西雙版納不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放的時間特征

張哲，王邵軍，陳閩昆，曹潤，李少輝

西南林業大學生態與水土保持學院，云南 昆明 650224

氧化亞氮（N2O）作為全球變暖的三大重要溫室氣體之一，其增溫潛勢（GWP）在百年尺度上是CO2的298倍（IPCC，2007）。2011年全球大氣中的N2O濃度比工業革命（1750年）前增加了20%（IPCC，2014）。同時N2O被認為是破壞臭氧層的最重要因子，也是 21世紀最大的影響因子（Ravishankara et al.，2009）。森林是地球上分布最廣的陸地生態系統，對溫室氣體的調控起到關鍵作用。全球熱帶森林群落土壤每年排放N2O 1.34 Tg，成為繼農田之后最大的 N2O排放源（Davidson et al.，2008）。當前，中國對森林生態系統土壤N2O釋放的研究主要集中在亞熱帶森林（黃志宏等，2016）、溫帶森林（王穎等，2009）以及東北地區森林類型（耿靜等，2017），十分缺乏有關熱帶森林的研究。

土壤微生物參與的硝化作用和反硝化作用（Ameloot et al.，2013）是森林土壤N2O的主要來源，土壤生物與非生物因素通過影響硝化與反硝化過程從而調控N2O排放動態。不同森林類型具有不同的土壤水分和溫度、碳氮含量以及微生物的活性與組成（Andersen et al.，2009；Baral et al.，2014），因此，土壤N2O排放通量大小及時空動態存在樣地差異性。在熱帶森林地區，由于溫度較高以及水分飽和造成厭氧環境，厭氧微生物主導的反硝化作用是N2O的主要產生過程（Zhang et al.，2011）。而在溫度、水分較低的溫帶和寒帶森林中，土壤N2O排放的主要來源于硝化微生物主導的硝化作用（Morishita et al.，2011）。除了硝化和反硝化作用，土壤硝化細菌反硝化作用也產生大量的N2O（Kool et al.，2010）。

西雙版納地區作為中國大陸熱帶雨林集中分布的重要區域。由于傳統農業方式及人口增加等因素的影響， 熱帶雨林遭到嚴重破壞，形成了大面積處于不同演替階段的次生恢復類型。本研究以中國科學院西雙版納熱帶植物園區內的白背桐（Mallotus paniculatus）群落、崖豆藤（Mellettialeptobotrya）群落、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）群落3種不同次生演替階段熱帶森林群落為研究對象，比較不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放的時間變化特征，分析熱帶森林次生演替引起土壤微生物及土壤理化性質的改變及其對土壤 N2O排放時空動態的影響，從而探明土壤N2O排放對熱帶森林群落次生演替的響應。研究結果能夠為理解熱帶森林土壤 N2O排放通量形成規律與影響機制提供理論參考，對于完善中國溫室氣體排放清單具有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區位于中國科學院西雙版納熱帶植物園，其地理位置為北緯 21°55′、東經 101°16′。由于地處東南亞熱帶北緣，屬北熱帶季風氣候，年平均氣溫21.5 ℃，年平均降雨量 1557 mm，終年無霜。一年中干濕季分明，其中雨季（5－10月）為1335 mm，占全年的87%，干季（11－4月）為202 mm，僅占全年降雨量的13%。地帶性植被為熱帶季節雨林和季雨林，土壤為由白堊紀砂巖發育而成的磚紅壤（盧華正等，2009）。

本研究在中國科學院西雙版納熱帶森林植物園實驗區內，選擇白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落作為研究樣地，各樣地具有類似地形特征（包括坡度、坡向與坡位），樣 地基本情況如下（表1）。

白背桐群落（MP），恢復年限約 12 a，海拔600 m，蓋度65%左右，凋落物層厚1－2 cm。樣地主要植被：白背桐（Mallotus paniculatus）、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、椴葉山麻稈（Alchornea tiliifolia）、粉被金合歡（Acacia pruinescens）、野生風輪草（Clinopodium chinensis）、豐花草（Borreriastricta）等。

崖豆藤群落（ML），恢復年限約 42 a，海拔568 m，蓋度90%左右，凋落物層厚4－5 cm。樣地主要植被：思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、椴葉山麻稈（Alchornea tiliifolia）、豬肚木（Canthium horridum）、銹毛魚藤（Derris ferruginea）、鈍葉金合歡（Acacia megaladena）、滇南九節（Psychotria henryi）、剛莠竹（Microstegium ciliatum）、銀葉砂仁（Amomum sericeum）等。

高檐蒲桃群落（SO），恢復年限約53 a，海拔619 m，蓋度95%左右，凋落物層厚6－7 cm。樣地主要植被：高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、雞嗉子榕（Ficus semicordata）、印度栲（Castanopsis indica）、云南黃杞（Engelhardia spicata）、黑風藤（Fissistigma polyanthum）、南山花（Prismatomeris connata)、多型叉蕨（Tectaria polymorpha）、紅豆蔻（Alpinia galanga）、子分叉露兜（Pandanus furcatus）等。

1.2 N2O氣體采集

在以上3種群落中隨機選擇3個重復樣地（40m×40m），每個樣地內隨機布置3個樣點。采用靜態暗箱法采集氣體。該裝置為50 cm×50 cm×20 cm四面和頂部密封的 PVC材質采樣箱。箱底邊緣設有水槽，試驗時往槽里加水以防止箱子和底座的接觸處漏氣，在冬季則用密封條密封防止漏氣。箱頂內部有小風扇，用于混合箱內氣體。采氣孔開在箱壁上。在2017年3月25－26日、6月29－30日、9月26－27日、12月29－30日分別進行N2O氣體采集，每次取樣時間為9:00－11:00，以此代表日平均通量值（Zhu et al.，2008）。采樣開始時開啟小風扇5 min，使箱內氣體混合均勻，立即用100 mL注射器采集第一次樣品，氣體樣品儲存于密封鋁箔氣袋中，在采樣的同時記錄下箱內溫度和氣壓。分別抽取蓋箱后10、20 min時的氣體樣品。氣體樣品帶回實驗室，待測。

表1 不同群落類型土壤理化性質大小比較Table 1 Soil chemical and physical properties in three community types

1.3 N2O氣體排放通量的計算

使用氣相色譜儀GC7900進行分析，N2O檢測器ECD，檢測溫度為330 ℃，載氣為高純度氮氣。N2O氣體通量的計算公式如下：

式中，F為 N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；M為氣體的分子量；V為標準狀態下1 mol氣體的體積；H為箱子高度；dc/dt為單位時間采氣箱內痕量氣體濃度的變化率；T為箱內溫度。

1.4 土壤理化性質分析

采用便攜式土壤水分溫度測量儀（SIN-TN8）同步測定3個土層（0－5、5－10、10－15 cm）的土壤溫度。為了獲得真實的土壤理化性質，破壞性取樣采集各層土壤樣品，裝于自封袋中，做好標記，帶回實驗室進行土壤理化性質測定。土壤含水率（%）采用烘干稱量法（105 ℃，24 h）；土壤容重采用環刀法測定；pH采用電位法（土水比為1∶2.5，m/V）測定；土壤有機質采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化法測定；土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定；土壤微生物生物量碳采用液態氯仿熏蒸浸提-水浴法測定（陳果等，2006）；全氮采用擴散法測定（中國土壤學會農業化學專業委員會，1983）；水解性氮采用堿解擴散法測定；銨態氮采用氧化鎂浸提擴散法測定；硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。

1.5 數據分析

將所采集的數據（N2O通量、土壤微生物量碳、土壤有機質、pH、全氮、土壤溫度等）整理于Excel中并進行作圖比對分析。運用SPSS 17.0中的獨立樣本t檢驗分析樣地理化性質差異顯著性，用Canoco的主成分分析（PCA）研究土壤理化性質對土壤N2O排放通量時間動態的影響。

2 結果與分析

2.1 不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量比較

對西雙版納不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量進行連續觀測，結果表明，土壤N2O排放通量具有顯著差異（圖1，P＜0.05）。3種不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量大小順序為：高 檐 蒲 桃 群 落 (462.4 μg·m-2·h-1)＞ 崖 豆 藤 群 落(378.93 μg·m-2·h-1)＞白背桐群落(310.68 μg·m-2·h-1)，表明熱帶森林土壤 N2O排放通量在演替后期都比演替初期大。高檐蒲桃群落土壤N2O排放通量分別是白背桐群落和崖豆藤群落的1.49倍和1.22倍。

圖1 熱帶森林不同演替階段土壤N2O排放通量變化Fig. 1 Change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests.

2.2 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的時間變化

對不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量隨月份的變化進行觀測（圖 2），結果表明，不同演替階段熱帶森林樣地土壤N2O排放通量月變化存在顯著波動（P＜0.05）。不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的月份變化均表現為6月最高，繼而逐漸降低，12月最低。6月不同樣地土壤N2O排放通量：白背桐群落為 630.78 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落為 738.38 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落為 892.46 μg·m-2·h-1。12月樣地土壤 N2O 排放通量：白背桐群落為 94.3 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落為 102.56 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落為 127.09 μg·m-2·h-1。

圖2 不同演替群落熱帶森林不同月份土壤N2O排放通量變化Fig. 2 Monthly change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests

2.3 土壤溫度和水分變化對不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的影響

采用線性、指數及多項式對熱帶森林不同演替階段熱帶森林土壤溫度與 N2O排放通量進行回歸分析，選取擬合度最高的多項式進行分析（表2），結果表明3個樣地土壤溫度均與N2O排放通量達到極顯著正相關（P＜0.01），土壤N2O排放通量隨著溫度的升高呈增加趨勢。土壤溫度對土壤N2O排放通量的貢獻率大小順序為：高檐蒲桃群落(84.06%)＞崖豆藤群落(65.29%)＞白背桐群落(80.1%)。因此，土壤溫度是影響不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量的一個重要調控因子。

表2 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤溫度的關系Table 2 Relationship between soil N2O emission flux and soil temperature in three secondary succession stages of tropical forests

采用線性、指數及多項式對熱帶森林3不同演替階段熱帶森林的土壤水分與土壤 N2O排放通量進行回歸分析，選取擬合度最高的多項式進行分析（表3），結果表明，3個樣地的土壤水分均與土壤N2O排放通量達到極顯著正相關（P＜0.01），土壤N2O排放通量隨著水分的增加呈增加趨勢。土壤水分對土壤N2O排放通量的貢獻率表現為：高檐蒲桃群落(83.5%)＞崖豆藤群落(79.74%)＞白背桐群落(72.52%)。因此，土壤水分是不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量時間動態的另一個重要的非生物調控因子。

表3 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤水分的關系Table 3 Relationship between soil N2O emission flux and soil moisture in three secondary succession stages of tropical forests

采用雙因素模型對熱帶森林3不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量與土壤溫度和水分進行分析。選取擬合度最高的多項式進行分析（表4），結果表明，3個樣地的土壤溫度和水分均與土壤N2O排放通量達到極顯著正相關（P＜0.01）。土壤溫度和水分對土壤N2O排放通量的貢獻率表現為：高檐蒲桃群落(87.4%)＞崖豆藤群落(72.6%)＞白背桐群落(74.2%)。因此，土壤溫度和水分土壤溫度作為影響土壤N2O排放的重要因子，二者相互影響，協同作用于不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放。

表4 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤溫度和水分的關系Table 4 Parameters of the correlation model of soil N2O emission flux with soil temperature and moisture in three secondary succession stages of tropical forests

2.4 土壤N2O排放通量與土壤理化性質的關系

采用主成分分析法研究土壤理化環境變化對土壤N2O排放通量的影響（圖3），結果表明，高檐蒲桃群落中，土壤有機碳、土壤微生物量碳、全氮等土壤指標對土壤 N2O排放通量的影響最為顯著。崖豆藤群落與高檐蒲桃群落中，土壤水分、銨態氮、硝態氮、土壤水解氮和易氧化碳對土壤N2O排放通量的影響最顯著。土壤pH和容重與N2O排放通量呈顯著負相關，其中白背桐群落最為顯著。按箭頭夾角來看，土壤易氧化碳、土壤水解氮、銨態氮和硝態氮對土壤N2O排放通量的貢獻最大。

圖3 不同演替階段土壤理化性質對土壤N2O排放通量影響的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis for the effect of soil physicochemical properties on soil N2O flux in three succession stages

3 討論

本研究表明，西雙版納熱帶森林演替進程能夠顯著影響土壤 N2O排放通量，演替后期土壤 N2O排放通量顯著高于演替初期。一方面，演替后期植被群落覆蓋度較大，具有較多的凋落物輸入，能夠刺激土壤微生物的數量增長及活動，使得土壤硝化和反硝化作用增強，因此，土壤N2O排放通量隨植被群落的次生演替進程加快而增大。另一方面，土壤N2O排放通量一般隨環境變化而改變，白背桐群落處于演替初期，其植被多樣性較簡單，覆蓋度低，群落內溫度、濕度變化較大（王邵軍等，2016），故土壤N2O排放通量較低。隨著演替年限的增加，崖豆藤群落和高檐蒲桃群落的植被與環境逐漸趨于穩定與復雜，土壤含水率相對較高，增強了厭氧環境使得反硝化作用增強（張寒等，2017），從而提高了土壤N2O排放通量。因此，恢復年限能夠通過影響養分輸入及樣地微生境而調控土壤 N2O排放通量。

熱帶森林次生演替對土壤 N2O排放通量的時間變化產生了顯著影響。研究表明，土壤N2O排放通量受到土壤溫度、濕度、微生物組成等時間動態的影響，從而導致不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量隨月份變化具有明顯差異（李海防等，2011；Baral et al.，2014；孫文浩等，2017）。本研究中，白背桐群落、崖豆藤群落及高檐蒲桃群落在不同月份土壤 N2O排放通量的差異都達到了顯著水平，說明N2O排放受不同次生演替階段樣地月份環境差異的變化較大。不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量時間變化，均表現為6月最高、12月最低，這種變化規律與蘇王娟等（2012）對亞熱帶典型丘陵坡地馬尾松林土壤 N2O通量季節變化相類似。本研究區位于北熱帶區域，夏季水熱條件優越，使土壤微生物活性增強，有利于土壤N2O產生與排放（Scheer et al.，2011；劉碩等，2013），而12月氣溫和水分相對較低，土壤微生物的活性減弱，不利于土壤N2O排放。

土壤 N2O主要通過微生物的硝化與反硝化作用產生。微生物活動加劇，呼吸作用加劇，消耗了土壤中的O2，形成厭氧環境，間接增強土壤微生物的反硝化作用（Cannavo et al.，2004），從而使N2O排放增多。本研究中，高檐蒲桃熱帶森林土壤微生物生物量碳對土壤 N2O排放通量的影響最為顯著（表1）。高檐蒲桃群落植被豐富，地表枯落物較多，溫度與水分相對較高，顯著增加了土壤微生物的數量和活性，促進了土壤硝化與反硝化作用，土壤N2O排放通量達到最大。田松巖等（2014）研究表明，不同熱帶森林群落導致凋落物輸入的種類與數量不同，進而影響微生物群體的數量，最終使硝化和反硝化作用增強，使土壤N2O排放速率加強。

土壤pH對N2O凈排放的影響十分復雜。有研究表明，土壤pH與N2O排放的關系，取決于產生N2O的主導過程是硝化作用還是反硝化作用（Wang et al.，2013；Chen et al.，2015）。本研究中隨著熱帶森林次生演替的進行，土壤pH值不斷下降（表1），N2O排放通量不斷增加，兩者呈顯著負相關（圖3）。Wolf et al.（2003）研究表明，酸性森林土壤（pH＜3.8）主要通過反硝化過程產生N2O，低pH的土壤NO3－反硝化的最終產物是N2O，而高pH土壤的最終產物可能是N2。雖然N2O主要產生于反硝化過程，但也受到硝化過程活性的驅動。目前涉及酸性森林土壤 N2O的具體產生途徑的研究仍然缺乏。本研究中土壤容重隨著演替的進行逐漸減小，而土壤N2O排放卻逐漸增大，這是因為演替后期的高檐蒲桃群落植被種類較多，植物根系發達，導致樣地區域土壤較為疏松，改善了較為黏重的磚紅壤，增加了土壤的透氣性，可能有利于微生物的活動，從而促進了硝化作用，增加土壤N2O排放。

主成分分析結果表明，熱帶森林次生演替主要引起土壤易氧化有機碳、水解氮、硝態氮、銨態氮等土壤碳、氮養分的改變，從而對土壤N2O排放通量產生顯著影響，同時存在樣地的差異性。前人研究表明，N源是硝化作用和反硝化作用生物過程導致森林土壤N2O產生中的最主要因素（Li et al.，2009）。大量的有機質為硝化和反硝化微生物提供了更多的N源，因此，增加了土壤N2O的排放（Li et al.，2010）。李睿達等（2014）研究表明，有機碳能顯著促進N2O排放，且排放通量隨著有機碳含量的增高而增高。熱帶森林演替能夠引起土壤全氮含量的增加進而對土壤 N2O排放通量產生顯著影響。在西雙版納地區水熱條件優越，使得氮被大量轉化為硝態氮和銨態氮，為硝化作用和反硝化作用提供了充足的反應底物，從而對N2O排放通量產生一定影響。土壤全氮含量在演替初期最小（表1），說明全氮含量隨著熱帶森林群落演替而逐漸加大，從而影響土壤N2O的產生。因此，本研究結果與前述研究基本一致，但存在一定的差異，熱帶森林土壤養分含量影響土壤植物根系更明顯，土壤微生物與土壤動物的數量更多、活性更高，影響土壤N2O排放通量的生態學過程更加顯著。

4 結論

西雙版納熱帶森林植物群落演替過程中土壤N2O排放通量時間變化顯著，表明熱帶森林群落演替過程中的植被與土壤環境變化使土壤 N2O排放不同。由于位于高溫高濕的熱帶環境，土壤溫度、水分及土壤養分影響土壤 N2O排放通量時間動態變化更加明顯，同時也存在一定的地域特殊性。目前關于中國熱帶森林土壤 N2O排放通量時空動態及其主要調控因素的研究，仍然十分缺乏，并存在一定的不確定性。本研究結果將有助于正確理解熱帶森林土壤 N2O排放通量的過程及機制以及熱帶森林在全球碳氮平衡中的地位及作用。