草地土壤N2O排放对人为干扰的响应研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00121

摘要/Abstract

摘要：

氧化亚氮（N₂O）浓度的上升加剧全球气候变暖。近年来，中国面临草地沙化严重扩张的现象，研究草地土壤N₂O排放响应日益增多。然而，人为干扰对草地土壤N₂O排放的作用，在土壤理化性质、微生物和环境因子等方面尚缺乏系统研究。因此，本文综述了草地土壤N₂O排放对不同干扰因素的响应机制。结果表明：铵态氮（NH $4 +$ -N）和硝态氮（NO $3 -$ -N）是土壤微生物硝化和反硝化的底物。放牧降低可溶性有机质（DOM）对反硝化功能基因和反硝化潜势的作用，导致土壤潜在N₂O排放通量降低。刈割降低了沙质草地的土壤温度而使土壤酶活性降低，诱导土壤微生物量和活性降低，抑制微生物呼吸，对土壤氮循环产生影响。火烧对土壤N₂O通量的变化与火干扰的强度和持续时间有关。未来的研究应进一步探究其内在机制，为草地科学管理和温室气体减排提供理论支持。

关键词: 草地土壤, 氧化亚氮, 人为干扰

Abstract:

The rise of nitrogen nitrogen （N₂O） concentration has exacerbated global warming. In recent years， China has faced the phenomenon of severe expansion of grassland desertification， and the response to the study of grass soil N₂O of grassland soil is increasing. However， there is a lack of systematic studies on the changes in N₂O emissions from grassland soils due to anthropogenic disturbances in terms of soil physicochemical properties and microorganisms and environmental factors. Therefore， this paper reviews the response mechanisms of grassland soil N₂O emissions to different disturbance types. Results showed that： ammonium nitrogen （NH $4 +$ -N） and nitric nitrogen （NO $3 -$ -N） are substrates for soil microbial nitrogen and nitrification. Rather than reducing soluble organic matter （DOM） to restrict nitrifying microorganisms， suppression of functional denitrification genes and denitrification potentials， and eventually lead to a reduction in potential N₂O emissions of the soil. Cutting the soil temperature of the sandy grassland and reducing the activity of soil enzymes， inducing soil microorganisms and activity， inhibit the breathing of microorganisms， and affect the soil nitrogen cycle. The change of fire to the flux of soil N₂O is related to the intensity and duration of fire interference. Therefore， future research should further explore its internal mechanisms to provide theoretical support for grassland scientific management and greenhouse gas emission reduction.

Key words: grassland soils, nitrous oxide, anthropogenic perturbation

中图分类号:

S153

方海富, 陈翔, 杨红玲, 程莉, 李玉霖. 草地土壤N₂O排放对人为干扰的响应研究进展[J]. 中国沙漠, 2025, 45(2): 184-190.

Haifu Fang, Xiang Chen, Hongling Yang, Li Cheng, Yulin Li. A review of response of nitrous oxide emissions to anthropogenic perturbation in grassland soil[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(2): 184-190.

图/表 1

参考文献 79

1	IPCC.Summary for Policymakers//Global Warming of 1.5 ℃［M］.Geneva，Switzerland：IPCC，2018.
2	任宏芳.气候变化背景下秸秆还田方式对大豆土壤温室气体排放及相关酶活性的影响［D］.太原：山西农业大学，2021.
3	余雅迪，张茜，王皓，等.土壤二氧化碳及氧化亚氮排放对毛竹扩张的响应及机制［J］.浙江农林大学学报，2024，41（3）：659-668.
4	谢君毅，徐侠，蔡斌，等.“碳中和”背景下碳输入方式对森林土壤活性氮库及氮循环的影响［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2022，46（2）：1-11.
5	解李娜，吴祺琪，王宇萌，等.锦鸡儿属灌木阻止干旱草地沙漠化生态过程［J］.生态学报，2024，44（4）：1680-1691.
6	何磊.基于遥感方法的阿拉善盟荒漠化研究［D］.兰州：兰州大学，2013.
7	向宇，李玉强，郑成卓，等.生物炭在沙质土壤修复中的应用研究进展［J］.中国沙漠，2024，44（4）：315-326.
8	刘仁燕，赵媛媛，周蝶，等.科尔沁-浑善达克沙地2000-2020年土地沙化时空变化格局［J］.中国沙漠，2024，44（4）：46-56.
9	裴广廷，孙建飞，贺同鑫，等.长期人为干扰对桂西北喀斯特草地土壤微生物多样性及群落结构的影响［J］.植物生态学报，2021，45（1）：74-84.
10	Zhang K， Zhu Q A， Liu J X，et al.Spatial and temporal variations of N₂O emissions from global forest and grassland ecosystems［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2019，266/267：129-139.
11	Oertel C， Matschullat J， Zurba K，et al.Greenhouse gas emissions from soils：a review［J］.Chemie Der Erde-geochemistry，2016，76（3）：327-352.
12	Kuypers M M M， Marchant H K， Kartal B.The microbial nitrogen-cycling network［J］.Nature Reviews Microbiology，2018，16（5）：263-276.
13	郑翔，刘琦，曹敏敏，等.森林土壤氧化亚氮排放对氮输入的响应研究进展［J］.土壤学报，2022，59（5）：1190-1203.
14	刘峰.不同施肥处理下三种典型旱地土壤N₂O排放特征和微生物机理的研究［D］.太原：山西大学，2017.
15	方海富.毛竹扩张对日本柳杉林土壤N₂O排放的影响及微生物机制研究［D］.南昌：江西农业大学，2021.
16	陈伏生，曾德慧，何兴元.森林土壤氮素的转化与循环［J］.生态学杂志，2004，23（5）：126-133.
17	David F， John A P， John A R，et al.The global nitrogen cycle in the twenty-first century［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society B：Biological Sciences，2013，1621（368）：20130164.
18	Kochian L V， Pineros M A， Liu J，et al.Plant adaptation to acid soils：the molecular basis for crop aluminum resistance［J］.Annual Review of Plant Biology，2015，66（1）：571-598.
19	邓邦良.改良剂应用对油茶林施氮肥土壤温室气体排放的影响［D］.南昌：江西农业大学，2020.
20	贺纪正，张丽梅.土壤氮素转化的关键微生物过程及机制［J］.微生物学通报，2013，40（1）：98-108.
21	Zhang J B， Müller C， Cai Z C.Heterotrophic nitrification of organic N and its contribution to nitrousoxide emissions in soils［J］.Soil Biology & Biochemistry，2015，84：199-209.
22	Stange C F， Spott O， Arriaga H，et al.Use of the inverse abundance approach to identify the sources of NO and N₂O release from Spanish forest soils under oxic and hypoxic conditions［J］.Soil Biology & Biochemistry，2013（57）：451-458.
23	Wrage N， Velthof G L， Beusichem M L V，et al.Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide［J］.Soil Biology & Biochemistry，2001，33（12/13）：1723-1732.
24	Fang H F， Liu Y Q， Bai J，et al.Impact of Moso Bamboo （Phyllostachys edulis） expansion into Japanese Cedar plantations on soil fungal and bacterial community compositions［J］.Forests，2022，13：1190.
25	Shoun H， Fushinobu S， Jiang L，et al.Fungal denitrification and nitric oxide reductase cytochrome P450nor［J］.Philosophical transactions of the Royal Society of London.Series B.Biological Sciences，2012，367（1593）：1186-1194.
26	Lipschultz F， Zafiriou O C， Wofsy S C，et al.Production of NO and N₂O by soil nitrifying bacteria［J］.Nature，1981，294（5842）：641-643.
27	王佰慧.不同硅含量生物质炭对油茶林土壤酸化改良及温室气体排放的影响［D］.南昌：江西农业大学，2022.
28	Davidsion E A， Keller M， Erickson H E，et al.Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides［J］.Bioscience，2000，5（8）：667-680.
29	Park S， Croteau P， Boering K A，et al.Trends and seasonal cycles in the isotopic composition of nitrous oxide since 1940［J］.Nature Geoscience，2012，5（4）：261-265.
30	黄莹，龙锡恩.真菌对土壤N₂O释放的贡献及其研究方法［J］.应用生态学报，2014，25（4）：1213-1220.
31	Fang H F， Xu X T， Zhang Q，et al.Biochar mitigated more N₂O emissions from soils with the same origin ecosystem as its feedstocks：implications for application of biochar［J］.Journal of Soil Sediments，2024，24（6）：2458-2466.
32	Stehfest E， Lex B.N₂O and NO emission from agricultural fields and soils under natural vegetation summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2006，74（3）：207-228.
33	Banerjee S， Helgason B， Wang L，et al.Legacy effects of soil moisture on microbial community structure and N₂O emissions［J］.Soil Biology & Biochemistry，2016，95：40-50.
34	Deng B L， Shi Y Z， Zhang L，et al.Effects of spent mushroom substrate-derived biochar on soil CO₂ and N₂O emissions depend on pyrolysis temperature［J］.Chemosphere，2020，246：125608.
35	Fang H F， Gao Y， Zhang Q，et al.Moso bamboo and Japanese cedar seedlings differently affected soil N₂O emissions［J］.Journal of Plant Ecology，2021，15：277-285.
36	黄俊翔，刘春岩，姚志生，等.放牧草地氧化亚氮排放：研究进展与展望［J］.农业环境科学学报，2020，39（4）：700-706.
37	Huang B， Chen G X， Huang G H，et al.Nitrous oxide emission from temperate meadow grassland and emission estimation for temperate grassland of China［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2003，67（1）：31-36.
38	Zhang F， Qi J， Li M F，et al.Quantifying nitrous oxide emissions from Chinese grasslands with a process-based model［J］.Biogeosciences，2010，7（6）：2039-2050.
39	Xu R， Wang Y S， Niu H S，et al.Estimating N₂O emissions from soils under natural vegetation in China［J］.Plant & Soil，2018，434（1/2）：271-287.
40	Tian H， Xu X F， Lu C Q，et al.Net exchanges of CO₂，CH₄ and N₂O between China's terrestrial ecosystems and the atmosphere and their contributions to global climate warming［J］.Journal of Geophysical Research Biogeosciences，2011，116：G2011.
41	Peng Q， Qi Y C， Dong Y S，et al.Soil nitrous oxide emissions from a typical semiarid temperate steppe in Inner Mongolia：effects of mineral nitrogen fertilizer levels and forms［J］.Plant & Soil，2011，342（1/2）：345-357.
42	Liu X R， Dong Y S， Qi Y C，et al.N₂O fluxes from the native and grazed semi-arid steppes and their driving factors in Inner Mongolia，China［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2010，86（2）：231-240.
43	Holst J， Liu C， Yao Z，et al.Importance of point sources on regional nitrous oxide fluxes in semi-arid steppe of Inner Mongolia，China［J］.Plant & Soil，2007，296（1/2）：209-226.
44	Du Y G， Cui Y G， Xu X L，et al.Nitrous oxide emissions from two alpine meadows in the Qinghai-Tibetan Plateau［J］.Plant & Soil，2008，311（1/2）：245-254.
45	吴晓芬，陈有超，蒋文婷，等.模拟牲畜采食对高寒草甸土壤潜在氧化亚氮排放的影响［J］.草地学报，2024，39（9）：2794-2802.
46	Vermoesen A， Van C O， Hofman G.Contribution of urine patches to the emission of N₂ O［M］//Jarvis S C and Pain B F.Gaseous Nitrogen Emissions from Grasslands.Wallingford，USA：CABI，1997.
47	Clough T J， Sherlock R R， Cameron K C，et al.Fate of urine nitrogen on mineral and peat soils in New Zealand［J］.Plant & Soil，1996，178（1）：141-152.
48	Velthof G L， Jarvis S C， Allen A G，et al.Spatial variability of nitrous oxide fluxes in mown and grazed grassland on a poorly clay soil［J］.Soil Biology & Biocheemistry，1996，28（9）：1215-1225.
49	Deng B L， Yuan X， Siemann E，et al.Feedstock particle size and pyrolysis temperature regulate effects of biochar on soil nitrous oxide and carbon dioxide emissions［J］.Waste Management，2021，120：33-40.
50	Zhang L， Hou L， Laanbroek H，et al.Effects of mowing heights on N₂O emission from temperate grasslands in Inner Mongolia，Northern China［J］.American Journal of Climate Change，2015，4（5）：397-407.
51	周磊榴，祝贵兵，王衫允，等.洞庭湖岸边带沉积物氨氧化古菌的丰度、多样性及对氨氧化的贡献［J］.环境科学学报，2013，33（6）：1741-1747.
52	Yin M Y， Gao X P， Kuang W N，et al.Soil N₂O emissions and functional genes in response to grazing grassland with livestock：a meta-analysis［J］.Geoderma，2023，436：116538.
53	郭小伟，戴黎聪，李茜，等.青藏高原放牧高寒草甸主要温室气体通量及其主控因素研究［J］.草原与草坪，2019，39（3）：72-78.
54	杨鼎.高原鼢鼠影响高寒草甸土壤碳氮含量的时间有效性研究［D］.兰州：兰州大学，2021.
55	Yamulki S， Jarvis S C， Owen P.Nitrous oxide emissions from excrecta applied in a simulated grazing pattern［J］.Soil Biology & Biochemistry，1998，30（4）：491-500.
56	Flessa H， Dorsch P， Beese F，et al.Influence of cattle wastes on nitrous oxide and methane fluxes in pasture land［J］.Journal of Environment Quality，1996，25：1366-1370.
57	Allen A G， Jarvis S C， Headon D M.Nitrous oxide emissions from soils due to inputs of nitrogen from excreta return by livestock on grazed grassland in the U.K［J］.Soil Biology & Biochemistry，1996，28（4/5）：597-607.
58	Oenema O， Velthof G L， Yarnulk S，et al.Nitrous oxide emissions from grazed grassland［J］.Soil Use and Management，1997，13（1）：288-295.
59	Yamulki S， Jarvis S C.Nitrous oxide emission from excreta from a simulated grazing pattern and fertilizer application to grassland［M］//Jarvis S C and Pain B F.Gaseous Nitrogen Emissions from Grasslands.Wallingford，USA：CABI，1997.
60	Yue P， Li K H， Hu Y，et al.The effect of nitrogen input on N₂O emission depends on precipitation in a temperate desert steppe［J］.Science of The Total Environment，2024，924：171572.
61	Yue P， Zuo X A， Li K H，et al.No significant change noted in annual nitrous oxide flux under precipitation changes in a temperate desert steppe［J］.Land Degradation & Development，2022，33：94-103.
62	Tang S M， Wang K， Xiang Y Z，et al.Heavy grazing reduces grassland soil greenhouse gas fluxes：a global meta-analysis［J］.Science of the Total Environment，2019，654：1218-1224.
63	Bilotta G S， Brazier R E， Haygarth P M.The impacts of grazing animals on the quality of soils，vegetation，and surface waters in intensively managed grasslands［J］.Advances in Agronomy，2007，94：237-280.
64	Chroňáková A， Radl V， Čuhel J，et al.Overwintering management on upland pasture causes shifts in an abundance of denitrifying microbial communities，their activity and N₂O-reducing ability［J］.Soil Biology & Biochemistry，2009，41（6）：1132-1138.
65	Yamulki S， Goulder K W T， Webster C P.Studies on NO and N₂O fluxes from a wheat field［J］.Atmospheric Environment，1995，29（14）：1627-1635.
66	王志瑞，杨山，马锐骜，等.内蒙古草甸草原土壤理化性质和微生物学特性对刈割与氮添加的响应［J］.应用生态学报，2019，30（9）：3010-3018.
67	Wan S Q， Luo Y Q.Substrate regulation of soil respiration in a tallgrass prairie Results of a clipping and shading experiment［J］.Global Biogeochemical Cycles，2003，17（2）：1054.
68	Kögel-Knabner I.Chemical structure of organic N and organic P in soil［J］.Nucleic Acids and Proteins in Soil，2006，8（1）：23-48.
69	Yang S， Xu Z W， Wang R Z，et al.Variations in soil microbial community composition and enzymatic activities in response to increased N deposition and precipitation in Inner Mongolian grassland［J］.Applied Soil Ecology：A Section of Agriculture，Ecosystems & Environment，2017，119：275-285.
70	Dong W Y， Zhang X Y， Liu X Y，et al.Responses of soil microbial communities and enzyme activities to nitrogen and phosphorus additions in Chinese fir plantations of subtropical China［J］.Biogeosciences，2015，12（18）：5537-5546.
71	赵欣鑫，李玉霖，李有文，等.氮沉降增加和人类干扰对半干旱草地土壤呼吸的影响［J］.农业工程学报，2020，36（15）：120-127.
72	李兆国.地表火对红松凋落物燃烧剩余物水溶性成分和特性的影响［D］.哈尔滨：东北林业大学，2021.
73	Gang Q， Chang S X， Lin G，et al.Exogenous and endogenous nitrogen differentially affect the decomposition of fine roots of different diameter classes of Mongolian pine in semi-arid northeast China［J］.Plant & Soil，2019，436（1/2）：109-122.
74	Maron J L， Jefferies R L.Restoring enriched grasslands：effects of mowing on species richness productivity，and nitrogen retention［J］.Ecological Applications，2001，11（4）：1088-1100.
75	Collins S L， Knapp A K， Briggs J M，et al.Modulation of diversity by grazing and mowing in native Tallgrass Prairie［J］.Science，1998，280（1）：745-747.
76	Bahn M， Knapp M， Garajova Z，et al.Root respiration in temperate mountain grasslands differing in land use［J］.Global Change Biology，2006，12：995-1006.
77	阚雨晨，吴瑞鑫，钟梦莹，等.干扰对典型草原生态系统土壤净呼吸特征的影响［J］.生态学报，2015，35（18）：6041-6050.
78	杨思航.气候多因子对典型温带草原土壤微生物群落的影响研究［D］.北京：清华大学，2019.
79	胡海清，罗斯生，罗碧珍，等.林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展［J］.生态学报，2020，40（6）：1839-1850.

[1]	刘靖朝, 熊黑钢, 何旦旦, 乔娟峰, 郑曼迪, 段鹏程. 受扰土壤全量氮磷钾的光谱反演[J]. 中国沙漠, 2019, 39(2): 53-61.
[2]	杨航宇, 刘艳梅, 王廷璞, 回嵘. 生物土壤结皮对荒漠区土壤微生物数量和活性的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(5): 950-960.
[3]	陈艳瑞;;尹林克;*;白旭;. 漫溢补水干扰后的天然胡杨群落波动特征[J]. 中国沙漠, 2009, 29(5): 891-896.
[4]	董玉祥;马骏;黄德全. 人为干扰下海岸沙丘表面粒度分布变异实证研究——以河北昌黎黄金海岸横向沙脊为例[J]. 中国沙漠, 2008, 28(2): 202-207.

草地土壤N₂O排放对人为干扰的响应研究进展

A review of response of nitrous oxide emissions to anthropogenic perturbation in grassland soil

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