间伐和施肥对杉木人工林土壤温室气体排放的影响

　　摘要明确间伐强度和施肥对杉木人工林土壤温室气体排放的影响，是准确评估人工林土壤温室气体排放能力的重要基础。以我国亚热带杉木(Cunninghamialanceolata)人工林为对象，通过设置3种间伐强度(轻度、中度和重度)和2种施肥处理(不施肥和施肥)来研究间伐和施肥对杉木人工林土壤CO2、CH4和N2O排放通量以及全球增温潜势(GWPs)的影响，并结合土壤理化性质阐明影响温室气体排放的主要因素。结果显示：与中度间伐相比，轻度间伐显著促进了土壤CO2的排放和CH4的吸收，施肥显著提高了轻度间伐土壤的Q10值，施肥显著抑制了中度间伐土壤N2O的排放，施肥与重度间伐共同处理显著促进了土壤CO2与N2O的排放以及CH4的吸收。从全球增温潜势来看，重度间伐与施肥共同处理下的全球增温潜势最大，其次为轻度间伐处理，中度间伐处理最低。从整个观测期来看，杉木人工林土壤是大气CO2和N2O的源，是CH4的汇。土壤湿度是影响CO2排放和CH4吸收的主导因素，其次为土壤N素有效性，而土壤N2O的排放主要受土壤温度的调控。研究表明，不同间伐强度和施肥处理通过改变土壤水热条件和N素有效性对杉木人工林土壤温室气体排放产生显著影响，中度间伐土壤具有良好的减排限排能力。

　　关键词间伐强度;施肥;杉木人工林;温室气体排放;全球增温潜势

　　全球格局下气候变暖已成不争的事实(Ariasetal.,2021)。从1880—2018年，全球平均地温已增加1.41℃(Bongaartsetal.,2019)，在全球变暖过程中温室气体(主要包括CO2、CH4和N2O)的排放被认为是一个重要的驱动因素。这些温室气体可以吸收地面反射的长波辐射从而导致地球表面温度上升。

　　当前大气CO2、CH4和N2O的浓度已达到390.5ppm、1803.0ppb和324.2ppb，与工业革命时期相比分别提高了40%、150%和20%，并且各自仍以0.5%、0.8%和0.3%的速度逐年递增(Stockeretal.,2014;Najafietal.,2015)。因而，如何减缓温室气体的排放是当前亟需解决的重要问题。森林是陆地生态系统的主体，约占全球陆地面积的28%，维持着全球约73%的土壤碳库(Sloanetal.,2015)。

　　因而，森林土壤在全球碳氮循环过程和碳氮储存方面发挥着重要作用(Panetal.,2011)。杉木作为我国亚热带地区主要的速生丰产林树种，在我国森林资源中占有重要的地位。据第八次全国森林资源清查报道，杉木人工林面积达到895万hm2，占我国人工林面积的21.4%(周霆等,2008;王云霖,2019)。在杉木的经营管理过程中，间伐和施肥是常用的两种经营管理措施。间伐的目的是降低林分密度，优化林分结构和生态功能;施肥则主要是能通过提高土壤肥力，促进植物生长，以达到提高森林蓄积量的目的。

　　大量研究表明，间伐与施肥可以通过影响土壤环境因子从而对土壤温室气体的排放产生直接或间接的影响。如，Fang等(2016)在杨树林中发现，间伐促进了土壤呼吸和CH4的吸收，但抑制了N2O的排放;而Doukalianou等(2019)的研究则发现，土壤CH4吸收随间伐强度的增加而增加，间伐抑制了土壤呼吸和N2O排放，并认为间伐有助于降低土壤的全球增温潜势;Mazza等(2019)的研究结果则显示，间伐促进了土壤呼吸和CH4氧化，但对N2O无影响。还有研究认为，只有当土壤孔隙充水率(WFPS)介于70%~80%时，间伐才能对土壤3种温室气体的吸收和排放产生影响(Gathanyetal.,2014)。

　　Zhang等(2015)在对板栗人工林研究时发现，施肥促进了土壤呼吸和N2O的排放但降低了土壤CH4的吸收，提高了土壤的全球增温潜势;Jassal等(2011)的研究结果则也显示，施肥明显抑制了CH4的吸收，但又促进了N2O的排放，对土壤呼吸也略有促进;也有研究认为，施肥对土壤呼吸和CH4吸收无影响(Steinkampetal.,2001;Krauseetal.,2013)。由此可见，当前在探讨间伐和施肥对森林土壤温室气体排放的影响时更多从间伐或是施肥单因素上去考虑，而缺乏考虑二者的共同影响。

　　不仅如此，由于间伐强度与施肥都对土壤环境因子有所影响，那么在不同间伐强度与施肥处理下土壤温室气体的排放主要受哪种因素的影响仍有待进一步研究。本研究以福建省南平市西芹教学林场杉木人工林为对象，通过设置不同间伐强度(轻度间伐、中度间伐和重度间伐)和施肥处理(不施肥和施肥)来研究间伐强度与施肥对土壤CO2、N2O和CH4排放通量与全球增温潜势的影响，并结合土壤基本理化性质阐明影响土壤温室气体排放的主要因素。研究结果可以为杉木人工林的可持续经营管理、土壤温室气体减排提供数据支持和理论依据。

　　1研究地区与研究方法

　　1.1研究区概况

　　研究区位于福建省南平市西芹教学林场(26°40′N,118°10′E)，西芹林场位于我国东南沿海丘陵地区，样地平均海拔为100~200m，坡度一般在30°。土壤类型以红壤为主，土层较厚。气候属于中亚热带季风性气候，年平均温度为19.4℃，最高、低气温分别为41和6℃，气候温暖。年降雨量为1817mm，雨量充沛。无霜期302d，年平均日照时数1709.8h，年均风速1.1m·s1。

　　1.2样地设置

　　本研究选取的13a杉木人工林是2006年春造林，采用杉木二代种子园良种育苗造林，造林初始密度为2504株·hm2，2018年10月进行间伐，间伐前平均胸径为15.45cm，平均树高为10.35m。林内常见有朱砂根(Ardisiacrenata)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、枇杷叶紫珠(Callicarpakochiana)、天仙果(Ficuserecta)、箬竹(Indocalamustessellatus)和酸竹(Acidosasachinensis)等，地被物层植物有五节芒(Miscanthusfloridulus)和铁线蕨(Adiantumcapillusveneris)等。林地郁闭度多在0.6~0.7。间伐前进行土壤基本理化性质测定，SOC值为20.90g·kg1，TN值为1.3g·kg1;硝态氮和铵态氮含量分别为4.46和0.83mg·kg1;MBC值为637mg·kg1，pH值为4.54，容重为1.17g·cm3。

　　本研究在林内选择杉木生长状况良好且海拔、坡向相同且地势平坦的地点，通过设置3个间伐强度水平(15%轻度间伐LT、35%中度间伐MT和55%重度间伐HT)，每种间伐强度有2种施肥水平(施肥F和不施肥NF)，共6种处理，每种处理4个重复，共计24个样方，每个样方大小为20m×20m。

　　3种间伐强度下保留株数分别为2128、1628和1128株·hm2。施肥量按540kg·hm2计，施肥方式为平均撒播，所施肥料为中国科学院沈阳应用生态研究所研制的长效缓控释型复合肥，N﹕P2O5﹕K2O=21:6:13，即施N为113.4kg·hm2、施P为14.15kg·hm2、施K为58.25kg·hm2。

　　1.3研究方法

　　1.3.1气体采集与分析

　　本研究于2019年3月在每个样方中布设静态箱对土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)进行采集，静态箱为组合式(直径20cm，高20cm)，由基座和顶箱(PVC)两部分组成。静态箱底座插进土壤5cm深处，顶箱高20cm，基座含水封槽，箱盖装有采气三通阀。选取连续3天气温稳定、无降水的日子，在其中一天上午采集温室气体。

　　采气前清除静态箱底座中的杂草，采气时将圆筒盖罩在底座上后，倒水进入水封槽密封静态箱，用10mL带三通阀的医学注射器抽取箱内气体5mL，隔15min后再次抽5mL气体，样品采集后及时带回实验室采用气相色谱仪(GC2014,Shimadzu,Japan)同时测定CO2、N2O和CH4气体浓度(ppm)。通过氢火焰离子化检测器(FID/250℃)测定CO2和CH4浓度，通过电子捕获检测器(ECD/300℃)检测N2O浓度。载气、燃气、助燃气分别为N2、H2和高纯空气。采样时间为2019年7—12月，每月采集一次，共计采样6次。

　　1.3.1土样采集与分析

　　土壤样品每季度采集一次，使用直径2cm土钻在每个样地随机选取5点，钻取0~10cm土层土样，5管土样混合后封装入自封袋带回实验室。将取回的土壤样品过2mm筛，剔除土壤里的石砾、动植物残体和根系，剔除后过筛后一部分土壤样品风干保存，一部分新鲜土壤置于4℃的冰箱中冷藏保存。各指标的测定参考《土壤理化分析》(查同刚,2017)，具体测定方法如下：土壤容重采用的是环刀法;土壤质量含水量采用烘干法。

　　土壤pH值采用的是pH仪电位法(PHS3C,CN)测定;土壤矿质氮采用2mol·L1KCl溶液浸提并用间断分析仪(SmartChem200,AMS,Italy)比色测定;微生物生物量碳氮采用0.5mol·L1K2SO4溶液浸提并用总有机碳分析仪测定(ShimadzuTOC,Kyoto,Japan)。土壤有机碳、全氮使用元素分析仪进行测试分析(EA3000,EuroVector,Italy);溶解性有机氮用溶解性总氮减去土壤有效氮得到。

　　1.4数据处理

　　用Excel、SPSS26等软件对数据进行整理，使用多因素方差分析检验间伐强度、施肥、采样时间以及它们之间的交互作用对土壤温室气体排放的影响。由于土壤温室气体的排放受间伐和施肥交互作用的影响，因而使用单因素方差分析检验不同处理间土壤温室气体排放的差异显著性。使用皮尔逊相关性分析检验温室气体排放与环境因子的相关性，使用二元线性模型对土壤温室气体和温湿度进行拟合。图表绘制采用Origin2018。

　　2结果与分析

　　2.1间伐强度与施肥对土壤温室气体排放的影响

　　从整个观测期来看，土壤CO2、CH4、N2O月均通量变动范围分别介于12~652mgCO2·m2·h1、161~545μgN2O·m2·h1、452~30μgCH4·m2·h1，CO2和CH4随时间变化而呈现总体降低趋势，N2O则呈现升降升的波动趋势。不施肥处理下，相对于中度间伐而言，轻度间伐使土壤CO2平均排放通量提高了56.04%(P<0.01)，中、重度间伐差异不显著。施肥处理极显著促进了重度间伐土壤CO2的排放，较不施肥处理提高了60.63%的排放量(P<0.001)，但是施肥对轻、中度间伐土壤无明显影响。

　　土壤N2O的排放受间伐强度、季节、间伐强度与施肥交互作用、施肥和季节交互作用，以及间伐强度、施肥和季节三者交互作用的影响(P<0.001。不施肥处理下，各间伐强度土壤N2O平均排放通量差异不显著。重度间伐和施肥处理极显著提高了土壤N2O的排放，较重度间伐不施肥处理提高了78.42%(P<0.001)。中度间伐和施肥处理显著降低了土壤N2O的排放，较不施肥处理降低了70.01%(P<0.05)。

　　土壤CH4的排放受季节、间伐强度和施肥交互作用、施肥和季节交互作用，以及间伐强度、施肥和季节三者交互作用的影响(P<0.05)。不施肥处理下，相对于中度间伐，重度间伐使土壤CH4平均吸收通量降低了17.42%(P<0.05)，轻、中度间伐无明显差异。重度间伐和施肥处理显著促进了土壤CH4的吸收，较不施肥处理土壤CH4的吸收量提高了35.43%(P<0.01)。综上，杉木人工林土壤表现为大气CO2、N2O的源和CH4的汇，轻度间伐显著促进了土壤CO2排放和CH4吸收，而对N2O排放无显著影响。重度间伐和施肥共同处理促进了土壤CO2和N2O排放以及CH4的吸收，中度间伐和施肥处理则抑制了土壤N2O的排放。

　　2.2间伐强度与施肥对土壤全球增温潜势的影响

　　间伐和施肥处理土壤的全球增温潜势(GWPs)值介于8053~19171kgCO2eq·hm2，CO2、N2O和CH4对GWPs的贡献占比分别为78.84%~93.02%、10.23%~24.01%和2.53%~5.04%(表2)。中度间伐土壤的综合增温能力最弱，轻度间伐次之。重度间伐和施肥处理土壤的GWPs显著高于其他处理(P<0.05)。总体而言，重度间伐和施肥会导致土壤全球增温能力明显提升，而中度间伐土壤具有良好的减排限排能力。

　　2.3间伐强度与施肥对土壤理化性质的影响不同处理下土壤温度随月份逐渐降低，土壤WFPS则呈现先上升后下降的趋势(P<0.00120.5wfps>轻度间伐>重度间伐(P<0.001)，相对于重度间伐而言，低、中度间伐使WFPS降低了15.03%和16.92%。施肥使土壤WFPS降低了14.64%(P<0.001)。

　　3讨论

　　间伐与施肥作为新一代用材林丰产速生技术，被认为是提高杉木人工林生产力的重要途径。间伐能有效改变林内微环境(土壤温湿度、土壤通气状况、土壤有机质含量、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为土壤氮素和其他营养物质补充的有效手段，能有效缓解土壤C、N限制，促进土壤根系、微生物的生长(Prescottetal.,2010)，两者共同作用影响土壤温室气体的产生与排放/吸收。

　　3.1间伐强度和施肥处理对CO排放的影响

　　本研究表明，轻度间伐土壤CO2排放量显著高于中、重度间伐，而中度和重度间伐处理下土壤CO2排放差异不明显。然而，前人在对杨树林、地中海森林以及我国南方杉木人工林的研究中均发现，土壤CO2排放随着间伐强度的增加而显著增强，重度间伐(50%间伐强度)处理会导致土壤CO2的大量排放(Fangetal.,2016;Mazzaetal.,2019;Wangetal.,2019a)。这些研究结果与本实验研究结果不同，可能是因为过度间伐会使植物根系数量和生物量锐减，土壤呼吸的减弱可能是自养呼吸减弱程度强于异养呼吸增强所致(Sullivanetal.,2008;Jonssonetal.,2009)。

　　而在本研究中，轻度间伐促进土壤呼吸可能的原因在于轻度间伐下保留林木较多，根系呼吸较强(Wangetal.,2019b)，且轻度间伐下土壤形成了一个适宜的水分条件，通过促进土壤微生物和氧化酶和水解酶等酶类的活性而促进微生物呼吸(Selmantsetal.,2008)，二者共同作用促进了土壤CO2的排放。在本研究中，重度间伐和施肥处理显著促进了土壤CO2的排放，土壤呼吸和铵态氮含量还具有强负相关关系。铵态氮会通过抑制土壤中β葡萄糖核苷酸酶活性来降低土壤CO2的排放(Minetal.,2011)，重度间伐减轻了遗留林木间的养分竞争，重度间伐和施肥共同作用刺激植物根系利用土壤中的有效氮，从而减轻了铵态氮对土壤呼吸的抑制作用，促进了土壤CO2的排放(Janssensetal.,2010;Wangetal.,2019b)。

　　Nadelhoffer等(1999)通过同位素示踪技术也发现施肥后有80%的15N被植物吸收或是淋溶损失，仅有少量添加氮被土壤微生物利用，这一结果可以被用来佐证。此外，本研究还发现，施肥降低了土壤湿度，这有利于改善土壤的通气状况并提高了土壤中CO2的扩散速率，且释放出一部分原本溶解在土壤水分中CO2，促进土壤CO2的排放(Jonssonetal.,2009)。

　　回归分析显示：土壤湿度是CO2排放的主控因子，其次为土壤温度，这与Mo等(2008)在中国南部森林中的研究结果一致。一般认为，当土壤WFPS<60%时，土壤CO2排放与土壤湿度有良好的正相关性，这可以解释在湿季土壤排放CO2也较多(Mazzaetal.,2019)。而旱季的土壤湿度(WFPS)仅在20%左右，缺水环境使土壤微生物产生生理胁迫从而使温室气体通量小而稳定(Gundersenetal.,2012)。

　　在本研究中，各处理Q10值与中国亚热带森林平均Q10值相当(Moetal.,2008)。轻度间伐和施肥处理土壤Q10值显著高于其他处理，可能是由于轻度间伐下土壤保留了最多的活根，施肥和间伐处理使根系呼吸对土壤变化更加敏感(Tangetal.,2005)。一些研究发现，根系呼吸的Q10值要明显高于土壤微生物的Q10值(Moetal.,2008;Tuetal.,2013)，与本结论相符。

　　3.2间伐强度和施肥处理对排放的影响

　　本研究表明，间伐对土壤N2O排放无明显影响，可能是间伐所引起的环境变化不足以影响土壤N2O的排放(Doukalianouetal.,2019;Mazzaetal.,2019)。在本研究中，施肥促进了重度间伐土壤N2O的排放，但抑制了中度间伐土壤N2O的排放。重度间伐提高了土壤温度，温度提高有利于促进土壤硝化和反硝化微生物酶活性(Wangetal.,2019b)，施肥可能改变了土壤微生物群落结构，增加了土壤硝化和反硝化细菌的数量(Castroetal.,2011)，综合作用促进了重度间伐和施肥处理土壤N2O的排放。

　　施肥使中度间伐土壤的N2O排放降低可能是由于施肥使中度间伐土壤湿度显著降低，在酸性森林中，反硝化作用是N2O产生的主要途径(Jassaletal.,2010)，更高的土壤O2可利用率抑制了反硝化作用，从而抑制了中度间伐土壤N2O的排放(Pilegaardetal.,2006)。回归分析显示，土壤温度是N2O排放的主导因子，类似的结论也在其他森林中出现(Krauseetal.,2013;Gathanyetal.,2014)。有研究发现，70%左右的土壤N2O排放出现在15~25℃的温度范围内，且在20~30℃时反硝化作用可能占据主导地位，且反硝化作用随土壤温度升高而增强(Chanetal.,2005)。试验期内土壤温度介于12.7~26.2℃，此时反硝化过程可能占优势。

　　土壤湿度对N2O排放的促进作用要弱于土壤温度，这可能与土壤N2O的形成机制有关，森林土壤N2O主要是硝化与反硝化过程的最终产物，但N2O本身并不稳定，过高的湿度可能会改变土壤通气状况，易导致完全反硝化作用使其进一步被还原为N2(Doukalianouetal.,2019)。这可以解释试验期内虽然7月的月均温较8月高出0.9℃，但7月频繁降雨导致土壤形成干湿交替，抑制了硝化和反硝化细菌的活性并改变了最终气态氮产物的比例(Gundersenetal.,2012)，抑制了7月土壤N2O的排放量，导致土壤N2O排放峰值延后到8月。此外，本研究还发现，在12月时低湿限制了N2O的排放，此时土壤湿度成为了主控因子，这与Mazza等(2019)在冬季测得的结果一致。

　　结论

　　从整个观测期来看，福建省南平市西芹教学林场杉木人工林土壤是大气CO2和N2O的源，是CH4的汇。相对于中度间伐而言，轻度间伐土壤显著提高了土壤CO2的排放与CH4的吸收，施肥显著提高轻度间伐土壤的Q10。相较于不施肥处理而言，施肥显著抑制了中度间伐土壤N2O的排放，但施肥显著提高了重度间伐土壤CO2和N2O的排放以及CH4的吸收。重度间伐和施肥共同处理土壤具有最强的全球增温潜势，而中度间伐土壤则具有良好的减排限排能力。土壤湿度是影响土壤CO2排放和CH4吸收的主导因子，土壤温度是影响土壤N2O排放的主导因子。

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　　作者：丁驰1雷梅1甘子莹1王浩1严强2丘清燕1*胡亚林1

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