林业科学  2013, Vol. 49 Issue (3): 152-158   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130321
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文章信息

苏王娟, 李勇, 石辉, 付晓青, 沈健林
Su Wangjuan, Li Yong, Shi Hui, Fu Xiaoqing, Shen Jianlin
温度和水分对长沙市丘陵马尾松林红壤N2O排放的影响 ——一个室内培养试验
Impacts of Temperature and Moisture on Nitrous Oxide Emissions from a Pinus Massoniana Woodland Soil in a Hilly Red Soil Region in Changsha: a Laboratory Incubation Study
林业科学, 2013, 49(3): 152-158
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(3): 152-158.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130321

文章历史

收稿日期:2012-03-07
修回日期:2012-06-14

作者相关文章

苏王娟
李勇
石辉
付晓青
沈健林

温度和水分对长沙市丘陵马尾松林红壤N2O排放的影响 ——一个室内培养试验
苏王娟1, 2, 李勇1, 石辉2, 付晓青1, 沈健林1    
1. 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;
2. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院 西安 710055
关键词N2O排放量    温度    水分    马尾松林土壤    室内培养    
Impacts of Temperature and Moisture on Nitrous Oxide Emissions from a Pinus Massoniana Woodland Soil in a Hilly Red Soil Region in Changsha: a Laboratory Incubation Study
Su Wangjuan1, 2, Li Yong1, Shi Hui2, Fu Xiaoqing1, Shen Jianlin1    
1. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences Changsha 410125;
2. College of Environment and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology Xi’an 710055
Abstract: A laboratory incubation experiment was conducted to investigate nitrous oxide (N2O) emissions in the soil, which was sampled from a red soil of a Pinus massoniana forest in a typical hilly red soil region in subtropical central China, and to study impacts of the soil temperature and moisture on N2O emissions. The experiment was designed with two environmental factors (temperature and moisture) and 4-5 levels of factors. The results showed that at temperatures of 15, 25 and 30℃ and at soil moistures of WFPS=40%-60% for 15 days the N2O emissions all displayed a similar trend with a low rate at first, rapid increase during the middle period and no emission in the end. The cumulative N2O fluxes of the treatments for a period of 15 days were up to 242.85 mg N ·kg-1. Both the nitrification and denitrification processes were inhibited at 5℃, as a result, the average value of the cumulative N2O fluxes was just 0.55 mg N ·kg-1. At WFPS=20%-30%, the cumulative N2O fluxes for 15 days were very low, ranging from 1.92 to 2.72 mg N ·kg-1. The average cumulative N2O fluxes increased with the increases of soil temperature and moisture, especially when WFPS was greater than 40%. A N2O emission prediction model was established and the model parameters were determined by the nonlinear optimization estimation. The optimization results suggested that the Q10 of N2O emissions for soil nitrification and denitrification processes was 1.15 and 3.0, respectively; the optimal soil moisture for nitrification-induced N2O emissions was at WFPS=56%; and the soil WFPS exponential response coefficient for N2O emissions from soil denitrification was 8.8.
Key words: N2O emissions    temperature    moisture    Pinus massoniana woodland soil    laboratory incubation    

气候变暖是当今人类面临最重要的环境问题之一,导致气候变暖的主要原因是大气中温室气体浓度不断增加。氧化亚氮(N2O)是仅次于CO2和CH4的第三大温室气体,以100 年计,单位质量N2O 增温效应是CO2的298 倍。N2O 在大气中停留时间长,不仅引发温室效应,而且能参与大气中许多光化学反应,破坏大气臭氧层,给人类健康和生态环境造成危害(IPCC,2007)。土壤是N2O 最重要的排放源,全球有近60% 的N2O 来自于土壤排放(Mosier et al., 1998),其中土壤中产生的N2O 有65% 来源于陆地生态系统(Inubushi et al., 1996)。土壤微生物的硝化和反硝化作用是土壤N2O 产生的重要途径(Firestone et al., 1989)。已有研究认为硝化作用是NH4+在氧化过程中通过NH4OH 的不稳定而分解或NO2-自身的分解产生N2O(Stevens et al., 1997;Wrage et al., 2001)。而反硝化作用是在厌氧条件下,由土壤反硝化微生物将NO3-还原成NO 或N2O或N2(Smith et al., 2003)。

土壤温度和水分条件是影响微生物硝化和反硝化作用的重要环境因素。周才平等(2001)对落叶阔叶林土壤的室内土柱试验发现,在5 ~ 25℃ 范围内,硝化速率与温度和湿度呈正相关,同时温度和湿度对土壤硝化过程有明显的交互作用。不同的温度和水分条件对土壤N2O 的排放有着不同程度的影响。Bateman等(2005)研究了不同水分条件下硝化和反硝化作用对土壤N2O 排放的贡献; 韩建刚等(2004)通过室内试验研究了我国西北地区的典型耕种土壤中N2O 在不同水热条件下的释放特征,认为土壤硝化和反硝化过程中N2O 释放的表观化学反应速率常数和对应的活化能大小决定了土壤中N2O 的释放量及难易程度。森林作为陆地生态系统的主体,在全球氮循环中占据重要的地位,目前关于温度和水分等因素影响土壤N2O 排放的研究多集中在农田土壤(Song et al., 2009;Laville et al., 2011),而对林地土壤特别是亚热带地区的研究并不多见。马尾松(Pinus massoniana)是我国亚热带地区的典型针叶树种,主要分布在南方15 个省区(葛晓改等,2012)。本文通过室内培养试验,研究了土壤温度和水分条件对亚热带典型丘陵坡地马尾松林红壤N2O 排放的影响,旨在验证田间原位试验结果(苏王娟等,2012)的合理性,同时为该地区土壤N2O 排放的准确评估、预测和减排措施的研究提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地选择在中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站,位于湖南省长沙县金井镇湘丰茶厂飞跃基地(113°19'58″ E,2 8°32'50″ N),海拔52 ~ 445 m。该地区属于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 月降水量占全年的70%。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)。

1.2 供试土壤

供试土壤采自上述研究站,于2011 年9 月2 日采用多点混合取样法采集典型丘陵坡地马尾松林0 ~ 20 cm 的表层土壤,该土壤为花岗岩风化物母质发育的酸性红壤。将土壤样品带回室内自然风干,剔除其中的石块、树根等杂物,过2 mm筛,经充分混匀后备用。其土壤基本理化性质为: 有机碳15. 31 g C·kg-1,全氮0. 58 g N·kg-1,全磷0. 21 g P·kg-1,NH4+ -N 3. 12 mg·kg-1,NO3- -N0. 88 mg·kg-1,pH 值4. 37,密度1. 39 g·cm-3,黏粒含量25%,饱和体积含水量47. 0%。

1.3 试验设计及方法

试验设4 个温度水平: 5,15,25,30℃; 5 个水分含量水平: WFPS = 20%,WFPS = 30%,WFPS = 40%,WFPS = 50%和WFPS =60%。采用双因素、多水平的正交试验设计组合,每个组合设3 次重复。WFPS 为土壤充水孔隙度,是指土壤体积含水量与总孔隙度的百分比。具体步骤为: 称取100 g 过2 mm 筛的风干土样60 份,分别装入容积为75 mL、深度为3. 29 cm 的铝盒中,根据称取的土样质量和已知土样密度计算出土样在铝盒中的体积,将土壤样品均匀压实至计算的体积处,这样便使其密度达到1. 39 g·cm-3。根据所需的水分条件和加氮量(20 mg N·kg-1 干土)配制出一系列的NH4NO3溶液,往铝盒中的土壤样品表面逐滴均匀加入上述溶液,使土壤水分含量分别达到20% WFPS,30% WFPS,40% WFPS,50% WFPS和60% WFPS。然后将每个铝盒分别装进1 L 的培养瓶中,立即用带橡皮塞(以抽取气体样品)的盖子将其密封,放入到预先设定好温度分别为5,15,25,30℃ 的4 个大型恒温培养箱中培养15 天。同时,在每个温度水平设1 个空白处理(铝盒中无土无水)作为对照,作用是去除空气中原本存在的N2O 的影响,这样每个温度水平有6 个处理。培养结束后,立即测定土壤样品中矿态氮含量。

采集气体时,用注射器通过橡皮塞抽取30 mL气体,注入到已备好的12 mL 真空玻璃瓶中。培养期间共取样10 次,分别培养1,2,3,4,5,7,9,11,13和15 天。每次采样后,揭开瓶盖约10 min,让瓶内气体与外面大气充分交换,然后重新密封培养。因揭盖时间较短,土壤水分散失量相当小,认为在本试验过程中水分条件是基本稳定的,因而未对各处理进行水分控制。

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3.5min,色谱柱前置柱和分析柱的长度分别为1 m和3 m,内径为2 mm,内填80 ~ 100 目Porapak Q,填充柱为不锈钢材料。土壤样品用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)的浓度。

1.4 数据处理

N2O 排放量是通过每次采样测定各处理的N2O 浓度与对应组的空白处理的差值,计算得出2 次采样间隔内土壤N2O 的排放量。培养15 天结束后的累积排放量为10 次测定值与采样间隔时间乘积的总和值。所有数据均采用Excel 2003办公软件进行初步的计算处理,并运用SPSS 17. 0软件完成数据统计分析,采用两因子方差分析温度和水分对培养15 天后土壤N2O 累积排放量的影响程度,运用非线性参数优化估计温度系数和水分系数,并拟合得出测定和预测的培养15 天N2O 累积排放量的关系。

2 结果与讨论 2.1 培养期间土壤N2O 日排放变化

图 1 分别为在温度5,15,25和30℃ 时不同水分含量条件下各处理土壤样品N2O 的日排放量变化情况。温度主要通过影响土壤微生物的生长及其酶的活性,从而影响土壤N2O 的排放量(Lang et al., 2011)。由图 1可见,在5℃时,N2O 排放量几乎为零,变化范围为0. 01 ~ 0. 09 mg N·kg-1 d-1 ; 随着温度的升高,N2O排放量明显增加。田间原位试验测定得出N2O 排放表现出明显的季节变化(苏王娟等,2012),这正解释了N2O 排放与气温密切相关。据研究发现,硝化微生物活动的适宜温度为15 ~ 35℃,小于5℃或大于40℃都抑制硝化反应的进行,而反硝化反应可以在较宽的温度范围(5 ~ 75℃)内进行(齐玉春等,1999; 郑循华等,1997)。说明在本试验中,5℃严重抑制了土壤中微生物的硝化和反硝化作用,致使N2O 排放量接近于零。田间原位测定N2O 在冬季排放量很低主要是由土壤中微生物的硝化和反硝化作用受到抑制所致。

图1 在5,15,25,30℃ 下不同水分含量的土壤N2O 日排放量 Fig.1 Dynamics of N2 O fluxes under different soil moisture treatments at 5, 15, 25 and 30℃

土壤水分主要是通过影响土壤通气状况、土壤的氧化还原状况和土壤中微生物的活性来影响N2O的产生与排放。图 1 显示,不同水分含量对N2O 排放影响的差异较明显,当WFPS 从20% 增加到60%时,N2O 排放量明显增加。同时,在温度为15,25,30℃ 水平时,随着培养时间的延长,水分含量为40% WFPS,50% WFPS和60% WFPS 的处理中土壤N2O 的排放量变化,都经历了缓慢增加、快速增加、逐步回落、稳定阶段。缓慢增加阶段主要是硝化细菌和反硝化细菌数量的生长阶段,在这个阶段N2O排放量较低,土壤中矿态氮的逐渐消耗导致稳定阶段的发生(王彩绒等,2001)。温度能激发硝化和反硝化细菌的活性,加速其生长速度,随着温度的升高(15 ~ 30℃),N2O 排放量的缓慢增加阶段明显缩短。韩建刚等(2004)对农田土壤的研究结果也得出了类似的结果。当WFPS = 20% ~ 30% 时(除了5℃处理),土壤N2O 排放量很低,并随着培养时间的延长,N2O 排放量呈下降的趋势,且温度越高这种趋势越明显。在这些处理中土壤水分含量较低,不足以提供反硝化菌生存所需的厌氧环境,此时的N2O应被认为是硝化作用产生的。引起此结果产生的原因可能是,在培养过程中水分含量处于较低水平,且温度越高水分散失越明显。在温度= 30℃和WFPS= 60% 的处理中,N2O 排放量达到稳定后,在培养13天时出现了下降趋势,这可能是因为较高水分含量不仅为反硝化菌提供了厌氧环境,而且使已由反硝化作用产生的N2O 进一步向外扩散受到限制,增加了它在土壤中的滞留时间,以至最后被进一步还原为N2,使得土壤中N2O 的释放速率相对降低。

培养开始时各处理土壤中的铵态氮和硝态氮含量分别为12. 0,16. 6 mg N·kg-1,培养结束后土壤的矿态氮含量如图 2 所示。当温度= 5℃ 或WFPS =20% 时土壤的铵态氮和硝态氮没有太大变化,而在其他处理中培养结束后土壤铵态氮有所升高、硝态氮略有下降。各处理中土壤的矿态氮已满足培养过程中硝化反应和反硝化反应的需求,说明在该试验中硝化反应和反硝化反应基本没有受到反应底物浓度的限制。

图2 培养15 天后土壤矿态氮含量 Fig.2 Soil mineral N contents after incubation for 15 days under different treatments
2.2 土壤N2O累积排放差异特征

表 1 为各处理土壤样品在培养15 天结束后N2O 的累积排放量。随着土壤温度升高,N2O 累积排放量逐渐升高。5,15,25和30℃ 时N2O 的平均累积排放量分别为0. 55,18. 69,46. 07和74. 66 mg N·kg-1。在5℃时,各个水分含量处理的土样N2O 累积排放量很低,几乎不排放,排放量为0. 43 ~ 0. 77 mg N·kg-1。当温度较低时,氨氧化细菌几乎处于不活动状态,其对周围环境中N2O 的影响也处于较低水平(刘晔等,1997)。在其他温度水平(除5℃),当WFPS =20% ~ 30% 时,土壤N2O 累积排放量处于较低水平,且变化不大,它们的变化范围为1. 92 ~ 2. 72 mgN·kg-1 ; 而当WFPS = 40% ~ 60% 时,土壤N2O 的排放量变高,最高可达242. 85 mg N·kg-1,且随着水分含量的增加,N2O 的累积排放量明显增多。水是许多生物学过程必需的重要成分,水分对土壤硝化和反硝化作用的影响与O2密切相关。土壤水分含量主要是通过影响土壤通气状况,并进一步影响到O2的有效性,从而影响到土壤中N2O 的排放。Ciarlo等(2007)的研究表明: N2O 排放随着土壤含水量的增加而增加,不过当土壤含水量达到饱和并持续时间较长时,N2O 排放量则下降。本试验的因子水平是根据野外林地原地箱式观测数据(苏王娟等,2012)设计,其最高水分含量为60% WFPS,未达到该土壤的饱和含水量。田间原位观测结果也显示N2O 排放量与温度和水分呈显著正相关(苏王娟等,2012),与本次试验结果相一致。同时,这也解释了遇到降水后N2O 排放量迅速增加的原因,即降水后土壤中水分含量增加。

表1 各处理土壤在培养15 天后N2O 的累积排放量 Tab.1 Cumulative N2O fluxes from each treatment during 15 d incubation
2.3 土壤温度、水分对硝化和反硝化反应N2O 排 放的影响

土壤温度、水分是相互联系相互制约或促进的,它们对总硝化速率的影响存在交互作用(刘义等,2006),因此它们对N2O 的影响是综合起作用的,当某一因素成为限制因子时对N2O 的排放量影响会达到最大(衣纯真等,1993)。方差分析表明: 在整个培养期间温度、水分、温度×水分对土壤N2O 累积排放量有明显的影响作用,F 值分别为1 045,1826和425,均达到极显著程度(P < 0. 01)。

温度对N2O 排放的影响可用温度系数(Q10)来定量描述(王改玲等,2010),Q10指温度每增加10℃时N2O 累积排放量增加的倍数。经过计算,在土壤水分含量为20% WFPS,30% WFPS,40% WFPS,50% WFPS和60% WFPS 时N2O 排放量的Q10分别为1. 19,0. 83,1. 39,2. 73和2. 52,说明在WFPS =20% ~ 40%和WFPS = 50% ~ 60% 时,存在着2 个不同阶段的土壤生物化学反应。土壤水分含量对N2O 排放的影响可以用一个水分系数(fWFPS_denit,见方程8)来定量描述。经过计算,温度为5,15,25,30℃时N2O 排放的土壤WFPS 的指数响应系数分别为2. 26,8. 28,8. 31,8. 37,说明在5℃和15 ~ 30℃时,土壤生物化学反应对土壤水分的响应明显不同。

经上述分析可以得出,在5℃时,N2O 累积排放量很低,平均累积排放量为0. 55 mg N·kg-1,可认为此时几乎无反应发生; Goodroad 等(1984)的研究表明: 反硝化反应发生时,N2O 的排放量会呈指数增加,而本试验中当WFPS≥50% 时,N2O 累积排放量亦呈指数增长,应视为反硝化反应已经启动,可以认为在该类土壤水分条件下N2O 是由硝化反应和反硝化反应共同作用产生的。在1 年的田间原位观测中,N2O 排放量的最高值出现在温度适宜且强降水后(苏王娟等,2012),此时的外界条件尤其是土壤含水量非常适宜已达到反硝化反应的启动点,产生的N2O 是由土壤中微生物硝化和反硝化反应共同作用的结果。因此,各处理土壤在培养15 天结束后的N2O 累积排放量可以表示为:

如果温度低于5℃, N2O=0.55(无反应), (1)
如果WFPS<50%, N2O=pN2Onit×fT_nit×fWFPS_nit(硝化反应), (2)
如果WFPS≥50%,N2O = pN2Onit ×fT_nit×fWFPS_nit(硝化反应)+pN2Odenit×fT_denit×fWFPS_denit(反硝化反应), (3)
式中: N2O 为各处理培养15 天结束后的N2O 累积排放量(mg N·kg-1); pN2Onit,pN2Odenit分别为硝化反应和反硝化反应的理想N2O 排放量(mg N·kg-1); fT_nit,fT_denit,fWFPS_nit,fWFPS_denit分别为温度、水分对硝化反应、反硝化反应N2O 排放的系数。其中:
$${{\rm{f}}_{{\rm{T\_nit}}}}{\rm{ = }}{{\rm{Q}}_{{\rm{10\_nit}}}}{{T - 20} \over {10}},$$ (4)
$${{\rm{f}}_{{\rm{WFPS\_nit}}}}{\rm{ = }}{1 \over {{\rm{1 + exp[}} - p \times {{{\rm{log( 0}}.99) - \log (0.11)} \over {B - A}} \times (WFPS - {{A + B} \over 2}}}(WFPS < B),$$ (5)
$${{\rm{f}}_{{\rm{WFPS\_nit}}}}{\rm{ = }}{1 \over {{\rm{1 + exp[}} - p \times {{{\rm{log( 0}}.99) - \log (0.11)} \over {B - C}} \times (WFPS - {{B + C} \over 2}}}(WFPS \ge B),$$ (6)
$${{\rm{f}}_{{\rm{T\_denit}}}}{\rm{ = }}{{\rm{Q}}_{{\rm{10\_denit}}}}{{T - 20} \over {10}},$$ (7)
$${{\rm{f}}_{{\rm{WFPS\_denit}}}}{\rm{ = exp(co}}{{\rm{e}}_{{\rm{WFPS}}}} \times WFPS,$$ (8)
式中:P, A, BC为方程参数,需要由非线性拟合得到。

经过非线性参数优化估计,可以得到: pN2Onit= 12.08 mg N·kg-1,即在温度=20℃和WFPS =56% 时的硝化反应的理想N2O 排放量; pN2Odenit =0. 39 mg N·kg-1,即在温度= 20℃和WFPS = 0% 时的反硝化反应的理想N2O 排放量; Q10_nit=1.15,即硝化反应N2O 排放的Q10系数,Q10_denit=3.0,即反硝化反应N2O 排放的Q10系数,两者的差异表明反硝化反应的N2O排放对温度的响应要比相应的硝化反应的高; coeWFPS=8.8,即反硝化反应N2O 排放的土壤WFPS 的指数响应系数;P=3.5,A=10%,B=56%,即硝化反应N2O 排放的最佳土壤水分含量为WFPS= 56%,C=90%。观测和拟合的N2O累积排放量如图 3 所示,几乎是1∶1的关系。在公式1~3中,本研究并没有考虑反应底物(铵态氮和硝态氮)浓度对土壤N2O 排放量的影响,图 3 所示的较好拟合结果表明,在本试验中底物浓度还不是硝化和反硝化反应的限制因素。

图3 测定和预测的15 天培养N2O累积排放量的关系 Fig.3 Relationship between observed and predicted cumulative N2O fluxes of incubation for 15 days
3 结论

在培养温度为5℃ 时,不同水分含量处理的土壤硝化和反硝化反应受到严重抑制,几乎不产生N2O,培养15 天的N2O 累积排放量仅为0. 43 ~ 0. 77mg N·kg-1。随着培养温度的增加,N2O 的平均累积排放量明显增加; 随着土壤水分含量的升高,N2O的平均累积排放量也呈现上升趋势。在温度为15,25,30℃水平下,当WFPS = 20% ~ 30% 时,土壤N2O 的排放量处于较低水平(1. 92 ~ 2. 72mg N·kg-1); 而在WFPS = 40% ~ 60% 时,土壤N2O的排放量随着培养时间的延长先缓慢增加,而后快速增加,然后逐步回落,最后趋于稳定,且N2O 累积排放量较高,最高可达242. 85 mg N·kg-1。经非线性参数优化估计得出,WFPS = 56% 为土壤硝化反应N2O 排放的理想最佳土壤含水量,其在20℃时对应的N2O 排放量为12. 08 mg N·kg-1 ; 供试土壤的硝化反应和反硝化反应排放N2O 的温度响应系数Q10值分别为1. 15和3. 0; 反硝化反应N2O 排放的土壤WFPS 的指数响应系数coeWFPS为8.8。

总之,不同条件的土壤温度和土壤水分对亚热带典型丘陵坡地马尾松林土壤N2O 的排放产生不同程度的影响。本文是在田间原位测定条件下研究N2O 的排放动态的基础上,研究室内培养试验条件下温度和水分对土壤N2O 的排放的影响,目的是确定不同环境条件下土壤中N2O 的产生途径及其变化规律,为今后深入进行该土壤N2O 排放机制研究提供基础数据,从而为未来寻求减少N2O 排放的对策与措施提供科学依据。

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