施氮對桉樹人工林生長季土壤溫室氣體通量的影響

李睿達, 張 凱, 蘇 丹, 逯 非, 萬五星,3, 王效科, 鄭 華,*

1 城市與區域生態國家重點實驗室中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 河北師范大學生命科學學院, 石家莊 050016

施氮對桉樹人工林生長季土壤溫室氣體通量的影響

李睿達1,2, 張 凱1,2, 蘇 丹1,2, 逯 非1, 萬五星1,3, 王效科1, 鄭 華1,*

1 城市與區域生態國家重點實驗室中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 河北師范大學生命科學學院, 石家莊 050016

施肥是維持短期輪伐人工林生產量的重要手段，為了提高肥料利用效率，緩釋氮肥逐漸成為廣泛采用的氮肥種類。評估緩釋肥施用對人工林生長季土壤溫室氣體通量的影響對于全面評估人工林施肥的環境效應具有重要意義。以我國南方廣泛種植的桉樹林為對象，采用野外控制實驗研究了4種施氮處理(對照CK：0 kg/hm2；低氮L：84.2 kg/hm2；中氮M：166.8 kg/hm2；高氮H：333.7 kg/hm2)對土壤-大氣界面3種溫室氣體(CO2、N2O和CH4)通量的影響，結果表明：(1)4種施氮水平下CO2排放通量、N2O排放通量和CH4吸收通量分別為276.84—342.84 mg m-2h-1、17.64—375.34 μg m-2h-1和29.65—39.70 μg m-2h-1；施氮顯著促進了N2O的排放(P<0.01)，高氮處理顯著增加CO2排放和顯著減少CH4吸收(P<0.05)，且CO2排放通量與CH4吸收通量隨著施氮量的增加分別呈現增加和減少的趨勢;(2)生長季CO2和N2O排放呈現顯著正相關(P<0.01)，CO2排放和CH4吸收呈現顯著負相關(P<0.05)，N2O排放和CH4吸收呈現顯著負相關(P<0.01)；(3)土壤溫度和土壤水分是影響CO2、N2O排放通量和CH4吸收通量的主要環境因素。結果表明：施用緩釋肥顯著增加了桉樹林生長季土壤N2O排放量，且高氮處理還顯著促進CO2排放和顯著抑制CH4吸收，上述研究結果可為人工林緩釋肥對土壤溫室氣體通量評估提供參數。

桉樹人工林; 緩釋氮肥; 溫室氣體通量

全球氣溫升高和人為導致的氮素累積是全球變化的兩大根本因素。全球變暖與大氣中CO2、N2O和CH4等溫室氣體濃度的升高密切相關。其中，CO2是大氣中最主要的溫室氣體[1]。從工業革命開始大氣中的N2O濃度急劇上升，到目前N2O向全球排放貢獻了8%的溫室氣體[2]。土壤微生物是產生N2O的主要途徑，并隨著添加氮肥的增加而增加。從1860年至2055年間2.5%的氮肥轉化為N2O[3]。CH4化學性質非常活躍，參與改變大氣的化學組成的活動[4]。CH4與對流層的羥基自由基反應，減少羥基自由基的氧化能力，消減大氣污染物(如氟氯碳化物)，同時促進其他溫室氣體(O3，CO和CO2)的生成。在平流層，CH4與大氣多種組分發生反應生成水蒸氣，繼而破壞平流層臭氧。因此，對溫室氣體產生和消耗機制的研究引起了廣泛關注。

全球人工林約占森林總面積的7%，并以每年約500萬公頃的速度增加[5]。施肥是人工林提高木材產量、促進可持續經營的主要管理措施之一，這一措施會改變人工林的生物化學循環并對全球溫室效應產生極重要的反饋[6]。因此，研究施肥對人工林溫室氣體排放的影響，對于提高肥料利用效率、減少環境污染[7]和評估溫室效應具有重要意義。外源氮的添加對土壤-大氣界面溫室氣體通量的影響已獲得了大量深入的研究[8-9]，但不同地區、不同施氮措施導致氮肥對溫室氣體產生和消耗的影響存在極大爭議，難以獲得一致的觀點[10-12]。尿素等速效氮肥作為基肥施用會顯著增加N2O排放[13]同時抑制CH4氧化[14]。已有研究表明不同的施氮種類會造成溫室氣體排放的顯著差異[15]。如尿素和緩釋氮肥對旱地玉米地土壤CO2排放通量達到顯著差異水平[16]，不同的氮肥對土壤CH4氧化速率也帶來顯著的差異[17]。由于緩釋氮肥在人工林的應用尚未完全展開，因此深入研究緩釋氮肥對人工林溫室氣體的影響顯得越發重要和緊迫。

桉樹是我國南方地區大面積種植的速生豐產樹種，桉樹人工林緊緊依賴縮短輪伐時間和大量添加氮肥來提高木材的生產量。為提高肥料利用效率，緩釋氮肥正在逐漸代替速效氮肥被廣泛采用[18]。本文以桉樹人工林3種強度的緩釋氮肥對土壤3種溫室氣體的動態變化進行比較研究，其目的是：(1)明確緩釋肥及其施肥強度對CO2、N2O和CH4氣體排放或吸收動態及量值的影響；(2)揭示生長季人工林土壤CO2、N2O和CH4氣體通量的相關關系；(3)研究環境因子對桉樹林土壤CO2、N2O和CH4氣體的影響。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

本研究樣地位于我國廣西省扶綏縣國有東門林場(107°15′—108°00′ E，22°17′—22°30′ N)。該地區屬于北熱帶季風氣候區，光熱充足，雨熱同季，夏濕冬干，年平均氣溫21.2—22.3 ℃，1月均溫13.2 ℃，7月均溫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%。研究區域土壤以砂頁巖發育而成的赤紅壤為主，pH值在4.0—6.0之間。

1.2 試驗設計

廣西東門林場是亞洲最大的桉樹基因庫，主要經營以桉樹為主的商品用材林。在廣西東門林場選取林齡2年的桉樹林樣地20塊，取樣測定土壤養分狀況，從20塊樣地中，選擇代表平均肥力水平的樣地開展施肥梯度實驗。樣地基本特征是：pH值為3.91，土壤總碳、總氮分別為(2.31±0.13)g/kg和(0.15±0.02)g/kg，速效鉀為(88.85±11.1)μg/g，土壤碳氮比為15.57±0.79。樣地平均坡度約為10°，林木行距4 m，株距2 m，林下植被有桃金娘(Rhodomyrtustomentos)、余甘子(Phyllanthusemblica)、三叉苦(Euodialepta)、飛機草(Eupatoriumodoratum)、白茅(Imperatacylindrica)等，植被覆蓋度為 60%。

結合當地施肥習慣和施肥強度，采用的施肥方式為穴施(距桉樹樹干基部30—40 cm處挖10 cm深的坑穴，放入肥料后，覆土)，肥料種類為脲甲醛緩釋氮肥(含氮量 38.5%，上海大洋生態有機肥有限公司)，施氮時間為2013年5月19日。在桉樹林樣地中設置4個施氮梯度：對照(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)，其中中氮水平為東門林場常規施氮水平。每個樣地包含12個10 m×10 m的樣方，每個樣方之間設置5 m緩沖帶，每個施氮水平設置3個重復。

1.3 取樣與樣品分析

取樣時間為2013年5月至2013年11月，根據氣象條件，在桉樹生長季取樣5次。土壤溫室氣體通量測定采用靜態箱—氣相色譜法。為保證試驗的平行性，每次采集氣體樣品時，均在同一點進行。采樣前將地表凋落物清理干凈。采樣箱為組合式，由基座和頂箱(透明亞克力)兩部分組成。基座(含水封槽)：長×寬×高=41 cm×41 cm×5 cm；頂箱：長×寬×高=40 cm×40 cm×40 cm。箱蓋裝有空氣攪拌小風扇、溫度計和采氣三通閥。采樣時間為9:00—11:00。采樣時間為30 min，每隔10 min用QC-1S型氣體采樣儀(北京市勞保所科技發展有限責任公司)每次抽取箱內氣體300 mL于500 mL氣體采樣袋(大連海德科技有限公司)中。樣品采集后及時帶回實驗室采用安捷倫7890A型氣相色譜儀(7890A GC System, USA)同時測定CO2、N2O和CH4氣體濃度。

采用下列公式計算氣體通量(單位時間內單位面積土壤表面氣體質量的變化)：

F=ρ×V/A×Δc/Δt×273/(273+T)

式中，F為氣體通量(mg m-2h-1，N2O和CH4氣體通量單位為μg m-2h-1),ρ為標準狀態下的氣體密度(mg/m3)，V為靜態箱的體積(m3)，A為靜態箱橫斷面面積(m2)，Δc/Δt為Δt時間內靜態箱內氣體濃度變化速率(m3m-3h-1)，T為空氣溫度(℃)。每個處理下的樣地設置3個重復，測量所得的通量數據，對4個氣樣濃度進行線性回歸，只有當回歸系數R2>0.80時，才視為有效數據。

采集溫室氣體時，采用土壤溫度水分測定儀(浙江托普儀器有限公司)同步測定靜態箱附近0—5 cm深土壤溫度(T5)和0—10 cm深土壤含水量(W10)。

1.4 數據分析

所有數據分析和處理主要借助SPSS 16.0和Sigma Plot 11.0完成。采用雙因素方差分析和Duncan多重比較法檢驗不同采樣時間和施氮處理之間各指標的差異顯著性。采用Spearman相關研究法分析溫室氣體通量間及其與環境因子間的相關關系。采用線性回歸建立施氮量與溫室氣體通量的關系。

2 結果

2.1 土壤溫室氣體排放時間動態

由圖1可知，在桉樹人工林的生長季過程中CO2和N2O排放通量呈現出先劇烈增加后逐漸降低的趨勢。雙因素方差分析表明CO2排放在不同的采樣時間，其差異達到極顯著水平(表1)：CO2排放通量在6—8月達到最高，其次是9月的通量值，10—11月間排放通量最低，這一階段的CO2排放通量與施肥前的通量無顯著性差異。N2O排放在不同采樣時間也達到極顯著性差異(表1)：N2O排放通量在6月底(施氮后5周)顯著高于其他月份，8—9月的通量顯著高于10—11月。生長季后期，N2O排放通量與施肥前的通量無顯著性差異。在生長季，時間對CH4吸收通量的影響并不顯著(表1)。

表1 氮肥與時間對溫室氣體通量影響的雙因素方差分析結果

圖1 溫室氣體通量時間動態變化Fig.1 Temporal dynamics of GHGs fluxes

2.2 施肥對土壤溫室氣體通量的影響

由表2可知，高氮處理下的CO2排放通量與對照處理差異顯著(P<0.05)；各個施氮水平的N2O排放通量均顯著高于對照(P<0.05)；高氮處理下的CH4吸收通量與對照處理差異顯著(P<0.05)。CO2、N2O的排放通量與施氮量呈現極顯著的線性正相關(圖2，P<0.001)，CH4吸收通量與施氮量呈現極顯著的線性負相關(圖2，P<0.01)。

表2 不同施氮處理下的溫室氣體通量均值多重比較

圖2 施氮水平對溫室氣體通量的影響Fig.2 Effects of fertilization levels on GHGs fluxes

2.3 土壤溫室氣體間的相關關系

由表3可知，在桉樹生長季土壤CO2與N2O排放通量的相關系數為0.662，達到了極顯著正相關關系(P<0.01)。土壤CO2排放吸收通量與CH4吸收通量的相關系數為-0.277，達到了顯著負相關關系(P<0.05)。土壤N2O排放通量與CH4吸收通量的相關系數為-0.362，達到了極顯著負相關關系(P<0.01)。

2.4 環境因子對溫室氣體的影響

在生長季土壤溫度平均值的變幅為21.57—28.28 ℃，土壤含水量平均值的變幅為9.15—16.11%。由表2可知，土壤溫度顯著影響了3種溫室氣體通量(P<0.01)：與CO2和N2O排放呈正相關，并與CH4吸收呈負相關。土壤含水量與CO2和N2O排放存在顯著的正相關(P<0.01和P<0.05)。可見，土壤溫度和含水量也是影響桉樹人工林生長季溫室氣體排放通量的重要因素。

表3 桉樹人工林溫室氣體通量間及其與環境因子的相關系數

3 結論與討論

3.1 施氮對溫室氣體的影響

N2O排放通量與氮肥施用量呈線性正相關(圖2，P<0.01)。這與Kim等在日本落葉松林添加不同梯度的NH4NO3溶液結果一致[11]。氮添加后N2O排放明顯增加的原因可能有：(1)土壤氮素供需不平衡。土壤微生物和植物對氮素的吸收低于肥料的釋放量，氮素在添加進入土壤后被硝化細菌和反硝化細菌利用產生了大量的N2O[20-22]，歐洲已有研究表明，施加NH4NO3后N2O的排放通量高出對照的8倍[23]；(2)氮的添加刺激桉樹生長，因此根系生物量累積增加，有利于微生物從根部獲取更多的碳源作為硝化和反硝化反應的底物并為微生物提供能量，進而促進N2O的排放[24]；(3)外源氮的輸入刺激土壤營養元素的礦化分解，更多可利用性礦化態氮釋放進入土壤，進一步造成氮素在短期內無法利用，而以氣態擴散或淋溶的形式流失[25-26]。

3.2 土壤溫室氣體間的相關關系

3.2.1 CO2排放與N2O排放

在桉樹人工林施肥條件下，土壤CO2排放與N2O排放有顯著的正相關關系(表2，P<0.01)。這與在溫室氣體在自然條件的濕地[33]和草地[34]的類似研究結果一致。然而施氮后CO2與N2O的排放保持正相關的可能原因是：(1)土壤微生物通過分解有機質獲得基質和能量，以促進氮的礦化分解和遷移轉化，因此硝化和反硝化反應與土壤有機質的礦化緊密相關[33]，故CO2與N2O的排放存在顯著正相關；(2)CO2與N2O對氮添加的響應具有同向性。與認為施氮抑制土壤呼吸的研究結果不同，本研究發現施氮處理下CO2排放通量與施氮量存在良好的正相關關系(圖2)，這與莫江明等[35]在廣東鼎湖山季風林模擬土壤CO2排放對氮沉降的響應結果一致：各個施氮水平均均促進了土壤CO2的排放量；(3)植物和土壤通過蒸騰和蒸發作用形成根際干燥的土壤條件，增加了根際氧氣的擴散速率[36]，有利于土壤有機質的分解和氮素的礦化轉移，進而促進了CO2和N2O排放。

3.2.2 CO2排放與CH4吸收

本研究發現土壤CO2排放通量與CH4吸收通量存在顯著的負相關(表2，P<0.05)。Koschorreck和Conrad的研究發現在有機質土層(O horizon)具有大量新鮮的或部分分解的有機物質，CO2在該層達到最大值，然而未觀測到CH4氧化[37]。造成CH4氧化與CO2排放不同步或者呈現相反關系的原因可能是：(1)CH4氧化通常受到氮肥的抑制，而氮肥對生長季的人工林土壤CO2排放表現為促進作用；(2)在微生境尺度上，CH4吸收速率的減少歸因于土壤呼吸的增加進而引起的土壤氧氣限制[38]。土壤呼吸的大量產生造成土壤局部環境氧壓的減少，進而阻礙CH4氧化。

3.2.3 N2O排放與CH4吸收

桉樹生長季N2O排放通量與CH4氧化通量之間存在顯著正相關(表2，P<0.01)，同時由圖1可知，在生長季N2O排放與CH4吸收通量之間大致呈現相反的變化趨勢。徐慧等[39]在長白山不同土壤測定溫室氣體通量時發現，6—8月間N2O排放和CH4吸收之間存在一種互為消長的關系。這可能是由于：(1)施肥使甲烷氧化細菌(CH4oxidizing bacteria)的相對活性由甲烷氧化菌(methanotrophs)主導轉變為硝化細菌(nitrifying bacteria)主導[13]，而這一轉變同時導致了土壤CH4吸收量的減弱和N2O排放的加強。因此，在桉樹生長季2種溫室氣體表現相反的變化趨勢(圖2)；(2)土壤溫度對N2O和CH4氣體的影響相反。N2O隨著土壤溫度的降低其排放通量顯著逐漸降低(表3，P<0.01)，而CH4的吸收則與土壤溫度呈現顯著的負相關(表3，P<0.01)。

3.3 環境因子對溫室氣體的影響

在桉樹人工林生長季，土壤呼吸表現出顯著的季節性動態變化(表1)，與我國熱帶雨林或常綠闊葉林等森林生態系統中的觀測結果一致[40-41]。CO2排放通量在生長季前期增加隨著生長季的結束出現下降，這可能與6—8月降雨集中、氣溫較高有關(表2)。在此期間，植物生長迅速且土壤微生物活性較強，分解有機質能力高于非生長季，因此土壤CO2排放通量出現明顯增加[24][42-43]。

土壤溫度和含水量是影響土壤N2O排放的重要環境因子。硝化過程的最適溫度為25—35 ℃[36]，與本次研究桉樹林生長季的土壤溫度在21.57—28.28 ℃接近，這可能是本研究中土壤溫度與N2O排放相關性高的原因。當土壤處于飽和含水量以下，硝化作用產生的N2O占總產生量的61%—98%，此時N2O排放通量隨著土壤含水量的增加而增加[36]，即硝化作用是產生N2O的主導過程。由圖2和表3可知，土壤溫度、含水量和施氮對土壤N2O排放均產生顯著效應。

土壤溫度主要通過影響甲烷氧化菌酶的活性影響土壤吸收CH4，由于CH4氧化菌是中溫性微生物，土壤吸收CH4的最適溫度為20—30 ℃[44]。然而，本研究中人工林6—11月土壤平均溫度在21.57—28.28 ℃，卻發現CH4吸收通量與土壤溫度呈顯著的負相關(P<0.01)。這可能由于其他因素，如施氮的影響掩蓋了土壤溫度對CH4的實際影響。此外，CH4吸收與土壤含水量關系不顯著(P>0.05)，可能是由于研究區域土壤排水良好，土壤含水量在生長季處于較低水平(<20%)。這與陳匆瓊等[45]在中亞熱帶米櫧天然林的結果類似。

研究表明，盡管施氮水平、土壤溫度和土壤含水量3個因子均表現出與CO2和N2O的排放呈正相關，而與CH4的吸收通量呈負相關(圖2，表3)，但土壤3種溫室氣體通量并非受到某單一因子的影響，而是受到施氮、土壤溫度和土壤含水量等因子共同作用。已有的研究結果也表明：土壤溫度和含水量增加會導致森林土壤的CO2和N2O表現為排放源[46]。本研究中，溫室氣體通量受施氮水平、土壤溫度和土壤含水量3個因子共同作用的影響，CO2和N2O排放通量以及CH4吸收通量既在不同的施氮處理間呈現顯著差異，也存在明顯的時間動態規律。

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Effects of nitrogen application on soil greenhouse gas fluxes in aEucalyptusplantation during the growing season

LI Ruida1,2, ZHANG Kai1,2, SU Dan1,2, LU Fei1, WAN Wuxing1,3, WANG Xiaoke1, ZHENG Hua1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CollegeofLifeScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050016,China

Fertilization plays a vital role in maintaining the productivity of short-rotation plantations.Eucalyptusplantations are one of the fast-growing and high-yield plantations around the world and are numerous in south China. In order to improve nitrogen use efficiency, slow-release nitrogen fertilizers are being widely adopted. However, few studies have been done to assess the effect of slow-release fertilizer on the soil-atmosphere exchange of greenhouse gases (GHGs), such as carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O), and methane (CH4). To clarify temporal changes of soil GHGs fluxes following slow-release N fertilizer application, field control trials with four levels of N application (Control: 0 kg/hm2; Low N: 84.2 kg/hm2; Medium N: 166.8 kg/hm2; High N: 333.7 kg/hm2) were initiated in aEucalyptusplantation in Guangxi, southern China. At the beginning of growing season, the nitrogen fertilizer, urea formaldehyde (a kind of slow-release fertilizer), was applied according to the local fertilization practice (once a year). Static chamber and gas chromatography techniques were used to quantify soil GHGs exchange monthly during the study period from May to November 2013. Environmental factors, such as soil temperature at 5 cm depth and soil water content at 10 cm depth, were synchronously monitored while the GHGs were collected. Before N application, no significant differences were observed for soil GHGs fluxes in all N application treatments. The results showed that (1) CO2emission fluxes, N2O emission fluxes, and CH4absorption fluxes under four levels of nitrogen application were 276.84—342.84 mg m-2h-1, 17.64—375.34 μg m-2h-1and 29.65—39.70 μg m-2h-1, respectively. Fertilization resulted in a remarkable but short increase in soil respiration over the first 2 to 3 months during the observation period, and the differences in soil respiration between the High N treatment and the control treatment were significant. Nitrogen application significantly increased the N2O emission and persisted for 5 to 6 months after fertilization. Each N application treatment had a significant effect on N2O emission. Moreover, High N treatment had a significantly negative effect on CH4oxidation. (2) During the growing season, CO2emission had a significantly positive correlation with N2O emission (P< 0.01), and CH4uptake had a significantly negative correlation with both CO2emission and N2O emission (P< 0.05 andP< 0.01, respectively). With the increase of the amount of fertilizer, the CO2emission fluxes increased and CH4oxidation fluxes decreased,respectively. (3) Soil temperature and soil water content were the main factors influencing soil respiration, N2O emission, and CH4oxidation. Soil temperature and soil water content had significantly positive effects on CO2and N2O emission fluxes, and soil temperature had significantly negative effects on CH4absorption fluxes. In conclusion, during the growing season in aEucalyptusplantation, slow-release nitrogen application not only significantly in creases soil N2O emission, but also had significant effects on CO2emission and CH4oxidation after High N treatment. Our results can provide parameters for accurately assessing the effects of slow-release nitrogen application on GHGs fluxes in aEucalyptusplantation.

Eucalyptusplantation; slow-release nitrogen fertilizer; greenhouse gas fluxes

國家自然科學基金(31170425); 中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-EW-QN406); 中國科學院戰略性先導科技專項子課題(XDA05060102)

2014-01-12;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401120086

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhenghua@rcees.ac.cn

李睿達, 張凱, 蘇丹, 逯非, 萬五星, 王效科, 鄭華.施氮對桉樹人工林生長季土壤溫室氣體通量的影響.生態學報,2015,35(18):5931-5939.

Li R D, Zhang K, Su D, Lu F, Wan W X, Wang X K, Zheng H.Effects of nitrogen application on soil greenhouse gas fluxes in aEucalyptusplantation during the growing season.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):5931-5939.