环境科学  2014, Vol. 35 Issue (11): 4321-4328   PDF    
引用本文
李平, 郎漫, 徐向华, 李煜姗, 朱淑娴. 不同开垦年限黑土温室气体排放规律研究[J]. 环境科学, 2014, 35(11): 4321-4328.
LI Ping, LANG Man, XU Xiang-hua, LI Yu-shan, ZHU Shu-xian. Study on Regularity of Greenhouse Gas Emissions from Black Soil with Different Reclamation Years[J]. Environmental Science, 2014, 35(11): 4321-4328.
不同开垦年限黑土温室气体排放规律研究
李平1,2, 郎漫1,2 , 徐向华2, 李煜姗2, 朱淑娴2    
1. 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044;
2. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044
收稿日期: 2014-4-26; 修订日期: 2014-6-23.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41301345，41101284）；江苏省高校自然科学研究计划项目（12KJB210004）；江苏省农业气象重点实验室开放基金项目（KYQ1209）；江苏省政府留学奖学金项目；江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201310300095X）
作者简介：李平（1982~），男，博士，讲师，主要研究方向为土壤氮循环及其环境效应，E-mail：pli@nuist.edu.cn
通讯联系人,E-mail:mlang@nuist.edu.cn
摘要：以东北黑土区荒地土壤（H）、开垦2 a（L）、30 a（S）和100 a（Y）土壤为对象，在25℃和60%WHC水分条件下，通过7 d的室内培养试验，研究了不同开垦年限黑土温室气体N2O、CO2和CH4的排放规律. 结果表明，黑土开垦后理化性质发生了显著改变，进而影响了温室气体的排放. N2O排放量随开垦年限的增加而增加，开垦30 a和100 a土壤的N2O排放量显著高于荒地土壤. 净硝化量和N2O排放量与土壤水溶性有机氮和粉粒含量呈显著正相关关系，与土壤pH和砂粒含量呈显著负相关关系. CO2排放量随开垦年限的增加而逐渐降低，开垦30 a和100 a土壤与荒地土壤差异显著. 土壤有机碳和水溶性有机碳含量与CO2累积排放量呈显著正相关关系. 好氧条件下，荒地土壤和开垦土壤在培养前4 d表现为对CH4的微量排放，然后表现为对CH4的微量吸收，开垦土壤的CH4排放量随开垦年限的增加而增加. 不同开垦年限黑土可能因土壤pH、有机碳、水溶性有机碳含量以及土壤机械组成的差异而产生CO2和CH4排放的差异.
关键词： 开垦年限     黑土     N2O     CO2     CH4    
Study on Regularity of Greenhouse Gas Emissions from Black Soil with Different Reclamation Years
LI Ping1,2, LANG Man1,2 , XU Xiang-hua2, LI Yu-shan2, ZHU Shu-xian2    
1. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: Regularity of greenhouse gas emissions from black soil with different reclamation years in northern China was investigated by an incubation experiment. Soil samples cultivated for 2 years, 30 years, 100 years and uncultivated were collected and incubated at 25℃ and a soil moisture of 60% of the water hold capacity (WHC) for 7 days. The results indicated that the physical and chemical properties of black soil changed significantly after reclamation, which had significant influence on the greenhouse gas emissions. N2O emission was stimulated after soil was reclaimed, the longer time of reclamation, the higher N2O emitted from soil, and the N2O emissions from soil cultivated for 30 and 100 years were significantly higher than that from uncultivated soil. There were significant positive correlations between N2O emission and the content of water organic nitrogen and silt in soil, whereas significant negative correlations were found between pH, sand content and N2O emission. CO2 emission decreased after the soil was cultivated, and CO2 emission from soil cultivated for 30 and 100 years were significantly lower than that of uncultivated soil. There were significant positive correlations between organic carbon, water organic carbon and CO2 emission. All of the soils behaved as weak sources of CH4 emission during the first 4 days of incubation, and then behaved as weak sink of atmospheric CH4, the CH4 cumulative emission increased with reclamation years. The difference of CO2 and CH4 emissions from black soil with different reclamation years may be attributed to the difference of soil pH, organic carbon, soluble organic carbon and the contents of sand and silt.
Key words: reclamation year     black soil     N2O     CO2     CH4    

氧化亚氮(N2 O)、 二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是3种重要的温室气体. 近几十年来，大气中的温室气体在逐年增加. 据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)估计，大气中N2O、CO2和CH4的年平均增长速度分别达到0.3%、 0.5%和0.8%[1]. 土壤是温室气体的重要排放源[2]，土壤中N2 O的排放主要是在微生物的参与下，通过硝化作用和反硝化作用完成的[3]. 土壤有机碳经土壤微生物的矿化作用向大气中排放CO2[4]. 在极端厌氧条件下，甲烷菌分解土壤中的有机质，产生CH4[5]. 土壤N2O、CO2和CH4的排放受土壤pH值、质地、有机碳、可溶性氮等理化性质的影响[6, 7, 8]. 此外，土壤开垦时间长短对土壤理化性质有重要影响，进而影响温室气体的排放过程和排放量[9].

东北黑土是世界3大片黑土之一，其总土地面积为101.85万km2[10]. 黑土质地肥沃，生产力较高，整个东北黑土区每年生产约350亿kg商品粮，是我国重要的粮食生产基地，同时也是甜菜、 亚麻、 向日葵等经济作物的主产区和畜牧业基地. 据报道，在黑龙江省很多地区还有不少未开垦利用的荒地，生产潜力还很大[11]. 目前，有关黑土开垦后土壤肥力状况的动态变化研究已有很多[12,13]，但有关不同开垦年限的黑土温室气体排放规律的研究还未见诸报道. 因此，本研究以东北黑土区不同开垦年限的土壤为对象，分析不同开垦年限黑土N2 O、 CO2和CH4的排放规律及其影响因素和机制，以期为黑土区垦殖利用的生态效应评估提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试土壤采自黑龙江省哈尔滨市阿城区蜚克图镇光明村，该地区属北温带大陆季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年平均温度1.5℃，年平均降水量530 mm，年有效积温2 450℃，年日照时数2 600~2 800 h，无霜期125 d，土壤属于中厚层黑土. 耕作土壤主要种植玉米，常年施用二铵和尿素，不施有机肥. 荒地黑土主要生长小叶樟、 落豆秧、 地榆等草甸植物，俗称“五花草塘”. 于春季翻耕前分别采集未开垦的荒地(H)、 开垦2 a(L)、 30 a(S)和100 a(Y)黑土的0~20 cm耕层土壤，每个采样地块各设3次空间重复，将3个空间重复所采土样混匀作为试验用土. 采样的同时，详细调查和比较各样点的环境条件和生产管理水平，选择地形条件较为相似，生产管理水平基本一致的田块为采样点，以尽量减少地貌条件和其他因素的干扰. 土样于室温下风干，过2 mm筛低温储存备用. 土壤理化性质如表 1所示.

表 1 供试土壤的基本理化性质1)Table 1 Physico-chemical properties of the test soils
1.2 试验设计

每个土壤样品各称取相当于30 g烘干土重的风干土样于30个250 mL三角瓶中，加水至40% WHC，25℃下预培养7d以便激活土壤微生物. 预培养结束后，向三角瓶中加入NH4NO3溶液，使得氮浓度达到60 mg ·kg-1，同时调节水分至60% WHC. 用锡箔盖住瓶口，并在锡箔上扎4~5个孔以利于通气，然后将三角瓶置于恒温培养箱中在25℃下黑暗培养. 每隔2 d对样品补水以补充因蒸发而引起的水分损失.

分别在添加氮溶液后的0、 1、 2、 4、 7 d随机取出3个土壤样品作为重复. 按液土比2.5 ∶1向三角瓶中加入2 mol ·L-1 KCl溶液，振荡、 过滤，收集滤液于塑料瓶中，并于4℃下低温保存用于测定NH+4、 NO-3浓度. 每次取样前将三角瓶除去锡箔通气30 min，然后用带取气孔的橡胶塞密闭瓶子，采集培养瓶上部空间气体样本20 mL，注入18 mL真空瓶中，作为初始气体浓度. 密闭24 h后，再次采集气体，测定N2 O、 CO2和CH4浓度.

1.3 分析方法

土壤pH用电位法(液土比为2.5 ∶1)测定； 土壤有机碳和全氮用碳氮元素分析仪(NA Series 2,CE Instruments,Italy)测定； 土壤质地采用激光粒度分析仪(Beckman Coulter,Los Angeles,USA)测定； 水溶性有机碳(WOC)和水溶性有机氮(WON)的测定参照文献[14]中的方法，土壤用水浸提后过0.45 μm滤膜，然后用有机碳氮分析仪(Shimadzu Corp,Kyoto,Japan)测定； 土壤最大持水量(WHC)的测定参照文献[15]中的方法，称取适量过2 mm筛的土样置于用棉球塞住的漏斗中，加去离子水侵泡2 h后加盖，除去棉塞，让水分自由下渗，放置过夜后测定土壤重量含水量作为土壤最大持水量； KCl溶液提取后的滤液用MgO-定氮合金蒸馏法测定NH+4、 NO-3浓度； N2 O、 CO2和CH4浓度用气相色谱仪(Shimadzu GC-14B)测定.

1.4 数据处理与统计分析

N2 O、 CO2和CH4排放速率按照下列公式计算:


式中，F为气体排放速率，单位为ng ·(kg ·h)-1(以N2 O-N计)、 mg ·(kg ·h)-1(以CO2-C计)或者ng ·(kg ·h)-1(以CH4-C计)； ρ为标准状态下N2 O-N、 CO2-C和CH4-C的密度； dc dt 为单位时间内培养瓶内气体浓度增加量，单位为×10-6 ·h-1或×10-9 ·h-1； V是培养瓶中气体的有效空间体积(m3)； W为培养瓶内的烘干土重(kg)； T为培养温度(℃).

气体累积排放量通过相邻两次气体平均排放速率与排放时间的乘积累加计算得出，硝化过程中的N2 O排放比率为培养一段时间后的N2 O累积排放量与净硝化量之比.

文中给出的数据均为3次重复的平均值. 采用SPSS 13.0软件对数据进行单因素方差分析和相关分析，用Duncun(SSR)方法分析处理间平均数在P<0.05和P＜0.01水平的差异显著性，用Excel软件做图.

2 结果与分析 2.1 N2 O排放速率及其累积排放量

荒地土壤的N2 O排放速率在整个培养期间没有明显变化，而开垦土壤的N2 O排放速率在培养后的第1 d达到峰值并随培养时间的延长逐渐下降(图 1). 从图 1可以看出，黑土开垦后显著促进了N2 O的排放，整个培养期间3种不同开垦年限的土壤N2 O排放速率均大于荒地土壤，开垦年限越长，N2 O排放速率越大. 这种差异在培养的前4 d尤为显著(P＜0.05)，但在培养结束，3种开垦土壤的N2 O排放速率与荒地土没有显著差异(P>0.05).

竖线表示标准差，不同字母代表处理间差异显著(P＜0.05)，LSD分析，下同图 1 不同开垦年限土壤的N2 O排放速率及其累积排放量Fig. 1 Changes of N2 O flux and cumulative emissions from soils reclaimed for different years during 7 days of incubation

N2 O累积排放量随培养的进行逐渐增加(图 1). 培养7 d后，开垦30 a和100 a土壤的N2 O-N累积排放量分别为3.79 μg ·kg-1和3.63 μg ·kg-1，显著高于荒地土壤和开垦2 a土壤的1.94 μg ·kg-1和2.60 μg ·kg-1. 开垦年限对培养7 d后土壤净硝化量的影响与N2 O累积排放量的变化规律相同(图 2)，两者呈显著正相关(r=0.963 8,P<0.05). 因此，4个土壤的N2 O排放比率没有显著差异，荒地土壤、 开垦2 a、 30 a、 100 a土壤的N2 O排放比率分别为0.171‰、 0.190‰、 0.179‰和0.165‰(图 2). 相关分析结果表明，培养7 d后的N2 O累积排放量与土壤铵态氮、 硝态氮、 水溶性有机氮和粉粒含量都呈显著正相关，与土壤pH和砂粒含量都呈显著负相关(表 2).

表 2 N2 O、 CO2和CH4累积排放量与土壤理化性质的相关关系(n=12)1)Table 2 Correlations between N2 O,CO2,CH4 cumulative emissions and the physico-chemical properties of soils
图 2 不同开垦年限土壤的净硝化量及其N2 O排放比率Fig. 2 Net nitrified nitrogen and N2 O emission ratio from soils reclaimed for different years during 7 days of incubation
2.2 CO2排放速率及其累积排放量

无论是荒地土壤，还是开垦土壤，CO2排放速率都随培养的进行缓慢下降(图 3). 开垦年限对CO2排放速率具有重要影响. 随着开垦年限的增加，CO2排放速率逐渐下降，开垦2 a土壤相比荒地土壤CO2排放速率没有显著差异，但开垦30 a和100 a土壤CO2排放速率均显著低于荒地土壤(P<0.01).

CO2累积排放量随培养的进行逐渐增加(图 3)，培养7 d后，开垦30 a和100 a土壤CO2累积排放量分别为52.1 mg ·kg-1和45.3 mg ·kg-1，显著低于荒地土壤(77.2 mg ·kg-1)和开垦2 a土壤(71.0 mg ·kg-1，P＜0.05). 统计分析表明，培养7 d后的CO2累积排放量与土壤pH、 有机碳、 水溶性有机碳和砂粒含量呈极显著正相关，与粉粒含量呈极显著负相关(表 2).

图 3 不同开垦年限土壤的CO2排放速率及其累积排放量Fig. 3 Changes of CO2 flux and cumulative emissions from soils reclaimed for different years during 7 days of incubation

图 4 不同开垦年限土壤的CH4排放速率及其累积排放量Fig. 4 Changes of CH4 flux and cumulative emissions from soils reclaimed for different years during 7 days of incubation
2.3 CH4排放速率及其累积排放量

不同开垦年限土壤的CH4排放速率如图 4所示，在培养的前4 d，荒地土壤和开垦土壤都表现为对CH4的微量排放，并随着培养的进行逐渐降低，但到了第7 d，所有土壤都表现为对CH4的微量吸收. 与荒地土壤相比，3种不同开垦年限土壤的CH4排放速率在各取样时间都有所增加，开垦时间越长，排放速率越大. 各土壤CH4累积排放量先随培养的进行逐渐增加，并在培养4 d后达到峰值，随后开始降低(图 4). 开垦30 a和100 a土壤的CH4排放量没有显著差异，但均显著高于荒地土壤和开垦2 a土壤.

3 讨论

土壤中N2 O的排放主要是通过硝化作用和反硝化作用过程产生[3]. 好氧条件下，土壤中主要发生硝化作用，反硝化作用很少发生[16]. 本研究中土壤净硝化量与N2 O排放量呈显著正相关，说明在60%田间持水量条件下，硝化作用是土壤排放N2 O的主要途径. 硝化过程中排放的N2 O占硝化氮的比例很小，通常在0.3‰~2‰之间[17]，本研究中土壤培养7 d后N2 O排放比率在0.165‰~0.190‰之间，与之相近. 研究表明，土壤pH值是硝化作用的主要影响因素[18]，随着pH值增加，净硝化速率和N2 O排放量显著增加[16,19]. 而本研究结果显示N2 O排放量与土壤pH呈显著负相关(表 2)，这可能是由于黑土开垦后肥料氮的大量施用使得土壤pH值逐年下降(表 1)，而硝化微生物长期生存在低pH条件下产生了适应性的结果[19]. 此外，黑土开垦后机械扰动增强了土壤的通透性，促进了土壤有机质的分解和酶活性的提高，有利于硝化微生物的生长和繁殖[20,21]，在硝化底物供应充足的情况下仍具有很强的硝化活性. 硝化活性的增加促进了NH+4-N向NO-3-N的转化，导致土壤中的NO-3-N含量随着开垦年限的增加而增加. 水溶性有机氮是硝化作用底物NH+4的重要来源[22]，因此土壤水溶性有机氮含量越高，N2 O排放量越高(表 2). 本研究中荒地土壤的水溶性有机氮含量为5.25 mg ·kg-1，而土壤开垦2 a、 30 a和100 a后分别为6.77、 14.21和9.42 mg ·kg-1(表 1)，均显著高于荒地土壤. 有研究指出，荒地耕种后，不仅全氮含量减少，各组分有机氮均减少[20, 21, 23]. 本研究结果恰恰与其相反，这可能是因为研究区域长期实行大型机械化耕作，土壤的通气性能较好，使得土壤微生物活性增强，有机质大量分解产生的水溶性有机氮除部分被作物吸收外，剩下的逐渐累积在土壤中，导致土壤水溶性有机氮含量的增加[24]. 水溶性有机氮是微生物最容易利用的氮源，很容易被微生物分解矿化为NH+4. 因此，虽然长时间的开垦利用降低了黑土有机碳和全氮含量，但矿质氮含量却显著增加(表 1). 造成不同开垦年限黑土N2 O排放差异的另一个原因可能是长期的开垦利用改变了土壤的机械组成，黑土开垦时间越长，砂粒含量越少，粉粒含量越多(表 1)，两者与N2 O排放量分别呈显著的负相关和正相关关系(表 1). 有研究指出，在好气培养条件下，粘粒和粉粒高的土壤很容易形成厌氧微区，促进反硝化作用的发生，从而导致N2 O的大量排放[25]. 此外，硝化作用的快速发生会降低土壤中的氧气含量，而且较多的小颗粒会抑制氧气扩散[26]，因而容易形成厌氧微域促进反硝化作用的进行和N2 O的大量排放. 开垦30 a和100 a土壤粉粒含量高于荒地土和开垦2 a土壤，相应的N2 O排放量也显著增加.

在没有种植作物的情况下，土壤中的CO2排放主要来自微生物呼吸. 土壤微生物呼吸的大小可表征微生物活性的强弱[27]. 本研究是在室内培养条件下进行的，没有作物的影响，因此土壤中CO2的排放可以代表微生物活性的大小. 荒地土壤和开垦土壤的CO2排放速率在培养初始最高，然后逐渐下降，说明氮源的加入刺激了微生物的生长和活动，随着土壤有机碳的消耗，微生物可以利用的基质减少，活性逐渐减弱，CO2排放量也逐渐降低. 研究表明，土壤微生物呼吸的强弱主要受易分解有机碳含量的影响[28]，土壤中水溶性有机碳含量越高，微生物活性越强[7]. 本研究也发现土壤CO2累积排放量与水溶性有机碳含量呈极显著正相关(表 2). 黑土开垦后表层土壤有机碳含量明显下降，与荒地相比，开垦2 a、 30 a、 100 a土壤有机碳含量分别下降了9.0%、 10.5%、 20.0%(表 1). 有机碳库中活性最大、 对微生物影响最为显著的是水溶性有机碳，两者存在显著正相关关系[29]. 因此，随着开垦年限的增加，土壤有机碳含量的下降导致水溶性有机碳的含量也随之降低，与之相应的CO2排放量也显著降低. 从表 2还可看出，CO2排放量与土壤pH呈显著正相关. 黑土开垦后，大量氮肥的使用导致土壤硝化作用增强，土壤pH逐年下降，而微生物适合在中到碱性的环境下生存，因此开垦年限越长，微生物活性越弱，CO2排放量越少. 微生物呼吸产生的CO2从土壤释放到大气的过程还与土壤机械组成有关，本研究显示CO2排放量与砂粒含量呈显著正相关，与粉粒含量呈显著负相关(表 2)，说明土壤的通气性越好，越有利于气体的扩散. 长时间的开垦利用破碎了土壤的原有结构，使得粉粒含量增多，砂粒含量减少，土壤的通气性能也降低，这可能是土壤CO2排放量随着开垦年限的增加而降低的另一个原因.

土壤中CH4产生和氧化是微生物活动的结果，在厌氧条件下，甲烷菌分解土壤中的有机质，产生CH4，在好气条件下，CH4又被氧化菌氧化[30]. 本研究是在好氧条件下进行的，不利于甲烷的产生，但试验中用移液管向土壤中添加溶液时不可能做到完全均匀一致，一些土壤孔隙被水分饱和后形成局部的厌氧环境会促进甲烷的微弱排放. 另外，硝化作用的快速发生会导致土壤颗粒微区氧气含量降低，土壤黏粒抑制氧气扩散也会促进厌氧环境的形成[31]. 一些其它的研究结果也发现，耕作土壤在好氧条件下会排放少量的甲烷[30,32]. 黑土经过开垦后，不断的翻耕扰动过程改变了土壤的机械组成，进而影响土壤中氧气的扩散过程，促进厌氧微区的形成. 此外，硝化作用的快速发生消耗了土壤中的氧气，为CH4的产生创造了有利的条件，使得开垦30 a和100 a土壤CH4排放量显著高于荒地土壤和开垦2 a土壤. 土壤有机碳是产生甲烷的基质，有机碳含量越高，甲烷排放量越高[32]. 本研究中土壤有机碳含量随开垦年限的延长而逐渐降低，但甲烷排放量却显著增加，两者呈显著负相关，这可能是因为CH4在局部厌氧微区环境下的排放很少，其主要受土壤通气性的影响，有机碳不是主要限制因子. 由此可见，有关黑土开垦后CH4排放的影响因素及影响机理还需进一步地研究. 培养7 d后土壤由微弱的CH4排放源转化为微弱的CH4吸收库，这可能是因为土壤硝化速率随培养的进行逐渐减慢，对氧气的消耗减少，改善了土壤通气环境所致. CH4在土壤中的氧化受各种因子的影响，其中铵态氮含量是一个重要因素. 很多研究表明，土壤铵态氮含量越高，CH4氧化速率就越低[33,34]，这是因为铵对CH4氧化有竞争性抑制作用[35]. 本研究中培养7 d后CH4氧化速率随着开垦年限的增加逐渐减少，这可能是土壤铵态氮含量随开垦年限的增加而增加所致(表 1).

本研究是在室内培养条件下进行的，所用土壤为风干土. 有研究报道土壤经过干燥和过筛后，释放了一些物理保护性有机物质[36]，为微生物提供了底物和能源，促进了矿化作用的进行[37]. 此外，干土复水后土壤水势的显著改变诱导了死亡微生物的细胞分解[38]和细胞内含物质的释放[39]. 这些死亡微生物释放出来的氨基酸、 甘油和含氮化合物等很快会被存活的微生物分解矿化，进而引发碳氮矿化的激发效应[40]. 但是，干土复水后对土壤碳氮矿化的激发效应只发生在复水后的16 h，24 h之后没有显著影响[41]，对N2 O和CO2排放的激发效应最长持续时间也就是复水后的4 d左右[15]. 笔者在复水后的第7 d开始监测气体排放量，因此，由于复水产生的碳氮矿化差异对温室气体排放的影响应该可以忽略不计. 尽管如此，本研究的室内培养试验没有植物的参与，缺乏植物对土壤碳氮养分的竞争，所处的环境条件(如水分和温度)与田间实际条件仍有一定的差异. 因此，针对黑土开垦后温室气体排放的规律及其影响因素还需开展田间原位试验进行深入地研究.

4 结论

黑土开垦后，由于受到人为活动的影响，其理化性质与开垦前(荒地)大不相同，土壤排放温室气体的规律也不同. 随着垦殖年限的增加，土壤净硝化量和N2 O排放量显著增加，CO2排放量显著降低，CH4排放量显著增加. 值得注意的是，本研究是基于室内培养试验结果的分析，与田间实际环境条件有所差异，且培养时间较短. 因此，有关不同开垦年限黑土温室气体排放规律的研究还需开展相关田间原位监测试验加以验证.

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