北亚热带红壤丘陵区3种土地利用方式下CH4通量及其影响因素

田亚男，聂文婷，张水清,，Muhammad Shaaban，吕昭琪，殷欣，林杉**

1. 华中农业大学资源与环境学院//农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070；2. 长江科学院水土保持研究所，湖北 武汉 430010；3. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002

北亚热带红壤丘陵区3种土地利用方式下CH4通量及其影响因素

田亚男1，聂文婷2，张水清1,3，Muhammad Shaaban1，吕昭琪1，殷欣1，林杉1**

1. 华中农业大学资源与环境学院//农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070；2. 长江科学院水土保持研究所，湖北 武汉 430010；3. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002

以北亚热带红壤丘陵区林地、茶园、菜地为对象，采用静态箱-气相色谱法，对3种土地利用方式下CH4通量进行了研究，同时测定了土壤温度、含水量和无机氮含量。旨在探索不同土地利用方式下CH4“源”和“汇”的功能，对评估不同土地利用方式对全球气候变化的贡献具有重要意义。结果表明，不同土地利用方式下土壤甲烷平均通量有显著差异，分别为：林地-15.44 μg·m-2·h-1，茶园-1.49 μg·m-2·h-1，菜地7.11 μg·m-2·h-1；菜地土壤甲烷平均通量最高，茶园其次，林地最低，CH4年累积通量分别为0.52、-0.31和-1.46 kg·hm-2，菜地土壤以排放CH4为主，而茶园和林地土壤是CH4的汇。茶园和菜地土壤CH4通量呈一定的季节性变化，春、秋季CH4通量较高。林地CH4吸收通量与土壤湿度呈显著的负相关关系（P<0.05），且当土壤湿度（WFPS）高于70%时，林地土壤才以排放CH4为主；而茶园和菜地土壤CH4吸收通量与土壤含水量无显著相关关系。土壤CH4通量与土壤温度之间未呈显著的相关关系。不同土地利用方式下土壤CH4排放通量与铵态氮含量呈显著的负相关关系（P<0.05），而与硝态氮含量未呈显著的相关性。

甲烷通量；菜地；茶园；红壤丘陵区

自工业革命以来，随着人类活动的加剧，大气中温室气体的浓度不断增加，引起地表温度升高，加速了全球气候变暖。甲烷（CH4）是一种重要的温室气体，其增温潜势是CO2的25倍（IPCC，2007）。自1750年（工业革命）以来，大气中CH4浓度增加了150%，且目前处于持续增长中（IPCC，2014）。农业生产能强烈地影响甲烷的产生与排放，如土地利用方式的改变或农业管理措施的不同等都对土壤甲烷通量有一定的影响（Chan et al.，2001；彭华等，2015）。全球每年各种途径排放到大气中的CH4总量约为 535 Tg，由人类活动产生的CH4排放为375 Tg（江长胜等，2004）。农业土壤是陆地生态系统中重要的碳库，是大气中CH4的重要的源或汇。土壤任何一个因子的微小变化都会对CH4通量产生重要影响，从而改变土壤作为大气源和汇的作用。

土地利用是一种人类改造自然的活动，比较常见的土地利用转变类型有森林和农田互相转换、湿地转变为稻田、自然草地转为牧草地、农田管理措施改变等（陈广生等，2007）。有研究表明，不同土地利用方式之间相互转变能改变土壤对大气CH4的吸收或排放强度（Ruan et al.，2013）1。农田向森林或草地转变，增加了土壤吸收 CH4的能力（Monti et al.，2012）；而土壤受扰动后CH4吸收强度降低，如天然草地开垦为农田后土壤CH4吸收通量降低（Smith et al.，2000）。Hergoualc’h et al.（2012）的研究表明，泥炭沼泽地转变为水稻田，土壤CH4排放量增加，转变为其它土地利用类型则减少。不同管理措施对CH4吸收或排放也有一定影响，免耕大豆地土壤CH4吸收速率高于常规耕作土壤（Ruan et al.，2013），氮肥对草地土壤CH4排放有显著影响（Hartmann et al.，2011）。一般认为稻田为CH4的排放源，而林地、旱地和草地等土地利用类型为CH4的吸收汇（Iqbal et al.，2013；Wang et al.，2014）。因此，研究不同土地利用方式下土壤 CH4的通量特征，从而确定其“源”或“汇”的功能具有重要意义。

本研究对湖北省南部丘陵区不同土地利用方式红壤 CH4通量进行了研究，分析了该土壤 CH4通量的季节变化特征及其影响因素，并初步明确影响其通量特征的关键因子，估算不同土地利用方式CH4排放总量及CH4源、汇状况。以期为预测土地利用方式转变对非稻田土壤减排增汇的影响提供科学依据，也为该地区温室气体清单的编制提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于湖北省咸宁市（29°02′～30°18′N，133°31′～144°58′E）贺胜桥镇，该地区具有典型的平原-丘陵过渡地带特征，属于大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温为16.8 ℃，年降雨量为1325 mm，在自然地带上属于北亚热带常绿阔叶林带。该地区土壤以第四纪粘土沉积物母质发育的红壤为主，呈弱酸性，质地粘重。

此次研究的土地利用方式为林地、茶园和菜地，茶园按当地习惯施肥，于2012年3月中旬施尿素，2012年9月下旬施鸡粪干物质和复合肥，年施氮量为425.7 kg·hm-2；菜地是丝瓜与萝卜冬夏交替种植，于2011、2012年11月上旬施用复合肥，于2012年5月上旬施用猪粪堆肥，年施氮量为751.7 kg·hm-2；林地为樟树-马尾松混交林，不施肥、人为干扰较小。具体采样点表层土壤（0～20 cm）基本理化性质见表1。

表1 采样点基本情况Table 1 Basic properties of sampling sites

1.2 取样与测定方法

试验于2011年11月─2012年11月进行，7～10 d取样一次，每次采样时间为上午9:00─11:00。采样方法为静态箱法，其具体步骤为：用一圆形不绣钢圆桶（高25 cm，直径20 cm）作为气体采样箱，该箱顶部密封，箱盖上有两个孔分别固定有玻璃管，其中一管连接一密封气袋置于箱内，用来调节采样箱内的气压，另一管接一具有三通阀的橡胶管用来采集气体。采样在作物行间进行，首先剪去地面杂草，然后去除凋落物，将采样箱垂直插入土壤中5 cm，并将箱周围压实，以防漏气。20 min后，分别用聚丙烯注射器通过采样管将20 mL气体转移到真空玻璃瓶中。同时采取釆样点大气作为空白对照。在相隔2～3 m的范围以相同的方法重复采集3个点。在采集气体样品的同时，测定釆样大气温度和土壤的5 cm温度。气体样品用改进的气相色谱仪（Agilent 7890A）分析，检测器FID，检测温度200 ℃，柱温 50 ℃，标准气体由国家标准物质中心提供。气体排放通量由4个气样浓度值经线性回归分析得出。

每次 CH4气体采样同时采集土壤表层土样（0～20 cm），置于容器中均匀混合后转移到样品袋中，带回实验室，测定土壤含水量与容重，然后去除碎石、残根等杂物，过2 mm钢筛。一部分鲜样放于4 ℃下保存，用于测定土壤可溶性有机碳等项目；另一部分土壤风干、研磨后，供测定土壤pH、有机质、全氮等基本理化性质。降雨量的资料利用咸宁红壤综合试验站内的气象站获得。

土壤无机氮（NH4+-N和NO3--N）含量采用1 mol·L-1KCl浸提，德国Seal Analytical AA3流动分析仪测定。

1.3 数据计算与统计

CH4通量的计算公式如下（Hu et al.，2002）：

F=ρ×V/A×△c/△t×273/T×α/1000

式中：F为CH4通量（μg CH4-C·m-2·h-1），正值表示CH4从土壤排放到大气，负值表示CH4从大气流向土壤或土壤氧化消耗大气中的CH4；ρ为标准状况下CH4的密度0.714（kg·m-3）；V和A是采样箱的体积（m3）与底面积（m2）；△c/△t（10-6m3·m-3·h-1）为在一特定时间内CH4浓度变化的速率；T是绝对温度（K）；α是CH4换算到C(12/16)的转换因子。CH4气体累积通量通过内插累加法，由各气体通量乘以时间间隔累加求得（林杉等，2008）。

土壤含水量以充水孔隙度（WFPS）表示，计算方法如下：

WFPS(%)=(土壤重量含水量×土壤容重)/土壤总孔隙度

式中，土壤总孔隙度=1-土壤容重/2.65

所有数据使用Excel、Origin 8.0、SPSS 16.0软件进行统计分析，结果以3次重复的平均值表示。

2 结果与分析

2.1 降雨量与气温

该研究区域2012年降雨量为1325 mm，春季（3─5月）降雨较多，占全年降雨量的41.02%。春、夏、秋、冬4个季节降雨量分别为544、388、234和160 mm。年平均气温为16.87 ℃，夏季（6─8月）温度最高，为28.71 ℃，春、夏、秋、冬季4个季节气温平均值分别为 17.07、28.71、16.88和4.37 ℃。

2.2 不同土地利用方式下土壤CH4通量

3种不同土地利用方式土壤甲烷通量与土壤含水量、土壤温度的变化趋势并不一致（图 2）。观测结果得出，茶园和林地土壤以吸收CH4为主，但也观测到了CH4的少量排放。不同土地利用方式下土壤甲烷通量呈一定的季节性变化，菜地和茶园土壤在春、秋季曾观测到以排放甲烷为主，这与种植过程中大量使用农家肥和化肥有关。林地土壤主要以吸收CH4为主，而其在气温较高且降雨后的7月20日观测到较低排放（图1和图2）。

图1 气温和降雨量的季节性变化Fig. 1 Seasonal variations of air temperature and precipitation

研究期间，3种土地利用方式下土壤CH4平均通量及年累积通量存在显著性差别。林地、茶园、菜地土壤CH4年累积通量分别为-1.46、-0.31、0.52 kg·hm-2，按年累积通量排序依次为：菜地>茶园>林地（表2）。茶园和林地土壤CH4通量为负值，表现为吸收大气中的CH4；而菜地由于施用农家肥和浇水等原因导致CH4以排放为主。

表2 3种土地利用类型土壤CH4通量Table 2 Soil CH4fluxes from three different land use types

2.3 甲烷通量与土壤含水量、温度的关系

林地土壤含水量（WFPS）与甲烷吸收通量呈显著的负相关关系（图3），r为0.377（P<0.05），表明林地土壤中含水量越低，甲烷吸收通量越高；而茶园和菜地土壤 CH4吸收通量与土壤含水量无显著的相关关系。进一步分析发现，土壤含水量需大于60%，才监测到 CH4排放，如林地和菜地土壤含水量（WFPS）分别大于70%和60%（图2），土壤CH4通量为正值，以排放CH4为主，说明土壤湿度对北亚热带丘陵区土壤CH4产生具有一定的促进作用。

3种土地利用方式下土壤甲烷通量与土壤温度均不存在显著的相关关系，但本研究发现，菜地土壤夏季温度越高，甲烷吸收值越大，这可能是因为温度高，甲烷氧化菌的活性较高，从而促进甲烷的吸收。

2.4 土壤无机氮

农业土地利用方式土壤无机氮（铵态氮和硝态氮之和）显著高于林地（表 3），茶园土壤无机氮含量最高，其次为菜地和林地。这是由于茶园和菜地施肥频繁，而林地不施肥且受人类活动干扰少，所以无机氮含量较低。

表3 土壤无机氮含量季节变化Table 3 Seasonal variation of inorganic nitrogen contents

图2 3种土地利用方式下土壤CH4通量、含水量和土壤温度的季节性变化Fig. 2 Seasonal variation of soil CH4flux, soil moisture (WFPS) and soil temperature under three different land uses

图3 土壤甲烷吸收量与土壤含水量(WFPS)的关系Fig. 3 Relations between CH4flux and soil moisture

林地土壤铵态氮和硝态氮含量有一定的季节性变化趋势，均是冬季最高，分别为33.87和26.50mg·kg-1（表3）。茶园土壤铵态氮含量春季最高，为84.64 mg·kg-1，菜地土壤铵态氮含量夏季最高，为22.17 mg·kg-1。

2.5 甲烷通量与无机氮的关系

土壤无机氮对CH4吸收或排放有一定的影响。通过对3种不同土地利用方式下土壤铵态氮含量与CH4排放通量的相关性分析表明（图4），二者呈显著的负相关关系（图4），r为0.336（P<0.05），说明北亚热带丘陵区土壤铵态氮含量越高，土壤 CH4排放通量越低。而不同土地利用方式下土壤硝态氮含量与CH4排放通量并不存在显著的相关关系。

图4 土壤甲烷排放通量与NH4+-N的关系Fig. 4 Relations between soil CH4emission and NH4+-N

3 讨论

土壤甲烷通量是甲烷产生过程和甲烷氧化过程同时进行的结果（Chan et al.，2000），所有影响土壤微生物进行这两个过程的因素都会影响甲烷的通量。不同土地利用方式改变了土壤的性质，使不同利用方式下土壤的甲烷通量存在较大差异。本研究中，3种利用方式下CH4通量高低为菜地最高，茶园其次，林地最低。对于菜地土壤，由于施肥量比较大，施肥降低了甲烷氧化菌的活性，从而降低了土壤对甲烷的吸收能力，甲烷通量为正值，土壤以释放CH4为主。Jia et al.（2012）研究也得出施氮量高的菜地土壤以甲烷排放为主。郑聚锋等（2008）研究表明长期施肥会降低甲烷的吸收率。林地土壤甲烷通量最低，可能是由于林地不施肥且受人为干扰小，土壤对甲烷的吸收能力较强。Wolf et al.（2012）研究表明林地土壤对甲烷有吸收作用，表现为甲烷的“汇”。Ueyama et al.（2013）研究也表明林地吸收甲烷能力较强。

土壤含水量通过影响土壤通气状况、土壤氧化还原状况、土壤微生物活性及土壤中甲烷的扩散迁移能力等方面来影响甲烷排放通量（Arnold et al.， 2005；Rowlings et al.，2012）。土壤含水量高会降低CH4和O2扩散进入土壤的速率进而使CH4的吸收通量减少（Tate et al.，2007），因此，本研究中受人为活动影响较小的林地土壤，其含水量与甲烷吸收通量呈显著的负相关关系。当林地土壤孔隙含水率（WFPS）高于 70%时，甲烷通量为正值，以排放为主。Teepe et al.（2004）的研究得出，林地土壤WFPS与甲烷吸收通量呈显著的负相关关系，当土壤WFPS高于80%时，甲烷为净排放，Barrena et al.（2013）在3种森林土壤的实验结果也表明，土壤含水量的增加能抑制 CH4的吸收，土壤 CH4吸收通量与土壤含水量呈负相关关系，本研究结果与前人的结果较为吻合。一般认为随着土壤水分含量的增高，甲烷排放通量随之增高（Borken et al.，2006），当土壤含水量过高时，土壤孔隙被水分占据，导致土壤通气不良，土壤氧化还原电位较低，土壤甲烷氧化菌的活性受抑制，而产甲烷菌活性较高，则甲烷排放通量较高。土壤温度是影响土壤CH4通量的又一重要环境因子，CH4通量对温度的响应机制较复杂，当土壤中存在其他环境因子限制CH4产生或氧化时，温度作用将不显著（王琛瑞等，2002）。Lang et al.（2011）认为甲烷通量与土壤温度无显著相关关系，其原因可能是温度升高既可增加甲烷产生速率，同时也会提高甲烷的氧化速率（Butterbach-Bahl et al.，2002）。

土壤中的氮素含量是影响土壤CH4通量的关键因素。土壤氮素中的无机氮主要通过影响土壤CH4的氧化作用从而影响CH4通量，而甲烷氧化作用主要是由甲烷氧化菌参与完成。目前，铵态氮对甲烷排放的影响有两种观点。一种观点是铵态氮对甲烷氧化表现为竞争抑制机理（Jassal et al.，2011），由于CH4和NH4+分子形状和大小非常形似且都能被甲烷单氧化酶氧化，较高的NH4+和CH4竞争甲烷单氧化酶活性位点，因而抑制甲烷氧化，促进甲烷排放；另一种观点认为甲烷排放减少是由于铵态氮肥刺激了甲烷氧化菌的繁殖，大量氧化甲烷，从而使甲烷排放降低（Bodelier et al.，2000）。Henckel et al.（2000）采用聚合酶链式反应（PCR）和分子探针技术研究铵态氮肥对甲烷氧化菌的影响，得出铵态氮的存在促进了甲烷氧化菌的增加。本研究中，3种土地利用方式下铵态氮含量与甲烷排放呈显著的负相关关系，说明北亚热带丘陵区红壤铵态氮含量越高，CH4排放越低。土壤甲烷氧化菌主要是利用铵态氮作为氮源，铵态氮促进甲烷氧化菌的生长，有利于甲烷的氧化，使甲烷排放通量降低（Veldkamp et al.，2001）。胡伟芳等（2015）在闽江口湿地研究表明铵态氮输入抑制CH4产生潜力。Noll et al.（2008）对水稻土甲烷排放研究得出，铵态氮降低了土壤甲烷排放通量，这与本研究结果类似。而在温带次生林土壤的研究得出，土壤CH4通量与铵态氮含量无明显的相关性（孙海龙等，2013），这可能是由于土壤中的NH4+-N含量较低时，其不会抑制土壤氧化外源CH4的活性（Bender et al.，1995）。土壤硝态氮对CH4产生或氧化有促进、抑制和无显著作用3种结论，这与土壤微生物数量和土壤氮素状态有关（Xu et al.，2004；孙海龙等，2013；Fang et al.，2014）。较高的土壤微生物量固定了较多的硝态氮，使其对CH4通量影响较弱（孙海龙等，2013）。高文龙等（2013）在森林土壤的研究得出，土壤NO3--N含量与CH4通量的相关性不显著，这可能与其含量较低有关，只有在NO3--N高含量条件下才会出现抑制土壤 CH4的氧化（程淑兰等，2012）。

4 结论

3种土地利用方式下土壤 CH4通量有显著差异，施肥量较高，耕作和浇水频繁的菜地土壤，CH4通量最高，年累积排放量为0.52 kg·hm-2，而受人类活动干扰较小的林地土壤，以吸收CH4为主，年累积吸收量为1.46 kg·hm-2。

林地土壤含水量与CH4吸收通量呈显著的负相关关系，而3种土地利用方式下土壤含水量（WFPS）需高于60%时，才可监测到CH4的排放，表明土壤含水量对非稻田土壤CH4通量的影响不容忽视。而不同利用方式下土壤CH4通量与土壤温度均未呈显著的相关关系。

3种不同土地利用方式下土壤无机氮含量呈明显的季节性变化，春冬季高于其它季节。CH4排放通量与铵态氮含量呈显著的负相关关系，而与硝态氮含量未呈显著的相关性。

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CH4Fluxes and Its Influence Factors under Three Land Use Type in the Hilly Red Soil Region of Northern Subtropical, China

TIAN Yanan1, NIE Wenting2, ZHANG Shuiqing1,3, MUHAMMAD Shaaban1, LV Zhaoqi1, YIN Xin1, LIN Shan1**
*1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University//Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China; 2. Department of Soil and Water Conservation, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 3. Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources Science, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China

CH4fluxes from soil under three land use types (woodland, tea field and vegetable field) were measured with static chamber-GC techniques; we also detected soil temperature, moisture and mineral nitrogen concentrations at the same time of gas sampling in the hilly red soil region of north subtropics. The purpose of the study is to explore the function of CH4“source” and "sink" in different land use patterns, is of much importance to evaluate the contribution of different land use patterns to the global climate change. Our results showed that land use types had great influence on mean CH4fluxes, vegetable field, tea field and woodland were 7.11, -1.49, -15.44 μg·m-2·h-1, respectively, the highest fluxes from vegetable field, the second higher from tea field, while lowest values being observed from woodland. The annual cumulative CH4fluxes were 0.52, -0.31 and -1.46 kg·hm-2for woodland, tea field and vegetable filed, respectively. The soil of vegetable field played a CH4source role, while the tea field and woodland soils were sink of CH4to the atmosphere as a whole. Seasonal variations of CH4fluxes from tea field and vegetable field soils were observed, CH4fluxes in spring and autumn seasons kept at relative high level, in other seasons, CH4fluxes were low. A significant negative relationship between soil CH4uptake rate and soil moisture was observed in woodland , and episodes of net CH4release were observed in woodland, which may be caused by high soil moisture (WFPS higher than 70%). However, soil CH4uptake rate and soil moisture were no correlation from tea filed and vegetable field. And no significant correlation between CH4fluxes and soil temperature were found from all land use types. A negative correlation between soil CH4emission and NH4+-N concentration was also observed from different land use type, while there was no significant relationship between soil CH4emission and NO3--N concentration.

CH4flux; vegetable field; tea field; hilly red soil region

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.002

X14

A

1674-5906（2015）09-1434-07

田亚男，聂文婷，张水清，Muhammad Shaaban，吕昭琪，殷欣，林杉. 北亚热带红壤丘陵区3种土地利用方式下CH4通量及其影响因素[J]. 生态环境学报, 2015, 24(9): 1434-1440.

TIAN Yanan, NIE Wenting, ZHANG Shuiqing, MUHAMMAD Shaaban, LV Zhaoqi, YIN Xin, LIN Shan. CH4Fluxes and Its Influence Factors under Three Land Use Type in the Hilly Red Soil Region of Northern Subtropical, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1434-1440.

国家自然科学基金项目（41201255；41171212）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2013PY114）；国家重点基础研究发展计划项目（2012CB417106）；公益性行业（农业）科研专项经费项目（201203030-5）

田亚男（1991年生），女，硕士研究生，研究方向为农田温室气体减排。E-mail: tynfighting@163.com *通信作者：林杉，博士，主要从事陆地生态系统碳氮循环及温室气体相关研究。E-mail: linshan@mail.hzau.edu.cn

2015-06-28