施肥对山核桃林地土壤N2O排放的影响

陈雪双， 刘 娟， 姜培坤， 周国模， 李永夫， 吴家森

(浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室， 浙江临安 311300)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在浙江省临安市太湖源镇浪岭角村，地理坐标为(30°19′ N，119°35′ E)，属中纬度北亚热带季风气候。全年降雨量平均1628 mm，多年平均气温为15.8℃，7月为最热月，平均为28.1℃，1月为最冷月，平均为3.4℃，极端高温和极端低温分别为41.9℃和-13.3℃，平均日照时数1939 h，无霜期234 d。土壤类型为板岩母质发育的红壤。山核桃林0—20 cm土壤基本理化性质如下：pH 4.69、容重1.20 g/cm3、有机质17.19 g/kg、总氮1.06 g/kg、碱解氮126.46 mg/kg、有效磷2.97 mg/kg、 速效钾88.7 mg/kg。

1.2 试验设计

2011年5月，选择坡度和坡向基本一致的山核桃林地作为试验用林。试验设对照(CK， 不施肥)、单施无机肥(IF)、单施有机肥(OF)、 有机无机肥配施(OIF，1/2有机肥和1/2无机肥)，每个处理设4次重复，共有16个小区，随机区组排列，每个小区面积为400 m2。试验中所有有机肥为商品有机肥(N 3%、 P2O51.8%、K2O 2.6%、C 35.1%)，无机肥分别为尿素(N 46.5%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)。肥料用量根据当地山核桃常规用量[13]。不同施肥处理的肥料用量均以等氮量计算，有机肥处理中，磷钾肥不足部分用过磷酸钙和氯化钾进行补充(表1)。5月底进行均匀撒施施肥，并翻耕入土，不施肥小区内只进行翻耕处理，同时进行静态箱的布置(每个小区1个)。

表1 试验各处理肥料用量(kg/hm2)

1.3 取样方法

在采集气体的同时，记录大气温度、地下5 cm土壤温度，并在每个小区采集0—20 cm土壤样品，充分混匀后带回实验室测定土壤水分含量、 水溶性有机碳含量、微生物量碳。首次采样由于仪器设备原因导致土壤微生物量碳数据缺失。

1.4 测定方法

土壤pH值测定用pH计法(土水比1 ∶2)； 总有机质含量用重铬酸钾-外加热法； 总氮用半微量凯氏定氮法； 碱解氮用碱解扩散法； 有效磷用HCl-NH4F浸提—钼锑抗比色法，速效钾用乙酸铵浸提—火焰光度计法进行测定。

用岛津GC-2014测定气样中的N2O浓度，N2O气体通过十通进样和四通切换阀，由电子捕获探测器(ECD)分析，温度为250℃，载气为高纯氮气。

温室气体N2O排放通量计算方法如下所示[7]：

(1)

式中：F为被测气体排放通量；V为箱体体积；A为箱底底面积；dCt/dt为单位时间取样箱内N2O浓度的变化量。ρ为标准状态下被测气体的浓度，1.25 kg/m3；T0和P0分别为标准状态下的空气绝对温度和气压(273K，1013hPa)；P和T为测定时箱内的实际气压和气温。在观测期内大气压力变化较小，因此在计算过程中把采样时箱内的大气压力认为是标准状况下的大气压力。

N2O累积排放量计算方法如下所示[14]：

M=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24

(2)

式中：M为被测气体N2O累积排放量；F为N2O排放通量；i为样品数量；t为采样时间。

土壤水溶性有机碳的测定参照Wu等[15]的方法进行，然后用有机碳分析仪(TOC-VCPH，岛津公司)测定滤液中的有机碳含量。土壤微生物量碳参考Vance等[16]氯仿熏蒸法-0.5 mol/L K2SO4提取法提取测定。

1.5 数据分析

本文中所有数据均是4次重复的平均值，利用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件进行分析处理。数据分析采取随机区组单因素方差分析(One-way ANOVA)，利用新复极差法(DMRT)在P<0.05显著性水平下分析不同处理间的差异性。用线性回归评价土壤N2O排放通量与土壤温度、土壤含水量、水溶性有机碳含量和微生物量碳之间的关系。

2 结果与分析

2.1 大气温度、降雨量、土壤温度及含水量的季节动态

图1 月均温度、降雨量、土壤温度(地下5 cm)及土壤含水量的年动态变化Fig.1 Seasonal variations in monthly mean temperature, monthly precipitation, soil temperature at 5 cm depth and soil moisture content of the 0-20 cm depth

2.2 不同施肥处理山核桃林地土壤的N2O排放通量动态变化

图2 不同施肥处理山核桃林地土壤N2O排放通量Fig.2 Effect of different fertilizer treatments on N2O flux in Chinese pecan stands soil

2.3 山核桃林地土壤水溶性碳和微生物量碳的动态变化

图3 不同施肥处理山核桃土壤水溶性有机碳和微生物量碳含量的动态变化Fig.3 Seasonal variations in the water soluble organic carbon and the microbial biomass carbon concentrations in Chinese pecan stands soil

2.4 土壤N2O通量与土壤温度、含水量、水溶性碳含量和微生物量碳的相关性

不同施肥处理土壤N2O通量与各因子的相关关系如表2所示，土壤N2O通量与地下5 cm处土壤温度具有显著相关性(P<0.05)，与土壤含水量无显著相关性。单施有机肥和有机无机肥配施处理土壤N2O通量与WSOC含量之间存在显著相关关系(P<0.05)；单施无机肥和对照的土壤N2O排放通量则与WSOC含量无显著相关。施有机肥和有机无机肥配施处理土壤N2O排放通量与MBC含量显著相关，对照处理则相关不显著。

3 讨论

3.1 山核桃林地土壤N2O排放特征

本研究表明，在试验观察期间，山核桃林土壤N2O通量呈明显的季节变化，在8月份排放最高，达到 0.16 N mg/(m2·h)，冬春季节排放量较低，甚至出现负值。这与前人在森林生态系统中的研究结果相似[9,17]，可能与土壤温度、水溶性碳和微生物量碳含量的季节性变化有关(图1B和图3)。夏季气温高而多雨，此时土壤水分和矿态氮含量较高，水分增加时土壤酶活性增强，特别是硝化和反硝化细菌，硝化和反硝化作用加快最终导致N2O排放增加[14]。而冬季温度较低雨水较少，硝化和反硝化细菌活性下降，进而造成土壤N2O排放速率减弱[18]。

表2 土壤N2O排放通量与土壤温度(地下5 cm处)、土壤含水量、水溶性碳和微生物量碳的相关性(R2)

3.2 不同施肥处理对山核桃林地土壤N2O排放的影响

土壤N2O排放通量与施肥活动密切相关，施肥可以为微生物活动提供大量的有效氮，促进由微生物参与硝化、反硝化、矿化及有机质的分解等过程，进而促进N2O的排放[24]。本研究发现，施肥处理对土壤N2O排放有明显的促进作用(P<0.05)(图2)，这与Rachhpal等[25]和Jassal等[26]的研究结果相似。原因可能是施加氮肥肥料能够为土壤微生物硝化提供有效氮源，同时促进土壤养分吸收，微生物频繁活动加强对土壤养分的利用，进而增加土壤N2O排放，另外施肥促进作物生长，根系呼吸增强，消耗土壤中的O2为反硝化细菌提供了局部厌氧环境，反硝化作用加快[26]。

另外本研究发现，土壤N2O排放速率表现为单施有机肥高于对照及单施无机肥处理(图2)，这与张蛟蛟等[9]在板栗林土壤中的研究结果一致，这可能是由于与单施无机肥相比，有机肥的施入增加土壤水溶性有机碳的含量(图3)，为土壤提供充足的有机氮源，刺激了硝化、反硝化土壤微生物的生长，土壤N2O的排放速率迅速增加[9,27]。这与李永夫等[7]在亚热带毛竹林地发现的单施尿素对N2O排放速率的影响达到显著水平不同，可能是由于施氮肥种类、施氮量差异对土壤微生物的硝化和反硝化的影响不同引起的。

3.3 不同施肥处理下土壤环境因子对山核桃林地土壤N2O排放的影响

土壤水溶性有机碳作为土壤活性有机碳，虽然它只占土壤总有机碳的较小部分，但在维持土壤养分和生物学肥力方面起着重要作用[32]。本研究发现，施用有机肥和有机无机肥配施的土壤水溶性有机碳含量明显增加，说明不同肥料处理对土壤水溶性有机碳含量的影响存在显著差异，有机肥相比化肥，不仅为微生物提供充分氮源，同时也提供充足碳源，刺激土壤微生物活动，增加微生物源的溶解性有机化合物[9]。单施有机肥和有机无机肥配施处理土壤N2O排放通量与土壤水溶性碳含量呈显著正相关(表2)，这可能是有机肥的添加增加土壤水溶性有机碳含量和土壤有机氮，硝化和反硝化作用底物增加，最终影响土壤N2O增加。

4 结论

1) 山核桃林地土壤N2O排放具有明显的季节性变化特征，表现为夏季排放通量较高，冬季排放通量较低。

2)不同处理条件下，山核桃林地土壤N2O排放与地下5 cm土壤温度呈显著相关，而与土壤水分无相关性。单施有机肥与有机无机肥配施处理土壤N2O排放速率与土壤水溶性有机碳含量和微生物量碳有显著相关性，单施无机肥和对照处理则相关性不显著。

3)施肥显著增加山核桃林地土壤N2O排放，不同施肥处理间没有显著差异。添加有机肥引起土壤水溶性有机碳和微生物量碳的增加可能是有机肥增加山核桃林地土壤N2O排放速率的主要原因之一。

参考文献:

[1] Intergovernmental panel on the climate change(IPCC). Climate change 2007:the physical science basis[R]. London, England:Cambridge University Press, 2007.

[2] Yashiro Y, Kadir W R, Okuda Tetal. The effects of logging on soil greenhouse gas (CO2, CH4, N2O) flux in a tropical rain forest, peninsular Malaysia[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2008, 148:799-806.

[3] Byrnes B H. Environmental effects of N fertilizer use an overview[J]. Fertilizer Research, 1990, 26:209-215.

[4] Liu X, Chen C R, Wang W Jetal. Soil environmental factors rather than denitrification gene abundance control N2O fluxes in a wet sclerophyll forest with different burning frequency[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57:292-300.

[5] Helena P, Iris P, Franz Betal. Influence of a nitrification inhibitor and of placed N-fertilization on N2O fluxes from a vegetable cropped loamy soil[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2012, 150:91-101.

[6] 于亚军,王小国,朱波.紫色土菜地生态系统土壤N2O排放及其主要影响因素[J].生态学报, 2012, 32(6):1830-1838.

Yu Y J, Wang X G, Zhu B. N2O emissions from vegetable farmland with purple soil and the main factors influencing these emissions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(6):1830-1838.

[7] 李永夫,姜培坤,刘娟,等.施肥对毛竹林土壤水溶性有机碳氮与温室气体排放的影响[J].林业科学, 2010, 46(12):165-170.

Li Y F, Jiang P K, Liu J,etal. Effect of fertilization on water-soluble organic C, N, and emission of greenhouse gases in the soil ofPhyllostachysedulisstands[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2010, 46(12):165-170.

[8] Zhang W, Mo J M, Yu G Retal. Emissions of nitrous oxide from three tropical forests in Southern China in response to simulated nitrogen deposition[J]. Plant and Soil, 2008, 306:221-236.

[9] 张蛟蛟,李永夫,姜培坤,等.施肥对板栗林土壤活性碳库和温室气体排放的影响[J].植物营养与肥料学报, 2013, 19(3):745-752.

Zhang J J, Li Y F, Jiang P Ketal. Effect of fertilization on the dynamic of soil N2O fluxes in Chinese chestnut stands[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(3):745-752.

[10] 黄兴召,黄坚钦,陈丁红,等.不同垂直地带山核桃林地土壤理化性质比较[J].浙江林业科技, 2010, 30(6):23-27.

Huang X Z, Huang J Q, Chen D Hetal. Comparison on soil physical and chemical properties at different vertical zones ofCaryaCathayensisstands[J]. Zhejiang Forestry Science and Technology, 2010, 30(6):23-27.

[11] 张春苗,张有珍,姚芳,等.临安山核桃主产区土壤pH值和有效养分的时空变化[J].浙江农林大学学报, 2011, 28(6):845-849.

Zhang C M, Zhang Y Z, Yao Fetal. Temporal and spatial variation of soil pH and nutrient availability forCaryaCathayensisorchards in Lin’an[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2011, 28(6):845-849.

[12] 王艳艳,赵伟明,赵科理,等.海拔高度对山核桃林地土壤pH值和有效养分的影响[J].现代农业科技, 2012, 17:224-231.

Wang Y Y, Zhao W M, Zhao K Letal. Effects of altitude on pH and available nutrients in Chinese hickory orchards[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2012, 17:224-231.

[13] 黄程鹏,吴家森,许开平,等.不同施肥山核桃林氮磷径流流失特征[J].水土保持学报, 2012, 26(1):43-52.

Huang C P, Wu J S, Xu K Petal. Runoff losses of nitrogen and phosphorus underCaryacathayensisstand with different fertilization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(1):43-52.

[14] Liu J, Jiang P K, Wang H Letal. Seasonal soil CO2efflux dynamics after land use change from a natural forest to Moso bamboo plantations in subtropical China[J]. Forest Ecology and Management, 2011, 262:1131-1137.

[15] Wu J S, Jiang P K, Chang S Xetal. Dissolved soil organic carbon and nitrogen were affected by conversion of native forests to plantations in subtropical China[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2010, 90(1):27-36.

[16] Vance E D, Brookes P C, Jenkison D C. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6):703-707.

[17] 李海防, 夏汉平, 傅声雷, 等. 剔除林下灌草和添加翅荚决明子对尾叶桉林土壤温室气体排放的影响[J]. 植物生态学报, 2009, 33(6):1015-1022.

Li H F, Xia H P, Fu S Letal. Emissions of soil greenhouse gases in response to understory removal andCassiaalataaddition in anEucalypitusurophyllaplantation in Guangdong province, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2009, 33(6):1015-1022.

[18] Lin S, Iqbal J, Hu R Getal.Nitrous oxide emissions from rape field as affected by nitrogen fertilizer management:A case study in Central China[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45:1775-1779.

[19] Arnold K V, Weslien P, Nilsson Metal. Fluxes of CO2, CH4and N2O from drained coniferous forests on organic soils[J]. Forest Ecology and Management, 2005, 210:239-254.

[20] Eickenscheidt N, Brumme R. NOxand N2O fluxes in a nitrogen-enriched European spruce forest soil under experimental long-term reduction of nitrogen depositions[J]. Atmospheric Environment, 2012, 60:51-58.

[21] Yan Y P, Sha L Q, Cao Metal.Fluxes of CH4and N2O from soil under a tropical seasonal rain forest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20:207-215.

[22] 顾韩, 牟长城, 张博文. 火干扰对小兴安岭毛赤杨沼泽温室气体排放动态影响极其影响因素[J].生态学报, 2012, 32(24):7808-7817.

Gu H, Mu C C, Zhang B W,etal. Dynamics of greenhouse gases emission and its impact factors by fire disturbance from Alnus sibirica forested wetland in Xiaoxing’an Mountains, Northeast China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(24):7808-7817.

[23] 苏王娟, 付晓青, 李勇, 等. 亚热带典型丘陵坡地马尾松林土壤N2O的年通量特征[J]. 林业科学, 2012, 48(5):130-135.

Su W J, Fu X Q, Li Yetal. Annual nitrous oxide fluxes from thePinusmassonianawoodland in a typical hilly region of the southern subtropical China[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(5):130-135.

[24] Sey B K, Whalen J K, Gregorich E G. Carbon dioxide and nitrous oxide content in soils under corn and soybean[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(4):931-938.

[25] Rachhpal S J, Black T A, Trofymow J Aetal. Soil CO2and N2O flux dynamics in a nitrogen-fertilized pacific northwest Douglas-fir stand[J]. Geoderma, 2010, 157:118-125.

[26] Jassal R S, Andrew B T, Roy Retal.Effect of nitrogen fertilization on soil CH4and N2O fluxes, and soil and bole respiration[J]. Geoderma, 2011,162:182-186.

[27] Akiyama H, Tsuruta H. Effect of chemical fertilizer from on N2O, NO and NO2fluxes from Andisol field[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63:219-230.

[28] Sina Berger, Eunyoung Jung, Julia Kǒppetal. Monsoon rains, drought periods and soil texture as drivers of soil N2O fluxes-Soil drought turns East Asian temperate deciduous forest soils into temporary and unexpectedly persistent N2O sinks[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 57:273-281.

[29] 邓杰, 邓湘雯, 黄志宏, 等. 4种典型亚热带森林生态系统生长季地表N2O通量特征[J]. 中国农学通报, 2012, 28(13):6-13.

Deng J, Deng X W, Huang Z Hetal. Surface N2O flux from 4 different typical forest stands in growing season in subtropical south China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(13):6-13.

[30] Lin S, Iqbal J, Hu Retal. Difference in nitrous oxide fluxes from red soil under different land uses in mid-subtropical China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 136:40-48.

[31] 马秀芝, 张秋良, 李长生，等. 寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间差异[J].应用生态学报, 2012, 23(8):2149-2156.

Ma X Z, Zhang Q L, Li C Setal. Temporal variation of soil greenhouse gases fluxes in a cold-temperateLarixgmeliniiforest in Inner Mongolia, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(8):2149-2156.

[32] 姜培坤. 不同林分下土壤活性有机碳库研究[J]. 林业科学, 2005, 41(1):10-13.

Jiang P K. Soil active carbon pool under different types of vegetation[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(1):10-13.

[33] 陈涵贞, 苏德森, 吕新, 等. 武夷山常绿阔叶林土壤有机碳和微生物量碳的动态特征[J]. 农学学报, 2012, 38-42.

Chen H Z, Su D S, Lü Xetal. Dynamic characteristics of soil organic carbon and microbial biomass carbon of evergreen broad-leaved forest in Wuyi Mountain[J]. Journal of Agriculture, 2012:38-42.

[34] 张瑞, 张贵龙, 姬艳艳, 等.不同施肥措施对土壤活性有机碳的影响[J]. 环境科学, 2013, 34(1):277- 282.

Zhang R, Zhang G L, Ji Y Yetal. Effects of different fertilizer application on soil active organic carbon[J]. Environmental Science, 2013, 34(1):277-282.

[35] 李娟, 赵秉强, 李秀英, 等. 长期不同施肥条件下土壤微生物量及土壤酶活性的季节变化特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5):1093-1099.

Li J, Zhao B Q, Li X Yetal. Seasonal variation of soil microbial biomass and soil enzyme activities in different long-term fertilizer regimes[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5):1093-1099.