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氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响

许可 王春梅 张艺 杨欣桐 韩金锋 桂蓉蓉

许可, 王春梅, 张艺, 杨欣桐, 韩金锋, 桂蓉蓉. 氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
引用本文: 许可, 王春梅, 张艺, 杨欣桐, 韩金锋, 桂蓉蓉. 氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
XU Ke, WANG Chun-mei, ZHANG Yi, YANG Xin-tong, HAN Jin-feng, GUI Rong-rong. Effects of different nitrogen addition forms and levels on N2O emission in the temperate forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
Citation: XU Ke, WANG Chun-mei, ZHANG Yi, YANG Xin-tong, HAN Jin-feng, GUI Rong-rong. Effects of different nitrogen addition forms and levels on N2O emission in the temperate forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103

氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
基金项目: 

中央高校基本科研业务费专项 2016JX02

北京林业大学大学生创新训练项目 S201610022116

国家自然科学基金项目 41373069

详细信息
    作者简介:

    许可。主要研究方向:全球气候变化及生物地球化学循环。Email: xuke920328@163.com  地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学环境科学与工程学院

    通讯作者:

    王春梅,副教授。主要研究方向:全球气候变化及生物地球化学循环。Email:wangcm@bjfu.edu.cn  地址:同上

  • 中图分类号: S714.3

Effects of different nitrogen addition forms and levels on N2O emission in the temperate forest soil

  • 摘要: 土壤中氮形态和氮剂量的有效性是影响土壤氧化亚氮(N2O)排放的重要因子。为了提高氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响,本研究在北京林业大学实验林场,以温带油松林土壤为研究对象,通过野外氮添加控制实验,采用静态箱/气相色谱法分析不同水平(对照,CK:0 kg/(hm2·a); 低氮,LN:50 kg/(hm2·a); 中氮,MN:100 kg/(hm2·a); 高氮,HN:150 kg/(hm2·a))和不同形态(混合态氮,AN:NH4NO3; 铵态氮,As:(NH4)2SO4; 硝态氮,Na:NaNO3)的氮添加对温带油松林土壤N2O排放通量的影响。结果表明:氮添加处理样地N2O排放表现出明显的季节性变化特征,排放高峰出现在6—8月,其他季节土壤N2O排放通量相对较低,最小值出现在1月。不同氮添加处理均促进了土壤N2O的排放:在不同水平的氮添加下,随着氮添加水平的增加,土壤N2O排放通量也升高,表现为HN>MN>LN>CK。不同形态的氮输入对N2O排放的促进作用表现为:AN>As>Na,As添加与AN和Na添加没有显著差异(P>0.05),但AN添加与Na添加之间差异显著(P<0.05)。此外,空气温度、土壤温度和土壤孔隙含水量也可以影响土壤N2O的排放。年度土壤N2O排放系数范围是0.34%~0.94%,年均排放系数为0.364%,低于联合国政府间气候变化委员会(IPCC)推荐的默认值。
  • 图  1  实验期内大气、土壤温度(a)和土壤水充孔隙空间(b)变化

    Figure  1.  Variations of temperature (a) and water filled pore space (b) in the observed period

    图  2  不同水平(a)和不同形态(b)的氮添加处理下土壤N2O通量季节变化特征

    Figure  2.  Seasonal variations of soil N2O fluxes under different N-level (a) and N-form (b) addition

    图  3  年度N2O累积排放量与氮添加量的关系

    Figure  3.  Relationship between annual cumulative N2O emission and N addition amount

    表  1  土壤基本理化性质

    Table  1.   Background values of soil physiochemical properties (Mean±SE, n=3)

    森林类型
    Forest type
    pH有机质
    Organic matter/(g·kg-1)
    全氮
    Total nitrogen/(g·kg-1)
    NH4+-N/(mg·kg-1)NO3--N/(mg·kg-1)
    油松Pinus tabuliformis6.31±0.3644.4±1.882.31±0.231.29±0.260.75±0.25
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    表  2  6—8月不同形态和水平的氮添加下土壤各样地N2O排放通量重复测量方差分析

    Table  2.   Results of repeated measures ANOVA of soil N2O emission under different N-level and N-form addition from June to August

    项目Item变异VariationFP
    不同水平氮添加 Different N addition level时间Time853.815<0.001
    氮水平N level186.904<0.001
    时间×氮水平Time×N level97.604<0.001
    不同形态氮添加 Different N addition form时间Time1 266.148<0.001
    氮形态N form1 300.398<0.001
    时间×氮形态Time×N form262.870<0.001
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    表  3  不同水平和形态氮添加下土壤N2O的年累积排放量和排放系数

    Table  3.   Annual N2O cumulative fluxes and soil N2O emission factor under different N-level and N-form addition

    项目
    Item
    不同水平氮添加Different N addition level不同形态氮添加Different N addition form
    CKLNMNHNANNaAs
    累积排放/(kg·hm-2) Cumulative emission/ (kg·ha-1)0.40±0.04 c0.82±0.06 b0.84±0.04 b1.00±0.06 a0.84±0.04 a0.70±0.04 b0.81±0.04 bc
    排放系数 Emission coefficient/%0.936±0.038 5 a0.497±0.004 0 b0.453±0.018 0 b0.497±0.004 0 a0.343±0.000 6 b0.457±0.004 9 a
    注:同一行中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different superscripts of letters in the same row indicate the significant differences at the level of P<0.05 between the treatments.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-28
  • 修回日期:  2016-06-03
  • 刊出日期:  2017-03-01

氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
    基金项目:

    中央高校基本科研业务费专项 2016JX02

    北京林业大学大学生创新训练项目 S201610022116

    国家自然科学基金项目 41373069

    作者简介:

    许可。主要研究方向:全球气候变化及生物地球化学循环。Email: xuke920328@163.com  地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学环境科学与工程学院

    通讯作者: 王春梅,副教授。主要研究方向:全球气候变化及生物地球化学循环。Email:wangcm@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S714.3

摘要: 土壤中氮形态和氮剂量的有效性是影响土壤氧化亚氮(N2O)排放的重要因子。为了提高氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响,本研究在北京林业大学实验林场,以温带油松林土壤为研究对象,通过野外氮添加控制实验,采用静态箱/气相色谱法分析不同水平(对照,CK:0 kg/(hm2·a); 低氮,LN:50 kg/(hm2·a); 中氮,MN:100 kg/(hm2·a); 高氮,HN:150 kg/(hm2·a))和不同形态(混合态氮,AN:NH4NO3; 铵态氮,As:(NH4)2SO4; 硝态氮,Na:NaNO3)的氮添加对温带油松林土壤N2O排放通量的影响。结果表明:氮添加处理样地N2O排放表现出明显的季节性变化特征,排放高峰出现在6—8月,其他季节土壤N2O排放通量相对较低,最小值出现在1月。不同氮添加处理均促进了土壤N2O的排放:在不同水平的氮添加下,随着氮添加水平的增加,土壤N2O排放通量也升高,表现为HN>MN>LN>CK。不同形态的氮输入对N2O排放的促进作用表现为:AN>As>Na,As添加与AN和Na添加没有显著差异(P>0.05),但AN添加与Na添加之间差异显著(P<0.05)。此外,空气温度、土壤温度和土壤孔隙含水量也可以影响土壤N2O的排放。年度土壤N2O排放系数范围是0.34%~0.94%,年均排放系数为0.364%,低于联合国政府间气候变化委员会(IPCC)推荐的默认值。

English Abstract

许可, 王春梅, 张艺, 杨欣桐, 韩金锋, 桂蓉蓉. 氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
引用本文: 许可, 王春梅, 张艺, 杨欣桐, 韩金锋, 桂蓉蓉. 氮素化学形态及添加剂量对温带森林土壤N2O排放的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
XU Ke, WANG Chun-mei, ZHANG Yi, YANG Xin-tong, HAN Jin-feng, GUI Rong-rong. Effects of different nitrogen addition forms and levels on N2O emission in the temperate forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
Citation: XU Ke, WANG Chun-mei, ZHANG Yi, YANG Xin-tong, HAN Jin-feng, GUI Rong-rong. Effects of different nitrogen addition forms and levels on N2O emission in the temperate forest soil[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 74-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160103
  • 由于工业进程发展和人类活动变化,化石燃料和化肥大量使用,导致大气氮沉降量增加[1]。我国已成为继欧洲、北美之后的世界第3大氮沉降区。随着经济的发展,氮沉降量还会持续升高[2]。氮沉降会影响森林土壤可利用氮素状况,从而影响森林土壤生化过程,对森林生态系统物质循环产生影响[3],而且还可能改变土壤温室气体的排放通量[4]

    N2O是仅次于CH4和CO2的温室气体,在大气中以痕量存在但十分稳定,百年尺度单位质量的全球增温潜势(GWP)是CO2的298倍[5],且能破坏臭氧层[6]。据估计,大气中每年80%~90%的N2O来源于土壤[7],而森林土壤是N2O主要排放源,占排放总量的90%左右。森林土壤N2O主要来源于硝化和反硝化过程,每年向大气中排放的N2O约为2.88~7.42 Tg[8]

    氮添加对森林土壤N2O排放的影响存在促进、抑制和无显著影响3种结论[9]。很多研究显示,氮添加水平的增加会导致森林土壤N2O排放量的升高。Butterbach-Bahl等[4]研究表明,高氮添加会促进赤松(Pinus densiflora)林土壤N2O的排放。莫江明等[10]在鼎湖山的研究发现,马尾松(Pinus massoniana)林和季风林土壤N2O排放通量随着氮添加水平的增加而升高。而Adams等[11]在南半球澳大利亚森林的研究表明,森林土壤N2O的排放对氮沉降的影响不显著。同样,不同形态的氮(铵态氮、硝态氮)添加对土壤N2O的影响也没有定论,一些研究表明土壤反硝化过程是土壤N2O排放的主要过程[12-13],而另一些研究则认为土壤硝化过程是主导土壤N2O排放的过程[14-15]

    目前关于氮沉降影响土壤N2O排放的研究基本上采用单一形态的氮(NH4NO3)添加模拟大气氮沉降[16-18],而不同形态的氮添加对土壤N2O排放的研究很少[14]。本研究以温带油松人工林土壤为研究对象,野外模拟氮沉降试验,利用静态箱/气相色谱法,探讨不同水平和形态的氮添加对温带森林土壤N2O的排放通量的影响,为研究氮沉降对温带森林生态系统中生物过程和物质循环影响提供理论参考。

    • 本研究实验样地布设于北京西山北京林业大学实验林场(110°68′34″E、31°54′52″N),地属暖温带半湿润大陆型季风气候区,春季干旱,夏季多雨,冬季干燥。年均气温为11.7 ℃,年均降雨量为638.8 mm,平均海拔为133 m。土壤类型属褐土。植被是油松(Pinus tabuliformis)人工林,树龄为62年生,平均胸径9.6 cm,平均株高8.3 m。实验样地土壤基本理化性质见表 1

      表 1  土壤基本理化性质

      Table 1.  Background values of soil physiochemical properties (Mean±SE, n=3)

      森林类型
      Forest type
      pH有机质
      Organic matter/(g·kg-1)
      全氮
      Total nitrogen/(g·kg-1)
      NH4+-N/(mg·kg-1)NO3--N/(mg·kg-1)
      油松Pinus tabuliformis6.31±0.3644.4±1.882.31±0.231.29±0.260.75±0.25
    • 于2011年2月选取植被密度,郁闭度具有代表性的油松人工林建立18个10 m×10 m的样方,其中9个设置为不同氮添加剂量实验,9个设置为不同氮添加形态实验。为防止样方间相互干扰,各个样方间留出1.5 m宽的缓冲带。本研究共设6种不同的氮添加处理,选择3种不同水平的混合态氮(NH4NO3)添加,即低氮(LN, 50 kg/(hm2·a)),中氮(MN, 100 kg/(hm2·a))和高氮(HN, 150 kg/(hm2·a));3种不同形态的氮添加,即铵态氮添加(As, (NH4)2SO4, 100 kg/(hm2·a)),硝态氮添加(Na, NaNO3, 100 kg/(hm2·a))和混合态氮添加(AN, NH4NO3, 100 kg/(hm2·a));并同时设置空白对照(CK, 0 kg/(hm2·a))样地,每个处理设置3个重复。将年氮添加量分成8等份,于2011年3月开始至2011年10月,每月月初平均喷施于样地中。施氮时将对应剂量的氮肥溶解于20 L水中,用喷雾器向该样方均匀喷施,为排除外源水分因子对实验的影响,同时于对照样地喷施同等剂量的清水,消除环境异质性干扰。

    • 采用静态密闭箱-气相色谱法[19]对土壤N2O进行测定。静态箱的规格尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m。自2011年3月开始至2012年2月,每月施氮3 d后开始采样,隔4~6 d采样1次,每月采样4 d。采样时间为09:00—11:00点之间,分别抽取盖箱后0、10、20、30 min时的气体样品,每次采样时抽取箱内约100 mL气体置于密封铝箔气袋中,利用Agilent-7890型气相色谱仪测定。同时测定气温、0~5 cm土壤温度,并在采样地周围运用多点取样法,采集0~20 cm土壤样品,测定土壤含水率、土壤密度,并计算实时土壤水充孔隙空间(Water filled pore space, WFPS)。实验期内大气温度、土壤温度和WFPS的数据如图 1所示。

      图  1  实验期内大气、土壤温度(a)和土壤水充孔隙空间(b)变化

      Figure 1.  Variations of temperature (a) and water filled pore space (b) in the observed period

    • 1) 土壤N2O通量的计算公式[20]

      $$ F=DH\frac{\Delta c}{\Delta t} $$ (1)

      式中:F为N2O的排放通量(μg /(m2·h));D为标准状态下气体密度,D=WP/RTW为N2O分子量(g/mol);P为气压(Pa);R=22.4×10-3(J/(mol/K));T=(t+273)/273(K);H为采样箱高度(m);Δct为Δt时间内箱内N2O浓度变化量。

      土壤N2O累积排放量的计算公式:

      $$ M=\sum{({{F}_{N+1}}+{{F}_{N}})\times 0.5}\times ({{t}_{N+1}}-{{t}_{N}})\times 24\times {{10}^{-5}} $$ (2)

      式中:M为1年内土壤N2O累积排放量(kg/hm2),F为气体排放速率(μg /(m2·h)),N为采样次数,tN+1-tN为2次采样测量间隔时间。

      2) N2O排放系数(E),即添加的氮素以N2O形式损失的百分比,计算公式[14]

      $$ E=(X-{{X}_{0}})/(k\times Y)\times 100\% $$ (3)

      式中:X为氮添加样地实验期间N2O的累积排放量(kg/hm2);X0为空白样地N2O的累积排放量(kg/hm2);Y为氮素添加量(kg/hm2);k=0.9。

      3) 土壤水充孔隙空间,一般用WFPS表示,计算公式[14]

      $$ \text{WFPS=WD(1-}\mathit{D}\text{/2}\text{.65)}\times 100\% $$ (4)

      式中:W为样地土壤质量含水量;D为土壤密度。

    • 采用Microsoft Excel 2016、Origin 9.1将实验数据进行汇总整理和作图,利用SPSS 22.0软件对实验数据进行显著性和相关性分析。数据分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比较法在P<0.05显著性水平下检验土壤N2O排放速率和累积N2O排放量在不同氮添加处理间的差异显著性。

    • 实验期内,油松林土壤N2O通量表现出明显的季节性变化趋势。对照样地土壤N2O排放没有明显的排放高峰,而氮添加样地土壤N2O在6—8月出现明显的排放峰。N2O排放高峰出现在夏季,最大值出现在6—8月,而在其他季节,土壤N2O排放量较低且变化趋于平稳,最小值出现在1月(图 2),可能与气候转冷,土壤表面冰层覆盖,微生物活性降低有关。重复测量方差分析表明,时间和氮添加水平和形态的变化显著影响了油松林土壤N2O的排放通量(P<0.001, 表 2),氮添加和时间交互影响了N2O的排放通量(P<0.001, 表 2)。

      图  2  不同水平(a)和不同形态(b)的氮添加处理下土壤N2O通量季节变化特征

      Figure 2.  Seasonal variations of soil N2O fluxes under different N-level (a) and N-form (b) addition

      表 2  6—8月不同形态和水平的氮添加下土壤各样地N2O排放通量重复测量方差分析

      Table 2.  Results of repeated measures ANOVA of soil N2O emission under different N-level and N-form addition from June to August

      项目Item变异VariationFP
      不同水平氮添加 Different N addition level时间Time853.815<0.001
      氮水平N level186.904<0.001
      时间×氮水平Time×N level97.604<0.001
      不同形态氮添加 Different N addition form时间Time1 266.148<0.001
      氮形态N form1 300.398<0.001
      时间×氮形态Time×N form262.870<0.001
    • 在不同水平的氮添加下,CK样地N2O排放通量显著低于氮添加处理样地,土壤N2O排放通量随施氮水平的增加而升高(P<0.01, 图 2),说明氮添加显著提高了油松林土壤N2O的排放。与CK处理相比,LN、MN和HN分别使土壤N2O年累积通量增加了106.23%、112.84%和154.12%。土壤N2O年累积量对不同水平氮添加的响应具体表现为:HN>MN>LN>CK(表 3)。方差分析表明,氮添加处理样地N2O累积量均显著高于对照样地(P<0.05),HN添加显著高于MN和LN添加(P<0.05),但MN添加和LN添加之间没有显著性差异(P>0.05)。说明随着氮添加量的增加,土壤N2O的排放通量显著上升。

      表 3  不同水平和形态氮添加下土壤N2O的年累积排放量和排放系数

      Table 3.  Annual N2O cumulative fluxes and soil N2O emission factor under different N-level and N-form addition

      项目
      Item
      不同水平氮添加Different N addition level不同形态氮添加Different N addition form
      CKLNMNHNANNaAs
      累积排放/(kg·hm-2) Cumulative emission/ (kg·ha-1)0.40±0.04 c0.82±0.06 b0.84±0.04 b1.00±0.06 a0.84±0.04 a0.70±0.04 b0.81±0.04 bc
      排放系数 Emission coefficient/%0.936±0.038 5 a0.497±0.004 0 b0.453±0.018 0 b0.497±0.004 0 a0.343±0.000 6 b0.457±0.004 9 a
      注:同一行中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different superscripts of letters in the same row indicate the significant differences at the level of P<0.05 between the treatments.
    • 在氮添加水平相同的情况下,土壤N2O排放速率对不同形态氮添加的响应趋势表现为:混合态氮>铵态氮>硝态氮,但不同形态的氮添加处理之间差异不显著(P>0.05, 图 2)。

      土壤年度累积N2O通量对不同形态氮添加的响应表现为:混合态氮>铵态氮>硝态氮(表 3),方差分析表明,As添加与AN和Na添加没有显著差异(P>0.05),但AN添加与Na添加之间差异显著(P<0.05)。

    • 将样地中N2O-N年累积排放量与施氮量进行回归分析,可得线性回归方程为:y=0.438 86+0.003 64x(图 3)。方程中的系数为0.003 64,表示每施加氮1 kg/hm2会使油松林土壤N2O-N排放量增加0.003 64 kg/hm2,0.364%即为油松林土壤N2O-N的年均排放系数。同时,自然状态下油松林土壤N2O的背景排放量为0.438 86 kg/hm2。不同氮添加下土壤N2O的年排放系数变化范围为0.34%~0.94%。由表 3可见,不同水平的氮添加下,LN添加样地土壤N2O的排放系数最高,显著高于MN和HN添加,MN添加和MN添加之间没有显著差异;不同形态的氮添加下,土壤N2O的排放系数大小表现为:AN>As>Na。

      图  3  年度N2O累积排放量与氮添加量的关系

      Figure 3.  Relationship between annual cumulative N2O emission and N addition amount

    • 本研究运用静态箱-气相色谱法分析法,对温带油松林土壤N2O排放通量对不同水平和不同形态的氮添加的响应进行了分析,得到如下结论。

      1) 油松林土壤表现为N2O净排放源,这与前人在森林生态系统中的研究结果一致[21-22]。本研究中,油松林土壤N2O排放表现为夏季最高,春秋次之,冬季最低(图 2)。不同形态和不同水平的氮添加在6—8月显著影响了温带油松林土壤N2O的排放通量,表明了土壤N2O的排放有季节性变化规律,这与一些学者的研究结果一致[10, 14, 23-24]。土壤N2O主要通过微生物的硝化和反硝化作用产生,此过程属酶促反应,反应速率与环境因素相关。油松林土壤N2O季节性变化可能与温度和WFPS的变化相关(图 1)。WFPS通过影响土壤通气状况、氧化还原条件等来影响N2O的产生与排放。当WFPS适宜时,通气区域与厌氧区域共存,能同时促进硝化作用和反硝化作用进行,导致N2O排放量大幅增加[25]。一方面,6—8月高温多雨,土壤水分、温度等环境因素有利于氮矿化,导致土壤N2O排放激增,形成N2O排放高峰[26-27];另一方面,不同氮添加处理使土壤有效氮含量迅速增加,使硝化、反硝化底物浓度增加,刺激了N2O的产生[26]。相反,在冬季低温少雨,微生物活性下降,导致土壤N2O排放速率减弱[26]

      2) 对照样地N2O的排放速率波动范围是-1.92~9.22 μg/(m2·h),平均排放速率为4.52 μg/(m2·h),与德国和爱尔兰云杉(Picea asperat)林N2O排放速率3.5~16.4 μg/(m2·h)相持平[4]。不同氮添加水平使油松林土壤N2O平均排放速率分别增加了51.32%(LN)、103.76%(MN)、152.75%(HN)。土壤N2O排放量随着氮添加水平的增加缓慢上升,而超过一定氮添加水平,N2O排放通量则显著增加,LN、MN和HN添加处理的N2O累积排放量分别为0.82、0.84和1.00 kg/(hm2·a),分别是CK排放量(0.40 kg/(hm2·a))的2.08、2.16和2.56倍,说明氮添加是影响土壤N2O排放的重要因素。这与大部分学者的研究结果一致[4, 10, 28],他们认为氮添加会促进土壤N2O的排放。氮添加能增加氮矿化速率,产生的有效氮作为土壤硝化和反硝化菌的反应底物被转化为N2O排出[29]。土壤N2O排放通量随着氮添加水平的增加而升高,可能是因为氮添加为微生物提供了充足营养源,使微生物迅速繁殖,加强了土壤氮的利用;同时,氮添加可以直接给微生物硝化和反硝化作用提供有效氮源。然而,也有研究发现氮沉降对森林土壤N2O的排放影响不显著[11]

      3) 不同形态的氮添加的结果显示,土壤N2O季节排放量的变化与不同形态的氮素供应有关。与对照样地相比,不同氮添加形态使油松林土壤N2O平均排放速率分别增加了103.76%(AN)、86.92%(As)、99.21%(Na)。AN、Na和As添加处理的N2O累积排放量分别为0.84、0.70和0.81 kg/(hm2·a)。不同形态的氮添加使土壤NH4+或NO3-含量增加,为微生物硝化、反硝化作用提供充足的原料,进而促进土壤N2O排放[9]。本研究中,不同形态的氮添加对土壤N2O的促进程度的大小顺序为AN>As>Na。铵态氮添加(AN和As)比硝态氮添加(Na)更能促进土壤N2O的排放。这些结果表明,在本研究实验样地,硝化作用是土壤产生N2O的主导作用。这与Peng等[14] 在内蒙古温带草原土壤的研究结果一致,然而大部分研究认为,反硝化作用是土壤N2O产生的主要过程[13, 30-31]。有研究表明,当WFPS在30%~70%的范围内时,土壤N2O的产生主要靠硝化作用,当WFPS超过60%时,反硝化速率会迅速增长[32]。本研究所在实验样地WFPS很低,只有2个月超过了60%,但没有超过70%(图 1),低于反硝化作用的最佳环境条件,与本研究中硝化作用占主导地位相符合。

      4) 土壤N2O排放系数在LN添加下显著高于MN和HN,说明施氮量为50 kg/(hm2·a)时,土壤N2O排放系数最大,随着氮添加量的增加,土壤N2O的排放系数缓慢减小(表 3)。高剂量的氮素添加会影响土壤碳的有效性,进而限制微生物的活性[33]。这种抑制作用可能是因为高剂量氮添加导致土壤有机碳有效性降低[34],或者高剂量氮添加会抑制土壤有机碳的矿化作用[35]。同时,本研究中发现混合态氮添加和铵态氮添加处理的N2O排放系数显著高于硝态氮添加处理。各氮添加处理样地土壤N2O的排放系数范围为0.34%~0.94%,低于IPCC推荐的默认值1%[36],但要高于He等[37]的研究结果0.27%~0.3%。

参考文献 (37)

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