2015, Vol. 35文章信息
- 李睿达, 张凯, 苏丹, 逯非, 万五星, 王效科, 郑华
- LI Ruida, ZHANG Kai, SU Dan, LU Fei, WAN Wuxing, WANG Xiaoke, ZHENG Hua
- 施氮对桉树人工林生长季土壤温室气体通量的影响
- Effects of nitrogen application on soil greenhouse gas fluxes in a Eucalyptus plantation during the growing season
- 生态学报, 2015, 35(18): 5931-5939
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(18): 5931-5939
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201401120086
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文章历史
- 收稿日期：2014-01-12
- 网络出版日期：2014-11-19
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 河北师范大学生命科学学院, 石家庄 050016
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China
全球气温升高和人为导致的氮素累积是全球变化的两大根本因素。全球变暖与大气中CO2、N2O和CH4等温室气体浓度的升高密切相关。其中，CO2是大气中最主要的温室气体[1]。从工业革命开始大气中的N2O浓度急剧上升，到目前N2O向全球排放贡献了8%的温室气体[2]。土壤微生物是产生N2O的主要途径，并随着添加氮肥的增加而增加。从1860年至2055年间2.5%的氮肥转化为N2O[3]。CH4化学性质非常活跃，参与改变大气的化学组成的活动[4]。CH4与对流层的羟基自由基反应，减少羟基自由基的氧化能力，消减大气污染物(如氟氯碳化物)，同时促进其他温室气体(O3，CO和CO2)的生成。在平流层，CH4与大气多种组分发生反应生成水蒸气，继而破坏平流层臭氧。因此，对温室气体产生和消耗机制的研究引起了广泛关注。
全球人工林约占森林总面积的7%，并以每年约500万公顷的速度增加[5]。施肥是人工林提高木材产量、促进可持续经营的主要管理措施之一，这一措施会改变人工林的生物化学循环并对全球温室效应产生极重要的反馈[6]。因此，研究施肥对人工林温室气体排放的影响，对于提高肥料利用效率、减少环境污染[7]和评估温室效应具有重要意义。外源氮的添加对土壤-大气界面温室气体通量的影响已获得了大量深入的研究[8, 9]，但不同地区、不同施氮措施导致氮肥对温室气体产生和消耗的影响存在极大争议，难以获得一致的观点[10, 11, 12]。尿素等速效氮肥作为基肥施用会显著增加N2O排放[13]同时抑制CH4氧化[14]。已有研究表明不同的施氮种类会造成温室气体排放的显著差异[15]。如尿素和缓释氮肥对旱地玉米地土壤CO2排放通量达到显著差异水平[16]，不同的氮肥对土壤CH4氧化速率也带来显著的差异[17]。由于缓释氮肥在人工林的应用尚未完全展开，因此深入研究缓释氮肥对人工林温室气体的影响显得越发重要和紧迫。
桉树是我国南方地区大面积种植的速生丰产树种，桉树人工林紧紧依赖缩短轮伐时间和大量添加氮肥来提高木材的生产量。为提高肥料利用效率，缓释氮肥正在逐渐代替速效氮肥被广泛采用[18]。本文以桉树人工林3种强度的缓释氮肥对土壤3种温室气体的动态变化进行比较研究，其目的是：(1)明确缓释肥及其施肥强度对CO2、N2O和CH4气体排放或吸收动态及量值的影响；(2)揭示生长季人工林土壤CO2、N2O和CH4气体通量的相关关系；(3)研究环境因子对桉树林土壤CO2、N2O和CH4气体的影响。
1 研究区域与研究方法 1.1 研究区概况本研究样地位于我国广西省扶绥县国有东门林场(107°15′—108°00′ E，22°17′—22°30′ N)。该地区属于北热带季风气候区，光热充足，雨热同季，夏湿冬干，年平均气温21.2—22.3 ℃，1月均温13.2 ℃，7月均温27.9 ℃。年降雨量1100—1300 mm，主要集中在6—8月，占全年降雨量的51.03%。研究区域土壤以砂页岩发育而成的赤红壤为主，pH值在4.0—6.0之间。
1.2 试验设计广西东门林场是亚洲最大的桉树基因库，主要经营以桉树为主的商品用材林。在广西东门林场选取林龄2年的桉树林样地20块，取样测定土壤养分状况，从20块样地中，选择代表平均肥力水平的样地开展施肥梯度实验。样地基本特征是：pH值为3.91，土壤总碳、总氮分别为(2.31±0.13)g/kg和(0.15±0.02)g/kg，速效钾为(88.85±11.1)μg/g，土壤碳氮比为15.57±0.79。样地平均坡度约为10°，林木行距4 m，株距2 m，林下植被有桃金娘(Rhodomyrtus tomentos)、余甘子(Phyllanthus emblica)、三叉苦(Euodia lepta)、飞机草(Eupatorium odoratum)、白茅(Imperata cylindrica)等，植被覆盖度为 60%。
结合当地施肥习惯和施肥强度，采用的施肥方式为穴施(距桉树树干基部30—40 cm处挖10 cm深的坑穴，放入肥料后，覆土)，肥料种类为脲甲醛缓释氮肥(含氮量 38.5%，上海大洋生态有机肥有限公司)，施氮时间为2013年5月19日。在桉树林样地中设置4个施氮梯度：对照(CK 0 kg/hm2)、低氮(L 84.2 kg/hm2)、中氮(M 166.8 kg/hm2)和高氮(H 333.7 kg/hm2)，其中中氮水平为东门林场常规施氮水平。每个样地包含12个10 m×10 m的样方，每个样方之间设置5 m缓冲带，每个施氮水平设置3个重复。
1.3 取样与样品分析取样时间为2013年5月至2013年11月，根据气象条件，在桉树生长季取样5次。土壤温室气体通量测定采用静态箱—气相色谱法。为保证试验的平行性，每次采集气体样品时，均在同一点进行。采样前将地表凋落物清理干净。采样箱为组合式，由基座和顶箱(透明亚克力)两部分组成。基座(含水封槽)：长×宽×高=41 cm×41 cm×5 cm；顶箱：长×宽×高=40 cm×40 cm×40 cm。箱盖装有空气搅拌小风扇、温度计和采气三通阀。采样时间为9:00—11:00。采样时间为30 min，每隔10 min用QC-1S型气体采样仪(北京市劳保所科技发展有限责任公司)每次抽取箱内气体300 mL于500 mL气体采样袋(大连海德科技有限公司)中。样品采集后及时带回实验室采用安捷伦7890A型气相色谱仪(7890A GC System,USA)同时测定CO2、N2O和CH4气体浓度。
采用下列公式计算气体通量(单位时间内单位面积土壤表面气体质量的变化)：
式中，F为气体通量(mg m-2 h-1，N2O和CH4气体通量单位为μg m-2 h-1),ρ为标准状态下的气体密度(mg/m3)，V为静态箱的体积(m3)，A为静态箱横断面面积(m2)，Δc/Δt为Δt时间内静态箱内气体浓度变化速率(m3 m-3 h-1)，T为空气温度(℃)。每个处理下的样地设置3个重复，测量所得的通量数据，对4个气样浓度进行线性回归，只有当回归系数R2>0.80时，才视为有效数据。
采集温室气体时，采用土壤温度水分测定仪(浙江托普仪器有限公司)同步测定静态箱附近0—5 cm深土壤温度(T5)和0—10 cm深土壤含水量(W10)。
1.4 数据分析所有数据分析和处理主要借助SPSS 16.0和Sigma Plot 11.0完成。采用双因素方差分析和Duncan多重比较法检验不同采样时间和施氮处理之间各指标的差异显著性。采用Spearman相关研究法分析温室气体通量间及其与环境因子间的相关关系。采用线性回归建立施氮量与温室气体通量的关系。
2 结果 2.1 土壤温室气体排放时间动态由图 1可知，在桉树人工林的生长季过程中CO2和N2O排放通量呈现出先剧烈增加后逐渐降低的趋势。双因素方差分析表明CO2排放在不同的采样时间，其差异达到极显著水平(表 1)：CO2排放通量在6—8月达到最高，其次是9月的通量值，10—11月间排放通量最低，这一阶段的CO2排放通量与施肥前的通量无显著性差异。N2O排放在不同采样时间也达到极显著性差异(表 1)：N2O排放通量在6月底(施氮后5周)显著高于其他月份，8—9月的通量显著高于10—11月。生长季后期，N2O排放通量与施肥前的通量无显著性差异。在生长季，时间对CH4吸收通量的影响并不显著(表 1)。
| 处理 Treatment | CO2排放通量 CO2 emission flux/(mg m-2 h-1) | N2O排放通量 N2O emission flux/ (μg m-2 h-1) | CH4吸收通量 CH4 absorption flux/(μg m-2 h-1) |
| n.s.无显著性差异,* P < 0.05，* * P< 0.01，* * * P<0.001 | |||
| 氮肥 Nitrogen fertilization | ** | *** | * |
| 时间 Time | *** | *** | n.s. |
| 氮肥×时间 Nitrogen fertilization× Time | n.s | *** | n.s. |
|
| 图 1 温室气体通量时间动态变化 Fig. 1 Temporal dynamics of GHGs fluxes |
由表 2可知，高氮处理下的CO2排放通量与对照处理差异显著(P<0.05)；各个施氮水平的N2O排放通量均显著高于对照(P<0.05)；高氮处理下的CH4吸收通量与对照处理差异显著(P<0.05)。CO2、N2O的排放通量与施氮量呈现极显著的线性正相关(图 2，P<0.001)，CH4吸收通量与施氮量呈现极显著的线性负相关(图 2，P<0.01)。
| 氮处理 N treatment | CO2排放通量CO2 emission flux/ (mg m-2 h-1) | N2O排放通量 N2O emission flux/ (μg m-2 h-1) | CH4吸收通量 CH4 absorption flux/ (μg m-2 h-1) |
| 数据为平均值±标准误；a、b、c表示用Duncan检验在0.05显著水平下的差异性 | |||
| 对照 CK | 267.84±17.48 c | 17.64±9.41 d | 39.70±4.64 b |
| 低氮 Low N | 287.43±24.74 bc | 82.90±23.72 c | 33.91±2.42 ab |
| 中氮 Medium N | 324.45±37.47 ab | 170.82±46.73 b | 34.91±2.76 ab |
| 高氮 High N | 342.84±36.66 a | 375.34±86.92 a | 29.65±2.34 a |
|
| 图 2 施氮水平对温室气体通量的影响 Fig. 2 Effects of fertilization levels on GHGs fluxes |
由表 3可知，在桉树生长季土壤CO2与N2O排放通量的相关系数为0.662，达到了极显著正相关关系(P<0.01)。土壤CO2排放吸收通量与CH4吸收通量的相关系数为-0.277，达到了显著负相关关系(P<0.05)。土壤N2O排放通量与CH4吸收通量的相关系数为-0.362，达到了极显著负相关关系(P<0.01)。
2.4 环境因子对温室气体的影响在生长季土壤温度平均值的变幅为21.57—28.28 ℃，土壤含水量平均值的变幅为9.15—16.11%。由表 2可知，土壤温度显著影响了3种温室气体通量(P<0.01)：与CO2和N2O排放呈正相关，并与CH4吸收呈负相关。土壤含水量与CO2和N2O排放存在显著的正相关(P<0.01和P<0.05)。可见，土壤温度和含水量也是影响桉树人工林生长季温室气体排放通量的重要因素。
| 温室气体通量及环境因子 GHGs fluxes and environmental factors | CO2排放通量 CO2 emission flux | N2O排放通量 N2O emission flux | CH4吸收通量 CH4 absorption flux |
| 数据为Spearman相关系数, * *表示在0.01显著水平下的差异性; *表示在0.05显著水平下的差异性; T5表示0—5 cm深土壤温度, W10和0—10 cm深土壤含水量 | |||
| CO2排放通量 CO2 emission flux | 1.000 | ||
| N2O排放通量N2O emission flux | 0.662** | 1.000 | |
| CH4吸收通量CH4 absorption flux | -0.277* | -0.362** | 1.000 |
| T5 | 0.736** | 0.720** | -0.416** |
| W10 | 0.427** | 0.258* | -0.009 |
低氮、中氮和高氮处理下土壤的CO2排放通量高于对照7.3%，21.1%和28.0%，且高氮处理下的排放通量显著高于对照处理(表 1)。其主要原因可能有：(1)施氮促进桉树人工林的生产量、根系或(和)微生物活性进而促进土壤呼吸[8]，尤其在生长季根系呼吸能占土壤呼吸的相当高的比例[19]。因此在本研究中发现土壤呼吸与施氮量呈现良好的正相关关系(R2=0.92)，随着施氮量的增加而逐渐增加，并在高氮处理下与对照产生显著性差异(表 2，P<0.05)；(2)尿素水解：((NH2)2CO+3H2O—2NH+4+CO2+2OH-)。Basiliko等[6]研究发现尿素添加至土壤后会矿化并释放大量CO2。依据当地对桉树幼林的施肥习惯，本次试验采用以尿素为主要速效成分的脲甲醛缓释肥料，因此在本次试验中观测到CO2排放通量在施氮后5周出现的峰值可能是由于脲甲醛中的尿素分解并释放了CO2。这与Jassal等[1]研究结果类似：土壤呼吸在施加缓效尿素后6周出现峰值，在随后的3个月内CO2排放通量逐渐减低。
N2O排放通量与氮肥施用量呈线性正相关(图 2，P<0.01)。这与Kim等在日本落叶松林添加不同梯度的NH4NO3溶液结果一致[11]。氮添加后N2O排放明显增加的原因可能有：(1)土壤氮素供需不平衡。土壤微生物和植物对氮素的吸收低于肥料的释放量，氮素在添加进入土壤后被硝化细菌和反硝化细菌利用产生了大量的N2O[20, 21, 22]，欧洲已有研究表明，施加NH4NO3后N2O的排放通量高出对照的8倍[23]；(2)氮的添加刺激桉树生长，因此根系生物量累积增加，有利于微生物从根部获取更多的碳源作为硝化和反硝化反应的底物并为微生物提供能量，进而促进N2O的排放[24]；(3)外源氮的输入刺激土壤营养元素的矿化分解，更多可利用性矿化态氮释放进入土壤，进一步造成氮素在短期内无法利用，而以气态扩散或淋溶的形式流失[25, 26]。
与以往研究认为施氮缓解甲烷氧化菌氮限制[27]，促进氨氧化细菌或好氧甲烷氧化菌的活性[28]不同。本研究发现高氮处理显著抑制CH4吸收通量(表 2，P<0.05)，其原因可能是：1)NH+4与CH4竞争甲烷单加氧酶造成的抑制作用[29, 30]。2)NH+4氧化或NO-3还原过程中产生的羟胺(NH2OH)或亚硝酸盐(NO-2)抑制CH4吸收[30]。3)大量铵盐造成土壤渗透压胁迫也能抑制CH4氧化[31]。本次试验的结果与挪威[32]和瑞典[9]进行类似的施氮试验的结果一致，证明在新造林的施肥初期，氮添加对CH4氧化存在负效应。
3.2 土壤温室气体间的相关关系 3.2.1 CO2排放与N2O排放在桉树人工林施肥条件下，土壤CO2排放与N2O排放有显著的正相关关系(表 2，P<0.01)。这与在温室气体在自然条件的湿地[33]和草地[34]的类似研究结果一致。然而施氮后CO2与N2O的排放保持正相关的可能原因是：(1)土壤微生物通过分解有机质获得基质和能量，以促进氮的矿化分解和迁移转化，因此硝化和反硝化反应与土壤有机质的矿化紧密相关[33]，故CO2与N2O的排放存在显著正相关；(2)CO2与N2O对氮添加的响应具有同向性。与认为施氮抑制土壤呼吸的研究结果不同，本研究发现施氮处理下CO2排放通量与施氮量存在良好的正相关关系(图 2)，这与莫江明等[35]在广东鼎湖山季风林模拟土壤CO2排放对氮沉降的响应结果一致：各个施氮水平均均促进了土壤CO2的排放量；(3)植物和土壤通过蒸腾和蒸发作用形成根际干燥的土壤条件，增加了根际氧气的扩散速率[36]，有利于土壤有机质的分解和氮素的矿化转移，进而促进了CO2和N2O排放。
3.2.2 CO2排放与CH4吸收本研究发现土壤CO2排放通量与CH4吸收通量存在显著的负相关(表 2，P<0.05)。Koschorreck和Conrad的研究发现在有机质土层(O horizon)具有大量新鲜的或部分分解的有机物质，CO2在该层达到最大值，然而未观测到CH4氧化[37]。造成CH4氧化与CO2排放不同步或者呈现相反关系的原因可能是：(1)CH4氧化通常受到氮肥的抑制，而氮肥对生长季的人工林土壤CO2排放表现为促进作用；(2)在微生境尺度上，CH4吸收速率的减少归因于土壤呼吸的增加进而引起的土壤氧气限制[38]。土壤呼吸的大量产生造成土壤局部环境氧压的减少，进而阻碍CH4氧化。
3.2.3 N2O排放与CH4吸收桉树生长季N2O排放通量与CH4氧化通量之间存在显著正相关(表 2，P<0.01)，同时由图 1可知，在生长季N2O排放与CH4吸收通量之间大致呈现相反的变化趋势。徐慧等[39]在长白山不同土壤测定温室气体通量时发现，6—8月间N2O排放和CH4吸收之间存在一种互为消长的关系。这可能是由于：(1)施肥使甲烷氧化细菌(CH4 oxidizing bacteria)的相对活性由甲烷氧化菌(methanotrophs)主导转变为硝化细菌(nitrifying bacteria)主导[13]，而这一转变同时导致了土壤CH4吸收量的减弱和N2O排放的加强。因此，在桉树生长季2种温室气体表现相反的变化趋势(图 2)；(2)土壤温度对N2O和CH4气体的影响相反。N2O随着土壤温度的降低其排放通量显著逐渐降低(表 3，P<0.01)，而CH4的吸收则与土壤温度呈现显著的负相关(表 3，P<0.01)。
3.3 环境因子对温室气体的影响在桉树人工林生长季，土壤呼吸表现出显著的季节性动态变化(表 1)，与我国热带雨林或常绿阔叶林等森林生态系统中的观测结果一致[40, 41]。CO2排放通量在生长季前期增加随着生长季的结束出现下降，这可能与6—8月降雨集中、气温较高有关(表 2)。在此期间，植物生长迅速且土壤微生物活性较强，分解有机质能力高于非生长季，因此土壤CO2排放通量出现明显增加[24][42, 43]。
土壤温度和含水量是影响土壤N2O排放的重要环境因子。硝化过程的最适温度为25—35 ℃[36]，与本次研究桉树林生长季的土壤温度在21.57—28.28 ℃接近，这可能是本研究中土壤温度与N2O排放相关性高的原因。当土壤处于饱和含水量以下，硝化作用产生的N2O占总产生量的61%—98%，此时N2O排放通量随着土壤含水量的增加而增加[36]，即硝化作用是产生N2O的主导过程。由图 2和表 3可知，土壤温度、含水量和施氮对土壤N2O排放均产生显著效应。
土壤温度主要通过影响甲烷氧化菌酶的活性影响土壤吸收CH4，由于CH4氧化菌是中温性微生物，土壤吸收CH4的最适温度为20—30 ℃[44]。然而，本研究中人工林6—11月土壤平均温度在21.57—28.28 ℃，却发现CH4吸收通量与土壤温度呈显著的负相关(P<0.01)。这可能由于其他因素，如施氮的影响掩盖了土壤温度对CH4的实际影响。此外，CH4吸收与土壤含水量关系不显著(P>0.05)，可能是由于研究区域土壤排水良好，土壤含水量在生长季处于较低水平(<20%)。这与陈匆琼等[45]在中亚热带米槠天然林的结果类似。
研究表明，尽管施氮水平、土壤温度和土壤含水量3个因子均表现出与CO2和N2O的排放呈正相关，而与CH4的吸收通量呈负相关(图 2，表 3)，但土壤3种温室气体通量并非受到某单一因子的影响，而是受到施氮、土壤温度和土壤含水量等因子共同作用。已有的研究结果也表明：土壤温度和含水量增加会导致森林土壤的CO2和N2O表现为排放源[46]。本研究中，温室气体通量受施氮水平、土壤温度和土壤含水量3个因子共同作用的影响，CO2和N2O排放通量以及CH4吸收通量既在不同的施氮处理间呈现显著差异，也存在明显的时间动态规律。
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