森林生态系统作为生物圈的重要组成部分，维持着全球植被碳库的86%和土壤碳库的40% (Houghton et al., 2001; 胡会峰等，2006)。因此，森林在调节全球气候、维持全球碳平衡方面起着非常重要的作用(Fang et al., 2001; Woodbury et al., 2007; Hu et al., 2008)。然而，森林土壤也是温室气体排放源之一。森林管理措施，包括砍伐、施肥、翻耕、灌溉等，均会显著影响温室气体的排放。施肥措施是森林管理的重要手段之一，不同施肥处理会显著影响土壤的理化性质，从而影响土壤温室气体排放(Peng et al., 2008)。因此，研究不同施肥措施对森林土壤温室气体排放的影响对于准确评价森林生态系统的碳汇功能具有非常重要的意义。

土壤水溶性有机碳(WSOC)和水溶性有机氮(WSON)是指通过0.45 μm滤孔，且能溶解于水，具有不同分子量大小的有机碳、氮化合物。土壤WSOC和WSON是陆地生态系统中最活跃的碳、氮组分，它们可以被土壤微生物分解，可在土壤中迅速转化成其他组分(倪进治等，2003; Chen et al., 2008)。因此，WSOC和WSON含量的高低可很大程度上影响土壤矿化的最终产物和数量(陶澍等，1996)。土壤排放的温室气体在很大程度上依赖于土壤有机质的矿化速率和土壤中各类有机化合物的转化强度。然而，目前有关土壤WSOC和WSON含量与温室气体排放之间的关系还没有形成一致的结论。

毛竹(Phyllostachys edulis)是中国南方重要的森林资源。据第6次全国森林资源清查统计，中国毛竹林面积达337.2万hm²，近75亿株，约占全国竹林面积的70% (国家林业局，2005)。毛竹林具有生长适应性强，生长快，生物量积累迅速的优点。周国模等(2004)报道，毛竹林乔木层年固碳量为5.097 t·hm^-2，是速生阶段杉木(Cunninghamia lanceolata)的1.46倍(方晰等，2003)、热带山地雨林的1.33倍(李意德等，1998)、苏南27年生杉木林的2.16倍(阮宏华等，1997)。因此，毛竹林生态系统具有巨大的固碳潜力。近年来，随着效益林业的实施，有40% ~ 50%的毛竹林实行集约化栽培，与保持天然状态的粗放经营竹林相比，集约经营毛竹林的特点是除去林下杂草，多次翻耕，施用化肥等。尽管集约经营措施可以在一定程度上增加毛竹乔木层的固碳能力(周国模，2006)，但集约经营措施是否改变土壤水溶性有机碳、氮含量以及竹林土壤温室气体的排放，从而影响毛竹林生态系统在减缓气候变暖中的作用呢?鉴于上述问题，本试验以集约经验毛竹林为样地，利用静态箱-气相色谱法测定不同施肥处理对样地CO₂和N₂O的影响，同时测定样地的水溶性有机碳、氮含量。旨在探明不同施肥处理对毛竹林样地温室气体排放的影响结果，探讨毛竹林土壤温室气体排放与水溶性有机碳、氮之间的关系。为深入研究土壤温室气体排放的影响机制以及准确评价集约经营毛竹林在调节气候变化中的作用提供理论基础和科学依据。

试验地设在浙江省临安市青山镇(118°51′ E，29°56′ N)。该区属于亚热带季风气候，四季分明、气候温和(年平均气温为15.9 ℃)、雨量充沛(年降水量1 350 ~ 1 500 mm)，年有效积温5 774 ℃，年日照时数1 774 h，无霜期235天。试验样地属丘陵区，海拔100 ~ 300 m，土壤为发育于花岗岩的红壤土类(黄红壤亚类)。所选择的毛竹林试验地属于集约经营毛竹林地。每年进行松土垦复，5月上、中旬施肥1次。毛竹平均胸径10.1 cm，密度3 000株·hm^-2。2008年春选择好试验地，并进行小区规划。试验地土壤pH值4.92，有机质含量21.45 g·kg^-1，总氮1.48 g·kg^-1，碱解氮123.98 mg· kg^-1，有效磷6.86 mg·kg^-1，速效钾17.14 mg·kg^-1。1.2试验设计2008年3月，在试验地中选择坡度和坡向基本一致的毛竹林地作为试验用林。试验设6个处理，处理内容详见表 1。重复3次，随机区组设计，小区面积为200 m²，共18个小区(每个小区之间相隔3 m)。肥料于5月25日施入，并结合施肥进行翻耕。分别于6月25日(施肥后1个月)和11月25日(施肥后6个月)进行毛竹林土壤CO₂和N₂O排放速率以及土壤理化性状的测定。

表 1 试验各处理肥料用量 Tab.1 Amount and composition of different fertilizer treatments

表 1 试验各处理肥料用量 Tab.1 Amount and composition of different fertilizer treatments

温室气体通量利用静态箱/气相色谱法测定。采样箱为组合式，即由底座、顶箱组成，均用PVC板做成(杜丽君等，2007); 面积为30 cm × 30 cm，高度为30 cm。采集气体时，将采集箱插入底座凹槽(凹槽内径和深度均为5 cm)中，用蒸馏水密封，分别于关箱后0，10，20，30 min，用注射器抽样60 mL，密封带回实验室，用改装后的HP 5890Ⅱ型气相色谱仪(装有氢焰离子化检测器和火焰离子化检测器)分析气样中CO₂和N₂O浓度(Wang等，2003)。

温室气体排放通量计算方法如下所示:

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

在测定温室气体排放的同时，记录大气、地表温度、地下5 cm、地下10 cm、地下20 cm土壤温度和大气压，并在每个小区按照五点取样法采集0 ~ 20 cm土壤样品，充分混匀后带回实验室测定土壤水分含量和土壤水溶性有机碳、氮的含量。土壤水溶性有机碳测定方法:称鲜土20.00 g(同时测定土壤含水量)，水土比为2：1，用蒸馏水浸提，在25 ℃下振荡0.5 h，再在高速离心机中(8 000转·min^-1)离心10 min后，抽滤过0.45 μm滤膜，抽滤液直接在岛津TOC-VcpH有机碳分析仪上测定土壤水溶性有机碳。土壤水溶性有机氮测定方法:称鲜土20.00 g (同时测定土壤含水量)，水土比为2：1，用蒸馏水浸提，在25 ℃下振荡0.5 h，再在高速离心机中(8 000转·min^-1)离心10 min后，抽滤过0.45 μm滤膜，抽滤液1份(A)直接在岛津TOC-VcpH的TN单元上测定土壤水溶性总氮(WSN); 同时另取1份(B)抽滤液用离子色谱法测定NH₄⁺和NO₃^-含量，然后A中的土壤水溶性总氮减去B中的NH₄⁺和NO₃^-即为土壤水溶性有机氮含量(WSON)。

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，并用新复极差法进行多重比较(P < 0.05)。

从图 1，2可以看出，无论是施肥1个月后还是6个月后，毛竹林土壤的温室气体(CO₂和N₂O)排放速率在不同肥料处理之间均呈显著差异(P < 0.05)。随着施肥量的增加，CO₂排放速率呈显著增加趋势。与对照处理相比，无论是施肥1个月后还是6个月后取样，单施尿素处理均显著增加CO₂的排放(P < 0.05)。施过磷酸钙和氯化钾处理1个月后CO₂排放无显著变化; 但6个月后CO₂的排放显著增加(P < 0.05) (图 1)。随着施肥量的增加，N₂O排放速率也呈显著增加趋势。与对照处理相比，单施尿素对N₂O排放速率的影响达到显著水平(P < 0.05)，而施过磷酸钙和氯化钾处理对N₂O排放无显著影响(图 2)。

图 1 不同施肥处理对毛竹林土壤的CO2通量的影响 Figure 1 Effect of different fertilizer treatments on the CO2 efflux from the soil of P. edulis stands 误差线表示标准差(n=3)，不同字母表示新复极差法多重比较差异显著(P=0. 05)。Error bars show standard deviation (n=3); Columns labeled with different lower case letters within each graph mean significantly different at P=0. 05 level according to Duncan’s Multiple Range Test.下同The same below

图 2 不同施肥处理对毛竹林土壤的N2O通量的影响 Figure 2 Effect of different fertilizer treatments on the N2O efflux from the soil of P. edulis stands

从图 3可见，不同化肥处理下，毛竹林土壤水溶性有机碳含量呈显著差异(P < 0.05)。与不施肥处理相比，较高施肥量(处理2，3)显著提高毛竹林土壤的水溶性有机碳含量(P < 0.05);而少量施肥(处理4)和只施过磷酸钙和氯化钾(处理6)对土壤WSOC含量没有显著影响。单施尿素处理1个月后，测定水溶性有机氮含量显著高于对照，而半年后测定与对照没有显著差异(图 3)。不同施肥处理下毛竹林水溶性有机氮含量见图 4。施肥处理(除处理6)均显著增加毛竹林土壤的水溶性有机氮含量(P < 0.05)。特别是单施尿素处理(处理5)对毛竹林水溶性有机氮含量的影响显著(P < 0.05)。

图 3 不同施肥处理对毛竹林土壤水溶性有机碳含量的影响 Figure 3 Effect of different fertilizer treatments on the WSOC content in the soil of P. edulis stands

图 4 不同施肥处理对毛竹林土壤水溶性有机氮含量的影响 Figure 4 Effect of different fertilizer treatments on the WSON content in the soil of P. edulis stands

相关性分析表明，毛竹林土壤的CO₂排放速率与土壤水溶性有机碳含量呈显著的正相关(图 5)。从图 6可见，毛竹林土壤N₂O排放速率与土壤水溶性有机氮含量呈显著正相关。

图 6 毛竹林土壤N2O通量与水溶性有机氮含量的相关性 Figure 6 Correlation between soil N2O efflux and WSON in the soil of P. edulis stands

已有研究结果表明，营林措施能显著改变森林土壤的温室气体排放(Peng et al., 2008)。施肥是森林管理的重要手段之一，施用肥料可以显著增加林木的生物量和调控森林土壤的养分平衡。然而，有关施肥对土壤温室气体排放的影响在不同研究结果中存在较大的差异。例如，Priess等(2001)的研究结果表明，氮肥的施用可以增加土壤CO₂的排放; 而施用肥料引起土壤温室气体排放减少的研究报道也有不少(Bowden et al., 2004; Olsson et al., 2005)。也有结果表明，施肥对土壤温室气体排放没有显著影响(Vose et al., 1997; Fernandes et al., 2002)。本研究结果表明，化肥的施用显著增加毛竹林土壤CO₂和N₂O的排放。并且毛竹林土壤温室气体的排放速率随着化肥施用量增加呈显著增加趋势。不同研究结果存在的差异可能是森林土壤类型、肥料种类与用量以及森林年龄等因素的差异造成的(Peng et al., 2008)。施肥可以增加毛竹林的生物量，即可以增加毛竹林的碳固定量(周国模等，2004)。然而从本研究结果来看，施肥在增加毛竹林生物量的同时，也促进土壤温室气体的排放。因此，对于整个毛竹林生态系统来讲，施肥引起的碳固定或碳排放问题还需要在今后的研究中进一步探讨。

图 5 毛竹林土壤CO2通量与水溶性有机碳含量的相关性 Figure 5 Correlation between soil CO2 efflux and WSOC in the soils of P. edulis stands

不少研究结果表明，施肥处理会显著影响土壤WSOC含量。McGill等(1986)研究了不同轮作和施肥措施对土壤WSOC的影响，结果表明，施厩肥的土壤中WSOC含量比施无机肥的高2.5倍。Zsolnay等(1991)的研究结果表明，单施化学肥料对土壤WSOC含量无显著影响，而施有机肥料可以显著增加土壤WSOC含量。本研究的结果表明，不同化学肥料处理对土壤WSOC含量的影响存在显著差异。较高用量的化肥处理(处理2，3)显著增加土壤WSOC含量，而较低用量的化肥处理(处理4)和施过磷酸钙和氯化钾处理(处理6)对土壤WSOC含量没有显著影响。因此，化肥处理对土壤WSOC含量的影响比较复杂。化肥的种类与数量、土壤中的养分状况(特别是矿化氮含量)、生态系统类型以及气候条件等因素均会影响试验结果。不同施肥处理对土壤WSON的影响在国内外也有不少报道。盛卫星等(2009)的研究结果表明，施用化肥特别是超量施用化肥显著增加板栗(Castanea mollissima)林土壤的WSON含量。Medowell等(1998)的研究结果也表明，施用化肥特别是化学氮肥后，土壤WSON含量显著增加。本研究结果表明，化肥处理(除处理6)均显著增加毛竹林土壤WSON含量。施加化肥显著增加WSON含量的原因可能是施入化学氮肥导致土壤中的碳氮比变化，从而加速土壤有机氮的矿化速率，形成较多的小分子有机氮化合物。另外，施肥处理会影响植物根系分泌物的变化，也会对土壤WSOC和WSON含量造成显著影响。

有关温室气体排放与土壤理化性质之间的关系在国内外均有不少报道(李世明等，2003)。而对土壤中不同碳、氮形态的含量与CO₂和N₂O排放的关系还没有一致的结论。赵光影等(2009)报道，小叶章(Deyeuxia angastifolia)湿地系统CO₂排放量与土壤活性有机碳含量呈显著正相关。陈涛等(2008)的研究结果也表明，不同施肥处理条件下水稻土有机碳矿化量与水溶性有机碳含量呈极显著正相关。而杜丽君等(2007)的研究结果表明，土壤CO₂排放量与WSOC含量之间没有显著的相关性。本试验的研究结果表明，不同施肥处理毛竹林土壤CO₂和N₂O排放速率分别与土壤WSOC和WSON含量呈显著的相关性(P < 0.05)。这表明，毛竹林土壤中WSOC和WSON含量是影响土壤温室气体排放的重要因素之一。结合施肥对水溶性有机碳氮的研究结果，可以认为施肥影响毛竹林土壤温室气体排放的原因可能是由于施肥影响土壤水溶性有机碳、氮而引起的。