印 亮，張麗麗，陳 鷺，王賢鳳，黃幸然，方 熊，易志剛

不同環(huán)境因子對(duì)南方典型蔗田土壤羰基硫通量的影響

印 亮，張麗麗，陳 鷺，王賢鳳，黃幸然，方 熊，易志剛*

（福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002）

為探討全球氣候變化對(duì)土壤羰基硫（COS）的影響，本研究以南方典型蔗田土壤作為研究對(duì)象，室內(nèi)模擬不同環(huán)境因子（溫度、含水率和大氣CO2濃度），利用動(dòng)態(tài)箱/GC-MS分析了原位和異位土壤COS通量。結(jié)果表明，土壤原位土和異位土COS通量差異較大，原位土COS吸收速率小于異位土，而釋放速率大于異位土。土壤滅菌后COS的吸收顯著降低，表明土壤COS吸收是一個(gè)生物過(guò)程。溫度對(duì)異位土壤COS吸收影響較大，25℃異位土壤COS吸收最小，為100.4 pmol·m-2·s-1；土壤含水量對(duì)原位土壤COS吸收影響最大，50%的土壤最大持水量條件COS吸收最小，為0.9 pmol·m-2·s-1；大氣CO2濃度增加抑制原位土釋放COS。因此，在研究土壤COS通量時(shí)，需綜合考慮土壤結(jié)構(gòu)、土壤溫濕度和大氣CO2濃度的影響。

羰基硫；原位土；異位土；環(huán)境因子；蔗田土壤

揮發(fā)性有機(jī)硫化合物是大氣中重要的微量氣體成分，對(duì)地球氣候、大氣光化學(xué)過(guò)程及環(huán)境質(zhì)量均有重要的影響[1]。羰基硫（COS）是含量最豐富、最難降解的還原態(tài)揮發(fā)性含硫氣體之一。COS在對(duì)流層活性低、反應(yīng)慢，但是當(dāng)其通過(guò)某些介質(zhì)上升到平流層后，易通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)等最終轉(zhuǎn)化為顆粒相硫酸和硫酸鹽，從而導(dǎo)致大氣環(huán)境酸化并加劇形成氣溶膠顆粒，甚至影響地表氣溫，同時(shí)通過(guò)干、濕沉降到達(dá)地表的硫，也會(huì)影響土壤、水體的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，甚至破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡[2－3]。此外COS進(jìn)入臭氧層后，由于其具有強(qiáng)還原性，會(huì)在光照條件下與臭氧發(fā)生反應(yīng)，從而破壞并損害臭氧層[4]。陸地生態(tài)系統(tǒng)釋放與吸收含硫氣體是一個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論的課題，研究表明旱地土壤是大氣COS重要的“匯”[5]，但易受環(huán)境因素的影響造成時(shí)空變異大，導(dǎo)致全球硫循環(huán)中的硫難以估算。

影響土壤COS通量的因素主要分為生物因素和非生物因素。生物因素主要是土壤微生物的作用過(guò)程，如：劉俊峰等[6]研究北京地區(qū)草地土壤經(jīng)過(guò)高溫滅菌后，即使土壤溫度濕度達(dá)到最佳，COS通量也不會(huì)產(chǎn)生明顯變化。非生物因素主要包括溫度、濕度、土壤pH、Eh值以及空氣COS濃度等。隨著全球以CO2為代表的溫室氣體濃度逐年增加，全球增溫呈現(xiàn)明顯加快趨勢(shì)，預(yù)計(jì)21世紀(jì)將上升1.8～4.0℃[7]。溫度是土壤COS通量的重要影響因子，有關(guān)研究表明在最適溫度條件下土壤COS通量會(huì)達(dá)到最大值，如：Kesselmeier等[8]報(bào)道歐洲旱地土壤在15～20℃時(shí)COS吸收達(dá)到最大值，劉俊峰等[6]報(bào)道的北京草地土壤吸收COS最適溫度為25℃。全球暴雨、干旱等極端天氣頻繁發(fā)生[7]，土壤含水率因而也發(fā)生改變。土壤含水率是影響土壤COS通量的另一個(gè)重要因子，土壤釋放、吸收 COS 也均存在最佳濕度[5－6，9－10]。有研究表明土壤含水率的改變會(huì)影響土壤釋放、吸收COS的形式，Yi等[11]在研究南方水稻土?xí)r發(fā)現(xiàn)土壤較干時(shí)會(huì)吸收COS，完全淹水狀態(tài)會(huì)釋放COS。部分室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)采用過(guò)篩土進(jìn)行培育[8]，過(guò)篩過(guò)程往往會(huì)破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在土壤三相值（固相、液相和氣相）比例的變化，進(jìn)而改變土壤環(huán)境[12]，比較原位、異位土壤可以更好地研究土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤COS通量的影響。目前有關(guān)旱地土壤COS通量的研究引起了廣泛關(guān)注，主要集中在溫帶地區(qū)，劉俊峰等[6]研究了我國(guó)北方地區(qū)COS在5種富氧型旱地土壤（北京麥田土壤、山東麥田土壤、人工草坪土壤、天然草坪土壤和森林土壤）中的吸收與轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)溫度、含水率等環(huán)境因子對(duì)旱地土壤COS通量有顯著影響。我國(guó)亞熱帶地區(qū)旱田面積很大[13]，環(huán)境因子造成旱田COS通量的改變，對(duì)全球硫循環(huán)產(chǎn)生的影響也不容忽視，但目前有關(guān)環(huán)境因子對(duì)南方旱田COS通量的研究相對(duì)較少。因此本研究以亞熱帶典型的甘蔗田土壤為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，分別觀測(cè)不同環(huán)境因子對(duì)土壤COS通量的影響，對(duì)全球變化背景下土壤COS通量精確估算有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與理化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用土壤取自福建省福州市閩侯縣一甘蔗農(nóng)田（26°26′N，119°14′E），近兩個(gè)月無(wú)施肥、翻耕等行為，甘蔗處于成熟期。福州是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量為900～2100 mm，年均溫度20～25℃[12]。其中兩種土壤處理方式分別為：原位土采用圓柱形土鉆（內(nèi)徑為11 cm，高為12 cm）無(wú)破壞取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后立即套入自制亞克力材料圓柱形培養(yǎng)罐（內(nèi)徑為11 cm，高為15 cm）。異位土則是將土壤分層采集（0～5 cm 和 5～12 cm），帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過(guò) 8 mm篩，去除砂石和植物殘?bào)w及根系，分層裝入上述培養(yǎng)罐中，填充高度和原位土柱保持一致。蔗田土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH為5.39±0.08，含水率為9.00%，有機(jī)質(zhì)為（44.80±1.64）g·kg－1，水解氮（72.76±1.45）mg·kg－1，全氮（1.85±0.06）g·kg－1，全磷 0.13 g·kg－1，土壤三相值見表1，詳細(xì)參數(shù)見胡寶葉等[14]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土柱含水率分別調(diào)節(jié)至最大持水量（Water holding capacity maximum，MWHC）的 20%、50%和80%（通過(guò)每天人工加蒸餾水保持土柱濕度穩(wěn)定），在自制恒溫冰箱中以25℃培養(yǎng)7 d。實(shí)驗(yàn)考察4種影響因素：

表1 土壤三相值（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Table 1 Percentage of the three phases of soil（mean±SD，n=3）

①滅菌對(duì)異位土COS通量的影響：使用高壓蒸汽對(duì)異位土進(jìn)行3次滅菌處理后，保持異位土壤含水率為接近自然狀態(tài)的20%MWHC，溫度為25℃，設(shè)置3個(gè)不同COS進(jìn)氣濃度（418±206）ng·m－3（AIR）、（6696±134）ng·m－3（COS－1）和（13 393±263）ng·m－3（COS－2），分別為當(dāng)前空氣COS濃度0.3、5和10倍。土柱在設(shè)定溫度和含水率下預(yù)培養(yǎng)24 h后進(jìn)行氣體采樣，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

②不同溫度對(duì)原位、異位土COS通量的影響：保持土壤含水率20%MWHC，分別設(shè)置3個(gè)溫度（15、25℃和35℃）處理和3個(gè)不同進(jìn)氣COS濃度（同上）。土柱在設(shè)定溫度和含水率下預(yù)培養(yǎng)24 h后進(jìn)行氣體采樣，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

③不同含水率對(duì)原位、異位土壤COS通量的影響：保持培養(yǎng)溫度為25℃，分別設(shè)置3個(gè)不同含水率（20%、50%和80%MWHC）和3個(gè)不同COS進(jìn)氣濃度（同上），土柱在設(shè)定溫度和含水率下預(yù)培養(yǎng)24 h后進(jìn)行氣體采樣，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

④不同CO2濃度對(duì)原位土COS通量的影響：保持原位土壤含水率為50%MWHC，溫度25℃（COS釋放最大），進(jìn)氣 COS 濃度控制在（418±206）ng·m－3，調(diào)節(jié)進(jìn)氣 CO2濃度為 0、393、1375、2357、4321 mg·m－3和8520 mg·m－3，分別為 0 和當(dāng)前大氣 CO2濃度的 0.5、2、3、6倍和10倍），土柱在設(shè)定溫度和含水率下預(yù)培養(yǎng)24 h后進(jìn)行氣體采樣，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3 氣體樣品采集和處理

氣體樣品采集使用動(dòng)態(tài)箱法，進(jìn)氣30 min保證容器內(nèi)的氣體混合均勻，氣體通過(guò)流量計(jì)控制在1.3 L·min－1。氣體樣品收集于Teflon氣袋中避光保存，用于COS分析。

COS測(cè)定在鄭麗麗等[15]基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，采用預(yù)濃縮法進(jìn)樣方式，連接7890B－5977A GC－MS進(jìn)行測(cè)定。將Teflon采樣袋接入預(yù)濃縮系統(tǒng)，經(jīng)三級(jí)液氮冷肼，去除樣品中的H2O和CO2，并經(jīng)－150℃冷聚焦進(jìn)行分離檢測(cè)。色譜條件：采用HP－5色譜柱；升溫程序?yàn)椋撼跏紲囟?10℃，保持 3 min，后以 5℃·min－1升到120℃，再以 10℃·min－1升到 250℃保持 20 min。質(zhì)譜條件：EI電離源。每個(gè)樣品有3個(gè)重復(fù)，每個(gè)樣品測(cè)1次，數(shù)據(jù)采集采用單掃模式（SIM），然后采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)（NIST11）、標(biāo)準(zhǔn)氣體保留時(shí)間雙重定性，在獲得總離子（TIC）質(zhì)譜圖后，采用NIST標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行自動(dòng)檢索，篩選匹配度大于80%的物質(zhì)，并將標(biāo)氣質(zhì)譜圖保留時(shí)間及特征離子進(jìn)行比對(duì)，從而確定被測(cè)化合物。本研究中目標(biāo)化合物與標(biāo)氣中的目標(biāo)化合物匹配度大于80%，保留時(shí)間窗口閾值低于30 s。采用峰面積－濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

COS通量指單位時(shí)間單位面積箱內(nèi)該氣體流通量，正值表示土壤作為“源”，即土壤釋放該氣體；負(fù)值表示土壤作為“匯”，即土壤吸收該氣體[11]，具體計(jì)算公式如下：

式中：F 為氣體通量，pmol·m－2·s－1；ΔC為進(jìn)出氣口濃度差，pmol·mol－1；Q 表示進(jìn)氣口流量，L·s－1；S 表示土壤面積，m2；Vm表示標(biāo)準(zhǔn)氣體下摩爾體積，22.44 L·mol－1；T 為土壤溫度，℃。

利用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），以Duncan多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)不同處理對(duì)COS通量的影響。使用Sigmaplot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滅菌對(duì)COS通量的影響

如圖1所示，當(dāng)進(jìn)氣濃度為AIR時(shí)，滅菌土COS釋放較多，為（39.78±16.84）pmol·m－2·s－1，且顯著高于非滅菌土（P＜0.05）；進(jìn)氣濃度分別為 COS－1、COS－2，滅菌土壤釋放 COS分別為（11.53±19.69）、（53.29±63.36）pmol·m－2·s－1，且顯著高于非滅菌土（P＜0.05）。無(wú)論COS進(jìn)氣濃度如何變化，滅菌土COS釋放無(wú)明顯變化，而非滅菌土COS釋放隨進(jìn)氣COS濃度升高顯著降低（P＜0.05）。

圖1 滅菌對(duì)異位土COS通量的影響（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Figure 1 Effect of sterilization on disturbed soil COS fluxes（mean±SD，n=3）

2.2 土壤處理方式（原位土、異位土）對(duì)COS通量的影響

整體而言，原位土釋放COS略高于異位土，吸收COS低于異位土。控制土壤含水率為20%MWHC，當(dāng)進(jìn)氣濃度為AIR，溫度為25℃時(shí)，原位土COS釋放顯著高于異位土（P＜0.05）（圖 2A）；當(dāng)進(jìn)氣濃度為 COS－1，溫度為15℃，原位土COS吸收顯著低于異位土（P＜0.05）（圖2B）。控制溫度為25℃，當(dāng)進(jìn)氣濃度為AIR時(shí)，原位土釋放均顯著高于異位土（P＜0.05）（圖3A）；當(dāng)進(jìn)氣濃度COS－1，含水率為20%和80%MWHC，以及進(jìn)氣濃度為COS－2，含水率為50%和80%MWHC時(shí)，原位土COS吸收顯著低于異位土（P＜0.05）（圖 3B、圖 3C）。

2.3 COS通量對(duì)土壤溫度變化的響應(yīng)

控制土壤含水率為20%MWHC，當(dāng)進(jìn)氣濃度為AIR（圖2A），溫度為25℃時(shí)，原位土的釋放最多，為（33±11.03）pmol·m－2·s－1，且顯著高于其他兩個(gè)溫度（P＜0.05）；而在此條件下異位土COS的通量幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)進(jìn)氣濃度為COS－1（圖2B），原位土COS的吸收幾乎相同；當(dāng)溫度為25℃時(shí)，異位土COS的吸收最少，為（100.37±28.98）pmol·m－2·s－1，且顯著低于其他兩個(gè)溫度（P＜0.05）。當(dāng)進(jìn)氣濃度為 COS－2（圖2C），溫度為35℃時(shí)，原位土COS的吸收顯著被抑制（P＜0.05）。當(dāng)溫度為25℃時(shí)，異位土COS的吸收最少，為（164.90±55.44）pmol·m－2·s－1，且顯著低于其他兩個(gè)溫度（P＜0.05）。

2.4 COS通量對(duì)土壤濕度變化的響應(yīng)

控制土壤溫度為25℃，當(dāng)進(jìn)氣濃度為AIR（圖3A），含水率為50%MWHC時(shí)，原位土COS的釋放最多，為（46.97±14.84）pmol·m－2·s－1，且顯著高于其他兩個(gè)含水率（P＜0.05）；當(dāng)含水率為80%MWHC時(shí)，異位土COS的通量顯著低于其他兩個(gè)含水率（P＜0.05），且此時(shí)由釋放轉(zhuǎn)變?yōu)槲?。?dāng)進(jìn)氣濃度為COS－1、COS－2（圖 3B、圖 3C），含水率為 50%MWHC 時(shí)，原位土 COS 的吸收均最少，分別為（－1.20±0.52）、（－36.5±33.52）pmol·m－2·s－1，且顯著低于其他兩個(gè)含水率（P＜0.05）；當(dāng)進(jìn)氣濃度為 COS－2，含水率為 80%MWHC時(shí)，異位土COS的吸收顯著增加（P＜0.05）。

2.5 COS通量對(duì)大氣CO2濃度變化的響應(yīng)

圖2 溫度對(duì)COS通量影響（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Figure 2 Effect of temperature on soil COS fluxes（mean±SD，n=3）

如圖4所示，當(dāng)進(jìn)氣CO2濃度為0時(shí)，COS釋放最大，為（64.42±13.40）pmol·m－2·s－1，當(dāng)進(jìn)氣 CO2濃度為 8520 mg·m－3時(shí)，COS 釋放最小，為（11.50±6.85）pmol·m－2·s－1。隨著進(jìn)氣 CO2濃度的上升，土壤釋放COS呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，尤其與0 mg·m－3比較時(shí)，其他CO2濃度下COS釋放均顯著被抑制（P＜0.05）。

圖3 土壤含水率對(duì)土壤COS通量的影響（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Figure 3 Effect of soil water content on soil COS fluxes（mean±SD，n=3）

圖4 CO2濃度對(duì)原位土COS通量的影響（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）Figure 4 Effect of CO2concentration on intact soil COS fluxes（mean±SD，n=3）

3 討論

3.1 微生物對(duì)COS通量的影響

已有研究發(fā)現(xiàn)微生物是影響土壤釋放或吸收COS的主要因素[8，16]。本研究結(jié)果顯示滅菌土COS的釋放均顯著高于非滅菌土（圖1），這表明土壤釋放/吸收COS均是重要的生物過(guò)程，尤其是土壤對(duì)COS的吸收。諸多研究表明，影響土壤吸收COS的碳酸酐（Carbonic anhydrase，CA）酶確實(shí)存在并會(huì)參與到COS的吸收，Kesselmeier等[8]將CA酶抑制劑加入土壤后發(fā)現(xiàn)土壤COS的吸收顯著降低，這與本研究結(jié)論一致。土壤COS在CA酶參與下分解生成H2S和CO2，這個(gè)過(guò)程易受到土壤溫、濕度等因素的影響，因此有關(guān)土壤COS通量的研究常常會(huì)重點(diǎn)關(guān)注各種環(huán)境因子的變化。

3.2 土壤結(jié)構(gòu)破壞對(duì)COS通量的影響

目前有關(guān)COS通量研究大多采用過(guò)篩土進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)[8]，本研究結(jié)果顯示原位土釋放COS顯著大于異位土，吸收COS顯著低于異位土（圖2、圖3）。異位土在風(fēng)干和過(guò)篩過(guò)程中會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞（表1），原位土氣、液相比例小于異位土，固相比例大于異位土，土壤含水率和土壤中液相與固相之比成正比關(guān)系，因此原位土實(shí)際含水率小于異位土。這造成土壤微生物生存的環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤COS的通量。目前有關(guān)COS通量與土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究相對(duì)較少，但針對(duì)其他氣體的研究時(shí)有報(bào)道。例如：胡寶葉等[14]研究南方蔗田土壤NO通量變化發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)破壞后NO通量顯著降低；Porre等[17]研究農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)對(duì)N2O的影響發(fā)現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)對(duì)CO2以及N2O通量有顯著影響。這些研究均說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)對(duì)氣體通量有影響，考慮到原位土更接近野外實(shí)際狀況，因此用模型估算COS通量時(shí)要盡可能選擇原位土。

3.3 溫度對(duì)COS通量的影響

溫度對(duì) COS 通量的影響已有較多報(bào)道[8－9，18]，本研究發(fā)現(xiàn)原位土最佳釋放COS的溫度為25℃，最佳吸收COS的溫度介于15℃到25℃（圖2）。溫度對(duì)于所有生物過(guò)程的影響均很大，適宜的溫度會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)使微生物活性發(fā)生變化而抑制土壤COS的通量。本研究通過(guò)改變進(jìn)氣COS濃度使土壤表現(xiàn)為釋放或吸收，土壤釋放COS主要來(lái)自微生物硫酸鹽的還原以及含硫氨基酸的降解[16]，土壤吸收COS主要受CA酶活性的影響[8]，影響土壤釋放與吸收的微生物種類不同，因此最佳溫度可能也不一致。溫帶地區(qū)報(bào)道的最佳溫度介于15～20℃之間[8]，本研究地區(qū)處于亞熱帶，因此最佳溫度略高于溫帶地區(qū)。

異位土在同一含水率、不同溫度下COS的釋放、吸收與原位土的表現(xiàn)趨勢(shì)不同（圖2A），當(dāng)土壤釋放COS時(shí)，異位土不存在最佳釋放溫度，主要原因是前文提到的土壤結(jié)構(gòu)破壞對(duì)土壤COS的影響。異位土實(shí)際含水率大于原位土，因此當(dāng)土壤含水率超過(guò)一定限度后，土壤含水率對(duì)土壤釋放COS可能發(fā)揮了更重要的作用，進(jìn)而掩蓋了溫度對(duì)土壤COS通量的影響。李新華等[16]研究黃河三角洲翅堿篷濕地COS釋放動(dòng)態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤含水率是影響土壤釋放COS的主要因素，溫度是次要因素。溫度為25℃時(shí)異位土COS的吸收反而被抑制（圖2B、圖2C），這與部分研究結(jié)論相反[7－8]。一方面，前人研究進(jìn)氣類型采用的是普通空氣，本研究中進(jìn)氣COS濃度突然升高，土壤微生物及酶可能需要適應(yīng)過(guò)程，導(dǎo)致微生物及酶對(duì)土壤吸收COS的影響減弱；另一方面，土壤吸收COS主要存在于土壤表層[16]，隨著含水率的提升，水會(huì)在土壤和空氣交換層形成膜[18]，此時(shí)可能主要是水參與吸收COS。

3.4 含水率對(duì)COS通量的影響

原位土釋放COS的最佳含水率為50%MWHC（圖3），說(shuō)明含水率是影響土壤COS通量的另一個(gè)重要因素。當(dāng)含水率較低時(shí)，土壤微生物基本所需水分得不到滿足；當(dāng)含水率超過(guò)一定限度后，會(huì)影響土壤中O2的可利用率以及氣體擴(kuò)散率，進(jìn)而影響土壤中微生物的活性[19]。COS－1 和 COS－2 處理，原位土吸收COS在50%MWHC時(shí)顯著被抑制（圖3）。這主要原因是當(dāng)含水率在較低水平時(shí)，20%MWHC可能成為微生物比較適應(yīng)的含水率，隨著含水率升高直接影響了土壤中可利用的O2，進(jìn)而抑制了土壤中微生物及酶的活性。kuhn等[5]研究發(fā)現(xiàn)含水飽和土壤吸收COS高于未飽和土壤84%，其原因主要是飽和土壤Eh值低于未飽和土壤，這同樣適用于本研究。Devai等[20]發(fā)現(xiàn)在低Eh值狀態(tài)下，土壤微生物活性更高，因此土壤中CA酶活性可能隨之升高，從而促進(jìn)了土壤吸收COS。較高進(jìn)氣COS濃度下含水率為80%MWHC時(shí)，異位土吸收COS顯著上升同樣用此機(jī)理解釋（圖3C）。

在AIR處理時(shí)（圖3A），異位土含水率在20%MWHC和50%MWHC時(shí)釋放COS，尤其當(dāng)含水率為80%MWHC時(shí)，土壤由釋放變成了吸收COS，這與前人研究不一致，Yi等[11]發(fā)現(xiàn)水稻土壤較干時(shí)會(huì)吸收COS，完全淹水狀態(tài)會(huì)釋放COS。這主要由于實(shí)驗(yàn)的采樣方式不同，其采用進(jìn)氣方式是普通空氣，而本研究是通過(guò)降低COS濃度使蔗田土壤表現(xiàn)為釋放COS，大氣與土壤之間原本就存在濃度差，因此造成土壤釋放COS的最主要因素是物理因素（大氣COS濃度），隨著含水率繼續(xù)增加，生物因素又占主導(dǎo)因素；另外Yi等[11]實(shí)驗(yàn)的土壤長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，土壤主要利用方式的不同也有可能是造成這種差異的原因。

3.5 CO2濃度對(duì)COS通量的影響

高濃度的大氣CO2能夠影響土壤COS的通量以及土壤呼吸[21]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著大氣CO2濃度的上升，土壤釋放COS顯著被抑制（圖4）。COS與CO2的結(jié)構(gòu)相似，且以相似的途徑進(jìn)入植物葉片中，因此部分研究使用COS代替CO2來(lái)研究植物光合作用過(guò)程[22]。土壤釋放COS機(jī)理雖然還不是十分清楚，但一般認(rèn)為與分解土壤硫化物的微生物有關(guān)，因此高濃度的CO2可能會(huì)與COS競(jìng)爭(zhēng)土壤微生物，從而抑制土壤釋放COS。另外，有研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度的上升會(huì)對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生影響，Kampichler等[23]研究高濃度CO2對(duì)土壤微生物響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤蛋白酶、木聚糖酶顯著受到抑制，但大氣CO2濃度上升是否也會(huì)抑制分解土壤硫化物微生物及酶的活性值得進(jìn)一步去研究。

4 結(jié)論

（1）原位土釋放COS高于異位土，吸收COS低于異位土，過(guò)篩土模擬實(shí)驗(yàn)可能低估了土壤COS釋放量。

（2）土壤微生物是影響土壤COS通量的最主要因素，溫度、含水率和大氣CO2濃度會(huì)影響微生物活性從而影響土壤COS通量。滅菌后土壤COS的釋放顯著高于滅菌前；25℃是蔗田土壤釋放COS的最佳溫度；最佳吸收COS的溫度在15～25℃之間；50%土壤最大持水量是釋放COS的最佳含水率；在一定CO2濃度范圍內(nèi)，土壤COS釋放隨大氣CO2濃度上升而下降。

[1]易志剛.珠江三角洲典型陸地生態(tài)系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)硫化合物地氣交換通量研究[D].廣州：中國(guó)科學(xué)院研究生院廣州地球化學(xué)研究所,2006.

YI Zhi-gang.Exchange fluxes of volatile organic sulfur compounds between land surfaces and atmosphere in selected typical terrestrial ecosystems in the Pearl River Delta[D].Guangzhou：China Academy of Sciences Guangdong Institute of Geochemistry,2006.

[2]Xu L,Baldocchi D D.Seasonal variation in carbon dioxide exchange over a Mediterranean annual grassland in California[J].Agricultural&Forest Meteorology,2004,123（1/2）：79-96.

[3]Vet R,Artz R S,Carou S,et al.A global assessment of precipitation chemistry and deposition of sulfur,nitrogen,sea salt,base cations,organic acids,acidity and pH,and phosphorus[J].Atmospheric Environment,2014,93（3/4）：3-100.

[4]Kitz F,Gerdel K,Hammerle A,et al.In situ soil COS exchange of a temperate mountain grassland under simulated drought[J].Oecologia,2017,183（3）：851-860.

[5]Kuhn U,Ammann C,Wolf A,et al.Carbonyl sulfide exchange on an ecosystem scale：Soil represents a dominant sink for atmospheric COS[J].Atmospheric Environment,1999,33（6）：995-1008.

[6]劉俊鋒,耿春梅,牟玉靜,等.羰基硫（COS）在土壤中的吸收與轉(zhuǎn)化[J].環(huán)境化學(xué),2004,23（6）：615-620.

LIU Jun-feng,GENG Chun-Mei,MOU Yu-jing,et al.Uptake and conversion of carbonyl sulfide（COS）by soil[J].Environmental Chemistry,2004,23（6）：615-620.

[7]IPCC.Climate change：The physical science basis[R].Cambridge：Cambridge University Press,2013.

[8]Kesselmeier J,Teusch N,Kuhn U.Controlling variables for the uptake of atmospheric carbonyl sulfide by soil[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,1999,104（D9）：11577-11584.

[9]Whelan M E,Min D H,Rhew R C.Salt marsh vegetation as a carbonyl sulfide（COS）source to the atmosphere[J].Atmospheric Environment,2013,73（6）：131-137.

[10]Li X H,Zhu Z,Yang L,et al.Emissions of biogenic sulfur gases（H2S,COS）from Phragmites australis,coastal marsh in the Yellow River estuary of China[J].Chinese Geographical Science,2016,26（6）：770-778.

[11]Yi Z G,Wang X M,Sheng G,et al.Exchange of carbonyl sulfide（COS）and dimethyl sulfide（DMS）between rice paddy fields and the atmosphere in subtropical China[J].Agriculture Ecosystems&Environment,2008,123（1）：116-124.

[12]Chen Z,Cui Y L,Liu F P,et al.Effect of irrigation and fertilization on soil three phase composition change[J].Water Saving Irrigation,2014,69（3）：131-138.

[13]Quan X U,Rui W Y,Bian X M,et al.Regional differences and characteristics of soil organic carbon density between dry land and paddy field in China[J].Journal of Integrative Agriculture,2007,6（8）：981-987.

[14]胡寶葉,王賢鳳,陳 鷺,等.不同環(huán)境因子對(duì)南方典型蔗田原位和異位土壤NO通量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（9）：1824-1828.

HU Bao-ye,WANG Xian-feng,CHEN Lu,et al.Effects of different environment factors on NO fluxes from intact and disturbed soils from the typical sugarcane field in southern China[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（9）：1824-1828.

[15]鄭麗麗,郭萍萍,易志剛.鼎湖山典型森林土壤苯系物通量對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2015,24（3）：396-401.

ZHENG Li-li,GUO Ping-ping,YI Zhi-gang.Responses of soil BTEX fluxes to stimulated nitrogen desposition in two domainated forests of Dinghushan,China[J].Ecology and Environmental Sciences,2015,24（3）：396-401.

[16]李新華,郭洪海,楊麗萍,等.黃河三角洲翅堿篷濕地硫化氫和羰基硫排放動(dòng)態(tài)研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35（2）：786-791.

LI Xin-hua,GUO Hong-hai,YANG Li-ping,et al.Study on dynamics of hydrogen sulfide and carbonyl sulfide emission fluxes from Suaeda salsa marsh in the Yellow River estuary[J].Environmental Science,2014,35（2）：786-791.

[17]Porre R J,Groenigen J W V,Deyn G B D,et al.Exploring the relationship between soil mesofauna,soil structure and N2O emissions[J].Soil Biology&Biochemistry,2016,96：55-64.

[18]Kenichi K,Haruo T,Katsuyuki M.Emission of dimethyl sulfide,carbonyl sulfide,and carbon bisulfide from paddy fields[J].Soil Science and Plant Nutrition,1992,38（4）：709-716.

[19]Whelan M E,Hilton T W,Berry J A,et al.Carbonyl sulfide exchange in soils for better estimates of ecosystem carbon uptake[J].Atmospheric Chemistry&Physics,2016,16：3711-3726.

[20]Devai I,Delaune R D.Formation of volatile sulfur compounds in salt marsh sediment as influenced by soil redox condition[J].Organic Geochemistry,1995,23（4）：283-287.

[21]Kesselmeier J,Hubert A.Exchange of reduced volatile sulfur compounds between leaf litter and the atmosphere[J].Atmospheric Environment,2002,36（29）：4679-4686.

[22]Berry J,Wolf A,Campbell J E,et al.A coupled model of the global cycles of carbonyl sulfide and CO2：A possible new window on the carbon cycle[J].Journal of Geophysical Research Biogeosciences,2013,118（2）：842-848.

[23]Kampichler C,Kandeler E,Bardgett R D,et al.Impact of elevated atmospheric CO2concentration on soil microbial biomass and activity in a complex,weedy field model ecosystem[J].Global Change Biology,1998,4（3）：335-346.

Effects of various environmental factors on carbonyl sulfide fluxes from typical sugarcane field soils in southern China

YIN Liang,ZHANG Li-li,CHEN Lu,WANG Xian-feng,HUANG Xing-ran,FANG Xiong,YI Zhi-gang*
（Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation,College of Resources and Environment,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China）

This study aimed to better understand the influence of global climate change on soil carbonyl sulfide（COS）.Dynamic chamber and gas chromatography-mass spectrometry methods were used to investigate the effects of various environmental factors（i.e.temperature,soil water content and carbon dioxide（CO2）concentrations）on soil COS fluxes under laboratory conditions.Soil cores were collected from typical sugarcane fields in south China.Parts of the soil cores were collected without disturbance（i.e.,intact soil cores）,whereas the remaining were broken and mixed after passing through an 8-mm mesh sieve（i.e.,disturbed soil cores）.The results showed that COS fluxes from the intact soils were significantly different from those of the disturbed soils.The COS emission rates from intact soils were higher than those from the disturbed soils,whereas the COS uptake rates showed an inverse pattern.COS uptake rates were reduced remarkably after sterilization,indicating that they were mainly controlled by biological processes.Temperature significantly influenced the COS fluxes of disturbed soils,and the lowest COS uptake rate（100.4 pmol·m-2·s-1）occurred at 25 ℃ .Soil water content significantly affected the COS fluxes in intact soils,and the lowest COS uptake rate（0.9 pmol·m-2·s-1）occurred at 50%water holding capacity.High ambient CO2concentration（8520 mg·m-3）inhibited COS emission from intact soils.The results suggested that the effects of soil structure,temperature,humidity,and ambient CO2concentration should be considered when estimating the global soil COS fluxes.

carbonyl sulfide;intact soils;disturbed soils;environment factors;sugarcane field soils

2017－05－08 錄用日期：2017－09－01

印 亮（1991—），男，江蘇泰興人，碩士研究生，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail：914939375@qq.com

*通信作者：易志剛 E-mail：zgyi@fafu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41173090，JA12087，41473083）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41173090，JA12087，41473083）

X511

A

1672-2043（2017）12-2493-07

10.11654/jaes.2017-0666

印 亮，張麗麗，陳 鷺，等.不同環(huán)境因子對(duì)南方典型蔗田土壤羰基硫通量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（12）：2493-2499.

YIN Liang,ZHANG Li-li,CHEN Lu,et al.Effects of various environmental factors on carbonyl sulfide fluxes from typical sugarcane field soils in southern China[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2493-2499.