間伐和施肥對杉木人工林土壤溫室氣體排放的影響

　　摘要明確間伐強度和施肥對杉木人工林土壤溫室氣體排放的影響，是準確評估人工林土壤溫室氣體排放能力的重要基礎。以我國亞熱帶杉木(Cunninghamialanceolata)人工林為對象，通過設置3種間伐強度(輕度、中度和重度)和2種施肥處理(不施肥和施肥)來研究間伐和施肥對杉木人工林土壤CO2、CH4和N2O排放通量以及全球增溫潛勢(GWPs)的影響，并結合土壤理化性質闡明影響溫室氣體排放的主要因素。結果顯示：與中度間伐相比，輕度間伐顯著促進了土壤CO2的排放和CH4的吸收，施肥顯著提高了輕度間伐土壤的Q10值，施肥顯著抑制了中度間伐土壤N2O的排放，施肥與重度間伐共同處理顯著促進了土壤CO2與N2O的排放以及CH4的吸收。從全球增溫潛勢來看，重度間伐與施肥共同處理下的全球增溫潛勢最大，其次為輕度間伐處理，中度間伐處理最低。從整個觀測期來看，杉木人工林土壤是大氣CO2和N2O的源，是CH4的匯。土壤濕度是影響CO2排放和CH4吸收的主導因素，其次為土壤N素有效性，而土壤N2O的排放主要受土壤溫度的調控。研究表明，不同間伐強度和施肥處理通過改變土壤水熱條件和N素有效性對杉木人工林土壤溫室氣體排放產生顯著影響，中度間伐土壤具有良好的減排限排能力。

　　關鍵詞間伐強度;施肥;杉木人工林;溫室氣體排放;全球增溫潛勢

　　全球格局下氣候變暖已成不爭的事實(Ariasetal.,2021)。從1880—2018年，全球平均地溫已增加1.41℃(Bongaartsetal.,2019)，在全球變暖過程中溫室氣體(主要包括CO2、CH4和N2O)的排放被認為是一個重要的驅動因素。這些溫室氣體可以吸收地面反射的長波輻射從而導致地球表面溫度上升。

　　當前大氣CO2、CH4和N2O的濃度已達到390.5ppm、1803.0ppb和324.2ppb，與工業革命時期相比分別提高了40%、150%和20%，并且各自仍以0.5%、0.8%和0.3%的速度逐年遞增(Stockeretal.,2014;Najafietal.,2015)。因而，如何減緩溫室氣體的排放是當前亟需解決的重要問題。森林是陸地生態系統的主體，約占全球陸地面積的28%，維持著全球約73%的土壤碳庫(Sloanetal.,2015)。

　　因而，森林土壤在全球碳氮循環過程和碳氮儲存方面發揮著重要作用(Panetal.,2011)。杉木作為我國亞熱帶地區主要的速生豐產林樹種，在我國森林資源中占有重要的地位。據第八次全國森林資源清查報道，杉木人工林面積達到895萬hm2，占我國人工林面積的21.4%(周霆等,2008;王云霖,2019)。在杉木的經營管理過程中，間伐和施肥是常用的兩種經營管理措施。間伐的目的是降低林分密度，優化林分結構和生態功能;施肥則主要是能通過提高土壤肥力，促進植物生長，以達到提高森林蓄積量的目的。

　　大量研究表明，間伐與施肥可以通過影響土壤環境因子從而對土壤溫室氣體的排放產生直接或間接的影響。如，Fang等(2016)在楊樹林中發現，間伐促進了土壤呼吸和CH4的吸收，但抑制了N2O的排放;而Doukalianou等(2019)的研究則發現，土壤CH4吸收隨間伐強度的增加而增加，間伐抑制了土壤呼吸和N2O排放，并認為間伐有助于降低土壤的全球增溫潛勢;Mazza等(2019)的研究結果則顯示，間伐促進了土壤呼吸和CH4氧化，但對N2O無影響。還有研究認為，只有當土壤孔隙充水率(WFPS)介于70%~80%時，間伐才能對土壤3種溫室氣體的吸收和排放產生影響(Gathanyetal.,2014)。

　　Zhang等(2015)在對板栗人工林研究時發現，施肥促進了土壤呼吸和N2O的排放但降低了土壤CH4的吸收，提高了土壤的全球增溫潛勢;Jassal等(2011)的研究結果則也顯示，施肥明顯抑制了CH4的吸收，但又促進了N2O的排放，對土壤呼吸也略有促進;也有研究認為，施肥對土壤呼吸和CH4吸收無影響(Steinkampetal.,2001;Krauseetal.,2013)。由此可見，當前在探討間伐和施肥對森林土壤溫室氣體排放的影響時更多從間伐或是施肥單因素上去考慮，而缺乏考慮二者的共同影響。

　　不僅如此，由于間伐強度與施肥都對土壤環境因子有所影響，那么在不同間伐強度與施肥處理下土壤溫室氣體的排放主要受哪種因素的影響仍有待進一步研究。本研究以福建省南平市西芹教學林場杉木人工林為對象，通過設置不同間伐強度(輕度間伐、中度間伐和重度間伐)和施肥處理(不施肥和施肥)來研究間伐強度與施肥對土壤CO2、N2O和CH4排放通量與全球增溫潛勢的影響，并結合土壤基本理化性質闡明影響土壤溫室氣體排放的主要因素。研究結果可以為杉木人工林的可持續經營管理、土壤溫室氣體減排提供數據支持和理論依據。

　　1研究地區與研究方法

　　1.1研究區概況

　　研究區位于福建省南平市西芹教學林場(26°40′N,118°10′E)，西芹林場位于我國東南沿海丘陵地區，樣地平均海拔為100~200m，坡度一般在30°。土壤類型以紅壤為主，土層較厚。氣候屬于中亞熱帶季風性氣候，年平均溫度為19.4℃，最高、低氣溫分別為41和6℃，氣候溫暖。年降雨量為1817mm，雨量充沛。無霜期302d，年平均日照時數1709.8h，年均風速1.1m·s1。

　　1.2樣地設置

　　本研究選取的13a杉木人工林是2006年春造林，采用杉木二代種子園良種育苗造林，造林初始密度為2504株·hm2，2018年10月進行間伐，間伐前平均胸徑為15.45cm，平均樹高為10.35m。林內常見有朱砂根(Ardisiacrenata)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、枇杷葉紫珠(Callicarpakochiana)、天仙果(Ficuserecta)、箬竹(Indocalamustessellatus)和酸竹(Acidosasachinensis)等，地被物層植物有五節芒(Miscanthusfloridulus)和鐵線蕨(Adiantumcapillusveneris)等。林地郁閉度多在0.6~0.7。間伐前進行土壤基本理化性質測定，SOC值為20.90g·kg1，TN值為1.3g·kg1;硝態氮和銨態氮含量分別為4.46和0.83mg·kg1;MBC值為637mg·kg1，pH值為4.54，容重為1.17g·cm3。

　　本研究在林內選擇杉木生長狀況良好且海拔、坡向相同且地勢平坦的地點，通過設置3個間伐強度水平(15%輕度間伐LT、35%中度間伐MT和55%重度間伐HT)，每種間伐強度有2種施肥水平(施肥F和不施肥NF)，共6種處理，每種處理4個重復，共計24個樣方，每個樣方大小為20m×20m。

　　3種間伐強度下保留株數分別為2128、1628和1128株·hm2。施肥量按540kg·hm2計，施肥方式為平均撒播，所施肥料為中國科學院沈陽應用生態研究所研制的長效緩控釋型復合肥，N﹕P2O5﹕K2O=21:6:13，即施N為113.4kg·hm2、施P為14.15kg·hm2、施K為58.25kg·hm2。

　　1.3研究方法

　　1.3.1氣體采集與分析

　　本研究于2019年3月在每個樣方中布設靜態箱對土壤溫室氣體(CO2、CH4和N2O)進行采集，靜態箱為組合式(直徑20cm，高20cm)，由基座和頂箱(PVC)兩部分組成。靜態箱底座插進土壤5cm深處，頂箱高20cm，基座含水封槽，箱蓋裝有采氣三通閥。選取連續3天氣溫穩定、無降水的日子，在其中一天上午采集溫室氣體。

　　采氣前清除靜態箱底座中的雜草，采氣時將圓筒蓋罩在底座上后，倒水進入水封槽密封靜態箱，用10mL帶三通閥的醫學注射器抽取箱內氣體5mL，隔15min后再次抽5mL氣體，樣品采集后及時帶回實驗室采用氣相色譜儀(GC2014,Shimadzu,Japan)同時測定CO2、N2O和CH4氣體濃度(ppm)。通過氫火焰離子化檢測器(FID/250℃)測定CO2和CH4濃度，通過電子捕獲檢測器(ECD/300℃)檢測N2O濃度。載氣、燃氣、助燃氣分別為N2、H2和高純空氣。采樣時間為2019年7—12月，每月采集一次，共計采樣6次。

　　1.3.1土樣采集與分析

　　土壤樣品每季度采集一次，使用直徑2cm土鉆在每個樣地隨機選取5點，鉆取0~10cm土層土樣，5管土樣混合后封裝入自封袋帶回實驗室。將取回的土壤樣品過2mm篩，剔除土壤里的石礫、動植物殘體和根系，剔除后過篩后一部分土壤樣品風干保存，一部分新鮮土壤置于4℃的冰箱中冷藏保存。各指標的測定參考《土壤理化分析》(查同剛,2017)，具體測定方法如下：土壤容重采用的是環刀法;土壤質量含水量采用烘干法。

　　土壤pH值采用的是pH儀電位法(PHS3C,CN)測定;土壤礦質氮采用2mol·L1KCl溶液浸提并用間斷分析儀(SmartChem200,AMS,Italy)比色測定;微生物生物量碳氮采用0.5mol·L1K2SO4溶液浸提并用總有機碳分析儀測定(ShimadzuTOC,Kyoto,Japan)。土壤有機碳、全氮使用元素分析儀進行測試分析(EA3000,EuroVector,Italy);溶解性有機氮用溶解性總氮減去土壤有效氮得到。

　　1.4數據處理

　　用Excel、SPSS26等軟件對數據進行整理，使用多因素方差分析檢驗間伐強度、施肥、采樣時間以及它們之間的交互作用對土壤溫室氣體排放的影響。由于土壤溫室氣體的排放受間伐和施肥交互作用的影響，因而使用單因素方差分析檢驗不同處理間土壤溫室氣體排放的差異顯著性。使用皮爾遜相關性分析檢驗溫室氣體排放與環境因子的相關性，使用二元線性模型對土壤溫室氣體和溫濕度進行擬合。圖表繪制采用Origin2018。

　　2結果與分析

　　2.1間伐強度與施肥對土壤溫室氣體排放的影響

　　從整個觀測期來看，土壤CO2、CH4、N2O月均通量變動范圍分別介于12~652mgCO2·m2·h1、161~545μgN2O·m2·h1、452~30μgCH4·m2·h1，CO2和CH4隨時間變化而呈現總體降低趨勢，N2O則呈現升降升的波動趨勢。不施肥處理下，相對于中度間伐而言，輕度間伐使土壤CO2平均排放通量提高了56.04%(P<0.01)，中、重度間伐差異不顯著。施肥處理極顯著促進了重度間伐土壤CO2的排放，較不施肥處理提高了60.63%的排放量(P<0.001)，但是施肥對輕、中度間伐土壤無明顯影響。

　　土壤N2O的排放受間伐強度、季節、間伐強度與施肥交互作用、施肥和季節交互作用，以及間伐強度、施肥和季節三者交互作用的影響(P<0.001。不施肥處理下，各間伐強度土壤N2O平均排放通量差異不顯著。重度間伐和施肥處理極顯著提高了土壤N2O的排放，較重度間伐不施肥處理提高了78.42%(P<0.001)。中度間伐和施肥處理顯著降低了土壤N2O的排放，較不施肥處理降低了70.01%(P<0.05)。

　　土壤CH4的排放受季節、間伐強度和施肥交互作用、施肥和季節交互作用，以及間伐強度、施肥和季節三者交互作用的影響(P<0.05)。不施肥處理下，相對于中度間伐，重度間伐使土壤CH4平均吸收通量降低了17.42%(P<0.05)，輕、中度間伐無明顯差異。重度間伐和施肥處理顯著促進了土壤CH4的吸收，較不施肥處理土壤CH4的吸收量提高了35.43%(P<0.01)。綜上，杉木人工林土壤表現為大氣CO2、N2O的源和CH4的匯，輕度間伐顯著促進了土壤CO2排放和CH4吸收，而對N2O排放無顯著影響。重度間伐和施肥共同處理促進了土壤CO2和N2O排放以及CH4的吸收，中度間伐和施肥處理則抑制了土壤N2O的排放。

　　2.2間伐強度與施肥對土壤全球增溫潛勢的影響

　　間伐和施肥處理土壤的全球增溫潛勢(GWPs)值介于8053~19171kgCO2eq·hm2，CO2、N2O和CH4對GWPs的貢獻占比分別為78.84%~93.02%、10.23%~24.01%和2.53%~5.04%(表2)。中度間伐土壤的綜合增溫能力最弱，輕度間伐次之。重度間伐和施肥處理土壤的GWPs顯著高于其他處理(P<0.05)。總體而言，重度間伐和施肥會導致土壤全球增溫能力明顯提升，而中度間伐土壤具有良好的減排限排能力。

　　2.3間伐強度與施肥對土壤理化性質的影響不同處理下土壤溫度隨月份逐漸降低，土壤WFPS則呈現先上升后下降的趨勢(P<0.00120.5wfps>輕度間伐>重度間伐(P<0.001)，相對于重度間伐而言，低、中度間伐使WFPS降低了15.03%和16.92%。施肥使土壤WFPS降低了14.64%(P<0.001)。

　　3討論

　　間伐與施肥作為新一代用材林豐產速生技術，被認為是提高杉木人工林生產力的重要途徑。間伐能有效改變林內微環境(土壤溫濕度、土壤通氣狀況、土壤有機質含量、土壤C/N素含量及有效性、地下水位和光照等)(Wangetal.,2019a,2019b)，而施肥在人工林中已成為土壤氮素和其他營養物質補充的有效手段，能有效緩解土壤C、N限制，促進土壤根系、微生物的生長(Prescottetal.,2010)，兩者共同作用影響土壤溫室氣體的產生與排放/吸收。

　　3.1間伐強度和施肥處理對CO排放的影響

　　本研究表明，輕度間伐土壤CO2排放量顯著高于中、重度間伐，而中度和重度間伐處理下土壤CO2排放差異不明顯。然而，前人在對楊樹林、地中海森林以及我國南方杉木人工林的研究中均發現，土壤CO2排放隨著間伐強度的增加而顯著增強，重度間伐(50%間伐強度)處理會導致土壤CO2的大量排放(Fangetal.,2016;Mazzaetal.,2019;Wangetal.,2019a)。這些研究結果與本實驗研究結果不同，可能是因為過度間伐會使植物根系數量和生物量銳減，土壤呼吸的減弱可能是自養呼吸減弱程度強于異養呼吸增強所致(Sullivanetal.,2008;Jonssonetal.,2009)。

　　而在本研究中，輕度間伐促進土壤呼吸可能的原因在于輕度間伐下保留林木較多，根系呼吸較強(Wangetal.,2019b)，且輕度間伐下土壤形成了一個適宜的水分條件，通過促進土壤微生物和氧化酶和水解酶等酶類的活性而促進微生物呼吸(Selmantsetal.,2008)，二者共同作用促進了土壤CO2的排放。在本研究中，重度間伐和施肥處理顯著促進了土壤CO2的排放，土壤呼吸和銨態氮含量還具有強負相關關系。銨態氮會通過抑制土壤中β葡萄糖核苷酸酶活性來降低土壤CO2的排放(Minetal.,2011)，重度間伐減輕了遺留林木間的養分競爭，重度間伐和施肥共同作用刺激植物根系利用土壤中的有效氮，從而減輕了銨態氮對土壤呼吸的抑制作用，促進了土壤CO2的排放(Janssensetal.,2010;Wangetal.,2019b)。

　　Nadelhoffer等(1999)通過同位素示蹤技術也發現施肥后有80%的15N被植物吸收或是淋溶損失，僅有少量添加氮被土壤微生物利用，這一結果可以被用來佐證。此外，本研究還發現，施肥降低了土壤濕度，這有利于改善土壤的通氣狀況并提高了土壤中CO2的擴散速率，且釋放出一部分原本溶解在土壤水分中CO2，促進土壤CO2的排放(Jonssonetal.,2009)。

　　回歸分析顯示：土壤濕度是CO2排放的主控因子，其次為土壤溫度，這與Mo等(2008)在中國南部森林中的研究結果一致。一般認為，當土壤WFPS<60%時，土壤CO2排放與土壤濕度有良好的正相關性，這可以解釋在濕季土壤排放CO2也較多(Mazzaetal.,2019)。而旱季的土壤濕度(WFPS)僅在20%左右，缺水環境使土壤微生物產生生理脅迫從而使溫室氣體通量小而穩定(Gundersenetal.,2012)。

　　在本研究中，各處理Q10值與中國亞熱帶森林平均Q10值相當(Moetal.,2008)。輕度間伐和施肥處理土壤Q10值顯著高于其他處理，可能是由于輕度間伐下土壤保留了最多的活根，施肥和間伐處理使根系呼吸對土壤變化更加敏感(Tangetal.,2005)。一些研究發現，根系呼吸的Q10值要明顯高于土壤微生物的Q10值(Moetal.,2008;Tuetal.,2013)，與本結論相符。

　　3.2間伐強度和施肥處理對排放的影響

　　本研究表明，間伐對土壤N2O排放無明顯影響，可能是間伐所引起的環境變化不足以影響土壤N2O的排放(Doukalianouetal.,2019;Mazzaetal.,2019)。在本研究中，施肥促進了重度間伐土壤N2O的排放，但抑制了中度間伐土壤N2O的排放。重度間伐提高了土壤溫度，溫度提高有利于促進土壤硝化和反硝化微生物酶活性(Wangetal.,2019b)，施肥可能改變了土壤微生物群落結構，增加了土壤硝化和反硝化細菌的數量(Castroetal.,2011)，綜合作用促進了重度間伐和施肥處理土壤N2O的排放。

　　施肥使中度間伐土壤的N2O排放降低可能是由于施肥使中度間伐土壤濕度顯著降低，在酸性森林中，反硝化作用是N2O產生的主要途徑(Jassaletal.,2010)，更高的土壤O2可利用率抑制了反硝化作用，從而抑制了中度間伐土壤N2O的排放(Pilegaardetal.,2006)。回歸分析顯示，土壤溫度是N2O排放的主導因子，類似的結論也在其他森林中出現(Krauseetal.,2013;Gathanyetal.,2014)。有研究發現，70%左右的土壤N2O排放出現在15~25℃的溫度范圍內，且在20~30℃時反硝化作用可能占據主導地位，且反硝化作用隨土壤溫度升高而增強(Chanetal.,2005)。試驗期內土壤溫度介于12.7~26.2℃，此時反硝化過程可能占優勢。

　　土壤濕度對N2O排放的促進作用要弱于土壤溫度，這可能與土壤N2O的形成機制有關，森林土壤N2O主要是硝化與反硝化過程的最終產物，但N2O本身并不穩定，過高的濕度可能會改變土壤通氣狀況，易導致完全反硝化作用使其進一步被還原為N2(Doukalianouetal.,2019)。這可以解釋試驗期內雖然7月的月均溫較8月高出0.9℃，但7月頻繁降雨導致土壤形成干濕交替，抑制了硝化和反硝化細菌的活性并改變了最終氣態氮產物的比例(Gundersenetal.,2012)，抑制了7月土壤N2O的排放量，導致土壤N2O排放峰值延后到8月。此外，本研究還發現，在12月時低濕限制了N2O的排放，此時土壤濕度成為了主控因子，這與Mazza等(2019)在冬季測得的結果一致。

　　結論

　　從整個觀測期來看，福建省南平市西芹教學林場杉木人工林土壤是大氣CO2和N2O的源，是CH4的匯。相對于中度間伐而言，輕度間伐土壤顯著提高了土壤CO2的排放與CH4的吸收，施肥顯著提高輕度間伐土壤的Q10。相較于不施肥處理而言，施肥顯著抑制了中度間伐土壤N2O的排放，但施肥顯著提高了重度間伐土壤CO2和N2O的排放以及CH4的吸收。重度間伐和施肥共同處理土壤具有最強的全球增溫潛勢，而中度間伐土壤則具有良好的減排限排能力。土壤濕度是影響土壤CO2排放和CH4吸收的主導因子，土壤溫度是影響土壤N2O排放的主導因子。

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　　作者：丁馳1雷梅1甘子瑩1王浩1嚴強2丘清燕1*胡亞林1

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