全 文 ：应 用 生 态 学 报 1 995 年 10 月 第 6 卷 第 4 期
C H I N E S I
’
JU [ JR N A L O F A P P L IE D E C O L OG Y
, o e t
.
1 9 9 5 , 6 (4 ) : 3 7 3一3 77
长白山北坡不同土壤 N Zo 和 e H 4
排放的初步研究 ‘
徐 慧 陈冠雄 马成新
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态系统痕量物质生态过程开放实验堂,沈阳 1 1 0 0 15)
【摘要】 用箱法技术原位测定了长白山北坡不同土壤 (苔原土 、生草森林土 、棕色针叶林
土和暗棕色森林土 ) 6 一 8 月间的 N ZO 和 C H 4 排放 . 结果表明 ,这些土壤既是 N ZO 的源 ,
又同时是 e H ; 的汇 . N :O 通量变化于 6 : 一7 一 1 2 . 5 3陀 · m 一2 · h 一 ,之间 (平均 9 . 3 7“g · m 一2 ·
h
一 , ) , C H ; 通量为 一8 5 . 6 3一7 . 5 5 拌g · m 一 , · h 一 , (平均一 4 1 . 4 5 拌g · m 一2 · h 一 , ) ,并观察到在 N 20排放和 C H 。 吸收之间有着相互消长关系 . 实验室培养实验表明 , 最大反硝化作用活性存
在于土壤上层 (0 一 6c m ) ; 不同土壤的反硝化作用活性明显不同 . 山地暗棕色森林土的 C H .
吸收作用也主要发生在土壤的上层 (0 一 12c m ) .
关键词 长白山北坡 N ZO C H ; 排放
A p r e l im i n a r y s t u d y o n N : 0 a n d C H ‘ e m is s lo n s f ro m d i f fe r e n t s o l l s o n n o r t h e r n s l o p e o f
C h a n gba i M o u n t a 二n
.
X u H u i , C h e n G u a n x io n g , M a C h e n g x in ( 加加ra t o勺 of E c o l叨ica l
P ro c e s.t of 了
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ra c 。 S u bs t a , c o i , : 了’e ~ s t ri a l E c o足y ‘t e , n
, I n s t i t u t e of AP P li e d E c o l o幻 , A -
ca d e m ia S i n i c a , S h e n y a n g l l
‘
0 0 1 5 )一C h i n 二1 . 月神1. E c ol . , 1 9 9 5 , 6 ( 4 ) : 3 7 3一 3 7 7 .
T h e f lu x e s o f N 2 0 a n d C H . f r o m t u n d r a 5 0 11 , s o dd y f o r e s t 5 0 11, b r o w n e o n ife r o u s f o r e s t
5 0 11 a n d d a r k b r o w n fo r e s t 5 0 11 o n n o r t h e r n s lo p e o f C h a n g b a i M o u n t a i n a r e m e a s u r e d i n
s it u b y e h a m b e r t e e h n iq u e f r o m J u n e a n d A u g u s t
, 1 9 9 4
.
T h e r e s u lt s s h o w t h a t a l l o f t h e
5 0 115 s t u d ie d a r e t h e s o u r e e o f N 2 0 , a n d t h e s in k o f C H ;
.
T h e N 20 f lu x 15 in t h e r a n g e o f
6
.
1 7 a n d 1 2
.
3 3 限 · m 一 , · h 一 ’ , w h ile t h e C H ‘ f lu x 15 b e t w e e n 一 8 5 . 6 3 a n d 一 7 . 5 8拜g · m 一2 ·
h
一 , . T h e r e is a t r a d e 一o f f b e t w e e n N :O e m is s io n a n d C H 。 u P t a k e
.
L a b o r a t o r y e x P e r im e n t s
s h o w t h a t u p p e r 5 0 11 la y e r ( o 一 6 e m ) h a s t h e h ig h e s t d e n i t r if ie a t io n a e t i v i ty , w h ie h h a s a
5 ig n if ie a n t d if fe r e n e e a m o n g d i f fo r e n t 5 0 115
.
T h e u p t a k e o f C H ‘ b y d a r k b r o w n fo r e s t 5 0 11
m a i n l y o e e u r s in u P P e r 5 0 11 la y e r (0 一 1 2 e m ) .
K e y w o r d s c.n
a n g b a i M o o n t a in
, N , O , C H ; , E m is s io n
.
1 引 言
氧化亚氮 (N : O )和 甲烷 (C H . )这 2 种
温室气体不仅具有增 温效应 , 而且参与许
多重要的大气化学过程川 , 因此 , 它们在大
气中浓度的 日益增加 引起 了关注 . 在国 内
外 , 迄今已进行过许多不 同生态系统土壤
排放 N : 0 和 C H 。 的研究 , 但未见我国森林
生态系统排放 N ZO 和 C H ; 的研 究报道 .
我国有森林面积约 1 . 15 义 I o . ha , 森林 覆
盖率 戈‘2 % [2] . 森林生态系统是我 国陆地生
态系统的重要组成部分 . 研究 我国森林生 -
态系统的 N ZO 和 C H ; 排放 , 对估算我国温
室气体排放总量及评价我国森林生态系统
对全球气候变化的贡献是十分必要的 . 本
文以长白山北坡 4 种典型植被类型下的土
壤为研究对象 , 原位测定了它们的 N ZO 和
C H ; 排放通 量 , 同时在实验室 中测定 了 4
种土壤的反硝化作用潜势和实际反硝化作
, 国家“八五 ”科技攻关和中国科学院陆地生态系统
痕量物质生态过 程开放实验室基金资助项目 .
19 9 5 年 2 月 2 8 日收到 , 5 月 1 8 日改回 .
3 7 4 应 用 生 态 学 报 6 卷
用强度及森林土壤对大气 C H ; 的吸收 .
2 材料与方法
2
.
1 实验地点
长 白山 位于 吉林省境 内 ( 4 1 0 2 3 , 一 4 2 0 3 6 , N ,
表 l 长白山 4 种土族类型的主要特征
1 2 6 0 5 5‘一 1 29 0 E ) , 其北坡从山顶到山脚有着不同
的气候 、植被和土壤垂直分布带 . 依垂直分布带 ,
长白山森林生态系统实验站设置 了 8 块永久标
准地 ,选择 1 、 3 、 4 、 5 号标准地 . 实验地点及其海
拔高度 、 植被类型 、土壤类型和平均温度等特征
Ta b l e I C卜a ra e t e r i s t i“ o f f o u r 5 0 11 ty碑 5 In C h a n g b a l m o u . t . in
o f v e g e t a t io n
P e r n i a
- 别I
t y l, 七 年 7 月 l 月
要植被
g e t a t lo n
Io t N o
.
高度
A l t i -
t u d e
(m )
2 2 0 0
A n n u a l 竺8 . 7 J a n .高 山苔原带
M o u n t a in m o s s
t u n d r a
亚高山岳桦林带
B i r e h f o r e s t
苔原土
T u n d r a 5 0 11
一 2 3
.
2 牛皮杜鹃 R入。山过尸, d , : a 。~ m松毛翠 p 勺拍以仪)。 : 。ru leu
一 3
.
1 1 3
.
2 一2 0
.
9 岳桦 召以以“ 。r o a a ” i
暗针叶林带
C o n if e r o u s
fo re s t
阔叶红松林带
M ix e d e o n if e r o u s
d e e id u o u s fo r e s t
1 9 0 0 生草森林土
Sod d y
fo r e s t 5 0 11
12 。。 棕色针叶林土
B r o w n e o n ife -
r o u s fo r e s t 5 0 11
74 0 暗棕色森林土
D a r k b r o w n
fo re s t 5 0 11
一 0 . 7 1 5
.
8
一 19
. 5 鱼鳞云杉 P ice a 尸二 , , : 5 1,红皮云杉 尸 . koyu n i 口 i v ”r.
k o r a 扮, 刀5 15
3
。
3 1 9 红松 P 动 u , 加ra 扮,Is 八
锻树 7 ,i l i a a 二 u ~
: s 众
水曲柳 F ra x i ,l u s n 王a , Jd sh u r i《湘
列于表 l[. · 3] .
2
.
2 通量的原位测定
N必 和 C H . 通量的原位测定 采用封闭式箱
法 [ , ] . 将直径 10c m 、高 2 4 e m 的 P V C 无底圆筒插
入土壤 4c m 深 , 筒内气体样品分别在圆筒刚插入
土壤和插入后 lh 用针管抽取 SOm l , 注入贮气袋
并运 回实验室 分析 . 气体样品中的 N 2 0 用岛津
G C 一 1 4A 气相色谱测定 , 检测器为 E C D , 柱内填充
料是 P or a p ak Q ,载气是高纯 N : , 检测器温度 3。。
C , 柱温 6 o C , 进 样 [J 温 度 ] 0 0 C . C H ‘ 用 S P -
2 3 0 5E 型气相色谱分析 , 检测器为 FI D , 柱 内填充
料为 1 3X 分 子筛 , 载气为高纯 N Z , 柱温 1 5O C , 检
测器温度 2 0 0 C . 标准 N ZO 和 C H ; 气体由国家标
准物质研究中心提供 , 并用澳大利亚 C SI R O 大气
所赠送的标准气校验 .
由筒内气体浓度随时间的增加计算出气体通
量 ( F ) . 计算方法如下 :
高 、底面积和体积 .
2
.
3 反硝化作用潜势的测定
土壤的 反 硝化作用潜势用 乙快抑制技术测
定 tl 心〕. 将不同深度的原状土柱在厌氧和有 10 % 乙
林存在的条件下进行培养并测定产生的 N ZO.
2
.
4 实际反硝化作用的测定
实际反硝化作用的测 定方法和 条件除无乙炔
存在外 ,其余与反硝化作用潜势相同 .
2
.
5 森林土壤 C H 4 吸收的测定
将针阔混交林 下山地暗棕色森林土的原状土
柱 (分 。一 6 、 6一 1 2 、 1 2 一 1 8c m 3 个深度 )封闭于培
养瓶中 ,瓶内注入 C H ; , 使其在瓶内气相中的浓度
达到 6川 · L ’左右 , 于不同时间测定瓶中 C H ; 浓
度的变化 .
_
L 述原状土 柱用不锈钢管 (直径 6 . 3c m , 高
10c m )采集并保持完整. 培养温度均 为 30 C .
△ , , z
A 丫 △ c
P 又 V 丫 △ c
A 又 △ t
一 、 , △‘一 尸 入 n ~又二艺~玉L
式中 F 是气体通 量 , p 是气体密度 , △ ,t 和
△。 分别是△I 时间内采集筒内增加的气体质量
和混合比浓度 , h 、 A 和 v 分别为筒内有效空间的
3 结果与讨论
3
.
1 N ZO 通量
1 9 9 4 年 6 、 8 月的原位测定结果 表明 ,
长 白山北坡 4 种不 同类 型土壤均 是 N ZO
的源 , 排放通 量在 6 . 1 7 一 1 2 . 3 3拜g N Zo ·
m , · h
一 , (即 3 . 9 一 7 . 8拌g N ZO 一N · m 一 , · h 一 , )
4 期 徐 慧等 :长白山北坡不同土壤 N ZO 和 C H 。 排放的初步研究
之 l司(图 l ) . B u t t e r b a e h 一b a h l [ , ]等对针叶林
下土壤进行 了全年观测 , N ZO 通 量结果 为
1
.
0 一 38 . 4拌g N zO 一N · m 一, · h 一‘ , 均值为5 . 8
拌g N ZO 一N · m 一 , · h 一 , 〔, ] . 将本研究 的 N Zo
通量结果 (均值 9 . 3 7仁g N ZO · m 一2 · h 一‘ , 即
5
·
9 7拜g N ZO 一N · m 一 , · h 一 ’)与他们的结果相
比较 , 可以看到均值相似 , 但本结果的数
据分布范围要小得 多 . 因观测时间跨度 比
较小 , 为了解全年的通量变化情况 , 尚需进
一步进行全年观测 .
ƒ,尹E。,留O经„
目二,苦。-用镬欲
’ 呷 ”嗜”昌 尹-
ƒ尸护E·电之互)
目弓电之-暇极橄兑
一
, 。。若
时。比目叭
·纷„l国,舒芍duo”.旦州Ž昌‘占
众捷硬举识概以
图 l 长白山不同类型森林土壤 N ZO 和 C H ; 排放通量
F ig
. I N : ( ) a n d C H . flu x f r o n 飞 d if fe r e n r 5 0 115 o f C l、a n R b a i
M o u n t a io n
.
A
. 苔地原土 T u n d r a 5 0 11. B . 生草森林土 So d d y fo r e s t
5 0 11
, 、
e
. 棕色针叶林土 B r o w n e o n ife r o u s fo r e , t 5 0 11 , D ·
暗棕色森林 土 。a r k b r o w n f o r e s t s o n ·
1 . N : ( ) f lu x ( 2 6 J u n e )
,
I
.
N Z( ) f l u x ( 1 0 A u g u s t )
. , .
C H ; fl u x ( 2 6 J u n e )
, IV . C H . fl u x ( 1 0 A u g u s r )
.
3
.
2 反硝化作用潜势和实际反硝化作用
首先 , 由不 同深度原状土柱反硝化作
用潜势和实际反硝化作用强度的实验结果
(图 2) 可看出 , 4 种土壤的反硝化作用主要
发生在土壤 上层 (0 一 6c m ) . 虽然下层土壤
( 6 一 1 2e m 一 2 一 1 8 e m )也存在着反硝化作
用 , 但 只占较 小 比例 , 并随土壤深度增 加 ,
反硝化作用活性减弱 . St r u w e 等石‘3」的实验
结果表明潮湿的森林土壤中 . 最大的反硝
化作用活性存在于土壤上层 sc m 左右 . 在
长白山北坡 4 种不同土壤中 , 上层土壤的
有机质含量 、 速 效 N 浓度 和 含水量均 最
高 , 如 6 月 2 6 日采集 的山地 暗棕色 森林
土 , 其 0 一 6 、 6 一 1 2 、 1 2 一 1 8 e n , 土层的有机
质含量分别是 27 . 5 、 6 . 6 、 0 . 6 % , 氨态氮浓
度分别是 2 3 . 5 、 15 . 4 、 1 7 . 6拜9 . 9 ‘ , 硝态氮
浓度分别是 2 2 . 3 、 1 1 . 9 、 6 . 1料9 . 9 ’ , 含水量
分别是 70 . 9 、 48 . 5 和 27 % . 上层森林土壤
的这些条件恰好更适宜反硝化作用 . 其次 ,
4 种不同土壤的反硝化作用潜势 及实际反
硝化作用强度之 间差别很大 ( 图 3 、 4) . 山
地 棕色针叶林土的反硝化作用潜势最高 ,
山地苔原土的反硝化作用潜势最低 , 前者
是 后者的 20 多倍 . 实际上 , 反硝化作用强
度的最高者袱最低者之间也相差约 20 倍 .
因为 4 种土壤原位观测的 N oO 通量之间
的差别并不大 ( 图 1 ) , 最高者 只是最低者
的 1 . 5 倍左右 , 而 4 种土壤的反硝化作用
潜势之间以及实际反硝记作用强度之间的
差别却十分显著 . 由此可推断 , 不同土壤中
反硝化作 用在 N ZO 的产 生中所起的作用
是不同的 , 即有些土壤 中 N ZO 主要是 由反
硝化作用产生 , 而 另一些土壤 中主要是由
反硝化作用以外的硝化作用等过程产生 . 4
种土壤 中 , 山地暗棕色森林土和山地棕色
针 叶林土的反硝化作用活性较 强 , 而山地
苔原土和山地生草森林土的反硝化作用则
较弱 . 即海拔越低 , 土壤 中的反硝化作用活
性越 高 ; 而 海拔越高 , 则硝 化作用活性越
强 . 硝化作用或 /和其它未知的微生物过程
可能在后两种土壤的 N ZO 产生 中起 主要
作用 , 尚需进一步研究 .
冬: ;
居, .苍
压 1
. 朋
脆
犷喇肯一全 。一节兮考嘴弓, 扩有节
培养天数伪” of in c ub al fo n (d )
图 2 长自山 不同类峨森林土壤的反硝化作 用潜势
F ig
.
2 1) e n i t r if i e a t i o n p o t e n t i a l i r 一 d if fe r e n r 5 0 115 o f
C l i a n g b a i M o u n t a i n
,
( a )暗棕色森林土 D a r k b r o w n fo r e 、t 5 0 11 , ( b ) 棕色针叶
林土 B r o w n c o n ife r o u s f o r e s t , 0 11 . ( C ) 生草森林土 S od -
d y f o r e s t 5 0 11
.
( d ) 苔原土 T u n d r a 、0 11 .
1 . 0一 6 e n 飞 . 一 6 一 1 2e m , 一 1 2 一 18 e m . 下同. T h e s a m e
b e l o w
·
应 用 生 态 学 报 6 卷
二东 5
一 一~ 一刁、一万二二
1 2 三
培养天数 D. ” of 加c u 七. 吐加 佃 )
.舀”Ž.‘‘曰1O几U
么1.认
。兑之经ˆ习德艺d多.互翻Ž二‘占
取班映攀牟任以
图 3 长白山不同类型森林土上层土壤 (0 一 6c m )反硝化
作用潜势的比较
F ig
.
3 C o m p a r i s o n o f d e n i t r if i c a t io n 卯 t e n t认1 in u p钾r
5 0 11 la y e r ( 0一 6c m ) fr o m d i f fe r e n t f o r e s t 5 0 115 .
毛“ , 6 海. , 人丛2 污 5
吸收实验 , 6闪 · L ‘的 C H 。 在 20 h 内被消
耗 到 ,只剩 。. 2川 · L 一 , , 消耗速 率 为 。. 7
n g CH.
·
g
一 , · h
一 , · CH ; 吸收作用主要发生在
土壤的上层 (0 一 1 2c m ) , 1 2c m 以下的土壤
基本上没有 C H ; 氧化 , 这是因为下层土壤
结构致密 , 不 易于 C H ; 扩散 , 并且微生物
活性也较低 .
3
.
5 土壤 N ZO 排放和 C H ; 吸收之间的关
系
从图 1 可知 , 长 白山不同类型土壤在
排放 N : O 的同时吸收 C H ‘. 进一步研究发
现 , 6 月和 8 月间 , 在 N ZO 排放和 C H ; 吸
收之间有着一种互为消长的关系 , 即 当某
一土壤的 N ZO 排放速率下降时 , 其 C H ; 吸
收速率就 上升 ; 反 之 , 当某一 土壤 的 N z o
排放速 率上 升 时 , 其 C H ; 吸 收速率就 下
降 . 如当山地苔原土的 N 2 0 排放速率从 6
月 2 6 日的 1 1 . 9 9拜g · m 一, · h 一, 降到 8 月 1 0
日的 6 · 1 8拌g · m 一 , · 、h 一 , 时 , 它的 C H 4 吸收
速率则从7 . 5 7拜g · m 一 , · h 一’上升到 1 9 . 5 5拌g
· m
一, · h
一 , ; 当山地暗棕 色森林土 的 N Zo
排放速率由 6 月 2 6 日的 5 . 7 3拌g · m , · h 一‘
上升到 8 月 1 0 日的 9 . 6 6拜g · m 一 , · h 一 , 时 ,
其 C H ; 吸收速率则从 85 . 63 拜g · m 一, · h ’降
到 37 . 6 5拌g · m 论 · h 一 , . 反硝化作用 、硝化
作 用和 C H ; 氧化作用被认为是在 森林土
壤 中普遍存在的微生物过程 , 而反硝化作
用和硝化作用 又是森林土壤中产生 N ZO
的两个主要微生物过程〔‘’〕, 近来有研究表
明 N 肥的施 用与土壤 消耗 C H ; 速 率的降
低有关 , 并认为这可能是因为 N H才(和 /或
N H 3 ) 能竞争性地抑制 C H ; 利用菌的 C H ;
氧化作用 [s] . 又有研究表明甲基氟和二甲
醚既是硝化作用中氨单氧化酶的专一抑制
剂 , 又是 C H 4 氧化作用中 C H ; 单氧化酶的
专一抑制剂仁’。〕. 从上述研究结果可推测硝
化作用和 C H ; 氧化作用两 微生物过 程之
间存在互为消长关 系的可能性 . 如果这种
入/ /八/
妇归‘
0B璐0.放吞压众 。
。O艺经„.只-互翻-.一.勺l纽咤七
映毕李留以侄林
培养天数D. ” of 恤. 加t如 伍 )
图 4 长白山不同类型森林土上层土壤 (0 一 6c m ) 实际 反
硝化作用的比较
F 饭二 ‘ C o m p a r i s o n o f a e t u a l d e n i t r if ie a t io n s in u p p e r 5 0 11
l a y e r ( 0一 6 e m ) fr o n i d if f e r e n t fo r e s t 5 0 115 .
3
.
3 CH ; 通量
目前 , 人 们已经 了解到大气中的 C H ;
可 以被包括苔原 〔’s ’和沙漠〔’2〕在 内范 围广
泛 的 各 种 类 型 土 壤 系 统 所 消 耗 .
A d a m s e n [ ‘]报道多种土壤对大气 C H 4 的消
耗速率在 0 . 2一 4m g · 。 一 2 · d 一 , 之 间 ; B ut -
t e r b a e h 一b a h l川对针叶林 下土壤 C H ; 排放
通量 的测 定结果在 一 25 . 6拌g · m , · hl 和
2 6
.
2拌g · m 一 , · h , 之 l司 , 年均值为 1 . 4拌g ·
m
一2 , h 气 本研究的原位观 测结果表明 , 长
白山 4 种土壤均表现为吸收大气 C H ; , C H ;
吸收速率在 7 . 58 和 85 . 6拜g · m , · h 一’之间
(图 1) . 而且从山顶到 山脚 , C H ; 吸收速率
呈越来越大的趋势 .
3
.
4 森林土壤的 C H 4 吸收
用 山地 暗棕色森林 土进 行 土壤 C H ;
4 期 徐 慧等 :长白山北坡不同土壤 N ZO 和 C H . 排放的初步研究 3 7 7
消长关系得到进一步确证 , 那么将可能既
减少 N ZO 排放又增加 C H ; 吸收 , 即同时减
少这两种气侠向大气的排放 ·
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N ( ) 2 a n d C H 一 f lu x r a t e s i n a n i t r o g e n s u p e r s a t
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lo s s e s f r o m tw o f o r e s t ed e e o s y s t e m s v ia ni t r i fi e a t io n
a n d d e n i t r if i e a t io n
. 月户户1 . E n o i ro ,: . 材f汀侧叼。了. ,
5 2 : 1 2 8 7一 1 2 9 2 .
H u ‘e h in s o n , G . I‘ . a n d M o s i e r , 今· R · 1 9 8 1· Im -
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M i l一e r , I J . G . , co u t la k i : , M
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m e rh y l fl u o r id e a n d d im e t h y l e t h e r
. 月户户1 . E o i~
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u p t a k e in t e m p e r a t e f o r e s t s o i l s
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3 4 1 : 3 14 一 3 1 6 .
S t r ie g l , R
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Co n s u m P t i o n o f a tmo s p h e r
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m e n t s
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F , st E’时。刀 a , d M 口 , 口酬m 。, r . 4 4 : 4 1 一
5 2
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De n i t r ifi e a t io n
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1 0 1 1一 1 0 2 6 . A me r i e a n So e i e t y o f A g r o no n i y
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N a t u 理 , 3 4 6 : 1 6 0一 1 6 2 .
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