摘 要：為原位監測 3 種不同植被的草地土壤與冠層氨揮發，并考查不同植被冠層氨釋放的生理機制及其對草地氨揮發的貢獻，本試驗設置 3 個品種(麥冬、高羊茅和狗牙根)，每個品種設 3 個施肥處理(不施氮，30 g·m-2緩釋尿素和 30 g·m-2 尿素)。采用泵吸式便攜氨氣探測儀原位監測土壤和冠層氨揮發，采用酶聯免疫法測定葉片的乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脫羧酶(GDC)、谷氨酰胺合成酶(GS)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)等酶活性。主要結果：3 種草地的土壤、冠層和草地的周年氨揮發量分別為 14.1~128.1、4.9~90.3、18.9~207.3 kg·hm-2·a-1。施用氮肥顯著增加了土壤和冠層氨揮發，狗牙根對氮肥的響應大于麥冬和高羊茅。在測定周期內冠層氨為凈釋放，冠層氨釋放量占草地總氨揮發量的 37%~39%;C3 和 C4 植物冠層氨通量均受苯丙氨酸解氨酶和質外體pH的顯著正向影響(P<0.05)，C4草地還受甘氨酸脫羧酶顯著負向調控(P<0.05)。草地土壤氨揮發主要受銨態氮的控制(P<0.05)。研究表明，冠層氨釋放是草地氨揮發的重要來源;C3 和C4 植物冠層氨來源均與苯丙氨酸代謝途徑有關;C4 植物光呼吸和氮同化途徑負向調控冠層氨揮發，C3 植物的光呼吸通過苯丙氨酸代謝途徑間接影響冠層氨釋放。

　　關鍵詞：C3 植物;C4 植物;氨揮發;光呼吸;苯丙氨酸代謝途徑;谷氨酰胺合成酶

　　大氣氨(NH3)作為最具流動性的活性氮，極易通過化學反應形成 PM2.5和 PM10，導致空氣質量下降;大氣氨沉降還會加速土壤酸化和水體富營養化，降低物種多樣性[1-3]。從 1978年到 2017 年，我國的 NH3 排放量增加了 102%。農業活動中過量施肥，導致氮肥利用不完全，部分氮以 NH3 的形式損失[4]。草地生態系統具有美化環境、調節小氣候、凈化空氣和水土保持等作用 [5]。草地施肥一般采用表面撒施，高溫高濕的條件更有利于氨氣的揮發，其NH3 損失率與農田相當或更高。有研究表明在草地生態系統中氨揮發損失占氮肥用量的0.04%~60%[6-7]。草地氨揮發受施氮量、灌溉和降雨等影響;也受土壤溫度、pH、水分、礦質氮含量等的影響[8-11]。植物冠層既是氨源又是氨匯[12]，對田間氨揮發具有重要的調節作用。

　　植物土壤論文：內蒙古荒漠草原植被對氣候響應的滯后性研究

　　草地成坪后冠層密集，因此，冠層在草地系統氨揮發中的作用不容忽視。植物冠層與大氣氨交換量和交換方向主要取決于 NH3 補償點及冠層大氣氨濃度，當環境中的 NH3 大于 NH3 補償點植物則吸收大氣 NH3，反之則釋放 NH3[13]。NH3 補償點受質外體 NH4+、pH 和銨態氮同化的影響，質外體 NH4+濃度和 pH 升高有利于植物釋放氨氣[14]。植物體銨來源有光呼吸途徑、苯丙氨酸代謝途[15]。乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脫羧酶(GDC)和谷氨酰胺合成酶(GS)等酶活性反映了光呼吸強度;苯丙氨酸解氨酶(PAL)反映苯丙氨酸代謝活性，其與木質素合成有關。另外，植物生殖生長后期營養器官的氮轉運也可能與質外體銨濃度和冠層氨交換有關[16]。由于 C3 植物的光呼吸強而 C4 植物的光呼吸弱[17]，因此 C3 和 C4 植物的冠層氨交換強度可能產生差異。

　　目前，關于草地氨揮發有幾個科學問題需要澄清。不同植被類型的草地的氨揮發通量及其影響因素為何?冠層在草地生態系統中是氨源還是氨匯? C3 植物和 C4 植物之間的冠層交換通量是否存在差異?本試驗通過田間原位監測和室內分析相結合的方法研究三種不同類型草地(暖季型草地狗牙根(C4 植物，俗稱百慕大)、冷季型草地高羊茅(C3 植物)和耐陰冷季型草地麥冬(C3 植物))的土壤氨揮發和冠層氨交換通量，質外體 pH 及氨氣補償點及其光呼吸和苯丙氨酸代謝途徑的相關酶活性，并通過結構方程模型考察冠層氨揮發的生理機制。

　　本試驗的主要目的：(a)定量觀測 3 種草地生態系統的周年土壤與冠層氨揮發通量及累積量，以及施肥對其影響，(b)探索 C3 和 C4 草地草的冠層氨揮發差異及其氨的來源。1 材料與方法1.1 試驗地概況試驗地位于陜西省楊凌農業高新技術產業示范區西北農林科技大學南校區，地處關中平原腹地，34°15′34″N，180°04′18″E，屬于溫帶季風氣候半濕潤易旱區，海拔高度 480 m，年降雨量 660 mm，年均氣溫 13.0~13.4 ℃，土壤類型為褐土。土壤基礎理化性質見表 1。

　　1.2 試驗材料與試驗設計

　　供試草地品種為麥冬(C3)、高羊茅(C3)和狗牙根(C4)(校園內已有種植年份相同的草地，同一草地蓋度一致)，供試肥料為尿素(U，N46.6%)和緩釋尿素(河南心連心化肥有限公司生產，屬于基質型緩釋尿素，通過添加具有較強離子交換性能的功能性吸附材料，控制養分的運移和損失，釋放期為 50 d，SRU，N45%)。試驗設置 3 個品種，每個品種設 3 個施肥處理(N0：不施氮處理，SRU：施用 30 g·m-2 的緩釋尿素和 U：施用 30 g·m-2的尿素)，共 9 個處理，每個處理重復 3 次，共計 27 小區。小區面積 3 m×3m。試驗時間2021 年 3 月末~11 月末，于 4 月 25 日將所有氮肥一次均勻撒施于地表。

　　1.3 測定項目與方法氨揮發速率采用泵吸式便攜氨氣探測儀測定(Portable ammonia detector 簡稱PAD)[18]。測定裝置由 3 部分組成，氣室(由于草地高度和密度不同所用氣室不同，高羊茅和狗牙根采用高 20 cm，直徑 5 cm 的 PVC 管，麥冬采用高 25 cm、直徑為 15 cm 的 PVC 管)、軟管和氨氣探測儀(博世安電子有限公司)。將氣室分別罩在土壤或土壤+冠層上，PAD 通過泵吸取氣室內空氣(0.25 L·min-1 由制造商推薦設置)測定其中氨的濃度。各小區隨機取點進行測定，重復 3 次。

　　施肥后的第一周每天測定，之后間隔 5~7 天測定一次。每次測定時間為上午 8:00~10:00，下午 2:00~4:00(每次測定的氨通量為上午與下午的平均值)，如有降雨則順延。氨揮發通量計算公式：AE = c ×v ×14 ×1440 ×106 ×10-9/(mv×0.0019625)式中：AE 為氨揮發通量，kg·N·hm-2·d-1;c 為測定的氨濃度值，μmol·mol-1;v 為空氣流速，0.25 L·min-1;14 為 N 的摩爾質量，g·mol-1;1440 為換算系數，1 d = 1440 min;106 為換算系數，106 m2 = 1 hm2;10-9 為換算系數，109 μg = 1 kg;mv 為氣體摩爾體積，25℃下為 24.5L·mol-1;0.0019625 為氣室底面積(m2)，測定麥冬時其底面積為 0.0177 m2。

　　氣室內有草的測定值為草地氨通量(土壤+冠層)，無草(草與草之間的間隙)的為土壤氨通量。冠層氨通量通過差減法計算，即冠層氨通量=草地氨通量(土壤+植株)-土壤氨通量(無植株)由于冬季氨揮發低于檢測限，因此只測定了春、夏和秋季排放量，春+夏+秋的排放量=周年排放量。累積量計算公式：土壤或冠層NH3揮發累積量 (kg · hm−2· a−1) = ∑ AVERAGE(Ai + Ai+1) × Nni=1式中：i 為測定次序;n 為總測定次數;A 為第 i 次土壤或冠層氨揮發通量;Ai+1 為第 i+1 次土壤或冠層氨揮發通量;N 為第 i 和 i+1 次之間間隔天數每次測定氨揮發同時采集 0~5cm 土壤樣品測定其硝、銨態氮含量、pH 和土壤水分。

　　土壤硝、銨態氮采用 1 mol·L-1·KCl 浸提，全自動流動分析儀(AA3，德國)測定，土壤 pH 采用 pH 計測定(水土比為 2.5:1)，土壤水分采用烘干法(105℃，12h)測定，土壤溫度采用Fourtec-MicroLite 高精度溫度記錄儀測定。乙醇酸氧化酶(GO)、甘氨酸脫羧酶(GDC)、谷氨酰胺合成酶(GS)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)均采用酶聯免疫(Elise)試劑盒(科諾迪生物科技有限公司)測定。質外體pH、NH4+和氨氣補償點采用文獻[19]的方法進行測定和計算。施肥后每隔 7 天測定一次，連續測定 3 次，之后每月測定一次。

　　1.4 數據處理

　　采用 Excel 處理數據; 采用 SPSS 軟件進行單因素方差分析和多重比較(LSD 法);Amos22.0(IBM，USA)做結構方程模型;SigmaPlot10.0 進行繪圖。

　　2 結果與分析

　　2.1 草地氨揮發

　　2.1.1 草地土壤和冠層氨揮發

　　在整個測定周期內，品種和施肥均對土壤氨通量具有顯著影響。兩種肥料處理的動態和總量差異不顯著，故將二者合并處理，簡稱 N30。不施肥時(N0)，高羊茅、狗牙根和麥冬的土壤氨通量分別 0.174~1.691、0.008~0.107、0.003~0.045 kg·N·hm-2·d-1，其中，高羊茅的土壤氨揮發量顯著高于狗牙根和麥冬，狗牙根和麥冬之間差異不顯著。高羊茅的土壤氨通量為春秋高，夏季低，狗牙根和麥冬整個周年的土壤氨通量低而平穩。施肥(N30)條件下高羊茅、狗牙根和麥冬的土壤氨通量分別為 0.074~1.692、0.026~1.587、0.006~0.383kg·N·hm-2·d-1;狗牙根和麥冬的土壤氨通量隨施肥顯著增加，而高羊茅增加不明顯。狗牙根峰值出現在施肥后的第 3 天，高羊茅在肥后第 6 天，而麥冬的峰值出現在夏季(6 月)。在整個測定周期，除了個別時間點外，冠層氨交換以排放為主 。

　　N0 情況下，高羊茅的冠層氨通量顯著高于狗牙根和麥冬，狗牙根和麥冬之間無顯著差異，高羊茅、狗牙根和麥冬的冠層氨通量分別為-0.112~2.547、-0.018~0.155、0.007~0.027 kg·N·hm-2·d-1。在 N30處理下，高羊茅、狗牙根和麥冬的冠層氨通量分別為-0.090~2.171、-0.277~1.518、-0.165~0.266kg·N·hm-2·d-1;狗牙根的通量顯著增加，而高羊茅和麥冬對氮肥的響應較小。

　　狗牙根和高羊茅冠層氨通量在施肥后的 5~6 天達到峰值，而麥冬無明顯峰值。表2為3種草地的土壤和冠層氨累積揮發量。不同品種之間土壤氨累積量存在顯著差異，其順序為：高羊茅(120.9~135.3 kg·hm-2·a-1)>狗牙根(12.5~108.3 kg·hm-2·a-1)>麥冬(2.8~25.3kg·hm-2·a-1);與 N0(45.4 kg·hm-2·a-1)相比，N30(89.6 kg·hm-2·a-1)顯著增加了土壤氨累積量。各品種土壤氨累積量夏季最高，占整個周年的 46.2%。

　　不同品種之間冠層氨累積量差異顯著，其順序為：高羊茅(79.0~101.6 kg hm-2·a-1)>狗牙根(7.6~49.3 kg·hm-2·a-1)>麥冬(1.6~8.1 kg·hm-2·a-1)。與 N0(29.4 kg·hm-2·a-1)相比，N30(53.0 kg·hm-2·a-1)顯著增加了冠層氨累積量。N0 處理下，春夏季累積量高，而秋季低;N30 處理下，夏季>春季>秋季，總之，冠層氨以夏季揮發為主，占整個周年的 52.4%。冠層氨釋放量占草地氨揮發的 37.3%(施肥)~39.3%(無肥)。

　　2.1.2 草地氨揮發及損失率

　　表明不同品種之間草地氨揮發累積量差異顯著。N0 處理的高羊茅、狗牙根和麥冬的氨累積量為 199.9、20.1、4.4 kg·hm-2·a-1，N30 處理則為 236.9、157.6、33.4 kg·hm-2·a-1。與 N0 相比，N30 顯著增加了草地累積量。夏季、春季和秋季草地氨揮發分別占整個周年的48.6%、29.3%、22.1%。氮肥氨揮發損失率順序為：狗牙根>高羊茅>麥冬，損失率分別為 45.8%、12.3%、9.7%，平均為 22.6%。

　　2.2 影響草地氨揮發因素

　　2.2.1 影響土壤氨揮發因素

　　草地土壤溫度均呈現先升高后降低的趨勢。狗牙根的冠層密集，有較好的保溫效應，因此土溫顯著高于麥冬和高羊茅，麥冬和高羊茅的土溫無差異。狗牙根、高羊茅和麥冬的土壤溫度平均值分別為 24、21、21℃。土壤 pH 范圍 8.0~8.6，整體規律為先下降后上升最后趨于平穩，穩定在 8.4~8.5。與 N0 處理相比，N30 處理下，施肥后土壤 pH 短期內有小幅度降低。土壤含水范圍 9.6%~31.3%。土壤含水 3~8 月隨降雨減少緩慢降低，9~10 月隨降雨量增加而升高，施肥對土壤含水無顯著影響。

　　N0 處理下，高羊茅、狗牙根和麥冬的銨態氮范圍分別 3.01~6.32、3.09~6.42、2.02~4.90 mg·kg-1，高羊茅和狗牙根的銨態氮高于麥冬。N30 處理下，高羊茅、狗牙根和麥冬的銨態氮范圍 2.57~115.08、2.76~82.36、2.33~81.75 mg·kg-1。硝態氮：N0 處理下，高羊茅、狗牙根和麥冬的硝態氮范圍分別 1.96~6.49、0.06~4.13、2.12~5.07 mg·kg-1。N30處理下，高羊茅、狗牙根和麥冬的硝態氮范圍1.96~151.67、0.72~88.59、1.39~105.28 mg·kg-1。與 N0 相比，N30 處理顯著增加了土壤銨態氮和硝態氮含量。施肥后 15 天內土壤銨態氮含量先升高后降低;硝態氮含量從 4 月 28 日開始緩慢上升在5 月 10 日達到峰值，之后又下降。

　　2.3 影響冠層氨交換生理因素

　　2.3.1 酶活性從各季節的平均酶活性來看，乙醇酸氧化酶 GO 活性隨季節變化呈逐步上升趨勢。春季各品種差異不顯著;夏季高羊茅和狗牙根 GO 活性顯著高于麥冬;秋季高羊茅 GO 活性顯著高于狗牙根和麥冬。春季甘氨酸脫羧酶 GDC 酶活性顯著高于秋季和夏季，秋季高于夏季。春夏兩季高羊茅和狗牙根 GDC 活性普遍高于麥冬，而秋季高羊茅 GDC 活性顯著高于狗牙根和麥冬。施肥對 GO 和 GDC 活性影響不顯著。

　　3 討論

　　3.1 草地氨揮發

　　谷佳林等人研究表明施用尿素和不同控釋肥(15 g·m-2)后高羊茅草地全年氨累積量為13.59~44.42 kg·hm-2，氮肥損失率 5.23%~17.08% [20];邊秀舉等人研究表明黑麥草施用尿素和不同控釋肥(12 g·m-2)后 15 天氨揮發損失 0.77%~20.78% [21];對匍匐翦股草研究表明其施用尿素和不同控釋肥(14.7 g·m-2)后 10 天氨揮發損失率為 0%~40.0% [7];狗牙根草地的尿素和不同控釋肥(14.7 g·m-2)的氮肥損失率為 3.6%~11.7% [22];也有文獻表明 0.04%~60%的氮肥以氨揮發的形式損失[6]。

　　本試驗研究結果表明麥冬的氨揮發與前人相當，而高羊茅和狗牙根的研究結果高于前人研究，其主要原因可能與本試驗的施肥量(30 g·m-2)大有關。高羊茅草地土壤氨揮發量較高可能與其較高的土壤礦化率有關。高羊茅地土壤全氮和有機質含量明顯高于其它兩塊地，我們推測是土壤的有機氮礦化作用要高于其它兩種草地。

　　表明高羊茅和狗牙根的銨態氮含量高于麥冬(N0)。我們發現麥冬的土壤和冠層氨揮發均較低，對肥料的響應也低。如果在草皮建設中適當增加麥冬比例，可能有助于氨的減排。本試驗施用尿素和緩釋尿素處理的草地氨揮發無差異，可能由于所用的肥料不是包膜控釋肥，而是吸附性的緩釋肥，其緩釋效果在草地上不是很理想。前人[23-24]研究表明，尿素與本試驗所用的緩釋尿素的釋放規律基本一致，緩釋肥料中添加的基質材料可吸附尿素和抑制溶解。此外本試驗施肥采用撒施的方式，肥料暴露在土壤表面，枯草層的脲酶活性又比土壤高 30 倍[25]，有利于尿素分解，從而導致緩釋肥料沒有達到緩釋效果。

　　3.2 草地冠層氨揮發及其貢獻

　　在研究草地氨揮發時一般未區分土壤氨揮發與冠層氨揮發。土壤-大氣-冠層之間也存在-0.256**6.6%-0.331**90.1%67%30.5%22.6% 74.1% 冠層氨通量PALGO 氨氣補償點GDCGS-0.475***-0.229**0.897*** 質外體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*** 氨交換，冠層既能釋放氨，也可吸收氨。在土壤氨揮發比較高時，大氣氨濃度升高，大氣NH3 大于氨補償點時就可能產生冠層吸收現象，反之則為氨釋放。本試驗研究表明除了個別時期，冠層有少量吸收外，大多數時期冠層為氨釋放。在監測期內冠層氨釋放量占整個草地氨揮發的 37%~39%。因此，僅僅測定土壤氨揮發會顯著低估草地的氨揮發。不同品種草地之間冠層氨存在顯著差異，主要是因為它們的質外體 pH、酶活性和氨氣補償點不同。高羊茅的質外體 pH、酶活性和氨氣補償點普遍高于狗牙根和麥冬，因此高羊茅的冠層通量大于后者。狗牙根的質外體 pH 和氨氣補償點對肥料響應高于高羊茅和麥冬，導致施肥對其冠層氨揮發的影響也大。

　　3.3 冠層氨交換的生理機制與源解析

　　植物冠層氨直接來自于質外體，因此，質外體銨濃度、氨補償點和 pH 等對氨交換有重要影響 [13-15]。結構方程模型也證實了這一點，不論是 C3 還是 C4 植物，冠層氨通量均受質外體 pH 的顯著影響。質外體 pH 越高，氨氣補償點越高越有利于氨氣的揮發[26]。氨氣補償點對 C3 植物冠層氨通量無影響，而在 C4 植物則有顯著影響。說明 C3 植物和 C4 植物的質外體氨的來源和冠層氨釋放機制具有明顯差異。

　　在不施肥時兩種 C3 植物(高羊茅和麥冬)的質外體 pH 和氨補償點也高于 C4 植物(狗牙根)。兩種類型植被的土壤溫度也不同，狗牙根高于高羊茅和麥冬。冠層氨的來源有光呼吸、苯丙氨酸代謝途徑和生殖生長期營養器官含氮化合物的轉運過程等[15-16]。本文供試草地植物均沒有生殖生長，因此不存在植物體內的氮素轉運。光呼吸的甘氨酸脫羧過程放出一個 NH3;苯丙氨酸解氨酶(PAL)在苯丙氨酸生產反式肉桂酸和 NH3過程中發揮作用[27-28]。這些過程產生的 NH3 如果未被 GS 固定將揮發到環境中[15]。

　　從結構方程模型可得 C3 植物和 C4 植物的 PAL 酶活性均直接與冠層氨通量密切相關，說明兩種植物的冠層氨來源均與苯丙氨酸代謝途徑有關，這可能與草地乂割導致的莖葉生長過程的木質素合成有關。C3 植物光呼吸的關鍵酶 GO 和 GDC 間接影響冠層氨通量;而 C4 冠層氨通量直接受 GDC 負向調控。說明 C3 植物和 C4 植物的氮代謝過程和冠層氨的來源有差異。植物的光呼吸過程發生在葉綠體、線粒體和過氧化物酶體中，其中發生在線粒體中的乙醇酸氧化和甘氨酸脫羧通過線粒體電子傳遞鏈影響木質素合成酶PAL活性[29-30]，同時產生NH3。因此 C3 植物旺盛的光呼吸作用對冠層氨釋放有重要作用。C4 植物的光呼吸弱，其產生的NH3 較少，不會直接影響冠層氨的供應，但是可能通過乙醇酸氧化過程激發 GS 酶活性而增加氮同化途徑進而降低質外體 pH 和氨補償點抑制冠層氨釋放。

　　4 結論

　　1)3 種植被類型的草地氨揮發通量具有顯著的差異。高羊茅、狗牙根和麥冬的氨揮發量分別為 199.9~236.9、20.1~157.6、4.4~22.4 kg·hm-2·a-1。

　　2)施肥會顯著增加草地的氨揮發，其中狗牙根對氮肥的響應顯著大于高羊茅和麥冬;高羊茅、狗牙根和麥冬氮肥的氨揮發損失率分別為 12.3%、45.8%、9.7%。

　　3)冠層氨揮發對草地的氨揮發貢獻為 37%~39%，因此冠層氨釋放對草地的氨揮發不容忽視。

　　4)C3 植物和 C4 植物的冠層氨通量均與苯丙氨酸代謝途徑呈正相關，質外體 pH 對冠層氨通量也有顯著影響。C3 植物的光呼吸通過苯丙氨酸途徑間接刺激冠層氨釋放;而 C4植物的光呼吸直接或間接的負向調控冠層氨通量;氮同化途徑通過氨補償點和質外體 pH 間接的負向調控冠層氨通量。

　　參考文獻

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　　作者：白穎慧，許迎浩，呂慎強，李嘉，李惠通，楊澤宇，王林權