竹叶及其生物质炭输入对板栗林土壤N2O通量的影响

2016-08-30肖永恒李永夫王战磊姜培坤周国模

植物营养与肥料学报 2016年3期

关键词：竹叶板栗通量

肖永恒，李永夫, 2 *，王战磊，姜培坤, 2，周国模, 2，刘娟, 2

(1 浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江临安 311300；2 浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江临安 311300)

竹叶及其生物质炭输入对板栗林土壤N2O通量的影响

肖永恒1，李永夫1, 2 *，王战磊1，姜培坤1, 2，周国模1, 2，刘娟1, 2

板栗林； N2O通量；生物质炭；竹叶

氧化亚氮(N2O)作为温室气体的主要组成部分，其浓度正在持续上升。N2O在大气中的增温效应极强，以百年为尺度单位，单位质量的N2O增温效应是CO2的298倍[1]，因此，降低大气中N2O浓度对于缓解全球温室效应的不断加剧趋势以及维持全球生态平衡具有非常重要的意义[2]。陆地生态系统是N2O气体的主要排放源之一，以往对陆地生态系统土壤N2O通量的研究大多集中在农田，但对人工林生态系统土壤N2O通量的研究较少。目前，全世界人工林面积已达2.27亿公顷[3]，研究人工林生态系统的N2O排放通量对于减缓全球气候变暖的趋势以及增加陆地生态系统的碳汇功能具有重要的理论意义与实践价值[1, 3-4]。

板栗(Castaneamollissima)是中国重要的经济树种之一。目前我国板栗林面积已达125万公顷，占全世界板栗林面积的38%[5]。为了提高板栗林产量和经济收益，经营者一般会对板栗林进行集约化经营管理。目前，板栗林的集约经营管理措施主要包括施用化肥、林地翻耕及去除林下植被等。虽然集约经营措施可以显著提高板栗林的产量，在短时间内得到经济效益的最大化，但是长期集约经营会对板栗林生态系统产生负面影响，如土壤碳储量和土壤微生物活性显著降低，土壤肥力下降，水土流失现象增加等[6]进而严重影响了板栗林的可持续经营。

生物质炭是一种新型材料，是由生物质在高温、厌氧条件下热裂解而成的多孔炭质固体，具有高度热稳定性和易吸附性的特点，其输入土壤后可以改变土壤理化特性、土壤肥力等，从而影响土壤温室气体的排放[7-9]。由于生物质炭材质、热解温度以及土壤类型和施用时间等都会对生物质炭的生态功能产生影响，因此，目前国内外对生物质炭影响土壤温室气体排放方面的研究结果也不尽一致[10]。Scheer等[9]研究结果表明，输入生物质炭可以显著减少草地土壤N2O的排放通量。张斌等[11]的研究结果也表明，生物质炭的输入显著降低了水稻土N2O的排放通量。Wu等[12]研究发现，输入小麦秸秆生物质炭也减少了土壤N2O的排放通量。而Spokas等[13]的研究结果表明，低剂量生物质炭的输入对土壤N2O排放无显著影响，高剂量生物质炭的输入显著降低了土壤N2O排放。以往有关生物质炭输入对土壤N2O排放通量的研究主要集中于农田土壤[11, 14]，而有关生物质炭输入对人工林土壤N2O排放通量的影响研究在国内外尚鲜有报道。本研究拟以板栗人工林为研究对象，研究竹叶及其生物质炭处理对土壤N2O排放、土壤碳库以及氮库特征的影响，并探讨不同处理条件下板栗林土壤N2O通量与环境因子之间的关系，为调控亚热带人工林土壤N2O排放通量提供理论基础与科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

本研究的试验区位于浙江省临安市三口镇葱坑村(30°14′N, 119°42′E)。该地区年平均气温15.8℃，有效积温5760℃，无霜期236 d，年日照时数1930 h，年均降水量1424 mm，是典型的亚热带湿润性季风气候。在本试验研究期间(2012年7月2013年7月)，该研究区的月平均温度和月累计降水量情况如图1所示。试验样地为板栗林，该地区海拔为150200 m，位于典型江南低山丘陵地区，土壤类型为黄红壤。该地区是在天然常绿阔叶林基础上经人工改造而成的板栗林，林龄为21年，种植密度520 plant/hm2，平均胸径为14.6 cm。板栗林样地实行典型的集约经营管理模式，每年5月份进行施肥，施肥后进行地表翻耕，林下留有少量灌木与杂草。

2012年6月，进行野外调研，在研究区中选择符合本试验要求且长势良好的板栗林地作为试验样地。在进行试验处理前，采集试验区的土壤样品。试验区土壤有机碳含量15.63 g/kg、全氮1.64 g/kg、碱解氮82.18 mg/kg、有效磷6.84 mg/kg、速效钾79.5 mg/kg、pH值4.52。砂粒含量 296 g/kg，粉粒含量 397 g/kg，粘粒含量 307 g/kg。

图1　试验期间月累积降水量和月平均温度Fig.1　Monthly cumulative rainfall and mean air temperature during the experimental period

1.2试验设计

2012年7月，在板栗林地上布置试验处理。试验设3个处理： 1)对照(不进行处理)； 2)竹叶处理； 3)生物质炭处理。每个处理3次重复，小区面积96 m2(8 m×12 m)，随机分布，每个试验小区内有89棵板栗树，试验小区之间的间隔距离为3 m。施入生物质炭的处理，其生物质炭由浙江布莱蒙农业科技股份有限公司生产，该生物质炭是由竹叶在缺氧环境中经500℃热裂解制备而成。施入竹叶的处理，其竹叶与生物质炭所用竹叶采样区和采集时间均相同。竹叶和竹叶生物质炭的含碳量分别为447和648 g/kg，施入量分别为7.25和5.00 t/hm2，竹叶和生物质炭两个处理的碳施入量相同。竹叶和生物质炭经过烘干粉碎过2 mm筛，并于2012年7月29日采用撒施的方法施入，并对20 cm表层土壤进行翻耕。翻耕后在每个小区布置1个静态箱。在试验处理后的第1、4、7、14、21、28、35、42、49、56、63 d进行气体样品采集，随后每半月采集样品一次，两个月后每月采集一次，至12个月。每次采样时选择晴朗天气。土壤样品每月采集一次，在小区以五点法采样。

1.3样品的采集与测定

1.3.1气体样品的采集与测定土壤N2O排放通量的测量方法为静态箱—气相色谱法。采样箱为组合式PVC塑料板箱，由箱盖和底座两部分组成，箱盖的规格为30 cm×30 cm×30 cm，底座的规格为0.3 m×0.3 m×0.1 m，采气孔在箱盖顶部中心。采样气袋为铝箔材质的密闭性气袋，由大连光明化工设计研究院生产。在天气晴朗的上午9:0011:00进行采样。采样前，首先将适量蒸馏水倒入底座的凹槽中，以确保箱盖与底座完全密闭，然后将箱盖插入底座的凹槽中。用50 mL注射器在采样箱顶部的采气孔插入，为确保箱体内空气密度均匀，抽气打气进行34次，然后分别于0、10、20和30 min采集气样，抽完气后立即注入相应编号的气袋。

采取样品结束后，在24 h内利用岛津GC-2014气相色谱仪测定N2O浓度[28]。

土壤N2O通量的计算公式为[15]：

(1)

土壤N2O累积通量的计算公式如下：

(2)

图2　板栗林土壤及MBN(d)的季节动态变化Fig.2　Seasonal variations in soil -N concentration (a), -N concentration (b), soil water soluble organic N (WSON) concentration (c), and microbial biomass N (MBC) (d) in a Chinese chestnut plantation

式(2)中，Mg为N2O累积排放量 [kg/(hm2·a)]；R为土壤N2O排放通量[μg/(m2·h)]，t为采样时间，i为采样次数，n为总测定次数，ti+1-ti为两次采样的间隔天数。

1.4数据处理

2　结果与分析

2.1竹叶及其生物质炭输入对土壤氮库动态变化的影响

图2c显示，土壤WSON含量表现为秋、冬较低，春、夏较高，与气温的变化略呈正相关。对照、竹叶和生物质炭处理的土壤WSON含量年均分别为7.83、8.77和7.66 mg/kg，最高值分别为9.20、10.25和8.35 mg/kg，最低值分别为5.92、5.68和6.47 mg/kg。与对照相比，竹叶处理的土壤WSON含量显著增加(P<0.05)，而生物质炭处理无显著影响。竹叶和生物质炭处理的土壤WSON含量的年均值分别比对照增加了12%和-2.1%。

图2d可见，土壤MBN含量随季节的变化明显，春、秋季节较高，冬夏季节较低。土壤MBN含量在对照、竹叶和生物质炭处理下的年均值分别为29.84、 35.55和32.57 mg/kg。与对照相比，竹叶处理土壤MBN含量显著增加(P<0.05)，而与生物质炭处理无显著差异。

2.2竹叶及其生物质炭输入对土壤N2O通量的影响

由图3可以看出，板栗林土壤N2O通量随季节的变化明显，在夏季7月份出现峰值，在冬季1月份出现谷值。在试验初期对样地进行处理后，竹叶处理的土壤N2O通量明显增加(79月份)，并在8月5日出现最大值N2O 65.44 μg/(m2· h)，生物质炭处理显著降低土壤N2O通量(P<0.05)，在1月30日出现最低值，半月后各处理均呈降低趋势。2012年12月2013年6月，土壤N2O通量对照和竹叶处理与生物质炭处理均无显著差异，2013年7月，竹叶与生物质炭处理之间出现显著差异，而与对照之间无显著差异。通过图3和图4可以看出，对照、竹叶和生物质炭的土壤N2O通量的年均值分别为N2O 33.05、38.75和23.97 μg/(m2·h)，与对照相比，土壤N2O年平均通量和年累积排放量在竹叶处理下分别增加了17.2%和12.8%，在生物质炭处理下分别降低了27.5%和20.5%。结合图3和图4及以上分析可知，竹叶处理的土壤N2O年均通量和年累积排放显著增加，生物质炭处理显著降低(P<0.05)。

图3　竹叶及其生物质炭输入对板栗土壤N2O排放通量季节变化特征的影响Fig.3　Effects of bamboo leaves and their biochar additions on the seasonal variation of soil N2O flux in a Chinese chestnut plantation

图4　竹叶及其生物质炭输入对板栗林土壤N2O年累积排放量的影响Fig.4　Effects of bamboo leaves and their biochar additions on annual cumulative soil N2O flux in a Chinese chestnut plantation[注(Note): 柱上不同字母表示处理间差异达5%水平Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% levels.]

2.3土壤N2O通量与土壤环境因子的关系

表1　板栗林土壤N2O排放通量与0—5 cm土层各环境因子之间的相关性(n=12)

注(Note): WSOC— Water soluble organic carbon; WSON—Water soluble organic N; MBC —Microbial biomass C; MBN—Microbial biomass N.

3　讨论

3.1竹叶及其生物质炭输入对土壤N2O通量的影响

从试验结果可以看出，新鲜竹叶的输入明显增加了土壤N2O年均排放量和累积排放量(P<0.05)(图3和图4)。Cheng等[17]通过室内培养试验研究了小麦秸秆输入对黑钙土N2O的影响，其研究结果与本试验相符。Li等[18]的研究结果也表明，水稻秸秆输入增加了土壤N2O的排放。新鲜竹叶的输入增加土壤N2O通量的原因可能为： 1)新鲜竹叶输入土壤后增加了土壤孔隙，为土壤硝化微生物的生长提供较好的生长环境[17-18]； 2)新鲜竹叶的输入增加了土壤有机质含量，为硝化反应提供了大量的反应底物，反应过程中释放热量从而提高了其反应速率，增加了土壤N2O排放[21]。但是Wu等[12]通过黑钙土室内培养试验则发现，输入小麦秸秆后，土壤N2O通量并没有显著增加，反而呈现下降趋势。以上的不同研究结果说明，输入不同材质的生物质炭材料对土壤N2O排放通量影响不同，并且此影响还会因试验样地位置及其管理方式、测定方法以及试验的研究时间等因素的不同而呈显著差异。

从试验结果可以看出，输入生物质炭明显降低了土壤N2O年均排放量和累积排放量(图3和图4)。这与前人[7-9]的研究结果一致，并且Wu等[12]的研究结果发现，生物质炭的输入量与土壤N2O的排放量呈反比；Spokas等[13]研究了木屑生物质炭输入对土壤温室气体排放的影响，结果表明低剂量生物质炭输入对土壤N2O排放量无显著影响，而高剂量生物质炭输入显著降低N2O排放。输入生物质炭可以降低土壤N2O排放量的原因可能为： 1)生物质炭的输入增加了土壤孔隙，使得土壤通气性提高，促进了有氧环境的形成，抑制了厌氧微生物的生长，最终降低了土壤N2O排放通量[12-19]； 2)生物质炭具有多孔的芳香性结构和不易降解的特征，吸附了大量的土壤酶，影响了硝化和反硝化反应的进行，使得N2O排放通量降低[7-8]； 3)生物质炭可以修改根部区域的植物和微生物的共生关系，从而影响土壤微生物群落功能，使得N2O排放通量降低。由本研究结果可知，在试验初期阶段，生物质炭处理下的土壤N2O排放速率明显低于对照，而经过半年后，生物质炭和对照两种处理下的N2O排放无显著差异。Karhu等[20]和Cheng等[17]研究也发现在试验处理半年后生物质炭和对照处理无显著差异。这种结果可能是由于生物质炭较高的固碳特性，在短时间内起到了吸附效果，但随着时间的推移，吸附能力逐渐下降，与对照处理无显著差异。相反，Clough等[21]研究发现，生物质炭与牛尿混合后输入明显增加了土壤N2O排放量。以上结果表明，生物质炭类型和用量是影响土壤N2O通量的主要因子，而试验样地土壤类型以及其他环境因素也会对土壤N2O通量产生显著影响[17, 20-21]。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

3.2竹叶及其生物质炭输入对土壤氮库的影响

3.3土壤环境因子对土壤N2O通量的影响

竹叶或者生物质炭的输入会对土壤温度、土壤含水量等土壤环境因子产生影响[26-27]。本试验结果表明，土壤N2O通量与土壤温度(表层5 cm处)具有显著的相关性(表1)，这与Scheer等[9]对生物质炭(由牧场废弃物在550℃经45分钟热裂解而制成)输入草地对土壤温室气体排放的影响和Liu等[4]开展的环境因素影响硬叶林土壤N2O排放的研究结果相符。因为在较高的土壤温度下土壤微生物活性增强，从而使土壤N2O排放量增加。然而，Karhu等[20]在生物质炭输入土壤的短期试验研究中发现，生物质炭和对照处理下土壤温度与土壤N2O通量均无相关性。以上不同效果可能是由于土壤质地、土壤水分、样地类型和管理措施等的不同造成的[9, 20]。

土壤含水量是影响土壤N2O排放速率的重要因素，主要表现在土壤水分可以影响土壤孔隙和养分传输，从而影响土壤中的反硝化反应，从而对土壤N2O的排放速率产生影响[9, 20]。在本试验中，生物质炭处理的土壤含水量与土壤N2O通量具有显著相关性(P<0.05)，而对照和竹叶处理与土壤N2O通量没有显著的相关性。Saarnio等[28]在研究生物质炭(在较低温度条件下慢速热解而成)输入对土壤N2O通量影响的研究也发现类似的结果。其主要原因可能是，生物质炭的输入增加了土壤孔隙结构并提高了土壤含水量，从而增强了土壤含水量与土壤N2O通量的相关性[28]。而Tang等[29]的研究表明，在松树林以及不对林下凋落物进行处理的混合林中，土壤含水量与土壤N2O通量均没有显著相关性，而在常绿阔叶林以及去除林下凋落物的混合林中均具有显著相关性。造成这种差异的原因可能是植被特征、林地类型、集约管理程度等的不同所致[29]。

在本研究中，竹叶处理的土壤WSON和MBN含量显著增加，生物质炭处理二者无显著差异(图2c、 d))。土壤WSON与土壤N2O通量在对照和竹叶处理中具有显著相关性，而在生物质炭处理上无显著相关性(R2=0.254,P> 0.05)。造成以上结果的原因可能是竹叶的输入提高了土壤有机碳的含量，同时增加了土壤C/N比，因此土壤有机氮的含量提高；而生物质炭的输入虽然提高了土壤的固碳潜力，但由于其不易分解，因此使土壤WSON的含量降低[31]，其与土壤N2O排放通量的相关性也明显降低。土壤MBN含量与N2O排放通量无显著相关性(表1)。但在Muhammad等[32]研究中发现，在土壤中输入作物残余物，土壤MBN与N2O排放通量具有显著负相关，而Lou等[33]在水稻田的研究中发现，输入作物残余物后，土壤MBN与N2O通量具有显著正相关。以上研究结果存在的差异可能是因为土壤质地、土壤水分、样地类型等的不同，导致土壤矿化氮的速率不同，从而引起土壤氮库的差异所致[32-33]。

本研究结果表明，竹叶和生物质炭处理的土壤WSOC和MBC含量均比对照显著增加(图2)，这与前人[26, 34]的研究结果一致。生物质炭和竹叶处理的土壤WSOC与N2O通量具有显著的正相关。Lin等[35]和张蛟蛟等[36]也发现类似的情况。其原因可能是生物质炭具有不稳定成分，在试验过程中增加了土壤WSOC含量，土壤WSOC作为土壤重要的碳源，其含量的增加为土壤微生物提供了充足的养分和反应底物，提高了微生物活性，进而促进了土壤N2O的排放[35-36]。但是3种处理的土壤MBC含量与N2O排放通量均没有显著的相关性(表1)，这与张蛟蛟等[36]的研究结果一致。但Dabek-Szreniawska等[37]对壤质沙土和Lou等[33]对水稻田的研究结果却与本试验结果相反，可能与研究的土壤质地以及生物质炭的材质等因素的不同有关。Muhammad等[32]的研究发现，添加作物残余物后，土壤MBC与N2O通量具有显著负相关。Lin等[35]研究表明，水稻田、林地和丘陵山地的土壤MBC与N2O通量均具有显著正相关，而在土壤含水量较低的果树林地(低于32%)中二者则无显著的相关性。上述研究表明，土壤MBC虽对土壤微生物的生长有显著影响，但可能不是影响土壤N2O排放通量的主要因素[4, 18]。土壤WSOC和MBC含量对土壤N2O排放的影响会因土壤质地、水分状况、林地类型和管理措施等不同而有所不同[26, 32, 34]。

4　结论

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Effects of bamboo leaves and their biochar additions on soil N2O flux in a Chinese chestnut forest

XIAO Yong-heng1, LI Yong-fu1, 2 *, WANG Zhan-lei1, JIANG Pei-kun1, 2, ZHOU Guo-mo1, 2, LIU Juan1, 2

(1ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestration,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an,Zhejiang311300,China; 2TheNurturingStationfortheStateKeyLaboratoryofSubtropicalSilviculture,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an,Zhejiang311300,China)