西雙版納不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放的時(shí)間特征

張哲，王邵軍，陳閩昆，曹潤(rùn)，李少輝

西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與水土保持學(xué)院，云南 昆明 650224

氧化亞氮（N2O）作為全球變暖的三大重要溫室氣體之一，其增溫潛勢(shì)（GWP）在百年尺度上是CO2的298倍（IPCC，2007）。2011年全球大氣中的N2O濃度比工業(yè)革命（1750年）前增加了20%（IPCC，2014）。同時(shí)N2O被認(rèn)為是破壞臭氧層的最重要因子，也是 21世紀(jì)最大的影響因子（Ravishankara et al.，2009）。森林是地球上分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)溫室氣體的調(diào)控起到關(guān)鍵作用。全球熱帶森林群落土壤每年排放N2O 1.34 Tg，成為繼農(nóng)田之后最大的 N2O排放源（Davidson et al.，2008）。當(dāng)前，中國(guó)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O釋放的研究主要集中在亞熱帶森林（黃志宏等，2016）、溫帶森林（王穎等，2009）以及東北地區(qū)森林類型（耿靜等，2017），十分缺乏有關(guān)熱帶森林的研究。

土壤微生物參與的硝化作用和反硝化作用（Ameloot et al.，2013）是森林土壤N2O的主要來源，土壤生物與非生物因素通過影響硝化與反硝化過程從而調(diào)控N2O排放動(dòng)態(tài)。不同森林類型具有不同的土壤水分和溫度、碳氮含量以及微生物的活性與組成（Andersen et al.，2009；Baral et al.，2014），因此，土壤N2O排放通量大小及時(shí)空動(dòng)態(tài)存在樣地差異性。在熱帶森林地區(qū)，由于溫度較高以及水分飽和造成厭氧環(huán)境，厭氧微生物主導(dǎo)的反硝化作用是N2O的主要產(chǎn)生過程（Zhang et al.，2011）。而在溫度、水分較低的溫帶和寒帶森林中，土壤N2O排放的主要來源于硝化微生物主導(dǎo)的硝化作用（Morishita et al.，2011）。除了硝化和反硝化作用，土壤硝化細(xì)菌反硝化作用也產(chǎn)生大量的N2O（Kool et al.，2010）。

西雙版納地區(qū)作為中國(guó)大陸熱帶雨林集中分布的重要區(qū)域。由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式及人口增加等因素的影響， 熱帶雨林遭到嚴(yán)重破壞，形成了大面積處于不同演替階段的次生恢復(fù)類型。本研究以中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園區(qū)內(nèi)的白背桐（Mallotus paniculatus）群落、崖豆藤（Mellettialeptobotrya）群落、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）群落3種不同次生演替階段熱帶森林群落為研究對(duì)象，比較不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放的時(shí)間變化特征，分析熱帶森林次生演替引起土壤微生物及土壤理化性質(zhì)的改變及其對(duì)土壤 N2O排放時(shí)空動(dòng)態(tài)的影響，從而探明土壤N2O排放對(duì)熱帶森林群落次生演替的響應(yīng)。研究結(jié)果能夠?yàn)槔斫鉄釒滞寥?N2O排放通量形成規(guī)律與影響機(jī)制提供理論參考，對(duì)于完善中國(guó)溫室氣體排放清單具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園，其地理位置為北緯 21°55′、東經(jīng) 101°16′。由于地處東南亞熱帶北緣，屬北熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.5 ℃，年平均降雨量 1557 mm，終年無霜。一年中干濕季分明，其中雨季（5－10月）為1335 mm，占全年的87%，干季（11－4月）為202 mm，僅占全年降雨量的13%。地帶性植被為熱帶季節(jié)雨林和季雨林，土壤為由白堊紀(jì)砂巖發(fā)育而成的磚紅壤（盧華正等，2009）。

本研究在中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶森林植物園實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，選擇白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落作為研究樣地，各樣地具有類似地形特征（包括坡度、坡向與坡位），樣 地基本情況如下（表1）。

白背桐群落（MP），恢復(fù)年限約 12 a，海拔600 m，蓋度65%左右，凋落物層厚1－2 cm。樣地主要植被：白背桐（Mallotus paniculatus）、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、椴葉山麻稈（Alchornea tiliifolia）、粉被金合歡（Acacia pruinescens）、野生風(fēng)輪草（Clinopodium chinensis）、豐花草（Borreriastricta）等。

崖豆藤群落（ML），恢復(fù)年限約 42 a，海拔568 m，蓋度90%左右，凋落物層厚4－5 cm。樣地主要植被：思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、椴葉山麻稈（Alchornea tiliifolia）、豬肚木（Canthium horridum）、銹毛魚藤（Derris ferruginea）、鈍葉金合歡（Acacia megaladena）、滇南九節(jié)（Psychotria henryi）、剛莠竹（Microstegium ciliatum）、銀葉砂仁（Amomum sericeum）等。

高檐蒲桃群落（SO），恢復(fù)年限約53 a，海拔619 m，蓋度95%左右，凋落物層厚6－7 cm。樣地主要植被：高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、雞嗉子榕（Ficus semicordata）、印度栲（Castanopsis indica）、云南黃杞（Engelhardia spicata）、黑風(fēng)藤（Fissistigma polyanthum）、南山花（Prismatomeris connata)、多型叉蕨（Tectaria polymorpha）、紅豆蔻（Alpinia galanga）、子分叉露兜（Pandanus furcatus）等。

1.2 N2O氣體采集

在以上3種群落中隨機(jī)選擇3個(gè)重復(fù)樣地（40m×40m），每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)布置3個(gè)樣點(diǎn)。采用靜態(tài)暗箱法采集氣體。該裝置為50 cm×50 cm×20 cm四面和頂部密封的 PVC材質(zhì)采樣箱。箱底邊緣設(shè)有水槽，試驗(yàn)時(shí)往槽里加水以防止箱子和底座的接觸處漏氣，在冬季則用密封條密封防止漏氣。箱頂內(nèi)部有小風(fēng)扇，用于混合箱內(nèi)氣體。采氣孔開在箱壁上。在2017年3月25－26日、6月29－30日、9月26－27日、12月29－30日分別進(jìn)行N2O氣體采集，每次取樣時(shí)間為9:00－11:00，以此代表日平均通量值（Zhu et al.，2008）。采樣開始時(shí)開啟小風(fēng)扇5 min，使箱內(nèi)氣體混合均勻，立即用100 mL注射器采集第一次樣品，氣體樣品儲(chǔ)存于密封鋁箔氣袋中，在采樣的同時(shí)記錄下箱內(nèi)溫度和氣壓。分別抽取蓋箱后10、20 min時(shí)的氣體樣品。氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，待測(cè)。

表1 不同群落類型土壤理化性質(zhì)大小比較Table 1 Soil chemical and physical properties in three community types

1.3 N2O氣體排放通量的計(jì)算

使用氣相色譜儀GC7900進(jìn)行分析，N2O檢測(cè)器ECD，檢測(cè)溫度為330 ℃，載氣為高純度氮?dú)狻2O氣體通量的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為 N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；M為氣體的分子量；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 mol氣體的體積；H為箱子高度；dc/dt為單位時(shí)間采氣箱內(nèi)痕量氣體濃度的變化率；T為箱內(nèi)溫度。

1.4 土壤理化性質(zhì)分析

采用便攜式土壤水分溫度測(cè)量?jī)x（SIN-TN8）同步測(cè)定3個(gè)土層（0－5、5－10、10－15 cm）的土壤溫度。為了獲得真實(shí)的土壤理化性質(zhì)，破壞性取樣采集各層土壤樣品，裝于自封袋中，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定。土壤含水率（%）采用烘干稱量法（105 ℃，24 h）；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；pH采用電位法（土水比為1∶2.5，m/V）測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；土壤易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定；土壤微生物生物量碳采用液態(tài)氯仿熏蒸浸提-水浴法測(cè)定（陳果等，2006）；全氮采用擴(kuò)散法測(cè)定（中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì)，1983）；水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；銨態(tài)氮采用氧化鎂浸提擴(kuò)散法測(cè)定；硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

將所采集的數(shù)據(jù)（N2O通量、土壤微生物量碳、土壤有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、土壤溫度等）整理于Excel中并進(jìn)行作圖比對(duì)分析。運(yùn)用SPSS 17.0中的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析樣地理化性質(zhì)差異顯著性，用Canoco的主成分分析（PCA）研究土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤N2O排放通量時(shí)間動(dòng)態(tài)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量比較

對(duì)西雙版納不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果表明，土壤N2O排放通量具有顯著差異（圖1，P＜0.05）。3種不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量大小順序?yàn)椋焊?檐 蒲 桃 群 落 (462.4 μg·m-2·h-1)＞ 崖 豆 藤 群 落(378.93 μg·m-2·h-1)＞白背桐群落(310.68 μg·m-2·h-1)，表明熱帶森林土壤 N2O排放通量在演替后期都比演替初期大。高檐蒲桃群落土壤N2O排放通量分別是白背桐群落和崖豆藤群落的1.49倍和1.22倍。

圖1 熱帶森林不同演替階段土壤N2O排放通量變化Fig. 1 Change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests.

2.2 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的時(shí)間變化

對(duì)不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量隨月份的變化進(jìn)行觀測(cè)（圖 2），結(jié)果表明，不同演替階段熱帶森林樣地土壤N2O排放通量月變化存在顯著波動(dòng)（P＜0.05）。不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的月份變化均表現(xiàn)為6月最高，繼而逐漸降低，12月最低。6月不同樣地土壤N2O排放通量：白背桐群落為 630.78 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落為 738.38 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落為 892.46 μg·m-2·h-1。12月樣地土壤 N2O 排放通量：白背桐群落為 94.3 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落為 102.56 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落為 127.09 μg·m-2·h-1。

圖2 不同演替群落熱帶森林不同月份土壤N2O排放通量變化Fig. 2 Monthly change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests

2.3 土壤溫度和水分變化對(duì)不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量的影響

采用線性、指數(shù)及多項(xiàng)式對(duì)熱帶森林不同演替階段熱帶森林土壤溫度與 N2O排放通量進(jìn)行回歸分析，選取擬合度最高的多項(xiàng)式進(jìn)行分析（表2），結(jié)果表明3個(gè)樣地土壤溫度均與N2O排放通量達(dá)到極顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤N2O排放通量隨著溫度的升高呈增加趨勢(shì)。土壤溫度對(duì)土壤N2O排放通量的貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋焊唛芷烟胰郝?84.06%)＞崖豆藤群落(65.29%)＞白背桐群落(80.1%)。因此，土壤溫度是影響不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量的一個(gè)重要調(diào)控因子。

表2 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤溫度的關(guān)系Table 2 Relationship between soil N2O emission flux and soil temperature in three secondary succession stages of tropical forests

采用線性、指數(shù)及多項(xiàng)式對(duì)熱帶森林3不同演替階段熱帶森林的土壤水分與土壤 N2O排放通量進(jìn)行回歸分析，選取擬合度最高的多項(xiàng)式進(jìn)行分析（表3），結(jié)果表明，3個(gè)樣地的土壤水分均與土壤N2O排放通量達(dá)到極顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤N2O排放通量隨著水分的增加呈增加趨勢(shì)。土壤水分對(duì)土壤N2O排放通量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：高檐蒲桃群落(83.5%)＞崖豆藤群落(79.74%)＞白背桐群落(72.52%)。因此，土壤水分是不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量時(shí)間動(dòng)態(tài)的另一個(gè)重要的非生物調(diào)控因子。

表3 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤水分的關(guān)系Table 3 Relationship between soil N2O emission flux and soil moisture in three secondary succession stages of tropical forests

采用雙因素模型對(duì)熱帶森林3不同演替階段熱帶森林土壤 N2O排放通量與土壤溫度和水分進(jìn)行分析。選取擬合度最高的多項(xiàng)式進(jìn)行分析（表4），結(jié)果表明，3個(gè)樣地的土壤溫度和水分均與土壤N2O排放通量達(dá)到極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。土壤溫度和水分對(duì)土壤N2O排放通量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：高檐蒲桃群落(87.4%)＞崖豆藤群落(72.6%)＞白背桐群落(74.2%)。因此，土壤溫度和水分土壤溫度作為影響土壤N2O排放的重要因子，二者相互影響，協(xié)同作用于不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放。

表4 不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量與土壤溫度和水分的關(guān)系Table 4 Parameters of the correlation model of soil N2O emission flux with soil temperature and moisture in three secondary succession stages of tropical forests

2.4 土壤N2O排放通量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

采用主成分分析法研究土壤理化環(huán)境變化對(duì)土壤N2O排放通量的影響（圖3），結(jié)果表明，高檐蒲桃群落中，土壤有機(jī)碳、土壤微生物量碳、全氮等土壤指標(biāo)對(duì)土壤 N2O排放通量的影響最為顯著。崖豆藤群落與高檐蒲桃群落中，土壤水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤水解氮和易氧化碳對(duì)土壤N2O排放通量的影響最顯著。土壤pH和容重與N2O排放通量呈顯著負(fù)相關(guān)，其中白背桐群落最為顯著。按箭頭夾角來看，土壤易氧化碳、土壤水解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對(duì)土壤N2O排放通量的貢獻(xiàn)最大。

圖3 不同演替階段土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤N2O排放通量影響的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis for the effect of soil physicochemical properties on soil N2O flux in three succession stages

3 討論

本研究表明，西雙版納熱帶森林演替進(jìn)程能夠顯著影響土壤 N2O排放通量，演替后期土壤 N2O排放通量顯著高于演替初期。一方面，演替后期植被群落覆蓋度較大，具有較多的凋落物輸入，能夠刺激土壤微生物的數(shù)量增長(zhǎng)及活動(dòng)，使得土壤硝化和反硝化作用增強(qiáng)，因此，土壤N2O排放通量隨植被群落的次生演替進(jìn)程加快而增大。另一方面，土壤N2O排放通量一般隨環(huán)境變化而改變，白背桐群落處于演替初期，其植被多樣性較簡(jiǎn)單，覆蓋度低，群落內(nèi)溫度、濕度變化較大（王邵軍等，2016），故土壤N2O排放通量較低。隨著演替年限的增加，崖豆藤群落和高檐蒲桃群落的植被與環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定與復(fù)雜，土壤含水率相對(duì)較高，增強(qiáng)了厭氧環(huán)境使得反硝化作用增強(qiáng)（張寒等，2017），從而提高了土壤N2O排放通量。因此，恢復(fù)年限能夠通過影響?zhàn)B分輸入及樣地微生境而調(diào)控土壤 N2O排放通量。

熱帶森林次生演替對(duì)土壤 N2O排放通量的時(shí)間變化產(chǎn)生了顯著影響。研究表明，土壤N2O排放通量受到土壤溫度、濕度、微生物組成等時(shí)間動(dòng)態(tài)的影響，從而導(dǎo)致不同次生演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量隨月份變化具有明顯差異（李海防等，2011；Baral et al.，2014；孫文浩等，2017）。本研究中，白背桐群落、崖豆藤群落及高檐蒲桃群落在不同月份土壤 N2O排放通量的差異都達(dá)到了顯著水平，說明N2O排放受不同次生演替階段樣地月份環(huán)境差異的變化較大。不同演替階段熱帶森林土壤N2O排放通量時(shí)間變化，均表現(xiàn)為6月最高、12月最低，這種變化規(guī)律與蘇王娟等（2012）對(duì)亞熱帶典型丘陵坡地馬尾松林土壤 N2O通量季節(jié)變化相類似。本研究區(qū)位于北熱帶區(qū)域，夏季水熱條件優(yōu)越，使土壤微生物活性增強(qiáng)，有利于土壤N2O產(chǎn)生與排放（Scheer et al.，2011；劉碩等，2013），而12月氣溫和水分相對(duì)較低，土壤微生物的活性減弱，不利于土壤N2O排放。

土壤 N2O主要通過微生物的硝化與反硝化作用產(chǎn)生。微生物活動(dòng)加劇，呼吸作用加劇，消耗了土壤中的O2，形成厭氧環(huán)境，間接增強(qiáng)土壤微生物的反硝化作用（Cannavo et al.，2004），從而使N2O排放增多。本研究中，高檐蒲桃熱帶森林土壤微生物生物量碳對(duì)土壤 N2O排放通量的影響最為顯著（表1）。高檐蒲桃群落植被豐富，地表枯落物較多，溫度與水分相對(duì)較高，顯著增加了土壤微生物的數(shù)量和活性，促進(jìn)了土壤硝化與反硝化作用，土壤N2O排放通量達(dá)到最大。田松巖等（2014）研究表明，不同熱帶森林群落導(dǎo)致凋落物輸入的種類與數(shù)量不同，進(jìn)而影響微生物群體的數(shù)量，最終使硝化和反硝化作用增強(qiáng)，使土壤N2O排放速率加強(qiáng)。

土壤pH對(duì)N2O凈排放的影響十分復(fù)雜。有研究表明，土壤pH與N2O排放的關(guān)系，取決于產(chǎn)生N2O的主導(dǎo)過程是硝化作用還是反硝化作用（Wang et al.，2013；Chen et al.，2015）。本研究中隨著熱帶森林次生演替的進(jìn)行，土壤pH值不斷下降（表1），N2O排放通量不斷增加，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)（圖3）。Wolf et al.（2003）研究表明，酸性森林土壤（pH＜3.8）主要通過反硝化過程產(chǎn)生N2O，低pH的土壤NO3－反硝化的最終產(chǎn)物是N2O，而高pH土壤的最終產(chǎn)物可能是N2。雖然N2O主要產(chǎn)生于反硝化過程，但也受到硝化過程活性的驅(qū)動(dòng)。目前涉及酸性森林土壤 N2O的具體產(chǎn)生途徑的研究仍然缺乏。本研究中土壤容重隨著演替的進(jìn)行逐漸減小，而土壤N2O排放卻逐漸增大，這是因?yàn)檠萏婧笃诘母唛芷烟胰郝渲脖环N類較多，植物根系發(fā)達(dá)，導(dǎo)致樣地區(qū)域土壤較為疏松，改善了較為黏重的磚紅壤，增加了土壤的透氣性，可能有利于微生物的活動(dòng)，從而促進(jìn)了硝化作用，增加土壤N2O排放。

主成分分析結(jié)果表明，熱帶森林次生演替主要引起土壤易氧化有機(jī)碳、水解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等土壤碳、氮養(yǎng)分的改變，從而對(duì)土壤N2O排放通量產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)存在樣地的差異性。前人研究表明，N源是硝化作用和反硝化作用生物過程導(dǎo)致森林土壤N2O產(chǎn)生中的最主要因素（Li et al.，2009）。大量的有機(jī)質(zhì)為硝化和反硝化微生物提供了更多的N源，因此，增加了土壤N2O的排放（Li et al.，2010）。李睿達(dá)等（2014）研究表明，有機(jī)碳能顯著促進(jìn)N2O排放，且排放通量隨著有機(jī)碳含量的增高而增高。熱帶森林演替能夠引起土壤全氮含量的增加進(jìn)而對(duì)土壤 N2O排放通量產(chǎn)生顯著影響。在西雙版納地區(qū)水熱條件優(yōu)越，使得氮被大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，為硝化作用和反硝化作用提供了充足的反應(yīng)底物，從而對(duì)N2O排放通量產(chǎn)生一定影響。土壤全氮含量在演替初期最?。ū?），說明全氮含量隨著熱帶森林群落演替而逐漸加大，從而影響土壤N2O的產(chǎn)生。因此，本研究結(jié)果與前述研究基本一致，但存在一定的差異，熱帶森林土壤養(yǎng)分含量影響土壤植物根系更明顯，土壤微生物與土壤動(dòng)物的數(shù)量更多、活性更高，影響土壤N2O排放通量的生態(tài)學(xué)過程更加顯著。

4 結(jié)論

西雙版納熱帶森林植物群落演替過程中土壤N2O排放通量時(shí)間變化顯著，表明熱帶森林群落演替過程中的植被與土壤環(huán)境變化使土壤 N2O排放不同。由于位于高溫高濕的熱帶環(huán)境，土壤溫度、水分及土壤養(yǎng)分影響土壤 N2O排放通量時(shí)間動(dòng)態(tài)變化更加明顯，同時(shí)也存在一定的地域特殊性。目前關(guān)于中國(guó)熱帶森林土壤 N2O排放通量時(shí)空動(dòng)態(tài)及其主要調(diào)控因素的研究，仍然十分缺乏，并存在一定的不確定性。本研究結(jié)果將有助于正確理解熱帶森林土壤 N2O排放通量的過程及機(jī)制以及熱帶森林在全球碳氮平衡中的地位及作用。