沿海沙地不同林地土壤呼吸·總硝化·反硝化速率季節(jié)變化

蔡昕航，榮俊冬，陳禮光，何天友，陳凌艷，施成坤，鄭郁善*

(1.福建農(nóng)林大學林學院，福建福州 350002；2.福建農(nóng)林大學園林學院，福建福州 350002；3.福建省東山赤山國有防護林場，福建福州 350002)

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沿海沙地不同林地土壤呼吸·總硝化·反硝化速率季節(jié)變化

蔡昕航1，榮俊冬1，陳禮光1，何天友2，陳凌艷2，施成坤3，鄭郁善1*

(1.福建農(nóng)林大學林學院，福建福州 350002；2.福建農(nóng)林大學園林學院，福建福州 350002；3.福建省東山赤山國有防護林場，福建福州 350002)

摘要[目的]研究沿海沙地不同林地土壤呼吸、總硝化、反硝化速率季節(jié)變化，以了解和掌握沿海沙地土壤碳氮動態(tài)變化。[方法]應用氣壓過程分離(Barometric process separation，BaPS)技術對福建漳州東山縣竹林地、濕地松林地、木麻黃林地、桉樹林地的土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率季節(jié)動態(tài)變化進行研究。[結果]不同林地土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率季節(jié)變化趨勢不同，溫度與土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率呈顯著性相關，pH、含水率對不同林地土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率影響程度不同。[結論]不同林地土壤的呼吸作用、硝化作用、反硝化作用相互影響，程度各不相同。

關鍵詞呼吸速率；總硝化速率；反硝化速率；季節(jié)變化；環(huán)境因子

土壤是地球最為重要的碳庫、氮庫之一，對生態(tài)系統(tǒng)有著極其重要的影響[1-2]。森林土壤的呼吸作用、硝化作用與反硝化作用在碳、氮轉化和氮有效性方面起著重要的調節(jié)作用，硝化、反硝化作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體氧化亞氮釋放的主要過程[3-5]。環(huán)境因子是土壤呼吸作用、硝化作用與反硝化作用的重要影響因素[6-7]，不同樹種以及不同的植被類型也會影響土壤的呼吸速率、硝化速率與反硝化速率[7]。該研究采用氣壓過程分離(Barometricprocessseparation，BaPS)技術，對沿海沙地土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率進行測定[8]，以了解和掌握沿海沙地土壤碳氮動態(tài)變化。

1材料與方法

1.1研究地概況東山縣位于福建省南部沿海、臺灣海峽西岸，地理坐標為117°17′～117°35′E，23°33′～23°47′N，是全國第六、全省第二大海島縣，總面積248.34km2。具有明顯的南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫為20.8 ℃，極端最低氣溫一般出現(xiàn)在12月和1月，平均極端最低氣溫為4.6 ℃；極端最高氣溫一般出現(xiàn)在7、8月份，平均極端最高氣溫為35 ℃。東山縣平均每年出現(xiàn)5.2次臺風，受梅雨鋒系和臺風影響，6月和8月是東山縣暴雨出現(xiàn)較多時期，土壤為濱海沙土，肥力較低。天然植被稀少，林下常見植被有木豆(Cajanus cajan)、鼠刺(Itea chinensis)和牡荊(Verbena negando)等。

1.2研究方法

1.2.1樣品采集。在桉樹、竹子、濕地松、木麻黃人工林中分別隨機設置 3 個 10m× 10m標準地。2014年12月～2015年9月每隔3個月在每個標準地內采用環(huán)刀法取表層原狀土樣6環(huán)刀，立即用封口膜密封，裝入冷藏箱運送回實驗室后，放入4 ℃冰箱用于土壤呼吸速率、反硝化速率及總硝化速率的測定。另外用環(huán)刀在每個標準地內多點取表層土壤樣品，進行土壤含水率的測定，并制成混合土樣裝袋保存，將土壤樣品帶回實驗室過 2mm土壤篩去除粗根、石礫等雜質，風干，用于測定土壤pH。

1.2.2樣品測定。將采回的原狀土樣放入氣壓過程分離技術測定裝置的培養(yǎng)容器中，蓋上帶有傳感器的測量蓋子，將溫度設置到原位土壤溫度。系統(tǒng)平衡1～2h后，抽氣檢查培養(yǎng)容器內的密閉性，輸入土壤樣品的預含水率及其他參數(shù)，軟件自動收集數(shù)據(jù)10h以上，由線性回歸分析得到土壤樣品的反硝化速率、總硝化速率和呼吸速率值。pH采用國標LYT1239-1999中的方式測定，含水率采用土壤容重法測定，土壤溫度采用便攜式土壤溫度測定儀測定。

2結果與分析

2.1土壤理化性質由表1可知，不同季節(jié)同一林地土壤pH不同，但都為酸性土壤，同一季節(jié)不同林地土壤溫度相近，濕地松土壤含水率相對較少，土壤保水性相對其他3種林地較差，不同植物對土壤的改造能力不同，其凋落物厚度不同，性質不同，不同林地土壤的酸堿度、含水率都略有差異。

表1　不同林地土壤理化性質

2.2土壤呼吸速率季節(jié)變化及其與環(huán)境因子相關性不同林地土壤呼吸速率隨季節(jié)變化有著明顯的動態(tài)變化。由表2可知，木麻黃、竹子、濕地松的季節(jié)變化趨勢相似，12月～次年6月上升，6～9月下降；桉樹與其略有不同，12月～次年3月下降，3～6月上升，6～9月下降；4種林地土壤呼吸速率最高值均在6月份；同一林地土壤呼吸速率隨季節(jié)變化顯著，4種林地土壤的呼吸速率在不同月份差異顯著，而不同季節(jié)各林地土壤呼吸速率不盡相同；12月份各林地土壤呼吸速率從大到小依次為桉樹、 木麻黃、竹子、濕地松，而3、6、9月份各林地土壤呼吸速率從大到小均為木麻黃、竹子、桉樹、濕地松。

表2　不同林地土壤呼吸速率

注：不同大寫字母表示同一季節(jié)不同林分間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一林分不同季節(jié)間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Differentcapitallettersinthesameseasonofdifferentforeststandsshowedsignificantdifferences(P<0.05)；differentlowercasesindifferentseasonsofthesameforeststandindicatedsignificantdifferences(P< 0.05)，thesameasfollows.

由表3～6可知，竹林地、濕地松林地、木麻黃林地土壤呼吸速率與溫度呈極顯著正相關，桉樹林地土壤呼吸速率與溫度呈顯著正相關，土壤呼吸速率隨溫度的升高而加快，除濕地松林地外，其他3種林地土壤呼吸速率與含水率呈顯著或極顯著正相關，除竹林地土壤呼吸速率與pH呈極顯著正相關外，其他林地二者相關性不顯著。

表3竹林地土壤呼吸速率與環(huán)境因子相關性

Table3Analysisofthecorrelationbetweensoilrespirationrateandenvironmentalfactorsinbambooforestland

指標Index呼吸速率RespirationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature呼吸速率Respirationrate1pH0.922**1含水率Moisturecontent0.595*0.3801溫度Temperature0.894**0.989**0.3381

注：**表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關；*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。下同。

Note：**indicatedsignificantcorrelationat0.01level；and*indicatedsignificantcorrelationat0.05level，thesameasfollows.

表4濕地松林地土壤呼吸速率與環(huán)境因子相關性

Table4AnalysisofthecorrelationbetweensoilrespirationrateandenvironmentalfactorsinPinus elliottiiforestland

指標Index呼吸速率RespirationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature呼吸速率Respirationrate1pH0.4381含水率Moisturecontent0.585-0.2511溫度Temperature0.918**0.1290.5481

表5桉樹林地土壤呼吸速率與環(huán)境因子相關性

Table5Analysisofthecorrelationbetweensoilrespirationrateandenvironmentalfactorsineucalyptusforestland

指標Index呼吸速率RespirationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature呼吸速率Respirationrate1pH0.5241含水率Moisturecontent0.790**-0.0521溫度Temperature0.656*-0.0160.689*1

表6木麻黃林地土壤呼吸速率與環(huán)境因子相關性

Table6AnalysisofthecorrelationbetweensoilrespirationrateandenvironmentalfactorsinCasuarina equisetifoliaforestland

指標Index呼吸速率RespirationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature呼吸速率Respirationrate1pH0.3281含水率Moisturecontent0.763**-0.2101溫度Temperature0.900**0.3880.5031

2.3土壤反硝化速率季節(jié)變化及其與環(huán)境因子相關性由表7可知，不同林地土壤反硝化速率有明顯的季節(jié)變化，不同林地土壤反硝化速率變化趨勢各不相同，竹子、木麻黃林地土壤反硝化速率在12月～次年9月逐漸下降，但下降幅度各異。竹子、濕地松、木麻黃3種林地土壤反硝化速率最高值出現(xiàn)在12月份；在竹林地與木麻黃林地中，4個月份土壤反硝化速率差異顯著；濕地松林地中，3、6月份土壤反硝化速率差異不顯著，其他月份差異顯著；桉樹林中，6、9月份土壤反硝化速率差異不顯著，其他月份差異顯著。不同林地同一月份土壤反硝化速率不一，12月份不同林地土壤反硝化速率從大到小依次為木麻黃、濕地松、 竹子、桉樹，竹子與濕地松、桉樹差異不顯著，濕地松、桉樹、木麻黃之間差異顯著；3月份不同林地土壤反硝化速率從大到小依次為桉樹、竹子、木麻黃、濕地松，竹子與木麻黃差異不顯著，其他林地間差異顯著；6月份不同林地土壤反硝化速率從大到小依次為濕地松、竹子、木麻黃、桉樹，除桉樹與木麻黃之間差異性不顯著，其他林地間差異顯著；9月份各林地間反硝化作用極其微弱，運用BaPS技術測量，數(shù)值不予表現(xiàn)，可能是9月份反硝化細菌受到抑制造成的。

表7　不同林地土壤反硝化速率

由表8～11可知，4種林地土壤反硝化速率與土壤溫度呈極顯著負相關，隨著溫度的升高，土壤反硝化速率逐漸降低。桉樹與濕地松林地土壤反硝化速率與含水率呈顯著負相關，竹林地、木麻黃林的土壤反硝化速率與含水率相關性不顯著。竹林地的土壤反硝化速率與pH呈極顯著負相關，其他林地土壤反硝化速率與pH相關性不顯著。

表8竹林地反硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table8Analysisofthecorrelationbetweensoildenitrificationrateandenvironmentalfactorsinbambooforestland

指標Index反硝化速率DenitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature反硝化速率Denitrificationrate1 -0.898**0.023-0.918**pH-0.898**10.3800.989**含水率Moisturecontent0.0230.38010.338溫度Temperature-0.918**0.989**0.3381

表9濕地松林地反硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table9AnalysisofthecorrelationbetweensoildenitrificationrateandenvironmentalfactorsinPinus elliottiiforestland

指標Index反硝化速率DenitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature反硝化速率Denitrificationrate1pH0.4681含水率Moisturecontent-0.650*-0.2511溫度Temperature-0.802**0.1290.5481

表10桉樹林地反硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table10Analysisofthecorrelationbetweensoildenitrificationrateandenvironmentalfactorsineucalyptusforestland

指標Index反硝化速率DenitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature反硝化速率Denitrificationrate1pH-0.4621含水率Moisturecontent-0.666*-0.0521溫度Temperature-0.867**-0.0160.689*1

表11木麻黃林地反硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table11AnalysisofthecorrelationbetweensoildenitrificationrateandenvironmentalfactorsinCasuarina equisetifoliaforestland

指標Index反硝化速率DenitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature反硝化速率Denitrificationrate1pH-0.2131含水率Moisturecontent-0.472-0.2101溫度Temperature-0.970**0.3880.5031

2.4土壤總硝化速率及其與環(huán)境因子相關性4種林地土壤總硝化速率存在季節(jié)變化。由表12可知，竹子、木麻黃、濕地松林地土壤總硝化速率變化趨勢相似，12月～次年6月土壤總硝化速率增高，6～9月下降；桉樹土壤總硝化速率變化幅度較小。各月份中，除桉樹林地外，各林地土壤總硝化速率從大到小依次為木麻黃、竹子、濕地松，在6月份達最高值。12月份4種林地土壤總硝化速率差異顯著；3月份桉樹與濕地松林地土壤總硝化速率差異不顯著，其他林地差異顯著；6月份竹子與木麻黃林地土壤總硝化速率差異不顯著，其他林地差異顯著；9月份竹子與濕地松林地土壤總硝化速率差異不顯著，其他林地差異顯著。同一林地各月份土壤總硝化速率差異程度不同，竹林地中，6月份與其他月份林地土壤總硝化速率差異顯著，12、3、9月差異不顯著；濕地松林地中，只有12月與3月土壤總硝化速率差異不顯著，其他月份之間差異顯著；桉樹林地中，9月份與12月、6月份土壤總硝化速率差異顯著，其他月份差異不顯著；木麻黃林地中，12月與3月土壤總硝化速率差異不顯著，其他月份差異顯著。

表12　不同林地土壤總硝化速率

由表13～16可知，竹子、桉樹、木麻黃土壤總硝化速率與土壤溫度相關性不顯著，在濕地松林地中二者呈顯著性相關；濕地松林地土壤總硝化速率與pH呈極顯著正相關，其他林地的總硝化速率與pH相關性不顯著；竹林地與木麻黃林地的含水率與土壤總硝化速率呈極顯著正相關，其他林地的土壤總硝化速率與含水率相關性不顯著。

表13竹林地總硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table13Analysisofthecorrelationbetweentotalnitrificationrateandenvironmentalfactorsinbambooforestlandsoil

指標Index總硝化速率TotalnitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature總硝化速率Totalnitrificationrate1pH0.4781含水率Moisturecontent0.806**0.3801溫度Temperature0.4050.989**0.3381

表14濕地松林地總硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table14AnalysisofthecorrelationbetweentotalnitrificationrateandenvironmentalfactorsinPinus elliottiiforestlandsoil

指標Index總硝化速率TotalnitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature總硝化速率Totalnitrificationrate10.708**0.3180.703*pH0.708**1-0.2510.129含水率Moisturecontent0.318-0.25110.548溫度Temperature0.703*0.1290.5481

表15桉樹林地總硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table15Analysisofthecorrelationbetweentotalnitrificationrateandenvironmentalfactorsineucalyptusforestlandsoil

指標Index總硝化速率TotalnitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature總硝化速率Totalnitrificationrate1pH-0.0121含水率Moisturecontent0.250-0.0521溫度Temperature-0.352-0.0160.689*1

表16木麻黃林地總硝化速率與環(huán)境因子相關性

Table16AnalysisofthecorrelationbetweentotalnitrificationrateandenvironmentalfactorsinCasuarina equisetifoliaforestlandsoil

指標Index總硝化速率TotalnitrificationratepH含水率Moisturecontent溫度Temperature總硝化速率Totalnitrificationrate1pH-0.0661含水率Moisturecontent0.870**-0.2101溫度Temperature0.2640.3880.5031

2.5土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率相關性由表17～20可知，濕地松土壤呼吸速率與總硝化速率相關性最為強烈，各類林地土壤呼吸速率與反硝化速率呈負相關。在不同林地土壤中，其相關性不同，反硝化速率與總硝化速率相關性不顯著。

表17竹林地3種反應速率之間相關性

Table17Thecorrelationbetweenthethreereactionratesinbambooforestland

指標Index呼吸速率Respirationrate反硝化速率Denitrificationrate總硝化速率Totalnitrificationrate呼吸速率Respirationrate1反硝化速率Denitrificationrate-0.701*1-總硝化速率Totalnitrificationrate0.745**-0.1251

表18濕地松林地3種反應速率之間相關性

Table18ThecorrelationbetweenthethreereactionratesinPinus elliottiiforestland

指標Index呼吸速率Respirationrate反硝化速率Denitrificationrate總硝化速率Totalnitrificationrate呼吸速率Respirationrate1反硝化速率Denitrificationrate-0.5521總硝化速率Totalnitrificationrate0.902**-0.2131

3結論與討論

在該研究中土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率呈明顯的季節(jié)動態(tài)變化，土壤呼吸速率與總硝化速率最高值均

表19桉樹林地3種反應速率之間相關性

Table19Thecorrelationbetweenthethreereactionratesineucalyptusforestland

指標Index呼吸速率Respirationrate反硝化速率Denitrificationrate總硝化速率Totalnitrificationrate呼吸速率Respirationrate1反硝化速率Denitrificationrate-0.876**1總硝化速率Totalnitrificationrate0.0530.1991

表20木麻黃林地3種反應速率之間相關性

Table20ThecorrelationbetweenthethreereactionratesinCasuarina equisetifoliaforestland

指標Index呼吸速率Respirationrate反硝化速率Denitrificationrate總硝化速率Totalnitrificationrate呼吸速率Respirationrate1反硝化速率Denitrificationrate-0.832**1總硝化速率Totalnitrificationrate0.601*-0.1841

在6月(夏季)，土壤呼吸速率與總硝化速率變化趨勢大體相同，這與之前的研究相似[9]；反硝化速率與總硝化速率相關性并不顯著，在過去的研究中，pH對土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率都有影響，但在該研究中pH對其影響變化不顯著，主要是因為4種林地pH變化范圍不大，對土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率的變化影響并不顯著。硝化作用的最適溫度在20 ℃左右，反硝化作用最適溫度在25 ℃[10]，該研究中硝化速率達最高值時溫度高于25 ℃，反硝化速率達最高值時溫度在20 ℃以下。在之前研究中，土壤總硝化速率與溫度有顯著性關系，這與該研究中所得結論不同，這可能因為不同氣候區(qū)、不同林地類型有所差異，也有可能是由土壤含水率及pH等綜合因素產(chǎn)生疊加作用所造成。在以往研究中，土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率都隨土壤含水率的增加而增加[9]，在該研究中，有的林地土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率隨土壤含水率變化不明顯，主要因為部分林地土壤含水率比較少，對于土壤呼吸速率、總硝化速率、反硝化速率的影響并不顯著。土壤中生命活動所需的能量均依賴于呼吸作用，呼吸作用通過降解土壤有機碳，為硝化速率提供碳源和能量。土壤呼吸作用的強度反映了土壤中微生物的活性強弱，微生物活性的強弱反過來又決定土壤硝化速率，因而土壤呼吸速率和總硝化速率呈顯著正相關。

影響土壤呼吸作用、硝化作用與反硝化作用的因素，除樹種種類與環(huán)境因子外，還有可能是其他方面，有待于進一步研究。

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基金項目福建省農(nóng)業(yè)科技重大專項(2013NZ0001)；福建省農(nóng)業(yè)科技重大項目(2010N5002)；中央財政林業(yè)科技推廣項目([2013]7號)。

作者簡介蔡昕航(1991- )，女，吉林通化人，碩士研究生，研究方向：沿海防護林。*通訊作者，教授，博士生導師，從事園林植物與觀賞園藝、森林培育研究。

收稿日期2016-04-07

中圖分類號S 714

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-220-04

SeasonalChangesofSoilRespiration,TotalNitrificationandDenitrificationRatesinDifferentForestLandsofCoastalSandyLand

CAIXin-hang,RONGJun-dong,CHENLi-guang,ZHENGYu-shan*etal

(CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002)

Abstract[Objective] To research the seasonal changes of soil respiration, total nitrification and denitrification rates in different forest lands of coastal sandy land, and to grasp the carbon and nitrogen dynamics of soil in coastal sandy land. [Method] Barometric process separation (BaPS) technology was used to research the seasonal dynamic changes of soil respiration, total nitrification and denitrification rates in bamboo forest land, Pinus elliottii forest land, Casuarina equisetifolia forest land, and eucalyptus forest land in Zhangzhou City of Fujian Province. [Result] Seasonal change trend varied in soil respiration, total nitrification and denitrification rates of different forest lands. Temperature showed significant correlation with soil respiration, total nitrification and denitrification rates. pH and moisture content had different degrees of impacts on soil respiration, total nitrification and denitrification rates. [Conclusion]The soil respiration, total nitrification and denitrification rates have mutual influences in different degrees.

Key wordsRespiration rate; Total nitrification rate; Denitrification rate; Seasonal variation; Environmental factor