施肥對山核桃林地土壤N2O排放的影響

陳雪雙， 劉 娟， 姜培坤， 周國模， 李永夫， 吳家森

(浙江農林大學浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室， 浙江臨安 311300)

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在浙江省臨安市太湖源鎮浪嶺角村，地理坐標為(30°19′ N，119°35′ E)，屬中緯度北亞熱帶季風氣候。全年降雨量平均1628 mm，多年平均氣溫為15.8℃，7月為最熱月，平均為28.1℃，1月為最冷月，平均為3.4℃，極端高溫和極端低溫分別為41.9℃和-13.3℃，平均日照時數1939 h，無霜期234 d。土壤類型為板巖母質發育的紅壤。山核桃林0—20 cm土壤基本理化性質如下：pH 4.69、容重1.20 g/cm3、有機質17.19 g/kg、總氮1.06 g/kg、堿解氮126.46 mg/kg、有效磷2.97 mg/kg、 速效鉀88.7 mg/kg。

1.2 試驗設計

2011年5月，選擇坡度和坡向基本一致的山核桃林地作為試驗用林。試驗設對照(CK， 不施肥)、單施無機肥(IF)、單施有機肥(OF)、 有機無機肥配施(OIF，1/2有機肥和1/2無機肥)，每個處理設4次重復，共有16個小區，隨機區組排列，每個小區面積為400 m2。試驗中所有有機肥為商品有機肥(N 3%、 P2O51.8%、K2O 2.6%、C 35.1%)，無機肥分別為尿素(N 46.5%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)。肥料用量根據當地山核桃常規用量[13]。不同施肥處理的肥料用量均以等氮量計算，有機肥處理中，磷鉀肥不足部分用過磷酸鈣和氯化鉀進行補充(表1)。5月底進行均勻撒施施肥，并翻耕入土，不施肥小區內只進行翻耕處理，同時進行靜態箱的布置(每個小區1個)。

表1 試驗各處理肥料用量(kg/hm2)

1.3 取樣方法

在采集氣體的同時，記錄大氣溫度、地下5 cm土壤溫度，并在每個小區采集0—20 cm土壤樣品，充分混勻后帶回實驗室測定土壤水分含量、 水溶性有機碳含量、微生物量碳。首次采樣由于儀器設備原因導致土壤微生物量碳數據缺失。

1.4 測定方法

土壤pH值測定用pH計法(土水比1 ∶2)； 總有機質含量用重鉻酸鉀-外加熱法； 總氮用半微量凱氏定氮法； 堿解氮用堿解擴散法； 有效磷用HCl-NH4F浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀用乙酸銨浸提—火焰光度計法進行測定。

用島津GC-2014測定氣樣中的N2O濃度，N2O氣體通過十通進樣和四通切換閥，由電子捕獲探測器(ECD)分析，溫度為250℃，載氣為高純氮氣。

溫室氣體N2O排放通量計算方法如下所示[7]：

(1)

式中：F為被測氣體排放通量；V為箱體體積；A為箱底底面積；dCt/dt為單位時間取樣箱內N2O濃度的變化量。ρ為標準狀態下被測氣體的濃度，1.25 kg/m3；T0和P0分別為標準狀態下的空氣絕對溫度和氣壓(273K，1013hPa)；P和T為測定時箱內的實際氣壓和氣溫。在觀測期內大氣壓力變化較小，因此在計算過程中把采樣時箱內的大氣壓力認為是標準狀況下的大氣壓力。

N2O累積排放量計算方法如下所示[14]：

M=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24

(2)

式中：M為被測氣體N2O累積排放量；F為N2O排放通量；i為樣品數量；t為采樣時間。

土壤水溶性有機碳的測定參照Wu等[15]的方法進行，然后用有機碳分析儀(TOC-VCPH，島津公司)測定濾液中的有機碳含量。土壤微生物量碳參考Vance等[16]氯仿熏蒸法-0.5 mol/L K2SO4提取法提取測定。

1.5 數據分析

本文中所有數據均是4次重復的平均值，利用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件進行分析處理。數據分析采取隨機區組單因素方差分析(One-way ANOVA)，利用新復極差法(DMRT)在P<0.05顯著性水平下分析不同處理間的差異性。用線性回歸評價土壤N2O排放通量與土壤溫度、土壤含水量、水溶性有機碳含量和微生物量碳之間的關系。

2 結果與分析

2.1 大氣溫度、降雨量、土壤溫度及含水量的季節動態

圖1 月均溫度、降雨量、土壤溫度(地下5 cm)及土壤含水量的年動態變化Fig.1 Seasonal variations in monthly mean temperature, monthly precipitation, soil temperature at 5 cm depth and soil moisture content of the 0-20 cm depth

2.2 不同施肥處理山核桃林地土壤的N2O排放通量動態變化

圖2 不同施肥處理山核桃林地土壤N2O排放通量Fig.2 Effect of different fertilizer treatments on N2O flux in Chinese pecan stands soil

2.3 山核桃林地土壤水溶性碳和微生物量碳的動態變化

圖3 不同施肥處理山核桃土壤水溶性有機碳和微生物量碳含量的動態變化Fig.3 Seasonal variations in the water soluble organic carbon and the microbial biomass carbon concentrations in Chinese pecan stands soil

2.4 土壤N2O通量與土壤溫度、含水量、水溶性碳含量和微生物量碳的相關性

不同施肥處理土壤N2O通量與各因子的相關關系如表2所示，土壤N2O通量與地下5 cm處土壤溫度具有顯著相關性(P<0.05)，與土壤含水量無顯著相關性。單施有機肥和有機無機肥配施處理土壤N2O通量與WSOC含量之間存在顯著相關關系(P<0.05)；單施無機肥和對照的土壤N2O排放通量則與WSOC含量無顯著相關。施有機肥和有機無機肥配施處理土壤N2O排放通量與MBC含量顯著相關，對照處理則相關不顯著。

3 討論

3.1 山核桃林地土壤N2O排放特征

本研究表明，在試驗觀察期間，山核桃林土壤N2O通量呈明顯的季節變化，在8月份排放最高，達到 0.16 N mg/(m2·h)，冬春季節排放量較低，甚至出現負值。這與前人在森林生態系統中的研究結果相似[9,17]，可能與土壤溫度、水溶性碳和微生物量碳含量的季節性變化有關(圖1B和圖3)。夏季氣溫高而多雨，此時土壤水分和礦態氮含量較高，水分增加時土壤酶活性增強，特別是硝化和反硝化細菌，硝化和反硝化作用加快最終導致N2O排放增加[14]。而冬季溫度較低雨水較少，硝化和反硝化細菌活性下降，進而造成土壤N2O排放速率減弱[18]。

表2 土壤N2O排放通量與土壤溫度(地下5 cm處)、土壤含水量、水溶性碳和微生物量碳的相關性(R2)

3.2 不同施肥處理對山核桃林地土壤N2O排放的影響

土壤N2O排放通量與施肥活動密切相關，施肥可以為微生物活動提供大量的有效氮，促進由微生物參與硝化、反硝化、礦化及有機質的分解等過程，進而促進N2O的排放[24]。本研究發現，施肥處理對土壤N2O排放有明顯的促進作用(P<0.05)(圖2)，這與Rachhpal等[25]和Jassal等[26]的研究結果相似。原因可能是施加氮肥肥料能夠為土壤微生物硝化提供有效氮源，同時促進土壤養分吸收，微生物頻繁活動加強對土壤養分的利用，進而增加土壤N2O排放，另外施肥促進作物生長，根系呼吸增強，消耗土壤中的O2為反硝化細菌提供了局部厭氧環境，反硝化作用加快[26]。

另外本研究發現，土壤N2O排放速率表現為單施有機肥高于對照及單施無機肥處理(圖2)，這與張蛟蛟等[9]在板栗林土壤中的研究結果一致，這可能是由于與單施無機肥相比，有機肥的施入增加土壤水溶性有機碳的含量(圖3)，為土壤提供充足的有機氮源，刺激了硝化、反硝化土壤微生物的生長，土壤N2O的排放速率迅速增加[9,27]。這與李永夫等[7]在亞熱帶毛竹林地發現的單施尿素對N2O排放速率的影響達到顯著水平不同，可能是由于施氮肥種類、施氮量差異對土壤微生物的硝化和反硝化的影響不同引起的。

3.3 不同施肥處理下土壤環境因子對山核桃林地土壤N2O排放的影響

土壤水溶性有機碳作為土壤活性有機碳，雖然它只占土壤總有機碳的較小部分，但在維持土壤養分和生物學肥力方面起著重要作用[32]。本研究發現，施用有機肥和有機無機肥配施的土壤水溶性有機碳含量明顯增加，說明不同肥料處理對土壤水溶性有機碳含量的影響存在顯著差異，有機肥相比化肥，不僅為微生物提供充分氮源，同時也提供充足碳源，刺激土壤微生物活動，增加微生物源的溶解性有機化合物[9]。單施有機肥和有機無機肥配施處理土壤N2O排放通量與土壤水溶性碳含量呈顯著正相關(表2)，這可能是有機肥的添加增加土壤水溶性有機碳含量和土壤有機氮，硝化和反硝化作用底物增加，最終影響土壤N2O增加。

4 結論

1) 山核桃林地土壤N2O排放具有明顯的季節性變化特征，表現為夏季排放通量較高，冬季排放通量較低。

2)不同處理條件下，山核桃林地土壤N2O排放與地下5 cm土壤溫度呈顯著相關，而與土壤水分無相關性。單施有機肥與有機無機肥配施處理土壤N2O排放速率與土壤水溶性有機碳含量和微生物量碳有顯著相關性，單施無機肥和對照處理則相關性不顯著。

3)施肥顯著增加山核桃林地土壤N2O排放，不同施肥處理間沒有顯著差異。添加有機肥引起土壤水溶性有機碳和微生物量碳的增加可能是有機肥增加山核桃林地土壤N2O排放速率的主要原因之一。

參考文獻:

[1] Intergovernmental panel on the climate change(IPCC). Climate change 2007:the physical science basis[R]. London, England:Cambridge University Press, 2007.

[2] Yashiro Y, Kadir W R, Okuda Tetal. The effects of logging on soil greenhouse gas (CO2, CH4, N2O) flux in a tropical rain forest, peninsular Malaysia[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2008, 148:799-806.

[3] Byrnes B H. Environmental effects of N fertilizer use an overview[J]. Fertilizer Research, 1990, 26:209-215.

[4] Liu X, Chen C R, Wang W Jetal. Soil environmental factors rather than denitrification gene abundance control N2O fluxes in a wet sclerophyll forest with different burning frequency[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57:292-300.

[5] Helena P, Iris P, Franz Betal. Influence of a nitrification inhibitor and of placed N-fertilization on N2O fluxes from a vegetable cropped loamy soil[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2012, 150:91-101.

[6] 于亞軍,王小國,朱波.紫色土菜地生態系統土壤N2O排放及其主要影響因素[J].生態學報, 2012, 32(6):1830-1838.

Yu Y J, Wang X G, Zhu B. N2O emissions from vegetable farmland with purple soil and the main factors influencing these emissions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(6):1830-1838.

[7] 李永夫,姜培坤,劉娟,等.施肥對毛竹林土壤水溶性有機碳氮與溫室氣體排放的影響[J].林業科學, 2010, 46(12):165-170.

Li Y F, Jiang P K, Liu J,etal. Effect of fertilization on water-soluble organic C, N, and emission of greenhouse gases in the soil ofPhyllostachysedulisstands[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2010, 46(12):165-170.

[8] Zhang W, Mo J M, Yu G Retal. Emissions of nitrous oxide from three tropical forests in Southern China in response to simulated nitrogen deposition[J]. Plant and Soil, 2008, 306:221-236.

[9] 張蛟蛟,李永夫,姜培坤,等.施肥對板栗林土壤活性碳庫和溫室氣體排放的影響[J].植物營養與肥料學報, 2013, 19(3):745-752.

Zhang J J, Li Y F, Jiang P Ketal. Effect of fertilization on the dynamic of soil N2O fluxes in Chinese chestnut stands[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(3):745-752.

[10] 黃興召,黃堅欽,陳丁紅,等.不同垂直地帶山核桃林地土壤理化性質比較[J].浙江林業科技, 2010, 30(6):23-27.

Huang X Z, Huang J Q, Chen D Hetal. Comparison on soil physical and chemical properties at different vertical zones ofCaryaCathayensisstands[J]. Zhejiang Forestry Science and Technology, 2010, 30(6):23-27.

[11] 張春苗,張有珍,姚芳,等.臨安山核桃主產區土壤pH值和有效養分的時空變化[J].浙江農林大學學報, 2011, 28(6):845-849.

Zhang C M, Zhang Y Z, Yao Fetal. Temporal and spatial variation of soil pH and nutrient availability forCaryaCathayensisorchards in Lin’an[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2011, 28(6):845-849.

[12] 王艷艷,趙偉明,趙科理,等.海拔高度對山核桃林地土壤pH值和有效養分的影響[J].現代農業科技, 2012, 17:224-231.

Wang Y Y, Zhao W M, Zhao K Letal. Effects of altitude on pH and available nutrients in Chinese hickory orchards[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2012, 17:224-231.

[13] 黃程鵬,吳家森,許開平,等.不同施肥山核桃林氮磷徑流流失特征[J].水土保持學報, 2012, 26(1):43-52.

Huang C P, Wu J S, Xu K Petal. Runoff losses of nitrogen and phosphorus underCaryacathayensisstand with different fertilization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(1):43-52.

[14] Liu J, Jiang P K, Wang H Letal. Seasonal soil CO2efflux dynamics after land use change from a natural forest to Moso bamboo plantations in subtropical China[J]. Forest Ecology and Management, 2011, 262:1131-1137.

[15] Wu J S, Jiang P K, Chang S Xetal. Dissolved soil organic carbon and nitrogen were affected by conversion of native forests to plantations in subtropical China[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2010, 90(1):27-36.

[16] Vance E D, Brookes P C, Jenkison D C. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6):703-707.

[17] 李海防, 夏漢平, 傅聲雷, 等. 剔除林下灌草和添加翅莢決明子對尾葉桉林土壤溫室氣體排放的影響[J]. 植物生態學報, 2009, 33(6):1015-1022.

Li H F, Xia H P, Fu S Letal. Emissions of soil greenhouse gases in response to understory removal andCassiaalataaddition in anEucalypitusurophyllaplantation in Guangdong province, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2009, 33(6):1015-1022.

[18] Lin S, Iqbal J, Hu R Getal.Nitrous oxide emissions from rape field as affected by nitrogen fertilizer management:A case study in Central China[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45:1775-1779.

[19] Arnold K V, Weslien P, Nilsson Metal. Fluxes of CO2, CH4and N2O from drained coniferous forests on organic soils[J]. Forest Ecology and Management, 2005, 210:239-254.

[20] Eickenscheidt N, Brumme R. NOxand N2O fluxes in a nitrogen-enriched European spruce forest soil under experimental long-term reduction of nitrogen depositions[J]. Atmospheric Environment, 2012, 60:51-58.

[21] Yan Y P, Sha L Q, Cao Metal.Fluxes of CH4and N2O from soil under a tropical seasonal rain forest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20:207-215.

[22] 顧韓, 牟長城, 張博文. 火干擾對小興安嶺毛赤楊沼澤溫室氣體排放動態影響極其影響因素[J].生態學報, 2012, 32(24):7808-7817.

Gu H, Mu C C, Zhang B W,etal. Dynamics of greenhouse gases emission and its impact factors by fire disturbance from Alnus sibirica forested wetland in Xiaoxing’an Mountains, Northeast China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(24):7808-7817.

[23] 蘇王娟, 付曉青, 李勇, 等. 亞熱帶典型丘陵坡地馬尾松林土壤N2O的年通量特征[J]. 林業科學, 2012, 48(5):130-135.

Su W J, Fu X Q, Li Yetal. Annual nitrous oxide fluxes from thePinusmassonianawoodland in a typical hilly region of the southern subtropical China[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(5):130-135.

[24] Sey B K, Whalen J K, Gregorich E G. Carbon dioxide and nitrous oxide content in soils under corn and soybean[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(4):931-938.

[25] Rachhpal S J, Black T A, Trofymow J Aetal. Soil CO2and N2O flux dynamics in a nitrogen-fertilized pacific northwest Douglas-fir stand[J]. Geoderma, 2010, 157:118-125.

[26] Jassal R S, Andrew B T, Roy Retal.Effect of nitrogen fertilization on soil CH4and N2O fluxes, and soil and bole respiration[J]. Geoderma, 2011,162:182-186.

[27] Akiyama H, Tsuruta H. Effect of chemical fertilizer from on N2O, NO and NO2fluxes from Andisol field[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63:219-230.

[28] Sina Berger, Eunyoung Jung, Julia Kǒppetal. Monsoon rains, drought periods and soil texture as drivers of soil N2O fluxes-Soil drought turns East Asian temperate deciduous forest soils into temporary and unexpectedly persistent N2O sinks[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 57:273-281.

[29] 鄧杰, 鄧湘雯, 黃志宏, 等. 4種典型亞熱帶森林生態系統生長季地表N2O通量特征[J]. 中國農學通報, 2012, 28(13):6-13.

Deng J, Deng X W, Huang Z Hetal. Surface N2O flux from 4 different typical forest stands in growing season in subtropical south China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(13):6-13.

[30] Lin S, Iqbal J, Hu Retal. Difference in nitrous oxide fluxes from red soil under different land uses in mid-subtropical China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 136:40-48.

[31] 馬秀芝, 張秋良, 李長生，等. 寒溫帶興安落葉松林土壤溫室氣體通量的時間差異[J].應用生態學報, 2012, 23(8):2149-2156.

Ma X Z, Zhang Q L, Li C Setal. Temporal variation of soil greenhouse gases fluxes in a cold-temperateLarixgmeliniiforest in Inner Mongolia, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(8):2149-2156.

[32] 姜培坤. 不同林分下土壤活性有機碳庫研究[J]. 林業科學, 2005, 41(1):10-13.

Jiang P K. Soil active carbon pool under different types of vegetation[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(1):10-13.

[33] 陳涵貞, 蘇德森, 呂新, 等. 武夷山常綠闊葉林土壤有機碳和微生物量碳的動態特征[J]. 農學學報, 2012, 38-42.

Chen H Z, Su D S, Lü Xetal. Dynamic characteristics of soil organic carbon and microbial biomass carbon of evergreen broad-leaved forest in Wuyi Mountain[J]. Journal of Agriculture, 2012:38-42.

[34] 張瑞, 張貴龍, 姬艷艷, 等.不同施肥措施對土壤活性有機碳的影響[J]. 環境科學, 2013, 34(1):277- 282.

Zhang R, Zhang G L, Ji Y Yetal. Effects of different fertilizer application on soil active organic carbon[J]. Environmental Science, 2013, 34(1):277-282.

[35] 李娟, 趙秉強, 李秀英, 等. 長期不同施肥條件下土壤微生物量及土壤酶活性的季節變化特征[J]. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(5):1093-1099.

Li J, Zhao B Q, Li X Yetal. Seasonal variation of soil microbial biomass and soil enzyme activities in different long-term fertilizer regimes[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5):1093-1099.