增温对秦岭温带森林土壤N2O 通量的影响

王小鸽 彭长辉 薛 巍 王 辉 李卫忠

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100）

由全球变暖导致的区域降水格局改变、物种消失及极端天气增加等效应，极大地改变着地球生态系统和人类生存环境[1]。N2O 是3 种主要的温室气体之一，不仅能破坏臭氧层而且具有较高的全球增温潜势，它的辐射增温潜势是CO2的298 倍，且在大气中停留时间达118 年之久[2]。工业革命以来，大气中N2O 的浓度增加了20%[3]，未来其温室效应可能会超过CO2[1,3]，将进一步加剧气候变暖趋势。

土壤是N2O 的主要排放源，其中森林土壤N2O 年排放量约为2.88～7.42 Tg，占全球土壤总排放量的60%[4-5]。N2O 的产生与氮素的生物转化过程紧密相关，特别是硝化和反硝化过程。其中土壤温度、湿度、土壤碳氮含量及pH 值等环境因素都会对N2O 产生相当大的影响[6-7]。全球气候变暖背景下，森林土壤微生物活性、有机质及凋落物的分解速率等发生了改变，进而影响着森林土壤N2O 的排放[5,8]。因此有关森林生态系统土壤N2O 排放对气候变暖的响应规律的研究引起广泛关注。已有学者通过模拟增温实验，研究了农田、草地、泥炭地、森林等生态系统土壤氮循环对气候变暖的响应[9-12]。国内森林土壤氮循环的增温控制实验研究较少，主要集中在寒温带高纬度高海拔及亚热带地区[12-14]。其中，唐偲頔等[12]在亚热带森林的研究中发现增温处理显著降低了土壤硝态氮含量和土壤N2O 通量。鲁旭阳等[14]对中国贡嘎山东部冷杉（Abies fabri）林的研究结果表明，增温使土壤N2O 排放有所增加。不同的研究结果表明不同气候带森林土壤N2O 排放对气候变化响应有较大差异。温带地区受雨热同期的影响，森林土壤温度和湿度变化剧烈，在一定程度上影响着该气候带内森林土壤N2O 的排放。随着全球气候变暖，研究升温对温带森林土壤N2O 通量的变化，对了解和评估气候变化对森林生态系统氮循环具有重要意义。

秦岭是我国暖温带与北亚热带气候的分界线，属我国气候变化敏感区域。过去40 年我国秦岭地区呈现平均气温增加和降雨减少的变化趋势[15]，增温干旱可能是未来100 年的变化趋势，因此，在此开展增温对森林土壤N2O 通量的影响研究，对于了解气候变化对该区森林生态系统氮循环过程具有重要价值。本研究以秦岭主要植被类型锐齿栎（Quercus alienavar.acutiserrata）林为研究对象，通过2 a 野外模拟增温试验对秦岭土壤N2O 通量开展研究，分析气候变暖对N2O 通量的影响和关键控制因子，以期为我国森林生态系统土壤氮循环关键过程在对气候变化响应的模拟提供参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省宁陕县境内的火地塘林区（33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E）。该地区属于暖温带湿润气候，年均气温为8～10 ℃，年均降水量为900～1200 mm，且多集中在每年的7—9 月，占全年降水量的50%。该区域海拔在800～2500 m，地形地貌复杂，山势陡峭，一般坡度在30°～50°。土壤主要为山地棕壤土，有机层以及矿质层的平均厚度约为50 cm。区内森林植被类型主要是在20 世纪60—70 年代森林的全面皆伐后形成的天然次生林，类型复杂多样，平均林龄在25～35 a，主要的植被类型为华山松（Pinus armandii）、油松（Pinus tabulaeformis）、锐齿栎、秦岭冷杉（Abies chensiensis）、红桦（Betula albosinensis）、云杉（Picea asperata）、鹅耳枥（Carpinus turczaninowii）等。

2 研究方法

2.1 增温装置及环境因子监测

在火地塘林区选择典型的锐齿栎林，选取地势相对平坦的3 个30 m×30 m 标准样地。在每个标准样地中，按随机区组试验设计要求重复设置6 块3 m×4 m 小样方，彼此间隔5 m 以上。在每个样方内参照国际开顶式增温法（OTC）进行土壤的增温。OTC 增温主要依靠聚集太阳辐射和减缓风速来进行增温，是一种被动增温方法。已有文献显示[16-17]，OTC 增温处理可使空气温度增加2～6 ℃，土壤温度增加0.5～5.0 ℃。本研究中OTC 是由8 mm 厚的透明丙烯酸树脂（透光率达95%）制成的六边形开顶式增温小室（图1），上下底边分别长70 cm 和100 cm，地面倾角60°，离地面垂直高度52 cm，侧边长60 cm，高58.1 cm，上下底面积分别为1.273 m2和2.598 m2。保持林下植被自然状态，于2016 年6 月底安装OTC 装置，在每个增温小区对角线中间离地高1.3 m 处安置S−THB−M008 温湿度传感器（ONSET，美国），在OTC 内地表以下5 cm 和10 cm 的土壤中安装纽扣式数字温度传感器（WatchDog B100 SPECTRUM Co.，美国）。所有传感器均连接到数据记录仪（H21−USB），每小时记录1 次，并计算日平均温度。

图1 开顶式生长室示意图Fig.1 Schematic diagram of open top chamber

采用静态箱法测定土壤N2O 通量，顶箱由1 个直径为25 cm PVC 圆柱管和1 个永久性颈圈组成，高50 cm。底座直径为25 cm，高20 cm。顶端有2.5 cm 的平台，用于与顶箱上的密封条对接，下端插入土壤内10 cm。采样时将顶箱紧密扣在地箱上。观测过程中地箱位置固定不变，以保证底座底部内的植被和土壤扰动最小。

2.2 样品采集与处理

2016 年7 月至2018 年6 月，采集样地内土壤N2O 通量进行测定。生长季（5—10 月）每月2 次，非生长季（11 至次年4 月）每月1 次。2017年10 月和2018 年1 月、4 月和6 月在测定土壤N2O 气样的当日，分别采集小样方内0～20 cm 深度的土壤，每个小样方内随机选取6 个采样点，每点取3 钻，人工去除植物根系、动植物残体和石块等杂物，混合均匀后立即送往实验室。4 ℃冰箱储存，用于测定土壤含水量、硝态氮、铵态氮、有机碳、全氮等指标。

2.3 N2O 通量测定

先将静态箱安置在底座上，迅速用胶带密封，立即用10 mL 一次性真空采血针管从静态箱中抽取气体，采样时间间隔为0、5、10、15、20 min，读取0、20 min 时的箱内温度，并将采样管密封低温保存，将所取的气样在24 h 内运回实验室待测。采样时间为10：00—11：00，并以此时测定值代表日均交换通量[5]。采回的气样用气相色谱仪（Agilent 7890，Agilent Co.，USA）测定N2O 浓度。N2O 检测器为电子捕获检测器（ECD），检测器、分离柱的温度分别是330、60 ℃，载气为高纯氮气，流速为20 mL/min。N2O通量（F）采用如下公式进行计算：

2.4 土壤有机碳、铵态氮、硝态氮、总氮测定

取10.0 g 干土质量的新鲜土样，置于清洗干净的广口聚乙烯瓶，加入50 mL 2 mol/L 的KCl 溶液，震荡1 h，取直径为9 cm 的定量滤纸过滤后的液体，采用连续流动分析仪（Skalar Sanþþ，Skalar Co.，荷兰）测定土壤铵态氮和硝态氮含量。称取0.5 g 干土质量的新鲜土样，置于清洗干净的广口聚乙烯瓶，加入50 mL 去离子水，震荡1 h，取直径为9 cm 的定量滤纸过滤后的液体，用总碳分析仪（Liquil TOC Ⅱ，Elementar，德国）进行测定土壤有机碳含量，总氮含量用凯氏定氮仪测定（KjeltecTM8400 Analyzer，Foss，瑞典）。

2.5 数据处理

运用SPSS 13.0 和SigmaPlot 12.5 软件进行数据分析与作图。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较处理间差异显著性，Pearson 相关性分析检验土壤N2O 通量与土壤温度、土壤含水率、铵态氮、硝态氮和土壤有机碳、全氮含量之间的关系。

3 结果与分析

3.1 增温对小气候的影响

由图2 可以看出，增温条件下，2016 年7 月至2018 年6 月期间，地表以下5 cm 处温度（T5）、地表以下10 cm 处温度（T10）和气温平均温度值分别比对照提高0.25、0.43 ℃和1.1 ℃，气温的增温幅度最高。不同季节之间，与对照相比，T5和T10均在夏季增温幅度最大，平均增幅大于1 ℃。春季次之，秋季和冬季几乎没有变化。增温条件下土壤含水量并没有显著下降，在6 月、7 月、9 月，比对照平均增加了12.3%。可能是因为在降雨量相对较多的月份，增温可能会促进土壤含水量的增加[18]。本研究区域由于降雨量多集中在夏季，增温使含水量增加的作用也相对明显。不同增温时期，与对照相比，随着增温时间延长，土壤T5的平均温度先降低后增加，而土壤T10的平均温度则呈下降趋势。同时土壤平均含水量随着增温时间的延长总体也呈下降趋势。

图2 OTCs 增温条件下土壤5、10 cm、大气日平均温度和土壤含水量的动态变化Fig.2 Dynamics of soil temperature at 5 cm and 10 cm,daily mean air temperature and water-filled pore space after soil warming

3.2 增温对土壤N2O 通量的影响

由图3 可知，增温条件下，锐齿栎林土壤N2O 年排放量为(1.88±0.57) kg/(hm2·a)，与对照相比，增温处理使锐齿栎林土壤N2O 通量显著增加了13.9%。不同季节增温效果存在差异：与对照相比，增温显著增加了锐齿栎林春季（21.2%）和夏季（17.6%）的土壤N2O 通量（P<0.05）（图4）。与对照相比，增温初期N2O 增加幅度较大，随着增温时间延长，土壤平均N2O 通量总体呈降低趋势。

图3 增温条件下土壤N2O 通量动态变化特征Fig.3 Dynamics of soil N2O flux after soil warming

图4 增温条件下土壤N2O 通量季节变化Fig.4 Season patterns of soil N2O flux after soil warming

3.3 增温对土壤碳氮含量的影响

增温处理使土壤碳氮含量发生显著变化（表1）。与对照相比，增温处理使土壤铵态氮含量下降了7%，硝态氮含量增加8.4%（P<0.05），其中硝态氮含量差异显著（除1 月外）（P<0.05）；与对照相比，增温处理显著降低了锐齿栎林土壤有机碳含量（除1 月外）（P<0.05），分别下降了33.06%、20.34%、30.3%和37.48%。土壤增温显著降低了锐齿栎林土壤全氮含量的含量，2017 年10 月至2018 年6 月，平均下降了34.9%。土壤增温显著提高了10 月和1 月的C/N（P<0.05），分别增加了11.7% 和15.6%，但6 月下降了3.4%。

表1 增温条件下土壤碳氮含量Table 1 Soil carbon-nitrogen contents after soil warming

3.4 增温条件下土壤N2O 与土壤特性的相关性

相关分析结果显示（表2），锐齿栎林土壤N2O 通量与土壤温度、含水量、硝态氮，均具有显著的正相关（P<0.05），与土壤有机碳含量具有显著负相关（P<0.05）。土壤有机碳含量与硝态氮、铵态氮有明显的正相关。增温条件下锐齿栎林土壤温度和硝态氮含量与土壤N2O 通量的相关系数较高。

表2 增温条件下土壤N2O 通量与土壤特性的Person 相关性分析Table 2 Person correlation analyses of N2O flux and soil characteristics after soil warming

4 结论与讨论

N2O 是重要的温室气体，土壤N2O 的产生与N 循环过程密切相关，对森林生态系统有重要作用。大量研究显示土壤温度通过影响微生物活性进而影响N2O 产生速度[5,19-21]。土壤增温对N2O排放的影响是不一致的，研究认为土壤增温提高了微生物活动，刺激氮矿化而使氮供应增加，从而使N2O 排放升高[21-22]；另有研究认为，在亚热带地区，增温尽管增加了土壤的N 矿化率，但也使土壤N 淋溶大幅上升，减少了土壤中的硝态氮含量[23]。因此增温对N2O 无影响。本研究中，增温显著增加秦岭锐齿栎林土壤N2O 通量，但对各季节的影响不一致。以夏季和春季土壤N2O 通量增加幅度最大。这可能与研究区土壤水分的季节差异有关，夏季降水充沛，土壤湿度一直保持在较高的水平。当水分并非限制因子时，土壤温度的增加会促进有机质的分解速率[24-25]，因此增温处理导致了土壤N2O 排放通量的提高。而冬季当温度低于零度时，微生物活性受到抑制，土壤N2O 通量低于夏季。增温后N2O 排放高峰出现在夏季，与土壤微生物活动一致，加速了土壤N2O的排放。这个结果与前人研究一致[26-27]，认为增温对N2O 排放的影响只表现在生长季，而非生长季尤其是冬季由于温度太低，N2O 排放量没有影响。同时秦岭山区雨热同期，增温并没有引起土壤含水量的显著下降，因此水分并不是影响该区域土壤N2O 排放的主要限制因子。尽管如此，锐齿栎林土壤含水量依然与N2O 通量存在显著的相关性，需要进一步研究土壤水分N2O 排放的影响机制。

研究结果显示，增温条件下，锐齿栎林土壤N2O 通量随增温时间的延长总体呈下降趋势，表明增温初期，土壤温度增加明显，土壤微生物活性和对有机质分解速率加快，随着增温时间延长，土壤微生物活性和有机质分解速率下降。

土壤有效氮是土壤中容易被吸收利用的氮，对氮循环有重要意义。多数研究表明温度升高加速氮周转速率，增加净N 矿化率，从而增加了森林土壤无机氮含量[22,27-28]。高思齐等[19]研究报道，温度升高使参与硝化和反硝化过程的氨氧化和反硝化细菌丰度显著提高，说明温度升高有利于土壤反硝化和氨氧化过程，导致有效氮含量增加，促进土壤N2O 的排放。研究结果显示增温显著提高了秦岭锐齿栎林土壤硝态氮含量，N2O 的排放量增加。Brzostek 等[29]研究发现，土壤增温显著增加了夏季土壤硝态氮含量，增加了生长季土壤N2O 的排放。结果也显示，6 月锐齿栎林土壤硝态氮含量与对照相比显著增加，夏季是土壤N2O 排放的高峰。有研究表明，土壤N2O 通量和土壤氮含量呈现显著相关，其中与硝态氮呈显著或极显著正相关，这与本研究的结果一致。本研究发现秦岭锐齿栎林土壤N2O 通量与硝态氮含量呈正相关，增温使得土壤硝态氮含量增加，进而促进了土壤N2O 的排放。

土壤有机碳是大多数微生物的能量来源，通过控制土壤微生物的行为来影响N2O 的产生[19]。有机碳含量增加会促进微生物活性和生长，增加对氮素的消耗，因此研究认为，有机碳含量升高，会导致N2O 排放降低[7,30]。本研究显示增温显著降低了锐齿栎林土壤有机碳含量，可能的原因是增温能促进土壤中的有机碳转化为气体释放或向溶解性有机碳转化，从而引起土壤有机碳含量下降。这与王一[25]研究增温对暖温带锐齿栎林土壤有机碳含量影响的结果一致，主要是由于土壤有机碳的分解速率受微生物分解者的代谢活性调控，微生物分解者的代谢活性通常随着温度的增加而增加。刘彦春[17]研究也显示，增温使土壤有机碳含量下降，全氮含量增加，使得土壤N2O排放提供了更多的机质。因此增温促进了土壤中有机碳的分解作用。

N2O 排放与土壤C/N 负相关，原因可能是因为高的C/N 能使土壤氮固定，使土壤中可利用性氮含量减少，抑制N2O 排放[31]。有研究认为温度升高会提高森林土壤微生物数量及活性，进而降低了土壤C/N。本研究发现增温使锐齿栎林土壤C/N 并未对N2O 通量产生显著影响。

通过研究温度升高对秦岭锐齿栎林土壤N2O 排放通量和控制因子的影响，本研究结果表明，OTC 增温对春夏季土壤温度影响明显，对土壤含水量并没有影响。增温处理显著增加了土壤N2O 通量，增温效果和土壤N2O 通量表现出显著的季节响应差异，春季和夏季土壤N2O 通量增幅显著。同时，随着增温时间延长，土壤温度、含水量及土壤N2O 通量总体呈下降趋势。温度升高改变了土壤碳氮含量，影响了N2O 通量的变化。增温处理降低了土壤全氮的含量，但使土壤硝态氮含量增加，土壤有机碳含量下降。相关分析结果表明，土壤温度和硝态氮含量是影响土壤N2O 通量的关键因子。未来气候变化过程中，土壤温度的改变将会对该区域的碳氮循环产生影响，进而改变该区域森林生态系统N2O 排放过程。该研究结果对于揭示全球变化背景下森林生态系统土壤N2O 排放对全球N2O 排放的贡献具有重要意义。