N₂O是大气的一种重要成分。由于能吸收红外性质的地面长波辐射，所以它可以减少地表通过大气向外层空间的热辐射，并使这些热量在近大气层富积起来，进而导致温室效应。作为一种温室气体，N₂O分子的增温效应(红外吸收能力)是CO₂的150倍左右，CH₄的4倍，在大气中的存留时间长达166±16 d(Wang，1980)。不仅如此，进入大气中的N₂O还能催化大气平流层中的O₃分子发生光化学反应并使O₃保护层受到破坏，使更多的宇宙射线透过大气层并直接危及生物圈，进而使全球生态环境发生重大变化(Khalil et al.，1988)。

N₂O的温室气体效应、对臭氧层的破坏作用以及工业革命后N₂O浓度在大气中的不断增加已引起世人的普遍关注。N₂O目前在大气中的浓度已达到310 μL·L^-1，正以0.2%左右的年增长率在增加。自本世纪70年代以来，对N₂O排放的研究越来越受到各国科学家的重视，并成为全球生态环境科学研究的热点之一。

N₂O排放源可分为生物源和非生物源。生物源主要包括微生物的反硝化、硝化过程及其他一些生物过程，非生物源主要是矿物燃料和生物质的燃烧、闪电、化学工业等。其中生物源为排放的主体，而土壤为生物源的主要载体。目前国内外对土壤生态系统排放N₂O的研究主要集中在农田土壤上，而对森林土壤中N₂O排放的研究并不多见(许慧，1995)。由于陆地生态系统的不均匀性及各种控制N₂O释放的环境条件的变化，不同国家和地区以及不同生态系统的土壤中N₂O的排放通量差异很大。我国地域广阔，南北纬度跨度大，现有森林面积1.334×10⁸ hm²，森林覆被率约为13.92%，森林土壤是我国陆地生态系统的重要组成部分。原位研究我国森林土壤的N₂O排放，对正确估算N₂O的源和汇现状以及我国温室气体排放总量，评价我国森林生态系统对全球气候变化的贡献十分必要，同时也是制订气体排减技术措施的重要基础。

本研究以华北暖温带的北京西山地区两种典型人工林土壤为对象，原位系统测定了森林土壤N₂O的排放通量，并对土壤N₂O排放通量和环境因子的关系进行了探讨。

1 研究林地的自然概况和土壤性状

研究地点位于北京市西山试验林场卧佛寺地区。地处北纬39°34′，东经116°28′，年平均气温11.6 ℃，年平均降水量630mm。在海拔133 m处选取该地区有代表性的油松、元宝枫两种典型林分作为原位观测地点，林地植被及林分特征因子列于表 1。两种林分均为人工植苗造林，林龄40 a，土壤类型为褐土。表层土壤pH值为6.5~7.4，轻壤质地，土壤孔隙度60%左右，容重0.9~1.1左右。土壤有机质含量21.4~59.4 g·kg^-1，全N含量1.0~3.3 g·kg^-1，NH₄-N含量0.54~1.05 mg·kg^-1，NO₃-N含量0.65~1.0 mg·kg^-1，其中元宝枫林地3种N含量略高于油松林地。

2 研究方法 2.1 原位气体采集测定

采用静态封闭箱式技术(Hutchinson，1981；Slemer，1984；李良谟，1989)对土壤N₂O的排放通量进行原位测定。将底面积0.55 m×0.35 m，高0.13 m，对N₂O惰性的有机玻璃采集箱埋入土壤5 cm，四周用土埋严密封。于观测采样日当天上午9:00和下午1:00，准时将采集箱按上述方法安置于实验地上，在采集箱刚插入土壤和插入后1 h分别用注射器抽取50 mL箱内气体样品，密封带回实验室，用SP-3140气相色谱仪分析N₂O浓度。为保证实验的平行性，每次安置采集装置时尽量不破坏原位土壤的环境条件，并均在同一点上进行。1997-04-28~06-12每7d观测采样1次，1997-07-20~1998-03-17改为每月观测采样1次。

另外于1997-05-06和1997-05-19进行了两次昼夜观测。采样时间分别为12:00、15:00、18:00、21:00、0:00、3:00、6:00、9:00时。

2.2 环境因子的观测

采集气样的同时，同步观测相关环境因子。烘干法测定各层次土壤自然含水量；用通风干湿球温度计读取离地面20 cm、150 cm的读数；并记录当时的气压、气温、地表温度以及土壤10 cm、20 cm、30 cm、40 cm深处的温度。

2.3 N₂O排放通量的计算

其中，F为N₂O在单位面积(m²)单位时间(h)内的排放通量，单位μg·m^-2 h^-1；ρ为N₂O气体密度μg·mm^-3，ρ=wn/V，根据标准气态方程PV=n·R/T，n/V =P/RT，则ρ=wP/RT，w(分子量)=44，R=22.4×10^-3，T=(273+t)/273，P=1 atm；h为箱内有效接触土壤空间的高度，0.13 m；ΔC/Δt为Δt时间内采气箱内待测气体浓度的变化率mm³·m^-3(ppb)。

3 结果与分析 3.1 两种不同林地土壤N₂O排放通量的比较

今将北京西山地区两种林地的N₂O排放通量定点测定结果列于表 2。表 2表明两种不同林地土壤N₂O排放通量的年平均值分别为3.16和3.17 μg·m^-2h^-1，经t检验，两者之间无显著差异(t=0.02＜t_0.05 =1.67)。从年度范围看，N₂O的排放通量变化在-1.2~7.92 μg·m^-2h^-1之间。上述变化范围表明北京西山地区林地土壤主要为N₂O的源，但在1998-01(见图 1)元宝枫林地上土壤N₂O排放量出现负值，这表明在一定的条件下林地也吸收N₂O而成为N₂O的汇。

3.2 林地土壤N₂O排放通量的季节变化

研究表明，两块林地的N₂O排放通量均具有明显的季节变化趋势(见图 1)。

从图 1可以看出，两种林地土壤的N₂O排放通量基本上均呈抛物线型，但它们的数值孰高孰低却有变化:元宝枫林地在冬季(11月19日，12月17日，1月13日，2月14日)较油松林地低，而在春、夏和秋季(3月17日~10月16日)则较油松林地高。出现上述现象的原因主要是冬季元宝枫林木基本上处于休眠状态，而油松则此时仍有一定的生理活动，其根系分泌放出的有机物质对N₂O排放有一定促进作用(封克，1995)。在其他季节，由于元宝枫林地土壤的有机质、全N和NO₃^-—N含量均高于油松林地，在适宜的温度湿度下，更易于N₂O气体的产生和排放。另外如上所述，1月13日元宝枫林地检测出排放量负值，这说明在一定条件下土壤对N₂O也有吸收作用。

综合分析两种林地土壤的N₂O排放量的季节变化趋势，还具有下列共同点:①春季随着气温逐渐升高，排放量也明显随之增高。②夏季剧烈波动，雨季排放量最高。从5月14日至8月9日，N₂O的排放量处于一年中的最高峰时期，并且各次之间高低波动较大。此波动主要由降水引起，例如在1997-05-22~05-26连续几天有26 mm的降水过程，在5月27日测定出一个N₂O排放有一个高峰值(5.688 μg·m^-2 h^-1)。这是因为降水以后，随着水分不断充满土壤孔隙，加大了厌氧环境并使反硝化作用加强，N₂O也随之大量产生并排放出土壤(黄国宏，1999)。③秋季N₂O排放量变小(9月17日~10月16日)，并且变化平稳。④冬季进入一年中排放量最低阶段，变化平稳。

3.3 林地土壤N₂O排放通量的昼夜变化

1997-05-06和05-19元宝枫和油松林地土壤N₂O的排放通量的昼夜变化分别如图 2和图 3。从图中可以看出，元宝枫林地和油松林地土壤的N₂O排放量的昼夜变化基本上具有共同性，即一天中的最低点在早晨6:00，这说明一天中的最低温度可能限制了N₂O的排放。白天的变化则呈宽谷形，在9:00和18:00左右最高，而中间很长一段时间较低。这种情况表明，在一天中，排放量最高点并不出现在光照最强时和温度最高时，而是在光照和温度较高时。

3.4 林地土壤N₂O年排放通量和环境因子的关系

土壤N₂O的排放受复杂的自然过程控制，特别是要受反硝化和硝化过程的影响。上述两个过程前者是厌氧过程，后者是好氧过程。直接影响N₂O生物化学产生过程的因子包括土壤温度、土壤湿度、O₂供给状况和反应底物的有效性。由于这些因子的年变化和日变化规律有较大不同，所以它们对N₂O排放通量的影响也不相同。

3.4.1 元宝枫林土壤N₂O通量与各环境因子之间的关系

依据一年中的观测数据，用多元线性回归对元宝枫林土壤N₂O排放通量与各环境因子之间的关系进行拟合，得出以下方程:

式中，X₁为地面150 cm处空气相对湿度，r₁=0.79；X₂为地面20 cm处空气相对湿度，r₂=0.75；X₃为前5 d内降水量，r₃=0.92；X₄为地表温度，r₄=-0.86；X₅为土壤20 cm处温度，r₅=0.94；X₆为土壤40 cm处温度，r₆=0.79；X₇为土壤0~10 cm层次含水量，r₇ =0.87；X₈为土壤10~20 cm层次含水量，r₈=-0.45；X₉为土壤20~40 cm层次含水量，r₉=0.20。

拟合结果表明，在北京西山地区，多因子对元宝枫林土壤N₂O通量年变化的综合作用达到极显著水平(R²=0.99)。偏相关系数r值显示影响元宝枫林土壤N₂O通量年变化的主导因子是前5 d内的降水量和土壤20 cm深处的温度。

用多元逐步回归方法选择和排放通量关系最优且不能代替的环境因子，结果前5 d内的降水量(X₃)、土壤20 cm处温度(X₅)、土壤0~10 cm含水量(X₇)、土壤20~40 cm含水量(X₉)等4个因子入选。其回归方程为：

式中，偏相关系数分别为r₃=0.866，r₅=0.87，r₇=0.772，r₉=0.814。

3.4.2 油松林土壤N₂O通量与各环境因子之间的关系

同样依据一年的观测数据对油松林土壤N₂O排放通量与各环境因子之间的关系进行多元线性回归得到如下方程:

各分项的偏相关系数r₁~r₉分别为0.49、-0.26、-0.52、-0.076、0.35、-0.34、0.46、0.48、-0.14。

用多元逐步回归筛选出对油松林土壤N₂O年排放通量起主导作用的因子为前5 d内降水量(X₃)、土壤20 cm处温度(X₅)及土壤10~20 cm含水量(X₈)，回归方程见下式：

偏相关系数分别为r₃=0.332，r₅=0.317，r₈=0.453。

以上两种拟合结果表明油松林各环境因子对N₂O排放通量的综合作用并不突出，均未通过显著性检验。

就单因子与油松林土壤N₂O通量的年变化关系进行拟合，结果表明前5 d内的降水量、地表温度及土壤20 cm温度与油松林土壤N₂O通量的年变化关系紧密，拟合方程分别为：

上述方程表明油松林地土壤的N₂O排放通量和前5 d降水量、地表温度和20 cm处温度是非线性关系，这也是上述油松林地多元线性回归关系不显著的原因。

由于该地区半干旱半湿润的气候特点，土壤中水分含量成为制约土壤微生物和各种酶活性的主导因子。亚硝酸细菌和硝酸细菌都是严格的好气性细菌，要求土壤有良好的通气性和适当的水分条件。其活动的最适温度在25 ℃~35 ℃，在5 ℃以下和55 ℃以上时则停止活动(Gaskell，1981；曾江海，1995)。然而即使具备了合适温度条件，如果没有合适的水分条件也不会表现出N₂O的排放。因为温度和湿度两者之间呈交互作用，当某一因素成为限制因子时，它将对N₂O的释放量影响最大(衣纯真，1996)。我们发现在春季和春夏之交油松林土壤N₂O的排放通量和土壤20 cm处含水量有较明显的正相关关系(见图 4)，R>0.5，因为此时北京西山地区干旱严重，土壤湿度显然成为N₂O排放的最主要的限制因子。

3.5 与世界上同纬度地区土壤N₂O排放通量的比较

将本次研究的结果和世界上同类型林地测定结果相比(表 3)，我们的结果明显偏低，也低于许慧(1995)测定的我国东北长白山地区的排放通量。我们认为，这可能因为西山地区的人工林林况较差，生产力较低，同时土壤有机质含量较低，微生物活动微弱。此外，取样方法和时间上的不同也有一定关系，例如，长白山的资料主要来自夏季测定值，而本项研究为全年测定的平均值。

将我们的测定结果与我国农田N₂O的排放通量相比同样较小。据黄国宏(1995)等对东北旱作农田N₂O通量的研究结果，6月初大豆田N₂O排放量高达318.2 μg·m^-2h^-1，这个数据和我们的结果相比，高100倍。这当然与农田在生长季施N肥有关，此外，农作物特别是大豆的固N能力及通过根向土壤中分泌C、N物质能力在N₂O产生过程中的作用也不容忽视。

4 小结

(1) 西山森林土壤是大气N₂O一个重要的源。N₂O的年排放通量平均值为3.16 μg·m^-2h^-1，变动范围为1.2~7.92 μg·m^-2h^-1之间，略低于世界上同纬度的森林土壤的排放通量。

(2) 西山地区两种林地土壤的N₂O排放通量年平均值无明显差异，但在不同季节却有明显不同，一般在春夏秋季元宝枫林地的排放量大于油松林地，冬季则正好相反。两种林地间的季节变化趋势相似，即春季逐渐升高，夏季达到最高值，由于降雨的作用波动剧烈，秋季降低且变化平缓，冬季最低。

(3) 在5月份林地土壤N₂O排放通量也有明显的昼夜变化，一般在早6:00为全天最低点，9:00及18:00分别有排放高峰。

(4) 影响土壤N₂O排放通量的因素主要有前5 d内的降水量、土壤温度和土壤含水量。在元宝枫林地，主要为多因子协同影响；而在油松林地，单因子的影响作用突出，其中前5 d的降水量、地表温度和20 cm温度和排放通量呈曲线关系。