三種土地利用方式下南方高山土壤溫室氣體通量特征及其影響因子研究

莊 媛， 閆瑞瑞， 熊軍波， 劉 洋， 陳亞男， 楊培志， 呼天明， 辛曉平*

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081； 2.西北農林科技大學草業與草原學院， 陜西 楊凌 712100；3.湖北省農業科學院畜牧獸醫研究所， 湖北 武漢 430000)

由于大氣中溫室氣體濃度不斷增加，近百年來地球氣候正在經歷著以全球變暖為主要特點的顯著變化，人類活動所參與的土地利用的變化已經被公認為是推動全球變暖的最主要原因之一[1-2]。土壤作為陸地生態系統中最主要的碳庫和氮庫，是決定大氣中溫室氣體濃度變化的重要源或匯，據估計，大氣中每年約有5%～20%的CO2，15%～30%的CH4，80%～90%的N2O來源于土壤，土壤受到輕微的擾動就會導致溫室氣體排量具有不確定性[3]。土地利用變化不僅改變植被覆蓋類型，而且影響土壤理化性質和微生物活性發生改變，導致土壤碳氮循環過程發生改變進而影響土壤溫室氣體排放[4]。已有研究表明農田比草地和森林的CO2,N2O排放量高，農田土壤吸收CH4能力較低[5-6]，細根生物量、凋落物生物量、全碳、全氮、可溶性有機碳、總可溶性氮、土壤容重、土壤溫度、土壤含水量等均影響溫室氣體排放[7]。一般認為，較為濕潤的環境例如稻田和濕地，可以提供產甲烷菌需要的厭氧環境，因此稻田和濕地是陸地生態系統中主要的CH4排放源[8]。伴隨著人類活動，特別是農田逐年增加氮肥施入量，大氣中N2O的濃度也隨之升高，加劇了對臭氧層的破壞和全球變暖，農田土壤產生N2O的機理是在微生物參與下發生的硝化和反硝化反應，化學反硝化反應和羥銨化學分解反應等過程[9]。目前，針對我國農業生態系統和黃土高原不同土地利用方式下土壤CO2、CH4和N2O的排放特征、通量及其影響因素研究報道較多[10-12]，少數研究報道了針對我國南方紅壤不同土地利用方式下土壤CO2,CH4和N2O的排放[13-14]。土壤溫室氣體排放極易受到環境因素以及人為因素的影響，環境因素對土壤溫室氣體排放通量強度的影響研究并不透徹[15]。

南方高山草山草坡不同土地利用方式下土壤溫室氣體排放有何特征這一問題有待解決。湖北火燒坪擁有1 800 m海拔，具有多種土地利用方式，因此，本研究對湖北火燒坪的土壤溫室氣體排放進行動態監測，通過分析農田、草地、天然林地三種典型土地利用方式土壤CH4,CO2,N2O通量特征，探討環境因子對溫室氣體排放的解釋，以期為研究區土壤溫室氣體排放估算和土壤溫室氣體減排提供數據支持，從而為正確評價退耕還林(草)工程環境效應提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究地點位于湖北省宜昌市長陽土家族自治縣火燒坪鄉(30°30′5 4.06″ N，110°42′4 9.20″ E)，海拔約1800 m。研究所在區域屬亞熱帶大陸性夏熱潮濕氣候，年日照時數1 500～1 900小時，年均降雨量1 366.2 mm，年均氣溫16.5℃，無霜期250～290天。土壤以山地黃棕壤和棕壤為主。主要植物種類為白蘿卜(Raphanussativus)、鴨茅(DactylisglomerataL.)、多年生黑麥草(LoliumperenneL.)等。

1.2 樣地選擇與樣品采集

本研究區包括坡度約為30～40度的農田、草地和天然林地三種類型土地，含水量分別為31%，29%和27%，草地和林地地上/地下生物量為0.54/0.37 kg·m-2和0.25/0.19 kg·m-2。每種類型土地分為三個樣地，規格60 m×20 m，每個樣地均勻布設三個采樣點，進行實驗區土壤-植被系統溫室氣體通量和土壤指標測定。

在采樣點取地表0～10 cm土樣。土壤基本理化性質和生物學活性測定方法如下：容重采用環刀法；含水量采用烘干法；全碳采用元素分析儀測定；全氮采用硫酸-加速劑消煮，凱氏定氮儀測定；有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷和全磷采用鉬銻抗比色法；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；脲酶采用靛酚藍比色法；亞硝酸還原酶采用比色法；蛋白酶采用加勒斯江法；轉化酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；固氮菌和纖維素分解細菌采用平板菌落計數法；硝化細菌和反硝化細菌采用稀釋法；甲烷氧化菌采用Hungate厭氧滾管計數技術和氣相層析儀測定；微生物量碳和微生物量氮采用氯仿熏蒸，0.5M硫酸鉀浸提，分別用總有機碳分析儀和流動分析儀測定；微生物量磷采用氯仿熏蒸，0.5M碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定[16]。

采用野外原位靜態箱-氣相色譜法進行土壤溫室氣體采集，采集時間為2019年7—9月，采集頻率為三至五天一次。靜態箱由箱體(0.50 m×0.50 m×0.30 m的不銹鋼板制密封箱，外包白色保溫罩)和基座兩部分組成，箱體與基座連接處裝有密封條，避免箱內氣體與外界交換，基座固定安置在采樣點，采集氣體時將箱體安置于基座上。有研究[17]表示上午9:00-11:00內的氣體通量觀測值可近似代表日均值，因此從上午9:00至9:30每10 min進行1次采集，采用100 mL醫用注射器采集箱內氣體500 mL，同時使用溫度計記錄箱內溫度和大氣溫度，使用地表溫度測量儀記錄地下10 cm溫度。待氣體樣品采集完成后，帶回實驗室用氣相色譜儀測定其中CO2、CH4和N2O濃度。土壤溫室氣體通量公式如下：

式中，F為土壤溫室氣體通量，單位mg·m-2·h-1，正值表示排放，負值表示吸收；ΔC/Δt為單位小時內測量容器內溫室氣體濃度變化量；ρ為標準密度，單位mg·m-3；V為測量容器體積，單位m3；A為測量容器底面積，單位m2；P為測量地點大氣壓，單位hPa；P0為標準大氣壓為1 013 hPa；T為測量容器內溫度，單位℃。

土壤溫室氣體總排放量計算公式:

式中，f為土壤溫室氣體總排放量，單位kg·hm-2，F為土壤溫室氣體通量，單位mg·m-2·h-1，n和i為采樣次數，d為天數。

100年影響尺度的土壤直接排放的溫室氣體的全球增溫潛勢[18](Global warming potential，GWP，kg·hm-2)計算公式:

GWP=fCO2×1+fCH4×25+fN2O×265

式中，f為土壤溫室氣體總排放量，單位為kg·hm-2。

1.3 數據處理

運用SPSS 19.0對三種類型土地的土壤溫室氣體通量和土壤基礎養分進行單因素方差分析，Duncan法多重比較，平均值和標準誤表示分析結果。用OriginPro 2021對土壤溫室氣體通量與土壤理化性質和生物學活性進行相關性分析。用OriginPro 2021和Excel 2019完成圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 三種土地利用方式下的土壤基本特征

由表1可知，農田全磷和有效磷含量較高，均顯著高于林地(P<0.05)，與草地無顯著性差異；草地有機碳含量較高，與農田和林地均無顯著性差異；林地具有較高的全碳、全氮、堿解氮含量，其中林地全碳和全氮含量均顯著高于農田和草地(P<0.05)，林地堿解氮含量顯著高于草地(P<0.05)，草地堿解氮含量顯著高于林地(P<0.05)。

表1 三種土地利用方式下土壤基本養分Table 1 Basic nutrients of soil under three land use patterns

2.2 三種土地利用方式下的土壤溫室氣體通量特征

如圖1為三種土地利用方式下CO2通量，由動態變化圖可知，7—9月農田和草地CO2通量表現為由排放轉變為吸收趨勢，林地CO2通量無明顯變化趨勢。從CO2季節通量可以看出三種土地利用方式下CO2通量在7—9月均表現為排放，由大到小為草地>林地>農田，且草地(150.9724 mg·m-2·h-1)顯著高于農田(28.4091 mg·m-2·h-1)(P<0.05)。

圖1 三種土地利用方式下CO2通量Fig.1 CO2 flux under three land use patterns注：各指標后小寫字母不同表示同一時期的不同土地類型差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters after each index indicate significant difference of different land types in the same period (P<0.05). The same as below

如圖2所示，三種土地利用方式下CH4通量變化均不顯著，農田CH4通量幾乎表現為排放，林地和草地CH4通量從7月至9月由吸收轉變為排放。CH4季節通量農田表現為排放，草地和林地均表現為吸收，吸收量由大到小為草地(-0.0160 mg·m-2·h-1)>林地(-0.0119 mg·m-2·h-1)，差異并不顯著。

圖2 三種土地利用方式下CH4通量Fig.2 CH4 flux under three land use patterns

圖3為三種土地利用方式下N2O通量，農田N2O通量從7月至9月由排放轉變為吸收，林地和草地N2O通量未有明顯變化趨勢。從N2O季節通量可以看出，農田和林地在7—9月表現為排放，草地表現為吸收，且農田N2O通量(0.0326 mg·m-2·h-1)顯著高于林地(0.0027 mg·m-2·h-1)(P<0.05)。

圖3 三種土地利用方式下N2O通量Fig.3 N2O flux under three land use patterns

2.3 土壤溫室氣體通量與環境因子的關系

如圖4，在土壤表層(0～10 cm)CO2通量與過氧化氫酶呈顯著正相關關系(P<0.05)；CH4和N2O通量與箱內溫度、大氣溫度、地下10 cm溫度呈顯著正相關關系(P<0.05)，與過氧化氫酶呈極顯著負相關關系(P<0.01)，CH4通量與微生物量碳呈顯著負相關關系(P<0.05)，N2O通量與微生物量碳呈極顯著負相關關系(P<0.01)。CO2通量與土壤含水量呈負相關關系，CH4和N2O通量與土壤含水量呈正相關關系，各土壤溫室氣體通量與土壤含水量相關性均未達到顯著。

圖4 土壤溫室氣體通量與各指標的關系Fig.4 The relationship between soil greenhouse gas fluxes and various indexes注：T1：箱內溫度；T2：大氣溫度；T3：地下10 cm溫度；VW：容重；WC：含水量；DOC：有機碳；TC：全碳；TN：全氮；AN：堿解氮；AP：有效磷；TP：全磷；CTA：過氧化氫酶；URE：脲酶；NiRs：亞硝酸還原酶；PRT：蛋白酶；IVT：轉化酶；B-A：固氮菌；B-N：硝化細菌；B-DN：反硝化細菌；B-C：纖維素分解細菌；B-M：甲烷氧化菌；MC：微生物碳；MN：微生物氮；MP：微生物磷Note:T1:Temperature inside the box;T2:Atmospheric temperature;T3:Soil temperature at the depth of 10 cm；VW:Volume weight;WC:Water content;DOC:Organic carbon;TC:Total C;TN:Total N;AN:Alkaline N;AP:Available P;TP:Total P;CTA:Catalase;URE:Urease;NiRs:Nitrite reductase;PRT:Protease;IVT:Invertase;B-A:Azotobacter;B-N:Nitrifying bacteria;B-DN:Denitrifying bacteria;B-C:Cellulolytic bacteria;B-M:Methanoxidizing bacteria;MC:Microbial C;MN:Microbial N;MP:Microbial P

2.4 溫室氣體的影響因子特征

2.4.1溫度變化特征 由圖5可知，7—9月，農田、草地和林地大氣溫度和地下10 cm溫度變化趨勢大致相同，整體均呈現逐漸降低趨勢，7月三種類型土地大氣溫度和地下10 cm溫度由大到小均表現為農田>草地>林地，8—9月農田和草地大氣溫度均在較高水平，林地大氣溫度較低，三種類型土地地下10 cm溫度近似，且在三種類型土地下大氣溫度普遍高于地下10 cm溫度。

圖5 三種土地利用方式下的溫度Fig.5 Temperature under three land use patterns

2.4.2土壤生物學活性 如圖6，土壤轉化酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性由大到小均表現為林地>草地>農田，其中林地轉化酶和蛋白酶顯著高于農田和草地(P<0.05)，林地過氧化氫酶顯著高于草地(P<0.05)，草地顯著高于農田(P<0.05)，土壤脲酶和亞硝酸還原酶活性在三種類型土地下均無顯著性差異；微生物量碳和微生物量氮活性由大到小均表現為林地>草地>農田，林地微生物量碳活性顯著高于草地(P<0.05)，草地顯著高于農田(P<0.05)，林地微生物量氮活性顯著高于農田和草地(P<0.05)，微生物量磷活性由大到小表現為林地>農田>草地，但是無顯著性差異。

圖6 三種土地利用方式下的土壤酶和微生物活性Fig.6 Soil enzyme and Microbial activity under three land use patterns

2.5 三種土地利用方式下的全球增溫潛勢變化

如圖7，農田和草地增溫潛勢大致呈降低趨勢，且草地增溫潛勢總體高于農田，9月農田和草地增溫潛勢均表現為吸收；林地增溫潛勢大致呈增高趨勢，7月林地增溫潛勢表現為弱排放，8—9月表現為較高排放。7—8月草地增溫潛勢高于農田和林地，9月林地增溫潛勢高于農田和草地。

圖7 三種土地利用方式下的全球增溫潛勢變化Fig.7 Changes in global warming potential under three land use patterns

如表2所示，各類型土地CO2總排放量遠高于CH4和N2O總排放量，其中，CO2總排放量由大到小為草地>林地>農田；CH4在農田表現為排放，在草地和林地表現為吸收，總吸收量由大到小為草地>林地；N2O在農田和林地表現為排放，總排放量由大到小為農田>林地，在草地表現為弱吸收。總增溫潛勢(GWP)由大到小表現為草地>農田>林地，但草地種植大量禾本科植物，禾本科植物能大幅增加人工草地植物群落地上生物量、蓋度、高度和減少非播種物種數[19]，生物量高光合呼吸作用強[20]，向大氣排放CO2的總量則較低。

表2 三種土地利用方式下溫室氣體總增溫潛勢和總排放量Table 2 The total warming potential and total emissions of greenhouse gas under three land use patterns

3 討論

3.1 三種土地利用方式對土壤溫室氣體通量的影響

本研究發現草地土壤CO2排放通量顯著高于農田，但草地植被呼吸作用消耗CO2使得草地向大氣凈排放量降低，Raich等[21]分析已有研究結果顯示草地土壤CO2通量高于臨近農田25%，吳建國等[22]采用兩種方法對寧夏六盤山林區幾種土地利用方式下的土壤CO2通量進行估算，結果均顯示草地年通量顯著高于農田。本研究發現草地土壤CO2通量高于林地，但Larionova等[23]研究發現林地土壤CO2通量顯著高于草地和耕地，且認為造成此差異的主要原因是林地、草地土壤與農田土壤碳密度之間的差異，與本研究結果存在出入可能的原因是草地受人為活動干擾致使土壤孔隙度擴增，促進了土壤微生物等的有氧呼吸，從而具有較高的CO2排放。CH4吸收量由大到小為草地>林地，與趙國慶[11]等人研究發現土壤CH4吸收強度為天然草地(65.93 μg·m-2·h-1)高于灌木林地和喬木林地(P<0.05)結果一致。本研究區草地和林地的植被覆蓋度高，根系發達，利于營造需氧環境進而促進CH4的吸收，石洪艾等[24]認為在需氧環境下促進CH4的吸收。林杉等[25]研究發現研究區內N2O氣體通量耕地較林地強度更大，其認為施肥是造成此結果的主要原因，有研究[26-27]認為農田土壤施用有機肥可以提高有機碳固定，同時也增加了土壤N2O排放量，與本研究發現農田有機碳含量和N2O排放量最高結果一致。土壤的N2O排放主要來自硝化與反硝化過程[28-29]，耕地施肥為N2O產生提供充足的底物，促進土壤微生物硝化和反硝化過程，因此農田N2O排放量高。

3.2 三種土地利用方式下土壤溫室氣體排放的影響因子

CO2通量與過氧化氫酶呈正相關關系，與胡文同等[30-32]研究結果一致，因為土壤過氧化氫酶活性越高，對土壤中的過氧化氫分解地越徹底，能更加有效地減輕過氧化氫對作物的毒害作用，有利于作物根系的發育，促進土壤CO2排放。林地和草地因具有較高過氧化氫酶活性從而導致CO2排放量高于農田。此外，三種土地利用方式下CO2排放通量主要受土壤含水量影響。本試驗CO2排放通量由大到小，為草地>林地>農田，農田CO2排放通量最小的原因可能是農田地表植被稀疏、土地裸露，弱降雨時入滲速率較快，導致農田中土壤含水率較高，水分過高將阻礙土壤中CO2擴散從而降低微生物的分解和土壤CO2的產生[33]，所以土壤水分可能成為抑制產生CO2的關鍵因素。

三種土地利用方式下CH4排放通量主要受土壤溫度和含水量影響。結果表明，農田CH4表現為排放，可能的原因是農田土壤含水量較高，形成良好的厭氧條件，有利于產甲烷菌進行無氧呼吸，同時產甲烷菌利用根系分泌物提供的營養物質，促進了CH4產生[34]。草地和林地由于土壤含水量相對農田較低，為CH4的氧化提供了適宜的條件，CH4在釋放過程中被甲烷氧化菌氧化[35]，因此草地和林地的CH4通量呈現吸收狀態。林地土壤溫度低造成土壤中產甲烷菌生物活性的減弱，減緩了土壤有機質的分解，CH4的釋放低于草地。7-9月溫度降低，但林地和草地的CH4通量由吸收轉變為排放，可能的原因是溫度降低抑制了甲烷氧化菌氧化，整體表現為CH4的排放。有研究[36]發現鹽水的鹽度升高顯著降低了土壤CH4排放通量且與土壤微生物量碳含量顯著正相關。模擬增溫條件下翻耕免耕農田土壤CH4排放通量與微生物量碳含量顯著正相關[37]。本研究發現農田CH4排放通量較高，但微生物量碳含量較低，可能的原因是農田土壤對有機碳的利用率低，對微生物量碳的維持能力較弱，使得農田CH4排放不以微生物量碳含量為主導因素。

本研究發現N2O與過氧化氫酶呈極顯著負相關(P<0.001)，但鄧長芳等[31]人研究發現土壤中的過氧化氫酶過高時雖然能減弱CH4的排放過程，但也會顯著增加CO2和N2O的排放量，可能的原因是影響不同溫室氣體排放的主導因子不盡相同，本研究中N2O的排放與環境因子的關系更加密切。試驗結果顯示，土壤含水量是影響N2O排放通量的重要因素，農田土壤含水量較高，使土壤形成了良好的厭氧條件，促進了反硝化過程，且適宜的溫度可提高農田土壤硝化和反硝化細菌活性及增強N2O熱擴散作用，促進農田土壤中N2O的排放[38]。結合伍延正等[39]和G.S.Dheri等[40]人對不同土地利用方式下N2O排放的研究結果，說明農田是土壤N2O的主要排放源，導致此結果的主要原因可能是施肥條件下的農田氮素含量過高，且農田翻耕促使銨態氮與硝態氮生成，增加土壤氮素積累，一定條件下N2O大量釋放。

4 結論

三種土地利用方式下CO2、N2O和CH4氣體通量存在差異。土壤CO2均表現為排放，草地(150.9724 mg·m-2·h-1)顯著高于農田(28.4091 mg·m-2·h-1)(P<0.05)；農田土壤CH4和N2O表現為排放，草地表現為吸收，林地不一致。土地利用方式和環境因子對土壤溫室氣體通量具有較大影響。土壤含水量抑制土壤CO2、促進土壤CH4產生，過氧化氫酶活性與土壤CO2和CH4的排放具有顯著相關性，有機肥的施用影響土壤N2O的排放。綜合來看全球增溫潛勢(GWP)由大到小表現為草地(33.7975 kg·hm-2)>林地(18.3792 kg·hm-2)>農田(8.2032 kg·hm-2)。但草地由于生物量高光合呼吸作用強，向大氣排放CO2的總量則較低。因此，人工草地的建造有利于降低研究區土壤溫室氣體的排放。