張蛟蛟， 李永夫， 姜培坤， 周國模， 劉 娟

(浙江農林大學環(huán)境與資源學院， 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江臨安 311300)

施肥對板栗林土壤CH4吸收通量動態(tài)的影響

張蛟蛟， 李永夫*， 姜培坤， 周國模， 劉 娟

(浙江農林大學環(huán)境與資源學院， 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江臨安 311300)

板栗林； CH4吸收通量； 施肥； 水溶性有機碳； 微生物量碳

Keywords:Castaneamollissima; CH4uptake flux; fertilization; water-soluble organic carbon(WSOC); microbial biomass carbon(MBC)

施肥是人工林經營管理重要的手段之一，也是影響土壤CH4排放(或吸收)的重要因素之一[10]。然而，施加氮肥或氮沉降對森林土壤CH4吸收具有抑制、 促進和沒有影響三種不同的結論。如Zhang等[10]、 Fender等[11]和Kim等[12]的研究結果表明，增加氮肥或氮沉降對森林土壤具有明顯的抑制作用；Veldkamp等[13]研究發(fā)現，施加尿素對熱帶森林土壤CH4吸收有明顯的促進作用；Ambus和Robertson[14]也在溫帶加州鐵杉林的研究中發(fā)現，施加硝酸銨對土壤具有明顯的促進作用；Whalen和Reeburgh[15]研究卻發(fā)現，施加硫酸銨對溫帶針葉林土壤CH4吸收沒有顯著影響。上述研究結果之間的差異主要是由于森林類型、 土壤性質以及水熱條件等綜合作用的差異引起的[12-15]。因此，如何準確評價施肥對森林土壤CH4吸收的影響機理還比較困難，具有很大的不確定性，而且前人研究主要集中在粗放經營的人工林中，但對亞熱帶地區(qū)強度集約化經營經濟林(特別是板栗林)土壤CH4吸收相關研究尚鮮有報道。

板栗(Castaneamollissima)是我國重要的經濟林樹種，分布于全國26個省市。據報道[16]，到2005年底，我國板栗種植面積已達125萬公頃，占到世界總種植面積的38%，總產量達82.5萬噸，約占世界總產量的3/4。隨著產業(yè)化結構調整，板栗林集約化經營模式普遍開展，其中施肥是提高板栗產量的重要手段[17]，而施肥對板栗林土壤CH4通量的影響作用尚不明確。鑒于此，本試驗以亞熱帶地區(qū)集約化經營板栗林為樣地，利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定不同施肥條件下土壤CH4吸收通量的季節(jié)性變化，并同時測定了土壤溫度、 土壤水分、 WSOC和MBC等指標。旨在探明不同施肥措施對板栗林土壤CH4吸收通量的影響結果，探討施肥引起的土壤環(huán)境因子變化與土壤CH4吸收通量變化規(guī)律的相互關系，為深入研究影響土壤CH4吸收通量的機制和準確估算亞熱帶地區(qū)人工林系統(tǒng)吸收甲烷的潛力提供理論基礎與科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

板栗林土壤基本理化性質為： 有機質含量25.7 g/kg，全氮1.84 g/kg，堿解氮98.32 mg/kg，有效磷 9.86 mg/kg，速效鉀101.2 mg/kg，pH值4.64，容重1.14 g/cm3。

圖1 試驗期間月降水量和月平均溫度Fig.1 Monthly cumulative precipitation and mean air temperature during the experimental period

1.2 研究方法

2011年5月布置試驗，設4種不同施肥處理： 對照(不施肥 CK)、 無機肥(IF)、 有機肥(OF)和有機肥無機混合肥(1/2無機肥和1/2有機肥 IOF)，具體施肥量見表1。試驗用有機肥為商品有機肥(含N 3%、 P2O51.8%、 K2O2.6%、 C 35.1%)，無機肥尿素(含N 46.5%)、 過磷酸鈣(含P2O512%)、 氯化鉀(含K2O 60%)。各施肥處理中肥料用量均以等氮量計算，有機肥處理中磷、 鉀不足部分用化學肥料補充。小區(qū)面積256 m2(16 m × 16 m)，4次重復，隨機區(qū)組排列。每個試驗小區(qū)間隔距離為3 m。肥料于6月3日均勻撒施，并翻耕入土，對照小區(qū)只進行翻耕，同時進行靜態(tài)箱的布置。于2011年6月到2012年6月進行采樣，施肥后第1個月采樣2次，隨后每個月采樣一次。野外采樣時，選擇晴天或多云天氣，若遇到長時間陰雨天氣則適當推遲幾天。

表1 試驗各處理肥料用量(kg/hm2)

1.3 樣品采集及測定方法

土壤CH4通量的計算公式[22]為

土壤水溶性有機碳(WSOC)含量的測定參照Wu等[23]的方法。土壤MBC含量的測定采用氯仿熏蒸直接提取法[24]。土壤MBC含量以熏蒸和未熏蒸土樣0.5 mol/L K2SO4提取液中含碳量之差乘以

系數得到，MBC = 2.22 EC，其中EC為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液中的碳含量之差[25]。

1.4 數據處理

本文中所有數據均為4次重復的平均值。用Microsoft Excel 2003、 Origin 8.0和SPSS 13.0軟件進行數據分析與作圖，進行隨機區(qū)組單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用新復極差法(DMRT)進行多重比較(P< 0.05)，用Pearson相關分析法分析CH4吸收通量和土壤溫度及水分、 WSOC、 MBC之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤理化性質的影響

由表2可知，施肥一年后，土壤pH值沒有顯著變化；施有機氮肥可以顯著增加土壤堿解氮、 全氮、 有機質含量(P< 0.05)。此外，施無機氮肥對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量有明顯的提高(P< 0.05)。

表2 不同施肥處理對土壤基本理化性質的影響

2.2大氣月平均溫度、降雨量、土壤溫度及含水量的年動態(tài)變化特征

2.3土壤CH4吸收通量、水溶性有機碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)年動態(tài)變化特征

圖2 土壤溫度(5 cm土層)和土壤含水量(0—20 cm)的年動態(tài)變化Fig.2 Season variations in soil temperature at 5 cm depth and soil moisture content of the 0-20 cm depth

圖3 板栗林土壤CH4吸收通量(A)、 水溶性有機碳(B)和微生物量碳(C)含量的季節(jié)變化規(guī)律Fig.3 Seasonal variations in soil CH4 uptake rates(A), WSOC(B) and MBC(C) concentrations in Chinese chestnut stands

圖4 不同施肥處理對板栗林土壤CH4年累積吸收量的影響Fig.4 Effect of different fertilizer treatments on soilCH4 annual cumulative uptake in Chinese chestnut stands[注(Note)： 柱上不同字母表示處理間差異達5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

2.4土壤CH4吸收通量與土壤溫度、土壤含水量、WSOC和MBC含量的相關性

土壤CH4吸收通量與各環(huán)境因子的相關關系(表3)顯示， 土壤CH4吸收通量與5 cm土層土壤溫度之間具有顯著的相關性(P< 0.05)，隨著溫度的升高土壤CH4吸收通量具有明顯的增加趨勢(圖2A和圖3A)；土壤CH4吸收通量與WSOC含量之間在施肥條件下具有顯著的相關性，而不施肥條件下兩者沒有明顯的相關性；然而，在不同處理條件下，土壤CH4吸收通量與土壤含水量及MBC含量之間均沒有明顯的相關性。

表3 土壤CH4吸收通量與土壤5 cm溫度、 含水量、 WSOC和MBC含量的相關系數(r)(n = 13)

注(Note)： * —P< 0.05

3 討論

3.1板栗林地土壤CH4吸收通量的季節(jié)變化特征

3.2 板栗林地土壤CH4的吸收量

3.3 施肥對板栗林土壤CH4吸收通量的影響

3.4土壤環(huán)境因子對板栗林土壤CH4吸收的影響

土壤溫度和土壤水分是影響土壤氧化吸收大氣CH4的重要環(huán)境因子[6-7]。一般認為，森林土壤CH4吸收通量與土壤溫度之間呈現明顯的正相關，與土壤水分之間呈負相關[5, 7, 27-28]。這主要是因為森林土壤中大部分甲烷氧化菌屬于中溫型菌[22]，溫度可以通過影響甲烷氧化酶的活性來影響土壤CH4氧化速率，過高或過低都會抑制CH4氧化，但當溫度小于最適溫度值時，CH4氧化速率會隨著溫度的升高而加快，并且這個最適值隨著緯度的降低而升高[7]。土壤水分(濕度)主要是通過影響土壤通氣性來改變土壤與大氣中O2和CH4的傳輸擴散率，而且土壤濕度一定程度上也能影響甲烷氧化菌的活性，進而影響土壤CH4的氧化速率[40]，同時，CH4氧化速率隨著厭氧程度的增加而減弱[37]。然而，本研究卻發(fā)現，板栗林土壤CH4吸收通量與土壤溫度之間具有明顯的正相關性(P< 0.05)，但與土壤水分之間沒有明顯的相關性(表3)。陳匆瓊等[3]在亞熱帶地區(qū)也發(fā)現土壤CH4吸收隨著土壤溫度增加和水分增加分別呈現一定的增加和減弱趨勢，但都沒有明顯的相關性。這一差異可能是因為在亞熱帶林地進行試驗時，溫度和水分不是單獨影響CH4的吸收通量，而是兩者或多種因素共同影響[3, 7]。

表4 典型森林土壤CH4吸收通量對施氮的響應

土壤水溶性有機碳(WSOC)和微生物量碳(MBC)是土壤活性有機碳的重要指標[3, 7]。大量研究表明，森林土壤CH4吸收通量與WSOC含量之間沒有明顯的相關性[27, 40-41]，本研究中板栗林在對照處理下也得到了相似的結論(表2)。然而，在施肥處理條件下，土壤CH4吸收通量卻與WSOC含量呈現顯著的正相關(P< 0.05)。這可能是因為施肥改變了土壤WSOC含量(圖3B)，進而影響了兩者之間的關系。本研究中，板栗林土壤CH4吸收通量與MBC含量之間沒有明顯的相關性，這與前人在南亞熱帶[28]和溫帶[40]森林中的研究結果一致。這可能是因為土壤微生物量碳雖是土壤微生物生長的重要指標，但并不是土壤甲烷氧化菌的唯一限制因子[40]。

4 結論

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EffectsoffertilizationonseasonalvariationsofsoilCH4uptakefluxesinChinesechestnutstands

ZHANG Jiao-jiao, LI Yong-fu*, JIANG Pei-kun, ZHOU Guo-mo, LIU Juan

(SchoolofEnvironmental&ResourceSciences,ZhejiangA&FUniversity/ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestration/TheNurturingStationfortheStateKeyLaboratoryofSubtropicalSilviculture,Lin’an,Zhejiang311300,China)

2013-04-06接受日期2013-04-27

浙江省科技廳重點項目(2011C12019)；國家自然科學基金項目(31170576)；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目(2010R50030)資助。

張蛟蛟(1987—)， 男， 陜西渭南人， 碩士研究生， 主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排研究。E-mail: zhangjiaojiaozafu@163.com * 通信作者 Tel: 0571-63740889, E-mail: yongfuli@zafu.edu.cn

S753.53；153.6+2

A

1008-505X(2013)06-1428-10