施肥对板栗林土壤活性碳库和温室气体排放的影响

张蛟蛟，李永夫*，姜培坤，周国模，刘 娟

(1浙江农林大学，浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江临安311300;2浙江农林大学，亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江临安311300)

CO2和N2O是引起全球气候变暖重要的温室气体，大气中 CO2和 N2O浓度每年以0.5%和0.2%的速度不断递增［1］。土壤不仅是CO2排放的重要源和汇，也是N2O排放的重要源［2］。同时，森林土壤是陆地生态系统中最大的碳贮存库，维持着全球植被碳库的86%和土壤碳库的73%［3－4］。人工林经营措施(包括耕作、施肥、灌溉及土地利用变化等管理措施)通过改变土壤理化性状来影响土壤温室气体的排放和碳库特征［5］。其中，施肥是人工林经营管理中最重要的调控手段之一。研究表明施肥对于土壤肥力的维持及作物产量与品质的提高具有非常重要的意义［6］，但施肥对土壤碳库和温室气体的排放的影响研究还没有定论。如Mo等［7］在亚热带森林的研究发现，土壤中施加氮肥，土壤呼吸速率减弱，土壤CO2排放减少;而Iqbal等［6］在亚热带森林的研究结果表明，施用氮肥显著增加土壤温室气体排放;而Lopez-Valdez等［8］在太阳花的培养试验中发现，与不施肥处理相比，单施尿素处理对土壤CO2排放速率没有显著影响。这是由于施肥对土壤温室气体排放的影响原因比较复杂造成的。因此，施肥对土壤温室气体排放和土壤碳库的影响还有待于进一步研究。

板栗(Castanea mollissima)是中国重要的经济林种，也是浙江省三大经济林种之一［9］。目前集约化经营是板栗林重要的经营方式，施肥是板栗林经营最重要的调控手段之一。虽有施肥增加板栗产量和土壤肥力的报道［10］，但施肥对板栗林土壤活性碳库与温室气体排放的影响还鲜有报道。因此，本试验利用静态箱－气相色谱法，测定了不同无机肥和有机肥处理下板栗林地土壤CO2和N2O排放速率，同时测定了土壤水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)含量。旨在探明不同施肥处理对板栗林土壤温室气体排放的影响，揭示土壤温室气体排放速率与土壤活性碳库特征之间的相互关系，为综合评价经济林生态系统的碳汇功能提供基础资料与科学依据。

1 试验与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在浙江省临安市青山湖地区的天泽果园(119°86'E、30°25'N)。该地区属于典型亚热带季风气候，气候温和(近10年平均气温为15.9℃)，四季分明(七月最热，平均气温28.1℃;1月最冷，平均气温3.4℃)，雨量充沛(近10年年平均降水量为1450 mm)，年有效积温为5774℃ ，年日照时数为1774 h。研究区为低山丘陵地形，海拔为150～250 m。样地土壤类型为红壤土类(黄红壤亚类)，土壤有机质含量25.7 g/kg、全氮1.84 g/kg、碱解氮98.32 mg/kg、有效磷9.86 mg/kg、速效钾101.2 mg/kg、pH 值 4.64(用常规方法测定［11］)。

试验样地的板栗林样地是由常绿阔叶林样地改造过来，林龄为18 a，种植密度540 plant/hm2，平均胸径14.1 cm，林下有少量灌木杂草等。采用中等强度的集约经营模式。每年5月的中下旬左右对板栗林进行施肥，肥料通过撒施的方式施于土壤表面，然后进行翻耕入土操作，翻耕深度一般为30 cm。

1.2 试验设计

2011年5月，在板栗林地选择地理条件(主要考察土壤类型、坡度与坡向)基本一致的区域作为试验样地，并布置施肥试验。试验共设置4个处理:1)不施肥(CK);2)无机肥(IF);3)有机肥(OF);4)有机肥无机混合肥(OIF，1/2无机肥和1/2有机肥)。各肥料处理的施氮量均为N 87 kg/hm2，有机无机混合肥处理的有机氮和无机氮比例为1∶1，具体施肥量见表1。试验中所使用的有机肥为浙江省德清东鑫复混肥料有限公司生产的商品有机肥(含N 3%、P2O51.8%、K2O 2.6%、C 35.1%)。有机肥施用量以氮含量为标准进行计算，其中磷、钾不足的部分用化学磷肥(过磷酸钙)和化学钾肥(氯化钾)补充。试验小区面积为256 m2(16 m ×16 m)，4次重复，采用随机区组设计，每个小区之间间隔距离为3 m。6月3日进行肥料处理，采用撒施的方法进行施肥，并翻耕入土。翻耕后，进行静态箱的布置(每个小区布置1个静态箱)。为了测定板栗林果实生长季前后土壤碳库和土壤温室气体排放的变化特征，将土壤和气体采样时间安排在7月3日(施肥后1个月)和12月4日(施肥后6个月)进行。测定板栗林样地土壤CO2和N2O的排放速率，并测定WSOC和MBC含量。

表1 试验各处理肥料用量(kg/hm2)Table 1 The amount and composition of different fertilizer treatments

1.3 采样及测定方法

本试验采用静态箱－气相色谱法对温室气体(CO2和N2O)通量进行分析测定。采样气袋采用大连光明化工设计研究院生产的铝箔采气袋。采样箱为组合式，即由顶箱和底座两部分构成，制作材料均为PVC板，静态箱的规格尺寸为30 cm ×30 cm×30 cm［12］。采样时间一般在上午9:00～11:00之间［12］。采集气体前，首先用充气法检查气袋的气密性，选取气密性良好的气袋到野外进行气体取样。气体采样的操作步骤如下:将顶箱插入底座凹槽中，在底座凹槽中倒入适量蒸馏水，起到密封的效果。然后盖上顶箱，分别于0、10、20、30 min用60 mL注射器进行气体取样。采样时，为了使静态箱内气体充分混合均匀，先将注射器插入采集箱的硅胶孔来回抽动2～3次，随后再抽出60 mL空气注入真空气袋内，密封。采气体样同时，监测大气温度、地表和5cm土层温度，在各小区按五点取样法采集0—20 cm土样，最后将气样和土样一起带回实验室进行测定分析。气样中的CO2和N2O浓度利用岛津GC－2014气相色谱仪进行测定［13］。温室气体排放通量的计算公式如下:

式中:F为被测气体的排放通量;ρ为标准状态下被测气体的浓度;A为箱体底面积;V为箱体体积;为单位时间取样箱内被测气体浓度的变化量;T0和P0分别为标准状态下的空气绝对温度和气压;T和P为取样时箱内的实际气温和气压。

土壤质量含水量采用105℃烘干法进行测定。土壤水溶性有机碳(WSOC)含量的测定方法参照Wu等［14］的方法。具体方法如下:称取20 g新鲜土样，按照水土比2∶1进行浸提，在25℃下以100 r/m振荡0.5 h，于8000×g离心10 min后通过0.45 μm滤膜过滤到塑料瓶中，然后用有机碳分析仪(TOC－VCPH，岛津公司)测定滤液中的有机碳含量。土壤微生物量碳(MBC)含量的测定采用氯仿熏蒸直接提取［15］，对照土壤和熏蒸后土壤用0.5 mol/L K2SO4提取(土液比为1∶5)，滤液中的有机碳含量采用有机碳分析仪(TOC－VCPH，岛津公司)测定。土壤MBC含量=(熏蒸土样含碳量－未熏蒸土样含碳量)/0.45，0.45为换算系数。

1.4 数据处理

文中数据均为4次重复的平均值。试验数据采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，新复极差法进行多重比较(显著性水平P＜0.05);用Pearson相关分析法分析土壤温室气体排放速率与WSOC和MBC含量的相关性。数据均用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 施肥对板栗林地土壤CO2和N2O排放速率的影响

由图1可见，无论是7月份(施肥1个月后)还是12月份(施肥6个月后)，与不施肥处理(CK)相比，施肥处理对板栗林土壤CO2和N2O的排放速率均有显著性影响 (P＜0.05)。土壤CO2的排放速率在同一施肥处理条件下，12月份与7月份相比下降了54% ～64%。施肥1个月后，与CK处理［CO2排放速率为420.61 mg/(m2·h)］，IF、OF和 OIF处理的土壤CO2排放速率分别提高了87%、38%和61%。施肥6个月后，与CK处理［CO2排放速率为188.7 mg/(m2·h)］相比，IF、OF和 OIF处理下土壤CO2排放速率分别增加了51%、43%和64%(图1A、图1B)。对于N2O的排放，同一施肥处理条件下，12月份与7月份相比N2O的排放速率下降了68% ～81%。施肥1个月后，与CK处理［N2O排放速率为43.5 μg/(m2·h)］相比，IF、OF 和 OIF 处理下土壤N2O排放速率分别增加了101%、67%和95%。施 肥 6个 月 后，与 CK 处 理 ［13.9 μg/(m2·h)］相比，IF、OF和 OIF处理下土壤 N2O排放速率分别提高了21%、29%和47%(图1C、图1D)。

图1 不同施肥处理对板栗林土壤CO2和N2O通量的影响Fig．1 Effects of different fertilizer treatments on the CO2and N2O fluxes from soils of Chinese chestnut stands

2.2 施肥对板栗林地土壤水溶性有机碳和土壤微生物量碳的影响

从图2可以看出，与CK处理相比，施肥处理对土壤水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)均有显著性影响(P＜0.05)。同一施肥处理下，12月份与7月份相比，WSOC含量减少了21% ～32%。施肥1个月后，IF、OF和OIF处理下土壤WSOC含量分别为CK处理(83.7 mg/kg)的1.51、2.07和1.88倍，施肥6个月后，IF、OF和OIF处理分别为CK处理(65.73 mg/kg)的1.33、1.92和1.62倍(图2A、图2B)。同一施肥处理下土壤微生物量碳(MBC)含量，12月份与7月份相比增加了28% ～54%。施肥1个月后，IF、OF和OIF处理土壤MBC含量分别是CK处理(220.7 mg/kg)的1.12、1.49和1.83倍(图4A);施肥6个月后，IF、OF和OIF处理分别是CK处理(316.1 mg/kg)的1.20、1.52和1.63倍(图2C、图2D)。

图2 不同施肥处理对板栗林土壤水溶性有机碳和微生物量碳含量的影响Fig．2 Effects of different fertilizer treatments on the WSOC and MBC concentrations in Chinese chestnut stands

2.3 板栗林地土壤水溶性有机碳、微生物量碳与温室气体排放的相关性

图3显示，土壤CO2和N2O排放速率与WSOC含量呈显著正相关(P＜0.05)，而与MBC含量之间没有明显的相关性。

3 讨论

3.1 施肥对土壤CO2和N2O 排放速率的影响

本研究结果表明，同一施肥处理下，板栗林土壤CO2和N2O排放速率在7月份明显高于12月份(图 1)，这与前人的研究结果相一致［6，16］。这主要是因为土壤温度、土壤水分以及土壤底物(如水溶性有机碳、有机质及土壤氮等)的变化引起的［16－19］。由于夏季温度高，土壤微生物活性和根系活性强，微生物的呼吸和根系呼吸作用也较强，使土壤CO2排放增加［16］;另一方面，夏季植物生长迅速，根系分泌物增加，可溶性有机物质增加，进而使土壤CO2和N2O 排放增加［16－17］;也有可能是夏季土壤有机碳氮的矿化速率快，碳、氮营养的有效性增强，为微生物的生长繁殖提供了营养源和能源，进而产生更多的温室气体［17－18］。此外，亚热带地区夏季高温多雨，为微生物了提供适宜的生长环境，由此引起硝化作用增强，局部也有可能形成厌氧环境促进反硝化作用的进行，最终表现为土壤N2O排放量增加［18］。反之，冬季温度低，土壤有机物质矿化速率降低，土壤水分减少，这些都会减弱温室气体的排放速率［17］。就不同施肥处理而言，本研究发现，施肥对板栗林土壤CO2和N2O排放具有明显的促进作用(P＜0.05)(图1)，与前人的研究结果一致［16，20］。其原因一方面是因为施用氮肥能为土壤微生物硝化作用提供足够的氮源，进而使硝化作用加强，N2O排放增加［20］;另一方面，施肥可以提高土壤微生物利用碳源的效率，使土壤有机质矿化作用加快，从而增加了土壤CO2的排放［21］;此外，施肥可以促进植物快速生长，根系呼吸速率加快，进而表现为土壤CO2排放的增加［16］。本研究还发现，施肥一个月后，三种施肥处理的土壤CO2和N2O排放存在显著差异，表现为无机肥处理的温室气体排放速率最高，有机无机混合肥次之，有机肥最低。这可能是由于无机肥(尿素)短期内容易被植物吸收利用，促进植物生长，进而使土壤呼吸作用加强［21］;同时，微生物可以迅速利用无机氮肥，其生长繁殖速度加快，一定程度上也增加了呼吸作用和反硝化作用［22－23］;此外，尿素也可以在短时间内发生水解作用，进而使N2O的排放量增加［23］。然而也有不少研究结果表明施肥对土壤温室气体排放速率没有显著影响［24］，甚至降低了土壤呼吸速率［25］，这种差异可能与施肥时间，肥料种类以及植被类型不同有关［6］。因此，施肥一个月后和施肥半年后板栗林土壤CO2和N2O排放存在一定差异可能是由土壤温度、土壤水分、植物生长以及不同肥料性质的不同引起的。

图3 板栗林地土壤CO2和N2O通量与水溶性有机碳和微生物量碳含量的相关性Fig．3 Correlations between greenhouse gas(CO2andN2O)fluxes and labile carbon(WSOC and MBC)pools in soils of Chinese chestnut stands

3.2 施肥对土壤水溶性有机碳和微生物量碳的影响

土壤水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)是土壤中重要的活性有机碳指标。大量的研究表明，施肥可以显著增加土壤WSOC和MBC含量，且无机有机配施或有机肥处理明显比单纯施用无机肥显著提高 WSOC 和 MBC 含量［26－28］，本研究也得出了相似的研究结论(图2)。造成这一结果的原因可能是，一方面肥料的输入促进了土壤微生物的生长繁殖，增加根系生物量及根系分泌物，使WSOC和MBC含量增加;另一方面，有机肥相比单施化肥而言，不仅为微生物提供了充分的氮源，同时也提供充足的碳源，刺激土壤微生物活动，增加了微生物源的溶解性有机化合物。此外，可能有机肥本身含有一定数量的溶解性有机化合物，进而增加了土壤水溶性有机碳和微生物量碳含量。而本试验研究中，与7月份相比，12月份土壤水溶性有机碳含量下降了，而微生物量碳含量却增加了，这与前人的研究结果一致［29］。这可能是由于温度的季节性变化引起的，如Iqbal等［29］研究结果表明，土壤水溶性有机碳与土壤温度正相关，同时，王国兵等［30］研究也表明土壤微生物量碳与土壤温度负相关。

3.3 土壤温室气体排放与土壤水溶性有机碳和微生物量碳的相关性

本研究结果表明，板栗林土壤CO2和N2O排放速率与土壤WSOC含量呈明显的正相关(P＜0.05)(图3A，图3C)，这与李永夫等［12］在毛竹林土壤以及Iqbal等［29］在果树与林地土壤中的研究结果相似。这可能是因为土壤WSOC含量也具有与温室气体排放相似的季节性变化引起的［29］，WSOC含量高时，可以为微生物生长提供充足的营养，促使微生物生长加快和活性增强，进而增加了微生物呼吸产生的CO2和硝化菌与反硝化菌代谢产生的N2O［12，31］。但也有研究表明，稻田土壤 CO2排放与WSOC含量之间没有显著的相关性［32］。这主要是由于土壤类型、植被类型以及人工经营措施的不同造成的。本研究还发现，土壤CO2排放速率与土壤MBC含量之间没有明显的相关性(图3B)，这与Iqbal等［29］在山地土壤中的研究结果一致。然而，李海防等［33］和葛高飞等［34］的研究却发现，土壤CO2排放速率与MBC之间呈正相关。本研究中，板栗林地土壤N2O排放速率与土壤MBC含量之间相关性不明显(图3D)，这和 Lin等［35］在亚热带地区果园中的研究结果相似。但Lin等［35］在林地和山地土壤上的研究结果表明，土壤N2O排放速率与土壤MBC含量之间具有显著相关性。这可能是由于土壤温室气体排放主要受到温度和WSOC的影响，从而掩盖了MBC对温室气体排放的影响作用［31，35］。总之，土壤温室气体排放是土壤因子和人为因素等综合影响的结果，如施肥、植物类型、土壤类型、微生物活性、微生物种类等因素的差异都会对温室气体排放产生不同的影响［33］。

4 小结

1)施肥措施不仅显著增加了板栗林地土壤温室气体(CO2和N2O)排放速率，也显著增加了板栗林地土壤水溶性有机碳和微生物量碳的含量。

2)板栗林土壤温室气体(CO2和N2O)排放速率与水溶性有机碳含量具有显著相关性，而与土壤微生物量碳含量的相关性不显著。

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