華南地區典型人工林土壤二氧化碳和氧化亞氮通量研究

李海防，段文軍

（1.桂林理工大學 旅游學院，廣西 桂林 541004；2.中國科學院 華南植物園，廣東 廣州 510650）

溫室氣體是指地球大氣中導致溫室效應的氣體，主要包括二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）等。近幾十年來，大氣中的溫室氣體在逐年增加[1－2]。據聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC（2001）估計，大氣中CO2和N2O年均增長速度分別達到0.5%和0.3%，全球增溫效應越來越明顯[3]。在溫室氣體的所有排放源中，其主要源是土壤[4]。土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）經土壤微生物和土壤動物的礦化作用，以CO2形式釋放到大氣中[5]。土壤N2O是在微生物的參與下，通過硝化和反硝化作用完成的[6]。土壤 CO2和 N2O 通量受土壤溫度[7－8]、濕度[9－10]、質地[11]、微生物量[12]、可溶性氮[13]、根系生物量[14－15]、林業砍伐[6]和增施肥料[16]等多種因素的影響。此外，植被類型變化能通過改變上述各種環境因素，進而影響土壤CO2和N2O通量[17]。人工林是中國森林類型的重要組成部分，據全國綠化委員會發布的 《2007年中國國土綠化狀況公報》，中國人工林面積達0.62億hm2，占世界人工林面積的1/3，居世界第一；且主要是一些速生純林，如桉樹Eucalyptus sp.，馬尾松Pinus massoniana和相思樹Acacia sp.等[18]，而混交林相對較少。在華南人工林產區，純林和混交林林型變化對土壤溫室氣體排放有什么影響，相關的研究還不多，有些研究結果還有待進一步證實[19]。因而，研究純林和混交林土壤CO2和N2O通量的變化，探尋林型變化對CO2和N2O通量影響機制，對豐富人工林生態系統碳固定及固碳減排理論和技術，實現經濟轉型和減少溫室氣體排放具有重要的理論意義和實踐意義。本研究以中國科學院鶴山丘陵綜合開放試驗站典型人工林為研究對象，原位系統測定尾葉桉Eucalyptus urophylla純林（簡寫為EUp），厚莢相思Acacia crassicarpa純林（簡寫為ACp），10個樹種混交林（簡寫為Tp）和30個樹種混交林林下（簡寫為THp）土壤CO2和N2O通量，對CO2和N2O通量和環境因子的關系進行探討，探究人工純林和混交林在溫室氣體排放中的作用。

1 研究地區與研究方法

1.1 自然概況

實驗選在中國科學院鶴山丘陵綜合開放試驗站共和樣地。試驗站位于廣東省鶴山市，22°41′N，112°54′E，地形多為海拔100 m以下的丘陵地。試驗站所在地屬南亞熱帶季風氣候，年均太陽輻射為4350.5 MJ·m－2·a－1）；年平均氣溫為21.7℃，極端最高氣溫37.5℃，極端最低氣溫0.0℃。年均降水量為1800.0 mm，有明顯的干、濕季之分，干季為10月到翌年3月，濕季為4月到9月；年均蒸發量為1638.8 mm。丘陵地土壤為赤紅壤，屬強酸性土壤。人工林建于2005年春，造林前皆為荒草地，面積約為50 hm2，有尾葉桉純林、厚莢相思純林、10樹種混交林和30個樹種混交林等不同林型；各個林型有3個重復，各個重復樣地面積約1hm2（表1）。林下灌草主要為芒萁Dicranopterisdichotoma，烏毛厥Blechnum orientale和崗松Baeckea frutescens等。

表1 4種典型人工林樣地概況Table1 Characteristics of four typical plantations

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設計 在研究區選取EUp，ACp，Tp和THp等4種林型為研究對象。在每塊樣地建立1個10 m×10 m的小區，共計12個小區（4個林型 ×3個重復）。

1.2.2 采樣方法 ①土壤溫室氣體采樣：土壤CO2和N2O排放通量用靜態箱/氣相色譜法進行測定。土壤溫室氣體采樣從2007年6月開始到2008年5月結束。2個星期采樣1次。各個試驗小區設置2個靜態箱，箱體由聚氯乙烯（PVC）管制成，內徑為22 cm，高20 cm。不銹鋼底座固定于采氣樣點，整個生長季節不再移動。每次采樣都在上午9∶00開始[8]，將采氣箱放在不銹鋼底座凹槽中，加水密封，扣箱后用100 mL塑料注射器于0，10，20，30 min抽取箱內氣體，采集的氣樣迅速帶回實驗室進行氣相色譜分析。②表層土壤采樣：表層土樣分別于2007年9月和2008年3月干濕季各取樣1次。在各個小區內隨機選取6個點，在每一點用直徑8.5 cm的采土器取0～10 cm深的表土，各個小區土樣由6次取樣混和而成。土樣立即帶回實驗室，其中，用于理化性質分析的樣品風干磨細，過孔徑2 mm篩；分析土壤微生物量的樣品放入-4℃的冰箱保存。

1.2.3 測定方法 ①土壤溫室氣體測定：采集的氣樣在24 h內用HP5890氣相色譜儀分析CO2和N2O濃度。溫室氣體通量的計算是通過氣體濃度隨時間的變化，計算單位地表面積的氣體排放通量。土壤溫室氣體排放通量用以下公式計算：

其中，F為土壤溫室氣體排放通量；dc/dt為觀測箱內氣體濃度隨時間變化的直線斜率；M為氣體的摩爾質量（g·mol-1）；V0為標準狀態下（溫度為 273.15 K，氣壓 1013.25 hPa）氣體的摩爾體積（22.41×10-3m3）；T0和P0分別為標準狀態下的空氣絕對溫度（K）和氣壓（hPa），P為采樣點的氣壓（hPa），T為采樣時的絕對溫度（K），H為采樣箱的高度（cm）。②在抽取土壤溫室氣體氣樣同時，在靜態箱底座處隨機選取3個測定點，用土壤溫度計（Fisher Scientific）和濕度計（TK1-Basic，Delta-T Devices Ltd，Cambridge，UK）分別測定地表0～10 cm土壤溫濕度。③土壤理化性質及微生物碳測定均采用常規方法[8]：土壤pH值采用土壤pH計水浸液測定法；土壤SOC有機碳采用重鉻酸鉀氧化法；土壤銨態氮（NH4-N）采用靛酚蘭比色法進行測定；土壤硝態氮（NO3-N）采用酚二磺酸比色法；土壤微生物碳（microbial biomass carbon，MBC）采用氯仿熏蒸，氯化鉀浸提容量分析法。

1.3 數據處理

應用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，用最小顯著差（LSD）法檢驗不同處理對土壤CO2和N2O排放及土壤理化性質影響差異的顯著性。

2 結果與討論

2.1 土壤二氧化碳和氧化亞氮排放通量季節動態變化

結果表明，4種林型土壤CO2和N2O排放通量分別為32.85～225.99 mg·m-2·h-1和1.82～50.05 μg·m-2·h-1，該范圍與Tang等[21]的研究結果基本相符。從圖1可以看出，CO2和N2O通量均具有明顯的季節變化趨勢。CO2和N2O排放通量季節變化幅度較大，在濕季（4月到9月）明顯較高，而在旱季（10月到3月）則降低，且在旱季則保持相對穩定；CO2和N2O通量峰值均出現在濕季（圖1）。一般認為，土壤溫度和濕度是影響土壤溫室氣體排放的主要環境因子[10，22]。CO2和N2O通量在旱季降低的主要原因是由于地表土壤溫濕度降低，土壤微生物和土壤根系活性下降，土壤微生物呼吸和根呼吸處于抑制狀態，導致溫室氣體通量下降，這與前人[5，23]的研究結果一致。在濕季，由于土壤微生物和土壤根系活性較高，CO2和N2O通量易受其他環境因子影響，因而波動幅度較大[21]。

2.2 4種人工林土壤理化性質分析

圖1 4種人工林土壤二氧化碳和氧化亞氮排放通量月動態變化Figure1 Monthly variations of soil CO2and N2O fluxes in four typical plantations

結果表明，純林和混交林對土壤理化性質有重要的影響（表2）。EUp和ACp純林地表土壤濕度顯著（P＜0.01）高于Tp和THp混交林，而土壤溫度則相對較低（P＜0.05）。這是因為尾葉桉和厚莢相思是典型的速生樹種，生長速度快，郁閉度高 （表1），地表土壤通透度較低，光照較弱，導致地表溫度略低；同時，溫度降低減緩土壤水分蒸發散失，土壤濕度較高。純林和混交林對土壤pH值沒有明顯影響，4種林型土壤pH值沒有顯著差異（表2）。表2結果表明，EUp和ACp純林土壤有機碳與Tp和THp相比并不顯著。一般認為，土壤有機碳與植被凋落物的輸入密切相關，速生樹種年生長量高于慢生樹種，地面凋落物輸入量大，土壤有機碳一般較高[24]，但在本研究中，由于造林時間較短，僅為2 a，這可能是土壤有機碳差異不顯著的主要原因。在EUp和ACp純林，林下土壤NO3-N和NH4-N明顯較低（表2），這是因為速生林對NO3-N和NH4-N需求較高的緣故。龔珊珊等[25]研究指出，由于速生林對土壤養分的大量消耗，桉樹林下土壤有效氮的含量顯著減少。土壤微生物碳雖然僅占土壤有機碳總量的1%～4%，但它卻是土壤養分轉化的活性庫或源，是碳素循環和周轉的重要媒介[14]。土壤微生物碳反映了土壤微生物的生物量。與Tp和THp混交林相比，EUp和ACp純林林下環境在一定程度上有利于土壤微生物的生存繁衍，土壤微生物碳明顯較高（表2）。

表2 4種人工林下土壤理化性質Table2 Average of soil physical and chemical characteristics in four plantations

2.3 影響土壤二氧化碳和氧化亞氮通量的主要因素

CO2和N2O年通量平均值（圖2）表明，純林和混交林林下土壤溫室氣體排放具有明顯的規律性。土壤 CO2和 N2O 通量均為正值，為凈排放。EUp （130.67 mg·m-2·h-1）和 ACp （134.65 mg·m-2·h-1）純林土壤CO2通量顯著高于 Tp （111.39 mg·m-2·h-1）和 THp （108.53 mg·m-2·h-1）混交林；與混交林相比，EUp 和 ACp純林N2O通量都較低，其中，EUp林N2O通量最低，這說明林型變化對土壤溫室氣體排放有重要影響[22]。

圖2 4種人工林二氧化碳和氧化亞氮通量比較（誤差線為標準誤，n＝102）Figure2 Comparisons of mean soil CO2and N2O fluxes in the four plantations（vertical bars are standard error for means，n ＝ 102）

一般認為，土壤CO2和N2O排放是土壤生物化學過程的結果，所有能直接或間接影響生物化學過程的環境因子都能夠影響土壤溫室氣體的排放。依據1 a實驗觀測數據，得出土壤CO2和N2O排放通量與各環境因子之間的相關系數矩陣（表3）。結果表明，土壤CO2排放通量與表層土壤溫度及土壤濕度具有顯著正相關性，這與很多人的研究結果相一致[8，10]。表2和表3也表明，4種林型土壤微生物碳差異顯著（P＜0.05），且CO2通量與土壤微生物碳呈正相關性（r＝0.560，n＝6）。這說明，在4種林型中，由于尾葉桉和厚莢相思為速生樹種，與Tp和THp混交林相比，林下土壤溫度較低，但土壤濕度較大（表2）。土壤溫度和土壤濕度作為影響土壤溫室氣體排放的重要因子，可能在EUp和ACp林下土壤創造一個有利于土壤微生物的小環境[26-27]，土壤微生物碳顯著增高，微生物活性較強，因而土壤CO2通量增高。表3表明，N2O排放通量與土壤溫度表現為極顯著正相關，但與土壤濕度呈顯著負相關。這可能是由于在土壤濕度較高的情況下，N2O易溶于水，導致N2O排放通量下降的緣故[28]。總之，土壤溫度和土壤濕度是影響土壤溫室氣體排放的啟動因子和關鍵因子，土壤溫度和土壤濕度的組合作用能直接影響土壤中微生物的活性，進而影響土壤溫室氣體的排放[26]。

表3 土壤二氧化碳和氧化亞氮排放通量與環境因子的相互關系Table3 Correlation of soil CO2and N2O fluxes and environmental factors

硝化作用和反硝化作用等生物過程是土壤N2O產生的主要原因，而氮源是影響土壤中這些生物過程的最主要因素。從表2可以看出，由于速生樹種對土壤NO3-N和NH4-N的大量吸收利用，土壤NO3-N和 NH4-N 在 EUp（5.55 mg·kg－1，4.35 mg·kg－1）和 ACp （8.12 mg·kg－1，5.32 mg·kg－1）都顯著低于 Tp （8.45 mg·kg－1，6.07 mg·kg－1·和 THp （10.03 mg·kg－1，6.87 mg·kg－1）（表 2）。圖2 結果顯示，EUp 和 ACp 純林N2O排放通量低于Tp和THp混交林，且EUp林N2O排放通量最低。這說明，在EUp和ACp速生林，盡管土壤微生物碳較高，但由于土壤NO3-N和NH4-N含量降低，N2O氮源不足，導致EUp林N2O通量最低。表3可以看出，N2O通量與土壤NO3-N呈明顯的正相關（r＝0.582，n＝6），說明土壤NO3-N是影響N2O通量的主要因素，這與Davidson[13]和Fisk等[12]的研究的結果類似。但土壤N2O通量與NH4-N相關性不大（表3），說明土壤NH4-N不是影響N2O通量的主要因子，這與Simojoki等[16]的研究結果一致。

表3還表明，土壤CO2通量與土壤有機碳的相關并不顯著，且在表2中，EUp和ACp速生林土壤有機碳與混交林相比也不顯著。但很多研究表明[2，29]，土壤有機碳是影響土壤CO2通量的重要因子。在本研究中，土壤有機碳對CO2通量影響不顯著，可能是由于研究時間較短，效果還不顯著的緣故。總之，土壤呼吸底物（NO3-N和土壤有機碳）都是影響土壤溫室氣體排放的限制因子和關鍵因子，但由于土壤溫室氣體排放機制固有的復雜性，土壤溫濕度、微生物量以及呼吸底物等因子對土壤溫室氣體通量的影響是相互影響，相互制約的。

3 結論

總結以上分析，得出以下結論：①4種林型土壤都是二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）的源。CO2和N2O排放通量季節波動幅度較大；CO2和N2O通量在濕季維持較高水平，在旱季則明顯降低，且相對穩定；CO2和N2O通量峰值均出現在濕季。②與10個樹種和30個樹種的混交林相比，由于尾葉桉和厚莢相思純林土壤微生物碳較大，EUp和ACp速生林下土壤CO2通量顯著高于Tp和THp混交林；但對N2O通量而言，由于速生樹種對土壤NO3-N的快速吸收，EUp和ACp速生林N2O通量都有降低，其中EUp林最低。③表層土壤溫度和濕度是影響土壤溫室氣體排放的啟動因子和關鍵因子；土壤微生物碳和呼吸底物（NO3-N和土壤有機碳）也是影響土壤溫室氣體排放的主要因子，它們對土壤溫室氣體通量的影響是相互影響，相互制約的。

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