黄土台塬不同土地利用方式土壤CH4通量特征及主控因子分析*

刘 欢, 刘梦云**, 刘丽雯, 赵国庆, 张 杰, 张萌萌, 李笑然



黄土台塬不同土地利用方式土壤CH4通量特征及主控因子分析*

刘 欢1,2, 刘梦云1,2**, 刘丽雯1,2, 赵国庆1,2, 张 杰1,2, 张萌萌1,2, 李笑然1,2

(1. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室/西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 2. 农业部农业环境重点实验室 北京 100081)

土地利用转变会导致土壤微环境及生理生化过程发生改变, 继而影响土壤温室气体的产生和排放。目前关于土地利用转变对温室气体通量的研究主要集中于CO2, 而对CH4研究甚少。本文以黄土台塬为研究区, 重点分析不同土地利用方式的土壤CH4通量特征与其影响因素的关系, 并明确其关键影响因子, 为预测整个黄土台塬土地利用方式转变对温室效应的贡献提供基础数据。以陕西省永寿县马莲滩林场为研究对象, 于2015年4月—2016年3月, 采用静态箱-气相色谱法, 对耕地、天然草地、灌木林地、乔灌混交林地、乔木林地和果园的CH4通量特征进行研究, 并分析土壤CH4通量与土壤温度、地表温度、含水量及全氮的关系。不同土地利用方式土壤CH4平均通量差异显著(<0.05), 但表现相似的季节变化, 呈现夏秋季高于冬春季特征。林地、园地、耕地土壤均为CH4吸收汇, 其吸收能力(平均值)为乔灌混交林(51.24 µg·m-2·h-1)>乔木林(44.80 µg·m-2·h-1)>灌木林(31.52 µg·m-2·h-1)>草地(25.89 µg·m-2·h-1)>果园(18.97 µg·m-2·h-1)>耕地(14.89 µg·m-2·h-1)。不同土地利用方式土壤CH4吸收与土壤温度、全氮和地表大气温度均呈正相关; 与土壤含水量呈负相关。其土壤表层(0~20 cm)温度是6种土地利用方式土壤CH4吸收的主要影响因素。总之, 自然条件下的土壤CH4吸收率明显高于农业土壤CH4吸收率, 耕地转变为林地后土壤的CH4吸收能力增强, 土壤对减缓温室效应的贡献增大。

黄土台塬; 土地利用方式; 土壤CH4通量; CH4汇; 耕地; 林地

温室效应造成气温升高、冰川融化、生物多样性锐减等环境问题。由于空气中甲烷(CH4)含量远低于CO2, 导致对其温室效应贡献的关注度较少。但CH4温室效应极强, 在百年尺度上, 单位质量CH4全球增温潜势(global warming potential, GWP)是CO2的25倍[1]。世界气象组织发布的《2011年WMO温室气体公布》显示, 空气中CH4比工业革命前增加了159%, 且目前仍持续增长[2], 随着CH4浓度增加, 必将导致其温室效应增强。据统计, 2011年CH4对温室效应的贡献率已达到18%[3]。

不同的土地管理措施以及土地利用方式等均会改变土壤作为CH4源或汇的作用, 且自然条件的土壤CH4通量特征差别也很大。如温带地区森林生态系统土壤全年大都表现为CH4吸收汇[4], 而热带亚热带地区农田系统大都表现为CH4排放源[5]。我国对土壤CH4源汇研究主要集中于森林、农田及草地生态系统的土壤。如北京低山区[6]、华南丘陵[7]、华北平原冬麦田[8]、天然草地土壤CH4吸收等[9], 而对地处暖温带的黄土台塬不同土地利用土壤CH4吸收的研究尚少见报道。

随着对温室效应的重视, 众多学者对黄土台塬不同土地利用方式温室气体的变化及其环境因子也做了相关研究[10-12], 但均停留在CO2排放所引起的温室效应, 对仅次于CO2的CH4研究却鲜有报道, 因此, 开展对黄土台塬土壤CH4通量的研究就显得尤为重要。揭示不同土地利用方式土壤CH4通量特征与其影响因素的关系, 并初步明确其关键的影响因子, 可为预测整个黄土台塬土地利用方式转变对温室效应的贡献提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省咸阳市永寿县马莲滩林场(34°47′58.4″~34°48′42.7″N, 108°05′22.6″~108°05′39.3″E),属典型的黄土台塬沟壑区。气候为暖温带半湿润偏干旱类型, 夏季炎热少雨, 冬季寒冷干燥; 年均温10.8 ℃, 年均降雨量601.6 mm, 干旱指数1.73~1.80, 无霜期210 d, 2015年4月—2016年3月气温与降雨量的季节性变化如图1所示。典型土壤为黑垆土。样区内的耕地曾经为主要的用地类型, 但目前除小部分农地被保留, 其余已被改为林地、撂荒草地和核桃园地。耕地为一年1熟制, 主要种植小麦(); 林地植被以油松()、侧柏()、刺槐()、沙棘()等为主; 果园为幼龄(<10 a)核桃树()。

1.2 气体样品采集与分析

选用研究区6种用地类型进行布点, 遵循典型性及恢复阶段相近的两个原则, 选取17个具有代表性的样点, 每个样点做3次重复, 具体信息见表1和表2。试验于2015年4月—2016年3月进行, 采样时间选每月中旬天气晴朗时候, 于当日10:00—12:00进行气体收集, 此时间段内温度变化最小, 并假定此阶段内测定值能够代表当日气体交换通量[13]。其具体实施方法为静态箱-气相色谱法[14]。样点选取平坦均匀分布的植被或作物间, 安置前将基座内绿色植物齐地剪掉, 尽可能不破坏表层土壤特性。安置时, 将箱体垂直安放在基座上, 注意防止因周围土壤松动而造成气体泄漏, 气体采集用10 mL医用针管分别在安置好箱体后的0 min、10 min、30 min、60 min、90 min及120 min抽取, 在抽取样品之前, 注意箱盖橡胶圈周围加水密封。待气体样品采集完成, 带回实验室在24 h内用气相色谱仪(Agilent, 7890A)测定CH4浓度, CH4检测器均为FID(火焰原子化检测器), 检测温度为250 ℃, 载气是高纯氮气(99.99%), 柱箱温度为60 ℃。FID最低检测限为<1.8 pg(C)·s-1[15]。

图1 研究区试验期间(2015年4月—2016年3月)气温和降雨量的季节性变化

表1 不同土地利用方式采样点的基本信息

表2 不同土地利用类型样地不同土层土壤基本性质

1.3 土壤样品采集

在采样点周围, 去除凋落物, 用不锈钢铁锹采集0~5 cm和5~20 cm土层土样并分层混合, 每层为1个土样, 每个采样点做3次重复, 0~5 cm和5~20 cm土层土样分别有51个样品, 共计102个土壤样品。用四分法取足样品后装入密封的塑料袋中带回实验室, 备用测定其理化性质。

1.4 土壤理化因子测定

土壤5 cm和20 cm处含水量(简写5、20)采用实验室烘干法测定, 土壤地表大气温度()、静态箱内气温在采集气体时用便携式温度计测定, 土壤地表以下5 cm处、20 cm处土壤温度(简写5、20)同步采用地温计测定; 土壤全氮采用凯氏定氮法测定; 土壤有机质采用重铬酸钾-FeSO4滴定法测定; 土壤容重采用环刀法测定。

1.5 数据统计和分析

1.5.1 气体通量计算

通量是指单位时间通过某单位面积界面输送的物理量。箱体内的气体通量计算公式如下[16]:

式中:为待测气体通量, mg·m-2·h-1;为静态箱内CH4浓度在单位时间内的变化速率;为气体的摩尔质量, g·mol-1;为采样点气压, Pa;为采样时的静态箱中温度, K;000分别为标准状态下的气体摩尔体积(22.41 L·mol-1)、大气压(1 013.25 hPa)和绝对温度(273.15 K);为地面以上采样箱高度, m。气体通量()为负值时, 表示土壤从大气中吸收该气体, 正值时表示土壤向大气排放该气体, 通量结果以样点重复的平均值表示。每月测定的(CH4)代表该月的平均值, 通过累加计算求得土壤CH4年通量[14]。经数据运算6种用地类型均为CH4的吸收汇, 下文以吸收值进行分析。

1.5.2 数据处理

采用对数函数建立土壤CH4通量与土壤温度的关系(式2), 用线性回归建立土壤CH4通量与土壤水分、地表大气温度、土壤全氮的关系; 利用多元逐步回归法探讨观测期内影响土壤CH4氧化的主要因子, 模型见式(3)。

01ln(2)

011…+bx(3)

式中:为土壤CH4通量, µg·m-2·h-1;为土壤温度,℃;0、1、…、为待定系数;(1, 2,…, k)代表各种环境因子, 包含520520及等。

数据整理利用Office Excel 2013; 采用SPSS 21.0完成数据统计分析, 采用单因素方差分析和Duncan多重比较各土地利用土壤CH4吸收通量差异, 利用Origin 9.0软件进行全文绘图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤CH4吸收通量

土壤CH4平均吸收通量耕地、果园较低, 分别为14.89 µg·m-2·h-1、18.97 µg·m-2·h-1; 草地、灌木林次之, 分别为25.89 µg·m-2·h-1、31.52 µg·m-2·h-1; 乔灌混交林最高, 为51.24 µg·m-2·h-1。土壤的CH4年累计吸收值依次为: 乔灌木林地>乔木林地>灌木林地>草地>果园>耕地。分析不同用地类型土壤CH4吸收能力的差异性(表3)表现为乔灌木混交林与乔木林的土壤CH4吸收差异不显著, 天然草地和果园、灌木林土壤的CH4吸收差异亦不显著, 其余用地类型间均存在显著性差异(<0.05)。

表3 不同土地利用方式下土壤CH4通量

同列不同小写字母表示显著性差异(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences (< 0.05).

2.2 不同土地利用方式土壤CH4季节动态

对6种土地利用方式土壤CH4吸收与土壤温度、含水量的变化趋势进行分析, 结果显示, 土壤CH4吸收值与土壤温度的变化趋势相近, 但与土壤含水量的变化趋势却大致相反(图2)。土壤CH4吸收均表现出相似的季节变化特征, 除果园外, 其余用地类型的土壤均在2015年8—9月中旬左右出现较高的吸收峰值, 而在2016年1—2月中旬低温时出现较低的吸收值。观测期内, 不同用地类型的土壤CH4吸收离散程度(平均差)为: 乔木林地>灌木林地>天然草地>乔灌木混交林地>果园>耕地。

图2 不同土地利用方式下土壤CH4吸收的季节性变化

Fig. 2 Seasonal variations of soil CH4fluxes of different land use types

2.3 温度和水分对土壤CH4的影响

2.3.1 土壤CH4吸收与土壤温度

不同用地类型的土壤CH4吸收均与表层土壤温度呈对数函数关系(表4), 即由式(2)函数的增减性判断, CH4吸收通量随着温度升高而呈对数形式增加, 温度在CH4吸收通量的变化中具有一定的正效应, 且无论是林地、耕地还是园地的土壤, CH4吸收通量都与土壤5 cm温度相关性较高。其中, 乔灌木林、乔木林和果园的土壤CH4吸收与土壤表层温度(5 cm、20 cm)的相关性达极显著水平(<0.01)。耕地和草地与土壤温度无显著的相关性。

2.3.2 土壤CH4吸收与土壤含水量

不同用地类型土壤CH4吸收与含水量拟合方程表明(表5), 除耕地和果园与5 cm土壤含水量相关性不显著, 其他4种用地类型土壤CH4吸收与土壤含水量均呈负相关; 对于5~20 cm土壤含水量, 除果园呈正相关, 其余均为负相关。不同土层含水量相关性对比发现, 除耕地、灌木外, 其余4种用地类型土壤CH4吸收与5~20 cm土壤含水量的拟合系数更高, 且乔木林地和乔灌木混交林的拟合方程达显著水平(0.05)。

表4 不同土地利用方式下土壤CH4吸收(Y)与5 cm和20 cm土壤温度(T)的关系

**表示0.01水平极显著相关(≥0.683 5), *表示0.05水平显著相关(≥0.552 9)。** indicates significant relation at 0.01 level (≥ 0.683 5); * indicates significant correlation at 0.05 level (≥ 0.552 9).

表5 不同土地利用方式下的土壤CH4吸收(Y)与5 cm和20 cm土壤含水量(W5、W20)的关系

*表示0.05水平显著(≥0.552 9)。* indicates significant correlation at 0.05 level (≥0.552 9).

2.3.3 土壤CH4吸收与地表气温

不同用地类型土壤CH4吸收与地表气温均呈正相关, 林地拟合精度较高, 其相关系数大于果园与耕地, 不同用地类型地表气温对土壤CH4吸收解释率介于15.3%~64.5%(表6)。乔灌混交林土壤CH4吸收与地表气温相关性达到极显著水平(<0.01); 乔木林与地表气温的相关性达到显著水平(<0.05); 耕地、草地及灌木林的土壤CH4吸收与地表气温的相关性不显著(>0.05)。

表6 不同土地利用方式下的土壤CH4吸收(Y)与地表温度(t)的关系

**表示0.01水平极显著相关(≥0.683 5), *表示0.05水平显著相关(≥0.552 9)。** indicates significant relation at 0.01 level (≥0.683 5); * indicates significant correlation at 0.05 level (≥0.552 9).

2.3.4 土壤CH4吸收与物理环境因子多元回归

采用逐步回归分析法进行土壤CH4吸收的多因素影响评估并建立多元线性回归模型011+…+bx。模型均通过回归方程统计学意义的检验和变量系数的显著性检验, 模型中将未通过相关系数显著性检验的变量已剔除(表7)。结果表明, 草地、灌木林和乔灌木林的土壤CH4吸收通量与土壤5 cm温度相关, 其相关性分别达显著或极显著水平; 而耕地、果园和乔木却与土壤20 cm温度相关性达显著或极显著水平, 并且, 耕地与土壤20 cm水分的相关性也达到了显著水平。通常研究将土壤水分与土壤温度作为土壤CH4吸收的主要影响因素。但是笔者的多元回归分析结果中未发现土壤水分与土壤CH4吸收均有着显著的相关性(除耕地), 这表明影响土壤CH4吸收的因素多而复杂, 在不同的条件下,其主要控制因素可能不同, 也进一步证实了在本研究区土壤温度是影响各种土地利用土壤CH4吸收的最主要因素, 对土壤CH4吸收有着重要的贡献。

2.4 土壤全氮对土壤CH4的影响

本文通过对不同用地类型的土壤表层全氮与CH4吸收通量的相关性分析表明, 土壤CH4吸收与土壤全氮呈正相关(图3), 且与土壤5 cm全氮的相关性达到显著性水平(<0.05), 而与土壤20 cm全氮相关性不显著。

表7 6种土地利用方式下的土壤CH4通量与环境因子的逐步回归方程

52020分别表示5 cm、20 cm土壤温度和20 cm土壤水分。5,20and20are soil temperature at 5 cm and 20 cm, and soil moisture at 20 cm.

图3 土壤CH4吸收与不同土层土壤全氮含量的相关性

3 讨论

3.1 不同土地利用方式土壤CH4吸收季节变化

6种用地类型土壤在研究期间表现为大气CH4的吸收汇, 最大值出现于夏末秋初, 最小值出现于冬季。这与温带地区CH4通量研究结论一致[17]。一般认为土壤CH4吸收的季节特征与气温和降雨有关, 适宜的温湿度有利于土壤CH4氧化菌的活性, 能加速土壤CH4氧化消耗[18]。研究区多年气象资料显示(数据来源于咸阳市气象局气象资料), 8—9月份降雨集中, 平均气温在25 ℃左右, 土壤表层温度在20~30 ℃, 期间较活跃的甲烷氧化菌群促进了土壤CH4的吸收, 且其吸收强度及出现时间因利用方式而异, 即草地、林地CH4吸收在8月份达峰值; 而耕地在9月份达到峰值, 这与匡艳华等[19]研究的华北落叶松林()土壤CH4吸收峰值及出现时间略有不同, 可能由于土壤的类型、经纬度和气候因子等不同。研究区的果园土壤CH4吸收波动范围较大, 介于4.50~31.17 µg·m-2·h-1间, 且与其他5种用地类型的季节变化规律较不一致, 可能原因是果园为3~4年幼龄核桃树, 属尚未成熟林, 裸露面积较大。以水热条件看, 土壤在6月含水量介于21.95%~28%, 温度处于20~25 ℃, 适宜的温湿度有利于氧化菌活动, 并促进土壤CH4的吸收。而7月气温高, 降雨少(比6月少54.94%), 故在水分和温度的综合影响下土壤CH4吸收速率可能受到抑制。以土壤结构和性质来看, 黄土台塬植被恢复过程中, 部分耕地变为果园(未成熟园林), 相比较于其他用地类型, 土壤肥力较低, 且表层结构紧实, 透气和保水性较差, 其对温度和水分的敏感性强。因此, 在缺水高温的7月, 温度和水分成为土壤氧化CH4的主要限制因素。

3.2 不同土地利用方式土壤CH4吸收量差异

土地利用转变影响地表植被类型、土地管理方式, 并通过土壤质地、土壤养分条件、根系生物量、微生物组成及下垫面的水热条件来直接或间接作用于土壤温室气体。如Goulding等[20]研究得出由林地转变为农田(耕种150 a)后, 其土壤CH4吸收率与邻近相同的林地相比, 降低了85%; Steudler等[21]也发现不同用地类型土壤CH4吸收强度表现为林地>草地>耕地。本研究6种用地类型土壤CH4吸收表现为乔灌木林与乔木林较高, 灌木林和草地次之, 而果园和耕地较低。其中, 乔灌木林的年吸收通量为耕地的3.44倍, 与Dobbie等[22]发现林地吸收CH4比农田CH4吸收量高3~4倍的结论相一致。黄土台塬不同植被覆盖下的土壤CH4吸收迥异的原因归咎于两方面。从管理方式来看, 农业土壤(耕地与果园)的人为参与性强, 如耕作、定期灌溉、施肥等活动, 土壤透气性差, 有机质含量低(表2); 而非农业土壤(林地或草地)采用无人为干扰、自然恢复的管理措施, 土壤透气性良好、有机碳含量丰富, 微生物种群活跃。从土壤质地来看, 土壤的透气性通常取决于土壤的容重或孔隙度。耕地的容重最大, 灌木林和混交林次之, 草地的容重最小。耕地的吸收能力最弱, 可能的原因: 1)耕地受到人为强烈扰动(如施肥), 土壤结构遭受破坏、板结严重, 土壤的非毛管孔隙度少, 抑制了CH4和氧气扩散, 也降低了甲烷氧化菌的活性, 从而限制了其氧化吸收能力; 2)频繁的施肥使得土壤酸化严重, 而甲烷氧化菌生长的最适pH为6.6~6.8, 当pH<5.75时, CH4吸收受限制[23]。草地容重最小, 这与其地表覆盖植被茂密、根系主要集于表层分布有关, 但草地土壤CH4吸收能力仅次于林地而强于耕地也说明了土壤透气性虽是通过作用于土壤微生物活性来影响其氧化能力的一个因子, 但并不是关键因子, 还应包括其他一些因子的复杂的交互作用, 例如温度、水分及土壤微生物、养分等。土壤丰富的有机质、良好的透气性以及适宜的水热条件均为土壤微生物活动提供了充足的准备, 从而促进CH4的氧化吸收。因此, 自然条件的非农业土壤CH4吸收能力明显高于农业土壤, 这与Peterjohn等[24]认为天然植被土壤CH4吸收率一般高于耕作土壤CH4吸收率的结论相一致。

3.3 土壤CH4吸收与温度水分关系

6种用地类型土壤CH4吸收与土壤表层温度呈正相关, 且与5 cm土壤温度的相关系数显著高于20 cm, 其相关性大小为乔灌木>乔木>果园>耕地>灌木>草地。董云社等[25]发现森林土壤在0~30 ℃范围时, 对大气中的CH4消耗与温度表现为明显正相关; Liu等[26]对丘陵山区林地的研究和Iqbal等[27]对农田、林地的研究结果也与本文结论基本相符。耕地和草地与土壤5 cm温度相关性不明显, 可能解释为这两种用地类型植被较单一, 土壤温度和气温变化幅度大, 影响CH4氧化菌活性。CH4氧化菌在适宜的温度范围内作用较强。Nesbit等[28]发现土壤吸收CH4的最佳温度在20~30 ℃。观测期内6—9月, 土壤平均温度介于19.37~29.14 ℃, 处于土壤吸收CH4的较佳温度范围内, 各用地类型的土壤CH4于此间先后达到峰值, 而翌年的2月前后, 样区地表有少量积雪, 土壤温度和气温达一年最低值, 且表层有少量冻结, 低温抑制土壤微生物尤其是CH4氧化菌群的活性, 土壤CH4的吸收能力降低, 春后随气温回暖, 土壤微生物群包括甲烷氧化菌的活性增强, CH4氧化能力增强, 吸收通量增加。

水分是影响土壤CH4吸收的又一关键因子, 不同土层深度的土壤含水量与6种用地类型的CH4吸收的关系是迥异的。耕地和果园的土壤CH4吸收与5 cm含水量表现为正相关, 其余4种用地类型均呈负相关, 与已有研究结果基本一致[29]。耕地和果园与5 cm土壤含水量相关关系的特殊性, 可能原因有两方面: 其一, 果园在4年前为耕地, 土地利用转换的年限较短, 其表层土壤结构类型接近于耕地; 其二, 当地气候为半干旱半湿润型, 属旱地, 且土壤有机碳含量低[14]、微生物较少, 含水量就成为限制土壤CH4吸收的关键因素。而除果园外, 土壤20 cm含水量与其余CH4吸收呈负相关, 且与乔灌木林、乔木林的相关性达显著水平(<0.05)。土壤水分通过影响土壤通气性来影响土壤CH4氧化速率。适当增加土壤水分有利于促进土壤微生物活性, 增强其吸收CH4能力, 但水分过多则会使土壤O2扩散受阻, CH4氧化菌所需的氧气减少, 活性降低, 而产CH4菌活性升高, 土壤由吸收CH4变为排放CH4。研究发现[18]土壤CH4吸收与土壤水分存在着一定的阈值, 但由于耕作措施、土地利用方式等不同, CH4氧化的最适宜水分范围也不尽相同。本研究中各用地类型最适宜湿度为16.91%~28.79%, 这与Torn等[30]认为土壤水分含量为25%时, 微生物氧化CH4的能力最大; 土壤湿度低于20%时, CH4氧化能力受到限制, 而土壤水分高于25%时, 土壤CH4吸收通量会减少的结论不大一致, 这可能与土壤类型、气候海拔以及植被类型等不同有关。

温度和水分是影响土壤CH4的主要影响因素, 当土壤温度在-5~10 ℃时, 温度为影响土壤CH4通量的主导因子, 当温度高于临界值10 ℃时, 土壤含水量则成为了主导因子[31]。从全年记录的CH4气体与环境变化状况来看与以上结论相符, 在翌年的2月份前后, 6种用地类型的土壤CH4吸收达到最低值, 其温度在-5~5 ℃左右, 土壤中的微生物活性差, 土壤温度成主导因子。5月之后, 气温回暖, 地表温度回升至10 ℃以上, 微生物活性逐渐增强, 吸收通量的幅度开始增大, 土壤含水量则成主导因子。多元回归结果显示, 观测期内, 6种用地类型的土壤CH4吸收与土壤表层温度呈显著或极显著性相关, 与土壤水分未呈现显著相关性。这说明影响土壤CH4吸收的过程是多而复杂的因素共同作用的结果, 并不是只受温度水分胁迫作用, 在以后研究中, 如土壤碳氮比、pH、土地利用方式、微生物种群等其他影响因素之间的交互作用等均要综合考虑。

3.4 土壤CH4吸收与土壤氮素

土壤氮素是影响土壤CH4吸收的又一因素。但众多学者对其影响的结论存在着争议, Singh等[32]认为, 土壤吸收大气CH4与土壤全氮、碳之间为负相关关系; Steudler等[21]也曾报道, 施用少量氮肥能显著降低森林土壤吸收对流层CH4的能力; 而耿远波等[33]在对草原土壤温室气体通量与土壤碳、氮含量的相关性研究中表明, CH4通量与土壤表层氮含量相关性不明显。本研究中, 6种用地类型土壤表层全氮含量水平(0~20 cm)存在差异, 表现为草地和林地显著高于耕地(表2)。土壤CH4吸收却与土壤全氮呈正相关, 且与5 cm全氮的相关性达显著水平; 而与土壤20 cm全氮相关性不明显, 这与Singh等[32]的结论不一致。可能的原因是样区植被恢复年限不长, 期间, 部分外源性氮素或大气氮沉降被植物吸收或被土壤微生物固持, 现有的氮素含量水平未能改变土壤甲烷氧化菌的群落活性, 并未对其产生显著抑制甚至毒害作用, 反而产生正向的促进作用。

土壤CH4氧化菌群需要氮素作为氮源, 土壤氮含量稀缺时, 一定范围内, 土壤氮素的增加会促进土壤CH4氧化菌活性, 但是当土壤氮含量足够饱和时, 土壤中的氮, 尤其是无机氮(NH4+-N)的增加, 会抑制CH4氧化菌活性。土壤氮素水平存在差异, 可能因为耕地或果园种植经济作物, 人为干扰较大, 土壤表层氮肥(NH4+-N)施入量较高, 施入土壤中的NH4+会立即被甲烷单氧酶氧化, 直到NH4+被消耗殆尽, CH4氧化才得以开始[34]; 而林地人为干扰少, 土壤氮素主要来源于土壤表层腐殖质和大气氮沉降, 且林地植物吸收大量养分时, 会把包含甲烷氧化菌在内的土壤微生物从NH4+等底物的有害影响中部分解救出来[35]。相比较于耕地和果园, 林地土壤CH4吸收显著高于耕地。

4 结论

1)在试验期间, 研究区用地类型土壤表现为CH4汇; 土壤CH4氧化速率有相似的季节性波动特征, 呈现夏秋季高, 冬春季低的特征; 6种用地类型土壤CH4吸收有明显差异, 总体趋势表现为林地>果园>耕地。

2)单变量相关分析中, 6种用地类型土壤CH4吸收与土壤温度呈对数正相关, 且与5 cm土温相关性显著高于20 cm; 林地与地表温度的拟合精度高于果园和耕地, 达显著或极显著性水平; 6种用地类型土壤CH4吸收与土壤全氮呈正相关; 与土壤水分呈线性负相关, 且20 cm土壤水分对CH4吸收的影响更大, 多变量回归分析中, 土壤表层温度为影响各种用地类型CH4吸收的主要因素。

3)土地利用转变影响地表植被类型、土地管理方式, 并通过土壤质地、土壤养分条件等直接或间接作用于土壤温室气体。即耕地转变为林地、果园后土壤的吸收能力增强, 土壤对减缓温室效应的贡献增大, 也进一步说明退耕还林工程的实施具有显著的生态和经济效益。

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CH4flux characteristics and influencing factors in six land use patterns in the Loess Plateau*

LIU Huan1,2, LIU Mengyun1,2**, LIU Liwen1,2, ZHAO Guoqing1,2, ZHANG Jie1,2, ZHANG Mengmeng1,2, LI Xiaoran1,2

(1. Northwest Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment, Ministry of Agriculture / College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Change in land use can influence soil micro-environment along with microbial, physiological and biochemical processes, significantly affecting the generation and emission of greenhouse gases. At present, researches on greenhouse gas flux from land use transformation have mainly focused on carbon dioxide (CO2), largely neglecting methane (CH4) generation and emission. This study determined the characteristics of soil CH4fluxes and the influencing factors, also highlighting the critical factors of different land use patterns (cultivated land, natural grassland, shrub land, arbor and shrub land, arbor land and orchard). The study laid the basis for predicting the contribution of land-use-driven transformation to greenhouse effects in the Loess Plateau region. The study was conducted in Malian Forest Farm of Yongshou County, Shaanxi Province. In the study, soil CH4fluxes in different land use types were measured during the period from April 2015 to March 2016 using static chamber chromatograph techniques. The related environmental factors were recorded, including soil temperature, soil moisture, surface temperature and soil total nitrogen content. The results indicated that soils were CH4sink under different land use types. There were significant differences (< 0.05) in CH4uptake fluxes in different land use types. Soil CH4fluxes in six land use types had similar seasonal variations, higher in summer and autumn than in winter and spring. Average soil CH4uptake was in the order of arbor and shrub land (51.24 µg·m-2·h-1) > arbor land (44.80 µg·m-2·h-1) > shrub land (31.52 µg·m-2·h-1) > natural grassland (25.89 µg·m-2·h-1) > orchard (18.97 µg·m-2·h-1) > cultivated land (14.89 µg·m-2·h-1). Soil CH4uptake fluxes in different land use types were positively correlated with soil temperature, surface temperature and total nitrogen, and negatively correlated with soil moisture. Soil temperature at the 0–20 cm soil layer was the main layer of production of soil CH4fluxes in six land use types. The uptake CH4under natural soil conditions was significantly higher than that in agricultural soils. The transformation of cultivated land to forest land increased CH4uptake, enhancing the mitigation of greenhouse effect of soil.

Loess Plateau; Land use type; Soil CH4flux; CH4sink; Cultivated land; Forest land

, E-mail: lmy471993@qq.com

Dec. 3, 2017;

Feb. 18, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.171124

S152.6

A

1671-3990(2018)07-0937-11

刘梦云, 研究方向为土地资源利用及地理信息系统研究。E-mail: lmy471993@qq.com刘欢, 研究方向为资源环境监测与评价。E-mail: 1220992824@qq.com

2017-12-03

2018-02-18

* This study was supported by the Key Project of Chinese Academy of Sciences (KFZD-SW-306) and the Open Fund of Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agricultural Environment.

* 中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-306)和农业部农业环境重点实验室开放基金项目资助

刘欢, 刘梦云, 刘丽雯, 赵国庆, 张杰, 张萌萌, 李笑然. 黄土台塬不同土地利用方式土壤CH4通量特征及主控因子分析[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(7): 937-947

LIU H, LIU M Y, LIU L W, ZHAO G Q, ZHANG J, ZHANG M M, LI X R. CH4flux characteristics and influencing factors in six land use patterns in the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 937-947