水分對(duì)側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放的影響

孫曉涵，賀康寧，劉 碩，李玉娥，萬(wàn)運(yùn)帆，郭倩倩，李安超，董 梅

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

森林是地球上分布最廣的植被類型，覆蓋率達(dá)13.9%。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳氮循環(huán)過程中起著極其重要的作用[1]。林地土壤的溫室氣體排放研究是當(dāng)前全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)和溫室氣體源匯功能方面的一個(gè)重要內(nèi)容。土壤水分是影響土壤溫室氣體排放的關(guān)鍵因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)森林土壤水分含量與土壤溫室氣體排放之間的關(guān)系做了大量研究[2-4]，但均是在野外原位進(jìn)行觀測(cè)，而土壤水分含量變化對(duì)林地土壤溫室氣體排放的影響未見報(bào)道。

側(cè)柏（Platycladus Orientalis）是我國(guó)溫帶地區(qū)的主要森林類型之一[5]。據(jù)2005年北京市二類清查數(shù)據(jù)顯示，北京市側(cè)柏總面積為88 003.8 hm2[6]，是北京低山和平原地區(qū)的主要常綠樹造林樹種。目前，我國(guó)對(duì)側(cè)柏做的研究多集中在側(cè)柏生物量研究方面[7-11]，對(duì)側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放的研究相對(duì)較少[12-13]，僅集中在側(cè)柏林地土壤CO2排放研究上，側(cè)柏林地土壤水分與CO2、N2O、CH4排放關(guān)系的研究未見報(bào)道。筆者以側(cè)柏林地為試驗(yàn)對(duì)象，通過室內(nèi)培養(yǎng)對(duì)不同土壤水分條件下側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討土壤水分變化對(duì)側(cè)柏林地土壤CO2、N2O、CH43種溫室氣體排放的影響，旨在進(jìn)一步研究闡明林地土壤水分與溫室氣體排放之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市西北郊太行山北部。實(shí)驗(yàn)基地高程范圍11.28～1 162.70 m。該區(qū)屬華北大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷；年均氣溫12.2℃，最高、最低氣溫分別為39.7、－19.6℃，年降雨量約700 mm，多集中在7～8月[14]。選擇林地土壤結(jié)構(gòu)和發(fā)育情況一致區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)采樣區(qū)，林地生境條件如下：林地類型為純林地，樹種為側(cè)柏，海拔為150 m，林齡為，40 a，平均胸徑為12 cm，郁閉度為30%，坡度30°，坡向?yàn)殛?yáng)坡，土壤類型為棕壤土，林下植被為荊條、繡線菊、胡枝子、野葡萄、白草和大油芒。土壤含水量16.77%，最大田間持水量40%，土壤容重0.942 g/cm3，土壤有機(jī)碳含量50.22 g/kg，pH值6.86，全氮23.77 g/kg，全磷0.95 g/kg，全鉀17.64 g/kg。

1.2 野外采樣方法

在林地選取3個(gè)5 m×5 m樣地，將每個(gè)樣地等分為4個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)正中取1個(gè)土樣，共采取土樣12個(gè)（圖1）。采集時(shí)將PVC管（內(nèi)徑25 cm、高20 cm）底端放在地面上，插入土壤至PVC管上端與地面齊平為止，保留枯枝落葉層，用鐵鍬取出土柱，用聚乙烯膜封口，盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

圖1 野外取土示意圖

土柱取出后，在采點(diǎn)0～10 cm和10～20 cm土層取3個(gè)鋁盒和1個(gè)環(huán)刀用于土壤物理性質(zhì)分析；取0～20 cm土壤，去除樹根石塊后混勻裝入封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后分別過2 mm和0.25 mm篩測(cè)其化學(xué)性質(zhì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)與測(cè)定

1.3.1 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析手冊(cè)》[15]和文獻(xiàn)[16]。土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由常規(guī)化學(xué)分析方法分析[15]。

1.3.2 土壤水分控制 把采集的12個(gè)土柱帶回實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)日稱重，按最大田間持水量20%、40%（約為正常含水量）、60%和80%進(jìn)行控水處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每日8∶00、18∶00稱量土柱總重，低于控水水平時(shí)，立即補(bǔ)充至設(shè)定土壤含水量。

1.3.3 人工氣候箱控制與氣體測(cè)定 根據(jù)中國(guó)氣象局網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)設(shè)置人工氣候箱參數(shù)，模擬研究區(qū)春秋季節(jié)自然條件，設(shè)置相同溫度（10℃）、光照和空氣濕度（40%），培養(yǎng)周期30 d。為使采氣裝置嚴(yán)格密封，氣體采集箱用外徑25 cm（等同于PVC管內(nèi)徑）、高18 cm、厚度5 mm白色透明有機(jī)玻璃制成，每隔一天上午9∶00～11∶00時(shí)間段內(nèi)采氣，上罩后每隔10 min（0，10，20，30 min）用自動(dòng)采樣器進(jìn)行取氣，每次采樣結(jié)束后共采4（4次抽樣）×4（4種處理）×3（3個(gè)重復(fù)）=48個(gè)氣體樣品，每個(gè)氣樣30 mL，用Agilent7890A氣相色譜儀測(cè)定樣品中CO2、CH4和N2O的濃度。根據(jù)各氣體濃度，換算成單位土壤的各氣體累計(jì)產(chǎn)量，并用累積產(chǎn)量-時(shí)間曲線的最大斜率代表培養(yǎng)土壤的氣體產(chǎn)生速率[17]。氣體通量正值表示氣體從土壤排放到大氣，負(fù)值表示土壤為氣體的匯。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤CO2排放的影響

60%水分處理在培養(yǎng)初期土壤CO2排放通量波動(dòng)較大（圖2），4 d（219.843 mg/m2h）后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤CO2排放通量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。20%和40%水分處理在整個(gè)培養(yǎng)周期波動(dòng)較小，80%水分處理呈波浪式波動(dòng)，整個(gè)培養(yǎng)過程中出現(xiàn)2次高峰值，分別在16 d（89.202 mg/m2h）和24 d（85.962 mg/m2h），最低值為38.638 mg/m2h（2 d）。各處理在培養(yǎng)初期波動(dòng)相對(duì)較大，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，各水分處理CO2排放通量漸趨穩(wěn)定且各處理間的差異逐漸減小。

圖2 不同土壤水分條件下CO2排放變化

在整個(gè)培養(yǎng)過程中20%、40%、60%、80%水分處理CO2平均排放通量分別為21.948、47.912、96.351、63.200 mg/m2h?？傮w看來(lái)，側(cè)柏林地土壤CO2排放通量60%>80%>40%>20%（圖2）。

2.2 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤N2O排放的影響

側(cè)柏林地土壤表現(xiàn)為60%和80%水分處理在培養(yǎng)前12 d土壤N2O排放通量波動(dòng)較大（圖3），且隨培養(yǎng)時(shí)間增加排放通量逐漸增加，并在培養(yǎng)第12 d同時(shí)達(dá)到最高值，分別為0.041和0.052 mg/m2h，12 d后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤N2O排放通量相對(duì)穩(wěn)定。20%和40%處理在整個(gè)培育周期中波動(dòng)較小。

在整個(gè)培養(yǎng)過程中20%、40%、60%、80%水分處理N2O平均排放通量分別為0.002、0.004、0.015、0.021mg/m2h?？傮w看來(lái)，側(cè)柏林地土壤N2O排放通量80%>60%>40%>20%（圖3），但20%與40%在整個(gè)培養(yǎng)過程中排放通量差距不大，這可能因?yàn)樵谡：恳韵?，水分含量不是土壤N2O排放主要限制因子。

圖3 不同土壤水分條件下N2O排放變化

2.3 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤CH4吸收的影響

側(cè)柏林地在10℃溫度下，土壤CH4通量均為負(fù)值，林地土壤為大氣CH4的匯（圖4）。40%水分處理培養(yǎng)前4 d吸收通量較大，培養(yǎng)第2 d達(dá)到最大值0.082 mg/m2h，培養(yǎng)后期土壤CH4通量變化相對(duì)穩(wěn)定。其他3個(gè)水分處理在整個(gè)培養(yǎng)過程中土壤CH4吸收通量值忽高忽低，但波動(dòng)范圍較小，均在0.001～0.037 mg/m2h范圍內(nèi)。

圖4 不同土壤水分條件下CH4排放變化

整個(gè)培養(yǎng)過程中20%、40%、60%、80%水分處理CH4平均吸收通量分別為0.018、0.038、0.020、0.012 mg/m2h?？傮w看來(lái)，側(cè)柏林地土壤CH4吸收通量表現(xiàn)為80%<20%<60%<40%。

3 討 論

森林土壤對(duì)大氣溫室氣體濃度具有重大貢獻(xiàn)，同時(shí)各溫室氣體的產(chǎn)生和排放量也受其所處環(huán)境狀況的影響，土壤理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體的排放起著重大作用[18]。試驗(yàn)中，側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)3種溫室氣體排放影響如下。

3.1 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)CO2排放通量的影響

影響土壤CO2排放的所有非生物因素中，土壤濕度變化是影響土壤CO2排放變化的重要因素[19]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，林地土壤水分含量在20%～60%范圍內(nèi)，隨土壤水分含量增加，林地土壤CO2排放通量有增加的趨勢(shì)，超過60%隨土壤含水量的增加而減少。一般認(rèn)為合適的土壤濕度有利于可溶性有機(jī)質(zhì)含量的增加，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)、活動(dòng)[18，20]。試驗(yàn)中土壤含水量為最大田間持水量的60%時(shí)土壤CO2排放通量最大，最適宜側(cè)柏林地微生物活動(dòng)。

整個(gè)培養(yǎng)過程中60%處理土壤CO2排放通量第4 d達(dá)到最大值，明顯高于其它值，這可能是因?yàn)轱L(fēng)干一段時(shí)間的土壤再濕潤(rùn)會(huì)引起CO2排放通量在短期內(nèi)增加[20]。土壤正常含水量為40%，通過加水到60%，提高了土壤微生物的活性，利于微生物的呼吸，使CO2排放增加，但隨著時(shí)間增加，密閉的罩內(nèi)環(huán)境使得CO2濃度增加，抑制土壤微生物呼吸，使CO2排放減少[21]。20%、40%和80%水分處理沒有此現(xiàn)象，可能由于水分不足或過多使土壤微生物活性較低，呼吸較弱，罩內(nèi)CO2濃度變化不是影響土壤微生物呼吸的主要限制因子。

3.2 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)N2O排放通量的影響

水分是影響土壤中硝化作用和反硝化作用這些生物過程最重要因素之一[22]。試驗(yàn)中土壤水分含量低于40%時(shí)，土壤N2O排放通量變化不明顯；土壤水分含量高于40%時(shí)，N2O排放通量隨土壤含水量的上升隨之增加。這可能是因?yàn)橥寥捞幱谧畲筇镩g持水量以下時(shí)，硝化作用是N2O的最基本來(lái)源，N2O產(chǎn)生主要由硝化作用產(chǎn)生，N2O的排放量隨土壤水分的增加而增加[23]。

側(cè)柏林地土壤60%和80%水分處理在培養(yǎng)前12 d隨培養(yǎng)時(shí)間增加排放通量逐漸增加，12 d后隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)土壤N2O排放通量相對(duì)穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)時(shí)2處理加水相對(duì)較多，土壤水分變化顯著，土壤的干濕交替使得硝化作用和反硝化作用交替成為N2O的主要產(chǎn)生機(jī)制，同時(shí)土壤的干濕交替還能抑制反硝化過程中的深度還原，使得N2O的產(chǎn)生量增大[24]。已有研究表明[25]，在土壤含水量較低，土壤水分變化顯著時(shí)，會(huì)出現(xiàn)N2O通量峰值。

3.3 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)CH4排放通量的影響

水分對(duì)土壤中CH4的產(chǎn)生起著決定性的作用，這是因?yàn)镃H4產(chǎn)生所需的厭氧條件在很大程度上決定于土壤水分狀況，只有當(dāng)水分阻止了氧的擴(kuò)散形成嚴(yán)格的厭氧環(huán)境時(shí)，CH4才能產(chǎn)生[26]。研究發(fā)現(xiàn)土壤水分含量高于40%時(shí)，土壤CH4吸收通量隨土壤含水量的增加而減少；土壤水分含量低于40%時(shí)，土壤CH4吸收通量隨土壤水分的增加而增加?？赡芤?yàn)闈穸冗^高使水分更多地布滿土壤空隙，土壤空氣變少，限制空氣擴(kuò)散，土壤微生物活性從好氣過程變?yōu)橄託膺^程，CH4氧化細(xì)菌活性受到限制，濕度過高在一定程度上限制土壤對(duì)CH4的吸收[27]。該研究還表明，過低的土壤含水量也不適宜CH4的吸收。

[1] 潘新麗，林 波，劉 慶.模擬增溫對(duì)川西亞高山人工林土壤有機(jī)碳含量和土壤呼吸的影響系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19（8）：1637-1643.

[2] 李海防，夏漢平，熊燕梅，等.土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放影響因素研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境，2007，16（6）：1781-1788.

[3] 董云社，彭公炳，李 俊.溫帶森林土壤排放CO2，CH4，N2O時(shí)空特征[J].地理學(xué)報(bào)，1996，120-128.

[4]劉 實(shí)，王傳寬，許 飛.4種溫帶森林非生長(zhǎng)季土壤二氧化碳、甲烷和氧化亞氮通量[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（15）：4075-4084.

[5] 沈國(guó)舫，關(guān)玉秀，齊宗慶，等.北京市西山地區(qū)適地適樹問題的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1980，32-46.

[6] 段 劼，呂 巍，馬履一，等.北京市側(cè)柏人工林水源涵養(yǎng)功能的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（9）：4956-4958.

[7] 李 朝，周 偉，關(guān)慶偉，等.徐州石灰?guī)r山地側(cè)柏人工林生物量及其影響因子分析[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（4）：669-674.

[8] 王 婷，袁志良，葉 永，等.嵩山國(guó)家森林公園不同年齡側(cè)柏人工林生物量初步研究[J].河南科學(xué)，2009，27（7）：817-820.

[9] 閆家鋒，關(guān)慶偉，鄧送求，等.徐州云龍山側(cè)柏林生物量和生產(chǎn)力研究[J].林業(yè)科技開發(fā)，2009，23（02）：48-50.

[10]閆晨曦，唐光金.油松和側(cè)柏的生長(zhǎng)及生物量[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22（12）：67-70.

[11]李 朝，王振營(yíng)，王 宇.間伐對(duì)側(cè)柏人工林生物量的影響[J].林業(yè)科技開發(fā)，2010，24（1）：68-71.

[12]王鶴松，張勁松，孟 平，等.華北山區(qū)非主要生長(zhǎng)季典型人工林土壤呼吸變化特征[J].林業(yè)科學(xué)研究，2007，20（6）：820-82.

[13]王鶴松，張勁松，孟 平，等.側(cè)柏人工林地土壤呼吸及其影響因子的研究[J].土壤通報(bào)，2009，40（5）：1031-1035.

[14]嚴(yán) 密.鷲峰國(guó)家森林公園生態(tài)效益評(píng)價(jià)研究[G].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2005.

[15]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[16]高建峰.農(nóng)田土壤含水量監(jiān)測(cè)方法研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，16（14）：88-89.

[17]謝軍飛，李玉娥.土壤溫度對(duì)北京旱地農(nóng)田N2O排放的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2005，26（1）：7-10.

[18]李世朋，汪景寬.溫室氣體排放與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系研究進(jìn)展[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34（2）：155-159.

[19]Subke J A,Reichstein M,Tenhunen J D.Explaining temporal variation in soil CO2efflux in a mature spruce forest in Southern Germany[J].Soil Biology＆Biochemistry,2003,35（11）：1467-1483.

[20]孫向陽(yáng)，郭青俊.妙峰山林地CO2釋放量的初步研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，17（4）：22-28.

[21]侯 琳，雷瑞德，王得祥，等.森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2006，37（3）：589-594.

[22]Rover M,Heinemeyer O,Kaiser E A.Microbial induced nitrous oxide emissions from arable soil during winter[J].Soil Biochein,1998,30:1859-1865.

[23]Mummey D L,Smith J L,Bolton J R H.Nitrous oxide flux from a Shrub-steppe ecosystem:sources and regulation [J].SoilBiol.Biochem,1994，26（2）：279-286.

[24]王智平，曾江海，張玉銘.農(nóng)田土壤N2O排放的影響因素[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1994，13（1）：40-42.

[25]杜 睿，黃建輝，萬(wàn)小偉，等.北京地區(qū)暖溫帶森林土壤溫室氣體排放規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（2）.

[26]顏曉元，蔡祖聰.淹水土壤中甲烷產(chǎn)生的影響因素研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1996，4（2）：24-32.

[27]劉玲玲，劉允芬，溫學(xué)發(fā)，等.千煙洲紅壤丘陵區(qū)人工針葉林土壤CH4排放通量[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32（2）：431-439.