施氮對海南橡膠林土壤碳排放的影響

張松林，吳小平*，王大鵬*，羅雪華，王文斌，薛欣欣

施氮對海南橡膠林土壤碳排放的影響

張松林1，2，吳小平2*，王大鵬2*，羅雪華2，王文斌2，薛欣欣2

1. 海南大學農(nóng)學院，海南 ?？?570228；2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所，海南 儋州 571737

闡明不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放特征及其影響因子，對于評估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡具有重要作用。當前，人們對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對施氮或氮沉降的響應的認識還很不一致。雖然目前已對橡膠（Hevea brasiliensis）林土壤呼吸進行了較多的研究，但對施氮對橡膠林土壤呼吸的影響還了解得不多。采用靜態(tài)堿液吸收法，研究了4種施氮水平下（不施氮，N 0；低氮100 kg·hm-2，N 100；中氮230 kg·hm-2，配施有機肥氮30 kg·hm-2，N230；高氮400 kg·hm-2，N400）海南橡膠林土壤呼吸的碳排放速率、通量及其影響因子。結果表明，橡膠林土壤呼吸的碳排放速率具有明顯的季節(jié)變化特征，全年呈多峰型曲線。土壤呼吸碳排放速率與施氮量、土壤濕度和土壤溫度均存在顯著或極顯著相關性。不同施氮處理土壤碳排放速率介于1.27～1.96 g·m-2·d-1，年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1。與不施氮處理相比，較低的施氮水平（N100）并沒有顯著影響土壤呼吸，而繼續(xù)增施氮肥則顯著激發(fā)了橡膠林土壤碳排放。與N100和N400相比，N230化肥配施有機肥并沒有引起土壤碳排放的顯著增加。綜上所述，施氮能促進橡膠林土壤呼吸碳排放，但其促進程度與施氮量有關。

橡膠林；施氮；土壤呼吸；碳排放；海南

引用格式：張松林， 吳小平， 王大鵬， 羅雪華， 王文斌， 薛欣欣. 施氮對海南橡膠林土壤碳排放的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學報， 2016，25（7）： 1134-1139.

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土壤呼吸是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要生態(tài)過程，是土壤碳排放的主要途徑（Schlesinger et al.，2000）。據(jù)統(tǒng)計，全球土壤碳庫儲量約為2500 Pg，分別是大氣碳庫（760 Pg）的3.3倍和陸地生物質碳庫（560 Pg）的4.5倍（Lal，2004）。全球土壤呼吸的碳排放通量約為68～100 Pg·a-1（Bond-Lamberty et al.，2010a；Raich et al.，1992），遠遠高于化石能燃燒所釋放碳量9.35～10.72 Pg·a-1（Friedlingstein et al.，2014）。由此可見，土壤呼吸的微小變化也會顯著地影響大氣中CO2濃度，以土壤呼吸為主體的土壤碳排放過程已經(jīng)成為引發(fā)全球氣候變化的重要因素之一（Bond-Lamberty et al.，2010b；Karhu et al.，2014）。闡明不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放特征及其影響因素，對于準確評估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡具有重要意義。

橡膠（Hevea brasiliensis）林是熱帶地區(qū)重要的人工林生態(tài)系統(tǒng)。在過去的20年里（1990—2010），全球橡膠種植面積增加了143%，達9.4×106hm2（Van straaten et al.，2015）。研究表明，橡膠林等熱帶人工林的建植能有效固持大氣中的碳，減緩土壤碳排放（A lbrecht et al.，2003；Sm ith et al.，2008）。海南自上世紀50年代開始大規(guī)模種植膠樹，經(jīng)過多年植膠生產(chǎn)，該區(qū)已面臨單產(chǎn)提升困難、土壤養(yǎng)分含量大面積下降等問題（何向東等，2002）。在該區(qū)土壤普遍退化的背景下，合理施用氮肥對培育高產(chǎn)優(yōu)質的橡膠樹、擴大土壤碳氮庫、提高土壤肥力具有重要作用（王大鵬等，2013）。當前，人們對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對增施氮肥或氮沉降的響應的認識還很不一致（A llison et al.，2008；Janssens et al.，2010；Johnson et al.，1994）。國內(nèi)學者雖然已對橡膠林土壤呼吸進行了較多研究（房秋蘭等，2006；謝明德等，2014；董鈺鑫等，2015），但對施氮對橡膠林土壤呼吸的影響目前還了解得不多。本研究采用靜態(tài)堿液吸收法，研究了不同施氮水平下海南橡膠林土壤呼吸的碳排放速率、通量及其影響因子，以期為橡膠人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及氮素優(yōu)化管理提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于海南省儋州市熱科院試驗場五隊基地（E109°29′8.4″，N19°29′8.4″）。該區(qū)屬熱帶季風氣候，年平均氣溫23.8 ℃，年均降雨量1 650 mm。受熱帶季風氣候的影響，該區(qū)降雨年內(nèi)分布極不均勻，具有明顯的干濕季節(jié)交替特征。全年大部分降雨集中在雨季（5—11月），約占全年降雨總量的70%～90%。而旱季（12月—次年4月）降雨量僅占全年總降雨量的10%～30%。試驗期間降雨量與氣溫變化見圖1。

試驗區(qū)土壤為由花崗片麻巖發(fā)育而來的磚紅壤，土層深厚。0～20 cm土層土壤基本理化性質如下：pH 4.80（水土比2.5∶1），有機質10.92 g·kg-1，全氮0.59 g·kg-1，有效磷19.65 mg·kg-1，速效鉀41.17 mg·kg-1，硝態(tài)氮3.98 mg·kg-1，銨態(tài)氮2.59 mg·kg-1。膠樹品種為熱研7-33-97，1997年定植，2003年開割，割制為S/2d/4+ET。株距3.5 m，行距6 m。

1.2試驗方法

試驗共設4個氮肥處理，隨機區(qū)組，3次重復。4個氮肥處理（不包括干濕沉降氮量）：（1）不施氮，N0；（2）低氮100 kg·hm-2（10 g·m-2），N100；（3）中氮230 kg·hm-2（23 g·m-2），配施有機肥氮30 kg·hm-2，N230；（4）高氮400 kg·hm-2（40 g·m-2），N400。氮肥品種為尿素（N 46%），分別于2015年5月7日、2015年7月12日、2015年9月8日分3次均勻施入試驗區(qū)。N230施用羊糞有機肥3227 kg·hm-2（TN 1.69%，TC 12.65%，干基含水率81.71%），其他處理不配施有機肥；各處理均施加P2O575 kg·hm-2（鈣鎂磷肥，18%），K2O 150 kg·hm-2（氯化鉀，60%）；有機肥和磷鉀肥于5月上旬一次性施入。所有肥料均為表施。

圖1　2015年5月至2016年4月土壤碳排放速率動態(tài)變化及日均氣溫和日降雨量變化Fig. 1　Dynamics of soil C emission rate， daily mean air temperature and daily precipitation from May 2015 to April 2016

采用堿液吸收法測定土壤CO2排放量（Anderson，1982）。測定前將內(nèi)徑20 cm、高25 cm的PVC管壓入土壤2 cm。測定時于上午8：00，在50 mL氟化瓶中加入1 mol·L-1的NaOH 20 m L，將其放入PVC管內(nèi)距地表2 cm三腳架上，后用蓋子蓋住（接口處涂以硅脂密封）。由于橡膠林郁閉度高，該吸收裝置無需進行遮蔽處理。吸收24 h后，于次日上午8：00取出氟化瓶。加入1.5 mol·L-1的BaCl23 m L沉淀Na2CO3，然后加入酚酞作為指示劑3～4滴，用1 mol·L-1的HCl滴定剩余的NaOH，這時溶液將由粉色逐漸變?yōu)闊o色，記錄滴定到無色時所消耗的HCl體積。每小區(qū)布置3個吸收裝置，每隔7 d測定1次，取其平均值計算每周碳排放通量，然后計算全年土壤碳排放。土壤呼吸的碳排放速率（g·m-2·d-1）=（V0-V）×c×M/1000S，其中，V0為滴定對照瓶中堿液至終點所需的鹽酸體積（m L）；V為滴定處理瓶中堿液至終點所需的鹽酸體積（m L）；c為鹽酸標準溶液濃度（mol·L）；M是摩爾質量，以C計算（6 mg·mmol-1）；S為PVC管的采集面積。

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用1 mol·L-1KCl浸提，連續(xù)流動分析儀（AA3，Germany）測定；土壤水分和土壤溫度采用TDR（Trime-PICO 32，Germany）測定。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用M icrosoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)。方差和相關性分析在SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）中進行。各處理平均值比較采用最小顯著差異法（LSD）。

2　結果與分析

2.1不同施氮水平下橡膠林土壤碳排放速率的動態(tài)變化

整個試驗期間（2015年5月—2016年4月），降雨量偏少，年降雨量僅有1225 mm，較歷史同期低25.7%（圖1a）。受熱帶季風氣候的影響，試驗期間日降雨量具有明顯的干濕季節(jié)交替特征。全年大部分降雨集中在雨季（5—11月），雨季降雨量為1039 mm，約占全年降雨總量的85%。而旱季（12月—次年4月）的降雨量只有186 mm，僅為全年的15%。雨季日均氣溫變化較為平穩(wěn)，變化范圍介于19～32.8 ℃，平均28.6 ℃。旱季日均氣溫介于6.5～29.2 ℃，平均19.9 ℃。

橡膠林土壤呼吸的碳排放速率具有明顯的季節(jié)變化特征（圖1b），不同處理下土壤呼吸碳排放速率的季節(jié)變化規(guī)律大體一致。雨季不同處理的土壤呼吸作用強烈，即使是不施氮處理（N0），其土壤呼吸碳排放速率也有較大波動。不同處理的碳排放速率分別在5月上旬、7月上旬和9—10月產(chǎn)生3個峰值，呈現(xiàn)多峰分布模式。而此時恰恰是全年中降雨最為豐富的3個時間段（圖1a）。在這3個時間段施用氮肥后，N100、N230和N400處理的碳排放速率波動要明顯大于不施氮處理N0。在雨季，N0處理土壤呼吸的碳排放速率介于0.61～2.61 g·m-2·d-1，其他施氮處理碳排放速率介于0.59～5.22 g·m-2·d-1。旱季土壤呼吸的碳排放速率變化趨于平穩(wěn)，不同處理間變化差異不大。在旱季，不施氮處理N0碳排放速率介于0.32～1.45 g·m-2·d-1，其他施氮處理碳排放速率介于0.35～2.09 g·m-2·d-1。

圖2　不同施氮處理下土壤碳排放速率的比較Fig. 2　Soil C em ission rate in different N treatments

2.2施氮對橡膠林土壤碳排放的影響

不同施氮處理旱季、雨季和年均的土壤碳排放速率均存在顯著差異（P＜0.05），施用氮肥顯著影響了橡膠林土壤呼吸的碳排放速率（圖2）。在旱季，不同施氮處理下土壤呼吸的碳排放速率介于1.08～1.45 g·m-2·d-1（圖2a）。其中，N400的碳排放速率顯著高于N0和N100（P＜0.05），而與N230差異不顯著。在雨季，不同施氮處理下土壤碳排放速率介于1.40～2.30 g·m-2·d-1（圖2b）。其中，N400和N230處理間的碳排放速率并無差異，但均顯著高于N0和N100（P＜0.05）。從全年來看，不同處理的年均土壤碳排放速率介于1.27～1.96 g·m-2·d-1（圖2c）。其中，N400和N230處理的碳排放速率顯著高于N0，而N100和N0處理之間無顯著差異。

不同施氮處理土壤碳的年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1（圖3）。其中N400的年排放通量達7.12 M g·hm-2·a-1，顯著高于N0和N100（P＜0.05），而與N230處理之間無顯著差異。N230顯著高于N0，而與N100之間無顯著差異。由此可見，與不施氮處理N0相比，較低的施氮水平（100 kg·hm-2）并沒有顯著影響土壤呼吸。而繼續(xù)增施氮肥則顯著促進了橡膠林土壤呼吸，激發(fā)了土壤的碳排放。值得注意的是，與N400和N100相比，N230化肥配施有機肥并沒有引起土壤碳排放的顯著增加。

2.3橡膠林土壤碳排放速率的影響因素

對不同施氮水平下土壤呼吸的碳排放速率和施氮量進行相關性分析（圖4a），發(fā)現(xiàn)二者呈顯著正相關關系（r=0.987，P＜0.05）。施氮促進了橡膠林土壤呼吸作用，激發(fā)了土壤的碳排放。對土壤碳排放速率和表土（0～5 cm）銨態(tài)氮含量進行相關性分析（圖4b），發(fā)現(xiàn)二者呈極顯著正相關關系（r=0.334**，P＜0.01）。說明在一定程度上提高銨態(tài)氮含量可促進土壤呼吸作用。如圖4c所示，土壤碳排放速率與土壤含水量呈極顯著正相關關系（r=0.277**，P＜0.01）。如圖4d所示，土壤碳排放速率與土壤溫度呈極顯著正相關關系（r=0.416**，P＜0.01）。在田間條件下，土壤含水量的升高表明降雨事件的發(fā)生。雨季的降雨量和氣溫均高于旱季，這可能是導致雨季橡膠林土壤呼吸的碳排放速率高于旱季的原因。

圖3　不同施氮水平下土壤碳的年排放通量的比較Fig. 3　Soil C emission flux in different N treatments

圖4　土壤碳排放速率與施氮量（a）、銨態(tài)氮含量（b）、土壤含水量（c）及土壤溫度（d）的關系Fig. 4　Relationships of soil C emission rate and N rate， content of NH4-N， soil water content and soil temperature

3　討論

生態(tài)系統(tǒng)中的土壤呼吸是一個復雜的土壤生物和非生物過程，受到諸如降雨、溫度、氮沉降、氣候變化、土壤因子和植被等自然因素的綜合影響（Lee et al.，2004；Raich et al.，1992；Xu et al.，2004）。而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的土壤呼吸更是受到如作物、施氮、灌溉、耕作、秸稈等農(nóng)業(yè)管理措施的影響（Lohila et al.，2003；Paustian et al.，2000）。當前，人們對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對增施氮肥或氮沉降的響應的認識還很不一致（A llison et al.，2008；Ding et al.，2010；Johnson et al.，1994）。例如在森林生態(tài)系統(tǒng)中，模擬氮沉降添加氮后可能刺激了土壤呼吸的碳排放（Johnson et al.，1994），也可能對土壤呼吸碳排放沒有影響（A llison et al.，2008），甚至抑制了土壤呼吸（Bowden et al.，2004；Burton et al.，2004；Janssens et al.，2010）。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，施氮對土壤呼吸的影響也不盡相同（Ding et al.，2010；Wilson et al.，2008；李銀坤等，2013）。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施氮處理相比，較低的施氮水平（100 kg·hm-2）并沒有顯著影響土壤呼吸。而繼續(xù)增施氮肥則顯著促進了橡膠林土壤呼吸，激發(fā)了土壤的碳排放。值得注意的是，與N400和N100相比，N230化肥配施有機肥并沒有引起土壤碳排放的顯著增加（圖2～3）。徐凡珍等（2013）在云南西雙版納的研究表明，200 kg·hm-2的施氮量顯著抑制了橡膠林雨季的土壤呼吸。董鈺鑫等（2015）的結果認為，施用橡膠專用肥200 kg·hm-2（N∶P∶K=15∶15∶15）在一定程度上能促進土壤呼吸，但與對照相比差異不顯著。謝明德等（2014）在海南黃嶺農(nóng)場的研究表明，施肥刺激了橡膠林土壤呼吸，施用有機肥和無機肥的土壤呼吸速率均高于不施肥處理。本研究結果與徐凡珍等（2013）結果相反，而與謝明德等（2014）的結果大體上一致。通常認為施氮能激發(fā)土壤呼吸的原因主要有：首先施氮能提高土壤有效氮含量，促進植物細根生長，增加植物細根數(shù)量、生物量，增強細根代謝強度（Burton et al.，2002），從而增強根系呼吸作用。另一方面有效氮源的濃度對于土壤微生物的活動也尤為重要。土壤中有效氮的增加，改善了土壤碳氮比，改變了微生物種群結構和群落組成，提高了微生物的活性和數(shù)量，有利于微生物對有機質的分解，從而促進了微生物的異養(yǎng)呼吸（A llen et al.，2004）。在低氮肥力土壤中，由于氮源的缺乏和限制，可能抑制了植物根系的生長以及微生物的各種活動。本試驗區(qū)土壤氮肥力較低（0.59 g·kg-1），施用氮肥能夠促進膠樹根系生長，改善土壤C/N，可能提高了微生物的活性和數(shù)量，從而激發(fā)了土壤呼吸。進一步闡明海南橡膠林因施氮而激發(fā)土壤呼吸的原因和機制，是一個非常值得深入研究的科學問題。

本研究表明，橡膠林土壤呼吸的碳排放速率具有明顯的季節(jié)變化特征，雨季的碳排放速率要高于旱季。這與前人研究基本一致（徐凡珍等，2014）。不同施氮處理土壤碳的年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1，略低于董鈺鑫等（2015）的結果。從全年的變化趨勢來看，不同施氮處理土壤呼吸的碳排放速率變化大體一致，全年呈多峰型曲線。這與徐凡珍等（2014）的單峰型變化曲線的結果不同。土壤呼吸的碳排放速率的季節(jié)變化主要是由溫度、濕度及光合產(chǎn)物所驅動（魏書精等，2013）。受熱帶季風氣候的影響，本試驗區(qū)在水熱條件上具有明顯的季節(jié)交替（圖1a）。在雨季，降雨量豐沛，熱量豐富，膠樹及林下植被生長旺盛，土壤濕度和土壤溫度都高于旱季。而橡膠林土壤呼吸的碳排放速率與土壤濕度及土壤溫度均存在一定的相關性（圖4c～d）。這較好地解釋了雨季土壤呼吸碳排放速率高于旱季及峰值在雨季出現(xiàn)的原因。在田間條件下，土壤含水量的升高意味著降雨事件的發(fā)生。即使在雨季，降雨分布也不均勻。峰值出現(xiàn)的時間恰恰是全年中降雨最為豐富的3個時間段（圖1b），而施氮處理在這3個時間段分別增施了氮肥，更加刺激土壤的碳排放速率，導致碳排放速率季節(jié)變化呈多峰型曲線。

4　結論

橡膠林土壤呼吸的碳排放速率具有明顯的季節(jié)變化特征，雨季土壤呼吸強烈，全年呈多峰型曲線。土壤呼吸碳排放速率與施氮量呈顯著正相關，與土壤濕度和土壤溫度均呈極顯著正相關，在一定程度上解釋了多峰型曲線出現(xiàn)的原因。與不施氮處理相比，較低的施氮水平并沒有顯著影響土壤呼吸。而繼續(xù)增施氮肥則顯著地促進了橡膠林土壤呼吸，激發(fā)了土壤的碳排放。與N400和N100相比，N230化肥配施有機肥并沒有引起土壤碳排放的顯著增加。

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Soil Carbon Emission of Rubber Plantation under Different Nitrogen Fertilization in Hainan

ZHANG Songlin1，2， WU Xiaoping2*， WANG Dapeng2*， LUO Xuehua2， WANG Wenbin2， XUE Xinxin2
1. College of Agriculture， Hainan University， Haikou 570228， China；2. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences， Danzhou 571737， China

Illuminating carbon （C） emission characteristic and impact factors of soil respiration in different ecosystems is important for accurately assessing C balance of terrestrial ecosystems. At present， the knowledge about responses of soil respiration in different ecosystems to nitrogen （N） fertilization or N deposition are controversial. Many studies about soil respiration werecarried out in rubber （Hevea brasiliensis） plantations， but few for the effects of N fertilization on soil respiration. In this study， the alkali absorption method was used to investigate the carbon emission rates， fluxes and impact factors of soil respiration in rubber plantation of Hainan under four N fertilization levels （no N， N0； 100 kg·hm-2， N100； 230 kg·hm-2， organic N 30 kg·hm-2， N230； 400 kg·hm-2， N400）. The results showed that the C emission rate from soil respiration in rubber plantation was characteristics of obvious seasonal variation，and showed a multiple-peak curve during the whole year. The C emission rates were significantly positive correlated with， N rate，soil moisture and soil temperature. The C emission rates varied between 1.27 and 1.96 g·m-2·d-1in different N treatments， and the annual C emission fluxes varied between 4.62 and 7.12 Mg·hm-2·a-1. Compared with N0， low N rate （N100） had no obvious effect on soil respiration. But if the N fertilizer rates continue to increase， the C emission was stimulated greatly. Compared with N100 and N400， N230 consisted of organic and inorganic fertilizers did not cause the soil emissions increase significantly. Our results suggest that N fertilization could promote the C emission from soil respiration in rubber plantation， and it depends on the rate of N fertilization to a great degree.

rubber plantation； nitrogen fertilization； soil respiration； carbon emission； Hainan

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.006

S718.5； X144

A

1674-5906（2016）07-1134-06

國家自然科學基金項目（31400529）；海南省自然科學基金項目（314143）

張松林（1989年生），女，碩士研究生，主要從事橡膠林土壤養(yǎng)分管理研究。Email： 18489972925@163.com *通信作者，吳小平，Email： wxp166@163.com。王大鵬，E-mail： longmushan@163.com

2016-06-02