ×1440 ×106 ×10-9/(mv×0.0019625)式中：AE 为氨挥发通量，kg·N·hm-2·d-1;c 为测定的氨浓度值，μmol·mol-1;v 为空气流速，0.25 L·min-1;14 为 N 的摩尔质量，g·mol-1;1440 为换算系数，1 d = 1440 min;106 为换算系数，106 m2 = 1 hm2;10-9 为换算系数，109 μg = 1 kg;mv 为气体摩尔体积，25℃下为 24.5L·mol-1;0.0019625 为气室底面积(m2)，测定麦冬时其底面积为 0.0177 m2。

　　气室内有草的测定值为草地氨通量(土壤+冠层)，无草(草与草之间的间隙)的为土壤氨通量。冠层氨通量通过差减法计算，即冠层氨通量=草地氨通量(土壤+植株)-土壤氨通量(无植株)由于冬季氨挥发低于检测限，因此只测定了春、夏和秋季排放量，春+夏+秋的排放量=周年排放量。累积量计算公式：土壤或冠层NH3挥发累积量 (kg · hm−2· a−1) = ∑ AVERAGE(Ai + Ai+1) × Nni=1式中：i 为测定次序;n 为总测定次数;A 为第 i 次土壤或冠层氨挥发通量;Ai+1 为第 i+1 次土壤或冠层氨挥发通量;N 为第 i 和 i+1 次之间间隔天数每次测定氨挥发同时采集 0~5cm 土壤样品测定其硝、铵态氮含量、pH 和土壤水分。

　　土壤硝、铵态氮采用 1 mol·L-1·KCl 浸提，全自动流动分析仪(AA3，德国)测定，土壤 pH 采用 pH 计测定(水土比为 2.5:1)，土壤水分采用烘干法(105℃，12h)测定，土壤温度采用Fourtec-MicroLite 高精度温度记录仪测定。乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脱羧酶(GDC)、谷氨酰胺合成酶(GS)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)均采用酶联免疫(Elise)试剂盒(科诺迪生物科技有限公司)测定。质外体pH、NH4+和氨气补偿点采用文献[19]的方法进行测定和计算。施肥后每隔 7 天测定一次，连续测定 3 次，之后每月测定一次。

　　1.4 数据处理

　　采用 Excel 处理数据; 采用 SPSS 软件进行单因素方差分析和多重比较(LSD 法);Amos22.0(IBM，USA)做结构方程模型;SigmaPlot10.0 进行绘图。

　　2 结果与分析

　　2.1 草地氨挥发

　　2.1.1 草地土壤和冠层氨挥发

　　在整个测定周期内，品种和施肥均对土壤氨通量具有显著影响。两种肥料处理的动态和总量差异不显著，故将二者合并处理，简称 N30。不施肥时(N0)，高羊茅、狗牙根和麦冬的土壤氨通量分别 0.174~1.691、0.008~0.107、0.003~0.045 kg·N·hm-2·d-1，其中，高羊茅的土壤氨挥发量显著高于狗牙根和麦冬，狗牙根和麦冬之间差异不显著。高羊茅的土壤氨通量为春秋高，夏季低，狗牙根和麦冬整个周年的土壤氨通量低而平稳。施肥(N30)条件下高羊茅、狗牙根和麦冬的土壤氨通量分别为 0.074~1.692、0.026~1.587、0.006~0.383kg·N·hm-2·d-1;狗牙根和麦冬的土壤氨通量随施肥显著增加，而高羊茅增加不明显。狗牙根峰值出现在施肥后的第 3 天，高羊茅在肥后第 6 天，而麦冬的峰值出现在夏季(6 月)。在整个测定周期，除了个别时间点外，冠层氨交换以排放为主 。

　　N0 情况下，高羊茅的冠层氨通量显著高于狗牙根和麦冬，狗牙根和麦冬之间无显著差异，高羊茅、狗牙根和麦冬的冠层氨通量分别为-0.112~2.547、-0.018~0.155、0.007~0.027 kg·N·hm-2·d-1。在 N30处理下，高羊茅、狗牙根和麦冬的冠层氨通量分别为-0.090~2.171、-0.277~1.518、-0.165~0.266kg·N·hm-2·d-1;狗牙根的通量显著增加，而高羊茅和麦冬对氮肥的响应较小。

　　狗牙根和高羊茅冠层氨通量在施肥后的 5~6 天达到峰值，而麦冬无明显峰值。表2为3种草地的土壤和冠层氨累积挥发量。不同品种之间土壤氨累积量存在显著差异，其顺序为：高羊茅(120.9~135.3 kg·hm-2·a-1)>狗牙根(12.5~108.3 kg·hm-2·a-1)>麦冬(2.8~25.3kg·hm-2·a-1);与 N0(45.4 kg·hm-2·a-1)相比，N30(89.6 kg·hm-2·a-1)显著增加了土壤氨累积量。各品种土壤氨累积量夏季最高，占整个周年的 46.2%。

　　不同品种之间冠层氨累积量差异显著，其顺序为：高羊茅(79.0~101.6 kg hm-2·a-1)>狗牙根(7.6~49.3 kg·hm-2·a-1)>麦冬(1.6~8.1 kg·hm-2·a-1)。与 N0(29.4 kg·hm-2·a-1)相比，N30(53.0 kg·hm-2·a-1)显著增加了冠层氨累积量。N0 处理下，春夏季累积量高，而秋季低;N30 处理下，夏季>春季>秋季，总之，冠层氨以夏季挥发为主，占整个周年的 52.4%。冠层氨释放量占草地氨挥发的 37.3%(施肥)~39.3%(无肥)。

　　2.1.2 草地氨挥发及损失率

　　表明不同品种之间草地氨挥发累积量差异显著。N0 处理的高羊茅、狗牙根和麦冬的氨累积量为 199.9、20.1、4.4 kg·hm-2·a-1，N30 处理则为 236.9、157.6、33.4 kg·hm-2·a-1。与 N0 相比，N30 显著增加了草地累积量。夏季、春季和秋季草地氨挥发分别占整个周年的48.6%、29.3%、22.1%。氮肥氨挥发损失率顺序为：狗牙根>高羊茅>麦冬，损失率分别为 45.8%、12.3%、9.7%，平均为 22.6%。

　　2.2 影响草地氨挥发因素

　　2.2.1 影响土壤氨挥发因素

　　草地土壤温度均呈现先升高后降低的趋势。狗牙根的冠层密集，有较好的保温效应，因此土温显著高于麦冬和高羊茅，麦冬和高羊茅的土温无差异。狗牙根、高羊茅和麦冬的土壤温度平均值分别为 24、21、21℃。土壤 pH 范围 8.0~8.6，整体规律为先下降后上升最后趋于平稳，稳定在 8.4~8.5。与 N0 处理相比，N30 处理下，施肥后土壤 pH 短期内有小幅度降低。土壤含水范围 9.6%~31.3%。土壤含水 3~8 月随降雨减少缓慢降低，9~10 月随降雨量增加而升高，施肥对土壤含水无显著影响。

　　N0 处理下，高羊茅、狗牙根和麦冬的铵态氮范围分别 3.01~6.32、3.09~6.42、2.02~4.90 mg·kg-1，高羊茅和狗牙根的铵态氮高于麦冬。N30 处理下，高羊茅、狗牙根和麦冬的铵态氮范围 2.57~115.08、2.76~82.36、2.33~81.75 mg·kg-1。硝态氮：N0 处理下，高羊茅、狗牙根和麦冬的硝态氮范围分别 1.96~6.49、0.06~4.13、2.12~5.07 mg·kg-1。N30处理下，高羊茅、狗牙根和麦冬的硝态氮范围1.96~151.67、0.72~88.59、1.39~105.28 mg·kg-1。与 N0 相比，N30 处理显著增加了土壤铵态氮和硝态氮含量。施肥后 15 天内土壤铵态氮含量先升高后降低;硝态氮含量从 4 月 28 日开始缓慢上升在5 月 10 日达到峰值，之后又下降。

　　2.3 影响冠层氨交换生理因素

　　2.3.1 酶活性从各季节的平均酶活性来看，乙醇酸氧化酶 GO 活性随季节变化呈逐步上升趋势。春季各品种差异不显著;夏季高羊茅和狗牙根 GO 活性显著高于麦冬;秋季高羊茅 GO 活性显著高于狗牙根和麦冬。春季甘氨酸脱羧酶 GDC 酶活性显著高于秋季和夏季，秋季高于夏季。春夏两季高羊茅和狗牙根 GDC 活性普遍高于麦冬，而秋季高羊茅 GDC 活性显著高于狗牙根和麦冬。施肥对 GO 和 GDC 活性影响不显著。

　　3 讨论

　　3.1 草地氨挥发

　　谷佳林等人研究表明施用尿素和不同控释肥(15 g·m-2)后高羊茅草地全年氨累积量为13.59~44.42 kg·hm-2，氮肥损失率 5.23%~17.08% [20];边秀举等人研究表明黑麦草施用尿素和不同控释肥(12 g·m-2)后 15 天氨挥发损失 0.77%~20.78% [21];对匍匐翦股草研究表明其施用尿素和不同控释肥(14.7 g·m-2)后 10 天氨挥发损失率为 0%~40.0% [7];狗牙根草地的尿素和不同控释肥(14.7 g·m-2)的氮肥损失率为 3.6%~11.7% [22];也有文献表明 0.04%~60%的氮肥以氨挥发的形式损失[6]。

　　本试验研究结果表明麦冬的氨挥发与前人相当，而高羊茅和狗牙根的研究结果高于前人研究，其主要原因可能与本试验的施肥量(30 g·m-2)大有关。高羊茅草地土壤氨挥发量较高可能与其较高的土壤矿化率有关。高羊茅地土壤全氮和有机质含量明显高于其它两块地，我们推测是土壤的有机氮矿化作用要高于其它两种草地。

　　表明高羊茅和狗牙根的铵态氮含量高于麦冬(N0)。我们发现麦冬的土壤和冠层氨挥发均较低，对肥料的响应也低。如果在草皮建设中适当增加麦冬比例，可能有助于氨的减排。本试验施用尿素和缓释尿素处理的草地氨挥发无差异，可能由于所用的肥料不是包膜控释肥，而是吸附性的缓释肥，其缓释效果在草地上不是很理想。前人[23-24]研究表明，尿素与本试验所用的缓释尿素的释放规律基本一致，缓释肥料中添加的基质材料可吸附尿素和抑制溶解。此外本试验施肥采用撒施的方式，肥料暴露在土壤表面，枯草层的脲酶活性又比土壤高 30 倍[25]，有利于尿素分解，从而导致缓释肥料没有达到缓释效果。

　　3.2 草地冠层氨挥发及其贡献

　　在研究草地氨挥发时一般未区分土壤氨挥发与冠层氨挥发。土壤-大气-冠层之间也存在-0.256**6.6%-0.331**90.1%67%30.5%22.6% 74.1% 冠层氨通量PALGO 氨气补偿点GDCGS-0.475***-0.229**0.897*** 质外体pH-0.210***-0.560***0.183**0.812***0.408**0.369**-0.514***0.363**0.314**DF=6P=0.272CFI=0.995RMSEA=0.065C40.311*** 氨交换，冠层既能释放氨，也可吸收氨。在土壤氨挥发比较高时，大气氨浓度升高，大气NH3 大于氨补偿点时就可能产生冠层吸收现象，反之则为氨释放。本试验研究表明除了个别时期，冠层有少量吸收外，大多数时期冠层为氨释放。在监测期内冠层氨释放量占整个草地氨挥发的 37%~39%。因此，仅仅测定土壤氨挥发会显著低估草地的氨挥发。不同品种草地之间冠层氨存在显著差异，主要是因为它们的质外体 pH、酶活性和氨气补偿点不同。高羊茅的质外体 pH、酶活性和氨气补偿点普遍高于狗牙根和麦冬，因此高羊茅的冠层通量大于后者。狗牙根的质外体 pH 和氨气补偿点对肥料响应高于高羊茅和麦冬，导致施肥对其冠层氨挥发的影响也大。

　　3.3 冠层氨交换的生理机制与源解析

　　植物冠层氨直接来自于质外体，因此，质外体铵浓度、氨补偿点和 pH 等对氨交换有重要影响 [13-15]。结构方程模型也证实了这一点，不论是 C3 还是 C4 植物，冠层氨通量均受质外体 pH 的显著影响。质外体 pH 越高，氨气补偿点越高越有利于氨气的挥发[26]。氨气补偿点对 C3 植物冠层氨通量无影响，而在 C4 植物则有显著影响。说明 C3 植物和 C4 植物的质外体氨的来源和冠层氨释放机制具有明显差异。

　　在不施肥时两种 C3 植物(高羊茅和麦冬)的质外体 pH 和氨补偿点也高于 C4 植物(狗牙根)。两种类型植被的土壤温度也不同，狗牙根高于高羊茅和麦冬。冠层氨的来源有光呼吸、苯丙氨酸代谢途径和生殖生长期营养器官含氮化合物的转运过程等[15-16]。本文供试草地植物均没有生殖生长，因此不存在植物体内的氮素转运。光呼吸的甘氨酸脱羧过程放出一个 NH3;苯丙氨酸解氨酶(PAL)在苯丙氨酸生产反式肉桂酸和 NH3过程中发挥作用[27-28]。这些过程产生的 NH3 如果未被 GS 固定将挥发到环境中[15]。

　　从结构方程模型可得 C3 植物和 C4 植物的 PAL 酶活性均直接与冠层氨通量密切相关，说明两种植物的冠层氨来源均与苯丙氨酸代谢途径有关，这可能与草地乂割导致的茎叶生长过程的木质素合成有关。C3 植物光呼吸的关键酶 GO 和 GDC 间接影响冠层氨通量;而 C4 冠层氨通量直接受 GDC 负向调控。说明 C3 植物和 C4 植物的氮代谢过程和冠层氨的来源有差异。植物的光呼吸过程发生在叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中，其中发生在线粒体中的乙醇酸氧化和甘氨酸脱羧通过线粒体电子传递链影响木质素合成酶PAL活性[29-30]，同时产生NH3。因此 C3 植物旺盛的光呼吸作用对冠层氨释放有重要作用。C4 植物的光呼吸弱，其产生的NH3 较少，不会直接影响冠层氨的供应，但是可能通过乙醇酸氧化过程激发 GS 酶活性而增加氮同化途径进而降低质外体 pH 和氨补偿点抑制冠层氨释放。

　　4 结论

　　1)3 种植被类型的草地氨挥发通量具有显著的差异。高羊茅、狗牙根和麦冬的氨挥发量分别为 199.9~236.9、20.1~157.6、4.4~22.4 kg·hm-2·a-1。

　　2)施肥会显著增加草地的氨挥发，其中狗牙根对氮肥的响应显著大于高羊茅和麦冬;高羊茅、狗牙根和麦冬氮肥的氨挥发损失率分别为 12.3%、45.8%、9.7%。

　　3)冠层氨挥发对草地的氨挥发贡献为 37%~39%，因此冠层氨释放对草地的氨挥发不容忽视。

　　4)C3 植物和 C4 植物的冠层氨通量均与苯丙氨酸代谢途径呈正相关，质外体 pH 对冠层氨通量也有显著影响。C3 植物的光呼吸通过苯丙氨酸途径间接刺激冠层氨释放;而 C4植物的光呼吸直接或间接的负向调控冠层氨通量;氮同化途径通过氨补偿点和质外体 pH 间接的负向调控冠层氨通量。

　　参考文献

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　　[2] DONG Y, XU L. Anthropogenic intensification of urban reactive nitrogen inputs and potential to mitigatenitrogen pollution in Guangzhou, China - ScienceDirect[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2020.159.Anthropogenic intensification of urban reactive nitrogen inputs and potential to mitigate nitrogenpollution in Guangzhou, China. Resources, Conservation and Recycling, 2020. 159.

　　作者：白颖慧，许迎浩，吕慎强，李嘉，李惠通，杨泽宇，王林权