氮磷添加對(duì)杉木人工林土壤N2O排放的影響

王 亮，李子君*，王建雷(.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南5004;.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室千煙洲生態(tài)試驗(yàn)站，北京000)

氣候變暖是全球性的環(huán)境問題，也是全球變化的重要組成部分，其主要原因是大氣中溫室氣體濃度不斷增加。氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的重要溫室氣體。單位質(zhì)量的N2O的全球增溫潛勢(shì)(global warming potential，GWP)是 CO2的298倍(百年尺度)，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)超過5%(IPCC，2007)。陸地生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體排放的主要來源，大氣中每年有80% ～90%的N2O來源于土壤。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是土壤N2O重要的源。森林土壤N2O主要來源于硝化、反硝化和化學(xué)還原過程。通氣性較好的森林土壤，每年向大氣中排放的N2O為2.88～7.42 Tg。影響森林土壤N2O排放的主要因素包括氣候條件、植被類型、土壤溫度和濕度、土壤通氣性及人類活動(dòng)等。此外，大氣氮沉降日益成為當(dāng)前影響森林土壤主要溫室氣體產(chǎn)生和消耗過程的重要因子之一，尤其在氮沉降嚴(yán)重的地區(qū)。

施肥是森林經(jīng)營中的一個(gè)重要措施，可以促進(jìn)林木生產(chǎn)并提高木材產(chǎn)出，但同時(shí)也有效增加了土壤中有效氮的含量，進(jìn)而促進(jìn)了土壤中硝化和反硝化作用，導(dǎo)致土壤N2O排放產(chǎn)生變化。有關(guān)施肥對(duì)森林土壤N2O排放變化的研究主要集中在溫帶地區(qū)，對(duì)熱帶和亞熱帶地區(qū)的研究較少，并且當(dāng)前研究主要集中在氮肥添加，對(duì)于磷添加及氮磷協(xié)同添加的研究較少。筆者以位于江西省境內(nèi)的中國科學(xué)院千煙洲試驗(yàn)站的杉木人工林為研究對(duì)象，采用靜態(tài)箱－氣相色譜法，通過氮磷的不同添加比例，研究杉木人工林土壤N2O排放特征及對(duì)氮磷添加的響應(yīng)，以期為人工杉木林的施肥及減少森林土壤N2O的排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省泰和縣灌溪鄉(xiāng)境內(nèi)的中國科學(xué)院千煙洲試驗(yàn)站。該研究區(qū)為典型的紅壤丘陵地貌，海拔100 m左右，相對(duì)高度差20～50 m。土壤是由白堊系紅色與紫紅色礫巖發(fā)育成的紅壤。氣候具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特征，熱量充足，年日照時(shí)數(shù)1 406 h，太陽年總輻射量4 336 MJ/m2，氣溫年較差較小，年均氣溫17.9℃;降水豐富，年均降水量1 489 mm，主要集中在3～6月(占全年降水量的51%)，7～10月植被生長旺季降水量不足全年的30%，季節(jié)變化較大(圖1)。

2 材料與方法

2.1 樣地及施肥處理 試驗(yàn)樣地為1998年二代杉木人工林。據(jù)2011年調(diào)查，杉木活立木平均高度為10.2 m，胸徑為9.8 cm，郁閉度75%;林下灌木層稀少，平均高度1.5 m，蓋度10%，主要樹種有黃瑞木(Adinandra millettii)、紫珠(Callicarpa)、毛冬青(Ilex pubescens)等;林下草本層茂密，平均高度0.8 m，蓋度80%，優(yōu)勢(shì)種為鐵芒萁(Dicranopteris linearis)和狗脊(Woodwardia japonica)，伴生有淡竹葉(Lophatherum gracile)、菝葜(Smilax L)和土茯苓(Smilax glabra)等。

在杉木人工林中，選取地勢(shì)較平坦、樹木生長良好的林地作為試驗(yàn)樣地，共計(jì)選取樣地24個(gè)，每個(gè)樣地面積為20 m×20 m，樣地之間設(shè)置15 m的緩沖區(qū)。按隨機(jī)區(qū)組方法設(shè)置6種施肥處理(表1)，分別為空白對(duì)照(CK)、低氮(N1)、高氮(N2)、磷添加(P)、低氮加磷(N1P)和高氮加磷(N2P)，每種施肥處理進(jìn)行4次重復(fù)。施肥方式為拌細(xì)沙撒施，將每個(gè)樣地分成16個(gè)5 m×5 m小樣方進(jìn)行均勻控制，每個(gè)小樣方每次需1 L沙子，相當(dāng)于0.05 mm厚度(1年分4次，相當(dāng)于0.2 mm)。施肥時(shí)間為3月15日、6月15日、9月15日和12月15日，其中3月15日和6月15日施肥比例皆為30%，9月15日和12月15日施肥比例皆為20%。

2.2 研究方法

2.2.1 氣體樣品的采集與分析方法。采用靜態(tài)箱－氣相色譜法對(duì)土壤N2O通量進(jìn)行原位測(cè)定。取樣箱由底座(50 cm×50 cm×10 cm)和蓋箱(50 cm×50 cm×15 cm)組成。箱體為不銹鋼材質(zhì)，外表貼保溫材料。頂箱中部裝采氣管、測(cè)溫裝置及氣體混合的小風(fēng)扇。為消除安放底座對(duì)土壤的擾動(dòng)，在2012年7月初將底座埋入樣地，埋入深度為7～10 cm。采氣頻率為每7 d1次(天氣狀況不好時(shí)提前或是推遲1 d)，施肥后連續(xù)采氣1周。每次采集氣體均在8:00～11:00進(jìn)行。觀測(cè)試驗(yàn)開始后將底座和頂箱以橡皮條連接，形成密封空間。在靜態(tài)箱閉合的0、10、20、30、40 min時(shí)各取樣1次，每次取樣時(shí)間長度為40 min，記錄每次抽取時(shí)間(精確到s)。

將采集的氣體帶回實(shí)驗(yàn)室，由Agilent7890A型氣相色譜儀測(cè)定N2O的濃度。檢測(cè)器為ECD，色譜柱和檢測(cè)器溫度分別為200、340℃;載氣為高純氮?dú)?N2)，燃?xì)鉃闅錃?H2)，助燃?xì)鉃楹铣煽諝?。通量?jì)算公式如下:

式中:F為N2O凈交換通量［μg/(m2·h)］;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O密度(1.964 kg/m3);V為采樣箱的有效體積(m3);A為采樣箱覆蓋的面積(m2);P和P0分別為采樣點(diǎn)的大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa);T和T0分別為箱內(nèi)溫度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度(℃);dCt/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率［μl/(m3·h)］。

2.2.2 其他環(huán)境因子的采集方法。在采集溫室氣體樣品的同時(shí)，記錄采樣時(shí)間、天氣，測(cè)定氣壓、氣溫、土壤溫度、土壤濕度、箱內(nèi)溫度，并取土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，pH使用水解法測(cè)定，活性有機(jī)質(zhì)使用重鉻酸鉀水合加熱法測(cè)定，全氮使用凱氏定氮法測(cè)定，全磷使用鉬銻抗比色法測(cè)定。經(jīng)過不同施肥處理樣地的理化性質(zhì)見表2。

表2 不同施肥處理樣地的理化性質(zhì)

2.2.3 統(tǒng)計(jì)分析方法。利用SPSS 20軟件對(duì)不同施肥處理土壤N2O排放速率及累計(jì)排放量進(jìn)行單因素方差分析，以LSD多重比較法檢驗(yàn)它們之間差異顯著性，并通過回歸分析土壤溫濕度與土壤N2O排放的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 施肥對(duì)土壤N2O排放的影響

3.1.1 土壤N2O通量的變化。不同施肥處理土壤N2O的排放速率具有相似的季節(jié)變化特點(diǎn)。春季土壤N2O通量在波動(dòng)中上升，在溫度高的夏季，土壤N2O通量一直維持在較高的水平，并且出現(xiàn)全年的最高峰值，之后開始減小，到溫度較低的冬季一直處在較低水平(圖2)。各處理土壤N2O通量峰值大小依次為 N2P、N2、N1P、N1、P、CK，最大的是 N2P處理［265.34 μg/(m2·h)］，最小的是 CK 處理［98.68 μg/(m2·h)］，可見氮磷添加在一定程度上增加了土壤N2O通量。

由圖2a及表3可以看出，土壤N2O通量隨著施氮量的增加而增加。CK、N1和N2處理土壤N2O年平均通量分別為10.49 ±0.73、13.13 ±1.10 和 22.98 ±2.82 μg/(m2·h)。N1處理與CK處理之間土壤N2O年平均通量無顯著差異，N2處理與CK處理及N1處理之間差異顯著(P＜0.05)。秋季不同氮水平間均具有顯著性差異(P＜0.05)，其他季節(jié)內(nèi)土壤N2O平均通量與全年的具有相同的顯著性差異特征。

由圖2b和表3可見，在不同氮水平上添加P，土壤N2O年平均通量從大到小依次為 N2P、P、N1P，分別為28.15±3.58、13.28 ±1.24 和12.55 ±0.36 μg/(m2·h)。N1P 處理和 N1處理及P處理之間土壤N2O年平均通量差距很小，全年及各季節(jié)內(nèi)均無顯著差異，與CK處理相比，只有秋季差異顯著(P＜0.05)。N2P處理能顯著提高土壤N2O通量，N2P處理和N2處理之間無顯著差異，但是和P處理之間差異顯著(P＜0.05)，氮磷之間無交互作用。

表3 不同N、P添加處理土壤N2O通量 μg/(m2·h)

3.1.2 土壤N2O累計(jì)排放量變化。由表4中不同時(shí)段內(nèi)各施肥處理土壤N2O的累計(jì)排放量看，土壤N2O的排放主要集中在夏季，其排放量占到全年的67%以上，冬季最低，只占全年的4%左右。N1、N2、P、N1P和N2P處理土壤N2O全年累計(jì)排放量與 CK 處理比值分別為 1.24、2.08、1.21、1.22 和2.64;而在N2O排放量最多的夏季，各施肥處理與CK處理比值分別為 1.25、2.19、1.25、1.19 和 2.84，除了 N1P 處理外，大部分施肥處理土壤N2O夏季累計(jì)排放量增加幅度高于全年平均水平。

表4 不同N、P添加處理土壤N2O的累計(jì)排放量和排放系數(shù)

在全年及季節(jié)內(nèi)，土壤N2O累計(jì)排放量隨施氮量增加而增加，N1處理與CK處理差距較小，它們之間無顯著差異，N2處理與N1及CK處理間差距較大，具有顯著差異(P＜0.05)。P處理具有增加土壤N2O累計(jì)排放量的趨勢(shì)。氮磷混合添加時(shí)，N1P處理和N2P處理均能增加土壤N2O累計(jì)排放量，前者增加不顯著，后者能顯著增加。N1P處理比N1處理的土壤N2O累計(jì)排放量小，N2P處理比N2處理大，它們之間差異均不顯著。

3.1.3 土壤N2O排放系數(shù)。由表4可以看出，土壤N2O排放系數(shù)(即N2O排放總量占施用氮肥的比例)在不同季節(jié)內(nèi)均表現(xiàn)出N2＞N1，春夏季時(shí) N2P＞N1P，秋冬季時(shí) N1P＞N2P。N1、N2、N1P和N2P在同一時(shí)段內(nèi)，差異不顯著。4種施肥處理在不同季節(jié)均表現(xiàn)為夏季排放系數(shù)＞秋季排放系數(shù)＞春季排放系數(shù)＞冬季排放系數(shù)。

3.2 土壤N2O通量與土壤溫度和濕度的關(guān)系 將地表、5 cm和10 cm層的土壤溫度與不同施肥處理土壤的N2O通量之間進(jìn)行回歸分析(圖3)，各施肥處理土壤N2O通量與該3層土壤溫度都存在著顯著關(guān)系(P＜0.05)，但各施肥處理與該3層土壤溫度擬合方程的決定系數(shù)R2差異很小，都在0.19左右。

將10 cm層的土壤濕度與不同施肥處理土壤的N2O通量之間進(jìn)行回歸分析(圖4)，不同施肥處理土壤N2O通量與10 cm層土壤濕度之間無顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論與討論

(1)施肥是影響土壤N2O排放的一個(gè)重要因子。在該研究中，氮添加能提高土壤N2O通量和土壤N2O累計(jì)排放量。其他學(xué)者在相關(guān)研究中也得到類似的結(jié)論:梁東麗等［1］研究發(fā)現(xiàn)N2O排放量隨著施氮量增加而上升;黃樹輝等［2］也發(fā)現(xiàn)施氮肥能增加南方稻田土壤N2O排放。雖然施氮肥能增加土壤N2O排放，但是不同氮水平對(duì)土壤N2O排放作用有差異，N1處理對(duì)土壤N2O排放促進(jìn)作用不顯著，N2處理能顯著增加土壤N2O排放。出現(xiàn)這種差異可能是因?yàn)樵贜1處理中，土壤中有效氮主要被植物吸收利用，使硝化和反硝化作用獲得的有效氮增加較少，從而使土壤N2O的排放較CK處理沒有明顯差異。N2處理使土壤中富余的有效氮增加，土壤中存在多余的有效氮是土壤產(chǎn)生N2O的重要的前提條件［3］，這使得土壤硝化和反硝化作用可利用的有效氮增加較多，從而使土壤N2O排放顯著增加。

氮磷混合施用時(shí)，N1P處理土壤N2O排放比N1處理要小，而N2P處理比N2處理要高。很多研究認(rèn)為氮磷混合施用能增加土壤微生物生物量氮含量，提高磷酸酶活性，降低植物體內(nèi)硝酸根離子含量［4－5］，達(dá)到減少土壤N2O排放的效果［6］，這和該研究N1P處理得出的結(jié)果相吻合。蔡廷江等［7］和黃樹輝等［2］認(rèn)為:氮磷混施時(shí)，土壤N2O累計(jì)排放量與氮水平有關(guān)，低氮時(shí)減少土壤N2O的排放，中氮時(shí)能促進(jìn)土壤N2O的排放，高氮時(shí)沒有差異。由于該研究中這種差異不顯著，因此不能簡單得出氮磷混施是增加還是減少土壤N2O的排放，只能推測(cè)其可能與土壤自身的特性以及施氮肥的量有關(guān)。

(2)該研究中，土壤溫度低于15℃時(shí)，土壤N2O通量低于30 μg/(m2·h);土壤溫度大于15℃小于26℃時(shí)，土壤N2O通量就有隨溫度增加的趨勢(shì)。這與鄭循華等［8］的研究結(jié)果相一致，即土壤溫度在15～25℃范圍內(nèi)適宜產(chǎn)生N2O。該研究中土壤濕度與土壤N2O排放之間無顯著相關(guān)性。這與石生偉等［9］對(duì)雙季稻研究中得出N2O排放通量與水熱等相關(guān)環(huán)境因子無相關(guān)性的結(jié)果相一致。很多研究者認(rèn)為土壤濕度與土壤N2O排放之間存在顯著相關(guān)性［10］，Mummey等［11］研究得出在土壤含水量未飽和時(shí)土壤N2O通量隨土壤濕度的增加而增加，出現(xiàn)該研究結(jié)果主要是因?yàn)樵跍囟冗m宜時(shí)，濕度變化不大，主要集中在22.81% ～25.78%。

(3)不同施肥處理土壤N2O的夏季排放系數(shù)比其他季節(jié)都要高，春秋季差距很小，冬季最低。而在同一季節(jié)不同處理之間，土壤N2O排放系數(shù)差距不是很大。這說明在時(shí)間尺度上，土壤N2O的排放主要受季節(jié)變化的影響，而在某一時(shí)段內(nèi)，施肥對(duì)土壤N2O排放起到一定的作用。

［1］梁東麗.菜地不同施氮量下N2O逸出量的研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(2):73 －77.

［2］黃樹輝，蔣偉文，呂軍，等.氮肥和磷肥對(duì)稻田N2O排放的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2005，25(5):540 －543.

［3］MAAG M，VINTHER F P.Effect of temperature and water on gaseous emission from soils treated with animals larry［J］.Soil Sci Soc Amer J，1999，63(4):858 －865.

［4］陳欣，沈善敏，張璐，等.N、P供給對(duì)作物排放N2O的影響研究初報(bào)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1995，6(1):104 －105.

［5］李春越，白紅英，黨延輝，等.農(nóng)田土壤磷酸酶活性與土壤N2O排放通量的相關(guān)性［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2007，27(2):231 －234.

［6］劉運(yùn)通，李玉娥，萬運(yùn)帆，等.不同氮磷肥施用對(duì)春玉米農(nóng)田N2O排放的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30(7):1468 －1475.

［7］蔡延江，王連峰，溫麗燕，等.培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究長期不同施肥制度下中層黑土氧化亞氮的排放特征［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(2):617－621.

［8］鄭循華，王明星，王躍思，等.溫度對(duì)農(nóng)田N2O產(chǎn)生與排放的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，1997，18(5):1 －5.

［9］石生偉，李玉娥，萬運(yùn)帆，等.不同氮、磷肥用量下雙季稻田的CH4和N2O排放［J］.環(huán)境科學(xué)，2011，32(7):1899 －1909.

［10］KIESE R，BUTTERBACH-BAHL K.N2O and CO2emissions from three different tropical forest sites in the wet tropics of Queensland［J］.Soil Biology and Biochemistry，2002，34:975 －987.

［11］MUMMEY D L，SMITH J L，BOLTON H J R.Nitrous oxide flux from a shrub － steppe ecosystem:Sources and regulation［J］.Soil Biology and Biochemistry，1994，26:279 －286.