西双版纳不同演替阶段热带森林土壤N2O排放的时间特征

张哲，王邵军，陈闽昆，曹润，李少辉

西南林业大学生态与水土保持学院，云南 昆明 650224

氧化亚氮（N2O）作为全球变暖的三大重要温室气体之一，其增温潜势（GWP）在百年尺度上是CO2的298倍（IPCC，2007）。2011年全球大气中的N2O浓度比工业革命（1750年）前增加了20%（IPCC，2014）。同时N2O被认为是破坏臭氧层的最重要因子，也是 21世纪最大的影响因子（Ravishankara et al.，2009）。森林是地球上分布最广的陆地生态系统，对温室气体的调控起到关键作用。全球热带森林群落土壤每年排放N2O 1.34 Tg，成为继农田之后最大的 N2O排放源（Davidson et al.，2008）。当前，中国对森林生态系统土壤N2O释放的研究主要集中在亚热带森林（黄志宏等，2016）、温带森林（王颖等，2009）以及东北地区森林类型（耿静等，2017），十分缺乏有关热带森林的研究。

土壤微生物参与的硝化作用和反硝化作用（Ameloot et al.，2013）是森林土壤N2O的主要来源，土壤生物与非生物因素通过影响硝化与反硝化过程从而调控N2O排放动态。不同森林类型具有不同的土壤水分和温度、碳氮含量以及微生物的活性与组成（Andersen et al.，2009；Baral et al.，2014），因此，土壤N2O排放通量大小及时空动态存在样地差异性。在热带森林地区，由于温度较高以及水分饱和造成厌氧环境，厌氧微生物主导的反硝化作用是N2O的主要产生过程（Zhang et al.，2011）。而在温度、水分较低的温带和寒带森林中，土壤N2O排放的主要来源于硝化微生物主导的硝化作用（Morishita et al.，2011）。除了硝化和反硝化作用，土壤硝化细菌反硝化作用也产生大量的N2O（Kool et al.，2010）。

西双版纳地区作为中国大陆热带雨林集中分布的重要区域。由于传统农业方式及人口增加等因素的影响， 热带雨林遭到严重破坏，形成了大面积处于不同演替阶段的次生恢复类型。本研究以中国科学院西双版纳热带植物园区内的白背桐（Mallotus paniculatus）群落、崖豆藤（Mellettialeptobotrya）群落、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）群落3种不同次生演替阶段热带森林群落为研究对象，比较不同次生演替阶段热带森林土壤N2O排放的时间变化特征，分析热带森林次生演替引起土壤微生物及土壤理化性质的改变及其对土壤 N2O排放时空动态的影响，从而探明土壤N2O排放对热带森林群落次生演替的响应。研究结果能够为理解热带森林土壤 N2O排放通量形成规律与影响机制提供理论参考，对于完善中国温室气体排放清单具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究区位于中国科学院西双版纳热带植物园，其地理位置为北纬 21°55′、东经 101°16′。由于地处东南亚热带北缘，属北热带季风气候，年平均气温21.5 ℃，年平均降雨量 1557 mm，终年无霜。一年中干湿季分明，其中雨季（5－10月）为1335 mm，占全年的87%，干季（11－4月）为202 mm，仅占全年降雨量的13%。地带性植被为热带季节雨林和季雨林，土壤为由白垩纪砂岩发育而成的砖红壤（卢华正等，2009）。

本研究在中国科学院西双版纳热带森林植物园实验区内，选择白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落作为研究样地，各样地具有类似地形特征（包括坡度、坡向与坡位），样 地基本情况如下（表1）。

白背桐群落（MP），恢复年限约 12 a，海拔600 m，盖度65%左右，凋落物层厚1－2 cm。样地主要植被：白背桐（Mallotus paniculatus）、高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、椴叶山麻秆（Alchornea tiliifolia）、粉被金合欢（Acacia pruinescens）、野生风轮草（Clinopodium chinensis）、丰花草（Borreriastricta）等。

崖豆藤群落（ML），恢复年限约 42 a，海拔568 m，盖度90%左右，凋落物层厚4－5 cm。样地主要植被：思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、椴叶山麻秆（Alchornea tiliifolia）、猪肚木（Canthium horridum）、锈毛鱼藤（Derris ferruginea）、钝叶金合欢（Acacia megaladena）、滇南九节（Psychotria henryi）、刚莠竹（Microstegium ciliatum）、银叶砂仁（Amomum sericeum）等。

高檐蒲桃群落（SO），恢复年限约53 a，海拔619 m，盖度95%左右，凋落物层厚6－7 cm。样地主要植被：高檐蒲桃（Syzygium oblatum）、思茅崖豆（Millettia leptobotrya）、鸡嗉子榕（Ficus semicordata）、印度栲（Castanopsis indica）、云南黄杞（Engelhardia spicata）、黑风藤（Fissistigma polyanthum）、南山花（Prismatomeris connata)、多型叉蕨（Tectaria polymorpha）、红豆蔻（Alpinia galanga）、子分叉露兜（Pandanus furcatus）等。

1.2 N2O气体采集

在以上3种群落中随机选择3个重复样地（40m×40m），每个样地内随机布置3个样点。采用静态暗箱法采集气体。该装置为50 cm×50 cm×20 cm四面和顶部密封的 PVC材质采样箱。箱底边缘设有水槽，试验时往槽里加水以防止箱子和底座的接触处漏气，在冬季则用密封条密封防止漏气。箱顶内部有小风扇，用于混合箱内气体。采气孔开在箱壁上。在2017年3月25－26日、6月29－30日、9月26－27日、12月29－30日分别进行N2O气体采集，每次取样时间为9:00－11:00，以此代表日平均通量值（Zhu et al.，2008）。采样开始时开启小风扇5 min，使箱内气体混合均匀，立即用100 mL注射器采集第一次样品，气体样品储存于密封铝箔气袋中，在采样的同时记录下箱内温度和气压。分别抽取盖箱后10、20 min时的气体样品。气体样品带回实验室，待测。

表1 不同群落类型土壤理化性质大小比较Table 1 Soil chemical and physical properties in three community types

1.3 N2O气体排放通量的计算

使用气相色谱仪GC7900进行分析，N2O检测器ECD，检测温度为330 ℃，载气为高纯度氮气。N2O气体通量的计算公式如下：

式中，F为 N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；M为气体的分子量；V为标准状态下1 mol气体的体积；H为箱子高度；dc/dt为单位时间采气箱内痕量气体浓度的变化率；T为箱内温度。

1.4 土壤理化性质分析

采用便携式土壤水分温度测量仪（SIN-TN8）同步测定3个土层（0－5、5－10、10－15 cm）的土壤温度。为了获得真实的土壤理化性质，破坏性取样采集各层土壤样品，装于自封袋中，做好标记，带回实验室进行土壤理化性质测定。土壤含水率（%）采用烘干称量法（105 ℃，24 h）；土壤容重采用环刀法测定；pH采用电位法（土水比为1∶2.5，m/V）测定；土壤有机质采用油浴加热-重铬酸钾氧化法测定；土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定；土壤微生物生物量碳采用液态氯仿熏蒸浸提-水浴法测定（陈果等，2006）；全氮采用扩散法测定（中国土壤学会农业化学专业委员会，1983）；水解性氮采用碱解扩散法测定；铵态氮采用氧化镁浸提扩散法测定；硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。

1.5 数据分析

将所采集的数据（N2O通量、土壤微生物量碳、土壤有机质、pH、全氮、土壤温度等）整理于Excel中并进行作图比对分析。运用SPSS 17.0中的独立样本t检验分析样地理化性质差异显著性，用Canoco的主成分分析（PCA）研究土壤理化性质对土壤N2O排放通量时间动态的影响。

2 结果与分析

2.1 不同演替阶段热带森林土壤 N2O排放通量比较

对西双版纳不同演替阶段热带森林土壤 N2O排放通量进行连续观测，结果表明，土壤N2O排放通量具有显著差异（图1，P＜0.05）。3种不同次生演替阶段热带森林土壤N2O排放通量大小顺序为：高 檐 蒲 桃 群 落 (462.4 μg·m-2·h-1)＞ 崖 豆 藤 群 落(378.93 μg·m-2·h-1)＞白背桐群落(310.68 μg·m-2·h-1)，表明热带森林土壤 N2O排放通量在演替后期都比演替初期大。高檐蒲桃群落土壤N2O排放通量分别是白背桐群落和崖豆藤群落的1.49倍和1.22倍。

图1 热带森林不同演替阶段土壤N2O排放通量变化Fig. 1 Change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests.

2.2 不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量的时间变化

对不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量随月份的变化进行观测（图 2），结果表明，不同演替阶段热带森林样地土壤N2O排放通量月变化存在显著波动（P＜0.05）。不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量的月份变化均表现为6月最高，继而逐渐降低，12月最低。6月不同样地土壤N2O排放通量：白背桐群落为 630.78 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落为 738.38 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落为 892.46 μg·m-2·h-1。12月样地土壤 N2O 排放通量：白背桐群落为 94.3 μg·m-2·h-1，崖豆藤群落为 102.56 μg·m-2·h-1，高檐蒲桃群落为 127.09 μg·m-2·h-1。

图2 不同演替群落热带森林不同月份土壤N2O排放通量变化Fig. 2 Monthly change of soil N2O flux in three secondary succession stages of tropical forests

2.3 土壤温度和水分变化对不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量的影响

采用线性、指数及多项式对热带森林不同演替阶段热带森林土壤温度与 N2O排放通量进行回归分析，选取拟合度最高的多项式进行分析（表2），结果表明3个样地土壤温度均与N2O排放通量达到极显著正相关（P＜0.01），土壤N2O排放通量随着温度的升高呈增加趋势。土壤温度对土壤N2O排放通量的贡献率大小顺序为：高檐蒲桃群落(84.06%)＞崖豆藤群落(65.29%)＞白背桐群落(80.1%)。因此，土壤温度是影响不同演替阶段热带森林土壤 N2O排放通量的一个重要调控因子。

表2 不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量与土壤温度的关系Table 2 Relationship between soil N2O emission flux and soil temperature in three secondary succession stages of tropical forests

采用线性、指数及多项式对热带森林3不同演替阶段热带森林的土壤水分与土壤 N2O排放通量进行回归分析，选取拟合度最高的多项式进行分析（表3），结果表明，3个样地的土壤水分均与土壤N2O排放通量达到极显著正相关（P＜0.01），土壤N2O排放通量随着水分的增加呈增加趋势。土壤水分对土壤N2O排放通量的贡献率表现为：高檐蒲桃群落(83.5%)＞崖豆藤群落(79.74%)＞白背桐群落(72.52%)。因此，土壤水分是不同演替阶段热带森林土壤 N2O排放通量时间动态的另一个重要的非生物调控因子。

表3 不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量与土壤水分的关系Table 3 Relationship between soil N2O emission flux and soil moisture in three secondary succession stages of tropical forests

采用双因素模型对热带森林3不同演替阶段热带森林土壤 N2O排放通量与土壤温度和水分进行分析。选取拟合度最高的多项式进行分析（表4），结果表明，3个样地的土壤温度和水分均与土壤N2O排放通量达到极显著正相关（P＜0.01）。土壤温度和水分对土壤N2O排放通量的贡献率表现为：高檐蒲桃群落(87.4%)＞崖豆藤群落(72.6%)＞白背桐群落(74.2%)。因此，土壤温度和水分土壤温度作为影响土壤N2O排放的重要因子，二者相互影响，协同作用于不同演替阶段热带森林土壤N2O排放。

表4 不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量与土壤温度和水分的关系Table 4 Parameters of the correlation model of soil N2O emission flux with soil temperature and moisture in three secondary succession stages of tropical forests

2.4 土壤N2O排放通量与土壤理化性质的关系

采用主成分分析法研究土壤理化环境变化对土壤N2O排放通量的影响（图3），结果表明，高檐蒲桃群落中，土壤有机碳、土壤微生物量碳、全氮等土壤指标对土壤 N2O排放通量的影响最为显著。崖豆藤群落与高檐蒲桃群落中，土壤水分、铵态氮、硝态氮、土壤水解氮和易氧化碳对土壤N2O排放通量的影响最显著。土壤pH和容重与N2O排放通量呈显著负相关，其中白背桐群落最为显著。按箭头夹角来看，土壤易氧化碳、土壤水解氮、铵态氮和硝态氮对土壤N2O排放通量的贡献最大。

图3 不同演替阶段土壤理化性质对土壤N2O排放通量影响的主成分分析Fig. 3 Principal component analysis for the effect of soil physicochemical properties on soil N2O flux in three succession stages

3 讨论

本研究表明，西双版纳热带森林演替进程能够显著影响土壤 N2O排放通量，演替后期土壤 N2O排放通量显著高于演替初期。一方面，演替后期植被群落覆盖度较大，具有较多的凋落物输入，能够刺激土壤微生物的数量增长及活动，使得土壤硝化和反硝化作用增强，因此，土壤N2O排放通量随植被群落的次生演替进程加快而增大。另一方面，土壤N2O排放通量一般随环境变化而改变，白背桐群落处于演替初期，其植被多样性较简单，覆盖度低，群落内温度、湿度变化较大（王邵军等，2016），故土壤N2O排放通量较低。随着演替年限的增加，崖豆藤群落和高檐蒲桃群落的植被与环境逐渐趋于稳定与复杂，土壤含水率相对较高，增强了厌氧环境使得反硝化作用增强（张寒等，2017），从而提高了土壤N2O排放通量。因此，恢复年限能够通过影响养分输入及样地微生境而调控土壤 N2O排放通量。

热带森林次生演替对土壤 N2O排放通量的时间变化产生了显著影响。研究表明，土壤N2O排放通量受到土壤温度、湿度、微生物组成等时间动态的影响，从而导致不同次生演替阶段热带森林土壤N2O排放通量随月份变化具有明显差异（李海防等，2011；Baral et al.，2014；孙文浩等，2017）。本研究中，白背桐群落、崖豆藤群落及高檐蒲桃群落在不同月份土壤 N2O排放通量的差异都达到了显著水平，说明N2O排放受不同次生演替阶段样地月份环境差异的变化较大。不同演替阶段热带森林土壤N2O排放通量时间变化，均表现为6月最高、12月最低，这种变化规律与苏王娟等（2012）对亚热带典型丘陵坡地马尾松林土壤 N2O通量季节变化相类似。本研究区位于北热带区域，夏季水热条件优越，使土壤微生物活性增强，有利于土壤N2O产生与排放（Scheer et al.，2011；刘硕等，2013），而12月气温和水分相对较低，土壤微生物的活性减弱，不利于土壤N2O排放。

土壤 N2O主要通过微生物的硝化与反硝化作用产生。微生物活动加剧，呼吸作用加剧，消耗了土壤中的O2，形成厌氧环境，间接增强土壤微生物的反硝化作用（Cannavo et al.，2004），从而使N2O排放增多。本研究中，高檐蒲桃热带森林土壤微生物生物量碳对土壤 N2O排放通量的影响最为显著（表1）。高檐蒲桃群落植被丰富，地表枯落物较多，温度与水分相对较高，显著增加了土壤微生物的数量和活性，促进了土壤硝化与反硝化作用，土壤N2O排放通量达到最大。田松岩等（2014）研究表明，不同热带森林群落导致凋落物输入的种类与数量不同，进而影响微生物群体的数量，最终使硝化和反硝化作用增强，使土壤N2O排放速率加强。

土壤pH对N2O净排放的影响十分复杂。有研究表明，土壤pH与N2O排放的关系，取决于产生N2O的主导过程是硝化作用还是反硝化作用（Wang et al.，2013；Chen et al.，2015）。本研究中随着热带森林次生演替的进行，土壤pH值不断下降（表1），N2O排放通量不断增加，两者呈显著负相关（图3）。Wolf et al.（2003）研究表明，酸性森林土壤（pH＜3.8）主要通过反硝化过程产生N2O，低pH的土壤NO3－反硝化的最终产物是N2O，而高pH土壤的最终产物可能是N2。虽然N2O主要产生于反硝化过程，但也受到硝化过程活性的驱动。目前涉及酸性森林土壤 N2O的具体产生途径的研究仍然缺乏。本研究中土壤容重随着演替的进行逐渐减小，而土壤N2O排放却逐渐增大，这是因为演替后期的高檐蒲桃群落植被种类较多，植物根系发达，导致样地区域土壤较为疏松，改善了较为黏重的砖红壤，增加了土壤的透气性，可能有利于微生物的活动，从而促进了硝化作用，增加土壤N2O排放。

主成分分析结果表明，热带森林次生演替主要引起土壤易氧化有机碳、水解氮、硝态氮、铵态氮等土壤碳、氮养分的改变，从而对土壤N2O排放通量产生显著影响，同时存在样地的差异性。前人研究表明，N源是硝化作用和反硝化作用生物过程导致森林土壤N2O产生中的最主要因素（Li et al.，2009）。大量的有机质为硝化和反硝化微生物提供了更多的N源，因此，增加了土壤N2O的排放（Li et al.，2010）。李睿达等（2014）研究表明，有机碳能显著促进N2O排放，且排放通量随着有机碳含量的增高而增高。热带森林演替能够引起土壤全氮含量的增加进而对土壤 N2O排放通量产生显著影响。在西双版纳地区水热条件优越，使得氮被大量转化为硝态氮和铵态氮，为硝化作用和反硝化作用提供了充足的反应底物，从而对N2O排放通量产生一定影响。土壤全氮含量在演替初期最小（表1），说明全氮含量随着热带森林群落演替而逐渐加大，从而影响土壤N2O的产生。因此，本研究结果与前述研究基本一致，但存在一定的差异，热带森林土壤养分含量影响土壤植物根系更明显，土壤微生物与土壤动物的数量更多、活性更高，影响土壤N2O排放通量的生态学过程更加显著。

4 结论

西双版纳热带森林植物群落演替过程中土壤N2O排放通量时间变化显著，表明热带森林群落演替过程中的植被与土壤环境变化使土壤 N2O排放不同。由于位于高温高湿的热带环境，土壤温度、水分及土壤养分影响土壤 N2O排放通量时间动态变化更加明显，同时也存在一定的地域特殊性。目前关于中国热带森林土壤 N2O排放通量时空动态及其主要调控因素的研究，仍然十分缺乏，并存在一定的不确定性。本研究结果将有助于正确理解热带森林土壤 N2O排放通量的过程及机制以及热带森林在全球碳氮平衡中的地位及作用。