孫文浩，楊世偉，高曉東2，，李陸生，凌 強，李虹辰

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌712100；3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤CO2,N2O通量特征

孫文浩1，楊世偉3，高曉東2，3，李陸生1，凌 強1，李虹辰1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌712100；3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

以黃土丘陵區(qū)園則溝小流域農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林3種土地利用類型為單元，采用靜態(tài)箱—氣象色譜法對生長季土壤CO2，N2O兩種溫室氣體進行定位監(jiān)測，研究退耕還林（草）工程實施后不同土地利用類型土壤CO2，N2O排放通量特征。結(jié)果表明：生長季農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林土壤CO2排放通量均值分別為300.39，273.31，173.80 mg/（m2·h），季節(jié)變化均呈單峰型；農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林 N2O通量均值分別為7.08，9.26，0.52μg/（m2·h），土地利用類型未明顯改變N2O通量的季節(jié)特征，各處理均于6—7月出現(xiàn)較大值，其他時期均較低或出現(xiàn)負排放并呈現(xiàn)較為復(fù)雜的源匯特征。土壤10 cm溫度與土壤CO2，N2O相關(guān)關(guān)系高于土壤水分，而3種土地利用類型下N2O通量與土壤水分均不相關(guān)，二元線性回歸結(jié)果顯示水熱雙因子解釋了54%～78%的土壤CO2通量變異。綜合分析表明黃土丘陵區(qū)退耕還草后土壤CO2未有顯著變化，土壤N2O則隨土壤基質(zhì)條件的改善呈現(xiàn)上升趨勢（p＜0.01）；坡耕地改為經(jīng)濟林后土壤CO2，N2O通量均有一定程度減少（42.1%～92.7%），且更容易出現(xiàn)N2O的負排放。

土壤；CO2；N2O；溫室氣體；退耕還林（草）；土地利用變化

氣候變暖是當今世界面臨的重大全球性問題，大氣中溫室氣體濃度的持續(xù)增長是其主要原因[1-3]。大氣中CO2濃度水平自工業(yè)革命以來已經(jīng)增長了超過40%；大氣中N2O濃度雖然僅為CO2的1%，但因綜合增溫潛勢高于CO2297倍[1]，其溫室效應(yīng)也十分顯著。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最主要的碳庫和氮庫，是決定大氣中溫室氣體濃度變化的重要源匯，因此輕微的擾動也會引起兩種溫室氣體排量巨大的不確定性[4-5]。IPCC報告指出，土地利用變化是導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度變化的主要因素之一[1]，土地利用變化會對土壤溫室氣體排放特征產(chǎn)生巨大影響[5-6]，從而影響溫室氣體排放量估算的準確性，影響全球氣候變化預(yù)測和減排政策的制定。

國家實施退耕還林（草）工程以來黃土丘陵區(qū)土地利用方式發(fā)生了巨大變化，大量低產(chǎn)低效坡耕地轉(zhuǎn)化為撂荒草地、經(jīng)濟林、生態(tài)林[7]。特別是紅棗作為一種優(yōu)良的經(jīng)濟樹種在黃土丘陵區(qū)大面積推廣種植，2010年陜西榆林地區(qū)種植面積已達6.67萬hm2，成為當?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一[8]。土地利用方式差異顯著影響了該地區(qū)水熱狀況[7，9-10]，進而改變CO2和N2O等溫室氣體的排放特征[5，9]。李紅生等[10]以黃土高原側(cè)柏、檸條、沙棘和油松人工植物群落為對象，發(fā)現(xiàn)不同植被類型間土壤CO2通量、水熱因子及其之間的關(guān)系均存在顯著差異，并且具有明顯的季節(jié)變化。高亞琴等[11]以農(nóng)田為對照，對隴中黃土高原不同種植年限苜蓿草地土壤CO2，N2O通量進行研究，發(fā)現(xiàn)退耕后兩種溫室氣體排放通量隨土壤碳、氮含量的增加而呈現(xiàn)不同程度的升高趨勢。齊麗彬等[12]對黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)5種土地利用類型進行研究，發(fā)現(xiàn)生長季前期不同土地類型間土壤CO2通量出現(xiàn)了與植物生長相關(guān)的顯著差異，退耕后草地和沙棘地土壤CO2通量的升高和降低分別與植被因素和土壤基質(zhì)條件有關(guān)。周小剛等[9]在黃土高原溝壑區(qū)相鄰農(nóng)田和草地開展試驗，發(fā)現(xiàn)水熱因素變化是兩生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放通量間出現(xiàn)顯著差異的主要原因。但是，以上研究主要針對農(nóng)地和退耕灌草地或生態(tài)林，而針對農(nóng)地和退耕經(jīng)濟林土壤溫室氣體排放特征的研究鮮有報道，特別是將農(nóng)地、退耕草地和退耕經(jīng)濟林對比分析的研究較為缺乏；而且，對CO2和N2O同時考慮的研究相對不足。

因此，本研究選擇黃土丘陵區(qū)典型小流域農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林三種典型土地利用類型，對其生長季土壤CO2，N2O排放通量及土壤水熱因子進行連續(xù)監(jiān)測，研究不同土地類型下兩種主要溫室氣體排放通量動態(tài)特征及其與水熱因子之間的關(guān)系，以期為該區(qū)土壤溫室氣體排放估算和退耕還林（草）工程環(huán)境效應(yīng)評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然環(huán)境概況

研究區(qū)位于榆林市清澗縣園則溝小流域（37°15′N，118°18′E），地處黃土高原中部偏北，該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度8.6℃，月均溫度極值分別出現(xiàn)在于1月和7月，分別為-6.5℃和22.8℃；年平均降水量505 mm，但年內(nèi)分布不均，70%集中在7—9月份。小流域面積0.58 km2，流域內(nèi)海拔876～1 082 m，相對高差超過200 m，為典型黃土丘陵溝壑地形。流域內(nèi)土壤類型主要為黃綿土，屬于砂壤土或粉壤土，具有較強的入滲能力，田間持水量和凋萎濕度分別為25%和7%（體積含水量）；土壤肥力較差，土壤有機碳和全量養(yǎng)分含量較低，0—20 cm土壤基本物理性質(zhì)以及養(yǎng)分含量見表1。坡耕地曾為小流域內(nèi)主要的土地利用類型，目前除小部分農(nóng)地被保留外，流域內(nèi)多數(shù)坡耕地已改為旱作紅棗林和撂荒草地，目前撂荒草地休耕年限為6～20 a，主要植物有鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）和狗尾草（Setairaviridis Beauv）等，地表具有明顯生物結(jié)皮；紅棗林種植年限6～15 a，種植密度為1 650株/hm2，每年年初施少量農(nóng)家肥及尿素0.2～0.3 kg/株，定期人工除草；農(nóng)地耕種年限在30 a以上，耕作制度一年一熟，主要作物包括谷子（Setaria Italica）、玉米（Zea mays）、綠豆（Vigna radiata）和馬鈴薯（Solanum tuberosum）等，化肥施用量較小或不施肥。

表1 不同土地利用類型土壤基本物理性質(zhì)與養(yǎng)分含量

1.2 研究方法

選擇流域內(nèi)典型坡耕地、9齡旱作紅棗林、休耕10 a撂荒草地為研究單元，布設(shè)溫室氣體采樣點，每種土地利用類型3次重復(fù)。采樣點均選在坡面中部、立地條件相對一致的位置并沿坡向排列，兩采樣點間相距6 m，其中坡耕地采樣點布設(shè)于作物行間，紅棗林采樣點設(shè)于相鄰兩樹連線中點處。氣體通量測量采用靜態(tài)箱—氣相色譜法，具體采樣器材及方法參考美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究組織（USDA-ARS）GRACEnet項目協(xié)議文件[13]，以確保采樣結(jié)果的精確度及可比性。靜態(tài)箱基座于2013年8月插入地下5 cm并盡量避免對表層土壤的擾動，在整個試驗期間不進行移動。2014年3—10月間每月至少進行一次氣體采樣，選擇晴朗無風(fēng)天作為采樣日，于上午9：00—11：00內(nèi)完成采樣，已有研究[14]顯示此時段內(nèi)的氣體通量觀測值可近似代表日均值。靜態(tài)箱采用不透明聚乙烯材料制作（直徑30 cm×高10 cm），采樣時罩于基座上并用彈性橡膠帶密封接縫。罩箱后于0，10，20，30 min在箱頂取樣口用真空玻璃瓶采集箱內(nèi)氣體樣品10 ml，采樣同時用溫度計記錄箱內(nèi)氣溫，用地溫記和便攜式時域反射儀（TDR）測量采樣點附近10 cm土層溫度、水分。氣體樣品于2日內(nèi)送實驗室并用Aglient-7890高效氣相色譜儀檢測CO2，N2O濃度。氣體排放通量用以下公式計算：

式中：F為CO2排放通量[mg/（m2·h）]和N2O排放通量[μg/（m2·h）]；ρ為標況下目標氣體的密度（kg/m3）；h為采樣箱內(nèi)氣室高度（m）；dC/dt為采樣箱內(nèi)目標氣體濃度變化率；T為采樣時箱內(nèi)溫度（℃）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理由SPSS 16.0和Origin 8.1完成。生長季平均土壤CO2，N2O通量采用線性內(nèi)插法計算[15]，不同土地利用類型氣體排放通量月均值和生長季均值采用t檢驗比較，CO2，N2O通量與土壤溫度、水分之間的關(guān)系采用一元線性回歸方法分析，采用二元線性回歸方法分析水熱因子對氣體通量的協(xié)同影響。CO2通量溫度敏感性指標（Q10）代表溫度每增加10℃土壤CO2通量增加的倍數(shù)，計算公式為[9]：

式中：F為CO2通量[mg/（m2·h）]；T為溫度（℃）；a，b是待定參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型下土壤溫度、水分動態(tài)特征

生長季各土地類型土壤10 cm溫度季節(jié)變化規(guī)律基本一致（圖1A），觀測期最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在夏季和生長季末期，農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林溫度變化范圍分別為5.1～27.7℃，6.5～26.1℃，6.99～30.4℃。由于不同土地利用類型地表植被蓋度存在一定差異，平均溫度紅棗林＞農(nóng)地＞草地，夏季（6—8月）各處理土壤溫度出現(xiàn)顯著性差異（p＜0.01），其中紅棗林由于定期人工除草使地表幾乎完全裸露，在6月出現(xiàn)了生長季各處理最高溫（30.4℃）。除此之外，生長季內(nèi)較低的植被蓋度導(dǎo)致農(nóng)地、紅棗林土壤溫度變化幅度較大（39.7%和38.4%），高于撂荒草地（35.7%）。各土地利用類型土壤表層水分變化較為劇烈，受降雨和地表蒸散影響上下波動（圖1B）。農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林表層10 cm含水率（體積含水率，下同）變化范圍分別為10.5%～19.8%，9.7%～18.8%，7.0%～16.6%，其中6月初由于前期降雨較少，各處理土壤水分均達到最低值，7月初極端降雨事件（7月9日，降水量73.8 mm）之后以及秋季連續(xù)降水期間，土壤水分均處于較高水平。平均土壤含水率表現(xiàn)為撂荒草地＞農(nóng)地＞紅棗林，其中紅棗林地表裸露土壤蒸發(fā)強烈，土壤水分均值顯著（p＜0.05）低于另兩處理，季節(jié)變幅最大（28.3%）。以上研究表明，土地利用類型明顯改變了研究區(qū)表層土壤水熱狀況。

2.2 不同土地利用類型下土壤CO2通量特征

各處理土壤CO2排放通量季節(jié)變化均呈單峰型，變化趨勢與土壤溫度曲線基本一致（圖2）。農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林土壤CO2通量變化范圍分別為110.66～531.79，74.01～437.27，52.56～267.20 mg/（m2·h）。生長季初期和末期由于土壤溫度較低，土壤微生物呼吸和植物根系呼吸較弱，各處理CO2通量均處于較低水平。生長季前期隨著土壤溫度的升高及植物的生長，各處理土壤CO2通量均呈上升趨勢。7月份，73.8 mm次降雨之后，由于土壤濕度增大和適宜的土壤溫度增強了土壤呼吸速率，各處理CO2通量均達到最大值。生長季末期各處理土壤CO2通量隨著土壤溫度下降持續(xù)降低，最終基本達到生長季初期水平。三處理土壤CO2通量變異幅度較為接近，農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林研究期間時間變異系數(shù)分別為51.7%，49.0%，50.3%。但不同土地利用類型間土壤CO2通量存在顯著差異，且生長季前期和中期差異更為明顯：5—8月紅棗林土壤CO2通量均顯著低于另兩處理（p＜0.05），且5次達到極顯著差異水平（p＜0.01）；生長季初期和末期農(nóng)地草地間CO2通量差異較小，但7—8月農(nóng)地土壤CO2排放通量大于紅棗林土壤，其中7月差異達顯著水平。生長季平均CO2通量農(nóng)地＞撂荒草地＞紅棗林[300.39＞273.31＞173.80 mg/（m2·h）]，紅棗林CO2通量與另兩處理間差異均達極顯著水平（p＜0.01），撂荒草地與農(nóng)地間差異不顯著。

圖1 2014年不同土地利用類型下10 cm土壤溫度、水分動態(tài)特征

圖2 不同土地利用類型下土壤CO2通量季節(jié)變化特征

2.3 不同土地利用類型下土壤N2 O通量特征

由圖3可知，土壤N2O通量整個生長季均較低，但季節(jié)變化趨勢明顯，各處理通量均在6—7月達到最大值，之后逐漸降低，并在其他時期均處于較低水平或呈負值，這可能是與地表植物生長及生長季中土壤底物含量被逐漸消耗有關(guān)。有研究指出，土壤養(yǎng)分含量較低時，施肥措施和秋季凋落物輸入成為土壤主要礦質(zhì)來源，并在一年中溫度水分條件適宜時被植物、微生物逐漸消耗[16]，本研究也從側(cè)面印證了這個理論。農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林土壤N2O通量變化范圍分別為-3.82～19.78，-4.21～28.10，-8.77～16.76μg/（m2·h）。各處理N2O通量時間變異幅度均較大，農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林時間變異系數(shù)分別為116.6%，114.5%，372.7%，其中紅棗林變異幅度明顯大于另兩處理。值得注意的是紅棗林5月、7月、10月，農(nóng)地5月、10月，撂荒草地8—9月N2O均出現(xiàn)負排放，表現(xiàn)出較大的源匯變異性。各處理間N2O通量季節(jié)變化顯示出一定差異，撂荒草地5月、9月N2O源匯性質(zhì)與另外兩處理相反，6月顯著高于紅棗林和撂荒草地，體現(xiàn)了不同下墊面土壤N2O通量對環(huán)境因子的響應(yīng)差異。生長季N2O通量均值撂荒草地＞農(nóng)地＞紅棗林（9.26＞7.08＞0.52μg/（m2·h），其中撂荒草地土壤N2O通量顯著（p＜0.05）高于農(nóng)地，但紅棗林與農(nóng)地之間的差異未達到顯著性水平，各處理土壤均表現(xiàn)為N2O的弱源。

圖3 不同土地利用類型下土壤N2 O通量季節(jié)變化特征

3 討論

3.1 土壤溫度、水分對CO2,N2 O通量的影響

一元線性相關(guān)分析顯示，CO2排放通量均與土壤10 cm溫度、水分呈正相關(guān)（表2），3種土地利用類型下土壤溫度和水分平均分別解釋了44%～57%和4%～27%的CO2通量變異，其中各處理與溫度之間的相關(guān)關(guān)系達到極顯著水平（p＜0.01），與水分間的相關(guān)關(guān)系除紅棗林外均達顯著水平（p＜0.05）。相比土壤水分，各處理10 cm溫度均對土壤CO2排放量影響作用更明顯，二者決定系數(shù)負相關(guān)，這是可能由于生長季土壤溫度平均變異幅度（38%）大于土壤水分（24%），土壤溫度及其他環(huán)境因子變化削弱了土壤水分對土壤CO2排放的影響[9，17]；另外，土壤水分除6月干旱期內(nèi)較低外其他時期均高于10%，適宜根系和微生物呼吸的土壤環(huán)境使水分未能成為限制因子。土壤CO2通量與水分關(guān)系僅撂荒草地和農(nóng)地達顯著水平，由于觀測期內(nèi)土壤含水率均低于已有研究中水分對CO2通量的正效應(yīng)區(qū)間（＜20%）[14]，故各處理均未出現(xiàn)水分對CO2通量的抑制現(xiàn)象。雙因子相關(guān)分析得出農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林的決定系數(shù)分別為0.76，0.54，0.78，較之前單因素相關(guān)分析均有不同程度的提高（5%～73%），反映了土壤溫度、水分對CO2排放通量的共同影響。因此在對本研究區(qū)內(nèi)土壤CO2排放量進行估算時，水熱雙因子模型可能會得到更好的模擬效果。

表2 土壤CO2和N2 O通量與10 cm土壤溫度和水分的線性相關(guān)分析

溫度敏感性指標（Q10）被廣泛用于描述土壤CO2通量對溫度變化響應(yīng)的敏感程度。本研究中農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林Q10值分別為1.66，1.82，1.73，均低于全球Q10平均值（2.4）。由于長期受干旱脅迫和底物條件制約，半干旱和干旱地區(qū)土壤CO2通量溫度敏感性往往較低[14]，本研究結(jié)果中較低的Q10也符合這一結(jié)論。但與王建國等[18]的研究結(jié)論不同，本研究中三處理的Q10值撂荒草地＞紅棗林＞農(nóng)地，即草地CO2排放對溫度變化最為敏感，紅棗林土壤次之，農(nóng)地最不敏感，這可能是由于研究區(qū)植被和土壤條件有所不同所致。生物因子和環(huán)境因子的不同均會造成土地利用類型間Q10的差異[19]，本研究中不同土地類型Q10變化趨勢與地表覆被情況和土壤SOC含量基本一致，與Zeng等[20]的研究結(jié)果一致。

農(nóng)地、撂荒草地N2O通量與土壤溫度顯著相關(guān)（p＜0.01），溫度可分別解釋兩處理通量變異的24.7%和24.1%，但紅棗林土壤N2O通量與土壤溫度的相關(guān)性未達到顯著性水平。大量研究顯示了土壤溫度對土壤 N2O通量的控制作用[3，6，21]，這是由于土壤溫度通過影響土壤微生物活性進而影響硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)產(chǎn)物N2O的通量[2]。本研究中不同土地利用類型下土壤N2O通量與土壤水分均不相關(guān)，與部分已有研究結(jié)果一致[2，21]，體現(xiàn)了水分對土壤N2O影響的復(fù)雜性。土壤水分通過影響硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所占比例，進而控制反應(yīng)產(chǎn)物N2O的通量[22]，當土壤含水率較低時，硝化反應(yīng)是N2O的主要來源，但當含水率較高時反硝化作用更為強烈，并產(chǎn)生大量N2O，目前學(xué)術(shù)界多將60%～75%含水率區(qū)間作為N2O通量產(chǎn)生的最適環(huán)境條件[5-6]，此時硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的疊加效應(yīng)往往會產(chǎn)生較大的N2O排量。但由于本研究期間各土地類型土壤充水孔隙度（WFPS）均較低（13.6%～34.1%），故土壤季節(jié)變化未隨水分變化并出現(xiàn)明顯的峰值。另外由于條件所限，本試驗中較小的觀測頻次可能忽略了部分短歷時N2O排放峰，因此在未來研究中應(yīng)進一步加大觀測頻率，以深入揭示N2O排放特征與機理。

3.2 土地利用變化對CO2,N2 O通量的影響

土地利用方式的變化改變了地表植被類型、土地管理方式[18]，進而通過土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分條件、根系生物量、微生物組成以及下墊面水熱條件的變化直接或間接影響土壤CO2通量[23]。除短期效應(yīng)[24]和生態(tài)系統(tǒng)特殊性[23]造成的CO2通量變化缺乏顯著差異外，大量研究均觀測到退耕還林后土壤CO2通量的增加，且隨造林年限增加呈上升趨勢[25-26]。但本研究發(fā)現(xiàn)退耕后紅棗林土壤CO2通量顯著低于農(nóng)地42.1%（p＜0.01），較低的土壤CO2通量水平在黃土高原蘋果園的研究中也有發(fā)現(xiàn)[15]，而黃土高原林草交錯帶次生林和人工林的研究結(jié)果則較高[437.2～582.9 mg/（m2·h）][27]，這可能是由于經(jīng)濟林與生態(tài)林管理方式差異導(dǎo)致。人工生態(tài)系統(tǒng)高強度的土地管理措施被認為是影響土壤CO2通量的主要因素[4]，本研究紅棗林除草措施不但削弱了土壤碳源，表層土壤因缺乏植被覆蓋更易受降水擊打而板結(jié)，較差的通氣條件抑制了土壤呼吸和CO2的排放[28]，與試驗結(jié)果中紅棗林表層土壤較低的孔隙度相符（表1）。雖然我們也觀測到可能由除草導(dǎo)致的土壤升溫效應(yīng)，但受限于上述原因未出現(xiàn)前人研究中顯著的CO2排放[3]。

退耕還草對土壤CO2通量的影響因研究地點和生態(tài)系統(tǒng)不同而異：Raich等[23]分析已有研究結(jié)果顯示草地土壤CO2通量高于臨近農(nóng)田25%，但差異未達顯著性水平，吳建國等[25]采用兩種方法對寧夏六盤山林區(qū)幾種土地利用方式下的土壤CO2通量進行估算，結(jié)果均顯示草地年通量顯著高于農(nóng)田；Lyuri等[26]對北針葉林帶農(nóng)田退耕后的自然演替過程進行研究，發(fā)現(xiàn)草本植物群落階段土壤CO2通量為農(nóng)田土壤的1.51～1.7倍，認為碳排量的增加與退耕后土壤碳庫變化和較高的礦化速率緊密相關(guān)。本研究中退耕后撂荒草地土壤有機碳含量也出現(xiàn)一定程度升高（51.9%），且較高的土壤孔隙度為根系、微生物呼吸提供了適宜的環(huán)境，但我們未發(fā)現(xiàn)農(nóng)地與撂荒草地土壤CO2通量間出現(xiàn)顯著差異，與黃土高原水蝕風(fēng)蝕區(qū)研究結(jié)果較為吻合[18]。這可能是由于研究區(qū)內(nèi)撂荒草地較低的土壤溫度一定程度上抑制了根系及根際微生物活性，但同時我們也觀測到撂荒草地較高的土壤呼吸敏感性，因此在未來全球氣候變暖格局下，該區(qū)退耕還草后土壤碳庫可能向大氣排放更多CO2，進而對氣候變暖產(chǎn)生正反饋效應(yīng)[20]。

氮肥施用是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放的主要原因，但本研究區(qū)內(nèi)低水平的施肥管理措施和強烈的水土流失使土壤養(yǎng)分含量偏低，甚至低于黃土高原其他區(qū)域[7]，這可能是各處理土壤N2O通量低于已有研究[21，29]的主要原因，而本研究結(jié)果顯示退耕后撂荒草地N2O排放通量顯著高于農(nóng)地（p＜0.01），一定程度上反映了退耕措施對土壤養(yǎng)分的蓄持和恢復(fù)作用[7]。與退耕還草相反，本研究觀測到農(nóng)地轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟林后土壤N2O通量的明顯下降（92.7%），低于臨近地區(qū)果園觀測結(jié)果[21]，這可能與人為管理下果園表層土壤較差的通氣條件有關(guān)。Stehfest和Bouwman[30]研究發(fā)現(xiàn)土壤N2O通量與土壤容重存在負相關(guān)關(guān)系，且在容重大于1 g/cm3時其對N2O的抑制效應(yīng)顯著增加，認為較高的土壤容重除了限制N2O向大氣的擴散過程外，N2O在土體傳輸過程中更易被反硝化作用消耗。Horrocks等[31]觀測到在低土壤含水率條件下土壤對N2O的吸收現(xiàn)象，認為是由于土體中氧氣擴散速率低于消耗速率而產(chǎn)生厭氧環(huán)境所致。本研究中紅棗林土壤較其他處理更易出現(xiàn)N2O負排放也與這個理論相符。

4 結(jié)論

（1）生長季農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林土壤CO2通量均值分別為300.39，273.31，173.80 mg/（m2·h），季節(jié)變化特征與土壤10 cm溫度變化趨勢一致。生長季農(nóng)地、撂荒草地、紅棗林土壤N2O通量均值分別為7.08，9.26，0.52μg/（m2·h），呈現(xiàn)出較大源匯變異，但總體上仍表現(xiàn)為N2O的源。

（2）土壤10 cm水分、溫度以及水熱雙因子模型對土壤CO2通量的解釋度分別為4%～27%，44%～57%和54%～78%，水熱雙因子模型顯示出較好的適用性。土壤N2O通量與土壤10 cm溫度線性相關(guān)，與土壤水分不相關(guān)，體現(xiàn)了N2O產(chǎn)生及排放過程的復(fù)雜性，對此未來應(yīng)加大觀測頻率進行更加深入的研究。

（3）退耕還林還草過程中的地表植被種類、人為管理措施改變及由此引發(fā)的生物、非生物因子變化均會影響土壤CO2，N2O排放。退耕還草后土壤CO2并未有顯著變化，土壤N2O則隨土壤基質(zhì)條件的改善呈現(xiàn)上升趨勢；對于經(jīng)濟林，退耕后土壤CO2，N2O通量均有一定程度減少（42.1%～92.7%），并且更易出現(xiàn)N2O的負排放。

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Characteristics of CO2and N2O Emissions Under Different Land-use Types in Loess Hilly Region of China

SUN Wenhao1，YANG Shiwei3，GAO Xiaodong2，3，LI Lusheng1，LING Qiang1，LI Hongchen1
（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi712100，China；2.Institute of Water Saving Agriculture in Arid Regions of China，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi712100，China；3.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi712100，China）

Investigation of the effects of land-use change on soil CO2and N2O fluxes under the conversion of cropland to forest and grassland in loess hilly region would be helpful to understand the context of global warming.Using static chambers method，soil CO2and N2O fluxes were investigated during the growing season under three land-use types（cropland，jujube orchard and abandoned grassland）in the study area in 2014.Additionally，soil temperature and moisture at 10 cm depth were monitored using mercurial thermometer and potable time domain reflectometry respectively to explore the correlations between environmental factors and soil gas emissions.During the growing season，the emission rates of CO2in cropland，jujube orchard and abandoned grassland were 110.66～531.79 mg/（m2·h），74.01～437.27 mg/（m2·h）and 52.56～267.20 mg/（m2·h），respectively，which peaked in summer and were correlated with soil temperature in all land-use types.Soil N2O under different land-use types followed similar seasonal patterns which were related to vegetative growth，the higher emission rate occurred in June and July compared with other growing period when negative fluxes frequently occurred，and the values varying-3.82～19.78μg/（m2·h），-4.21～28.10μg/（m2·h），-8.77～16.76μg/（m2·h）in cropland，jujube orchard and abandoned grassland，respectively.Linear correlation analysis showed that，for both land-use types，relationship between soil CO2（N2O）fluxes and soil temperature at 10 cm depth was better than the relationship between soil CO2（N2O）fluxes and soil moisture，while no relationship was found between soil N2O flux and soil moisture due to the complicated mechanism of nitrification and denitrification processes.Moreover，binary linear regression analysis on the relationship of soil temperature and soil moisture could explain 54%～78%of soil CO2seasonal variations.Our research results showed that soil N2O increased（p＜0.01）with the better substantial condition after converting cropland into grassland，however，no statistics difference was observed in the case of CO2emissions，which were probably caused by the low temperature in grassland.The conversion of cropland to orchard led to the lower soil CO2and N2O emission rates（42.1%～92.7%）due to intensive field management which may also contribute to more negative flux of N2O in economic forest.

soil；CO2；N2O；greenhouse-gas；grain for green project；land-use change

S152

A

1005-3409（2017）01-0068-07

2016-01-21

2016-03-02

中國科學(xué)院重點部署項目（KFZD-SW-306）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2015KTCL02-25）；中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費（2452015056）

孫文浩（1990—），男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)水土工程。E-mail：sunwenhao-1＠163.com

楊世偉（1974—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源利用研究。E-mail：yshw007＠163.com