2017, Vol. 37
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2. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所, 郑州 450002
2. Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002
ZHNAG Shuiqing, E-mail:zsq510@163.com
近年来, 全球气候变暖问题持续引发关注, CO2对全球变暖的贡献约为55%, CH4是一种重要性仅次于CO2的温室气体, 有很强的红外吸收能力, 以相同质量计, CH4在100年时间范围内, 其全球增温潜力是CO2的25倍(IPCC, 2007；Allen et al., 2013).农业活动造成土壤中CH4的产生与其氧化之间的不平衡, 使大气中CH4浓度不断增加(Meyer et al., 2017).因此, 在应对全球温暖化、削减温室气体排放的努力中, 降低CH4排放较为重要.除了对人类的农业生产活动进行适当管理外, 明确陆地生态系统CH4源/汇特征也很关键.
茶树是我国重要的经济作物, 属于多年生常绿植物, 在我国南方丘陵地区大面积种植(Shen et al., 2001).目前, 我国南方低山和丘陵地区大量的林地正在转变成其他的农业用地, 林地转变成茶园是主要转变方式之一(吴东等, 2016；刘晓娜等, 2014；Zhu et al., 2014).从林地转换成茶园, 土地利用方式改变, 土壤结构性质也会随之发生变化, 原有的甲烷产生和氧化模式被打破, 从而影响了CH4通量(Ruan et al., 2013).在茶树种植方面, 茶园土壤性质也会随着植茶年限发生变化.Wang等(2016)的研究表明, 连续种植茶树(从16 a到53 a)使茶园土壤中的有机碳和营养物质显著增加, 相对于其他低年限茶园, 植茶53 a的茶园土壤中的团聚体具有更高的稳定性.由于施肥管理和茶树生长习性等因素的影响, 不同种植年限茶树对茶园土壤结构性质的影响存在差异, 从而影响到温室气体的排放(李玮等, 2014).因此, 本研究于2014—2015年以湖北省咸宁市棕红壤区不同植茶年限(8、20、50 a)茶园和对照林地土壤为对象, 比较其CH4通量及季节变化特征, 探讨该红壤丘陵区土壤CH4通量的主控因子.以期为评估林地转为茶园对土壤温室气体源/汇强度的影响提供科学依据, 也为鄂南地区园林地CH4收支估算提供基础数据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验区概况研究区位于湖北省咸宁市(29°02′ ~30°18′N, 133°31′~144°58′E)贺胜桥镇, 海拔28~50 m, 该地区属于大陆性季风气候区, 雨热同期, 年平均气温为17.7 ℃, 年降雨量为1390.5 mm, 在自然地带上属于北亚热带常绿阔叶林带.地带性土壤为棕红壤, 质地粘重, 呈弱酸性.
本研究选取该地区方圆3 km内不同植茶年限的茶园和对照林地(L).茶园种植年限分别为50 a (高龄, T1)、20 a (中龄, T2)、8 a (低龄, T3).高龄、中龄茶园施肥措施基本相同, 每年施用有机肥(菜饼肥)2250 kg·hm-2和复合肥750 kg·hm-2作为基肥, 于12月中旬施入茶园, 尿素作为追肥于4月初施用, 施氮量为450 kg·hm-2(以N计, 下同)；低龄茶园于12月中旬施用有机肥(鸡粪)1125 kg·hm-2和复合肥750 kg·hm-2作为基肥, 4月初施入尿素300 kg·hm-2, 作为追肥.鸡粪比菜饼肥的肥力高、肥效长, 这两种方式被看作等效施肥, 是当地典型的施肥习惯.林地类型为阔叶林地, 主要树种为樟树, 樟树林不施肥, 受人为活动干扰较少.此外, 3种园龄茶园均在3月进行人工除草.采样点表层(0~20 cm)土壤基本理化性质见表 1.
| 表 1 试验地土壤基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soil in experimental field |
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本试验使用静态箱采样法采集CH4, 用顶部密封的不锈钢圆桶(高25 cm, 直径20 cm)作为气体采样箱, 箱盖上有2个孔分别固定有玻璃管, 其中一支管连接密封气袋置于箱内, 用来调节采样箱内的气压, 另一支管连接三通阀用来采集气体.试验从2014年3月到2015年12月, 每隔7~15 d取样1次, 每次在上午9：00—11：00的同一时间对不同处理地块进行样品采集, 以此时的通量代表采样日的日均通量(Liu et al., 2015).采样箱放置在作物行间之前, 先清理地面杂草和凋落物, 之后在固定地点将采样箱垂直插入土壤中, 深度为5 cm, 并将采样箱周围压实, 以防止漏气.在相隔2~3 m的范围以相同的方法重复设置3个采样点, 20 min后用医用注射器采集30 mL气体, 同时采取釆样点大气作为空白对照.在采集气体样品的同时, 记录采样点气温和土壤温度(表层5 cm).
每次CH4气体采样的同时, 采集每个采样点土壤样品.用环刀取土, 用来测量容重, 并且采集土壤表层(0~20 cm)土样, 混合均匀后, 带回实验室, 测定土壤含水量, 然后去除碎石、残根等杂物, 过2 mm筛.一部分鲜样于4 ℃下保存, 用于测定土壤矿质氮(NH4+-N和NO3--N)含量；另一部分土壤进行风干, 研磨, 测定土壤pH、全碳、全氮等基本理化性质.气温和降雨量资料使用咸宁红壤综合试验站内的气象站数据, 气象站位于试验区域内, 温度计距地面110 cm, 雨量器口离地高度为70 cm.
2.3 样品分析采集后的气体样品在室内用改进的气相色谱仪(Agilent 7890A)分析, FID检测器, 载气为高纯N2, 流速为30 cm3·min-1, 检测温度为200 ℃, 柱温为50 ℃, 灵敏度为10-13~10-10 g·s-1, 通过标准气体和待测气体的峰面积比值来计算样品中CH4的浓度, 标准气体由国家标准物质中心提供(Ruan et al., 2013).
土壤矿质氮(NH4+-N和NO3--N)含量测定时先采用1 mol·L-1 KCl浸提1 h, 滤液用德国Seal Analytical AA3流动分析仪测定.土壤容重用环刀法测定, 土壤机械组成用比重计法测定, 土壤全氮(TN)采用凯氏消煮法测定, 土壤pH采用水土质量比2.5:1电位法测定, 土壤含水量用烘干法测定, 土壤全碳采用德国Elementer Vario TOC仪测定.
2.4 数据统计与分析CH4通量的计算公式如式(1) 所示(Hu et al., 2002), CH4累积排放通量按式(2) 计算.
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(1) |
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(2) |
式中, F为CH4通量(μg·m-2·h-1), 正值表示CH4从土壤排放到大气, 负值表示土壤氧化消耗大气中的CH4；ρ为标准状况下的CH4密度, 取值为0.714 kg·m-3；V和A分别为采样箱的体积(m3)与底面积(m2)；Δc/Δt为在一特定时间内CH4浓度变化的速率(10-6 m3·m-3·h-1)；T为绝对温度(K)；α为CH4换算到C(12/16) 的转换因子；M为土壤CH4的累积通量(kg·hm-2)；i代表采样次数；t代表采样日期.
采集的土样过2 mm筛后, 用铝盒烘干法测定其质量含水量, 再用式(3) 计算出土壤充水孔隙度(WFPS).
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(3) |
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(4) |
式中, γ为土壤质量含水量, δ为土壤容重, θ为土壤总孔隙度(黄昌勇, 2000).
采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比较法检验数据间的差异, 用Spearman相关研究法进行数据间的相关性分析.另外, 运用多元逐步回归方法分析土壤CH4通量与土壤理化性质及环境因子之间的关系.利用SPSS 22进行数据统计分析, 用Origin 8.0进行绘图, 显著性水平设置为0.05.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 降雨量与气温该研究区域2014年降雨量为1451 mm, 春、夏、秋、冬4个季节降雨量分别为400、653、210和186 mm, 年平均气温为17.74 ℃, 春、夏、秋、冬季4个季节气温平均值分别为17.97、26.85、19.24和6.56 ℃(图 1).2015年降雨量为1329 mm, 春、夏、秋、冬4个季节降雨量分别为450、396、347和134 mm, 年平均气温为17.74 ℃, 春、夏、秋、冬季4个季节气温平均值分别为17.61、27.34、18.42和6.77 ℃(图 1).整体表现为夏季高温多雨, 冬季寒冷干燥.
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| 图 1 监测期间气温和降雨量的日变化情况 Fig. 1 Diurnal variation of temperature and rainfall during the survey |
2014年3月—2015年12月观测期间, 3种植茶年限茶园和对照林地土壤CH4通量时间变化有一定的差异(图 2).高龄茶园和樟树林土壤为CH4汇(以吸收大气CH4为主), 林地和高龄茶园分别于2014年11月12日和2015年6月27日观测到吸收通量最高值, 分别为102.61 μg·m-2·h-1和67.72 μg·m-2·h-1；而中、低龄茶园土壤吸收通量都较低, 甚至有一定的CH4排放, T2和T3茶园分别于2014年6月18日和2014年9月27日观测到排放通量最高值, 分别为114.00 μg·m-2·h-1和106.60 μg·m-2·h-1.
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| 图 2 2014(a)和2015(b)年茶园和林地土壤CH4通量的变化 Fig. 2 Changes of CH4 fluxes in the tea field and the woodland in 2014 (a) and 2015 (b) |
茶园和林地土壤CH4累积通量存在显著差异, 对照林地土壤对CH4的吸收能力最强, 累积吸收量为1.95 kg·hm-2, 茶园土壤对CH4的吸收能力显著低于林地, 但随着植茶年限的增加土壤吸收CH4的量又逐渐提高, T2和T3茶园土壤向大气中排放CH4, 累积排放量分别为0.26和0.27 kg·hm-2, T1茶园又转为以吸收CH4为主, CH4累积吸收量为0.39 kg·hm-2.
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| 图 3 茶园和林地CH4累积通量 Fig. 3 CH4 cumulative fluxes of tea field and woodland |
茶园和樟树林土壤含水量和土温都表现出季节性差异(表 2).不同土壤之间的温度基本保持一致, 主要受气温影响.林地和T1茶园土壤含水量变化相近, 在春、夏两季T2、T3茶园的土壤含水量要明显大于T1茶园和林地.
| 表 2 不同土壤中温度和含水量的情况 Table 2 Temperature and water content in different soils |
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茶园土壤中铵态氮和硝态氮含量平均值均显著高于林地(表 3).由于茶园在春季施氮肥, 该季节3种植茶年限茶园土壤铵态氮含量均较高, T1茶园土壤铵态氮含量最高, 春季平均值为43.32 mg·kg-1.茶园土壤中铵态氮、硝态氮含量都呈季节性变化, 铵态氮含量变化幅度大于硝态氮.林地受人为扰动小, 铵态氮和硝态氮含量均较低, 且季节性变化小, 其中，硝态氮含量有一定的季节变化趋势, 铵态氮含量则几乎无变化.
| 表 3 土壤矿质氮含量季节变化 Table 3 Seasonal variation of soil mineral nitrogen content |
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土壤CH4通量与采样前7 d累积降雨量之间的关系如图 4所示.除了低龄茶园外, 中、高龄茶园和樟树林土壤CH4通量均与7 d累积降雨量呈显著正相关关系, 降雨对中、高龄茶园和樟树林土壤CH4通量有显著影响.对于高龄茶园, 7 d累积降雨量高于20 mm, 土壤CH4以排放为主, 7 d累积降雨量低于20 mm, 土壤CH4以吸收为主.
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| 图 4 茶园和林地甲烷通量与7 d累积降雨量之间的关系 Fig. 4 Relationship between CH4 fluxes and cumulative rainfall of 7 d in tea field and woodland |
土壤中矿质氮的含量会影响产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性, 从而影响土壤CH4通量.对该地区茶园和林地土壤CH4通量与矿质氮含量进行分析发现, 甲烷排放通量与硝态氮含量成显著正相关(图 5), 表明在该地区土壤中硝态氮含量越高甲烷的排放通量越大.而甲烷排放通量与铵态氮含量相关性不显著.
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| 图 5 土壤甲烷排放通量与NO3--N(a)和NH4+-N(b)的关系 Fig. 5 Relationship between soil CH4 emission and NO3--N(a) and NH4+-N(b) |
土壤CH4产生和氧化受不同的环境因子互相影响, 为消除各影响因子间的相互作用, 利用逐步回归方法进行分析, 结果表明(表 4), 除低龄茶园外, 降雨促进中、高龄茶园及对照林地CH4排放.温度和降雨量共同影响高龄茶园的CH4通量, 两者可解释CH4通量变异的27.3%.
| 表 4 CH4通量与土壤温度、含水量、铵态氮、硝态氮含量及7 d降雨量的逐步回归方程参数 Table 4 Parameters of stepwise regression function for CH4 flux against soil temperature, WFPS, ammonium, and nitrate concentration, 7d precipitation |
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土壤中CH4是在厌氧条件下生成, 主要是来自甲烷古菌的新陈代谢, 而土壤中的甲烷氧化菌则可以将CH4彻底氧化成CO2(Conrad et al., 2009).CH4的产生和氧化过程都有微生物参与, 因此, 影响土壤微生物进行这两个过程的因素都会影响CH4通量(Liu et al., 2015).微生物的活动受到土壤环境的直接作用, 土壤环境的改善可以提高微生物的活性, 促进微生物的生长繁殖, 并改变土壤微生物群落丰度和多样性(Geisseler et al., 2014).土壤环境不仅对微生物产生影响, 而且可以直接影响产生CH4的底物, 改变CH4产生和氧化的比例, 从而使不同土壤CH4通量形成差异(Treat et al., 2015；Feng et al., 2012).由于茶树特殊的生长习性, 茶园种植年限的增加导致土壤环境发生较大改变(高福丽等, 2009), 造成CH4通量随茶树种植年限的增加而变化.本研究中, 中、低龄茶园土壤CH4为弱排放, 而随着植茶年限的增长, 高龄茶园土壤表现为CH4汇.国内外也有大量针对种植年限对CH4通量影响的研究, 国内学者在对崇明岛上水杉林进行研究发现, 不同种植年限的水杉通过根呼吸和微生物活动对CH4排放速率有强烈影响作用, 低龄水杉林排放更多的温室气体(Yin et al., 2016).国外研究人员在对25~120 a林龄的云杉林研究也表明, 随着林龄的延长, 土壤对CH4的吸收能力逐渐增强(Hiltbrunner et al., 2012).本研究中, 茶园均由林地或荒草地转换而来, 土壤结构发生很大变化, 可能导致中、低龄茶园土壤CH4氧化能力减弱.有研究表明, 土地利用方式改变后, 土壤对CH4的吸收能力下降, 并且恢复的非常缓慢(Levine et al., 2011).这是由于土壤受到扰动后, 土壤结构被破坏, CH4氧化能力下降, 需要很多年才能恢复(Jacinthe et al., 2014).而土壤在未受人为干扰的情况下对CH4的氧化能力更强(Kim et al., 2014), 茶园与林地相比, 由于植被不同和施肥、修剪等人为扰动, 土壤环境有较大的差别, 林地土壤一般是CH4的汇, 而茶园可能有CH4弱排放(Ueyama et al., 2013).随着植茶年限的增加, 土壤结构逐渐恢复, 高龄茶园土壤又表现为以吸收CH4为主.
土壤CH4通量还受到降雨量、温度等环境因素的影响(李志国等, 2012；Gao et al., 2010).其中, 降水格局的变化将影响地球陆地碳氮循环, 降雨量的增加会在短时间内提高土壤含水量, 有利于产甲烷菌的活动, 使土壤中CH4的产生增加(Chamberlain et al., 2017).土壤中水分含量可以改变土壤氧化还原电位(Eh)、pH、微生物活性和气体在土壤中的扩散速率, 从而影响CH4的吸收和排放(Husson et al., 2013).本研究中该地区土壤CH4通量与采样前7 d累积降水量呈显著的正相关关系, 降雨量越高CH4排放通量越高, 无降雨则CH4排放通量低或是吸收甲烷.降雨下渗到土壤中, 会在土壤局部形成一个厌氧环境, 阻止易氧化有机质的分解并为产甲烷菌提供良好的生存环境, 促进土壤CH4的产生(刘全全等, 2015).Shrestha等(2004)的实验结果也表明, 当降雨量增加, 土壤湿度上升, 玉米地和牧草地土壤CH4吸收量分别下降73%和40%, 由于高含水量使土壤孔隙被切断, 阻碍了大气中O2和CH4向土壤内部扩散, 从而降低了土壤CH4吸收量.也有研究表明, 在亚洲季风气候地区, 降雨量增大, 土壤中甲烷的产生量随之增加(Itoh et al., 2009), 使林地土壤由大气CH4的汇转变为源.本研究中降雨为该地区影响甲烷通量的主要因素, 而温度与土壤CH4通量变化几乎没有相关性.有许多研究结果都表明, 土壤CH4通量对温度变化的响应不敏感(Aronson et al., 2010).在对北极苔原CH4排放的持续观测中发现温度的增加没有促进CH4的排放, 尽管温度每10年上升(1.2±0.8) ℃, 但CH4排放量几乎没有增加(Sweeney et al., 2016).另一方面, 温度和湿度对CH4通量的影响并不是孤立的, 不同地区土壤类型、土壤含水量和气候因素等的差异均能导致不同的结果(Luo et al., 2013).
土壤氮含量是影响CH4通量的重要因素, 有关CH4氧化速率与土壤矿质氮含量的关系研究结果存在争议, 矿质氮类型的不同对CH4通量的影响也不同.有研究认为, 土壤中NH4+与CH4在甲烷单氧酶催化过程中存在竞争, 可以抑制CH4氧化, 从而增加土壤CH4排放(Chan et al., 2006).但另外一些研究报告表明, 对土壤中CH4氧化的抑制作用主要来自NO3-而不是NH4+(Treseder et al., 2008；Yue et al., 2016；Xu et al., 2004).本研究中, 咸宁地区茶园和林地土壤CH4排放通量与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮含量的关系不显著.硝态氮抑制土壤CH4的氧化, 一方面是由于高浓度的NO3-及其伴随离子改变甲烷氧化菌的渗透势, 对甲烷氧化菌有强烈的抑制作用(Dunfield et al., 1995；Hu et al., 2014)；另一方面, NO3-在厌氧条件下被还原, 会产生对甲烷氧化细菌具有毒性的NO2-, 造成土壤对CH4的氧化能力下降(Xu et al., 2004；Roco et al., 2016；King et al., 1994).在一些研究中, NO3-含量增加有利于促进土壤对CH4的吸收, 可能是由于所研究的土壤本身受到氮的限制, 在外源施入少量氮素时, 土壤对CH4的吸收能力增强, 随着施氮量增加, CH4吸收能力就会下降(Fang et al., 2014).土壤中高含量NO3-导致甲烷氧化菌生理性缺水使其活性降低, 表现为抑制土壤CH4的氧化和吸收(Cheng et al., 2012).本研究中, 由于茶园施肥导致NO3-含量较高, 从而对甲烷氧化菌的活动产生不利影响, 使土壤对CH4的吸收能力减弱.大量研究表明, 施氮肥处理显著抑制旱地土壤对CH4的吸收(Aronson et al., 2013；Vallejo et al., 2014).李睿达等(2015)对人工桉树林的研究表明, 施氮水平与CH4的吸收通量呈显著负相关.在Plaza-Bonilla等(2014)的长期试验中发现, 土壤对CH4的净吸收量随着施氮量的增加而降低.通过对比发现, 茶园土壤对CH4的吸收量低于对照林地, 可能是由施肥造成的, 由于对茶园进行施肥, 而樟树林地不施肥, 造成茶园土壤对CH4的吸收能力低于对照林地.
5 结论(Conclusions)1) 不同植茶年限对茶园土壤CH4通量有显著影响, 中、低龄茶园土壤CH4以排放为主, 高龄茶园和对照林地土壤CH4以吸收为主.随着植茶年限的增加, 土壤吸收CH4的能力提高, 茶园土壤由大气CH4的源转变成汇.
2) 降雨量为研究地区土壤CH4通量的主要影响因子, 观测期间, 除了低龄茶园外, 中、高龄茶园和对照林地土壤CH4通量均与7 d累积降雨量呈显著正相关关系.
3) 施肥造成了茶园土壤CH4排放量增加, 土壤中矿质氮类型对该地区茶园和林地土壤CH4通量有不同影响, 近2年的观测期间, CH4排放通量与土壤硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮含量关系不显著.
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