增溫對秦嶺溫帶森林土壤N2O 通量的影響

王小鴿 彭長輝 薛 巍 王 輝 李衛(wèi)忠

（1.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100）

由全球變暖導致的區(qū)域降水格局改變、物種消失及極端天氣增加等效應，極大地改變著地球生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境[1]。N2O 是3 種主要的溫室氣體之一，不僅能破壞臭氧層而且具有較高的全球增溫潛勢，它的輻射增溫潛勢是CO2的298 倍，且在大氣中停留時間達118 年之久[2]。工業(yè)革命以來，大氣中N2O 的濃度增加了20%[3]，未來其溫室效應可能會超過CO2[1,3]，將進一步加劇氣候變暖趨勢。

土壤是N2O 的主要排放源，其中森林土壤N2O 年排放量約為2.88～7.42 Tg，占全球土壤總排放量的60%[4-5]。N2O 的產生與氮素的生物轉化過程緊密相關，特別是硝化和反硝化過程。其中土壤溫度、濕度、土壤碳氮含量及pH 值等環(huán)境因素都會對N2O 產生相當大的影響[6-7]。全球氣候變暖背景下，森林土壤微生物活性、有機質及凋落物的分解速率等發(fā)生了改變，進而影響著森林土壤N2O 的排放[5,8]。因此有關森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O 排放對氣候變暖的響應規(guī)律的研究引起廣泛關注。已有學者通過模擬增溫實驗，研究了農田、草地、泥炭地、森林等生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)對氣候變暖的響應[9-12]。國內森林土壤氮循環(huán)的增溫控制實驗研究較少，主要集中在寒溫帶高緯度高海拔及亞熱帶地區(qū)[12-14]。其中，唐偲頔等[12]在亞熱帶森林的研究中發(fā)現增溫處理顯著降低了土壤硝態(tài)氮含量和土壤N2O 通量。魯旭陽等[14]對中國貢嘎山東部冷杉（Abies fabri）林的研究結果表明，增溫使土壤N2O 排放有所增加。不同的研究結果表明不同氣候帶森林土壤N2O 排放對氣候變化響應有較大差異。溫帶地區(qū)受雨熱同期的影響，森林土壤溫度和濕度變化劇烈，在一定程度上影響著該氣候帶內森林土壤N2O 的排放。隨著全球氣候變暖，研究升溫對溫帶森林土壤N2O 通量的變化，對了解和評估氣候變化對森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)具有重要意義。

秦嶺是我國暖溫帶與北亞熱帶氣候的分界線，屬我國氣候變化敏感區(qū)域。過去40 年我國秦嶺地區(qū)呈現平均氣溫增加和降雨減少的變化趨勢[15]，增溫干旱可能是未來100 年的變化趨勢，因此，在此開展增溫對森林土壤N2O 通量的影響研究，對于了解氣候變化對該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程具有重要價值。本研究以秦嶺主要植被類型銳齒櫟（Quercus alienavar.acutiserrata）林為研究對象，通過2 a 野外模擬增溫試驗對秦嶺土壤N2O 通量開展研究，分析氣候變暖對N2O 通量的影響和關鍵控制因子，以期為我國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)關鍵過程在對氣候變化響應的模擬提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省寧陜縣境內的火地塘林區(qū)（33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E）。該地區(qū)屬于暖溫帶濕潤氣候，年均氣溫為8～10 ℃，年均降水量為900～1200 mm，且多集中在每年的7—9 月，占全年降水量的50%。該區(qū)域海拔在800～2500 m，地形地貌復雜，山勢陡峭，一般坡度在30°～50°。土壤主要為山地棕壤土，有機層以及礦質層的平均厚度約為50 cm。區(qū)內森林植被類型主要是在20 世紀60—70 年代森林的全面皆伐后形成的天然次生林，類型復雜多樣，平均林齡在25～35 a，主要的植被類型為華山松（Pinus armandii）、油松（Pinus tabulaeformis）、銳齒櫟、秦嶺冷杉（Abies chensiensis）、紅樺（Betula albosinensis）、云杉（Picea asperata）、鵝耳櫪（Carpinus turczaninowii）等。

2 研究方法

2.1 增溫裝置及環(huán)境因子監(jiān)測

在火地塘林區(qū)選擇典型的銳齒櫟林，選取地勢相對平坦的3 個30 m×30 m 標準樣地。在每個標準樣地中，按隨機區(qū)組試驗設計要求重復設置6 塊3 m×4 m 小樣方，彼此間隔5 m 以上。在每個樣方內參照國際開頂式增溫法（OTC）進行土壤的增溫。OTC 增溫主要依靠聚集太陽輻射和減緩風速來進行增溫，是一種被動增溫方法。已有文獻顯示[16-17]，OTC 增溫處理可使空氣溫度增加2～6 ℃，土壤溫度增加0.5～5.0 ℃。本研究中OTC 是由8 mm 厚的透明丙烯酸樹脂（透光率達95%）制成的六邊形開頂式增溫小室（圖1），上下底邊分別長70 cm 和100 cm，地面傾角60°，離地面垂直高度52 cm，側邊長60 cm，高58.1 cm，上下底面積分別為1.273 m2和2.598 m2。保持林下植被自然狀態(tài)，于2016 年6 月底安裝OTC 裝置，在每個增溫小區(qū)對角線中間離地高1.3 m 處安置S?THB?M008 溫濕度傳感器（ONSET，美國），在OTC 內地表以下5 cm 和10 cm 的土壤中安裝紐扣式數字溫度傳感器（WatchDog B100 SPECTRUM Co.，美國）。所有傳感器均連接到數據記錄儀（H21?USB），每小時記錄1 次，并計算日平均溫度。

圖1 開頂式生長室示意圖Fig.1 Schematic diagram of open top chamber

采用靜態(tài)箱法測定土壤N2O 通量，頂箱由1 個直徑為25 cm PVC 圓柱管和1 個永久性頸圈組成，高50 cm。底座直徑為25 cm，高20 cm。頂端有2.5 cm 的平臺，用于與頂箱上的密封條對接，下端插入土壤內10 cm。采樣時將頂箱緊密扣在地箱上。觀測過程中地箱位置固定不變，以保證底座底部內的植被和土壤擾動最小。

2.2 樣品采集與處理

2016 年7 月至2018 年6 月，采集樣地內土壤N2O 通量進行測定。生長季（5—10 月）每月2 次，非生長季（11 至次年4 月）每月1 次。2017年10 月和2018 年1 月、4 月和6 月在測定土壤N2O 氣樣的當日，分別采集小樣方內0～20 cm 深度的土壤，每個小樣方內隨機選取6 個采樣點，每點取3 鉆，人工去除植物根系、動植物殘體和石塊等雜物，混合均勻后立即送往實驗室。4 ℃冰箱儲存，用于測定土壤含水量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有機碳、全氮等指標。

2.3 N2O 通量測定

先將靜態(tài)箱安置在底座上，迅速用膠帶密封，立即用10 mL 一次性真空采血針管從靜態(tài)箱中抽取氣體，采樣時間間隔為0、5、10、15、20 min，讀取0、20 min 時的箱內溫度，并將采樣管密封低溫保存，將所取的氣樣在24 h 內運回實驗室待測。采樣時間為10：00—11：00，并以此時測定值代表日均交換通量[5]。采回的氣樣用氣相色譜儀（Agilent 7890，Agilent Co.，USA）測定N2O 濃度。N2O 檢測器為電子捕獲檢測器（ECD），檢測器、分離柱的溫度分別是330、60 ℃，載氣為高純氮氣，流速為20 mL/min。N2O通量（F）采用如下公式進行計算：

2.4 土壤有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮測定

取10.0 g 干土質量的新鮮土樣，置于清洗干凈的廣口聚乙烯瓶，加入50 mL 2 mol/L 的KCl 溶液，震蕩1 h，取直徑為9 cm 的定量濾紙過濾后的液體，采用連續(xù)流動分析儀（Skalar Santt，Skalar Co.，荷蘭）測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。稱取0.5 g 干土質量的新鮮土樣，置于清洗干凈的廣口聚乙烯瓶，加入50 mL 去離子水，震蕩1 h，取直徑為9 cm 的定量濾紙過濾后的液體，用總碳分析儀（Liquil TOC Ⅱ，Elementar，德國）進行測定土壤有機碳含量，總氮含量用凱氏定氮儀測定（KjeltecTM8400 Analyzer，Foss，瑞典）。

2.5 數據處理

運用SPSS 13.0 和SigmaPlot 12.5 軟件進行數據分析與作圖。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較處理間差異顯著性，Pearson 相關性分析檢驗土壤N2O 通量與土壤溫度、土壤含水率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和土壤有機碳、全氮含量之間的關系。

3 結果與分析

3.1 增溫對小氣候的影響

由圖2 可以看出，增溫條件下，2016 年7 月至2018 年6 月期間，地表以下5 cm 處溫度（T5）、地表以下10 cm 處溫度（T10）和氣溫平均溫度值分別比對照提高0.25、0.43 ℃和1.1 ℃，氣溫的增溫幅度最高。不同季節(jié)之間，與對照相比，T5和T10均在夏季增溫幅度最大，平均增幅大于1 ℃。春季次之，秋季和冬季幾乎沒有變化。增溫條件下土壤含水量并沒有顯著下降，在6 月、7 月、9 月，比對照平均增加了12.3%?？赡苁且驗樵诮涤炅肯鄬^多的月份，增溫可能會促進土壤含水量的增加[18]。本研究區(qū)域由于降雨量多集中在夏季，增溫使含水量增加的作用也相對明顯。不同增溫時期，與對照相比，隨著增溫時間延長，土壤T5的平均溫度先降低后增加，而土壤T10的平均溫度則呈下降趨勢。同時土壤平均含水量隨著增溫時間的延長總體也呈下降趨勢。

圖2 OTCs 增溫條件下土壤5、10 cm、大氣日平均溫度和土壤含水量的動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of soil temperature at 5 cm and 10 cm,daily mean air temperature and water-filled pore space after soil warming

3.2 增溫對土壤N2O 通量的影響

由圖3 可知，增溫條件下，銳齒櫟林土壤N2O 年排放量為(1.88±0.57) kg/(hm2·a)，與對照相比，增溫處理使銳齒櫟林土壤N2O 通量顯著增加了13.9%。不同季節(jié)增溫效果存在差異：與對照相比，增溫顯著增加了銳齒櫟林春季（21.2%）和夏季（17.6%）的土壤N2O 通量（P<0.05）（圖4）。與對照相比，增溫初期N2O 增加幅度較大，隨著增溫時間延長，土壤平均N2O 通量總體呈降低趨勢。

圖3 增溫條件下土壤N2O 通量動態(tài)變化特征Fig.3 Dynamics of soil N2O flux after soil warming

圖4 增溫條件下土壤N2O 通量季節(jié)變化Fig.4 Season patterns of soil N2O flux after soil warming

3.3 增溫對土壤碳氮含量的影響

增溫處理使土壤碳氮含量發(fā)生顯著變化（表1）。與對照相比，增溫處理使土壤銨態(tài)氮含量下降了7%，硝態(tài)氮含量增加8.4%（P<0.05），其中硝態(tài)氮含量差異顯著（除1 月外）（P<0.05）；與對照相比，增溫處理顯著降低了銳齒櫟林土壤有機碳含量（除1 月外）（P<0.05），分別下降了33.06%、20.34%、30.3%和37.48%。土壤增溫顯著降低了銳齒櫟林土壤全氮含量的含量，2017 年10 月至2018 年6 月，平均下降了34.9%。土壤增溫顯著提高了10 月和1 月的C/N（P<0.05），分別增加了11.7% 和15.6%，但6 月下降了3.4%。

表1 增溫條件下土壤碳氮含量Table 1 Soil carbon-nitrogen contents after soil warming

3.4 增溫條件下土壤N2O 與土壤特性的相關性

相關分析結果顯示（表2），銳齒櫟林土壤N2O 通量與土壤溫度、含水量、硝態(tài)氮，均具有顯著的正相關（P<0.05），與土壤有機碳含量具有顯著負相關（P<0.05）。土壤有機碳含量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮有明顯的正相關。增溫條件下銳齒櫟林土壤溫度和硝態(tài)氮含量與土壤N2O 通量的相關系數較高。

表2 增溫條件下土壤N2O 通量與土壤特性的Person 相關性分析Table 2 Person correlation analyses of N2O flux and soil characteristics after soil warming

4 結論與討論

N2O 是重要的溫室氣體，土壤N2O 的產生與N 循環(huán)過程密切相關，對森林生態(tài)系統(tǒng)有重要作用。大量研究顯示土壤溫度通過影響微生物活性進而影響N2O 產生速度[5,19-21]。土壤增溫對N2O排放的影響是不一致的，研究認為土壤增溫提高了微生物活動，刺激氮礦化而使氮供應增加，從而使N2O 排放升高[21-22]；另有研究認為，在亞熱帶地區(qū)，增溫盡管增加了土壤的N 礦化率，但也使土壤N 淋溶大幅上升，減少了土壤中的硝態(tài)氮含量[23]。因此增溫對N2O 無影響。本研究中，增溫顯著增加秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 通量，但對各季節(jié)的影響不一致。以夏季和春季土壤N2O 通量增加幅度最大。這可能與研究區(qū)土壤水分的季節(jié)差異有關，夏季降水充沛，土壤濕度一直保持在較高的水平。當水分并非限制因子時，土壤溫度的增加會促進有機質的分解速率[24-25]，因此增溫處理導致了土壤N2O 排放通量的提高。而冬季當溫度低于零度時，微生物活性受到抑制，土壤N2O 通量低于夏季。增溫后N2O 排放高峰出現在夏季，與土壤微生物活動一致，加速了土壤N2O的排放。這個結果與前人研究一致[26-27]，認為增溫對N2O 排放的影響只表現在生長季，而非生長季尤其是冬季由于溫度太低，N2O 排放量沒有影響。同時秦嶺山區(qū)雨熱同期，增溫并沒有引起土壤含水量的顯著下降，因此水分并不是影響該區(qū)域土壤N2O 排放的主要限制因子。盡管如此，銳齒櫟林土壤含水量依然與N2O 通量存在顯著的相關性，需要進一步研究土壤水分N2O 排放的影響機制。

研究結果顯示，增溫條件下，銳齒櫟林土壤N2O 通量隨增溫時間的延長總體呈下降趨勢，表明增溫初期，土壤溫度增加明顯，土壤微生物活性和對有機質分解速率加快，隨著增溫時間延長，土壤微生物活性和有機質分解速率下降。

土壤有效氮是土壤中容易被吸收利用的氮，對氮循環(huán)有重要意義。多數研究表明溫度升高加速氮周轉速率，增加凈N 礦化率，從而增加了森林土壤無機氮含量[22,27-28]。高思齊等[19]研究報道，溫度升高使參與硝化和反硝化過程的氨氧化和反硝化細菌豐度顯著提高，說明溫度升高有利于土壤反硝化和氨氧化過程，導致有效氮含量增加，促進土壤N2O 的排放。研究結果顯示增溫顯著提高了秦嶺銳齒櫟林土壤硝態(tài)氮含量，N2O 的排放量增加。Brzostek 等[29]研究發(fā)現，土壤增溫顯著增加了夏季土壤硝態(tài)氮含量，增加了生長季土壤N2O 的排放。結果也顯示，6 月銳齒櫟林土壤硝態(tài)氮含量與對照相比顯著增加，夏季是土壤N2O 排放的高峰。有研究表明，土壤N2O 通量和土壤氮含量呈現顯著相關，其中與硝態(tài)氮呈顯著或極顯著正相關，這與本研究的結果一致。本研究發(fā)現秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 通量與硝態(tài)氮含量呈正相關，增溫使得土壤硝態(tài)氮含量增加，進而促進了土壤N2O 的排放。

土壤有機碳是大多數微生物的能量來源，通過控制土壤微生物的行為來影響N2O 的產生[19]。有機碳含量增加會促進微生物活性和生長，增加對氮素的消耗，因此研究認為，有機碳含量升高，會導致N2O 排放降低[7,30]。本研究顯示增溫顯著降低了銳齒櫟林土壤有機碳含量，可能的原因是增溫能促進土壤中的有機碳轉化為氣體釋放或向溶解性有機碳轉化，從而引起土壤有機碳含量下降。這與王一[25]研究增溫對暖溫帶銳齒櫟林土壤有機碳含量影響的結果一致，主要是由于土壤有機碳的分解速率受微生物分解者的代謝活性調控，微生物分解者的代謝活性通常隨著溫度的增加而增加。劉彥春[17]研究也顯示，增溫使土壤有機碳含量下降，全氮含量增加，使得土壤N2O排放提供了更多的機質。因此增溫促進了土壤中有機碳的分解作用。

N2O 排放與土壤C/N 負相關，原因可能是因為高的C/N 能使土壤氮固定，使土壤中可利用性氮含量減少，抑制N2O 排放[31]。有研究認為溫度升高會提高森林土壤微生物數量及活性，進而降低了土壤C/N。本研究發(fā)現增溫使銳齒櫟林土壤C/N 并未對N2O 通量產生顯著影響。

通過研究溫度升高對秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 排放通量和控制因子的影響，本研究結果表明，OTC 增溫對春夏季土壤溫度影響明顯，對土壤含水量并沒有影響。增溫處理顯著增加了土壤N2O 通量，增溫效果和土壤N2O 通量表現出顯著的季節(jié)響應差異，春季和夏季土壤N2O 通量增幅顯著。同時，隨著增溫時間延長，土壤溫度、含水量及土壤N2O 通量總體呈下降趨勢。溫度升高改變了土壤碳氮含量，影響了N2O 通量的變化。增溫處理降低了土壤全氮的含量，但使土壤硝態(tài)氮含量增加，土壤有機碳含量下降。相關分析結果表明，土壤溫度和硝態(tài)氮含量是影響土壤N2O 通量的關鍵因子。未來氣候變化過程中，土壤溫度的改變將會對該區(qū)域的碳氮循環(huán)產生影響，進而改變該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放過程。該研究結果對于揭示全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O 排放對全球N2O 排放的貢獻具有重要意義。