氮沉降對林帶土壤N2O和CH4通量的影響

胡正華,張 寒,陳書濤,李 琪,李涵茂,申雙和 (.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室,江蘇 南京 0044；.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 0044)

氮沉降對林帶土壤N2O和CH4通量的影響

胡正華1*,張 寒2,陳書濤2,李 琪1,李涵茂2,申雙和1 (1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044)

于2008年4月～2009年10月在龍王山對林帶土壤進(jìn)行模擬氮沉降試驗,采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定土壤N2O和CH4通量,研究氮沉降增加對土壤N2O和CH4排放(吸收)的影響.結(jié)果表明,短期內(nèi),氮沉降沒改變土壤N2O和CH4通量的季節(jié)性變化規(guī)律和日變化規(guī)律.與對照(CK)相比,短期的低氮[50 kg N/(hm2·a), TL]、中氮[100kgN/(hm2·a), TM]和高氮[150kgN/(hm2·a), TH]處理對土壤的N2O和CH4年平均通量和日平均通量都沒有顯著影響.

氮沉降；森林土壤；N2O；CH4；通量；北亞熱帶

氣候變暖的主要原因是大氣中溫室氣體濃度的不斷增加.N2O和CH4是重要的溫室氣體,其百年尺度單位質(zhì)量的全球增溫潛勢(GWP)分別是CO2的298倍和25倍[1].工業(yè)革命以來,大氣中N2O 和 CH4的濃度持續(xù)上升,分別達(dá)到了319×10-3μL/L和 1774×10-3μL/L[2].模型預(yù)測,到2100年大氣中N2O和CH4的濃度增加范圍分別為(+38～144)×10-3,(-190～1970)×10-3μL/L[1]. CH4具有較強的化學(xué)活性,能參與對流層中許多重要的大氣化學(xué)過程,而N2O不僅參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng),還能間接破壞平流層中的臭氧層[3].

大氣中含活性氮物質(zhì)迅速增加并向地面沉降,嚴(yán)重影響著生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[4].未來幾十年氮沉降量還將繼續(xù)增加,并呈現(xiàn)出全球化趨勢[5-6].目前,我國一些地區(qū)已存在著高氮沉降問題,如廣東鼎湖山自然保護區(qū)1998～1999年降水中氮含量高達(dá) 38.4kg/(hm2·a)[7],長三角地區(qū)南京、常熟和杭州的降水中氮含量分別為 23,25, 30kg/(hm2·a)[8].我國氮沉降量接近歐洲和北美一些高氮沉降區(qū),已成為繼歐洲、美國之后的世界第三大氮沉降集中區(qū)[9-10].隨著我國經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展,氮沉降問題還會越來越嚴(yán)重[11].

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫[12],森林土壤碳庫總量約占全球土壤有機碳庫的73%[13];森林土壤氮儲量超過森林植被總氮量的85%[14],森林土壤是N2O的重要排放源[15].森林與大氣不斷地進(jìn)行著碳氮交換,森林土壤的碳氮平衡在全球碳氮循環(huán)中起著重要作用.氮沉降對土壤溫室氣體排放的影響研究亦日益成為人們關(guān)注的焦點之一[16-18].本研究通過模擬氮沉降試驗,研究氮沉降增加對北亞熱帶落葉闊葉林土壤N2O和CH4通量的影響,為評估氮沉降增加背景下該區(qū)域森林土壤碳氮庫的變化提供基礎(chǔ)資料.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究樣地位于江蘇省南京市北郊的龍王山(118°42′ E、32°11' N),屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū).年均氣溫 15.5℃,1月平均氣溫 2.2℃,極端低溫-13.3℃,7月平均氣溫 28.2℃,極端高溫 40.7℃;無霜期 225天;年相對濕度 76%;年均降水量1019.5mm.地帶性植被為亞熱帶落葉闊葉林,群落郁閉度 0.9.林冠層主要樹種有白櫟(Quercus fabri)、化香(Platycarya strobilacea)、構(gòu)樹(Broussonetia papyrifera).林下層主要有白檀(Symplocos paniculata)、山胡椒(Lindera glauca)、狹葉山胡椒(L. angustifolia)、樸樹(Celtis sinensis)、茶條槭(Acer ginnala)等.草本層有苔草(Carex spp.)、天門冬(Asparagus cochinchinensis)、繁縷(Stellaria media)等.

1.2 試驗設(shè)計

在樹木分布均勻區(qū)域建立12個4m×4m樣方,樣方間留有緩沖帶,以防相互干擾.土壤有機碳為 32.1g/kg,全氮含量為 2.1g/kg,容重為1.08,pH(H2O)4.5.設(shè)對照[CK,0kg/(hm2·a)]、低氮[TL,50kg/(hm2·a)]、中氮[TM,100kg/(hm2·a)]和高氮[TH,150kg/(hm2·a)](不包括大氣沉降的氮量) 4種氮處理水平.每種處理有3個樣方.從2008年4月開始,于每月初噴施NH4NO3,全年平均噴施.方法是根據(jù)氮處理水平,將每個樣方每次所需噴施的NH4NO3溶解在3.2L水中(全年所增加的水量相當(dāng)于新增降水 1.2mm),用噴壺均勻噴灑,對照樣方則噴灑同樣多的水.

1.3 氣樣采集與分析

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定土壤 N2O和CH4通量[19].采樣底座為無底盆缽,高 10cm,盆缽上口有 1.5cm深的凹槽用以在采樣時注水與采樣箱密封.底座提前安裝在土壤中(深 5cm).采樣箱為PVC材料的圓柱體,高1m,外側(cè)包裹一層海綿和錫箔紙以減小箱內(nèi)溫度變化,采樣箱直徑與底座凹槽直徑一致.氣樣用帶三通閥的塑料針筒采集,分別于關(guān)箱后0,10,20min采集,氣樣 60ml.每次每個樣方采集氣樣9個,每種氮處理水平有27個氣樣.常規(guī)采樣時間為8:00～10:00,日變化觀測采樣時間為8:00～18:00,每2h采樣1次.試驗于2008年4月～2009年10月進(jìn)行,

氣樣用改裝的Agilent-6890N氣相色譜儀同步檢測N2O和CH4的混合比.N2O使用ECD檢測器,CH4使用FID檢測器.通過對每組3個樣品的目標(biāo)氣體混合比與相對應(yīng)的采樣間隔時間(0,10,20min)進(jìn)行直線回歸,求得目標(biāo)氣體的排放速率.繼而根據(jù)大氣壓力、氣溫、普適氣體常數(shù)、采樣箱的有效高度、目標(biāo)氣體分子量等,求得單位面積的排放量[19].

1.4 環(huán)境因子測定

每次采集氣樣的同時測定空氣溫度、10cm深土壤溫度,稱重法測定土壤濕度.

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析利用 SPSS 13.0 (SPSS Inc., Chicago, USA)、Office Excel 2003等軟件完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 氮沉降對研究區(qū)土壤N2O通量的影響

2.1.1 土壤N2O通量日變化特征 圖1是2009-05-05土壤N2O排放日變化特征.各處理的N2O排放具有相似的日變化,N2O排放通量日變化無明顯規(guī)律性,氮沉降沒有改變?nèi)兆兓?guī)律.CK,TL, TM和TH的N2O日平均排放通量分別為(65.70± 1.84),(61.78±4.79),(64.97±1.81),(65.31±3.23)μg/ (m2·h).與CK相比,TL、TM和TH處理使N2O日平均排放通量分別降低了5.97%,1.11%和0.60%,但均未達(dá)到顯著水平(P＞0.05).

圖1 土壤N2O排放日變化特征Fig.1 Daily variation pattern of N2O emission from soil

2.1.2 土壤 N2O通量季節(jié)動態(tài) 圖 2是 2008年4月～2009年10月土壤N2O排放通量,不同處理的N2O排放具有相似的季節(jié)性變化規(guī)律:夏季土壤N2O排放通量最高,春季次之,秋冬兩季較低且變化比較平穩(wěn).氮沉降沒有改變土壤N2O排放的季節(jié)性變化規(guī)律.

2.1.3 氮沉降對土壤N2O通量的影響 2008年4月～2009年10月,CK,TL,TM和TH的土壤N2O平均排放通量分別為(102.19±7.77),(97.48± 11.87),(96.77±3.15),(106.36±12.61)μg/(m2·h).與CK相比,TL和TM的N2O平均排放通量分別降低了 4.61%(P=0.298)和 5.30%(P=0.163),而 TH使N2O平均排放通量提高了 4.08%(P=0.326),但均未達(dá)到顯著水平.氮沉降沒有改變森林土壤N2O排放規(guī)律,其原因推測如下.森林土壤N2O排放與土壤氮循環(huán)速率顯著相關(guān),而與外加氮量關(guān)系不大,氮沉降只有在提高土壤有效氮含量,促進(jìn)土壤硝化反硝化作用強度時才會明顯影響土壤N2O的排放量[20].

圖2 土壤溫度、土壤濕度和土壤N2O排放通量Fig.2 Soil temperature, soil moisture and soil N2O emission fluxes

本試驗經(jīng)過1年7個月的氮沉降處理,可能對土壤氮循環(huán)速率還沒有產(chǎn)生大的影響.土壤N2O通量不僅與硝化反硝化速率有關(guān),還與土壤的 C/N

比有關(guān)[21].本試驗氮沉降處理的時間較短,可能還沒有沒有明顯改變土壤中C/N比,表現(xiàn)出氮沉降對土壤N2O排放影響不顯著.

2.1.4 土壤N2O通量與土壤溫濕度的關(guān)系 表 1是N2O排放與土壤溫濕度的指數(shù)回歸分析結(jié)果.CK,TL和TH的N2O通量與土壤溫度有著顯著相關(guān)性(P＜0.05),TM的N2O通量與土壤溫度的相關(guān)性不明顯(P＞0.05).各處理的N2O通量與土壤濕度都有極顯著相關(guān)(P＜0.01).氮沉降處理對土壤N2O通量與土壤溫濕度的相關(guān)性影響不大.土壤 N2O主要通過硝化反硝化過程產(chǎn)生[22],其通量受土壤水分、溫度、pH值等影響.本研究表明,森林土壤 N2O與土壤溫濕度均存在顯著的指數(shù)回歸關(guān)系,且氮沉降處理沒有改變這種關(guān)系,各處理的土壤 N2O排放具有相同的季節(jié)性變化規(guī)律.

表1 土壤N2O排放通量與土壤溫度和濕度的回歸分析Table 1 Correlation between soil N2O fluxes and soil temperature and moisture

2.2 氮沉降對研究區(qū)土壤CH4通量的影響

圖3 土壤CH4通量日變化特征Fig.3 Daily variation pattern of soil CH4 fluxes

2.2.1 土壤 CH4通量日變化特征 圖 3是2008-05-07土壤CH4通量日變化觀測結(jié)果.各處理的CH4吸收通量具有相似的日變化,CH4通量日變化無明顯的規(guī)律性.氮沉降沒有改變CH4吸收通量的日變化規(guī)律.CK,TL,TM和TH的CH4日平均通量分別為(-19.30±10.63),(-18.55±4.89), (-17.91±12.78),(-17.93±25.01) μg/(m2·h).與 CK相比,TL,TM和TH處理使土壤CH4日平均吸收通量分別降低了3.89%,7.20%和7.10%.

2.2.2 土壤CH4通量季節(jié)動態(tài) 圖4是2008年4月～2009年10月土壤CH4通量,各處理的土壤CH4吸收具有相同的季節(jié)性變化規(guī)律,CH4通量在夏季最高,春秋季次之,冬季最低.氮沉降沒有改變CH4通量的季節(jié)性變化規(guī)律.

2.2.3 氮沉降對土壤 CH4通量的影響 CK,TL, TM和TH的土壤CH4平均通量分別為(-3.91±3.06), (-4.26±2.29),(-3.99±1.72),(-3.73±3.97)μg/(m2·h).與CK相比,TL、TM的土壤CH4吸收量分別增加了8.95%(P=0.442)和2.05%(P=0.482), TH處理使土壤CH4吸收量降低了4.60%(P= 0.442),但均沒有達(dá)到顯著水平.

本研究中,高氮沉降(TH)有降低森林土壤CH4吸收量的趨勢(但不顯著),其原因可能是:較低的 pH值不利于甲烷營養(yǎng)菌的活性[22],本試驗1年7個月的氮沉降處理對土壤pH值可能有一定程度的降低,影響了土壤對 CH4的吸收.氮沉降會使森林土壤 Al3+濃度增加,Al3+對CH4氧化細(xì)菌的毒害作用非常明顯[23],進(jìn)而影響到土壤對 CH4的氧化作用.氮沉降可以增加土壤有機質(zhì),增加了甲烷生成的底物,提高了森林土壤的 CH4產(chǎn)生量,從而間接減少了對大氣CH4的吸收[24].

圖4 土壤溫度、土壤濕度和土壤CH4通量Fig.4 Soil temperature, soil moisture and soil CH4 fluxes

3 結(jié)論

3.1 短期的氮沉降沒有改變北亞熱帶落葉闊葉林土壤N2O排放通量的日變化規(guī)律和季節(jié)性變化規(guī)律;低氮、中氮和高氮處理都沒有顯著改變土壤N2O排放通量;土壤N2O排放與土壤溫濕度存在著顯著相關(guān)性,且氮沉降沒有改變這種相關(guān)性.

3.2 短期的氮沉降沒有改變北亞熱帶落葉闊葉林土壤對大氣 CH4吸收的日變化規(guī)律和季節(jié)性變化規(guī)律;與對照相比,低氮、中氮和高氮處理沒有顯著影響森林土壤對CH4的吸收通量.

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Effects of simulated nitrogen deposition on N2O and CH4fluxes of soil in forest belt.

HU Zheng-hua1*, ZHANG Han2, CHEN Shu-tao2, LI Qi1, LI Han-mao2, SHEN Shuang-he1(1.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：892～897

To investigate the effects of elevated nitrogen deposition on forest soil N2O and CH4fluxes, a simulated nitrogen deposition field experiment was conducted in forest belt from April 2008 to October 2009. Nitrogen treatments included the control (no N addition, CK), low-N [50kgN/(hm2·a), TL], medium-N [100kgN/(hm2·a), TM], and high-N [150kg N/(hm2·a), TH]. N2O and CH4fluxes were measured by a static chamber-gas chromatograph method. Nitrogen deposition did not change the seasonal and daily variation patterns of soil N2O and CH4fluxes. Compared to the control, TL, TMand THtreatments had no significant effects on annual average and daily average fluxes of N2O and CH4in soil. Short-term nitrogen deposition did not alter N2O emission fluxes and CH4absorb fluxes of soil in forest belt.

nitrogen deposition；forest soil；N2O；CH4；fluxes；northern subtropical

X171

A

1000-6923(2011)06-0892-06

2010-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(40605029);土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室開放基金項目(0812000053);江蘇省“青藍(lán)工程”

* 責(zé)任作者, 副教授, zhhu@nuist.edu.cn

胡正華(1973-),男,河南信陽人,副教授,博士,主要從事陸地-大氣物質(zhì)交換與氣候變化研究.發(fā)表論文40余篇.