水分對(duì)側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放的影響

孫曉涵，賀康寧，劉 碩，李玉娥，萬(wàn)運(yùn)帆，郭倩倩，李安超，董 梅

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

森林是地球上分布最廣的植被類型，覆蓋率達(dá)13.9%。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳氮循環(huán)過(guò)程中起著極其重要的作用[1]。林地土壤的溫室氣體排放研究是當(dāng)前全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)和溫室氣體源匯功能方面的一個(gè)重要內(nèi)容。土壤水分是影響土壤溫室氣體排放的關(guān)鍵因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)森林土壤水分含量與土壤溫室氣體排放之間的關(guān)系做了大量研究[2-4]，但均是在野外原位進(jìn)行觀測(cè)，而土壤水分含量變化對(duì)林地土壤溫室氣體排放的影響未見(jiàn)報(bào)道。

側(cè)柏（Platycladus Orientalis）是我國(guó)溫帶地區(qū)的主要森林類型之一[5]。據(jù)2005年北京市二類清查數(shù)據(jù)顯示，北京市側(cè)柏總面積為88 003.8 hm2[6]，是北京低山和平原地區(qū)的主要常綠樹(shù)造林樹(shù)種。目前，我國(guó)對(duì)側(cè)柏做的研究多集中在側(cè)柏生物量研究方面[7-11]，對(duì)側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放的研究相對(duì)較少[12-13]，僅集中在側(cè)柏林地土壤CO2排放研究上，側(cè)柏林地土壤水分與CO2、N2O、CH4排放關(guān)系的研究未見(jiàn)報(bào)道。筆者以側(cè)柏林地為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)對(duì)不同土壤水分條件下側(cè)柏林地土壤溫室氣體排放通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討土壤水分變化對(duì)側(cè)柏林地土壤CO2、N2O、CH43種溫室氣體排放的影響，旨在進(jìn)一步研究闡明林地土壤水分與溫室氣體排放之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市西北郊太行山北部。實(shí)驗(yàn)基地高程范圍11.28～1 162.70 m。該區(qū)屬華北大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季干燥寒冷；年均氣溫12.2℃，最高、最低氣溫分別為39.7、－19.6℃，年降雨量約700 mm，多集中在7～8月[14]。選擇林地土壤結(jié)構(gòu)和發(fā)育情況一致區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)采樣區(qū)，林地生境條件如下：林地類型為純林地，樹(shù)種為側(cè)柏，海拔為150 m，林齡為，40 a，平均胸徑為12 cm，郁閉度為30%，坡度30°，坡向?yàn)殛?yáng)坡，土壤類型為棕壤土，林下植被為荊條、繡線菊、胡枝子、野葡萄、白草和大油芒。土壤含水量16.77%，最大田間持水量40%，土壤容重0.942 g/cm3，土壤有機(jī)碳含量50.22 g/kg，pH值6.86，全氮23.77 g/kg，全磷0.95 g/kg，全鉀17.64 g/kg。

1.2 野外采樣方法

在林地選取3個(gè)5 m×5 m樣地，將每個(gè)樣地等分為4個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)正中取1個(gè)土樣，共采取土樣12個(gè)（圖1）。采集時(shí)將PVC管（內(nèi)徑25 cm、高20 cm）底端放在地面上，插入土壤至PVC管上端與地面齊平為止，保留枯枝落葉層，用鐵鍬取出土柱，用聚乙烯膜封口，盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

圖1 野外取土示意圖

土柱取出后，在采點(diǎn)0～10 cm和10～20 cm土層取3個(gè)鋁盒和1個(gè)環(huán)刀用于土壤物理性質(zhì)分析；取0～20 cm土壤，去除樹(shù)根石塊后混勻裝入封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后分別過(guò)2 mm和0.25 mm篩測(cè)其化學(xué)性質(zhì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)與測(cè)定

1.3.1 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析手冊(cè)》[15]和文獻(xiàn)[16]。土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由常規(guī)化學(xué)分析方法分析[15]。

1.3.2 土壤水分控制 把采集的12個(gè)土柱帶回實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)日稱重，按最大田間持水量20%、40%（約為正常含水量）、60%和80%進(jìn)行控水處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每日8∶00、18∶00稱量土柱總重，低于控水水平時(shí)，立即補(bǔ)充至設(shè)定土壤含水量。

1.3.3 人工氣候箱控制與氣體測(cè)定 根據(jù)中國(guó)氣象局網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)設(shè)置人工氣候箱參數(shù)，模擬研究區(qū)春秋季節(jié)自然條件，設(shè)置相同溫度（10℃）、光照和空氣濕度（40%），培養(yǎng)周期30 d。為使采氣裝置嚴(yán)格密封，氣體采集箱用外徑25 cm（等同于PVC管內(nèi)徑）、高18 cm、厚度5 mm白色透明有機(jī)玻璃制成，每隔一天上午9∶00～11∶00時(shí)間段內(nèi)采氣，上罩后每隔10 min（0，10，20，30 min）用自動(dòng)采樣器進(jìn)行取氣，每次采樣結(jié)束后共采4（4次抽樣）×4（4種處理）×3（3個(gè)重復(fù)）=48個(gè)氣體樣品，每個(gè)氣樣30 mL，用Agilent7890A氣相色譜儀測(cè)定樣品中CO2、CH4和N2O的濃度。根據(jù)各氣體濃度，換算成單位土壤的各氣體累計(jì)產(chǎn)量，并用累積產(chǎn)量-時(shí)間曲線的最大斜率代表培養(yǎng)土壤的氣體產(chǎn)生速率[17]。氣體通量正值表示氣體從土壤排放到大氣，負(fù)值表示土壤為氣體的匯。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤CO2排放的影響

60%水分處理在培養(yǎng)初期土壤CO2排放通量波動(dòng)較大（圖2），4 d（219.843 mg/m2h）后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤CO2排放通量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。20%和40%水分處理在整個(gè)培養(yǎng)周期波動(dòng)較小，80%水分處理呈波浪式波動(dòng)，整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)2次高峰值，分別在16 d（89.202 mg/m2h）和24 d（85.962 mg/m2h），最低值為38.638 mg/m2h（2 d）。各處理在培養(yǎng)初期波動(dòng)相對(duì)較大，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，各水分處理CO2排放通量漸趨穩(wěn)定且各處理間的差異逐漸減小。

圖2 不同土壤水分條件下CO2排放變化

在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中20%、40%、60%、80%水分處理CO2平均排放通量分別為21.948、47.912、96.351、63.200 mg/m2h。總體看來(lái)，側(cè)柏林地土壤CO2排放通量60%>80%>40%>20%（圖2）。

2.2 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤N2O排放的影響

側(cè)柏林地土壤表現(xiàn)為60%和80%水分處理在培養(yǎng)前12 d土壤N2O排放通量波動(dòng)較大（圖3），且隨培養(yǎng)時(shí)間增加排放通量逐漸增加，并在培養(yǎng)第12 d同時(shí)達(dá)到最高值，分別為0.041和0.052 mg/m2h，12 d后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤N2O排放通量相對(duì)穩(wěn)定。20%和40%處理在整個(gè)培育周期中波動(dòng)較小。

在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中20%、40%、60%、80%水分處理N2O平均排放通量分別為0.002、0.004、0.015、0.021mg/m2h。總體看來(lái)，側(cè)柏林地土壤N2O排放通量80%>60%>40%>20%（圖3），但20%與40%在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中排放通量差距不大，這可能因?yàn)樵谡：恳韵拢趾坎皇峭寥繬2O排放主要限制因子。

圖3 不同土壤水分條件下N2O排放變化

2.3 水分對(duì)側(cè)柏林地土壤CH4吸收的影響

側(cè)柏林地在10℃溫度下，土壤CH4通量均為負(fù)值，林地土壤為大氣CH4的匯（圖4）。40%水分處理培養(yǎng)前4 d吸收通量較大，培養(yǎng)第2 d達(dá)到最大值0.082 mg/m2h，培養(yǎng)后期土壤CH4通量變化相對(duì)穩(wěn)定。其他3個(gè)水分處理在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中土壤CH4吸收通量值忽高忽低，但波動(dòng)范圍較小，均在0.001～0.037 mg/m2h范圍內(nèi)。

圖4 不同土壤水分條件下CH4排放變化

整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中20%、40%、60%、80%水分處理CH4平均吸收通量分別為0.018、0.038、0.020、0.012 mg/m2h。總體看來(lái)，側(cè)柏林地土壤CH4吸收通量表現(xiàn)為80%<20%<60%<40%。

3 討 論

森林土壤對(duì)大氣溫室氣體濃度具有重大貢獻(xiàn)，同時(shí)各溫室氣體的產(chǎn)生和排放量也受其所處環(huán)境狀況的影響，土壤理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體的排放起著重大作用[18]。試驗(yàn)中，側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)3種溫室氣體排放影響如下。

3.1 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)CO2排放通量的影響

影響土壤CO2排放的所有非生物因素中，土壤濕度變化是影響土壤CO2排放變化的重要因素[19]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，林地土壤水分含量在20%～60%范圍內(nèi)，隨土壤水分含量增加，林地土壤CO2排放通量有增加的趨勢(shì)，超過(guò)60%隨土壤含水量的增加而減少。一般認(rèn)為合適的土壤濕度有利于可溶性有機(jī)質(zhì)含量的增加，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)、活動(dòng)[18，20]。試驗(yàn)中土壤含水量為最大田間持水量的60%時(shí)土壤CO2排放通量最大，最適宜側(cè)柏林地微生物活動(dòng)。

整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中60%處理土壤CO2排放通量第4 d達(dá)到最大值，明顯高于其它值，這可能是因?yàn)轱L(fēng)干一段時(shí)間的土壤再濕潤(rùn)會(huì)引起CO2排放通量在短期內(nèi)增加[20]。土壤正常含水量為40%，通過(guò)加水到60%，提高了土壤微生物的活性，利于微生物的呼吸，使CO2排放增加，但隨著時(shí)間增加，密閉的罩內(nèi)環(huán)境使得CO2濃度增加，抑制土壤微生物呼吸，使CO2排放減少[21]。20%、40%和80%水分處理沒(méi)有此現(xiàn)象，可能由于水分不足或過(guò)多使土壤微生物活性較低，呼吸較弱，罩內(nèi)CO2濃度變化不是影響土壤微生物呼吸的主要限制因子。

3.2 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)N2O排放通量的影響

水分是影響土壤中硝化作用和反硝化作用這些生物過(guò)程最重要因素之一[22]。試驗(yàn)中土壤水分含量低于40%時(shí)，土壤N2O排放通量變化不明顯；土壤水分含量高于40%時(shí)，N2O排放通量隨土壤含水量的上升隨之增加。這可能是因?yàn)橥寥捞幱谧畲筇镩g持水量以下時(shí)，硝化作用是N2O的最基本來(lái)源，N2O產(chǎn)生主要由硝化作用產(chǎn)生，N2O的排放量隨土壤水分的增加而增加[23]。

側(cè)柏林地土壤60%和80%水分處理在培養(yǎng)前12 d隨培養(yǎng)時(shí)間增加排放通量逐漸增加，12 d后隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)土壤N2O排放通量相對(duì)穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)時(shí)2處理加水相對(duì)較多，土壤水分變化顯著，土壤的干濕交替使得硝化作用和反硝化作用交替成為N2O的主要產(chǎn)生機(jī)制，同時(shí)土壤的干濕交替還能抑制反硝化過(guò)程中的深度還原，使得N2O的產(chǎn)生量增大[24]。已有研究表明[25]，在土壤含水量較低，土壤水分變化顯著時(shí)，會(huì)出現(xiàn)N2O通量峰值。

3.3 側(cè)柏林地土壤水分變化對(duì)CH4排放通量的影響

水分對(duì)土壤中CH4的產(chǎn)生起著決定性的作用，這是因?yàn)镃H4產(chǎn)生所需的厭氧條件在很大程度上決定于土壤水分狀況，只有當(dāng)水分阻止了氧的擴(kuò)散形成嚴(yán)格的厭氧環(huán)境時(shí)，CH4才能產(chǎn)生[26]。研究發(fā)現(xiàn)土壤水分含量高于40%時(shí)，土壤CH4吸收通量隨土壤含水量的增加而減少；土壤水分含量低于40%時(shí)，土壤CH4吸收通量隨土壤水分的增加而增加。可能因?yàn)闈穸冗^(guò)高使水分更多地布滿土壤空隙，土壤空氣變少，限制空氣擴(kuò)散，土壤微生物活性從好氣過(guò)程變?yōu)橄託膺^(guò)程，CH4氧化細(xì)菌活性受到限制，濕度過(guò)高在一定程度上限制土壤對(duì)CH4的吸收[27]。該研究還表明，過(guò)低的土壤含水量也不適宜CH4的吸收。

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