全 文 ：施用竹叶生物质炭对板栗林土壤 CO2通量
和活性有机碳库的影响*
王战磊1,2 摇 李永夫1,2**摇 姜培坤1,2 摇 周国模1,2 摇 刘摇 娟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)
摘摇 要摇 于 2012 年 7 月—2013 年 7 月,在浙江省临安市典型板栗林样地采用静态箱鄄气相色
谱法测定了施用竹叶生物质炭后板栗林土壤 CO2排放速率及土壤温度、含水量、水溶性有机
碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)含量变化.结果表明: 板栗林土壤 CO2排放通量呈现显
著的季节性变化特征.在试验的第 1 个月中,生物质炭处理土壤 CO2排放通量显著高于对照
(无生物质炭),但之后无显著差异;生物质炭处理的土壤 CO2通量年均值和年累积排放量与
对照相比无显著差异. 生物质炭处理土壤 MBC 含量年均值(362 mg·kg-1)显著高于对照
(322 mg·kg-1),而土壤WSOC年均值无显著差异.土壤 CO2排放通量与不同土层土壤温度之
间均具有显著相关性;生物质炭处理的土壤呼吸温度敏感系数 Q10值显著高于对照;土壤 CO2
排放通量与 WSOC含量之间具有显著相关性,而与土壤含水量和 MBC含量均无显著相关性.
综上所述,施用竹叶生物质炭对板栗林土壤 CO2年累积排放量无显著影响,但增加了土壤 Q10
值;土壤温度和 WSOC含量是影响板栗林土壤 CO2排放的主要因素.
关键词摇 板栗林摇 CO2排放摇 生物质炭摇 水溶性有机碳摇 微生物生物量碳
*国家自然科学基金项目(31170576)、浙江省科技厅重点项目(2011C12019)和浙江省重点科技创新团队项目(2010R50030)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yongfuli@ zafu. edu. cn
2014鄄02鄄17 收稿,2014鄄08鄄29 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)11-3152-09摇 中图分类号摇 S753. 53摇 文献标识码摇 A
Effect of bamboo leaf biochar addition on soil CO2 efflux and labile organic carbon pool in a
Chinese chestnut plantation. WANG Zhan鄄lei1,2, LI Yong鄄fu1,2, JIANG Pei鄄kun1,2, ZHOU Guo鄄
mo1,2, LIU Juan1,2 ( 1Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and
Carbon Sequestration, Zhejiang A&F University, Lin爷 an 311300, Zhejiang, China; 2Cultivition
Base for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A&F University, Lin爷 an
311300, Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(11): 3152-3160.
Abstract: Effect of biochar addition on soil CO2 efflux in a typical Chinese chestnut (Castanea mol鄄
lissima) plantation in Lin爷 an, Zhejiang Province, China was investigated from July 2012 to July
2013 by the static closed chamber鄄GC technique. Soil temperature, soil moisture, WSOC and MBC
concentrations were determined as well. Results showed that soil CO2 efflux exhibited a strong sea鄄
sonal pattern. Compared with the control (without biochar application), the biochar treatment in鄄
creased the soil CO2 efflux only in the first month since application, and then the effect diminished
thereafter. There were no significant differences in the annual cumulative value of soil CO2 efflux
between the biochar and control treatments. The annual mean value in soil MBC concentration (362
mg·kg-1) in the biochar treatment was higher than that (322 mg·kg-1) in the control. However,
no significant difference in the soil WSOC concentration was found between the biochar and control
treatments. Strong exponential relationships between soil temperature and soil CO2 efflux were ob鄄
served regardless of the treatment and soil layer. The apparent temperature sensitivity (Q10) of soil
CO2 efflux in the biochar treatment was higher than that in the control. Soil CO2 efflux was related
to soil WSOC concentration but not with soil MBC or moisture content. To conclude, the application
of bamboo leaf biochar did not affect the annual cumulative CO2 emission in the Chinese chestnut
plantation but increased the Q10, and the CO2 efflux was predominantly controlled by the soil tem鄄
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 11 月摇 第 25 卷摇 第 11 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 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2014, 25(11): 3152-3160
perature and soil WSOC level.
Key words: Castanea mollissima plantation; CO2 efflux; biochar; water鄄soluble organic carbon
(WSOC); microbial biomass carbon (MBC).
摇 摇 森林生态系统在全球碳循环和减缓全球气候变
化中起着重要作用[1] .为了满足人们对木材和林产
品日益增长的需求,越来越多的天然林被改造为人
工林[2-4],同时也有一些农田被改造为人工林[5-6] .
因此,人工林的面积在过去的几十年里快速增加.目
前,全世界人工林面积已达 2. 27 亿 hm2,其中中国
的人工林面积为 0. 62 亿 hm2[7-8] . 研究人工林土壤
碳库动态及其对经营管理的响应,对于准确评价人
工林生态系统的碳汇功能及其在减缓全球气候变暖
中的作用,具有重要的理论意义和实践价值[3,9-10] .
板栗林(Castanea mollissima)是我国重要的经
济林种之一,分布在全国 26 个省市[11] . 目前,中国
板栗林面积已达 1. 25伊106 hm2,占全世界板栗林面
积的 38% [12] .板栗林经营者为了提高板栗产量,普
遍采用施用化肥、翻耕及去除林下植被等经营管理
措施[3,13] .然而,上述经营管理措施在增加产量的同
时,却带来了一些负面效应,如加剧了水土流失,减
少了土壤有机碳库,降低了土壤微生物活性
等[3-4,14] . 这严重制约了板栗林产量的提升和板栗
林的可持续经营.
生物质炭,也称生物质焦炭,是由生物质在厌氧
或部分厌氧条件下通过高温热裂解制备成的多孔炭
质固体[15] .由于生物质炭在土壤中极难降解,因此
在土壤中施入生物质炭的方法被认为是减缓全球气
候变暖的新途径[15-16] .生物质炭输入可以改变土壤
孔隙、土壤含水量、pH值、阳离子交换量、活性碳库、
活性氮库、植物产量等,从而影响土壤 CO2 排
放[15-19] .然而,从以往的研究来看,生物质炭输入对
土壤 CO2排放存在正激发、负激发、无显著影响 3 种
截然不同的效应[18,20-21],这表明土壤 CO2排放对生
物质炭输入可能存在多种截然不同的响应机制[15] .
从目前的研究结果来看,生物质炭输入促进土壤
CO2排放的机制可能主要是生物质炭输入增加了土
壤活性碳库的浓度,从而增加土壤 CO2排放[21] . 而
生物质炭输入抑制土壤 CO2排放的机制主要包括两
个方面:1)生物质炭可以吸附土壤中的可溶性有机
碳,使其不容易被土壤微生物分解[18];2)生物质炭
输入会吸附土壤有机质降解过程中所需要的酶类,
从而影响其活性[22] . 此外,生物质炭输入对土壤
CO2排放的影响因生物质炭类型与施入量、土壤类
型、管理措施和环境因子等因素的不同而呈显著差
异[15,22-23] .
目前,关于生物质炭施入对土壤有机碳库和温
室气体排放的影响研究大多集中在农田[23-24]或草
地土壤上[25-26];而对森林土壤尤其人工林土壤研究
较少.此外,由于生物质炭输入在增加土壤肥力和降
低土壤温室气体排放方面的重要作用[15],如何寻找
大量成本低的生物质炭加工原材料也是生物质炭产
业链的重要环节之一.中国拥有丰富的竹资源,加工
和利用竹资源在地方经济发展中起着非常重要的作
用[27] .在加工竹子过程中,会产生大量诸如竹叶、竹
粉等加工剩余物[28] . 目前,上述剩余物大多被用做
燃料,这种利用方式不仅经济效益低而且污染环
境[28] .理论上,将上述竹叶等加工剩余物制备成生
物质炭,然后输入人工林土壤,可以显著提升土壤碳
储量.然而,生物质炭的输入会不会显著影响人工林
土壤的 CO2排放? 这种影响会不会削弱人工林生态
系统在减缓气候变化中的作用? 鉴于上述问题,本
文以浙江省临安市典型集约经营板栗林为研究对
象,研究竹叶生物质炭输入对板栗林土壤 CO2排放
通量和活性有机碳库的影响,并探讨土壤 CO2排放
通量与环境因子之间的关系,为探明亚热带人工林
土壤碳库的调控机制提供基础资料,并为人工林土
壤碳储存技术的研发提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验地位于浙江省临安市三口镇葱坑村
(30毅14忆 N, 119毅42忆 E). 该地区气候为典型的亚热
带季风气候,年均温 15. 8 益,有效积温 5760 益,无
霜期 236 d,年日照时数 1930 h,年均降雨量 1424
mm.试验进行期间(2012 年 7 月—2013 年 7 月)研
究区的月累积降雨量和月平均温度的动态变化见图
1.研究区系低山丘陵区,海拔 150 ~ 200 m,土壤类
型为黄红壤. 试验样地是由天然常绿阔叶林改造
而来的板栗林样地,林龄为 21 a,种植密度为 520
株·hm-2,平均胸径为 14. 6 cm.板栗林样地采用的
是中等强度的集约经营管理模式:每年 5 月进行施
肥,施肥量为:尿素 188 kg·hm-2、过磷酸钙 488
kg·hm-2 、氯化钾135 kg·hm-2;施肥后进行翻耕,
351311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王战磊等: 施用竹叶生物质炭对板栗林土壤 CO2通量和活性有机碳库的影响摇 摇 摇
图 1摇 试验期间月累积降雨量(玉)和月平均气温(域)
Fig. 1 摇 Monthly cumulative precipitation (玉) and mean air
temperature (域) during the experimental period.
林下留有少量灌木与杂草. 2012 年 6 月,在板栗林
地中选择土壤类型、坡度和坡向等指标基本一致的
区域作为试验样地.在布置试验处理前,采集样区的
土壤样品,测定基本理化性质,其结果如下:pH 值
4. 52,有机碳 15. 63 g·kg-1,全氮 1. 64 g·kg-1,碱
解氮 82. 18 mg·kg-1,有效磷 10. 26 mg·kg-1,速效
钾 79. 5 mg·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
2012 年 7 月,在板栗林地上设置两个处理:1)
对照(不施生物质炭);2)施生物质炭. 每处理 3 次
重复,随机区组设计,共计 6 个试验小区. 每个试验
小区的面积为 96 m2(8 m伊12 m),试验小区之间的
间隔距离为 3 m. 试验处理中使用的生物质炭由浙
江布莱蒙农业科技股份有限公司制备,该生物质炭
是由竹叶在缺氧环境中 500 益热裂解制备而成. 生
物质炭的 pH值为 9. 48(土水比 1 颐 2. 5)、含碳量为
648 g·kg-1,含氢量为 31 g·kg-1,含氧量为 253
g·kg-1,施入量为 5. 00 t·hm-2 . 2012 年 7 月 29 日
采用撒施的方法施入生物质炭,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.试
验处理后,分别在第 1、4、7、14、21、28、35、42、49、
56、63 天采集气体和土壤样品,随后的 2 个月每月
采样 2 次,之后每月采样 1 次.每次在晴朗天气进行
采样.
1郾 3摇 气体采样及测定方法
本试验通过静态箱鄄气相色谱法对土壤 CO2排
放通量进行测定. 采样箱由 PVC 塑料板制成,包括
顶箱(30 cm伊30 cm伊30 cm)和底座(0. 3 m伊0. 3 m伊
0. 1 m)两个部件[9] .采样气袋选用大连光明化工设
计研究院生产的铝箔采气袋. 采样时间为 9:00—
11:00.采样时,首先将适量蒸馏水倒入底座的凹槽
中,然后将顶箱插入底座的凹槽中,盖上顶箱后,用
50 mL注射器在采样箱顶部的采气孔插入,并来回
抽打 3 ~ 4 次,以保证采样箱内气体的均匀,然后分
别于 0、10、20 和 30 min进行气体采集,并立即注入
相应的气袋,同时利用便携式温度计测定土壤表层
0、5、10、15 和 20 cm 处温度. 气体样本带回实验室
后,在 24 h内用 GC鄄2014 气相色谱仪(岛津公司,日
本)进行 CO2浓度测定[29] .
土壤 CO2通量的计算公式如下[16]:
F= 籽 VA
P
P0
T0
T
dC t
dt (1)
式中:F为被测气体的 CO2排放通量(mg CO2·m-2·
h-1);籽为标准状态下被测气体的密度(kg·m-3);A
为箱体底面积 (m2 );V 为箱体体积 (m3 ); dC t / dt
为单位时间取样箱内被测气体浓度的变化量
(m3·m-3·h-1);T0和 P0分别为标准状态下的空气
绝对温度和气压;T 和 P 为取样时静态箱内的空气
绝对温度和大气压.
土壤 CO2累积通量的计算公式如下:
Mg =移
n
i = 1
(R i +1+ R i) / 2 伊 ( ti +1- ti) 伊 24 伊 10 -5
(2)
式中:Mg为 CO2累积排放量( t·hm-2·a-1);R 为土
壤 CO2排放通量(mg·m-2·h-1 ); t 为采样时间; i
为采样次数;n 为总测定次数;ti +1 -ti为 2 次采样的
间隔天数.
1郾 4摇 土壤采样及测定方法
在气体采样的同时,采集静态箱底座附近 0 ~
20 cm表层土壤,测定土壤含水量、水溶性有机碳
(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)含量. 土壤基本
理化性质参照如下方法进行测定[30]:土壤含水量采
用烘干法;土壤 pH 值采用水土比 2. 5 颐 1 浸提后,
用 pH计测定;土壤总有机碳(TOC)含量采用重铬
酸钾鄄硫酸外加热法测定;土壤总氮采用半微量凯氏
定氮法测定;有效磷采用 HCl (0. 025 mol·L-1 )鄄
NH4F (0. 03 mol·L-1)溶液浸提,钼锑抗比色法测
定;速效钾采用醋酸铵(1 mol·L-1, pH 7. 0)浸提,
火焰光度计测定.
土壤水溶性有机碳(WSOC)含量的测定参照
Wu等[3]的方法进行.具体如下:称取相当于 20 g 干
土质量的鲜土置于 50 mL 塑料离心管内,用蒸馏水
浸提(土液比为 1 颐 2),在 25 益下振荡 30 min(120
r·min-1),离心 20 min (4000 r·min-1 ),然后用
0郾 45 滋m滤膜过滤到 50 mL 塑料瓶中,用有机碳分
4513 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 25 卷
析仪(TOC鄄VCPH,岛津公司)测定滤液中的 WSOC 含
量.土壤微生物生物量碳(MBC)含量的测定参考
Vance等[31]的方法进行.具体如下:称取相当于 10 g
干土质量的鲜土两份,一份放入干燥器内并进行氯
仿熏蒸处理,另一份放入另一干燥器中,并用蒸馏水
代替氯仿做为对照处理. 随后将两干燥器同时置于
黑暗中静置 24 h,取出后加入 0. 5 mol L-1 K2SO4溶
液 50 mL 进行浸提(土液比为 1 颐 5),震荡 30 min
(100 r · min-1, 25 益), 离 心 20 min ( 3000
r·min-1),然后通过 0. 45 滋m 滤膜抽滤,提取液中
的有机碳浓度利用岛津 TOC鄄VCPH有机碳分析仪测
定.土壤 MBC含量以熏蒸和未熏蒸土样含碳量之差
除以系数得到,即:MBC = EC / 0. 45,其中:EC为熏蒸
与未熏蒸土样浸提测定的碳含量之差,0. 45 为浸提
系数[32] .
1郾 5摇 数据处理
文中所有数据均为 3 次重复的平均值. 利用
Excel 2003 和 SPSS 18. 0 软件进行数据统计分析,利
用 Origin 8. 0 软件作图.采用单因素方差分析(one鄄
way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数
据组之间的差异(琢 = 0. 05). 采用一元线性回归分
析法分析土壤 CO2排放通量与土壤含水量、WSOC
含量及 MBC 含量之间的相关性. 图中数据为平均
数依标准差.土壤 CO2排放通量和土壤温度采用指数
模型进行相关分析:
Y=aexp(bT) (3)
式中:Y为土壤呼吸速率(mg CO2·m-2·h-1);b 为
温度反应系数;T为土壤温度(益).
土壤温度敏感系数(Q10)计算公式:
Q10 =exp(10b)
2摇 结果与分析
2郾 1摇 施用生物质炭对土壤环境因子和活性有机碳
库的影响
由图 2 可知,对照和生物质炭处理下板栗林土
壤温度(表层 5 cm处)与大气月平均温度(图 1)的
变化规律相似,均表现为明显的季节性变化特征.温
度较高月份均为 7—8 月,温度较低月份均为 1—2
月.在对照和生物质炭处理下,板栗林土壤 5 cm 处
温度的变化范围分别为 4. 90 ~ 30. 00 益和 4. 87 ~
30. 01 益,其年均值分别为 19. 88 和 19. 87 益 .对照
和生物质炭处理下,板栗林土壤含水量(0 ~ 20 cm)
的变化幅度分别为 174 ~ 333 和 203 ~ 340 g·kg-1,
土壤含水量的年均值分别为 258 和 270 g·kg-1 .
图 2摇 板栗林土壤温度(表层 5 cm 处)、土壤含水量、WSOC
含量、MBC含量及土壤 CO2排放通量的季节动态变化
Fig. 2 摇 Seasonal variations of soil temperature at the 5 cm
depth, soil moisture, soil water soluble organic C (WSOC) con鄄
centration, soil microbial biomass C (MBC) concentration, and
soil CO2 efflux in the Chinese chestnut plantation.
玉: 对照 Control; 域: 生物质炭 Biochar. 下同 The same below.
551311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王战磊等: 施用竹叶生物质炭对板栗林土壤 CO2通量和活性有机碳库的影响摇 摇 摇
摇 摇 土壤 WSOC 含量呈现出明显的季节性变化特
征,表现为夏秋季节较高,冬春季节较低. 对照和生
物质炭处理下其变化幅度分别为 110 ~ 158 和
107 ~ 166 mg·kg-1,两种处理下的土壤 WSOC 含量
年均值无显著差异.土壤 MBC含量同样呈现出明显
的季节性变化特征,表现为 9—11 月较高,1—2 月
较低.对照和生物质炭处理下土壤 MBC含量的变化
幅度分别为 259 ~ 390 和 304 ~ 426 mg·kg-1,其年
均值分别为 322 和 362 mg·kg-1 .
2郾 2摇 施用生物质炭对土壤 CO2排放通量的影响
对照和生物质炭处理下板栗林土壤 CO2排放通
量均具有强烈的季节性变化特征(图 2),最大值出
现在 7—8 月,最小值出现在 1—2 月.在试验的第 1
个月中,生物质炭处理下土壤 CO2排放通量显著高
于对照,但之后无显著差异.对照和生物质炭处理下
板栗林土壤 CO2排放通量的最大值分别为 307郾 74
和 353郾 03 mg CO2·m-2·h-1,最小值分别为 53郾 42
和 78. 86 mg CO2·m-2·h-1,其年均值分别为 200
和216 mgCO2 ·m-2 ·h-1 ,两个处理间无显著差
图 3摇 施用生物质炭对板栗林土壤 CO2累积排放量的影响
Fig. 3 摇 Effects of biochar application on soil cumulative CO2
efflux in the Chinese chestnut plantation.
异.由图 3 可知,对照和生物质炭处理下土壤 CO2年
累积排放量分别为 13. 99 和 14郾 04 t·hm-2·a-1,两
个处理间无显著差异.
2郾 3摇 土壤 CO2排放通量与土壤温度、土壤含水量、
WSOC和 MBC含量的相关性
由表 1 可知,在对照和生物质炭处理下,板栗林
土壤 CO2排放通量与不同土层土壤温度之间均具有
显著的相关性.对于同一土层温度,生物质炭处理下
Q10值显著高于对照;对于同一处理,根据 0、5 和 10
cm处土层温度计算的 Q10值两处理没有显著差异,但
根据 20 cm处土层温度计算的 Q10值则对照显著高于
生物质炭处理(表 1).对照和生物质炭处理下土壤
CO2排放通量与土壤 WSOC 含量之间均呈显著相关
性(图 5);而土壤 CO2排放通量与土壤含水量及土壤
MBC含量之间均没有显著相关性(图 4和图 5).
图 4摇 板栗林土壤 CO2排放通量与土壤含水量的相关性
Fig. 4摇 Correlation between soil CO2 efflux and soil moisture in
the Chinese chestnut plantation.
表 1摇 板栗林土壤 CO2排放通量与不同土层土壤温度的相关性
Table 1摇 Correlations between soil CO2 efflux (Y, mg·m-2·h-1) and soil temperature (X, °C) at different depths in the
Chinese chestnut plantation
土壤深度
Soil depth (cm)
对照 Control
模型 Model Q10
施用生物质炭 Biochar application
模型 Model Q10
0 Y=69. 4e0. 048 X
(R2 =0. 78, P<0. 01)
1. 61bB Y=62. 0e0. 056 X
(R2 =0. 85, P<0. 01)
1. 75bA
5 Y=74. 1e0. 046 X
(R2 =0. 77, P<0. 01)
1. 59bB Y=65. 7e0. 055 X
(R2 =0. 84, P<0. 01)
1. 73bA
10 Y=74. 3e0. 047 X
(R2 =0. 77, P<0. 01)
1. 60bB Y=66. 4e0. 055 X
(R2 =0. 84, P<0. 01)
1. 74bA
15 Y=72. 2e0. 049 X
(R2 =0. 79, P<0. 01)
1. 64abB Y=65. 1e0. 058 X
(R2 =0. 84, P<0. 01)
1. 78abA
20 Y=69. 5e0. 052 X
(R2 =0. 81, P<0. 01)
1. 68aB Y=62. 5e0. 06 X
(R2 =0. 85, P<0. 01)
1. 83aA
不同小写字母表示土壤深度间差异显著,不同大写字母表示处理间差异显著(P<0. 05)Different small letters meant significant difference among
different soil depths, and different capital letters meant significant difference among different treatments at 0. 05 level.
6513 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 25 卷
图 5摇 板栗林土壤 CO2排放通量与水溶性有机碳(WSOC)含量和微生物生物量碳(MBC)含量的相关性
Fig. 5摇 Correlation between soil CO2 efflux and soil water soluble organic C (WSOC) concentration and soil microbial biomass C
(MBC) concentration in the Chinese chestnut plantation.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 施用生物质炭对土壤 CO2排放的影响
以往研究表明,施用生物质炭可以显著影响土
壤 CO2排放[18,21,33] .本研究表明,施用生物质炭后的
第 1 个月内显著增加了板栗林土壤 CO2排放速率,
但随后无显著影响(图 2). 施用生物质炭对板栗林
土壤的年累积 CO2排放量无显著影响(图 3). Smith
等[21]的研究也表明,施用生物质炭仅在开始的 6 d
内增加了土壤 CO2排放通量,但随后无显著影响.本
研究还发现,施用生物质炭后的第 1 个月对板栗林
土壤温度和含水量无显著影响,但显著增加了土壤
WSOC和 MBC含量(图 2).因此,可以推测,施用生
物质炭后的第 1 个月增加板栗林土壤 CO2排放的原
因可能是其增加了土壤活性有机碳库.然而,也有一
些研究结果与本试验结果差异较大. 如 Wang 等[24]
报道,施用生物质炭对水稻土 CO2排放通量无显著
影响;而 Spokas 等[20]和 Dempster 等[34]的研究则表
明,施用生物质炭显著降低了土壤 CO2排放通量.不
同研究中有关施用生物质炭对土壤 CO2排放影响的
差异可能是,由于生物质炭的类别和施入量、土壤类
型、环境因子等因素的不同所致[15,22] .
3郾 2摇 施用生物质炭对土壤活性有机碳库的影响
本研究表明,施用生物质炭后第 1 个月的土壤
WSOC和 MBC含量显著高于对照处理,随后生物质
炭与对照无显著差异. 生物质炭处理下土壤 WSOC
和 MBC含量短期增加的原因可能是,生物质炭热裂
解过程中产生的生物焦油释放到土壤中所致[21] .本
研究中,对照和生物质炭处理下土壤 WSOC 含量年
均值无显著差异,而生物质炭处理下土壤 MBC含量
年均值显著高于对照. 然而,Dempster 等[34]的研究
却表明,施用生物质炭显著降低了土壤 MBC 含量.
上述研究结果的差异可能是生物质炭类型和施用
量、土壤类型和样地环境因子等因素的差异所
致[34-36] .
3郾 3摇 土壤温度对土壤 CO2排放的影响
土壤温度是影响土壤 CO2排放通量季节变化的
重要因素之一[9,37-39] . 以往有关土壤温度和土壤
CO2排放通量具有显著指数相关性的在森林[9,37,39]、
草地[40]和农田土壤[41]上均有广泛报道. 本研究结
果也表明,在对照和生物质炭处理下,板栗林土壤
CO2排放与土壤温度均具有显著指数相关性 (表
1),并且土壤温度对土壤 CO2排放季节性波动变化
的贡献率达 77% ~92% .
不同的管理措施可以显著改变土壤呼吸温度敏
感系数(Q10) [9,37,42] .本研究表明,板栗林土壤 Q10值
的变化幅度为 1. 59 ~ 1. 83,这与前人关于不同生态
系统土壤 Q10值为 1. 3 ~ 3. 3 的研究结果相符[9,37] .
本研究还发现,生物质炭处理可显著增加板栗林土
壤 Q10值. McCulley 等[42]和 Sheng 等[37]均报道,施
肥、灌溉、耕作等集约经营管理措施可以促进土壤有
机碳的分解,从而显著增加土壤 CO2排放通量和 Q10
751311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王战磊等: 施用竹叶生物质炭对板栗林土壤 CO2通量和活性有机碳库的影响摇 摇 摇
值;然而,Liu 等[9]对毛竹林地的研究则表明,施肥
和耕作等集约管理措施显著降低了土壤 Q10值. 这
可能是因为经营管理措施对 Q10值的影响会受 Q10
值计算方法、计算使用的温度范围、基质的有效性和
土壤微生物特性等因子的共同影响[43-44] .
一些研究表明,根据不同土层温度所计算的土
壤 Q10值存在显著差异[45-46] .本研究表明,在对照和
生物质炭处理下,利用地表 0、5 和 10 cm 处土壤温
度所计算的 Q10值没有显著差异,而用地表 20 cm处
土壤温度所计算的 Q10值则显著高于前者. 由于土
壤呼吸与土壤温度存在显著的指数相关性. 因此,
Q10值的较小变化会引起增温后土壤呼吸估算值的
急剧变化.因此,如何选择合适的土层温度来计算
Q10值是非常重要的问题. 一些研究认为,可以根据
土壤呼吸与土壤温度指数模型的回归系数 R2值的
大小来确定合理的土层温度[45] . 此外,合理的土层
温度也可能会因土地利用类型和经营管理措施的改
变而发生变化[46] .因此,在比较不同生态系统 Q10值
和运用 Q10值作为建立土壤呼吸对全球气候变化响
应模型的参数时,合理土层温度的选择是需要考虑
的因素之一[45,47] .
3郾 4摇 土壤水分、WSOC 和 MBC 含量对土壤 CO2排
放的影响
本研究表明,在对照和生物质炭处理下土壤
CO2排放通量与土壤水分均无显著相关性(图 4),
这与 Sheng等[37]对杉木和木荷的研究结果一致. Mo
等[48]对成熟的热带森林的研究结果表明,土壤含水
量仅在冬季干旱情况下对土壤呼吸具有显著影响.
本研究中,土壤 CO2排放通量与土壤水分没有相关
性的原因可能是板栗林的土壤含水量在大多数月份
均较高,土壤含水量不是土壤排放 CO2的限制因子.
Lou等[49]和 Sheng等[37]也认为,在亚热带地区土壤
水分的有效性并不是土壤 CO2排放的限制性因素;
但 Tang等[50]对亚热带地区的松树林、阔叶林和混
合林的研究则表明,土壤 CO2排放与 0 ~ 5 cm 的土
壤体积含水量具有显著相关性;Karhu 等[51]对农业
土壤的研究也表明,在生物质炭处理中土壤 CO2排
放与土壤含水量具有显著相关性. 上述研究结果存
在较大差异的原因可能是,土壤含水量对土壤 CO2
排放的影响会因土地利用类型、管理措施和当地气
候条件的不同而表现出显著差异[9,37,48] .
以往研究表明,土壤活性有机碳库(WSOC 和
MBC)与土壤温室气体排放具有非常密切的关
系[9,52] .本研究表明,在对照和生物质炭处理下土壤
CO2排放与土壤 WSOC 含量均有显著相关性 (图
5).这可能是因为,土壤 WSOC 是土壤活性碳库的
重要组成部分,对土壤微生物生长起到提供碳源的
作用[53],较高的土壤 WSOC含量有利于土壤微生物
的生长,从而促进土壤有机质分解及土壤 CO2的排
放[52] .此外,本研究还发现,在对照和生物质炭处理
下土壤 CO2排放与土壤 MBC 含量均无显著相关性
(图 5). 这与 Hagedorn 等[54]和 Zhang 等[55]的研究
结果一致.这可能是因为:一方面,微生物生物量可
能与微生物活性没有直接的相关性,较高的微生物
生物量并不一定会导致 CO2排放量的增加[55];另一
方面,土壤 CO2排放与土壤温度极强的指数相关性
显著削弱了土壤 CO2 排放与 MBC 含量的相关
性[9,55] .
4摇 结摇 摇 论
施用生物质炭未改变板栗林土壤 CO2排放的季
节性变化规律.施用生物质炭仅在最初的一个月内
增加了土壤 CO2排放通量、WSOC 含量和 MBC 含
量,但对土壤 CO2排放通量的年均值和年累积排放
量均无显著影响.土壤温度和 WSOC 含量是影响板
栗林土壤 CO2排放的主要环境因子,而土壤含水量
和 MBC含量与土壤 CO2排放均无显著相关性.为了
更好地评估施用生物质炭对板栗林生态系统碳汇功
能的影响,今后还将进行施用生物质炭对板栗林植
株碳储量和其他温室气体排放影响的研究.
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作者简介摇 王战磊,男,1988 年生,硕士研究生. 主要从事土
壤碳汇与全球气候变化研究. E鄄mail: wangzhanleizafu@ 163.
com
责任编辑摇 张凤丽
0613 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 25 卷