施氮对海南橡胶林土壤碳排放的影响

张松林，吴小平*，王大鹏*，罗雪华，王文斌，薛欣欣

施氮对海南橡胶林土壤碳排放的影响

张松林1，2，吴小平2*，王大鹏2*，罗雪华2，王文斌2，薛欣欣2

1. 海南大学农学院，海南 海口 570228；2. 中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737

阐明不同生态系统土壤呼吸碳排放特征及其影响因子，对于评估陆地生态系统碳平衡具有重要作用。当前，人们对不同生态系统土壤呼吸对施氮或氮沉降的响应的认识还很不一致。虽然目前已对橡胶（Hevea brasiliensis）林土壤呼吸进行了较多的研究，但对施氮对橡胶林土壤呼吸的影响还了解得不多。采用静态碱液吸收法，研究了4种施氮水平下（不施氮，N 0；低氮100 kg·hm-2，N 100；中氮230 kg·hm-2，配施有机肥氮30 kg·hm-2，N230；高氮400 kg·hm-2，N400）海南橡胶林土壤呼吸的碳排放速率、通量及其影响因子。结果表明，橡胶林土壤呼吸的碳排放速率具有明显的季节变化特征，全年呈多峰型曲线。土壤呼吸碳排放速率与施氮量、土壤湿度和土壤温度均存在显著或极显著相关性。不同施氮处理土壤碳排放速率介于1.27～1.96 g·m-2·d-1，年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1。与不施氮处理相比，较低的施氮水平（N100）并没有显著影响土壤呼吸，而继续增施氮肥则显著激发了橡胶林土壤碳排放。与N100和N400相比，N230化肥配施有机肥并没有引起土壤碳排放的显著增加。综上所述，施氮能促进橡胶林土壤呼吸碳排放，但其促进程度与施氮量有关。

橡胶林；施氮；土壤呼吸；碳排放；海南

引用格式：张松林， 吴小平， 王大鹏， 罗雪华， 王文斌， 薛欣欣. 施氮对海南橡胶林土壤碳排放的影响［J］. 生态环境学报， 2016，25（7）： 1134-1139.

ZHANG Songlin， WU Xiaoping， WANG Dapeng， LUO Xuehua， WANG Wenbin， XUE X inxin. Soil Carbon Em ission of Rubber Plantation under Different Nitrogen Fertilization in Hainan ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1134-1139.

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要生态过程，是土壤碳排放的主要途径（Schlesinger et al.，2000）。据统计，全球土壤碳库储量约为2500 Pg，分别是大气碳库（760 Pg）的3.3倍和陆地生物质碳库（560 Pg）的4.5倍（Lal，2004）。全球土壤呼吸的碳排放通量约为68～100 Pg·a-1（Bond-Lamberty et al.，2010a；Raich et al.，1992），远远高于化石能燃烧所释放碳量9.35～10.72 Pg·a-1（Friedlingstein et al.，2014）。由此可见，土壤呼吸的微小变化也会显著地影响大气中CO2浓度，以土壤呼吸为主体的土壤碳排放过程已经成为引发全球气候变化的重要因素之一（Bond-Lamberty et al.，2010b；Karhu et al.，2014）。阐明不同生态系统土壤呼吸碳排放特征及其影响因素，对于准确评估陆地生态系统碳收支平衡具有重要意义。

橡胶（Hevea brasiliensis）林是热带地区重要的人工林生态系统。在过去的20年里（1990—2010），全球橡胶种植面积增加了143%，达9.4×106hm2（Van straaten et al.，2015）。研究表明，橡胶林等热带人工林的建植能有效固持大气中的碳，减缓土壤碳排放（A lbrecht et al.，2003；Sm ith et al.，2008）。海南自上世纪50年代开始大规模种植胶树，经过多年植胶生产，该区已面临单产提升困难、土壤养分含量大面积下降等问题（何向东等，2002）。在该区土壤普遍退化的背景下，合理施用氮肥对培育高产优质的橡胶树、扩大土壤碳氮库、提高土壤肥力具有重要作用（王大鹏等，2013）。当前，人们对不同生态系统土壤呼吸对增施氮肥或氮沉降的响应的认识还很不一致（A llison et al.，2008；Janssens et al.，2010；Johnson et al.，1994）。国内学者虽然已对橡胶林土壤呼吸进行了较多研究（房秋兰等，2006；谢明德等，2014；董钰鑫等，2015），但对施氮对橡胶林土壤呼吸的影响目前还了解得不多。本研究采用静态碱液吸收法，研究了不同施氮水平下海南橡胶林土壤呼吸的碳排放速率、通量及其影响因子，以期为橡胶人工林生态系统碳循环过程及氮素优化管理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于海南省儋州市热科院试验场五队基地（E109°29′8.4″，N19°29′8.4″）。该区属热带季风气候，年平均气温23.8 ℃，年均降雨量1 650 mm。受热带季风气候的影响，该区降雨年内分布极不均匀，具有明显的干湿季节交替特征。全年大部分降雨集中在雨季（5—11月），约占全年降雨总量的70%～90%。而旱季（12月—次年4月）降雨量仅占全年总降雨量的10%～30%。试验期间降雨量与气温变化见图1。

试验区土壤为由花岗片麻岩发育而来的砖红壤，土层深厚。0～20 cm土层土壤基本理化性质如下：pH 4.80（水土比2.5∶1），有机质10.92 g·kg-1，全氮0.59 g·kg-1，有效磷19.65 mg·kg-1，速效钾41.17 mg·kg-1，硝态氮3.98 mg·kg-1，铵态氮2.59 mg·kg-1。胶树品种为热研7-33-97，1997年定植，2003年开割，割制为S/2d/4+ET。株距3.5 m，行距6 m。

1.2试验方法

试验共设4个氮肥处理，随机区组，3次重复。4个氮肥处理（不包括干湿沉降氮量）：（1）不施氮，N0；（2）低氮100 kg·hm-2（10 g·m-2），N100；（3）中氮230 kg·hm-2（23 g·m-2），配施有机肥氮30 kg·hm-2，N230；（4）高氮400 kg·hm-2（40 g·m-2），N400。氮肥品种为尿素（N 46%），分别于2015年5月7日、2015年7月12日、2015年9月8日分3次均匀施入试验区。N230施用羊粪有机肥3227 kg·hm-2（TN 1.69%，TC 12.65%，干基含水率81.71%），其他处理不配施有机肥；各处理均施加P2O575 kg·hm-2（钙镁磷肥，18%），K2O 150 kg·hm-2（氯化钾，60%）；有机肥和磷钾肥于5月上旬一次性施入。所有肥料均为表施。

图1　2015年5月至2016年4月土壤碳排放速率动态变化及日均气温和日降雨量变化Fig. 1　Dynamics of soil C emission rate， daily mean air temperature and daily precipitation from May 2015 to April 2016

采用碱液吸收法测定土壤CO2排放量（Anderson，1982）。测定前将内径20 cm、高25 cm的PVC管压入土壤2 cm。测定时于上午8：00，在50 mL氟化瓶中加入1 mol·L-1的NaOH 20 m L，将其放入PVC管内距地表2 cm三脚架上，后用盖子盖住（接口处涂以硅脂密封）。由于橡胶林郁闭度高，该吸收装置无需进行遮蔽处理。吸收24 h后，于次日上午8：00取出氟化瓶。加入1.5 mol·L-1的BaCl23 m L沉淀Na2CO3，然后加入酚酞作为指示剂3～4滴，用1 mol·L-1的HCl滴定剩余的NaOH，这时溶液将由粉色逐渐变为无色，记录滴定到无色时所消耗的HCl体积。每小区布置3个吸收装置，每隔7 d测定1次，取其平均值计算每周碳排放通量，然后计算全年土壤碳排放。土壤呼吸的碳排放速率（g·m-2·d-1）=（V0-V）×c×M/1000S，其中，V0为滴定对照瓶中碱液至终点所需的盐酸体积（m L）；V为滴定处理瓶中碱液至终点所需的盐酸体积（m L）；c为盐酸标准溶液浓度（mol·L）；M是摩尔质量，以C计算（6 mg·mmol-1）；S为PVC管的采集面积。

土壤硝态氮和铵态氮采用1 mol·L-1KCl浸提，连续流动分析仪（AA3，Germany）测定；土壤水分和土壤温度采用TDR（Trime-PICO 32，Germany）测定。

1.3数据统计

采用M icrosoft Excel 2003处理数据。方差和相关性分析在SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）中进行。各处理平均值比较采用最小显著差异法（LSD）。

2　结果与分析

2.1不同施氮水平下橡胶林土壤碳排放速率的动态变化

整个试验期间（2015年5月—2016年4月），降雨量偏少，年降雨量仅有1225 mm，较历史同期低25.7%（图1a）。受热带季风气候的影响，试验期间日降雨量具有明显的干湿季节交替特征。全年大部分降雨集中在雨季（5—11月），雨季降雨量为1039 mm，约占全年降雨总量的85%。而旱季（12月—次年4月）的降雨量只有186 mm，仅为全年的15%。雨季日均气温变化较为平稳，变化范围介于19～32.8 ℃，平均28.6 ℃。旱季日均气温介于6.5～29.2 ℃，平均19.9 ℃。

橡胶林土壤呼吸的碳排放速率具有明显的季节变化特征（图1b），不同处理下土壤呼吸碳排放速率的季节变化规律大体一致。雨季不同处理的土壤呼吸作用强烈，即使是不施氮处理（N0），其土壤呼吸碳排放速率也有较大波动。不同处理的碳排放速率分别在5月上旬、7月上旬和9—10月产生3个峰值，呈现多峰分布模式。而此时恰恰是全年中降雨最为丰富的3个时间段（图1a）。在这3个时间段施用氮肥后，N100、N230和N400处理的碳排放速率波动要明显大于不施氮处理N0。在雨季，N0处理土壤呼吸的碳排放速率介于0.61～2.61 g·m-2·d-1，其他施氮处理碳排放速率介于0.59～5.22 g·m-2·d-1。旱季土壤呼吸的碳排放速率变化趋于平稳，不同处理间变化差异不大。在旱季，不施氮处理N0碳排放速率介于0.32～1.45 g·m-2·d-1，其他施氮处理碳排放速率介于0.35～2.09 g·m-2·d-1。

图2　不同施氮处理下土壤碳排放速率的比较Fig. 2　Soil C em ission rate in different N treatments

2.2施氮对橡胶林土壤碳排放的影响

不同施氮处理旱季、雨季和年均的土壤碳排放速率均存在显著差异（P＜0.05），施用氮肥显著影响了橡胶林土壤呼吸的碳排放速率（图2）。在旱季，不同施氮处理下土壤呼吸的碳排放速率介于1.08～1.45 g·m-2·d-1（图2a）。其中，N400的碳排放速率显著高于N0和N100（P＜0.05），而与N230差异不显著。在雨季，不同施氮处理下土壤碳排放速率介于1.40～2.30 g·m-2·d-1（图2b）。其中，N400和N230处理间的碳排放速率并无差异，但均显著高于N0和N100（P＜0.05）。从全年来看，不同处理的年均土壤碳排放速率介于1.27～1.96 g·m-2·d-1（图2c）。其中，N400和N230处理的碳排放速率显著高于N0，而N100和N0处理之间无显著差异。

不同施氮处理土壤碳的年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1（图3）。其中N400的年排放通量达7.12 M g·hm-2·a-1，显著高于N0和N100（P＜0.05），而与N230处理之间无显著差异。N230显著高于N0，而与N100之间无显著差异。由此可见，与不施氮处理N0相比，较低的施氮水平（100 kg·hm-2）并没有显著影响土壤呼吸。而继续增施氮肥则显著促进了橡胶林土壤呼吸，激发了土壤的碳排放。值得注意的是，与N400和N100相比，N230化肥配施有机肥并没有引起土壤碳排放的显著增加。

2.3橡胶林土壤碳排放速率的影响因素

对不同施氮水平下土壤呼吸的碳排放速率和施氮量进行相关性分析（图4a），发现二者呈显著正相关关系（r=0.987，P＜0.05）。施氮促进了橡胶林土壤呼吸作用，激发了土壤的碳排放。对土壤碳排放速率和表土（0～5 cm）铵态氮含量进行相关性分析（图4b），发现二者呈极显著正相关关系（r=0.334**，P＜0.01）。说明在一定程度上提高铵态氮含量可促进土壤呼吸作用。如图4c所示，土壤碳排放速率与土壤含水量呈极显著正相关关系（r=0.277**，P＜0.01）。如图4d所示，土壤碳排放速率与土壤温度呈极显著正相关关系（r=0.416**，P＜0.01）。在田间条件下，土壤含水量的升高表明降雨事件的发生。雨季的降雨量和气温均高于旱季，这可能是导致雨季橡胶林土壤呼吸的碳排放速率高于旱季的原因。

图3　不同施氮水平下土壤碳的年排放通量的比较Fig. 3　Soil C emission flux in different N treatments

图4　土壤碳排放速率与施氮量（a）、铵态氮含量（b）、土壤含水量（c）及土壤温度（d）的关系Fig. 4　Relationships of soil C emission rate and N rate， content of NH4-N， soil water content and soil temperature

3　讨论

生态系统中的土壤呼吸是一个复杂的土壤生物和非生物过程，受到诸如降雨、温度、氮沉降、气候变化、土壤因子和植被等自然因素的综合影响（Lee et al.，2004；Raich et al.，1992；Xu et al.，2004）。而农业生态系统中的土壤呼吸更是受到如作物、施氮、灌溉、耕作、秸秆等农业管理措施的影响（Lohila et al.，2003；Paustian et al.，2000）。当前，人们对不同生态系统土壤呼吸对增施氮肥或氮沉降的响应的认识还很不一致（A llison et al.，2008；Ding et al.，2010；Johnson et al.，1994）。例如在森林生态系统中，模拟氮沉降添加氮后可能刺激了土壤呼吸的碳排放（Johnson et al.，1994），也可能对土壤呼吸碳排放没有影响（A llison et al.，2008），甚至抑制了土壤呼吸（Bowden et al.，2004；Burton et al.，2004；Janssens et al.，2010）。在农田生态系统中，施氮对土壤呼吸的影响也不尽相同（Ding et al.，2010；Wilson et al.，2008；李银坤等，2013）。本研究发现，与不施氮处理相比，较低的施氮水平（100 kg·hm-2）并没有显著影响土壤呼吸。而继续增施氮肥则显著促进了橡胶林土壤呼吸，激发了土壤的碳排放。值得注意的是，与N400和N100相比，N230化肥配施有机肥并没有引起土壤碳排放的显著增加（图2～3）。徐凡珍等（2013）在云南西双版纳的研究表明，200 kg·hm-2的施氮量显著抑制了橡胶林雨季的土壤呼吸。董钰鑫等（2015）的结果认为，施用橡胶专用肥200 kg·hm-2（N∶P∶K=15∶15∶15）在一定程度上能促进土壤呼吸，但与对照相比差异不显著。谢明德等（2014）在海南黄岭农场的研究表明，施肥刺激了橡胶林土壤呼吸，施用有机肥和无机肥的土壤呼吸速率均高于不施肥处理。本研究结果与徐凡珍等（2013）结果相反，而与谢明德等（2014）的结果大体上一致。通常认为施氮能激发土壤呼吸的原因主要有：首先施氮能提高土壤有效氮含量，促进植物细根生长，增加植物细根数量、生物量，增强细根代谢强度（Burton et al.，2002），从而增强根系呼吸作用。另一方面有效氮源的浓度对于土壤微生物的活动也尤为重要。土壤中有效氮的增加，改善了土壤碳氮比，改变了微生物种群结构和群落组成，提高了微生物的活性和数量，有利于微生物对有机质的分解，从而促进了微生物的异养呼吸（A llen et al.，2004）。在低氮肥力土壤中，由于氮源的缺乏和限制，可能抑制了植物根系的生长以及微生物的各种活动。本试验区土壤氮肥力较低（0.59 g·kg-1），施用氮肥能够促进胶树根系生长，改善土壤C/N，可能提高了微生物的活性和数量，从而激发了土壤呼吸。进一步阐明海南橡胶林因施氮而激发土壤呼吸的原因和机制，是一个非常值得深入研究的科学问题。

本研究表明，橡胶林土壤呼吸的碳排放速率具有明显的季节变化特征，雨季的碳排放速率要高于旱季。这与前人研究基本一致（徐凡珍等，2014）。不同施氮处理土壤碳的年排放通量介于4.62～7.12 Mg·hm-2·a-1，略低于董钰鑫等（2015）的结果。从全年的变化趋势来看，不同施氮处理土壤呼吸的碳排放速率变化大体一致，全年呈多峰型曲线。这与徐凡珍等（2014）的单峰型变化曲线的结果不同。土壤呼吸的碳排放速率的季节变化主要是由温度、湿度及光合产物所驱动（魏书精等，2013）。受热带季风气候的影响，本试验区在水热条件上具有明显的季节交替（图1a）。在雨季，降雨量丰沛，热量丰富，胶树及林下植被生长旺盛，土壤湿度和土壤温度都高于旱季。而橡胶林土壤呼吸的碳排放速率与土壤湿度及土壤温度均存在一定的相关性（图4c～d）。这较好地解释了雨季土壤呼吸碳排放速率高于旱季及峰值在雨季出现的原因。在田间条件下，土壤含水量的升高意味着降雨事件的发生。即使在雨季，降雨分布也不均匀。峰值出现的时间恰恰是全年中降雨最为丰富的3个时间段（图1b），而施氮处理在这3个时间段分别增施了氮肥，更加刺激土壤的碳排放速率，导致碳排放速率季节变化呈多峰型曲线。

4　结论

橡胶林土壤呼吸的碳排放速率具有明显的季节变化特征，雨季土壤呼吸强烈，全年呈多峰型曲线。土壤呼吸碳排放速率与施氮量呈显著正相关，与土壤湿度和土壤温度均呈极显著正相关，在一定程度上解释了多峰型曲线出现的原因。与不施氮处理相比，较低的施氮水平并没有显著影响土壤呼吸。而继续增施氮肥则显著地促进了橡胶林土壤呼吸，激发了土壤的碳排放。与N400和N100相比，N230化肥配施有机肥并没有引起土壤碳排放的显著增加。

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Soil Carbon Emission of Rubber Plantation under Different Nitrogen Fertilization in Hainan

ZHANG Songlin1，2， WU Xiaoping2*， WANG Dapeng2*， LUO Xuehua2， WANG Wenbin2， XUE Xinxin2
1. College of Agriculture， Hainan University， Haikou 570228， China；2. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences， Danzhou 571737， China

Illuminating carbon （C） emission characteristic and impact factors of soil respiration in different ecosystems is important for accurately assessing C balance of terrestrial ecosystems. At present， the knowledge about responses of soil respiration in different ecosystems to nitrogen （N） fertilization or N deposition are controversial. Many studies about soil respiration werecarried out in rubber （Hevea brasiliensis） plantations， but few for the effects of N fertilization on soil respiration. In this study， the alkali absorption method was used to investigate the carbon emission rates， fluxes and impact factors of soil respiration in rubber plantation of Hainan under four N fertilization levels （no N， N0； 100 kg·hm-2， N100； 230 kg·hm-2， organic N 30 kg·hm-2， N230； 400 kg·hm-2， N400）. The results showed that the C emission rate from soil respiration in rubber plantation was characteristics of obvious seasonal variation，and showed a multiple-peak curve during the whole year. The C emission rates were significantly positive correlated with， N rate，soil moisture and soil temperature. The C emission rates varied between 1.27 and 1.96 g·m-2·d-1in different N treatments， and the annual C emission fluxes varied between 4.62 and 7.12 Mg·hm-2·a-1. Compared with N0， low N rate （N100） had no obvious effect on soil respiration. But if the N fertilizer rates continue to increase， the C emission was stimulated greatly. Compared with N100 and N400， N230 consisted of organic and inorganic fertilizers did not cause the soil emissions increase significantly. Our results suggest that N fertilization could promote the C emission from soil respiration in rubber plantation， and it depends on the rate of N fertilization to a great degree.

rubber plantation； nitrogen fertilization； soil respiration； carbon emission； Hainan

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.006

S718.5； X144

A

1674-5906（2016）07-1134-06

国家自然科学基金项目（31400529）；海南省自然科学基金项目（314143）

张松林（1989年生），女，硕士研究生，主要从事橡胶林土壤养分管理研究。Email： 18489972925@163.com *通信作者，吴小平，Email： wxp166@163.com。王大鹏，E-mail： longmushan@163.com

2016-06-02