氮沉降对林带土壤N2O和CH4通量的影响

胡正华,张 寒,陈书涛,李 琪,李涵茂,申双和 (.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,江苏 南京 0044；.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 0044)

氮沉降对林带土壤N2O和CH4通量的影响

胡正华1*,张 寒2,陈书涛2,李 琪1,李涵茂2,申双和1 (1.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 210044)

于2008年4月～2009年10月在龙王山对林带土壤进行模拟氮沉降试验,采用静态箱-气相色谱法测定土壤N2O和CH4通量,研究氮沉降增加对土壤N2O和CH4排放(吸收)的影响.结果表明,短期内,氮沉降没改变土壤N2O和CH4通量的季节性变化规律和日变化规律.与对照(CK)相比,短期的低氮[50 kg N/(hm2·a), TL]、中氮[100kgN/(hm2·a), TM]和高氮[150kgN/(hm2·a), TH]处理对土壤的N2O和CH4年平均通量和日平均通量都没有显著影响.

氮沉降；森林土壤；N2O；CH4；通量；北亚热带

气候变暖的主要原因是大气中温室气体浓度的不断增加.N2O和CH4是重要的温室气体,其百年尺度单位质量的全球增温潜势(GWP)分别是CO2的298倍和25倍[1].工业革命以来,大气中N2O 和 CH4的浓度持续上升,分别达到了319×10-3µL/L和 1774×10-3µL/L[2].模型预测,到2100年大气中N2O和CH4的浓度增加范围分别为(+38～144)×10-3,(-190～1970)×10-3µL/L[1]. CH4具有较强的化学活性,能参与对流层中许多重要的大气化学过程,而N2O不仅参与大气中的光化学反应,还能间接破坏平流层中的臭氧层[3].

大气中含活性氮物质迅速增加并向地面沉降,严重影响着生态系统的健康发展[4].未来几十年氮沉降量还将继续增加,并呈现出全球化趋势[5-6].目前,我国一些地区已存在着高氮沉降问题,如广东鼎湖山自然保护区1998～1999年降水中氮含量高达 38.4kg/(hm2·a)[7],长三角地区南京、常熟和杭州的降水中氮含量分别为 23,25, 30kg/(hm2·a)[8].我国氮沉降量接近欧洲和北美一些高氮沉降区,已成为继欧洲、美国之后的世界第三大氮沉降集中区[9-10].随着我国经济的进一步发展,氮沉降问题还会越来越严重[11].

森林是陆地生态系统最大的有机碳库[12],森林土壤碳库总量约占全球土壤有机碳库的73%[13];森林土壤氮储量超过森林植被总氮量的85%[14],森林土壤是N2O的重要排放源[15].森林与大气不断地进行着碳氮交换,森林土壤的碳氮平衡在全球碳氮循环中起着重要作用.氮沉降对土壤温室气体排放的影响研究亦日益成为人们关注的焦点之一[16-18].本研究通过模拟氮沉降试验,研究氮沉降增加对北亚热带落叶阔叶林土壤N2O和CH4通量的影响,为评估氮沉降增加背景下该区域森林土壤碳氮库的变化提供基础资料.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究样地位于江苏省南京市北郊的龙王山(118°42′ E、32°11' N),属北亚热带季风气候区.年均气温 15.5℃,1月平均气温 2.2℃,极端低温-13.3℃,7月平均气温 28.2℃,极端高温 40.7℃;无霜期 225天;年相对湿度 76%;年均降水量1019.5mm.地带性植被为亚热带落叶阔叶林,群落郁闭度 0.9.林冠层主要树种有白栎(Quercus fabri)、化香(Platycarya strobilacea)、构树(Broussonetia papyrifera).林下层主要有白檀(Symplocos paniculata)、山胡椒(Lindera glauca)、狭叶山胡椒(L. angustifolia)、朴树(Celtis sinensis)、茶条槭(Acer ginnala)等.草本层有苔草(Carex spp.)、天门冬(Asparagus cochinchinensis)、繁缕(Stellaria media)等.

1.2 试验设计

在树木分布均匀区域建立12个4m×4m样方,样方间留有缓冲带,以防相互干扰.土壤有机碳为 32.1g/kg,全氮含量为 2.1g/kg,容重为1.08,pH(H2O)4.5.设对照[CK,0kg/(hm2·a)]、低氮[TL,50kg/(hm2·a)]、中氮[TM,100kg/(hm2·a)]和高氮[TH,150kg/(hm2·a)](不包括大气沉降的氮量) 4种氮处理水平.每种处理有3个样方.从2008年4月开始,于每月初喷施NH4NO3,全年平均喷施.方法是根据氮处理水平,将每个样方每次所需喷施的NH4NO3溶解在3.2L水中(全年所增加的水量相当于新增降水 1.2mm),用喷壶均匀喷洒,对照样方则喷洒同样多的水.

1.3 气样采集与分析

采用静态箱-气相色谱法测定土壤 N2O和CH4通量[19].采样底座为无底盆钵,高 10cm,盆钵上口有 1.5cm深的凹槽用以在采样时注水与采样箱密封.底座提前安装在土壤中(深 5cm).采样箱为PVC材料的圆柱体,高1m,外侧包裹一层海绵和锡箔纸以减小箱内温度变化,采样箱直径与底座凹槽直径一致.气样用带三通阀的塑料针筒采集,分别于关箱后0,10,20min采集,气样 60ml.每次每个样方采集气样9个,每种氮处理水平有27个气样.常规采样时间为8:00～10:00,日变化观测采样时间为8:00～18:00,每2h采样1次.试验于2008年4月～2009年10月进行,

气样用改装的Agilent-6890N气相色谱仪同步检测N2O和CH4的混合比.N2O使用ECD检测器,CH4使用FID检测器.通过对每组3个样品的目标气体混合比与相对应的采样间隔时间(0,10,20min)进行直线回归,求得目标气体的排放速率.继而根据大气压力、气温、普适气体常数、采样箱的有效高度、目标气体分子量等,求得单位面积的排放量[19].

1.4 环境因子测定

每次采集气样的同时测定空气温度、10cm深土壤温度,称重法测定土壤湿度.

1.5 数据分析

数据分析利用 SPSS 13.0 (SPSS Inc., Chicago, USA)、Office Excel 2003等软件完成.

2 结果与讨论

2.1 氮沉降对研究区土壤N2O通量的影响

2.1.1 土壤N2O通量日变化特征 图1是2009-05-05土壤N2O排放日变化特征.各处理的N2O排放具有相似的日变化,N2O排放通量日变化无明显规律性,氮沉降没有改变日变化规律.CK,TL, TM和TH的N2O日平均排放通量分别为(65.70± 1.84),(61.78±4.79),(64.97±1.81),(65.31±3.23)µg/ (m2·h).与CK相比,TL、TM和TH处理使N2O日平均排放通量分别降低了5.97%,1.11%和0.60%,但均未达到显著水平(P＞0.05).

图1 土壤N2O排放日变化特征Fig.1 Daily variation pattern of N2O emission from soil

2.1.2 土壤 N2O通量季节动态 图 2是 2008年4月～2009年10月土壤N2O排放通量,不同处理的N2O排放具有相似的季节性变化规律:夏季土壤N2O排放通量最高,春季次之,秋冬两季较低且变化比较平稳.氮沉降没有改变土壤N2O排放的季节性变化规律.

2.1.3 氮沉降对土壤N2O通量的影响 2008年4月～2009年10月,CK,TL,TM和TH的土壤N2O平均排放通量分别为(102.19±7.77),(97.48± 11.87),(96.77±3.15),(106.36±12.61)µg/(m2·h).与CK相比,TL和TM的N2O平均排放通量分别降低了 4.61%(P=0.298)和 5.30%(P=0.163),而 TH使N2O平均排放通量提高了 4.08%(P=0.326),但均未达到显著水平.氮沉降没有改变森林土壤N2O排放规律,其原因推测如下.森林土壤N2O排放与土壤氮循环速率显著相关,而与外加氮量关系不大,氮沉降只有在提高土壤有效氮含量,促进土壤硝化反硝化作用强度时才会明显影响土壤N2O的排放量[20].

图2 土壤温度、土壤湿度和土壤N2O排放通量Fig.2 Soil temperature, soil moisture and soil N2O emission fluxes

本试验经过1年7个月的氮沉降处理,可能对土壤氮循环速率还没有产生大的影响.土壤N2O通量不仅与硝化反硝化速率有关,还与土壤的 C/N

比有关[21].本试验氮沉降处理的时间较短,可能还没有没有明显改变土壤中C/N比,表现出氮沉降对土壤N2O排放影响不显著.

2.1.4 土壤N2O通量与土壤温湿度的关系 表 1是N2O排放与土壤温湿度的指数回归分析结果.CK,TL和TH的N2O通量与土壤温度有着显著相关性(P＜0.05),TM的N2O通量与土壤温度的相关性不明显(P＞0.05).各处理的N2O通量与土壤湿度都有极显著相关(P＜0.01).氮沉降处理对土壤N2O通量与土壤温湿度的相关性影响不大.土壤 N2O主要通过硝化反硝化过程产生[22],其通量受土壤水分、温度、pH值等影响.本研究表明,森林土壤 N2O与土壤温湿度均存在显著的指数回归关系,且氮沉降处理没有改变这种关系,各处理的土壤 N2O排放具有相同的季节性变化规律.

表1 土壤N2O排放通量与土壤温度和湿度的回归分析Table 1 Correlation between soil N2O fluxes and soil temperature and moisture

2.2 氮沉降对研究区土壤CH4通量的影响

图3 土壤CH4通量日变化特征Fig.3 Daily variation pattern of soil CH4 fluxes

2.2.1 土壤 CH4通量日变化特征 图 3是2008-05-07土壤CH4通量日变化观测结果.各处理的CH4吸收通量具有相似的日变化,CH4通量日变化无明显的规律性.氮沉降没有改变CH4吸收通量的日变化规律.CK,TL,TM和TH的CH4日平均通量分别为(-19.30±10.63),(-18.55±4.89), (-17.91±12.78),(-17.93±25.01) µg/(m2·h).与 CK相比,TL,TM和TH处理使土壤CH4日平均吸收通量分别降低了3.89%,7.20%和7.10%.

2.2.2 土壤CH4通量季节动态 图4是2008年4月～2009年10月土壤CH4通量,各处理的土壤CH4吸收具有相同的季节性变化规律,CH4通量在夏季最高,春秋季次之,冬季最低.氮沉降没有改变CH4通量的季节性变化规律.

2.2.3 氮沉降对土壤 CH4通量的影响 CK,TL, TM和TH的土壤CH4平均通量分别为(-3.91±3.06), (-4.26±2.29),(-3.99±1.72),(-3.73±3.97)µg/(m2·h).与CK相比,TL、TM的土壤CH4吸收量分别增加了8.95%(P=0.442)和2.05%(P=0.482), TH处理使土壤CH4吸收量降低了4.60%(P= 0.442),但均没有达到显著水平.

本研究中,高氮沉降(TH)有降低森林土壤CH4吸收量的趋势(但不显著),其原因可能是:较低的 pH值不利于甲烷营养菌的活性[22],本试验1年7个月的氮沉降处理对土壤pH值可能有一定程度的降低,影响了土壤对 CH4的吸收.氮沉降会使森林土壤 Al3+浓度增加,Al3+对CH4氧化细菌的毒害作用非常明显[23],进而影响到土壤对 CH4的氧化作用.氮沉降可以增加土壤有机质,增加了甲烷生成的底物,提高了森林土壤的 CH4产生量,从而间接减少了对大气CH4的吸收[24].

图4 土壤温度、土壤湿度和土壤CH4通量Fig.4 Soil temperature, soil moisture and soil CH4 fluxes

3 结论

3.1 短期的氮沉降没有改变北亚热带落叶阔叶林土壤N2O排放通量的日变化规律和季节性变化规律;低氮、中氮和高氮处理都没有显著改变土壤N2O排放通量;土壤N2O排放与土壤温湿度存在着显著相关性,且氮沉降没有改变这种相关性.

3.2 短期的氮沉降没有改变北亚热带落叶阔叶林土壤对大气 CH4吸收的日变化规律和季节性变化规律;与对照相比,低氮、中氮和高氮处理没有显著影响森林土壤对CH4的吸收通量.

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Effects of simulated nitrogen deposition on N2O and CH4fluxes of soil in forest belt.

HU Zheng-hua1*, ZHANG Han2, CHEN Shu-tao2, LI Qi1, LI Han-mao2, SHEN Shuang-he1(1.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：892～897

To investigate the effects of elevated nitrogen deposition on forest soil N2O and CH4fluxes, a simulated nitrogen deposition field experiment was conducted in forest belt from April 2008 to October 2009. Nitrogen treatments included the control (no N addition, CK), low-N [50kgN/(hm2·a), TL], medium-N [100kgN/(hm2·a), TM], and high-N [150kg N/(hm2·a), TH]. N2O and CH4fluxes were measured by a static chamber-gas chromatograph method. Nitrogen deposition did not change the seasonal and daily variation patterns of soil N2O and CH4fluxes. Compared to the control, TL, TMand THtreatments had no significant effects on annual average and daily average fluxes of N2O and CH4in soil. Short-term nitrogen deposition did not alter N2O emission fluxes and CH4absorb fluxes of soil in forest belt.

nitrogen deposition；forest soil；N2O；CH4；fluxes；northern subtropical

X171

A

1000-6923(2011)06-0892-06

2010-10-20

国家自然科学基金资助项目(40605029);土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目(0812000053);江苏省“青蓝工程”

* 责任作者, 副教授, zhhu@nuist.edu.cn

胡正华(1973-),男,河南信阳人,副教授,博士,主要从事陆地-大气物质交换与气候变化研究.发表论文40余篇.