氮磷添加对杉木人工林土壤N2O排放的影响

王 亮，李子君*，王建雷(.山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南5004;.中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室千烟洲生态试验站，北京000)

气候变暖是全球性的环境问题，也是全球变化的重要组成部分，其主要原因是大气中温室气体浓度不断增加。氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的重要温室气体。单位质量的N2O的全球增温潜势(global warming potential，GWP)是 CO2的298倍(百年尺度)，对全球变暖的贡献超过5%(IPCC，2007)。陆地生态系统是温室气体排放的主要来源，大气中每年有80% ～90%的N2O来源于土壤。森林生态系统是陆地生态系统的主体，是土壤N2O重要的源。森林土壤N2O主要来源于硝化、反硝化和化学还原过程。通气性较好的森林土壤，每年向大气中排放的N2O为2.88～7.42 Tg。影响森林土壤N2O排放的主要因素包括气候条件、植被类型、土壤温度和湿度、土壤通气性及人类活动等。此外，大气氮沉降日益成为当前影响森林土壤主要温室气体产生和消耗过程的重要因子之一，尤其在氮沉降严重的地区。

施肥是森林经营中的一个重要措施，可以促进林木生产并提高木材产出，但同时也有效增加了土壤中有效氮的含量，进而促进了土壤中硝化和反硝化作用，导致土壤N2O排放产生变化。有关施肥对森林土壤N2O排放变化的研究主要集中在温带地区，对热带和亚热带地区的研究较少，并且当前研究主要集中在氮肥添加，对于磷添加及氮磷协同添加的研究较少。笔者以位于江西省境内的中国科学院千烟洲试验站的杉木人工林为研究对象，采用静态箱－气相色谱法，通过氮磷的不同添加比例，研究杉木人工林土壤N2O排放特征及对氮磷添加的响应，以期为人工杉木林的施肥及减少森林土壤N2O的排放提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于江西省泰和县灌溪乡境内的中国科学院千烟洲试验站。该研究区为典型的红壤丘陵地貌，海拔100 m左右，相对高度差20～50 m。土壤是由白垩系红色与紫红色砾岩发育成的红壤。气候具有典型的亚热带季风气候特征，热量充足，年日照时数1 406 h，太阳年总辐射量4 336 MJ/m2，气温年较差较小，年均气温17.9℃;降水丰富，年均降水量1 489 mm，主要集中在3～6月(占全年降水量的51%)，7～10月植被生长旺季降水量不足全年的30%，季节变化较大(图1)。

2 材料与方法

2.1 样地及施肥处理 试验样地为1998年二代杉木人工林。据2011年调查，杉木活立木平均高度为10.2 m，胸径为9.8 cm，郁闭度75%;林下灌木层稀少，平均高度1.5 m，盖度10%，主要树种有黄瑞木(Adinandra millettii)、紫珠(Callicarpa)、毛冬青(Ilex pubescens)等;林下草本层茂密，平均高度0.8 m，盖度80%，优势种为铁芒萁(Dicranopteris linearis)和狗脊(Woodwardia japonica)，伴生有淡竹叶(Lophatherum gracile)、菝葜(Smilax L)和土茯苓(Smilax glabra)等。

在杉木人工林中，选取地势较平坦、树木生长良好的林地作为试验样地，共计选取样地24个，每个样地面积为20 m×20 m，样地之间设置15 m的缓冲区。按随机区组方法设置6种施肥处理(表1)，分别为空白对照(CK)、低氮(N1)、高氮(N2)、磷添加(P)、低氮加磷(N1P)和高氮加磷(N2P)，每种施肥处理进行4次重复。施肥方式为拌细沙撒施，将每个样地分成16个5 m×5 m小样方进行均匀控制，每个小样方每次需1 L沙子，相当于0.05 mm厚度(1年分4次，相当于0.2 mm)。施肥时间为3月15日、6月15日、9月15日和12月15日，其中3月15日和6月15日施肥比例皆为30%，9月15日和12月15日施肥比例皆为20%。

2.2 研究方法

2.2.1 气体样品的采集与分析方法。采用静态箱－气相色谱法对土壤N2O通量进行原位测定。取样箱由底座(50 cm×50 cm×10 cm)和盖箱(50 cm×50 cm×15 cm)组成。箱体为不锈钢材质，外表贴保温材料。顶箱中部装采气管、测温装置及气体混合的小风扇。为消除安放底座对土壤的扰动，在2012年7月初将底座埋入样地，埋入深度为7～10 cm。采气频率为每7 d1次(天气状况不好时提前或是推迟1 d)，施肥后连续采气1周。每次采集气体均在8:00～11:00进行。观测试验开始后将底座和顶箱以橡皮条连接，形成密封空间。在静态箱闭合的0、10、20、30、40 min时各取样1次，每次取样时间长度为40 min，记录每次抽取时间(精确到s)。

将采集的气体带回实验室，由Agilent7890A型气相色谱仪测定N2O的浓度。检测器为ECD，色谱柱和检测器温度分别为200、340℃;载气为高纯氮气(N2)，燃气为氢气(H2)，助燃气为合成空气。通量计算公式如下:

式中:F为N2O净交换通量［μg/(m2·h)］;ρ为标准状态下N2O密度(1.964 kg/m3);V为采样箱的有效体积(m3);A为采样箱覆盖的面积(m2);P和P0分别为采样点的大气压和标准大气压(kPa);T和T0分别为箱内温度和标准状态温度(℃);dCt/dt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率［μl/(m3·h)］。

2.2.2 其他环境因子的采集方法。在采集温室气体样品的同时，记录采样时间、天气，测定气压、气温、土壤温度、土壤湿度、箱内温度，并取土壤样品带回实验室进行分析。土壤容重采用环刀法测定，pH使用水解法测定，活性有机质使用重铬酸钾水合加热法测定，全氮使用凯氏定氮法测定，全磷使用钼锑抗比色法测定。经过不同施肥处理样地的理化性质见表2。

表2 不同施肥处理样地的理化性质

2.2.3 统计分析方法。利用SPSS 20软件对不同施肥处理土壤N2O排放速率及累计排放量进行单因素方差分析，以LSD多重比较法检验它们之间差异显著性，并通过回归分析土壤温湿度与土壤N2O排放的相关性。

3 结果与分析

3.1 施肥对土壤N2O排放的影响

3.1.1 土壤N2O通量的变化。不同施肥处理土壤N2O的排放速率具有相似的季节变化特点。春季土壤N2O通量在波动中上升，在温度高的夏季，土壤N2O通量一直维持在较高的水平，并且出现全年的最高峰值，之后开始减小，到温度较低的冬季一直处在较低水平(图2)。各处理土壤N2O通量峰值大小依次为 N2P、N2、N1P、N1、P、CK，最大的是 N2P处理［265.34 μg/(m2·h)］，最小的是 CK 处理［98.68 μg/(m2·h)］，可见氮磷添加在一定程度上增加了土壤N2O通量。

由图2a及表3可以看出，土壤N2O通量随着施氮量的增加而增加。CK、N1和N2处理土壤N2O年平均通量分别为10.49 ±0.73、13.13 ±1.10 和 22.98 ±2.82 μg/(m2·h)。N1处理与CK处理之间土壤N2O年平均通量无显著差异，N2处理与CK处理及N1处理之间差异显著(P＜0.05)。秋季不同氮水平间均具有显著性差异(P＜0.05)，其他季节内土壤N2O平均通量与全年的具有相同的显著性差异特征。

由图2b和表3可见，在不同氮水平上添加P，土壤N2O年平均通量从大到小依次为 N2P、P、N1P，分别为28.15±3.58、13.28 ±1.24 和12.55 ±0.36 μg/(m2·h)。N1P 处理和 N1处理及P处理之间土壤N2O年平均通量差距很小，全年及各季节内均无显著差异，与CK处理相比，只有秋季差异显著(P＜0.05)。N2P处理能显著提高土壤N2O通量，N2P处理和N2处理之间无显著差异，但是和P处理之间差异显著(P＜0.05)，氮磷之间无交互作用。

表3 不同N、P添加处理土壤N2O通量 μg/(m2·h)

3.1.2 土壤N2O累计排放量变化。由表4中不同时段内各施肥处理土壤N2O的累计排放量看，土壤N2O的排放主要集中在夏季，其排放量占到全年的67%以上，冬季最低，只占全年的4%左右。N1、N2、P、N1P和N2P处理土壤N2O全年累计排放量与 CK 处理比值分别为 1.24、2.08、1.21、1.22 和2.64;而在N2O排放量最多的夏季，各施肥处理与CK处理比值分别为 1.25、2.19、1.25、1.19 和 2.84，除了 N1P 处理外，大部分施肥处理土壤N2O夏季累计排放量增加幅度高于全年平均水平。

表4 不同N、P添加处理土壤N2O的累计排放量和排放系数

在全年及季节内，土壤N2O累计排放量随施氮量增加而增加，N1处理与CK处理差距较小，它们之间无显著差异，N2处理与N1及CK处理间差距较大，具有显著差异(P＜0.05)。P处理具有增加土壤N2O累计排放量的趋势。氮磷混合添加时，N1P处理和N2P处理均能增加土壤N2O累计排放量，前者增加不显著，后者能显著增加。N1P处理比N1处理的土壤N2O累计排放量小，N2P处理比N2处理大，它们之间差异均不显著。

3.1.3 土壤N2O排放系数。由表4可以看出，土壤N2O排放系数(即N2O排放总量占施用氮肥的比例)在不同季节内均表现出N2＞N1，春夏季时 N2P＞N1P，秋冬季时 N1P＞N2P。N1、N2、N1P和N2P在同一时段内，差异不显著。4种施肥处理在不同季节均表现为夏季排放系数＞秋季排放系数＞春季排放系数＞冬季排放系数。

3.2 土壤N2O通量与土壤温度和湿度的关系 将地表、5 cm和10 cm层的土壤温度与不同施肥处理土壤的N2O通量之间进行回归分析(图3)，各施肥处理土壤N2O通量与该3层土壤温度都存在着显著关系(P＜0.05)，但各施肥处理与该3层土壤温度拟合方程的决定系数R2差异很小，都在0.19左右。

将10 cm层的土壤湿度与不同施肥处理土壤的N2O通量之间进行回归分析(图4)，不同施肥处理土壤N2O通量与10 cm层土壤湿度之间无显著相关性。

4 结论与讨论

(1)施肥是影响土壤N2O排放的一个重要因子。在该研究中，氮添加能提高土壤N2O通量和土壤N2O累计排放量。其他学者在相关研究中也得到类似的结论:梁东丽等［1］研究发现N2O排放量随着施氮量增加而上升;黄树辉等［2］也发现施氮肥能增加南方稻田土壤N2O排放。虽然施氮肥能增加土壤N2O排放，但是不同氮水平对土壤N2O排放作用有差异，N1处理对土壤N2O排放促进作用不显著，N2处理能显著增加土壤N2O排放。出现这种差异可能是因为在N1处理中，土壤中有效氮主要被植物吸收利用，使硝化和反硝化作用获得的有效氮增加较少，从而使土壤N2O的排放较CK处理没有明显差异。N2处理使土壤中富余的有效氮增加，土壤中存在多余的有效氮是土壤产生N2O的重要的前提条件［3］，这使得土壤硝化和反硝化作用可利用的有效氮增加较多，从而使土壤N2O排放显著增加。

氮磷混合施用时，N1P处理土壤N2O排放比N1处理要小，而N2P处理比N2处理要高。很多研究认为氮磷混合施用能增加土壤微生物生物量氮含量，提高磷酸酶活性，降低植物体内硝酸根离子含量［4－5］，达到减少土壤N2O排放的效果［6］，这和该研究N1P处理得出的结果相吻合。蔡廷江等［7］和黄树辉等［2］认为:氮磷混施时，土壤N2O累计排放量与氮水平有关，低氮时减少土壤N2O的排放，中氮时能促进土壤N2O的排放，高氮时没有差异。由于该研究中这种差异不显著，因此不能简单得出氮磷混施是增加还是减少土壤N2O的排放，只能推测其可能与土壤自身的特性以及施氮肥的量有关。

(2)该研究中，土壤温度低于15℃时，土壤N2O通量低于30 μg/(m2·h);土壤温度大于15℃小于26℃时，土壤N2O通量就有随温度增加的趋势。这与郑循华等［8］的研究结果相一致，即土壤温度在15～25℃范围内适宜产生N2O。该研究中土壤湿度与土壤N2O排放之间无显著相关性。这与石生伟等［9］对双季稻研究中得出N2O排放通量与水热等相关环境因子无相关性的结果相一致。很多研究者认为土壤湿度与土壤N2O排放之间存在显著相关性［10］，Mummey等［11］研究得出在土壤含水量未饱和时土壤N2O通量随土壤湿度的增加而增加，出现该研究结果主要是因为在温度适宜时，湿度变化不大，主要集中在22.81% ～25.78%。

(3)不同施肥处理土壤N2O的夏季排放系数比其他季节都要高，春秋季差距很小，冬季最低。而在同一季节不同处理之间，土壤N2O排放系数差距不是很大。这说明在时间尺度上，土壤N2O的排放主要受季节变化的影响，而在某一时段内，施肥对土壤N2O排放起到一定的作用。

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