王小鴿 彭長(zhǎng)輝 薛 巍 王 輝 李衛(wèi)忠

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

由全球變暖導(dǎo)致的區(qū)域降水格局改變、物種消失及極端天氣增加等效應(yīng)，極大地改變著地球生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生存環(huán)境[1]。N2O 是3 種主要的溫室氣體之一，不僅能破壞臭氧層而且具有較高的全球增溫潛勢(shì)，它的輻射增溫潛勢(shì)是CO2的298 倍，且在大氣中停留時(shí)間達(dá)118 年之久[2]。工業(yè)革命以來(lái)，大氣中N2O 的濃度增加了20%[3]，未來(lái)其溫室效應(yīng)可能會(huì)超過(guò)CO2[1,3]，將進(jìn)一步加劇氣候變暖趨勢(shì)。

土壤是N2O 的主要排放源，其中森林土壤N2O 年排放量約為2.88～7.42 Tg，占全球土壤總排放量的60%[4-5]。N2O 的產(chǎn)生與氮素的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程緊密相關(guān)，特別是硝化和反硝化過(guò)程。其中土壤溫度、濕度、土壤碳氮含量及pH 值等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)N2O 產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[6-7]。全球氣候變暖背景下，森林土壤微生物活性、有機(jī)質(zhì)及凋落物的分解速率等發(fā)生了改變，進(jìn)而影響著森林土壤N2O 的排放[5,8]。因此有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O 排放對(duì)氣候變暖的響應(yīng)規(guī)律的研究引起廣泛關(guān)注。已有學(xué)者通過(guò)模擬增溫實(shí)驗(yàn)，研究了農(nóng)田、草地、泥炭地、森林等生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)[9-12]。國(guó)內(nèi)森林土壤氮循環(huán)的增溫控制實(shí)驗(yàn)研究較少，主要集中在寒溫帶高緯度高海拔及亞熱帶地區(qū)[12-14]。其中，唐偲頔等[12]在亞熱帶森林的研究中發(fā)現(xiàn)增溫處理顯著降低了土壤硝態(tài)氮含量和土壤N2O 通量。魯旭陽(yáng)等[14]對(duì)中國(guó)貢嘎山東部冷杉（Abies fabri）林的研究結(jié)果表明，增溫使土壤N2O 排放有所增加。不同的研究結(jié)果表明不同氣候帶森林土壤N2O 排放對(duì)氣候變化響應(yīng)有較大差異。溫帶地區(qū)受雨熱同期的影響，森林土壤溫度和濕度變化劇烈，在一定程度上影響著該氣候帶內(nèi)森林土壤N2O 的排放。隨著全球氣候變暖，研究升溫對(duì)溫帶森林土壤N2O 通量的變化，對(duì)了解和評(píng)估氣候變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)具有重要意義。

秦嶺是我國(guó)暖溫帶與北亞熱帶氣候的分界線，屬我國(guó)氣候變化敏感區(qū)域。過(guò)去40 年我國(guó)秦嶺地區(qū)呈現(xiàn)平均氣溫增加和降雨減少的變化趨勢(shì)[15]，增溫干旱可能是未來(lái)100 年的變化趨勢(shì)，因此，在此開(kāi)展增溫對(duì)森林土壤N2O 通量的影響研究，對(duì)于了解氣候變化對(duì)該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過(guò)程具有重要價(jià)值。本研究以秦嶺主要植被類(lèi)型銳齒櫟（Quercus alienavar.acutiserrata）林為研究對(duì)象，通過(guò)2 a 野外模擬增溫試驗(yàn)對(duì)秦嶺土壤N2O 通量開(kāi)展研究，分析氣候變暖對(duì)N2O 通量的影響和關(guān)鍵控制因子，以期為我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程在對(duì)氣候變化響應(yīng)的模擬提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省寧陜縣境內(nèi)的火地塘林區(qū)（33°18′～33°28′N(xiāo)，108°21′～108°39′E）。該地區(qū)屬于暖溫帶濕潤(rùn)氣候，年均氣溫為8～10 ℃，年均降水量為900～1200 mm，且多集中在每年的7—9 月，占全年降水量的50%。該區(qū)域海拔在800～2500 m，地形地貌復(fù)雜，山勢(shì)陡峭，一般坡度在30°～50°。土壤主要為山地棕壤土，有機(jī)層以及礦質(zhì)層的平均厚度約為50 cm。區(qū)內(nèi)森林植被類(lèi)型主要是在20 世紀(jì)60—70 年代森林的全面皆伐后形成的天然次生林，類(lèi)型復(fù)雜多樣，平均林齡在25～35 a，主要的植被類(lèi)型為華山松（Pinus armandii）、油松（Pinus tabulaeformis）、銳齒櫟、秦嶺冷杉（Abies chensiensis）、紅樺（Betula albosinensis）、云杉（Picea asperata）、鵝耳櫪（Carpinus turczaninowii）等。

2 研究方法

2.1 增溫裝置及環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

在火地塘林區(qū)選擇典型的銳齒櫟林，選取地勢(shì)相對(duì)平坦的3 個(gè)30 m×30 m 標(biāo)準(zhǔn)樣地。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中，按隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求重復(fù)設(shè)置6 塊3 m×4 m 小樣方，彼此間隔5 m 以上。在每個(gè)樣方內(nèi)參照國(guó)際開(kāi)頂式增溫法（OTC）進(jìn)行土壤的增溫。OTC 增溫主要依靠聚集太陽(yáng)輻射和減緩風(fēng)速來(lái)進(jìn)行增溫，是一種被動(dòng)增溫方法。已有文獻(xiàn)顯示[16-17]，OTC 增溫處理可使空氣溫度增加2～6 ℃，土壤溫度增加0.5～5.0 ℃。本研究中OTC 是由8 mm 厚的透明丙烯酸樹(shù)脂（透光率達(dá)95%）制成的六邊形開(kāi)頂式增溫小室（圖1），上下底邊分別長(zhǎng)70 cm 和100 cm，地面傾角60°，離地面垂直高度52 cm，側(cè)邊長(zhǎng)60 cm，高58.1 cm，上下底面積分別為1.273 m2和2.598 m2。保持林下植被自然狀態(tài)，于2016 年6 月底安裝OTC 裝置，在每個(gè)增溫小區(qū)對(duì)角線中間離地高1.3 m 處安置S?THB?M008 溫濕度傳感器（ONSET，美國(guó)），在OTC 內(nèi)地表以下5 cm 和10 cm 的土壤中安裝紐扣式數(shù)字溫度傳感器（WatchDog B100 SPECTRUM Co.，美國(guó)）。所有傳感器均連接到數(shù)據(jù)記錄儀（H21?USB），每小時(shí)記錄1 次，并計(jì)算日平均溫度。

圖1 開(kāi)頂式生長(zhǎng)室示意圖Fig.1 Schematic diagram of open top chamber

采用靜態(tài)箱法測(cè)定土壤N2O 通量，頂箱由1 個(gè)直徑為25 cm PVC 圓柱管和1 個(gè)永久性頸圈組成，高50 cm。底座直徑為25 cm，高20 cm。頂端有2.5 cm 的平臺(tái)，用于與頂箱上的密封條對(duì)接，下端插入土壤內(nèi)10 cm。采樣時(shí)將頂箱緊密扣在地箱上。觀測(cè)過(guò)程中地箱位置固定不變，以保證底座底部?jī)?nèi)的植被和土壤擾動(dòng)最小。

2.2 樣品采集與處理

2016 年7 月至2018 年6 月，采集樣地內(nèi)土壤N2O 通量進(jìn)行測(cè)定。生長(zhǎng)季（5—10 月）每月2 次，非生長(zhǎng)季（11 至次年4 月）每月1 次。2017年10 月和2018 年1 月、4 月和6 月在測(cè)定土壤N2O 氣樣的當(dāng)日，分別采集小樣方內(nèi)0～20 cm 深度的土壤，每個(gè)小樣方內(nèi)隨機(jī)選取6 個(gè)采樣點(diǎn)，每點(diǎn)取3 鉆，人工去除植物根系、動(dòng)植物殘?bào)w和石塊等雜物，混合均勻后立即送往實(shí)驗(yàn)室。4 ℃冰箱儲(chǔ)存，用于測(cè)定土壤含水量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有機(jī)碳、全氮等指標(biāo)。

2.3 N2O 通量測(cè)定

先將靜態(tài)箱安置在底座上，迅速用膠帶密封，立即用10 mL 一次性真空采血針管從靜態(tài)箱中抽取氣體，采樣時(shí)間間隔為0、5、10、15、20 min，讀取0、20 min 時(shí)的箱內(nèi)溫度，并將采樣管密封低溫保存，將所取的氣樣在24 h 內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。采樣時(shí)間為10：00—11：00，并以此時(shí)測(cè)定值代表日均交換通量[5]。采回的氣樣用氣相色譜儀（Agilent 7890，Agilent Co.，USA）測(cè)定N2O 濃度。N2O 檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器（ECD），檢測(cè)器、分離柱的溫度分別是330、60 ℃，載氣為高純氮?dú)?，流速?0 mL/min。N2O通量（F）采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

2.4 土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮測(cè)定

取10.0 g 干土質(zhì)量的新鮮土樣，置于清洗干凈的廣口聚乙烯瓶，加入50 mL 2 mol/L 的KCl 溶液，震蕩1 h，取直徑為9 cm 的定量濾紙過(guò)濾后的液體，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalar Santt，Skalar Co.，荷蘭）測(cè)定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。稱(chēng)取0.5 g 干土質(zhì)量的新鮮土樣，置于清洗干凈的廣口聚乙烯瓶，加入50 mL 去離子水，震蕩1 h，取直徑為9 cm 的定量濾紙過(guò)濾后的液體，用總碳分析儀（Liquil TOC Ⅱ，Elementar，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，總氮含量用凱氏定氮儀測(cè)定（KjeltecTM8400 Analyzer，F(xiàn)oss，瑞典）。

2.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 13.0 和SigmaPlot 12.5 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較處理間差異顯著性，Pearson 相關(guān)性分析檢驗(yàn)土壤N2O 通量與土壤溫度、土壤含水率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和土壤有機(jī)碳、全氮含量之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫對(duì)小氣候的影響

由圖2 可以看出，增溫條件下，2016 年7 月至2018 年6 月期間，地表以下5 cm 處溫度（T5）、地表以下10 cm 處溫度（T10）和氣溫平均溫度值分別比對(duì)照提高0.25、0.43 ℃和1.1 ℃，氣溫的增溫幅度最高。不同季節(jié)之間，與對(duì)照相比，T5和T10均在夏季增溫幅度最大，平均增幅大于1 ℃。春季次之，秋季和冬季幾乎沒(méi)有變化。增溫條件下土壤含水量并沒(méi)有顯著下降，在6 月、7 月、9 月，比對(duì)照平均增加了12.3%?？赡苁且?yàn)樵诮涤炅肯鄬?duì)較多的月份，增溫可能會(huì)促進(jìn)土壤含水量的增加[18]。本研究區(qū)域由于降雨量多集中在夏季，增溫使含水量增加的作用也相對(duì)明顯。不同增溫時(shí)期，與對(duì)照相比，隨著增溫時(shí)間延長(zhǎng)，土壤T5的平均溫度先降低后增加，而土壤T10的平均溫度則呈下降趨勢(shì)。同時(shí)土壤平均含水量隨著增溫時(shí)間的延長(zhǎng)總體也呈下降趨勢(shì)。

圖2 OTCs 增溫條件下土壤5、10 cm、大氣日平均溫度和土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of soil temperature at 5 cm and 10 cm,daily mean air temperature and water-filled pore space after soil warming

3.2 增溫對(duì)土壤N2O 通量的影響

由圖3 可知，增溫條件下，銳齒櫟林土壤N2O 年排放量為(1.88±0.57) kg/(hm2·a)，與對(duì)照相比，增溫處理使銳齒櫟林土壤N2O 通量顯著增加了13.9%。不同季節(jié)增溫效果存在差異：與對(duì)照相比，增溫顯著增加了銳齒櫟林春季（21.2%）和夏季（17.6%）的土壤N2O 通量（P<0.05）（圖4）。與對(duì)照相比，增溫初期N2O 增加幅度較大，隨著增溫時(shí)間延長(zhǎng)，土壤平均N2O 通量總體呈降低趨勢(shì)。

圖3 增溫條件下土壤N2O 通量動(dòng)態(tài)變化特征Fig.3 Dynamics of soil N2O flux after soil warming

圖4 增溫條件下土壤N2O 通量季節(jié)變化Fig.4 Season patterns of soil N2O flux after soil warming

3.3 增溫對(duì)土壤碳氮含量的影響

增溫處理使土壤碳氮含量發(fā)生顯著變化（表1）。與對(duì)照相比，增溫處理使土壤銨態(tài)氮含量下降了7%，硝態(tài)氮含量增加8.4%（P<0.05），其中硝態(tài)氮含量差異顯著（除1 月外）（P<0.05）；與對(duì)照相比，增溫處理顯著降低了銳齒櫟林土壤有機(jī)碳含量（除1 月外）（P<0.05），分別下降了33.06%、20.34%、30.3%和37.48%。土壤增溫顯著降低了銳齒櫟林土壤全氮含量的含量，2017 年10 月至2018 年6 月，平均下降了34.9%。土壤增溫顯著提高了10 月和1 月的C/N（P<0.05），分別增加了11.7% 和15.6%，但6 月下降了3.4%。

表1 增溫條件下土壤碳氮含量Table 1 Soil carbon-nitrogen contents after soil warming

3.4 增溫條件下土壤N2O 與土壤特性的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果顯示（表2），銳齒櫟林土壤N2O 通量與土壤溫度、含水量、硝態(tài)氮，均具有顯著的正相關(guān)（P<0.05），與土壤有機(jī)碳含量具有顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。土壤有機(jī)碳含量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮有明顯的正相關(guān)。增溫條件下銳齒櫟林土壤溫度和硝態(tài)氮含量與土壤N2O 通量的相關(guān)系數(shù)較高。

表2 增溫條件下土壤N2O 通量與土壤特性的Person 相關(guān)性分析Table 2 Person correlation analyses of N2O flux and soil characteristics after soil warming

4 結(jié)論與討論

N2O 是重要的溫室氣體，土壤N2O 的產(chǎn)生與N 循環(huán)過(guò)程密切相關(guān)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)有重要作用。大量研究顯示土壤溫度通過(guò)影響微生物活性進(jìn)而影響N2O 產(chǎn)生速度[5,19-21]。土壤增溫對(duì)N2O排放的影響是不一致的，研究認(rèn)為土壤增溫提高了微生物活動(dòng)，刺激氮礦化而使氮供應(yīng)增加，從而使N2O 排放升高[21-22]；另有研究認(rèn)為，在亞熱帶地區(qū)，增溫盡管增加了土壤的N 礦化率，但也使土壤N 淋溶大幅上升，減少了土壤中的硝態(tài)氮含量[23]。因此增溫對(duì)N2O 無(wú)影響。本研究中，增溫顯著增加秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 通量，但對(duì)各季節(jié)的影響不一致。以夏季和春季土壤N2O 通量增加幅度最大。這可能與研究區(qū)土壤水分的季節(jié)差異有關(guān)，夏季降水充沛，土壤濕度一直保持在較高的水平。當(dāng)水分并非限制因子時(shí)，土壤溫度的增加會(huì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解速率[24-25]，因此增溫處理導(dǎo)致了土壤N2O 排放通量的提高。而冬季當(dāng)溫度低于零度時(shí)，微生物活性受到抑制，土壤N2O 通量低于夏季。增溫后N2O 排放高峰出現(xiàn)在夏季，與土壤微生物活動(dòng)一致，加速了土壤N2O的排放。這個(gè)結(jié)果與前人研究一致[26-27]，認(rèn)為增溫對(duì)N2O 排放的影響只表現(xiàn)在生長(zhǎng)季，而非生長(zhǎng)季尤其是冬季由于溫度太低，N2O 排放量沒(méi)有影響。同時(shí)秦嶺山區(qū)雨熱同期，增溫并沒(méi)有引起土壤含水量的顯著下降，因此水分并不是影響該區(qū)域土壤N2O 排放的主要限制因子。盡管如此，銳齒櫟林土壤含水量依然與N2O 通量存在顯著的相關(guān)性，需要進(jìn)一步研究土壤水分N2O 排放的影響機(jī)制。

研究結(jié)果顯示，增溫條件下，銳齒櫟林土壤N2O 通量隨增溫時(shí)間的延長(zhǎng)總體呈下降趨勢(shì)，表明增溫初期，土壤溫度增加明顯，土壤微生物活性和對(duì)有機(jī)質(zhì)分解速率加快，隨著增溫時(shí)間延長(zhǎng)，土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)分解速率下降。

土壤有效氮是土壤中容易被吸收利用的氮，對(duì)氮循環(huán)有重要意義。多數(shù)研究表明溫度升高加速氮周轉(zhuǎn)速率，增加凈N 礦化率，從而增加了森林土壤無(wú)機(jī)氮含量[22,27-28]。高思齊等[19]研究報(bào)道，溫度升高使參與硝化和反硝化過(guò)程的氨氧化和反硝化細(xì)菌豐度顯著提高，說(shuō)明溫度升高有利于土壤反硝化和氨氧化過(guò)程，導(dǎo)致有效氮含量增加，促進(jìn)土壤N2O 的排放。研究結(jié)果顯示增溫顯著提高了秦嶺銳齒櫟林土壤硝態(tài)氮含量，N2O 的排放量增加。Brzostek 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，土壤增溫顯著增加了夏季土壤硝態(tài)氮含量，增加了生長(zhǎng)季土壤N2O 的排放。結(jié)果也顯示，6 月銳齒櫟林土壤硝態(tài)氮含量與對(duì)照相比顯著增加，夏季是土壤N2O 排放的高峰。有研究表明，土壤N2O 通量和土壤氮含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中與硝態(tài)氮呈顯著或極顯著正相關(guān)，這與本研究的結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 通量與硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，增溫使得土壤硝態(tài)氮含量增加，進(jìn)而促進(jìn)了土壤N2O 的排放。

土壤有機(jī)碳是大多數(shù)微生物的能量來(lái)源，通過(guò)控制土壤微生物的行為來(lái)影響N2O 的產(chǎn)生[19]。有機(jī)碳含量增加會(huì)促進(jìn)微生物活性和生長(zhǎng)，增加對(duì)氮素的消耗，因此研究認(rèn)為，有機(jī)碳含量升高，會(huì)導(dǎo)致N2O 排放降低[7,30]。本研究顯示增溫顯著降低了銳齒櫟林土壤有機(jī)碳含量，可能的原因是增溫能促進(jìn)土壤中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為氣體釋放或向溶解性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，從而引起土壤有機(jī)碳含量下降。這與王一[25]研究增溫對(duì)暖溫帶銳齒櫟林土壤有機(jī)碳含量影響的結(jié)果一致，主要是由于土壤有機(jī)碳的分解速率受微生物分解者的代謝活性調(diào)控，微生物分解者的代謝活性通常隨著溫度的增加而增加。劉彥春[17]研究也顯示，增溫使土壤有機(jī)碳含量下降，全氮含量增加，使得土壤N2O排放提供了更多的機(jī)質(zhì)。因此增溫促進(jìn)了土壤中有機(jī)碳的分解作用。

N2O 排放與土壤C/N 負(fù)相關(guān)，原因可能是因?yàn)楦叩腃/N 能使土壤氮固定，使土壤中可利用性氮含量減少，抑制N2O 排放[31]。有研究認(rèn)為溫度升高會(huì)提高森林土壤微生物數(shù)量及活性，進(jìn)而降低了土壤C/N。本研究發(fā)現(xiàn)增溫使銳齒櫟林土壤C/N 并未對(duì)N2O 通量產(chǎn)生顯著影響。

通過(guò)研究溫度升高對(duì)秦嶺銳齒櫟林土壤N2O 排放通量和控制因子的影響，本研究結(jié)果表明，OTC 增溫對(duì)春夏季土壤溫度影響明顯，對(duì)土壤含水量并沒(méi)有影響。增溫處理顯著增加了土壤N2O 通量，增溫效果和土壤N2O 通量表現(xiàn)出顯著的季節(jié)響應(yīng)差異，春季和夏季土壤N2O 通量增幅顯著。同時(shí)，隨著增溫時(shí)間延長(zhǎng)，土壤溫度、含水量及土壤N2O 通量總體呈下降趨勢(shì)。溫度升高改變了土壤碳氮含量，影響了N2O 通量的變化。增溫處理降低了土壤全氮的含量，但使土壤硝態(tài)氮含量增加，土壤有機(jī)碳含量下降。相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤溫度和硝態(tài)氮含量是影響土壤N2O 通量的關(guān)鍵因子。未來(lái)氣候變化過(guò)程中，土壤溫度的改變將會(huì)對(duì)該區(qū)域的碳氮循環(huán)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變?cè)搮^(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放過(guò)程。該研究結(jié)果對(duì)于揭示全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O 排放對(duì)全球N2O 排放的貢獻(xiàn)具有重要意義。