施肥对板栗林土壤CH4吸收通量动态的影响

张蛟蛟， 李永夫， 姜培坤， 周国模， 刘 娟

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

施肥对板栗林土壤CH4吸收通量动态的影响

张蛟蛟， 李永夫*， 姜培坤， 周国模， 刘 娟

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

板栗林； CH4吸收通量； 施肥； 水溶性有机碳； 微生物量碳

Keywords:Castaneamollissima; CH4uptake flux; fertilization; water-soluble organic carbon(WSOC); microbial biomass carbon(MBC)

施肥是人工林经营管理重要的手段之一，也是影响土壤CH4排放(或吸收)的重要因素之一[10]。然而，施加氮肥或氮沉降对森林土壤CH4吸收具有抑制、 促进和没有影响三种不同的结论。如Zhang等[10]、 Fender等[11]和Kim等[12]的研究结果表明，增加氮肥或氮沉降对森林土壤具有明显的抑制作用；Veldkamp等[13]研究发现，施加尿素对热带森林土壤CH4吸收有明显的促进作用；Ambus和Robertson[14]也在温带加州铁杉林的研究中发现，施加硝酸铵对土壤具有明显的促进作用；Whalen和Reeburgh[15]研究却发现，施加硫酸铵对温带针叶林土壤CH4吸收没有显著影响。上述研究结果之间的差异主要是由于森林类型、 土壤性质以及水热条件等综合作用的差异引起的[12-15]。因此，如何准确评价施肥对森林土壤CH4吸收的影响机理还比较困难，具有很大的不确定性，而且前人研究主要集中在粗放经营的人工林中，但对亚热带地区强度集约化经营经济林(特别是板栗林)土壤CH4吸收相关研究尚鲜有报道。

板栗(Castaneamollissima)是我国重要的经济林树种，分布于全国26个省市。据报道[16]，到2005年底，我国板栗种植面积已达125万公顷，占到世界总种植面积的38%，总产量达82.5万吨，约占世界总产量的3/4。随着产业化结构调整，板栗林集约化经营模式普遍开展，其中施肥是提高板栗产量的重要手段[17]，而施肥对板栗林土壤CH4通量的影响作用尚不明确。鉴于此，本试验以亚热带地区集约化经营板栗林为样地，利用静态箱-气相色谱法测定不同施肥条件下土壤CH4吸收通量的季节性变化，并同时测定了土壤温度、 土壤水分、 WSOC和MBC等指标。旨在探明不同施肥措施对板栗林土壤CH4吸收通量的影响结果，探讨施肥引起的土壤环境因子变化与土壤CH4吸收通量变化规律的相互关系，为深入研究影响土壤CH4吸收通量的机制和准确估算亚热带地区人工林系统吸收甲烷的潜力提供理论基础与科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

板栗林土壤基本理化性质为： 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，容重1.14 g/cm3。

图1 试验期间月降水量和月平均温度Fig.1 Monthly cumulative precipitation and mean air temperature during the experimental period

1.2 研究方法

2011年5月布置试验，设4种不同施肥处理： 对照(不施肥 CK)、 无机肥(IF)、 有机肥(OF)和有机肥无机混合肥(1/2无机肥和1/2有机肥 IOF)，具体施肥量见表1。试验用有机肥为商品有机肥(含N 3%、 P2O51.8%、 K2O2.6%、 C 35.1%)，无机肥尿素(含N 46.5%)、 过磷酸钙(含P2O512%)、 氯化钾(含K2O 60%)。各施肥处理中肥料用量均以等氮量计算，有机肥处理中磷、 钾不足部分用化学肥料补充。小区面积256 m2(16 m × 16 m)，4次重复，随机区组排列。每个试验小区间隔距离为3 m。肥料于6月3日均匀撒施，并翻耕入土，对照小区只进行翻耕，同时进行静态箱的布置。于2011年6月到2012年6月进行采样，施肥后第1个月采样2次，随后每个月采样一次。野外采样时，选择晴天或多云天气，若遇到长时间阴雨天气则适当推迟几天。

表1 试验各处理肥料用量(kg/hm2)

1.3 样品采集及测定方法

土壤CH4通量的计算公式[22]为

土壤水溶性有机碳(WSOC)含量的测定参照Wu等[23]的方法。土壤MBC含量的测定采用氯仿熏蒸直接提取法[24]。土壤MBC含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5 mol/L K2SO4提取液中含碳量之差乘以

系数得到，MBC = 2.22 EC，其中EC为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液中的碳含量之差[25]。

1.4 数据处理

本文中所有数据均为4次重复的平均值。用Microsoft Excel 2003、 Origin 8.0和SPSS 13.0软件进行数据分析与作图，进行随机区组单因素方差分析(One-way ANOVA)，采用新复极差法(DMRT)进行多重比较(P< 0.05)，用Pearson相关分析法分析CH4吸收通量和土壤温度及水分、 WSOC、 MBC之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

由表2可知，施肥一年后，土壤pH值没有显著变化；施有机氮肥可以显著增加土壤碱解氮、 全氮、 有机质含量(P< 0.05)。此外，施无机氮肥对土壤硝态氮和铵态氮含量有明显的提高(P< 0.05)。

表2 不同施肥处理对土壤基本理化性质的影响

2.2大气月平均温度、降雨量、土壤温度及含水量的年动态变化特征

2.3土壤CH4吸收通量、水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)年动态变化特征

图2 土壤温度(5 cm土层)和土壤含水量(0—20 cm)的年动态变化Fig.2 Season variations in soil temperature at 5 cm depth and soil moisture content of the 0-20 cm depth

图3 板栗林土壤CH4吸收通量(A)、 水溶性有机碳(B)和微生物量碳(C)含量的季节变化规律Fig.3 Seasonal variations in soil CH4 uptake rates(A), WSOC(B) and MBC(C) concentrations in Chinese chestnut stands

图4 不同施肥处理对板栗林土壤CH4年累积吸收量的影响Fig.4 Effect of different fertilizer treatments on soilCH4 annual cumulative uptake in Chinese chestnut stands[注(Note)： 柱上不同字母表示处理间差异达5% 显著水平Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

2.4土壤CH4吸收通量与土壤温度、土壤含水量、WSOC和MBC含量的相关性

土壤CH4吸收通量与各环境因子的相关关系(表3)显示， 土壤CH4吸收通量与5 cm土层土壤温度之间具有显著的相关性(P< 0.05)，随着温度的升高土壤CH4吸收通量具有明显的增加趋势(图2A和图3A)；土壤CH4吸收通量与WSOC含量之间在施肥条件下具有显著的相关性，而不施肥条件下两者没有明显的相关性；然而，在不同处理条件下，土壤CH4吸收通量与土壤含水量及MBC含量之间均没有明显的相关性。

表3 土壤CH4吸收通量与土壤5 cm温度、 含水量、 WSOC和MBC含量的相关系数(r)(n = 13)

注(Note)： * —P< 0.05

3 讨论

3.1板栗林地土壤CH4吸收通量的季节变化特征

3.2 板栗林地土壤CH4的吸收量

3.3 施肥对板栗林土壤CH4吸收通量的影响

3.4土壤环境因子对板栗林土壤CH4吸收的影响

土壤温度和土壤水分是影响土壤氧化吸收大气CH4的重要环境因子[6-7]。一般认为，森林土壤CH4吸收通量与土壤温度之间呈现明显的正相关，与土壤水分之间呈负相关[5, 7, 27-28]。这主要是因为森林土壤中大部分甲烷氧化菌属于中温型菌[22]，温度可以通过影响甲烷氧化酶的活性来影响土壤CH4氧化速率，过高或过低都会抑制CH4氧化，但当温度小于最适温度值时，CH4氧化速率会随着温度的升高而加快，并且这个最适值随着纬度的降低而升高[7]。土壤水分(湿度)主要是通过影响土壤通气性来改变土壤与大气中O2和CH4的传输扩散率，而且土壤湿度一定程度上也能影响甲烷氧化菌的活性，进而影响土壤CH4的氧化速率[40]，同时，CH4氧化速率随着厌氧程度的增加而减弱[37]。然而，本研究却发现，板栗林土壤CH4吸收通量与土壤温度之间具有明显的正相关性(P< 0.05)，但与土壤水分之间没有明显的相关性(表3)。陈匆琼等[3]在亚热带地区也发现土壤CH4吸收随着土壤温度增加和水分增加分别呈现一定的增加和减弱趋势，但都没有明显的相关性。这一差异可能是因为在亚热带林地进行试验时，温度和水分不是单独影响CH4的吸收通量，而是两者或多种因素共同影响[3, 7]。

表4 典型森林土壤CH4吸收通量对施氮的响应

土壤水溶性有机碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)是土壤活性有机碳的重要指标[3, 7]。大量研究表明，森林土壤CH4吸收通量与WSOC含量之间没有明显的相关性[27, 40-41]，本研究中板栗林在对照处理下也得到了相似的结论(表2)。然而，在施肥处理条件下，土壤CH4吸收通量却与WSOC含量呈现显著的正相关(P< 0.05)。这可能是因为施肥改变了土壤WSOC含量(图3B)，进而影响了两者之间的关系。本研究中，板栗林土壤CH4吸收通量与MBC含量之间没有明显的相关性，这与前人在南亚热带[28]和温带[40]森林中的研究结果一致。这可能是因为土壤微生物量碳虽是土壤微生物生长的重要指标，但并不是土壤甲烷氧化菌的唯一限制因子[40]。

4 结论

[1] Forster P, Ramaswamy V, Artaxo Petal. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing[A]. Solomon S, Qin D, Manning Metal. Climate change 2007: the physical science basis. contribution of working group i to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge, United Kingdom, New York, USA: Cambridge University Press, 2007.

[2] 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]. J. Environ. Sci., 2008, 20: 207-215.

[3] 陈匆琼, 杨智杰, 谢锦升, 等. 中亚热带米槠天然林土壤甲烷吸收速率季节变化[J]. 应用生态学报, 2012, 23(1): 17-22. Chen C Q, Yang Z J, Xie J Setal. Seasonal variations of soil CH4uptake rate in Castanopsis carlesii forest in mid-subtropical China[J]. Chin. J. Appl. Ecol., 2012, 23(1): 17-22.

[4] 胡正华, 张寒, 陈书涛, 等. 氮沉降对林带土壤N2O 和CH4通量的影响[J]. 中国环境科学, 2011, 31(6): 892-897. Hu Z H, Zhang H, Chen S Tetal. Effects of simulated nitrogen deposition on N2O and CH4fluxes of soil in forest belt[J]. China Environ. Sci., 2011, 31(6): 892-897.

[5] 刘惠, 赵平, 林永标, 等. 华南丘陵区2种土地利用方式下地表CH4和N2O通量研究[J]. 热带亚热带植物学报, 2008, 16(4): 304-314. Liu H, Zhao P, Lin Y Betal. CH4and N2O fluxes from soil surface of 2 land use in a hilly area of south China[J]. J. Trop. Subtrop. Bot., 2008, 16(4): 304-314.

[6] 孙向阳. 北京低山区森林土壤中CH4排放通量的研究[J]. 土壤与环境, 2000, 9(3): 173-176. Sun X Y. CH4emission flux of forest soils in lower mountain area, Beijing[J]. Soil. Environ. Sci., 2000, 9(3): 173-176.

[7] Fang H J, Yu G R, Cheng S Letal. Effects of multiple environmental factors on CO2emission and CH4uptake from old-growth forest soils[J]. Biogeosciences, 2010, 7: 395-407.

[8] Gulledge J, Hrywna Y, Cavanaugh Cetal. Effects of long-term nitrogen fertilization on the uptake kinetics of atmospheric methane in temperate forest soils[J]. FEMS Microbiol. Ecol., 2004, 49: 389-400.

[9] Mochizuki Y, Koba K, Yoh M. Strong inhibitory effect of nitrate on atmospheric methane oxidation in forest soils[J]. Soil Biol. Biochem., 2012, 50: 164-166.

[10] Zhang W, Mo J M, Zhou G Yetal. Methane uptake responses to nitrogen deposition in three tropical forests in southern China[J]. J. Geophy. Res., 2008, DOI: 10.1029/2007JD009195.

[11] Fender A C, Pfeiffer B, Gansert Detal. The inhibiting effect of nitrate fertilization on methane uptake of a temperate forest soil is influenced by labile carbon[J]. Biol. Fert. Soils, 2012, 48: 621-631.

[12] Kim Y S, Imori M, Watanabe Metal. Simulated nitrogen inputs influence methane and nitrous oxide fluxes from a young larch plantation in northern Japan[J]. Atmos. Environ., 2012, 46: 36-44.

[13] Veldkamp E, Koehler B, Corre M D. Indications of nitrogen-limited methane uptake in tropical forest soils[J]. Biogeosci. Discu., 2013, 10(3): 6007-6037.

[14] Ambus P, Robertson G P. The effect of increased N deposition on nitrous oxide, methane and carbon dioxide fluxes from unmanaged forest and grassland communities in Michigan[J]. Biogeochemistry, 2006, 79(3): 315-337.

[15] Whalen S C, Reeburgh W S. Effect of nitrogen fertilization on atmospheric methane oxidation in boreal forest soils[J]. Chemosph.-Glob. Change Sci., 2000, 2(2): 151-155.

[16] 程中平, 吴群, 黄俊斌, 等. 抗栗疫病板栗品种及优系鉴定[J]. 中国南方果树, 2011, 40(3): 40-43. Cheng Z P, Wu Q, Huang J Betal. Primary identification of chestnut blight resistant Chinese chestnut cultivars and superior lines[J]. South China Fruits, 2011, 40(3): 40-43.

[17] 邬奇峰, 姜培坤, 王纪杰, 等. 板栗林集约经营过程中土壤活性 碳演变规律研究[J]. 浙江林业科技, 2005, 9(5): 7-9. Wu Q F, Jiang P K, Wang J Jetal. Evaluation of soil active organic carbon after intensive management of Chinese chestnut forest[J]. J. Zhejiang For. Sci. Technol., 2005, 9(5): 7-9.

[18] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999. 146-226. Lu R K. Analysis methods for soil and agro-chemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999. 146-226.

[19] 李永夫, 姜培坤，刘娟，等. 施肥对毛竹林土壤水溶性有机碳氮与温室气体排放的影响[J]. 林业科学, 2010, 46(12): 166-170. Li Y F, Jiang P K, Liu Jetal. Effect of fertilization on water-soluble organic C, N and emission of greenhouse gases in the soil of phyllostachys edulis stands[J]. Sci. Silv. Sin., 2010, 46(12): 166-170.

[20] Lin S, Iqbal J, Hu R Getal. Differences in nitrous oxide fluxes from red soil under different land uses in mid-subtropical China[J]. Agric., Ecosys. Environ., 2012, 136: 40-48.

[21] Wang Y S, Wang Y H. Quick measurement of CH4, CO2and N2O emissions from a short-plant ecosystem[J]. Adv. Atmosph. Sci., 2003, 20(5): 842-844.

[22] 刘实, 王传宽, 许飞. 4种温带森林非生长季土壤二氧化碳、 甲烷和氧化亚氮通量[J]. 生态学报, 2010, 30(15): 4075-4084. Liu S, Wang C K, Xu F. Soil effluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide during non-growing season for four temperate forests in northeastern China[J]. Acta Ecol. Sin., 2010, 30(15): 4075-4084.

[23] 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]. Can. J. Soil Sci., 2010, 90(1): 27-36.

[24] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D C. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biol. Biochem., 1987, 19: 703-707.

[25] Wu J, Joergensen R G, Pommerening Betal. Measurement of soil microbial biomass C by fumigation extraction-an automated procedure[J]. Soil Biol. Biochem., 1990, 22: 1167-1169.

[26] 刘玲玲, 刘允芬, 温学发, 等. 千烟洲红壤丘陵区人工针叶林土壤CH4排放通量[J]. 植物生态学报, 2008, 32(2): 431-439. Liu L L, Liu Y F, Wen X Fetal. CH4emission flux from soil of pine plantations in the Qian yanzhou red earth hill region of China[J]. Chin. J. Plant Ecol., 2008, 32(2): 431-439.

[27] Li H F. Soil CH4fluxes response to understory removal and N-fixing species addition in four forest plantations in Southern China[J]. J. For. Res., 2010, 21(3): 301-310.

[28] 周存宇, 周国逸, 王迎红, 等. 鼎湖山主要森林生态系统地表CH4通量[J]. 生态科学, 2006, 25(4): 289-293. Zhou C Y, Zhou G Y, Wang Y Hetal. The CH4uptake flux by soils of main forest ecosystems in Dinghushan[J]. Ecol. Sci., 2006, 25(4): 289-293.

[29] 曹裕松， 傅声雷， 旷远文， 胡文杰. 氮和磷增加对华南两种人工林土壤甲烷通量的影响[J]. 井冈山大学学报(自然科学版)， 2010， 31(5)： 53-58. Cao Y S, Fu S L, Kuang Y W, Hu W J. Effects of nitrogen and phosphorus addition on soil CH4fluxes in two plantations in Southern China[J]. J. Jinggangshan Univ.(Nat. Sci.)[J]. 2010, 31(5): 53-58.

[30] Menyailo O V, Abraham W R, Conrad R. Tree species affect atmospheric CH4oxidation without altering community composition of soil methanotrophs[J]. Soil Biol. Biochem., 2010, 42: 101-107.

[31] Basiliko N, Khan A, Prescott C Eetal. Soil greenhouse gas and nutrient dynamics in fertilized western Canadian plantation forests[J]. Can. J. For. Res., 2009, 39(6): 1220-1235.

[32] Gulledge J, Hrywna Y, Cavanaugh Cetal. Effects of long-term nitrogen fertilization on the uptake kinetics of atmospheric methane in temperate forest soils[J]. FEMS Microbiol. Ecol., 2004, 49(3): 389-400.

[33] 莫江明, 方运霆, 徐国良, 等. 鼎湖山苗圃和主要森林土壤 CO2排放和 CH4吸收对模拟N沉降的短期响应[J]. 生态学报, 2005, 25(4): 682-690. Mo J M, Fang Y T, Xu G Letal. The short-term responses of soil CO2emission and CH4uptake to simulated N deposition in nursery and forests of Dinghushan in subtropical China[J]. Acta Ecol. Sin., 2005, 25(4): 682-690.

[34] Zhang T, Zhu W, Mo Jetal. Increased phosphorus availability mitigates the inhibition of nitrogen deposition on CH4uptake in an old-growth tropical forest, southern China[J]. Biogeosciences, 2011, 8: 2805-2813.

[35] 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 Soil, 2008, 306: 221- 236.

[36] 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.

[37] 程淑兰, 方华军, 于贵瑞, 等. 森林土壤甲烷吸收的主控因子及其对增氮的响应研究进展[J]. 生态学报, 2012, 32(15): 4914-4923. Chen S L, Fang H J, Yu G Retal. The primary factors controlling methane uptake from forest soil and their responses to increased atmospheric nitrogen deposition: a review[J]. Acta Ecol. Sin., 2012, 32(15): 4914-4923.

[38] 王智平, 胡春胜, 杨居荣. 无机氮对土壤甲烷氧化作用的影响[J]. 应用生态学报, 2003, 14(2): 305-309. Wang Z P, Hu C S, Yang J R. Effect of inorganic nitrogen on CH4oxidation in soils[J]. Chin. J. Appl. Ecol, 2003, 14(2): 305-309.

[39] 邓湘雯, 杨晶晶, 陈槐, 等. 森林土壤氧化(吸收)甲烷研究进展[J]. 生态环境学报, 2012, 21(3): 577-583. Deng X W, Yang J J, Chen Hetal. Advances in the research of methane oxidation in forest soils[J]. Ecol. Environ., 2012, 21(3): 577-583.

[40] Xu X K, Luo X B. Effect of wetting intensity on soil GHG fluxes and microbial biomass under a temperate forest floor during dry season[J]. Geoderma, 2012, 170: 118-126.

[41] Ullah S, Frasier R, King Letal. Potential fluxes of N2O and CH4from soils of three forest types in Eastern Canada[J]. Soil Biol. Biochem., 2008, 40: 986-994.

EffectsoffertilizationonseasonalvariationsofsoilCH4uptakefluxesinChinesechestnutstands

ZHANG Jiao-jiao, LI Yong-fu*, JIANG Pei-kun, ZHOU Guo-mo, LIU Juan

(SchoolofEnvironmental&ResourceSciences,ZhejiangA&FUniversity/ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestration/TheNurturingStationfortheStateKeyLaboratoryofSubtropicalSilviculture,Lin’an,Zhejiang311300,China)

2013-04-06接受日期2013-04-27

浙江省科技厅重点项目(2011C12019)；国家自然科学基金项目(31170576)；浙江省重点科技创新团队项目(2010R50030)资助。

张蛟蛟(1987—)， 男， 陕西渭南人， 硕士研究生， 主要从事森林生态系统碳循环与固碳减排研究。E-mail: zhangjiaojiaozafu@163.com * 通信作者 Tel: 0571-63740889, E-mail: yongfuli@zafu.edu.cn

S753.53；153.6+2

A

1008-505X(2013)06-1428-10