不同土地利用類型土壤溫室氣體排放對(duì)溫濕度的響應(yīng)

桑文秀 楊華蕾 唐劍武

摘要： 針對(duì)我國(guó)南方紅壤（江西鷹潭孫家壩小流域）4種不同土地利用類型， 在2019年6—10月開展了室內(nèi)土壤溫濕度控制實(shí)驗(yàn)， 采用溫室氣體分析儀（Picarro-G2508）結(jié)合靜態(tài)箱法對(duì)土壤溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放通量進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 以研究全球氣候變化背景下不同土地利用類型土壤溫室氣體排放差異及其對(duì)溫濕度的響應(yīng). 結(jié)果顯示， 4種土地利用類型土壤的全球增溫潛勢(shì)（global warming potential， GWP）從高到低依次為稻田、橘園、林地、旱地， 表明稻田土壤溫室氣體排放對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)最大. 溫控實(shí)驗(yàn)中， 土壤呼吸（CO2排放）與土壤溫度呈顯著正指數(shù)相關(guān)關(guān)系（p < 0.01）， 且4種土地利用類型土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)Q10值分別為林地2.61、旱地2.51、橘園3.12、稻田3.17. 其中， 稻田土壤呼吸的溫度敏感度最高， 表明稻田土壤具有較高的CO2排放潛力， 而CH4、N2O排放與土壤溫度的相關(guān)性不顯著. 濕度控制實(shí)驗(yàn)中， 土壤CO2排放隨土壤濕度增加而先升高后降低， 并在土壤濕度20% GWC （gravity water content）時(shí)達(dá)到最大； 稻田土壤CH4排放與土壤濕度正相關(guān)（R2 = 0.887 5）， 但其他3種土地利用類型土壤CH4排放與土壤濕度不相關(guān)； 4種土地利用類型土壤N2O排放通量均隨土壤濕度的增加呈先增后減趨勢(shì)，并在土壤濕度為25% GWC時(shí)達(dá)到峰值.

關(guān)鍵詞： 土地利用類型； 溫室氣體； 紅壤； 溫度； 濕度

中圖分類號(hào)： S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.013

Response of soil greenhouse gas emissions to temperature and moisture across different land-use types

SANG Wenxiu1， YANG Hualei1， TANG Jianwu1，2

（1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. Institute of Eco-Chongming， Shanghai 202162， China）

Abstract： In this paper， soil samples were collected from the red soil region of southern China （namely， the Sunjiaba small watershed in Yingtan， Jiangxi） across four different land-use types. Laboratory incubation experiments were subsequently carried out from June 2019 to October 2019. We used a closed chamber to measure soil greenhouse gases （CO2， CH4， N2O） simultaneously with the help of an advanced greenhouse gas analyzer （Picarro-G2508）. The aim was to explore the response of soil greenhouse gas emissions across different land-use types to changes in temperature and soil moisture levels under the premise of global climate change. The results showed that the global warming potential （GWP） of the four land-use types increases with paddy， orangery， forest， and upland， respectively. This suggests that greenhouse gas emissions from paddy soils have the greatest relative impact on global warming. In a temperaturecontrolled experiment， soil CO2 emissions were shown to have a significant positive correlation with soil temperature. The Q10 values of soil respiration coefficients for the four land-use types were： 2.61 （forest），2.51 （upland）， 3.12 （orangery）， and 3.17 （paddy）. Thus， paddy soil respiration has the highest temperature sensitivity， indicating that paddy soil has a higher CO2 emission potential. Correlations were not significant between CH4 and N2O emissions to soil temperature. In the moisture-controlled experiment， the results indicated that soil CO2 emissions increased at the beginning and then decreased with increasing soil moisture， with the maximum emission rate at 20% GWC （gravity water content）. CH4 emissions from paddy soils increased with soil moisture （R2 = 0.887 5）； CH4 fluxes from the other three land-use types， however， were not significantly related to soil moisture. The soil N2O emissions increased at the beginning and then decreased across the soil moisture range measured； all land-use types had the highest N2O fluxes at 25% GWC.

Keywords： land-use types； greenhouse gas； red soil； temperature； moisture

0 引 言

近年來(lái)， 由于全球氣候變暖， 海平面上升、水資源分布失衡等極端氣候事件頻發(fā)， 威脅著人類社會(huì)的生存和發(fā)展， 已引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-5]. 而溫室氣體排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，且與人類活動(dòng)密不可分. 因此， 研究生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放規(guī)律及其關(guān)鍵環(huán)境影響因子， 可以為制定碳氮減排政策、應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供理論基礎(chǔ)[6-7].

土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的碳庫(kù)和氮庫(kù)， 氣候變暖導(dǎo)致的土壤溫濕度變化可能通過(guò)改變土壤微生物活性、氧化還原電位、通氣率等， 繼而影響土壤CO2、CH4、N2O排放及土壤碳氮的源匯效應(yīng)[8-11]. 因此， 研究土壤溫濕度對(duì)土壤溫室氣體排放的影響具有重要意義. 以往研究表明， 土壤呼吸與溫度呈正指數(shù)相關(guān)關(guān)系[12-16]， 氣溫升高10℃， 土壤CO2釋放強(qiáng)度增加151%[17]， 而土壤溫度升高5℃， CO2排放通量則提高25% ～ 40%[12]. 此外， 研究顯示， 土壤CO2排放通量的峰值通常出現(xiàn)在60% WFPS （water-filled pore space， 充水孔隙度）[18]. 這些研究只關(guān)注于土壤CO2排放對(duì)溫濕度的影響， 而同時(shí)調(diào)查CO2、CH4、N2O這3種溫室氣體對(duì)土壤溫濕度響應(yīng)趨勢(shì)的研究鮮有報(bào)道.

紅壤是我國(guó)南方典型的土壤類型， 其土地利用類型多樣. 隨著糧食需求的增加， 大量林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦豙19]， 但是土地利用類型改變可能會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體匯源轉(zhuǎn)化， 從而導(dǎo)致氣候變暖[20-21]. 以往的研究主要關(guān)注同一種土地利用類型中土壤溫室氣體排放對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng). 例如， 魯江等[22]比較研究了紅壤稻田休耕及非休耕土壤CO2排放通量差異； 伍玉鵬等[23]評(píng)估了不同C/N下紅壤旱地土壤CO2、CH4、N2O排放通量； 劉玲玲等[24]估算了千煙洲紅壤丘陵區(qū)有凋落物和無(wú)凋落物林地土壤CO2、CH4、N2O平均排放通量. 這些研究只涉及了紅壤林地或農(nóng)田等某一種土地利用類型， 而土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)紅壤地區(qū)溫室氣體排放影響的研究還較少.

目前， 許多研究中應(yīng)用的溫室氣體監(jiān)測(cè)方法常使用氣袋在固定時(shí)間間隔采集氣樣后再利用氣相色譜儀對(duì)其進(jìn)行分析[25-27]， 這種方法測(cè)得的溫室氣體濃度代表每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值， 不具有連續(xù)性. 而Picarro-G2508溫室氣體分析儀實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)， 能夠更精確地獲得CO2、CH4、N2O通量數(shù)據(jù)，是目前最先進(jìn)的多組分溫室氣體分析儀之一.

本文通過(guò)室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)， 旨在研究江西孫家壩紅壤小流域4種不同土地利用類型（林地、旱地、橘園、稻田）土壤CO2、CH4、N2O排放通量差異及其對(duì)土壤溫濕度的響應(yīng)， 同時(shí)還評(píng)估了各土地利用類型紅壤的全球增溫潛勢(shì)， 研究結(jié)果將為南方紅壤生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放及碳匯估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)家戰(zhàn)略提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

供試土壤于2019年5月采自江西省鷹潭市余江縣孫家壩紅壤小流域（116°41′E ～ 117°09′E，28°04′ N ～ 28°37′ N）. 余江縣地處贛東北向鄱陽(yáng)湖平原的過(guò)渡地帶， 氣候溫?zé)岫嘤辏?土壤為中亞熱帶生物氣候旺盛的生物富集過(guò)程和脫硅富鐵鋁化風(fēng)化過(guò)程相互作用形成的紅壤. 所選4種土地利用類型分別是林地（6%）、旱地（48.7%）、橘園（19.8%）、稻田（24.8%）， 其中林地樹種以櫟樹（Quercus Linn）、女貞（Ligustrum lucidums）為主， 旱地種植芝麻（Sesamum indicum L.）和花生（Arachis hypogaea Linn.）， 橘園種植柑橘（Citrus reticulata）， 水稻（Oryza sativa L.）為雙季稻（見圖1）.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4種土地利用類型樣地各隨機(jī)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)（見圖1）， 每個(gè)采樣點(diǎn)分別設(shè)置3個(gè)1 m × 1 m的小樣方（間距約3 m）. 采集表層0 ～ 20 cm深土壤， 去除較大根系及石塊并混勻， 以代表該土地利用類型土壤樣品. 土壤初始基本理化性質(zhì)如表1所示.

于2019年5—7月進(jìn)行土壤分樣、馴化及預(yù)實(shí)驗(yàn). 預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 土壤濕度（重量含水率gravity water content， GWC）為25% GWC時(shí)， 土壤濕度達(dá)到土壤含水量飽和狀態(tài)； 當(dāng)土壤濕度為30% GWC時(shí)， 土壤濕度為淹水狀態(tài)（水位在土壤表層以上2 ～ 3 cm）.

在2019年8—10月開展了10℃、20℃、30℃、40℃共4個(gè)溫度梯度（75%空氣濕度， 20%土壤濕度） 和10%、20%、25%、30% GWC共4個(gè)濕度梯度（室溫20℃）的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn). 各取48個(gè)PVC管（直徑20 cm， 高35 cm）分別用于溫度與濕度的控制實(shí)驗(yàn)（各3次重復(fù)）. 在實(shí)驗(yàn)開始后的第0天、第1天、第2天、第4天、第6天、第8天、第10天、第12天測(cè)量土壤CO2、CH4、N2O排放通量， 并取穩(wěn)定后的數(shù)值作為反映該土壤濕度下土壤CO2、CH4、N2O排放數(shù)據(jù). 每3天稱重計(jì)算土樣GWC， 并通過(guò)添加去離子水補(bǔ)償散失水分以調(diào)節(jié)土壤濕度（測(cè)氣前一天澆水以減少氣體脈沖影響）.

1.3 參數(shù)測(cè)定

采用手持式多功能數(shù)采ProCheck （Decagon， EC-5， 美國(guó)）、土壤pH計(jì)（E-201-Z型， 雷磁， 中國(guó)）、土壤ORP計(jì)（TR-091型， 雷磁， 中國(guó)） 分別測(cè)量表層5 cm深土壤溫度（℃）、電導(dǎo)率（S·m–1）、土壤pH值、土壤氧化還原電位（mV）， 采用元素分析儀（Vario Macro CNS， Elemental Analyzer， 德國(guó)）測(cè)定土壤碳氮含量（%）[31]， 采用激光粒度儀（LS13320， Coulter， 美國(guó)）測(cè)量粒度[32]， 并統(tǒng)計(jì)粒徑小于2 μm的百分比即為土壤粘粒度（%）.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫室氣體排放對(duì)溫度的響應(yīng)

4種土地利用類型土壤CO2排放通量（即土壤呼吸）從高到低依次為稻田、橘園、林地、旱地（見圖2（a））， 且與溫度呈顯著正指數(shù)相關(guān)關(guān)系（p < 0.01， 見表2）. 根據(jù)土壤呼吸與溫度指數(shù)擬合結(jié)果（見表2）及Q10呼吸模型， 得到20%土壤濕度下4種土地利用類型土壤Q10值， 分別為林地2.61、旱地2.51、橘園3.12、稻田3.17， 表明稻田土壤溫度敏感性最高. 此外， 在40℃時(shí)， 稻田土壤CO2排放最高， 其通量達(dá)2.16 μmol·m–2·s–1， 可見相比于其他3種土地利用類型， 高溫對(duì)稻田土壤呼吸影響更大.

4種土地利用類型中稻田土壤CH4排放明顯高于其他土地利用類型， 且在10 ～ 30℃時(shí)略微增加，但當(dāng)土壤溫度達(dá)40℃時(shí)， 稻田土壤CH4排放大幅增加， 此時(shí)其平均排放通量為0.05 μmol·m–2·s–1，是30℃時(shí)CH4排放通量的約21倍（見圖2（b））. 然而， 其他3種土地利用類型土壤CH4排放隨溫度無(wú)明顯變化， 排放通量均接近于零. 綜上， 稻田土壤CH4排放與溫度正相關(guān)， 且受40℃高溫影響較大，而其他土地利用類型土壤CH4排放與溫度不相關(guān).

與CH4排放趨勢(shì)類似， 稻田土壤N2O排放通量明顯高于其他3種土地利用類型（見圖2（c））， 且隨溫度升高稻田土壤N2O排放上升. 在20℃以下時(shí)， 稻田土壤N2O排放增加緩慢， 但隨著土壤溫度的進(jìn)一步升高（30 ～ 40℃）， N2O排放通量迅速上升， 并在40℃時(shí)達(dá)到0.04 μmol·m–2·s–1. 這表明稻田土壤N2O排放對(duì)高溫響應(yīng)較大， 而其他3種土地利用類型土壤N2O排放與溫度無(wú)顯著相關(guān)性.

2.2 土壤溫室氣體排放對(duì)濕度的響應(yīng)

如圖3（a）所示， 4種土地利用類型中稻田土壤具有最高的CO2排放通量. 此外， 4種土地利用類型土壤CO2排放通量均隨土壤濕度的升高呈先增加后減小趨勢(shì)， 并在土壤濕度為20% GWC時(shí)達(dá)到峰值（見圖3（a））. 綜上， 我國(guó)南方紅壤土壤呼吸存在最適土壤濕度： 20% GWC， 較高和較低的土壤濕度均會(huì)抑制土壤CO2排放.

由圖3（b）可見， 稻田土壤CH4排放對(duì)土壤濕度的敏感性明顯高于其他3種土地利用類型. 總體來(lái)看， 稻田土壤CH4排放隨著土壤濕度增加而增加， 且統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明稻田土壤CH4排放通量與土壤氧化還原電位呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2 = 0.967， p < 0.05， 見圖4）. 可見增加的土壤濕度通過(guò)降低土壤氧化還原電位影響產(chǎn)CH4菌和CH4氧化菌， 進(jìn)而增加稻田土壤CH4排放. 而其他3種土地利用類型土壤CH4排放通量與土壤濕度無(wú)顯著相關(guān)性.

圖3（c）結(jié)果顯示4種土地利用類型N2O排放差異不大， 稻田土壤N2O排放略高于其他3種土地利用類型， 可見土地利用類型對(duì)紅壤N2O排放的影響較小. 另外， 隨著土壤濕度增加， 4種土地利用類型土壤N2O排放通量變化均為先增加后減少， 并在土壤濕度為25% GWC時(shí)達(dá)到峰值， 表明我國(guó)南方紅壤N2O排放的最適土壤濕度為土壤含水量飽和狀態(tài). 然而， 土壤濕度在20% GWC以下時(shí)， 土壤氧化還原電位較高， 4種土地利用類型土壤N2O通量接近于零.

2.3 不同土地利用類型土壤GWP

4種土地利用類型受土壤溫濕度影響的土壤GWP從高到低依次為稻田、橘園、林地、旱地（見圖5、圖6）， 這表明4種土地利用類型中稻田土壤對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)最大， 且稻田土壤GWP比其他3種土地利用類型高出一個(gè)數(shù)量級(jí)（見圖5）. 同時(shí)我們研究發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)土壤濕度一定時(shí)， 稻田土壤GWP隨溫度變化趨勢(shì)由N2O占主導(dǎo)（見圖2（b）、圖2（c）、圖5）， 而其他3種土地利用類型均為土壤CO2排放對(duì)GWP的貢獻(xiàn)率最大（見圖2（a）、圖5）. 此外， 當(dāng)土壤溫度一定時(shí)， 4種土地利用類型土壤GWP隨土壤濕度變化趨勢(shì)由N2O占主導(dǎo)（見圖3（c）、圖6）.

圖5表明4種土地利用類型土壤GWP均隨溫度升高而增加（R2 > 0.968 9）， 40℃時(shí)稻田土壤GWP達(dá)58.76 g·m–2·d–1， 是旱地土壤GWP（2.93 g·m–2·d–1）的20倍. 隨濕度增加， 4種土地利用類型土壤GWP先增后減， 當(dāng)土壤濕度為25% GWC時(shí)4種土地利用類型土壤具有最大的全球變暖潛力（見圖6）， 此時(shí)稻田土壤GWP為20.65 g·m–2·d–1. 可見， 相比于土壤濕度影響， 稻田土壤全球變暖潛力對(duì)40℃高溫更為敏感.

3 討 論

3.1 溫度影響

土壤微生物活動(dòng)是土壤呼吸的主要來(lái)源， 溫度通過(guò)影響土壤微生物活動(dòng)從而改變土壤CO2的釋放量[33]. 通常認(rèn)為， 土壤呼吸與土壤溫度存在指數(shù)正相關(guān)關(guān)系[16]. 本研究也表明， 4種不同土地利用類型土壤CO2排放通量均隨溫度升高而呈指數(shù)增加. 這可能是由于增溫會(huì)促進(jìn)土壤微生物活性并加速對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解， 從而提高土壤呼吸速率[12].

產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的共同作用決定CH4排放通量， 增溫通過(guò)提高土壤微生物活性、微生物生長(zhǎng)速率及產(chǎn)CH4酶的合成速率， 進(jìn)而促進(jìn)土壤CH4排放[34]. 丁維新等[35]研究結(jié)果表明， 高溫優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌種是以乙酸或H2/CO2為底物的甲烷八疊球菌， 其促使土壤產(chǎn)生較高CH4排放； 低溫的甲烷毛菌只能利用乙酸， 因此低溫土壤產(chǎn)CH4能力較弱； 而甲烷氧化菌不易受溫度變化的影響. 在本研究中，稻田土壤在40℃時(shí)的CH4排放通量明顯增加， 這可能是由于紅壤稻田土中可利用底物充足， 使得高溫條件下的產(chǎn)甲烷菌更有優(yōu)勢(shì)， 進(jìn)而促進(jìn)稻田土壤CH4排放.

硝化和反硝化作用作為土壤N2O的產(chǎn)生途徑， 也是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[36]. 在本研究10 ～ 40℃的土壤溫度范圍內(nèi)， 增溫會(huì)促進(jìn)稻田土壤N2O排放. 而當(dāng)溫度在20℃以下時(shí)， 稻田土壤N2O排放極弱， 表明低溫不利于土壤N2O的產(chǎn)生， 這與前人研究結(jié)果一致[37-38]. 但當(dāng)溫度繼續(xù)升高， 尤其在40℃時(shí)， N2O排放顯著增加， 這可能是由于高溫促進(jìn)土壤微生物活性及酶活性進(jìn)而加速硝化反硝化過(guò)程， 導(dǎo)致稻田土壤在高溫下產(chǎn)生更多N2O排放[9，39-40].

3.2 濕度影響

土壤水分通過(guò)改變可溶性有機(jī)質(zhì)的有效性影響土壤微生物對(duì)可溶性有機(jī)質(zhì)的利用， 同時(shí)通過(guò)影響微生物活性和土壤孔隙通透性， 從而在不同程度上影響土壤呼吸強(qiáng)度[41]. 4種土地利用類型土壤CO2排放隨土壤濕度升高而先增后減， 并在土壤濕度為20%時(shí)達(dá)到峰值. 這可能是由于在土壤濕度為10%時(shí)， 一定程度上的干旱脅迫抑制土壤呼吸速率， 而當(dāng)濕度適宜時(shí)（20% GWC）， 土壤微生物活性被激活從而促進(jìn)土壤呼吸[42]. 但隨著土壤濕度的進(jìn)一步增加（25% ～ 30% GWC）， 土壤孔隙充滿水分，此時(shí)土壤呈厭氧環(huán)境， 使得土壤微生物活動(dòng)受到抑制， 從而減弱土壤呼吸[43-44]. 而且土壤水分的增加會(huì)降低氣孔擴(kuò)散率， 這也會(huì)在很大程度上減少CO2排放通量[45]. 另外， 對(duì)于稻田而言， 這還可能是由于稻田土壤長(zhǎng)期處于高濕狀態(tài)（野外原位土壤濕度為25.6% GWC）， 從而積累了較多的有機(jī)碳， 當(dāng)土壤濕度降低（20% GWC）， 這些有機(jī)碳會(huì)加速分解， 進(jìn)而使CO2排放處于高位. 總體而言， 土壤濕度過(guò)低或過(guò)高時(shí)土壤呼吸均會(huì)受到抑制， 這與Kucera[46]的研究結(jié)果一致.

厭氧環(huán)境是產(chǎn)CH4的必要條件[47]. 淹水使得土壤氧化還原電位明顯降低， 從而形成厭氧環(huán)境[48-51].隨著氧化還原電位的下降， 土壤中的鐵、錳易被還原為Fe2+和Mn2+， 相當(dāng)于減少了甲烷氧化菌厭氧氧化的金屬類電子受體[11，52]， 所以隨著濕度增加土壤CH4消耗（氧化）率逐漸降低[53-54]. 本研究中稻田土壤在30%土壤濕度（淹水2 ～ 3 cm）時(shí)觀測(cè)到0.004 μmol·m–2·s–1的CH4排放通量， 顯著高于其他土壤濕度下的稻田土壤CH4排放通量， 這可能是由于淹水土壤此時(shí)的土壤含氧量下降， 導(dǎo)致甲烷氧化菌厭氧氧化的電子受體減少， 從而使CH4被氧化量減少， 最終產(chǎn)生較多CH4排放.

隨著土壤濕度的增加， 4種土地利用類型土壤N2O排放通量變化趨勢(shì)為先升高后降低， 并在土壤濕度25% GWC時(shí)達(dá)到峰值. 這可能是由于增加土壤濕度有利于提高反硝化菌活性， 從而促進(jìn)反硝化作用， 進(jìn)而釋放更多N2O[55]. 然而， 當(dāng)土壤濕度增加到30% GWC（淹水）時(shí)N2O排放通量減少， 一方面可能是由于淹水對(duì)N2O的溶解及其對(duì)透氣率的限制導(dǎo)致水層以上N2O濃度降低[56]， 另一方面可能是由于淹水會(huì)造成土壤缺氧并提高N2O還原酶活性和亞硝酸酶活性， 使得反硝化細(xì)菌進(jìn)一步將N2O還原成N2[39，57-58]， 從而降低了N2O排放通量. 綜上， 一定程度上的土壤濕度升高會(huì)增加N2O排放， 但長(zhǎng)期淹水可能會(huì)減小土壤N2O排放通量.

3.3 土地利用類型、GWP及碳減排展望

土地利用類型轉(zhuǎn)變通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、選擇微生物群落結(jié)構(gòu)等， 從而使不同土地利用類型土壤溫室氣體排放存在差異， 并導(dǎo)致其對(duì)溫濕度的響應(yīng)程度不同[59]， 本文的相關(guān)分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn). 本研究中稻田土壤表現(xiàn)出較高的CO2排放， 這可能是由于其土壤有機(jī)碳含量較高， 為土壤微生物提供充足底物以供土壤呼吸， 而這也反映了稻田土壤具有較高的固碳潛力[60]. 同時(shí)， 我們研究發(fā)現(xiàn)， 稻田土壤也是重要的CH4排放源， 這可能是由于稻田土壤底物充足且淹水之后產(chǎn)甲烷菌種群數(shù)量會(huì)快速升高， 從而在高溫或淹水時(shí)產(chǎn)生更多CH4排放[35，57]. 另外， 稻田土壤較其他土壤有更高的N2O排放通量， 一方面可能是由于稻田土壤中有足夠的有機(jī)碳底物供NO3？還原結(jié)合以進(jìn)行反硝化作用， 另一方面可能是由于稻田土壤較其他土壤有較高的施肥率， 而施肥可增加土壤氮素含量并為反硝化細(xì)菌提供足夠底物[61]， 從而促進(jìn)反硝化作用排放N2O. 此外， 施肥會(huì)改變土壤酸堿度， 其對(duì)土壤養(yǎng)分的有效性較大， 本實(shí)驗(yàn)亦測(cè)得稻田土壤pH值（5.50 ± 0.091）較低， 較小的pH則通過(guò)促進(jìn)N元素的活性進(jìn)而促進(jìn)稻田土壤N2O排放[62]. 以往研究表明橘園土壤N2O排放較高[61，63]， 而在本文中其N2O排放通量較低， 可能是本研究所采集的橘園土壤有機(jī)質(zhì)含量較低所導(dǎo)致的. 另外， N2O對(duì)稻田土壤GWP貢獻(xiàn)較大， 未來(lái)降低N2O排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是降低稻田總溫室效應(yīng)的關(guān)鍵. 而且已有研究表明農(nóng)田是N2O的主要來(lái)源， 農(nóng)業(yè)土壤的貢獻(xiàn)占人為N2O排放量的45%[64]， 這主要是由于氮肥的廣泛使用造成的， 而不同氮源及氮肥用量也會(huì)影響N2O排放， 對(duì)尿素等氮肥的科學(xué)使用有助于減緩氣候變暖， 有待進(jìn)一步開展施肥對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放影響的研究.

研究結(jié)果顯示， 增溫顯著提高紅壤GWP， 當(dāng)溫度從30℃升高到40℃時(shí)， 林地、旱地、橘園、稻田土壤分別增加12.76 t·hm–2·a–1、4.87 t·hm–2·a–1、6.91 t·hm–2·a–1、173.16 t·hm–2·a–1當(dāng)量的CO2排放. 由此可見， 稻田土壤具有巨大的碳排放潛力， 且對(duì)大氣中的溫室氣體濃度有顯著貢獻(xiàn)， 從而加劇全球氣候變暖. 此外， GWP在土壤濕度為25% GWC時(shí)達(dá)到排放峰， 且其對(duì)土壤濕度的響應(yīng)趨勢(shì)由N2O主導(dǎo)， 所以可通過(guò)調(diào)控土壤水分條件， 以針對(duì)性地減少土壤N2O排放， 從而降低農(nóng)田溫室氣體的綜合全球變暖潛力.

近年來(lái)， 隨著糧食需求的不斷增加， 土地利用類型更多地向農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變， 也造成更多的溫室氣體排放. 在日益增長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)用地需求與應(yīng)對(duì)全球變暖的溫室氣體減排行動(dòng)相矛盾的情況下， 減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放與增加農(nóng)業(yè)土壤固碳能力成為權(quán)衡之策. 在全球氣候變化背景下， 了解關(guān)鍵環(huán)境因子對(duì)溫室氣體排放的影響， 減小溫室氣體排放因子及排放量的不確定性， 以完善溫室氣體排放清單及預(yù)測(cè)模型， 對(duì)提升農(nóng)田固碳減排潛力乃至未來(lái)全球碳減排具有重要意義.

本研究所得結(jié)論還需要進(jìn)行野外驗(yàn)證， 結(jié)合野外原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善預(yù)測(cè)模型. 另外， 本研究分別做了同一濕度下的溫度梯度控制實(shí)驗(yàn)和同一溫度下的濕度梯度控制實(shí)驗(yàn)， 旨在探討單因子變化對(duì)土壤溫室氣體排放的定量影響， 之后還應(yīng)開展雙因子實(shí)驗(yàn)和多因子實(shí)驗(yàn)， 探討不同環(huán)境影響因子間是否存在相互作用， 并進(jìn)一步探討其交互作用對(duì)土壤溫室氣體排放的影響. 此外， 本文結(jié)果的不確定性還涉及監(jiān)測(cè)方法差異、影響程度定量分析、現(xiàn)有影響機(jī)理分析中的推測(cè)式分析， 還需進(jìn)一步探究并確定這些不確定性因素的影響. 對(duì)于土壤溫室氣體排放變化的生物化學(xué)機(jī)理方面， 未來(lái)應(yīng)深入開展土壤理化性質(zhì)及土壤微生物對(duì)不同土地利用類型土壤溫室氣體排放及其環(huán)境因子響應(yīng)的研究.

4 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)， 對(duì)我國(guó)南方紅壤地區(qū)林地、旱地、橘園、稻田4種不同土地利用類型土壤CO2、CH4、N2O排放通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 探討了4種土地利用類型土壤CO2、CH4、N2O排放差異及其對(duì)溫濕度的響應(yīng). 主要結(jié)論如下：

（1） 4種土地利用類型土壤CO2排放與土壤溫度呈顯著正指數(shù)相關(guān)關(guān)系（p < 0.01）， 且土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)Q10值分別為林地2.61、旱地2.51、橘園3.12、稻田3.17. 其中稻田土壤呼吸的溫度敏感性較高， 表明其較高的CO2排放潛力； 稻田土壤CH4和N2O排放均與溫度正相關(guān)， 而其他3種土地利用類型土壤CH4和N2O排放與溫度無(wú)顯著相關(guān)性.

（2）南方紅壤CO2排放隨土壤濕度增加而先升高后降低， 并在土壤濕度20% GWC時(shí)達(dá)到最大；稻田土壤CH4排放與土壤濕度正相關(guān)（R2 = 0.887 5）， 但其他3種土地利用類型土壤CH4排放與土壤濕度無(wú)顯著相關(guān)性； 而4種土地利用類型土壤N2O排放通量均隨土壤濕度的增加呈先增后減趨勢(shì)， 并在土壤濕度為25% GWC時(shí)達(dá)到峰值.

（3） 4種土地利用類型土壤GWP從高到低依次為稻田、橘園、林地、旱地. 由于稻田土壤較高的有機(jī)質(zhì)含量， 導(dǎo)致其在單位面積4種土地利用類型土壤中的全球變暖貢獻(xiàn)率最高， 同時(shí)這也反映出稻田土壤具有較大的固碳減排潛力. 此外， 相比于土壤濕度， 稻田土壤GWP對(duì)高溫的響應(yīng)更敏感.

致謝 感謝中科院鷹潭紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站提供的研究站位.

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（責(zé)任編輯： 李萬(wàn)會(huì)）