林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貙?duì)紫色土N2O排放的影響*

任 曉, 劉紅兵, 朱 波

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林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貙?duì)紫色土N2O排放的影響*

任 曉1,2, 劉紅兵3, 朱 波1**

(1. 中國(guó)科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 成都 610041; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 四川省農(nóng)業(yè)廳成都土壤肥料測(cè)試中心 成都 610041)

土地利用方式變化是造成大氣中溫室氣體濃度變化的主要原因之一, 但土地利用方式轉(zhuǎn)變, 如林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦剡^程對(duì)土壤氧化亞氮(N2O)排放的影響還缺乏系統(tǒng)研究。本研究于2016年7月中旬在四川盆地丘陵區(qū)將林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 并按照耕地冬小麥-夏玉米輪作方式, 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法, 對(duì)比分析了耕地翻耕不施肥(CL-T)、翻耕施肥(CL-TF)和鄰近林地(CK)的土壤N2O排放過程特征。結(jié)果表明, 試驗(yàn)期間CL-T、CL-TF土壤N2O排放通量較CK均顯著增加(<0.01), 且二者的N2O排放通量在林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗诰忻黠@的排放峰。小麥季和玉米季土壤N2O排放通量[μg(N)·m-2·h-1]均值CK分別為2.52和4.60, CL-T分別為3.55和11.63, CL-TF分別為6.26和22.16, N2O排放通量玉米季顯著高于小麥季。CK、CL-T和CL-TF的土壤N2O全年累積排放量[mg(N)·hm-2]分別為0.271、0.515和0.957, CL-T、CL-TF較CK分別顯著增長(zhǎng)89.8%、253.0%, 說(shuō)明林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 紫色土N2O排放迅速增加。首先翻耕改變土壤結(jié)構(gòu)并顯著增加土壤無(wú)機(jī)氮含量(<0.05), 其次施肥大幅增加土壤無(wú)機(jī)氮含量導(dǎo)致土壤N2O的激發(fā)排放。而土壤溫度和水分未發(fā)生顯著改變(>0.05), 種植作物短時(shí)間內(nèi)也未顯著改變土壤的N2O排放。結(jié)果表明, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶ぐl(fā)土壤N2O排放的根本機(jī)制可能是提高了土壤有機(jī)氮礦化速率。但土地利用轉(zhuǎn)變對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響以及進(jìn)而改變土壤N2O的排放特征的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 翻耕; 施肥; 氮轉(zhuǎn)化過程; N2O排放

氧化亞氮(N2O)是大氣中重要的溫室氣體, 對(duì)氣候和環(huán)境具有嚴(yán)重影響。IPCC(2013)評(píng)估報(bào)告指出, 大氣中N2O濃度正以(3.26±0.13)?10-11mol?L-1?a-1的速度穩(wěn)定增長(zhǎng), 并且農(nóng)業(yè)排放的N2O占全球人為排放源的59%以上[1]。其中, 土地利用方式變化和土地管理措施是影響農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的重要因素[1]。土地利用方式變化會(huì)引起環(huán)境因子和生物因素的改變[2], 導(dǎo)致土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵過程發(fā)生變化, 影響土壤N2O的產(chǎn)生與排放[3]。研究表明, 森林或者草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后, 土壤N2O排放通量顯著增加[4]。其中, 翻耕過程會(huì)改善土壤孔隙度、溫度和水分條件[5], 促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解, 提高土壤有機(jī)氮礦化能力[6], 但長(zhǎng)期翻耕會(huì)減弱土壤氮固持能力, 具有降低土壤有機(jī)氮含量的趨勢(shì)[7]。Chatskikh等[8]研究發(fā)現(xiàn), 常規(guī)耕作下土壤N2O排放量約為免耕的2倍。氮肥施用能夠改變土壤中的NH4+-N、NO3--N含量以及兩者的比例關(guān)系, 改變土壤環(huán)境[9], 刺激土壤微生物生長(zhǎng)[10]等, 從而影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程, 對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生影響。氮肥對(duì)土壤N2O排放的影響主要取決于氮肥種類、施用量和施肥方式等[11]。

四川盆地丘陵區(qū)是四川省乃至全國(guó)重要的糧食主產(chǎn)基地之一, 該區(qū)域主要以林地與農(nóng)地鑲嵌的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為主。在退耕還林與解決糧食需求的共同驅(qū)動(dòng)下, 耕地與林地之間經(jīng)常發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。目前, 針對(duì)該區(qū)域土壤N2O排放特征展開了較多研究, 但主要涉及農(nóng)田、林地生態(tài)系統(tǒng)及施肥方式對(duì)N2O排放的影響[11-14], 對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變影響土壤N2O排放關(guān)注較少?？马嵉萚15]以坡耕地和退耕年限為15 a、30 a的林地為研究對(duì)象, 探討了退耕還林對(duì)紫色土坡耕地土壤N2O排放的影響, 發(fā)現(xiàn)紫色土坡耕地退耕還林可顯著減少土壤N2O排放。然而, 該區(qū)域過去與現(xiàn)在均存在毀林開荒、毀林種果等現(xiàn)象, 而林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貙?duì)土壤N2O排放的影響還缺乏系統(tǒng)研究, 土壤N2O排放特征改變的機(jī)理還不得而知。因此, 本文以林地改耕地(對(duì)比翻耕、翻耕及施肥)的土地利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯繉?duì)象, 對(duì)林地向耕地轉(zhuǎn)變過程中土壤N2O排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)與對(duì)比, 以期探討土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)紫色土N2O排放的影響與土壤學(xué)機(jī)制, 為四川盆地丘陵區(qū)土壤氮素循環(huán)研究和土地利用決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該研究依托于中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(105°27￠E, 31°16￠N)。試驗(yàn)站位于四川盆地中部丘陵區(qū)的四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng), 海拔460 m, 具有典型的四川盆地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候特征。氣候溫和, 四季分明, 年均溫17.3 ℃; 多年平均降雨量836 mm, 年內(nèi)分配不均, 主要集中于夏季(65.5%); 無(wú)霜期294 d。該區(qū)土壤為蓬萊鎮(zhèn)組鈣質(zhì)紫色土, 農(nóng)作物一年兩熟, 主要以小麥()-玉米()輪作為主。

試驗(yàn)點(diǎn)位于站內(nèi)榿木()柏木()混交林試驗(yàn)地, 混交林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間(>30 a)演替, 大部分榿木已死亡, 現(xiàn)已逐漸演化為純柏木林。林分平均胸徑(平均胸徑>3 cm)為11.4 cm, 平均樹高(平均胸徑>3 cm)為12.3 m, 保留密度(平均胸徑>3 cm)為1 595株?hm-2。林下灌木主要有黃荊()、馬桑()等, 草本多為禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)等植物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)地內(nèi)選取立地條件相對(duì)一致的樣地(坡度約為5°), 將林地改為耕地, 并設(shè)置翻耕不施肥的耕地(CL-T)、翻耕及施肥的耕地(CL-TF)2個(gè)處理, 以林地為對(duì)照(CK), 每種處理設(shè)置3個(gè)空間重復(fù), 小區(qū)面積為3 m×3 m, 隨機(jī)區(qū)組分布。2016年7月中旬開始林地向耕地的轉(zhuǎn)變, 去除林地地上部分的植物以及地下部分的根系, 將土壤分層回填修建試驗(yàn)小區(qū), 并砍伐小區(qū)周圍一定范圍內(nèi)的樹木, 防止枯枝落葉等凋落物對(duì)試驗(yàn)的影響。

耕地小區(qū)的耕作模式, 按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的冬小麥-夏玉米輪作模式。小麥于2016年10月26日播種, 2017年5月11日收獲; 玉米于2017年5月30日播種, 2017年9月15日收獲。CL-T小區(qū)只翻耕, 不施加肥料。CL-TF小區(qū)翻耕并按照如下標(biāo)準(zhǔn)施加肥料: 小麥季氮肥(碳酸氫銨, 純N計(jì))130 kg·hm-2、磷肥(過磷酸鈣, P2O5計(jì))90 kg·hm-2、鉀肥(氯化鉀, K2O計(jì))36 kg·hm-2; 玉米季氮肥(碳酸氫銨, 純N計(jì))150 kg·hm-2、磷肥和鉀肥與小麥季施用量相同。小麥、玉米均采用基肥一次性于播種前人工施入, 翻耕和施肥同步進(jìn)行, 翻耕方式為人工鋤耕, 深度為20 cm。小麥播種方式為撒播, 玉米以株×行距=40×50 cm的密度穴播。林地小區(qū)毗鄰耕地, 自然生長(zhǎng)無(wú)任何人工管理措施。

1.3 氣體采集與分析方法

在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)坡底, 距離小區(qū)邊緣0.5 m處布設(shè)氣體采集裝置, 采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法觀測(cè)N2O的排放通量。每個(gè)采樣點(diǎn)于上午9:00—11:00采集氣體, 耕地氣體采集時(shí)間間隔為7 min, 林地氣體采集時(shí)間間隔為15 min, 每個(gè)采樣點(diǎn)共采集5針樣品。采集的氣樣避光保存在60 mL醫(yī)用注射器內(nèi), 于24 h內(nèi)分析完成。采樣頻率為每周2次, 翻耕、施肥和降雨事件后加密采樣。小麥季觀測(cè)期為2016年10月27日至2017年5月26日, 玉米季觀測(cè)期為2017年6月1日至2017年9月30日, 為一個(gè)完整的冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季。小麥季和玉米季采樣箱構(gòu)造詳見文獻(xiàn)[12]描述, 氣體采樣方法、數(shù)據(jù)分析方法與文獻(xiàn)[12]一致。

1.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

在采集氣體的同時(shí), 測(cè)定相關(guān)土壤環(huán)境因子。用MP-406便攜式水分測(cè)定儀在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)多點(diǎn)測(cè)定土壤5 cm深度處土壤體積含水率(%), 并利用土壤容重將其轉(zhuǎn)換為土壤充水孔隙率(WFPS); 采樣箱內(nèi)氣體溫度、土壤溫度(5 cm)使用JM 624型便攜式測(cè)溫計(jì)測(cè)定; 降水量、大氣壓等資料利用試驗(yàn)站內(nèi)的氣象站獲得。每次采集氣體的同時(shí), 同步采集0~10 cm表層土壤樣品以分析土壤含水量和無(wú)機(jī)氮(NO3?-N、NH4+-N)含量。土壤含水量采用重量法測(cè)定; 土壤無(wú)機(jī)氮(NO3--N、NH4+-N)含量采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提-AA3流動(dòng)分析儀測(cè)定(水土比為5︰1)。

林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦厍安杉值?~10 cm土壤樣品, 2017年9月15日玉米收獲后采集耕地0~10 cm表層土壤樣品用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。土壤理化性質(zhì)主要參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》中的有關(guān)方法[16]測(cè)定: 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定, 土壤質(zhì)地采用吸管法測(cè)定, 土壤pH采用pH計(jì)法(水土比2.5︰1), 土壤全氮、有機(jī)碳采用元素分析儀測(cè)定, 土壤全磷采用NaOH熔融-原子吸收光譜法測(cè)定, 土壤全鉀采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算, Origin 9.0繪圖, SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析, 處理間差異采用Duncan多重比較法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)的變化

試驗(yàn)期間, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 土壤基本理化性質(zhì)發(fā)生了不同程度的變化。CL-T、CL-TF較CK土壤容重降低, 土壤孔隙度增加(表1)。土壤顆粒組成發(fā)生明顯改變: CL-T、CL-TF土壤砂粒含量明顯下降, 粉粒含量明顯增加。土壤pH未發(fā)生明顯改變(>0.05), 但土壤養(yǎng)分含量發(fā)生了不同程度的變化, 其中CL-T、CL-TF土壤全氮、有機(jī)碳含量明顯減少, 較CK分別減少59.00%、54.57%和56.10%、48.55%; 而土壤全磷、全鉀含量則分別有不同程度的增加(表1)。

試驗(yàn)期間, 不同土地利用方式下土壤無(wú)機(jī)氮(NH4+-N、NO3--N)含量變化如圖1所示。林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? CL-T、CL-TF土壤無(wú)機(jī)氮含量較CK顯著增加(<0.01)。CL-T小麥季、玉米季土壤無(wú)機(jī)氮含量分別在翻耕后第7 d、第6 d達(dá)到最大值為7.40 mg?kg-1、17.17 mg?kg-1, 高峰期持續(xù)約2周。CL-TF由于小麥季施肥方式為撒施, 氮肥迅速水解并在表土遷移擴(kuò)散, 土壤無(wú)機(jī)氮含量在施肥后第5 d達(dá)到最大值269.03 mg?kg-1; 而玉米季肥料為穴施, 氮肥水解后在土壤中的遷移擴(kuò)散較慢, 土壤無(wú)機(jī)氮含量在施肥后第3 d達(dá)到最大值52.07 mg?kg-1。

表1 不同處理下土壤基本理化性質(zhì)

CK: 林地; CL-T: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕不施肥; CL-TF: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕并施肥。同列不同字母表示處理間0.05水平差異顯著。CK: forestland; CL-T: cropland converted from forestland with tillage; CL-TF: cropland converted from forestland with tillage and fertilization. Different small letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

圖1 不同處理下的土壤無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化特征

CK: 林地; CL-T: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕不施肥; CL-TF: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕并施肥。CK: forestland; CL-T: cropland converted from forestland with tillage; CL-TF: cropland converted from forestland with tillage and fertilization.

2.2 土壤環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)變化

試驗(yàn)期間, 氣溫變化范圍為4.0~31.2 ℃, 平均溫度17 ℃; 降雨量為568.0 mm, 較當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅繙p少約32%, 且冬小麥季降雨量(占全年降雨量的38.1%)明顯少于夏玉米季(占全年降雨量的61.9%)。土壤溫度(5 cm)隨氣溫季節(jié)性變化, 變化范圍為6.1~30.0 ℃; 土壤充水孔隙率(WFPS)受降雨影響呈不規(guī)則變化, 最大值為50.2%, 最小值為13.5%。CL-T、CL-TF、CK的土壤溫度和土壤WFPS均無(wú)顯著差異(>0.05)(圖2)。

2.3 不同土地利用方式下土壤N2O排放通量

CL-T、CL-TF土壤N2O排放通量較CK均顯著增加(<0.01), 且二者在林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗诰胁煌潭鹊腘2O排放峰(圖3)。CL-T、CL-TF在玉米季出現(xiàn)了3個(gè)明顯的N2O排放峰, 均是由溫度和降雨事件(2017年6月14—15日降雨48.0 mm; 2017年7月5—6日降雨34.2 mm; 2017年7月18日降雨37.8 mm)促發(fā)的。CK在小麥季和玉米季的土壤N2O排放通量均值分別為2.52 μg(N)·m-2·h-1和4.60 μg(N)·m-2·h-1; CL-T在小麥季和玉米季的土壤N2O排放通量均值分別為3.55 μg(N)·m-2·h-1和11.63 μg(N)·m-2·h-1; CL-TF在小麥季和玉米季的土壤N2O排放通量均值分別為6.26 μg(N)·m-2·h-1和22.16 μg(N)·m-2·h-1。可見N2O排放通量玉米季顯著高于小麥季(<0.01)。

圖2 試驗(yàn)期間不同處理下土壤環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化

CK: 林地; CL-T: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕不施肥; CL-TF: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕并施肥。CK: forestland; CL-T: cropland converted from forestland with tillage; CL-TF: cropland converted from forestland with tillage and fertilization.

圖3 不同處理下的土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

CK: 林地; CL-T: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕不施肥; CL-TF: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕并施肥。CK: forestland; CL-T: cropland converted from forestland with tillage; CL-TF: cropland converted from forestland with tillage and fertilization.

2.4 不同土地利用方式下土壤N2O累積排放量

CK土壤N2O全年累積排放量為0.271 kg(N)·hm-2, 小麥季和玉米季分別為0.134 kg(N)·hm-2和0.138 kg(N)·hm-2。CL-T土壤N2O全年累積排放量為0.515 kg(N)·hm-2, 小麥季和玉米季分別為0.178 kg(N)·hm-2和0.337 kg(N)·hm-2。CL-TF土壤N2O全年累積排放量為0.957 kg(N)·hm-2, 小麥季和玉米季分別為0.295 kg(N)·hm-2和0.662 kg(N)·hm-2。雖然小麥季的時(shí)間長(zhǎng)于玉米季, 但由于冬春季溫度顯著低于夏秋季, 故土壤N2O累積排放量并未高于玉米季。CL-T、CL-TF的土壤N2O全年累積排放量較CK分別增長(zhǎng)89.8%、253.0%(<0.05), 其中小麥季分別增長(zhǎng)33.4%、120.8%, 玉米季分別增長(zhǎng)144.7%、381.3%(表2)。由此可見, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 短期內(nèi)顯著提高了土壤N2O的排放(<0.05)。

3 討論

該研究結(jié)果表明, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? N2O排放通量顯著提高, 并在轉(zhuǎn)變初期出現(xiàn)明顯的N2O排放峰。土地利用轉(zhuǎn)變經(jīng)過一個(gè)完整輪作周期, 耕地N2O累積排放量顯著增加, 翻耕不施肥、翻耕及施肥分別增加89.8%、253.0%。這與Liu等[17]、Cheng等[18]和álvaro-Fuentes等[19]的研究結(jié)果大致相同, 森林開墾為農(nóng)業(yè)用地[17]、馬尾松()林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田[18]和地中海林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田[19]后土壤N2O排放分別增加了185.1%、15.8%和99.3%。但這些研究是在土地利用方式轉(zhuǎn)變多年后開展的, 并未對(duì)轉(zhuǎn)變過程中的N2O排放特征進(jìn)行探討。我們的研究結(jié)果表明, 在林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗? 即對(duì)土壤N2O排放存在顯著的激發(fā)效應(yīng)。

表2 不同處理下土壤N2O累積排放量

CK: 林地; CL-T: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕不施肥; CL-TF: 林地轉(zhuǎn)為耕地, 翻耕并施肥。同列不同字母表示處理間0.05水平差異顯著。CK: forestland; CL-T: cropland converted from forestland with tillage; CL-TF: cropland converted from forestland with tillage and fertilization. Different small letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05).

林地向耕地轉(zhuǎn)變, 首先通過翻耕導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎, 尤其以>2 mm的大團(tuán)聚體破碎為主[20], 從而導(dǎo)致土壤顆粒組成的重新分配, 進(jìn)而對(duì)土壤基本理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。結(jié)果顯示, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 土壤容重下降, 土壤孔隙度增加, 這與劉曉利等[21]的結(jié)果一致。但初期并未引起土壤溫度和水分(WFPS)的顯著改變(>0.05)。因此, 土壤溫度和水分并非該區(qū)域林地向耕地轉(zhuǎn)變引起N2O排放差異的驅(qū)動(dòng)因素。而土壤無(wú)機(jī)氮含量在土地利用方式轉(zhuǎn)變初期顯著增加, 與林地對(duì)照相比, 出現(xiàn)了明顯峰值。耕地(翻耕不施肥)土壤年均無(wú)機(jī)氮含量達(dá)10.03 mg?kg-1, 較林地土壤(5.76 mg?kg-1)顯著增加了74.1%。項(xiàng)虹艷等[22]對(duì)紫色土耕地的研究結(jié)果表明, 土壤無(wú)機(jī)氮含量低于10.00 mg?kg-1時(shí), N2O排放通量較低, 與該結(jié)果一致。翻耕導(dǎo)致土壤無(wú)機(jī)氮含量顯著增加, 促進(jìn)了土壤N2O排放。但也有研究結(jié)果表明翻耕對(duì)N2O排放沒有顯著影響, 例如Petersen等[23]認(rèn)為傳統(tǒng)翻耕和保護(hù)性少耕不會(huì)影響N2O的排放總量, 這主要是因?yàn)楦髂晗薏煌瑫?huì)影響土壤無(wú)機(jī)氮含量。其次, 施用氮肥顯著增加土壤無(wú)機(jī)氮含量, 耕地(翻耕及施肥)土壤無(wú)機(jī)氮含量較林地顯著增加了857.3%, 導(dǎo)致土壤N2O排放顯著增加。此外, 有研究表明, 種植作物會(huì)通過根系呼吸作用和根系分泌物對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響[24], 從而影響土壤N2O排放。而本研究結(jié)果表明, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗? 小麥-玉米輪作并未對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生顯著影響(數(shù)據(jù)未在圖中繪出)。因此, 翻耕、施肥及其引起的土壤無(wú)機(jī)氮顯著變化是導(dǎo)致林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗谕寥繬2O排放變化的直接原因。

土地利用方式變化, 改變了土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分等土壤理化性質(zhì), 進(jìn)而影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程, 對(duì)N2O排放產(chǎn)生影響[3]。林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? 翻耕改變土壤結(jié)構(gòu), 增加土壤孔隙度, 提高土壤通氣性, 從而增強(qiáng)土壤微生物活性, 顯著提高了耕地土壤氮礦化速率, 導(dǎo)致大量的氮素被釋放出來(lái)[25]。Yang等[26]對(duì)西藏高原、李銘等[27]對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)的土地利用變化下土壤有機(jī)氮凈礦化速率的研究結(jié)果表明, 耕地土壤礦化速率顯著高于相鄰林地。但林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾? 土壤中無(wú)機(jī)氮含量的增加主要來(lái)源于硝態(tài)氮含量的增加, 銨態(tài)氮含量較林地反而減少, 這是由于翻耕后土壤氮礦化能力的提高雖然增加銨態(tài)氮, 但由于紫色土微生物硝化作用強(qiáng), 迅速將土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}, 使得土壤中積累了大量的硝態(tài)氮。Zhang等[28]對(duì)亞熱帶土壤硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)地提高了土壤硝化速率, 說(shuō)明林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦乜赡茉诙虝r(shí)間顯著增加土壤氮礦化和硝化作用能力, 而硝態(tài)氮含量的增加進(jìn)一步刺激了土壤反硝化作用, 促進(jìn)N2O產(chǎn)生。因此, 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦卦诙虝r(shí)間內(nèi)引起土壤N2O的激發(fā)排放, 可能源自土壤氮轉(zhuǎn)化過程的變化造成土壤無(wú)機(jī)氮累積。但土地利用轉(zhuǎn)變過程對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響, 特別是對(duì)形成N2O氣體的硝化、反硝化過程的影響尚不明確, 有待未來(lái)開展土地利用變化過程的土壤氮轉(zhuǎn)化速率的深入研究。

4 結(jié)論

林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦? N2O排放通量顯著提高, 并在轉(zhuǎn)變初期出現(xiàn)明顯的N2O排放峰。土地利用轉(zhuǎn)變經(jīng)過一個(gè)完整的耕地小麥-玉米輪作周期, 耕地N2O累積排放量顯著增加, 翻耕不施肥、翻耕及施肥分別顯著增加89.8%、253.0%。翻耕導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎, 土壤顆粒組成重新分配, 改變了土壤基本理化性質(zhì), 增強(qiáng)了微生物活性, 從而導(dǎo)致土壤無(wú)機(jī)氮含量顯著增加, 而施用氮肥也直接增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量?？梢? 林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐倪^程中, 翻耕與施肥引起的土壤無(wú)機(jī)氮顯著變化, 是導(dǎo)致土壤N2O激發(fā)排放的主要原因, 其核心機(jī)制可能源于翻耕和施肥等人為管理活動(dòng)對(duì)原來(lái)林地土壤氮轉(zhuǎn)化能力的改變, 實(shí)際上翻耕與施肥顯著增加了土壤有機(jī)氮礦化能力。

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Impact of conversion from forestland to cropland on soil N2O emission from purplish soil*

REN Xiao1,2, LIU Hongbing3, ZHU Bo1**

(1. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences / Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Chengdu Soil Fertilizer Testing Center, Sichuan Provincial Agricultural Department, Chengdu 610041, China)

Land use change is one of the main reasons for changes of greenhouse gases concentration in the atmosphere. However, the impacts of land use change process, such as conversion process from forestland to cropland, on soil N2O emission is still lack of a systematic study. In this study, forestland was converted into cropland in the hilly area of the Central Sichuan Basin in mid July 2016, and then planted as winter wheat-summer maize rotation from October 26, 2016 to September 15, 2017. Static chamber-gas chromatographic techniquewere used to compare the characteristics of N2O emission from croplands, converted from forest land with tillage without fertilizer (CL-T) and with tillage and fertilizer (CL-TF), and forestland (CK). The results showed that during the experimental period, the soil N2O emission fluxes of CL-T and CL-TF both significantly increased compared to CK (< 0.01), and there was an obvious emission peak at the beginning of land use conversion from forestland to cropland. The mean N2O emission fluxes in the wheat season and maize season were 2.52 μg(N)·m-2·h-1and 4.60 μg(N)·m-2·h-1under CK, 3.55 μg(N)·m-2·h-1and 11.63 μg(N)·m-2·h-1under CL-T, 6.26 μg(N)·m-2·h-1and 22.16 μg(N)·m-2·h-1under CL-TF, respectively. N2O emission peak flux was significantly higher in maize season than in wheat season. The annual accumulative soil N2O emissions were 0.271 kg(N)·hm-2, 0.515 kg(N)·hm-2and 0.957 kg(N)·hm-2under CK, CL-T and CL-TF, respectively. Compared to CK, CL-T and CL-TF increased the annual accumulative soil N2O emissions by 89.8% and 253.0%, respectively. This indicated that land use conversion from forestland to cropland significantly induced the increase of N2O emission in purplish soil. Tillage changed soil structure and significantly increased soil inorganic nitrogen content (< 0.05), then fertilizer application increased soil inorganic nitrogen content sharply by a large quantity, which resulted in pulsive N2O emission. While soil temperature (5 cm) and soil moisture (WFPS) were not changed significantly (> 0.05), and planting did not change N2O emission significantly in short time during the process of land use conversion. It was suggested that the fundamental mechanism of stimulating N2O emission caused by land use conversion from forestland to cropland might be derived from the increase of mineralization rate of soil organic nitrogen. However, the effect of land use conversion on soil nitrogen transformation and the mechanism of changing of soil N2O emission need to be further studied.

Land use conversion from forestland to cropland; Tillage; Fertilization; Nitrogen transformation process; N2O emission

, E-mail: bzhu@imde.ac.cn

Dec. 12, 2017;

Dec. 21, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171156

S145.6

A

1671-3990(2018)02-0214-08

朱波, 主要研究方向?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分循環(huán)及面源污染控制研究。E-mail: bzhu@imde.ac.cn 任曉, 主要研究方向?yàn)橥寥赖h(huán)。E-mail: renxiao.baobao@163.com

2017-12-12

2017-12-21

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41330744 and 41271321) and the National Basic Research Program of China (973 Program) (2012CB417101).

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41330744, 41271321)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB417101)資助