林业科学  2012, Vol. 48 Issue (5): 130-135   PDF    
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苏王娟, 付晓青, 李勇, 石辉, 肖润林, 童成立, 吴金水
Su Wangjuan, Fu Xiaoqing, Li Yong, Shi Hui, Xiao Runlin, Tong Chengli, Wu Jinshui
亚热带典型丘陵坡地马尾松林土壤N2O的年通量特征
Annual Nitrous Oxide Fluxes from the Pinus massoniana Woodland in a Typical Hilly Region of the Southern Subtropical China
林业科学, 2012, 48(5): 130-135.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(5): 130-135.

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收稿日期:2011-05-31
修回日期:2012-03-27

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苏王娟
付晓青
李勇
石辉
肖润林
童成立
吴金水

亚热带典型丘陵坡地马尾松林土壤N2O的年通量特征
苏王娟1,2, 付晓青2, 李勇2, 石辉1, 肖润林2, 童成立2, 吴金水2    
1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院 西安 710055;
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室 长沙 410125
关键词:N2O排放    马尾松    亚热带    环境因子    森林土壤    
Annual Nitrous Oxide Fluxes from the Pinus massoniana Woodland in a Typical Hilly Region of the Southern Subtropical China
Su Wangjuan1,2, Fu Xiaoqing2, Li Yong2 , Shi Hui1, Xiao Runlin2, Tong Chengli2, Wu Jinshui2    
1. College of Environment and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology Xi'an 710055;
2. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical RegionInstitute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences Changsha 410125
Abstract: Nitrous oxide (N2O) emissions from the Pinus massoniana woodland were continuously measured using a static closed-chamber method for a year of 2010 and gas chromatography in the southern subtropical in China, and the relationship between N2O fluxes and main environmental factors were analyzed.The observation result showed that the mean daily N2O flux during the period was 3.89 g N·hm-2d-1.The N2O fluxes had seasonal variation with the higher fluxes occurring in summer and early autumn, and the lower fluxes in late autumn, winter and spring.The negative fluxes were also observed in winter.The Pearson's correlation analysis indicated that daily N2O fluxes showed positive and significant correlations with daily minimum air temperature, soil temperature at 5 cm depth and soil volumetric water content of the 0~20 cm soil layer, and highly significant correlation with the cumulative precipitation over previous four days and soil mineral nitrogen content of the 0~20 cm soil layer.In addition, a model for predicting N2O emissions from the Pinus massoniana woodland was established using multiple linear regression analysis.
Key words: N2O emissions    Pinus massoniana    subtropical region    environmental factor    forest soil    

由人类活动所造成的大气中温室气体浓度急剧增加而引起的全球气候变暖和环境变化已引起全世界的广泛关注。氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的一种温室气体, 在大气中含量较低却十分稳定, 具有较大的增温潜能(其单分子的增温潜能是CO2的310倍)和较快的浓度增加速率(以每年0.25%的速率增加)(IPCC, 2007)。N2O可吸收红外线, 减少地球表面通过大气向外层空间的热辐射, 导致地球表面温度增加。N2O能参与大气中许多光化学反应, 破坏臭氧层(Crutzen, 1970), 导致到达地球表面的紫外线明显增加, 给人类健康和生态环境带来多方面的危害。

土壤是N2O最重要的源(Mosier et al., 1998), 土壤中的N2O主要来源于土壤微生物的硝化和反硝化作用(Firestone et al., 1989)。森林土壤N2O排放受到各种非生物和生物因子如气候、土壤类型以及植被类型等的影响(Pilegaard et al., 2006)。森林土壤每年向大气中排放的N2O约为2.88~7.42 Tg (Brumme et al., 2005)。Oquist等(2004)在实验室进行培养试验发现森林土壤在0 ℃以下也排放N2O。

马尾松(Pinus massoniana)为我国亚热带地区典型的针叶树种, 分布极广, 北自河南及山东南部, 南至两广、台湾, 东自沿海, 西至四川中部、贵州及云南, 遍布于华中、华南各地。其分布面积位居全国针叶林总面积的首位。研究我国亚热带地区马尾松林土壤N2O的排放情况, 对于估算该区域乃至全国温室气体排放总量以及评价森林生态系统对全球气候变化的影响与响应都具有重要的指导作用。本研究采用静态箱-气相色谱法对亚热带地区湖南省长沙县金井镇境内典型丘陵坡地马尾松林土壤N2O排放量进行了1年的定位观测, 分析N2O通量与主要环境因子的关系。这可为正确估算N2O通量提供基础数据, 为以后制定减排措施提供依据。

1 研究区概况

试验地选择在中国科学院亚热带农业生态研究所金井试验基地, 位于湖南省长沙县金井镇湘丰茶厂飞跃基地(113°19′58″E, 28°32′50″N), 海拔52~445 m。选取该地区具有代表性的马尾松林作为观测地点, 林地坡度20°, 林龄5~15年, 树高5~13 m, 胸径6~10 cm, 叶面积指数2.35(使用美国LAI-2200叶面积仪测定)。该区为中亚热带北缘季风气候, 年平均气温17.5 ℃, 年平均降水量1 330 mm, 4—6月降水量占全年降水量的70%。土壤为花岗岩母质发育而成的酸性红壤, 是亚热带红壤的典型代表, 试验地土壤的基本理化性质见表 1

表 1 马尾松林土壤基本理化性质 Tab.1 Soil physio-chemical properties in the woodland of Pinus massoniana

2010年逐日气温和降水量的气象数据来自研究地50 m外的自动监测气象站(http://www.csqx.com/)。2010年日平均气温为17.6 ℃, 日最低气温(-4.6 ℃)出现在1月13日, 日最高气温(39.2 ℃)出现在8月4日, 年降水量1 695 mm, 6月19日为降水量峰值, 日降水量为141.4 mm。

2 研究方法

在研究区马尾松林坡面的上坡、中坡和下坡分别安装1个静态箱, 箱间距离约为10 m。静态箱由顶箱和底座2部分组成, 由中国科学院大气物理研究所设计和监制。顶箱规格为65 cm(长)× 65 cm(宽)× 50 cm(高), 由不锈钢板制成, 外用白色泡沫聚苯板包裹, 避免太阳辐射引起采样箱壁和箱内空气温度升高, 保证箱内恒温, 减小由于温度变化带来的误差。箱体内顶部装有2个混气风扇, 箱侧面安装有风扇电源插头、取气体样品管和铂电阻温度传感器。箱子底座用2.00 mm厚的不锈钢板制成, 上端有密封水槽, 下端为刃口。气体监测前将底座插入地下20 cm, 勿扰动底座内土壤, 以避免人为干扰, 以后不再取出, 稳定1周后进行第1次采样。

试验始于2010年1月20日, 止于2010年12月31日。通常每隔1周采集1次气体样品, 特殊天气如降水后推迟2到3天, 采样时间为上午9:00—11:00, 此时的N2O排放量接近日平均通量(Zheng et al., 2000)。

气体采集前, 往底座的水槽中注入约1/2的水, 罩上顶箱以切断箱内外的气体交换, 接通风扇电源使箱内气体混合均匀。罩箱后0, 10, 20, 30和40 min时分别用100 mL注射器抽取箱内气体60 mL, 注射进已备好的12 mL真空玻璃瓶(英国Labco生产)内。气体样品采用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析, 检测器为63Ni电子捕获检测器(ECD), ECD工作温度330 ℃, 柱箱温度55 ℃, 高纯氮气流量30 cm3·min-1, 出峰保留时间为3.5 min, 色谱柱前置柱和分析柱的长度分别为1和3 m, 内径为2 mm, 内填80~100目的Porapak Q, 柱子为不锈钢材料。

在采集气体的同时, 分别将静态箱侧面和已插入土壤中5 cm的铂电阻温度传感器接入JM624便携式数字温度计的插口, 并记录不同时刻的箱内温度和5 cm土深温度。

气体通量表示单位时间、单位面积观测箱内该气体质量的变化(g N·hm-2d-1), 正值表示气体从土壤排放到大气, 负值表示土壤吸收气体。计算公式(王跃思等, 2008)如下:

式中:M为N2O摩尔质量, 44.0 g·mol-1; V0为N2O在标准状况下的摩尔体积, 22.4 L·mol-1; P0T0为理想气体标准状态下的空气压力和气温(分别为101.325 kPa和273.15 K); H为采样箱内气室高度(m); PT为采样时箱内的大气压力和气温; dc/dt为箱内N2O浓度随时间变化的回归直线斜率(ng·μL-1h-1)。在观测期内大气压力变化较小, 因此在计算过程中把采样时箱内的大气压力认为是标准状况下的大气压力。

气体采集完毕后, 用直径5 cm的土钻在各静态箱底座外3~4 m采集3个0~20 cm表层土壤样品, 混合为1个土壤样品。将采集后的新鲜土样及时带回实验室, 捡出树根和石块等杂物, 过2 mm筛, 混匀后测定土壤含水量以及矿态氮含量。土壤含水量采用烘干称质量法测定(105 ℃, 24 h); 矿态氮含量用2 mol·L-1的KCl浸提, 振荡1 h后, 过滤, 通过Fiastar 5000流动注射分析仪测定浸提液中的铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)浓度。

使用R软件(http://www.R-Project.org)对所有数据进行统计分析, 用皮尔逊相关分析研究N2O通量与日最高气温、日最低气温、降水量、5 cm土深温度、土壤含水量和矿态氮含量的关系, 确定控制亚热带马尾松林N2O排放的最重要影响因子, 并应用多元线性回归分析方法建立马尾松林土壤N2O排放的预测模型。

3 结果与分析 3.1 N2O年通量动态

表 2可以看出, 在观测期(2010年全年)内, 马尾松林土壤N2O排放表现出明显的季节变化, 在夏季(5, 6, 7, 8月份)和秋初(9月份)较高, 秋末(10, 11月份)、冬季(12, 1, 2月份)和春季(3, 4月份)较低。随着气温升高N2O排放量逐渐增大, 因2月底气温急剧升高N2O排放量在2月27日有个小峰值, N2O排放的最低峰值(-4.25 g N·hm-2d-1)出现在1月20日, 3, 4月趋于平缓, 5月初逐渐升高, 到6月22日达到最大值(67.37 g N·hm-2d-1), 然后急剧下降, 在7月初和8月下旬分别有个小峰值, 10月开始排放量较低趋于平缓, 而12月变化较大。从总体上看, 亚热带马尾松林土壤N2O排放量是比较低的, 都在12 g N·hm-2d-1以下(除6月22日的测定值非常高之外)。在观测期内N2O排放量值大部分为正值, 负值较少且出现在冬季。观测期内N2O的平均排放量为3.89 g N·hm-2d-1, 通过插值(Bronson et al., 1993)计算出2010年总排放量为1.50 kg N·hm-2a-1

表 2 2010年马尾松林土壤N2O排放通量及环境因子的动态变化 Tab.2 Dynamics of the N2O fluxes from the Pinus massoniana woodland and environmental factors in 2010
3.2 N2O通量与环境因子的关系

表 2可见, 5cm土深温度表现出明显的季节变化, 随着气温的升高而升高, 且介于当日的日最高气温与日最低气温之间, 最高值出现在8月, 最低值出现在12月。0~20 cm土壤含水量先缓慢升高, 在4, 5月份较高, 6月22日达到最高值(37.4%), 然后缓慢下降, 8月12日达到最低值(19.3%), 随后出现不规则波动。0~20 cm土壤NH4+-N含量表现出明显的季节变化, 3—8月份的NH4+-N含量明显高于9—12月份, 在6月22日出现最高峰值(26.34 mg N·kg-1)。NH4+-N含量明显高于NO3--N含量, 但在10月23日和12月8日NO3--N含量高于NH4+-N含量。观测期内马尾松林土壤NO3--N含量处于较低水平, 最高峰值同样出现在6月22日(1.97 mg N·kg-1)。统计分析结果表明0~20 cm土壤NH4+-N含量与NO3--N含量相关关系不明显(r=0.04, P=0.828)。

马尾松林土壤N2O通量与环境因子相关分析结果如表 3所示:N2O通量与日最低气温显著正相关(α < 0.05), 与日最高气温相关关系不显著; N2O通量与采样当日降水量以及采样前2, 3天的累积降水量相关不显著, 而与前4天的累积降水量极显著相关(α < 0.01); N2O通量与5 cm土深温度和0~20 cm土壤含水量显著正相关(α=0.05); N2O通量与NH4+-N和NO3--N含量均极显著正相关(α=0.01), 土壤N2O通量与土壤NH4+-N含量的相关性(r=0.68)强于N2O通量与土壤NO3--N含量的相关性(r=0.51)。

表 3 马尾松林土壤N2O通量与环境因子的相关关系 Tab.3 Coefficients of the Pearson's correlations between the N2O fluxes from the Pinus massoniana woodland and environmental factors

由N2O通量与环境因子的多元线性回归分析得出, 对亚热带马尾松林土壤N2O排放起主导作用的环境因子是日最低气温(X1)、NH4+-N含量(X2)、NO3--N含量(X3)、前4天累积降水量的对数值(X4)和NH4+-N含量的对数值(X5), 其多元回归方程为:

式中:Y为N2O日通量加上2.8后的对数值。利用观测值建立的马尾松林N2O通量预测模型(图 1)具有良好的精度。

图 1 N2O通量观测值与预测值的关系 Fig.1 Relationship between observed and predicted N2O flux
4 结论与讨论

马尾松林土壤N2O通量呈现明显的季节变化, 在夏季和秋初排放量较高, 出现大暴雨后N2O通量急剧升高, 秋末、冬季和春季排放量较低, 甚至出现负值。齐玉春等(2002)对贡嘎山森林生态系统的研究表明土壤N2O排放也具有明显的季节变化, 但与本研究的变化趋势略有不同, 其变化动态为在夏季7—8月以及春季2—3月出现2次排放高峰。土壤中的N2O主要来源于土壤微生物的硝化和反硝化过程。马尾松林土壤在6月22日的N2O排放量较其他时段高出很多, 这可能是由于3天前的大暴雨所引起, 使得此时的土壤水分和矿态氮含量较高, 水分的增加使微生物酶活性增强(侯爱新等, 1997), 矿态氮为硝化菌和反硝化菌提供了充足的反应底物(Ullah et al., 2008), 当天的5 cm土深温度为24.7 ℃, 为微生物提供了非常适宜的温度条件(齐玉春等, 1999), 这样适宜的条件使微生物的硝化和反硝化作用能够顺利进行。本研究中马尾松林土壤N2O通量出现负值, 此时降水量较少, 处于干旱时期, 这可能是好氧硝化菌作用的结果, Rosenkranz等(2005)也报道了森林砂质有机土在通气性较好时N2O通量出现负值。

N2O通量不受当日降水量及前2天和前3天累积降水量的显著影响, 而受到前4天累积降水量极显著影响。这是因为降水在降落过程中会受到树叶的阻隔未及时落入地面, 且林地凋落物层很厚, 强降水后, 凋落物的阻挡使土壤中的水分未及时蒸发、渗透或被植物吸收, 土壤含水量达到平衡稳定的时间较长, 所以N2O排放呈现出与前4天的累积降雨量极显著相关。在不同的植被下, N2O排放可能表现出不同的规律:孙向阳等(2001)在北京西山区发现元宝枫(Acer truncatum)林土壤N2O通量与前5天内降水量呈极显著线性正相关, 但是油松(Pinus tabulaeformis)林土壤N2O通量与前5天内降水量呈非线性关系。矿态氮为硝化和反硝化反应提供底物, 直接影响土壤N2O通量, 中国东北4种典型森林的N2O通量均与NO3--N含量显著负相关, 与NH4+-N含量的关系因林型而异(王颖等, 2009)。但本试验研究得出亚热带马尾松林土壤N2O通量与土壤氨态氮含量和硝态氮含量均极显著正相关, 造成这种差异的原因可能是气候、土壤类型和植被不同等多方面综合作用的结果。

整个观测期内亚热带马尾松林N2O的日平均排放量为3.89 g N·hm-2d-1, 本试验结果与世界上同纬度同类型林地相比, 低于南亚热带鼎湖山马尾松林(3年观测期间的平均值为5.1 g N·hm-2d-1)(莫江明等, 2006)和广东省鹤山20年林龄马尾松林(2年的平均值为8.30 g N·hm-2d-1)(Liu et al., 2008)排放量, 高于广西马尾松林(平均值为1.04 g N·hm-2d-1)排放量(Wang et al., 2010)。世界上其他纬度区域森林N2O的排放量如下:亚马逊热带森林排放量为26 g N·hm-2d-1(Davidson et al., 2004)、西双版纳热带季雨林排放量为12.05 g N·hm-2d-1(Yan et al., 2008)、温带的德国欧洲云杉(Picea abies)林排放量为0.69~1.12 g N·hm-2d-1(Borken et al., 2002)。通过上述比较可以看出, 亚热带马尾松林土壤N2O排放量比热带森林低, 但比温带森林高, 这可能是不同纬度下的气候差异所致。土壤N2O通量受到诸多因素的影响, 导致N2O通量具有很大的时空变异性。取样方法的不同也会造成测定结果的明显差异。通过插值法粗略估计2010年马尾松林N2O年排放量为1.50 kg N·hm-2a-1, 此排放量可能比实际的排放量高些。从总体上看马尾松林N2O排放一直处于较低水平, 6月22日为整个观测期内的最高值, 持续下雨使得最高排放量距前1次采样间隔了17天, 无法得知这些天的具体土壤N2O排放量, 势必对年总排放量的计算造成误差。所以仍需要进行多年长期的、更高时间频率的观测来精确估算亚热带马尾松林N2O年排放量。此外, 还需着重研究亚热带马尾松林土壤N2O的主要来源, 从而提出减少N2O排放的措施。

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