施肥對板栗林土壤活性碳庫和溫室氣體排放的影響

張蛟蛟，李永夫*，姜培坤，周國模，劉 娟

(1浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實驗室，浙江臨安311300;2浙江農(nóng)林大學(xué)，亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實驗室培育基地，浙江臨安311300)

CO2和N2O是引起全球氣候變暖重要的溫室氣體，大氣中 CO2和 N2O濃度每年以0.5%和0.2%的速度不斷遞增［1］。土壤不僅是CO2排放的重要源和匯，也是N2O排放的重要源［2］。同時，森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳貯存庫，維持著全球植被碳庫的86%和土壤碳庫的73%［3－4］。人工林經(jīng)營措施(包括耕作、施肥、灌溉及土地利用變化等管理措施)通過改變土壤理化性狀來影響土壤溫室氣體的排放和碳庫特征［5］。其中，施肥是人工林經(jīng)營管理中最重要的調(diào)控手段之一。研究表明施肥對于土壤肥力的維持及作物產(chǎn)量與品質(zhì)的提高具有非常重要的意義［6］，但施肥對土壤碳庫和溫室氣體的排放的影響研究還沒有定論。如Mo等［7］在亞熱帶森林的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施加氮肥，土壤呼吸速率減弱，土壤CO2排放減少;而Iqbal等［6］在亞熱帶森林的研究結(jié)果表明，施用氮肥顯著增加土壤溫室氣體排放;而Lopez-Valdez等［8］在太陽花的培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn)，與不施肥處理相比，單施尿素處理對土壤CO2排放速率沒有顯著影響。這是由于施肥對土壤溫室氣體排放的影響原因比較復(fù)雜造成的。因此，施肥對土壤溫室氣體排放和土壤碳庫的影響還有待于進(jìn)一步研究。

板栗(Castanea mollissima)是中國重要的經(jīng)濟(jì)林種，也是浙江省三大經(jīng)濟(jì)林種之一［9］。目前集約化經(jīng)營是板栗林重要的經(jīng)營方式，施肥是板栗林經(jīng)營最重要的調(diào)控手段之一。雖有施肥增加板栗產(chǎn)量和土壤肥力的報道［10］，但施肥對板栗林土壤活性碳庫與溫室氣體排放的影響還鮮有報道。因此，本試驗利用靜態(tài)箱－氣相色譜法，測定了不同無機(jī)肥和有機(jī)肥處理下板栗林地土壤CO2和N2O排放速率，同時測定了土壤水溶性有機(jī)碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)含量。旨在探明不同施肥處理對板栗林土壤溫室氣體排放的影響，揭示土壤溫室氣體排放速率與土壤活性碳庫特征之間的相互關(guān)系，為綜合評價經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能提供基礎(chǔ)資料與科學(xué)依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在浙江省臨安市青山湖地區(qū)的天澤果園(119°86'E、30°25'N)。該地區(qū)屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和(近10年平均氣溫為15.9℃)，四季分明(七月最熱，平均氣溫28.1℃;1月最冷，平均氣溫3.4℃)，雨量充沛(近10年年平均降水量為1450 mm)，年有效積溫為5774℃ ，年日照時數(shù)為1774 h。研究區(qū)為低山丘陵地形，海拔為150～250 m。樣地土壤類型為紅壤土類(黃紅壤亞類)，土壤有機(jī)質(zhì)含量25.7 g/kg、全氮1.84 g/kg、堿解氮98.32 mg/kg、有效磷9.86 mg/kg、速效鉀101.2 mg/kg、pH 值 4.64(用常規(guī)方法測定［11］)。

試驗樣地的板栗林樣地是由常綠闊葉林樣地改造過來，林齡為18 a，種植密度540 plant/hm2，平均胸徑14.1 cm，林下有少量灌木雜草等。采用中等強(qiáng)度的集約經(jīng)營模式。每年5月的中下旬左右對板栗林進(jìn)行施肥，肥料通過撒施的方式施于土壤表面，然后進(jìn)行翻耕入土操作，翻耕深度一般為30 cm。

1.2 試驗設(shè)計

2011年5月，在板栗林地選擇地理條件(主要考察土壤類型、坡度與坡向)基本一致的區(qū)域作為試驗樣地，并布置施肥試驗。試驗共設(shè)置4個處理:1)不施肥(CK);2)無機(jī)肥(IF);3)有機(jī)肥(OF);4)有機(jī)肥無機(jī)混合肥(OIF，1/2無機(jī)肥和1/2有機(jī)肥)。各肥料處理的施氮量均為N 87 kg/hm2，有機(jī)無機(jī)混合肥處理的有機(jī)氮和無機(jī)氮比例為1∶1，具體施肥量見表1。試驗中所使用的有機(jī)肥為浙江省德清東鑫復(fù)混肥料有限公司生產(chǎn)的商品有機(jī)肥(含N 3%、P2O51.8%、K2O 2.6%、C 35.1%)。有機(jī)肥施用量以氮含量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，其中磷、鉀不足的部分用化學(xué)磷肥(過磷酸鈣)和化學(xué)鉀肥(氯化鉀)補(bǔ)充。試驗小區(qū)面積為256 m2(16 m ×16 m)，4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個小區(qū)之間間隔距離為3 m。6月3日進(jìn)行肥料處理，采用撒施的方法進(jìn)行施肥，并翻耕入土。翻耕后，進(jìn)行靜態(tài)箱的布置(每個小區(qū)布置1個靜態(tài)箱)。為了測定板栗林果實生長季前后土壤碳庫和土壤溫室氣體排放的變化特征，將土壤和氣體采樣時間安排在7月3日(施肥后1個月)和12月4日(施肥后6個月)進(jìn)行。測定板栗林樣地土壤CO2和N2O的排放速率，并測定WSOC和MBC含量。

表1 試驗各處理肥料用量(kg/hm2)Table 1 The amount and composition of different fertilizer treatments

1.3 采樣及測定方法

本試驗采用靜態(tài)箱－氣相色譜法對溫室氣體(CO2和N2O)通量進(jìn)行分析測定。采樣氣袋采用大連光明化工設(shè)計研究院生產(chǎn)的鋁箔采氣袋。采樣箱為組合式，即由頂箱和底座兩部分構(gòu)成，制作材料均為PVC板，靜態(tài)箱的規(guī)格尺寸為30 cm ×30 cm×30 cm［12］。采樣時間一般在上午9:00～11:00之間［12］。采集氣體前，首先用充氣法檢查氣袋的氣密性，選取氣密性良好的氣袋到野外進(jìn)行氣體取樣。氣體采樣的操作步驟如下:將頂箱插入底座凹槽中，在底座凹槽中倒入適量蒸餾水，起到密封的效果。然后蓋上頂箱，分別于0、10、20、30 min用60 mL注射器進(jìn)行氣體取樣。采樣時，為了使靜態(tài)箱內(nèi)氣體充分混合均勻，先將注射器插入采集箱的硅膠孔來回抽動2～3次，隨后再抽出60 mL空氣注入真空氣袋內(nèi)，密封。采氣體樣同時，監(jiān)測大氣溫度、地表和5cm土層溫度，在各小區(qū)按五點(diǎn)取樣法采集0—20 cm土樣，最后將氣樣和土樣一起帶回實驗室進(jìn)行測定分析。氣樣中的CO2和N2O濃度利用島津GC－2014氣相色譜儀進(jìn)行測定［13］。溫室氣體排放通量的計算公式如下:

式中:F為被測氣體的排放通量;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測氣體的濃度;A為箱體底面積;V為箱體體積;為單位時間取樣箱內(nèi)被測氣體濃度的變化量;T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣絕對溫度和氣壓;T和P為取樣時箱內(nèi)的實際氣溫和氣壓。

土壤質(zhì)量含水量采用105℃烘干法進(jìn)行測定。土壤水溶性有機(jī)碳(WSOC)含量的測定方法參照Wu等［14］的方法。具體方法如下:稱取20 g新鮮土樣，按照水土比2∶1進(jìn)行浸提，在25℃下以100 r/m振蕩0.5 h，于8000×g離心10 min后通過0.45 μm濾膜過濾到塑料瓶中，然后用有機(jī)碳分析儀(TOC－VCPH，島津公司)測定濾液中的有機(jī)碳含量。土壤微生物量碳(MBC)含量的測定采用氯仿熏蒸直接提?。?5］，對照土壤和熏蒸后土壤用0.5 mol/L K2SO4提取(土液比為1∶5)，濾液中的有機(jī)碳含量采用有機(jī)碳分析儀(TOC－VCPH，島津公司)測定。土壤MBC含量=(熏蒸土樣含碳量－未熏蒸土樣含碳量)/0.45，0.45為換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)均為4次重復(fù)的平均值。試驗數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(顯著性水平P＜0.05);用Pearson相關(guān)分析法分析土壤溫室氣體排放速率與WSOC和MBC含量的相關(guān)性。數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對板栗林地土壤CO2和N2O排放速率的影響

由圖1可見，無論是7月份(施肥1個月后)還是12月份(施肥6個月后)，與不施肥處理(CK)相比，施肥處理對板栗林土壤CO2和N2O的排放速率均有顯著性影響 (P＜0.05)。土壤CO2的排放速率在同一施肥處理條件下，12月份與7月份相比下降了54% ～64%。施肥1個月后，與CK處理［CO2排放速率為420.61 mg/(m2·h)］，IF、OF和 OIF處理的土壤CO2排放速率分別提高了87%、38%和61%。施肥6個月后，與CK處理［CO2排放速率為188.7 mg/(m2·h)］相比，IF、OF和 OIF處理下土壤CO2排放速率分別增加了51%、43%和64%(圖1A、圖1B)。對于N2O的排放，同一施肥處理條件下，12月份與7月份相比N2O的排放速率下降了68% ～81%。施肥1個月后，與CK處理［N2O排放速率為43.5 μg/(m2·h)］相比，IF、OF 和 OIF 處理下土壤N2O排放速率分別增加了101%、67%和95%。施 肥 6個 月 后，與 CK 處 理 ［13.9 μg/(m2·h)］相比，IF、OF和 OIF處理下土壤 N2O排放速率分別提高了21%、29%和47%(圖1C、圖1D)。

圖1 不同施肥處理對板栗林土壤CO2和N2O通量的影響Fig．1 Effects of different fertilizer treatments on the CO2and N2O fluxes from soils of Chinese chestnut stands

2.2 施肥對板栗林地土壤水溶性有機(jī)碳和土壤微生物量碳的影響

從圖2可以看出，與CK處理相比，施肥處理對土壤水溶性有機(jī)碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)均有顯著性影響(P＜0.05)。同一施肥處理下，12月份與7月份相比，WSOC含量減少了21% ～32%。施肥1個月后，IF、OF和OIF處理下土壤WSOC含量分別為CK處理(83.7 mg/kg)的1.51、2.07和1.88倍，施肥6個月后，IF、OF和OIF處理分別為CK處理(65.73 mg/kg)的1.33、1.92和1.62倍(圖2A、圖2B)。同一施肥處理下土壤微生物量碳(MBC)含量，12月份與7月份相比增加了28% ～54%。施肥1個月后，IF、OF和OIF處理土壤MBC含量分別是CK處理(220.7 mg/kg)的1.12、1.49和1.83倍(圖4A);施肥6個月后，IF、OF和OIF處理分別是CK處理(316.1 mg/kg)的1.20、1.52和1.63倍(圖2C、圖2D)。

圖2 不同施肥處理對板栗林土壤水溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量的影響Fig．2 Effects of different fertilizer treatments on the WSOC and MBC concentrations in Chinese chestnut stands

2.3 板栗林地土壤水溶性有機(jī)碳、微生物量碳與溫室氣體排放的相關(guān)性

圖3顯示，土壤CO2和N2O排放速率與WSOC含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而與MBC含量之間沒有明顯的相關(guān)性。

3 討論

3.1 施肥對土壤CO2和N2O 排放速率的影響

本研究結(jié)果表明，同一施肥處理下，板栗林土壤CO2和N2O排放速率在7月份明顯高于12月份(圖 1)，這與前人的研究結(jié)果相一致［6，16］。這主要是因為土壤溫度、土壤水分以及土壤底物(如水溶性有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)及土壤氮等)的變化引起的［16－19］。由于夏季溫度高，土壤微生物活性和根系活性強(qiáng)，微生物的呼吸和根系呼吸作用也較強(qiáng)，使土壤CO2排放增加［16］;另一方面，夏季植物生長迅速，根系分泌物增加，可溶性有機(jī)物質(zhì)增加，進(jìn)而使土壤CO2和N2O 排放增加［16－17］;也有可能是夏季土壤有機(jī)碳氮的礦化速率快，碳、氮營養(yǎng)的有效性增強(qiáng)，為微生物的生長繁殖提供了營養(yǎng)源和能源，進(jìn)而產(chǎn)生更多的溫室氣體［17－18］。此外，亞熱帶地區(qū)夏季高溫多雨，為微生物了提供適宜的生長環(huán)境，由此引起硝化作用增強(qiáng)，局部也有可能形成厭氧環(huán)境促進(jìn)反硝化作用的進(jìn)行，最終表現(xiàn)為土壤N2O排放量增加［18］。反之，冬季溫度低，土壤有機(jī)物質(zhì)礦化速率降低，土壤水分減少，這些都會減弱溫室氣體的排放速率［17］。就不同施肥處理而言，本研究發(fā)現(xiàn)，施肥對板栗林土壤CO2和N2O排放具有明顯的促進(jìn)作用(P＜0.05)(圖1)，與前人的研究結(jié)果一致［16，20］。其原因一方面是因為施用氮肥能為土壤微生物硝化作用提供足夠的氮源，進(jìn)而使硝化作用加強(qiáng)，N2O排放增加［20］;另一方面，施肥可以提高土壤微生物利用碳源的效率，使土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用加快，從而增加了土壤CO2的排放［21］;此外，施肥可以促進(jìn)植物快速生長，根系呼吸速率加快，進(jìn)而表現(xiàn)為土壤CO2排放的增加［16］。本研究還發(fā)現(xiàn)，施肥一個月后，三種施肥處理的土壤CO2和N2O排放存在顯著差異，表現(xiàn)為無機(jī)肥處理的溫室氣體排放速率最高，有機(jī)無機(jī)混合肥次之，有機(jī)肥最低。這可能是由于無機(jī)肥(尿素)短期內(nèi)容易被植物吸收利用，促進(jìn)植物生長，進(jìn)而使土壤呼吸作用加強(qiáng)［21］;同時，微生物可以迅速利用無機(jī)氮肥，其生長繁殖速度加快，一定程度上也增加了呼吸作用和反硝化作用［22－23］;此外，尿素也可以在短時間內(nèi)發(fā)生水解作用，進(jìn)而使N2O的排放量增加［23］。然而也有不少研究結(jié)果表明施肥對土壤溫室氣體排放速率沒有顯著影響［24］，甚至降低了土壤呼吸速率［25］，這種差異可能與施肥時間，肥料種類以及植被類型不同有關(guān)［6］。因此，施肥一個月后和施肥半年后板栗林土壤CO2和N2O排放存在一定差異可能是由土壤溫度、土壤水分、植物生長以及不同肥料性質(zhì)的不同引起的。

圖3 板栗林地土壤CO2和N2O通量與水溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量的相關(guān)性Fig．3 Correlations between greenhouse gas(CO2andN2O)fluxes and labile carbon(WSOC and MBC)pools in soils of Chinese chestnut stands

3.2 施肥對土壤水溶性有機(jī)碳和微生物量碳的影響

土壤水溶性有機(jī)碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)是土壤中重要的活性有機(jī)碳指標(biāo)。大量的研究表明，施肥可以顯著增加土壤WSOC和MBC含量，且無機(jī)有機(jī)配施或有機(jī)肥處理明顯比單純施用無機(jī)肥顯著提高 WSOC 和 MBC 含量［26－28］，本研究也得出了相似的研究結(jié)論(圖2)。造成這一結(jié)果的原因可能是，一方面肥料的輸入促進(jìn)了土壤微生物的生長繁殖，增加根系生物量及根系分泌物，使WSOC和MBC含量增加;另一方面，有機(jī)肥相比單施化肥而言，不僅為微生物提供了充分的氮源，同時也提供充足的碳源，刺激土壤微生物活動，增加了微生物源的溶解性有機(jī)化合物。此外，可能有機(jī)肥本身含有一定數(shù)量的溶解性有機(jī)化合物，進(jìn)而增加了土壤水溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量。而本試驗研究中，與7月份相比，12月份土壤水溶性有機(jī)碳含量下降了，而微生物量碳含量卻增加了，這與前人的研究結(jié)果一致［29］。這可能是由于溫度的季節(jié)性變化引起的，如Iqbal等［29］研究結(jié)果表明，土壤水溶性有機(jī)碳與土壤溫度正相關(guān)，同時，王國兵等［30］研究也表明土壤微生物量碳與土壤溫度負(fù)相關(guān)。

3.3 土壤溫室氣體排放與土壤水溶性有機(jī)碳和微生物量碳的相關(guān)性

本研究結(jié)果表明，板栗林土壤CO2和N2O排放速率與土壤WSOC含量呈明顯的正相關(guān)(P＜0.05)(圖3A，圖3C)，這與李永夫等［12］在毛竹林土壤以及Iqbal等［29］在果樹與林地土壤中的研究結(jié)果相似。這可能是因為土壤WSOC含量也具有與溫室氣體排放相似的季節(jié)性變化引起的［29］，WSOC含量高時，可以為微生物生長提供充足的營養(yǎng)，促使微生物生長加快和活性增強(qiáng)，進(jìn)而增加了微生物呼吸產(chǎn)生的CO2和硝化菌與反硝化菌代謝產(chǎn)生的N2O［12，31］。但也有研究表明，稻田土壤 CO2排放與WSOC含量之間沒有顯著的相關(guān)性［32］。這主要是由于土壤類型、植被類型以及人工經(jīng)營措施的不同造成的。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放速率與土壤MBC含量之間沒有明顯的相關(guān)性(圖3B)，這與Iqbal等［29］在山地土壤中的研究結(jié)果一致。然而，李海防等［33］和葛高飛等［34］的研究卻發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放速率與MBC之間呈正相關(guān)。本研究中，板栗林地土壤N2O排放速率與土壤MBC含量之間相關(guān)性不明顯(圖3D)，這和 Lin等［35］在亞熱帶地區(qū)果園中的研究結(jié)果相似。但Lin等［35］在林地和山地土壤上的研究結(jié)果表明，土壤N2O排放速率與土壤MBC含量之間具有顯著相關(guān)性。這可能是由于土壤溫室氣體排放主要受到溫度和WSOC的影響，從而掩蓋了MBC對溫室氣體排放的影響作用［31，35］?？傊寥罍厥覛怏w排放是土壤因子和人為因素等綜合影響的結(jié)果，如施肥、植物類型、土壤類型、微生物活性、微生物種類等因素的差異都會對溫室氣體排放產(chǎn)生不同的影響［33］。

4 小結(jié)

1)施肥措施不僅顯著增加了板栗林地土壤溫室氣體(CO2和N2O)排放速率，也顯著增加了板栗林地土壤水溶性有機(jī)碳和微生物量碳的含量。

2)板栗林土壤溫室氣體(CO2和N2O)排放速率與水溶性有機(jī)碳含量具有顯著相關(guān)性，而與土壤微生物量碳含量的相關(guān)性不顯著。

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