全 文 ：施肥对板栗林土壤CO2通量的影响
*
张蛟蛟1,2 摇 李永夫1,2**摇 姜培坤1,2 摇 周国模1,2 摇 沈振明3 摇 刘摇 娟1,2 摇 王战磊1,2
( 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; 3浙江省临安市林业技术服务总站, 浙江临安 311300)
摘摇 要摇 2011 年 6 月—2012 年 6 月,在浙江省临安市典型板栗林样地布置施肥试验,研究板
栗林土壤 CO2通量与环境因子的关系.试验设置不施肥(对照)、施无机肥、有机肥及有机无机
混合肥(1 / 2 无机肥 + 1 / 2 有机肥)4 个处理.利用静态箱法测定土壤 CO2排放速率,以及土壤
温度、含水量和水溶性有机碳(WSOC)含量.结果表明: 板栗林中土壤 CO2排放呈现显著的季
节性变化特征,最小值均出现在 2 月,最大值均出现在 7、8 月.施用无机肥、有机肥和有机无
机混合肥的土壤年累积 CO2通量比对照分别增加 29. 5% 、47. 0% 和 50. 7% .施用无机肥的土
壤WSOC含量(105. 1 mg·kg-1)显著高于对照(76. 6 mg·kg-1),但明显低于有机肥(133. 0
mg·kg-1)和混合肥处理(121. 17 mg·kg-1) .无机肥、有机肥和混合肥处理的土壤呼吸 Q10值
(1. 75、1. 49 和 1. 57)均高于对照(1. 47) .土壤 CO2排放速率与土壤 5 cm温度、WSOC 含量之
间呈极显著正相关,但与土壤含水量没有明显的相关性.施肥导致土壤 WSOC 含量增加可能
是板栗林地土壤 CO2排放速率增加的原因之一.
关键词摇 板栗林摇 CO2 摇 排放摇 施肥摇 水溶性有机碳
*国家自然科学基金项目(31170576)、浙江省科技厅重点项目(2011C12019)、浙江省重点科技创新团队项目(2010R50030鄄10)和浙江农林大
学青年教师创新团队项目(2009RC04)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yongfuli@ zafu. edu. cn
2012鄄11鄄06 收稿,2013鄄06鄄27 接受.
文章编号摇 1001-9332(2013)09-2431-09摇 中图分类号摇 S753. 53 摇 文献标识码摇 A
Effects of fertilization on soil CO2 flux in Castanea mollissima stand. ZHANG Jiao鄄jiao1,2, LI
Yong鄄fu1,2, JIANG Pei鄄kun1,2, ZHOU Guo鄄mo1,2, SHEN Zhen鄄ming3, LIU Juan1,2, WANG Zhan鄄
lei1,2 ( 1Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Se鄄
questration, Zhejiang A&F University, Lin爷an 311300, Zhejiang, China; 2Nurturing Station for the
State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A&F University, Lin爷 an 311300, Zhe鄄
jiang, China; 3Lin爷an Forest Technology Service General Station, Lin爷an 311300, Zhejiang, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(9): 2431-2439.
Abstract: In June 2011-June 2012, a fertilization experiment was conducted in a typical Castanea
mollissima stand in Lin爷an of Zhejiang Province, East China to study the effects of inorganic and
organic fertilization on the soil CO2 flux and the relationships between the soil CO2 flux and environ鄄
mental factors. Four treatments were installed, i. e. , no fertilization (CK), inorganic fertilization
( IF), organic fertilization (OF), half organic plus half inorganic fertilization (OIF). The soil CO2
emission rate was determined by the method of static closed chamber / GC technique, and the soil
temperature, soil moisture content, and soil water鄄soluble organic carbon (WSOC) concentration
were determined by routine methods. The soil CO2 emission exhibited a strong seasonal pattern,
with the highest rate in July or August and the lowest rate in February. The annual accumulative
soil CO2 emission in CK was 27. 7 t CO2·hm-2·a-1, and that in treatments IF, OF, and OIF was
29. 5% , 47. 0% , and 50. 7% higher than the CK, respectively. The soil WSOC concentration in
treatment IF (105. 1 mg kg-1) was significantly higher than that in CK (76. 6 mg·kg-1), but was
obviously lower than that in treatments OF (133. 0 mg·kg-1) and OIF (121. 2 mg·kg-1). The
temperature sensitivity of respiration (Q10) in treatments CK, IF, OF, and OIF was 1. 47, 1. 75,
1. 49, and 1. 57, respectively. The soil CO2 emission rate had significant positive correlations with
the soil temperature at the depth of 5 cm and the soil WSOC concentration, but no significant corre鄄
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 9 月摇 第 24 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2013,24(9): 2431-2439
lation with soil moisture content. The increase of the soil WSOC concentration caused by fertilization
was probably one of the reasons for the increase of soil CO2 emission from the C. mollissima stand.
Key words: Castanea mollissima; CO2 emission; fertilization; water鄄soluble organic C (WSOC).
摇 摇 自 19 世纪 50 年代以来,由于化石燃料的燃烧
和土地利用方式的变化,大气 CO2 浓度不断增
加[1] .据 IPCC预计,到 21 世纪中期,大气中 CO2 浓
度将是 19 世纪 50 年代的两倍多[2] . 目前全球土壤
碳储量(1500 Pg C)约是大气中碳储量的 2 倍[3] .全
球每年土壤 CO2 排放量在 68 ~ 75 Pg C,约占大气与
陆地生态系统交换碳总量的 25% [3-4],土壤碳库的
微小变化会显著影响大气中 CO2浓度. 森林是陆地
生态系统中最大的碳贮存库,占全球植被碳库的
86%和土壤碳库的 73% [5-6] .因此,森林在缓解全球
温室效应的影响和维持全球碳平衡方面扮演着十分
重要的角色.
土壤呼吸(土壤 CO2排放)是森林生态系统中
的碳释放到大气中的重要途径,也是大气中 CO2 重
要的源[7] .然而,森林土壤中的 CO2 排放长期受到
人为经营管理措施的影响,导致对森林土壤 CO2 排
放规律及碳汇特征很难做出准确的判断[8] . 经营管
理措施通过改变土壤的通气性、pH、温湿度及 C / N
等直接或间接地影响土壤微生物活性和有机物质分
解转化为 CO2 的过程[9] . 例如,土壤 CO2 排放速率
和土壤温湿度有很强的相关性[10-11] .在施肥对人工
林土壤 CO2 排放的影响方面,Mo 等[12] 和 Micks
等[13]研究发现,施加氮肥可以导致亚热带森林土壤
的呼吸速率减弱,土壤 CO2 排放减少;而 Deng等[14]
和 Iqbal等[15]研究表明,施用氮肥显著增加土壤
CO2 的排放.与单纯施用化肥相比,有机肥和无机肥
混合施用可以显著提高作物的产量和生物量[15-16];
而有机肥和无机肥混合施用对森林土壤碳汇的影响
尚鲜见报道.
板栗(Castanea mollissima)是我国重要的经济
树种之一,遍布全国 26 个省市,目前仅浙江省板栗
林面积就达到 7. 80 万 hm2,占全省经济林面积的
9郾 0% [18] .随着产业化结构的调整,板栗林中普遍采
用集约化经营模式,化肥施用量不断增加[19],使板
栗产量不断提高[20] . 但是,连续施用化肥造成土壤
肥力退化,土壤微生物生物量碳、氮下降等问题[21] .
目前有关施肥对板栗林地碳汇的研究尚未见报道.
本文以浙江临安的集约化经营板栗林为对象,研究
不同施肥处理对板栗林土壤 CO2 排放的影响,以及
其与环境因子的关系,旨在为科学估算我国亚热带
人工林森林土壤碳库动态和人工林生态系统碳平衡
研究提供基础资料.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
本试验地设置于浙江省临安市青山湖地区的天
泽果园(30毅 25忆 N, 119毅 86忆 E),系低山丘陵区,海
拔 150 ~ 250 m. 该地区属于典型的亚热带季风气
候, 年均气温为 15. 9 益,最高及最低气温分别为
31. 6 益和-2. 9 益,有效积温为 5774 益,年均降水
量 1450 mm,降水主要集中在 5—9 月,年日照时数
为 1774 h.试验期间降雨量和月平均温度见图 1.土
壤类型为黄红壤.试验样地是由常绿阔叶林改造而
来的板栗林地, 林龄为 18 a, 种植密度 540
株·hm-2,平均胸径 14. 1 cm,林下有少量灌木及杂
草.果园采用中等强度的集约经营模式,每年 5 月中
下旬对板栗林撒施肥料,然后作翻耕处理.
2011 年 2 月,通过调查选择合适的板栗试验样
地.试验处理前,先测定样地土壤的基本理化性状,
具体方法见文献[22]: 土壤 pH 采用土水比 1 颐 2
提取测定;土壤有机质采用重铬酸钾鄄外加热法测
定;土壤全氮采用半微量开氏法测定;土壤碱解氮采
用碱解扩散法测定;土壤有效磷采用 HCl鄄NH4 F 浸
提鄄钼锑钪比色法测定;土壤速效钾采用乙酸铵溶液
浸提鄄火焰光度计法测定. 测定结果如下: pH 值
4郾 64,有机质含量 25. 7 g·kg-1,全氮 1. 84 g·kg-1,
图 1摇 试验期间样地的月降水量(玉)和月均气温(域)
Fig. 1摇 Monthly cumulative rainfall (玉) and mean air temper鄄
ature (域) during the experimental period.
2342 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
碱解氮 98. 3 mg·kg-1, 有效磷 9. 86 mg·kg-1, 速
效钾 101. 2 mg·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
2011 年 5 月,在板栗林地选择土壤类型、坡度
与坡向等基本一致的区域作为施肥试验样地. 试验
小区面积 16 m伊16 m,采用随机区组设计,重复 4
次,每个小区之间的距离为 3 m.共设置施肥 4 个处
理:1)对照(不施肥,CK);2)无机肥(IF);3)有机肥
(OF);4)有机鄄无机混合肥(1 / 2 无机肥和 1 / 2 有机
肥)(OIF).试验中使用的无机肥包括:尿素(46. 5%
N)、过磷酸钙(12. 0% P2O5)、氯化钾(60. 0% K2O),
有机肥为浙江省德清东鑫复混肥料有限公司生产的
商品有机肥(N:3. 0%;P2O5:1. 8%;K2O:2. 6% ;C:
35. 1% ). 各施肥处理中,肥料用量均以等氮量计
算,其中有机肥处理中磷钾肥不足部分,用无机肥料
过磷酸钙和氯化钾进行补充(表 1). 6 月 3 日采用
撒施的方法进行施肥,并翻耕入土. 翻耕后,每个小
区布置 1 个静态箱.采样时间为 2011 年 6 月—2012
年 6 月,施肥后的第一个月采样 2 次,接下来每个月
采样一次.每次采样时间选择在具有代表性的晴朗
天气进行,若出现连续降雨天气,采样时间可适当提
前或者推迟数天.
1郾 3摇 气体采样及测定方法
试验采用静态箱鄄气相色谱法对土壤 CO2 通量
进行测定.采样箱由顶箱和底座两部分构成,材料为
PVC板.静态箱的规格为 30 cm伊30 cm伊30 cm[23] .
采样气袋采用大连光明化工设计研究院生产的密性
良好的铝箔采气袋.采样时间一般在 9:00—11:00.
采气步骤如下:将顶箱插入底座凹槽中,在底座凹槽
中倒入适量蒸馏水,起到密封的效果. 盖上顶箱后,
用 60 mL 注射器分别于 0、10、20 和 30 min 进行取
样.在气体取样的同时,测定静态箱内的温度、土壤
表层 5 cm处温度及大气温度. 气样带回实验室后,
用 GC鄄2014气相色谱仪(日本岛津公司)进行CO2
表 1摇 试验处理的肥料用量
Table 1 摇 Amount and composition of different fertilizer
treatments (kg·hm-2)
处理
Treatment
有机肥
Organic
fertilizer
尿素
Urea
过磷酸钙
Calcium
superphosphate
氯化钾
Potassium
chloride
对照 CK 0 0 0 0
无机肥 IF 0 188 488 135
有机肥 OF 2906 0 52 9
有机鄄无机混合肥 OIF 1453 94 270 72
浓度测定[24] . 温室气体排放通量(F)的计算公式
为:
F= 籽 VA 伊
P
P0
伊
T0
T 伊
dC t
dt
(1)
式中:籽 为标准状态下被测气体的浓度;A 为箱体底
面积;V为箱体体积;
dC t
dt
为单位时间取样箱内被测
气体浓度的变化量;T0和 P0分别为标准状态下的空
气绝对温度和气压;P 和 T 为取样时箱内的实际气
压和气温.
1郾 4摇 土壤采样及测定方法
在每个试验小区内按照五点取样法采集 0 ~ 20
cm土壤样品,带回实验室后,测定土壤含水量和水
溶性有机碳(WSOC)含量. 土壤含水量采用烘干法
测定. WSOC 含量参照 Wu 等[25]的方法测定:称取
土壤鲜样 15. 00 g 置于 50 mL 塑料离心管内(另外
取一份样品测定土壤质量含水量),加入 30 mL 蒸
馏水,振荡 30 min (25 益)后,离心 20 min (3500
rpm),然后通过滤膜 (0. 45 滋m, Millipore Corp. ,
USA)过滤到 50 mL 的塑料瓶中,待测.滤液中的有
机碳浓度用 TOC鄄VCPH / CPN 有机碳分析仪(日本
岛津公司)测定.
1郾 5摇 数据处理
利用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS 13. 0 软件进
行数据分析,采取随机区组单因素方差分析( one鄄
way ANOVA),采用新复极差法(DMRT)进行多重比
较(琢 = 0. 05). 用一元线性回归分析法分析土壤
CO2 排放和土壤水溶性有机碳及土壤水分之间的相
关性.土壤 CO2 排放和土壤温度采取指数模型进行
相关分析:
Y=a exp (bT) (2)
式中:Y为土壤呼吸速率;b为温度反应系数;T 为土
壤温度.
土壤温度敏感系数(Q10)计算公式:
Q10 =exp (10b) (3)
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同施肥处理下板栗林土壤 CO2 通量的季节
变化
由图 2 可以看出,试验期间,板栗林地土壤 CO2
通量具有明显的季节性变化特征,最大值出现在
7—8 月,最小值出现在 2 月. 施肥 15 d 后(6 月 22
日),与不施肥处理(CK)相比,施肥处理显著增加
了土壤CO2排放速率,但各处理间没有显著性差
33429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张蛟蛟等: 施肥对板栗林土壤 CO2通量的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 不同施肥处理下土壤 CO2 通量的季节变化
Fig. 2摇 Seasonal variation of soil CO2 flux in Chinese chestnut stands under different fertilizer treatments (mean依SD, n=4).
CK:对照 Control; IF:无机肥 Inorganic fertilizer; OF:有机肥 Organic fertilizer; OIF:有机鄄无机混合肥Half organic fertilizer plus half inorganic fertiliz鄄
er. 不同小写字母表示处理间的差异显著(P<0. 05) Different letters within each graph mean significantly different at 0. 05 level.下同 The same be鄄
low.
异;施肥一个月后(7 月 3 日),无机肥(IF)处理下的
土壤 CO2 通量达到最大值,并且显著高于其他处
理;施肥 2 个月后(8 月 2 日),CK、有机肥(OF)和无
机有机混合肥(OIF)处理下的土壤 CO2 排放速率达
到最大值,但各处理之间没有显著差异;从 9 月 3 日
到翌年 2 月 19 日,不同处理下的土壤 CO2 排放速率
均呈逐渐减少趋势;2 月 19 日后,不同处理下的土
壤 CO2 排放速率均开始逐渐增加,且 IF处理的 CO2
排放速率较高,而 OF与 OIF处理间的差异不显著.
摇 摇 不同施肥处理条件下,板栗林土壤的年均土壤
CO2 通量和年累积 CO2 通量如图 3 所示. IF、OF 和
OIF处理的土壤年均 CO2 通量比 CK 分别增加了
32郾 2% 、46. 0%和 51. 2% ,而土壤年累积 CO2 通量
分别为 CK的 1. 29、1. 47 和 1. 51 倍.
2郾 2摇 不同施肥处理下板栗林土壤温度和含水量的
季节变化
由图 4 可以看出,试验期间,板栗林土壤温度呈
现出明显的季节性变化特征,7 月最高,2 月最低.而
且不同施肥处理下的土壤温度与月均气温呈极显著
正相关.不同施肥处理下土壤含水量的季节性变化
较一致,变化幅度为 22. 2% ~ 34. 9% . 土壤含水量
与降雨量之间呈现显著的线性正相关.
2郾 3摇 不同施肥处理下板栗林土壤水溶性有机碳的
季节变化
由图 5 可以看出,板栗林土壤水溶性有机碳
(WSOC)含量具有一定的季节性变化规律,表现为
7、8 月较高,2、3 月较低.其中,IF处理的土壤 WSOC
含量显著高于 CK,但显著低于 OF 和 OIF 处理,而
OF和 OIF处理之间差异不显著.与 CK相比,IF、OF
和 OIF 处理下土壤 WSOC 的年平均值分别增加了
37. 2% 、73. 7% 和 58. 2% . 施肥 15 d 后 (6 月 22
日),各施肥处理的土壤 WSOC 含量均显著高于
CK,而各施肥处理之间没有显著差异;施肥一个月
后(7 月 3 日),OF 处理的 WSOC 含量达到最大值,
且明显高于 CK和 IF处理;8 月 2 日,CK和 IF 处理
的土壤 WSOC含量达到最大值,且各施肥处理均显
著高于 CK;8 月 3 日到翌年 3 月,不同施肥处理的
土壤WSOC含量均逐渐减少,4月开始缓慢上升;
图 3摇 不同施肥处理下板栗林土壤 CO2 通量的变化
Fig. 3摇 Variation of soil CO2 flux in Chinese chestnut stands un鄄
der different fertilizer treatments (mean依SD, n=4).
4342 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 4摇 板栗林中 5 cm深的土壤温度和 0 ~ 20 cm土壤含水量
的季节变化
Fig. 4 摇 Seasonal variations in soil temperature at 5 cm depth
and soil moisture content of 0-20cm depth (mean依SD, n=4).
到翌年 6 月,IF 处理的土壤 WSOC 含量显著高于
CK,但明显低于 OF处理.
2郾 4摇 板栗林土壤 CO2 通量及其影响因子
由表 2 可以看出,不同施肥处理下,板栗林地土
壤 CO2 通量与土壤表层 5 cm 处温度均呈极显著的
指数相关;土壤温度敏感系数(Q10)的变化范围为
1. 47 ~ 1. 75. 其中,OIF 处理的 Q10显著高于 CK 和
OF处理,但明显低于 IF处理.不同施肥处理的土壤
CO2 通量与土壤含水量之间均没有显著相关性,而
土壤 CO2 通量与 WSOC含量均呈极显著正相关(图
6).
表 2摇 不同施肥处理下土壤 CO2 通量与 5 cm处土壤温度的
相关性及 Q10值
Table 2摇 Correlation of CO2 emission rate with soil temper鄄
ature of 5 cm depth and Q10 under different fertilizer treat鄄
ments
处理
Treat鄄
ment
Y=aebT
a b
R2 Q10
CK 157. 5 0. 039 0. 849** 1. 47 c
IF 145. 0 0. 056 0. 930** 1. 75 a
OF 221. 9 0. 040 0. 784** 1. 49 c
OIF 203. 1 0. 046 0. 841** 1. 59 b
CK:对照 Control; IF:无机肥 Inorganic fertilizer; OF:有机肥 Organic
fertilizer; OIF:有机无机混合肥Half organic fertilizer plus half inorganic
fertilizer. ** P<0. 01.
图 5摇 不同施肥处理下板栗林土壤水溶性有机碳的变化
Fig. 5摇 Seasonal variation of WSOC concentration in Chinese chestnut stands under different fertilizer treatments (mean依SD, n=4).
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 施肥对土壤 CO2 排放动态变化规律的影响
本研究表明,板栗林地土壤的 CO2 排放速率呈
显著的季节性变化,表现为夏季>春、秋季>冬季(图
2),与以往亚热带地区森林土壤 CO2 排放的季节性
变化特征一致[15,26-29] .施肥对土壤 CO2 排放的季节
性模式没有明显的影响,可能是因为土壤 CO2 排放
季节性变化主要受土壤温度和湿度的影响[30] .
本研究中,不同施肥处理条件下,板栗林土壤
CO2 年累积排放量变化幅度为 27. 7 ~ 41. 8 t CO2·
hm-2·a-1 .这与 Yi 等[31]对亚热带地区不同林地的
研究结果一致. 他们研究发现,常绿阔叶林、松林、
松鄄阔混交林土壤 CO2 排放分别为 41. 3、37. 1、37. 6
t CO2·hm-2·a-1;但显著高于 Iqbal等[11]在中亚热
带地区稻田、果树、林地、山地的排放量 (分别为
9郾 01、7. 27、5. 54、5. 33 t CO2·hm-2·a-1),明显低
于Liu等[32]在亚热带地区集约经营毛竹林的排放
53429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张蛟蛟等: 施肥对板栗林土壤 CO2通量的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 6摇 土壤 CO2 通量与土壤含水量和水溶性有机碳含量的关系
Fig. 6摇 Correlation between soil CO2 flux and soil water content.
** P<0. 01.
量(56. 8 t CO2·hm-2·a-1).上述研究结果之间的
差异可能是不同土壤类型、土地利用方式、人工经营
措施和 CO2测定方法等因素的差异引起的.
摇 摇 本研究表明,无论是土壤 CO2 平均排放速率还
是累积量,均表现为无机肥处理显著高于对照,但明
显低于有机肥和有机鄄无机混合肥处理(图 3),这与
前人[17,33]的研究结果相一致.施加氮肥可以显著增
加土壤 CO2 排放,其原因可能是:一方面,施用氮肥
提高了土壤微生物对碳源的利用效率,土壤有机质
矿化作用加快,进而增加了土壤 CO2 的排放[34];另
一方面,施肥可以促进植物快速生长,根系呼吸速率
加快,进而使土壤 CO2 排放速率增加[15] .而添加有
机肥处理比单纯无机肥处理的土壤 CO2 排放速率
更高,可能是因为施加无机肥(尿素)只增加了土壤
的氮源,没有加入微生物生长活动所需的碳源;而添
加有机肥一方面提供了微生物生长所需的碳源和氮
源,给微生物生长提供充足的营养和能源物质,使微
生物数量增加、活性增强、微生物呼吸加快,最终导
致土壤 CO2 排放量增加[35];另一方面,有机肥本身
含有一定数量的易被土壤微生物利用的活性有机
碳,这部分活性有机碳的分解也增加了土壤 CO2 的
排放量[35] .也有研究表明,施肥处理对土壤 CO2 排
放速率没有显著影响,甚至降低了土壤排放速率.如
L仵pez鄄Valdez等[36]在太阳花的培养试验中发现,与
不施肥处理相比,单施尿素处理对土壤 CO2 排放速
率无显著影响;Mo 等[37]研究表明,施用 5 和 10
6342 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
g N·m-2·a-1氮肥对成熟热带雨林的土壤呼吸没
有显著影响,但施用 15 g N·m-2·a-1氮肥显著降
低了土壤呼吸速率. 其原因可能是:土壤 CO2 排放
是一个非常复杂的过程,受到土壤温湿度、植被类
型、酶作用物的质量和数量、微生物活性、肥料类型
与施肥量等因素的显著影响[15,32,38] .本研究中,不同
施肥处理下土壤 CO2 排放速率的月变化存在一定
差异.施肥 15 d后(6 月 22 日),由于采样前连续降
雨和高温的影响,3 种施肥处理间没有显著差异(图
2).可能是因为水热因素对土壤 CO2 排放速率的影
响掩盖了施肥效应[38] . 7、8 月无机肥和有机肥处理
土壤 CO2 排放速率达到最大值,可能与肥料的分解
快慢有关[34],也可能是土壤 WSOC 的变化所致(图
5).而在冬季,不同处理间土壤 CO2 排放速率均没
有显著差异,可能与土壤温度有关[29] . 翌年 3—6
月,添加有机肥处理的土壤 CO2 排放速率显著高于
无机肥处理和对照,主要是由于施肥后,土壤理化性
质如 pH、 SOC 等发生变化 (本文数据未显示)、
WSOC含量累积(图 5)和植物生长等综合影响的结
果[32,38] . 这表明施肥可以改变土壤特性,对土壤
CO2 排放速率产生影响.
3郾 2摇 土壤温度、含水量及 WSOC 含量对土壤 CO2
排放的影响
土壤温度是影响土壤 CO2 排放最重要的环境
因子之一[11,39] . 本研究发现,土壤温度和土壤 CO2
排放速率之间呈极显著的指数相关(表 2),这与前
人的研究结果一致[16,38,40-41] . 尽管土壤温度达最大
值时土壤 CO2 排放速率并不一定最大,但土壤 CO2
排放的季节变化与土壤温度的季节变化规律相吻合
(图 2 和图 3).本研究中,板栗林地土壤温度敏感系
数(Q10 )的变化范围均在 1. 43 ~ 1. 80,与陈光水
等[42]报道的中国森林土壤 Q10值范围在 1. 33 ~ 5郾 53
的结果相符.同时与 Deng 等[14]和王超等[39]对亚热
带森林的研究报道相一致.与 CK相比,添加无机氮
肥处理显著增加了 Q10值(表 2),而有机肥处理对
Q10值没有显著影响. 这与 Deng 等[14]和 Ding 等[38]
的研究结果相一致,而与 Wang等[43]和 Craine等[44]
研究结果相佐. Zhang 等[45]报道,土壤 Q10值最重要
的决定因素是试验期间的土壤温度、土壤有机碳含
量和生态系统类型.因此,土壤呼吸底物的有效性在
Q10值变化中起着重要的作用[46] . 本研究中添加无
机肥处理使 Q10值增加的原因可能是:施肥可以增
加土壤呼吸底物包括根系生物量和土壤有机碳的含
量,导致土壤呼吸对温度的敏感系数增加. 但是,施
加有机肥处理尽管增加了土壤呼吸底物量,但并没
有增加 Q10值.这表明与施用无机肥相比,施加有机
肥在降低土壤呼吸速率温度敏感性方面具有一定的
优势.其机理需要在今后的研究中做深入探讨.
土壤湿度与土壤呼吸具有密切的关系.但前人
的研究结论存在较大差异. 如 Dilustro 等[47]研究表
明,砂土土壤的 CO2 排放速率与土壤水分呈显著正
相关,但在粘土中,当水分处于萎蔫点以上时,两者
之间没有明显的相关性. Mo 等[37,40]在对华南热带
森林的研究中却发现,土壤 CO2排放与土壤水分之
间没有相关性.本研究结果也表明,在不同施肥处理
下,板栗林土壤的 CO2排放速率与土壤含水量无显
著相关性.只有在干旱或者淹水条件下,土壤水分对
土壤 CO2 排放速率才存在显著性影响[11] .这主要是
因为土壤水分会影响土壤微生物活性,水分过高或
过低都会导致土壤微生物活性降低、微生物呼吸减
弱,进而减少土壤 CO2 排放.
土壤水溶性有机碳(WSOC)是土壤活性碳库的
重要指标之一[11,32] . 本研究中,土壤 WSOC 与土壤
CO2 排放的季节性变化模式基本相似,均表现为最
大值出现在夏季,最小值出现在冬季. 而且,WSOC
和土壤 CO2 排放之间呈现显著的正相关.这与 Iqbal
等[11]对果树和林地的研究结果一致.这一现象可能
是由于温度的季节性变化引起的.夏季温度较高时,
土壤 WSOC含量高,可能是高温可以促进微生物的
呼吸分解速率,加快有机质矿化作用;同时,夏季植
物生长旺盛,根系呼吸增强,根系分泌物增加,进而
土壤可溶性有机碳含量增加;另外,温度升高时,植
物蒸腾作用加强,表层土壤 WSOC 含量增加[11] . 然
而,Iqbal等[11]研究发现,在稻田和山地上,WSOC和
土壤 CO2 排放之间没有相关性;Liu 等[32]对集约化
毛竹林和常绿阔叶林土壤也有类似的研究报道. 这
可能因为在不同气候和土地利用方式条件下,土壤
WSOC变化对土壤呼吸的贡献存在较大的差异.
本研究中,与对照相比,施肥显著增加了板栗林
土壤 WSOC 含量,而且有机肥处理对提高土壤
WSOC含量比单施无机肥处理更为显著. 这与已有
的研究报道一致[48-49] . 原因可能是:有机肥含有一
定数量的溶解性有机化合物,施入有机肥可以刺激
土壤微生物活动,增加了微生物源的溶解性有机化
合物,进而产生更多的土壤水溶性有机碳.但姜培坤
等[50]研究表明,单施化肥条件下,土壤水溶性有机
碳含量与对照之间没有显著差异,甚至随着化肥施
73429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张蛟蛟等: 施肥对板栗林土壤 CO2通量的影响摇 摇 摇 摇 摇
用量的增加而有减少的趋势. 造成这一差异的原因
可能与本试验中施肥量、施肥时间、土壤理化性质等
的差异有关.
土壤 CO2 排放是多种因素综合的结果,如土壤
特性、土壤微生物特性、植物生长状况等均会在一定
程度上对板栗林土壤 CO2 产生影响[51] .并且不同因
素在影响土壤 CO2 排放方面可能存在交互作用.有
必要进一步开展板栗林土壤 CO2 排放的影响因子
及其相互关系的研究.
4摇 结摇 摇 论
板栗林地土壤 CO2 排放速率呈现明显的季节
性变化规律;板栗林土壤 CO2 排放速率与土壤温度
及土壤 WSOC均呈极显著正相关,而与土壤含水量
之间没有明显的相关性;与无机肥处理相比,有机肥
处理增加了板栗林土壤 CO2 排放速率和土壤活性
有机碳库含量.无机肥和有机肥处理对板栗林植株
碳贮量的影响可能存在较大的差异.
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作者简介摇 张蛟蛟,男,1987 年生,硕士研究生.主要从事土
壤碳汇与全球气候变化研究,发表论文 5 篇. E鄄mail:
zhangjiao0609@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
93429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张蛟蛟等: 施肥对板栗林土壤 CO2通量的影响摇 摇 摇 摇 摇