北亞熱帶紅壤丘陵區(qū)3種土地利用方式下CH4通量及其影響因素

田亞男，聶文婷，張水清,，Muhammad Shaaban，呂昭琪，殷欣，林杉**

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院//農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2. 長江科學(xué)院水土保持研究所，湖北 武漢 430010；3. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002

北亞熱帶紅壤丘陵區(qū)3種土地利用方式下CH4通量及其影響因素

田亞男1，聶文婷2，張水清1,3，Muhammad Shaaban1，呂昭琪1，殷欣1，林杉1**

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院//農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2. 長江科學(xué)院水土保持研究所，湖北 武漢 430010；3. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002

以北亞熱帶紅壤丘陵區(qū)林地、茶園、菜地為對(duì)象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對(duì)3種土地利用方式下CH4通量進(jìn)行了研究，同時(shí)測(cè)定了土壤溫度、含水量和無機(jī)氮含量。旨在探索不同土地利用方式下CH4“源”和“匯”的功能，對(duì)評(píng)估不同土地利用方式對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)具有重要意義。結(jié)果表明，不同土地利用方式下土壤甲烷平均通量有顯著差異，分別為：林地-15.44 μg·m-2·h-1，茶園-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，茶園其次，林地最低，CH4年累積通量分別為0.52、-0.31和-1.46 kg·hm-2，菜地土壤以排放CH4為主，而茶園和林地土壤是CH4的匯。茶園和菜地土壤CH4通量呈一定的季節(jié)性變化，春、秋季CH4通量較高。林地CH4吸收通量與土壤濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），且當(dāng)土壤濕度（WFPS）高于70%時(shí)，林地土壤才以排放CH4為主；而茶園和菜地土壤CH4吸收通量與土壤含水量無顯著相關(guān)關(guān)系。土壤CH4通量與土壤溫度之間未呈顯著的相關(guān)關(guān)系。不同土地利用方式下土壤CH4排放通量與銨態(tài)氮含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），而與硝態(tài)氮含量未呈顯著的相關(guān)性。

甲烷通量；菜地；茶園；紅壤丘陵區(qū)

自工業(yè)革命以來，隨著人類活動(dòng)的加劇，大氣中溫室氣體的濃度不斷增加，引起地表溫度升高，加速了全球氣候變暖。甲烷（CH4）是一種重要的溫室氣體，其增溫潛勢(shì)是CO2的25倍（IPCC，2007）。自1750年（工業(yè)革命）以來，大氣中CH4濃度增加了150%，且目前處于持續(xù)增長中（IPCC，2014）。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能強(qiáng)烈地影響甲烷的產(chǎn)生與排放，如土地利用方式的改變或農(nóng)業(yè)管理措施的不同等都對(duì)土壤甲烷通量有一定的影響（Chan et al.，2001；彭華等，2015）。全球每年各種途徑排放到大氣中的CH4總量約為 535 Tg，由人類活動(dòng)產(chǎn)生的CH4排放為375 Tg（江長勝等，2004）。農(nóng)業(yè)土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫，是大氣中CH4的重要的源或匯。土壤任何一個(gè)因子的微小變化都會(huì)對(duì)CH4通量產(chǎn)生重要影響，從而改變土壤作為大氣源和匯的作用。

土地利用是一種人類改造自然的活動(dòng)，比較常見的土地利用轉(zhuǎn)變類型有森林和農(nóng)田互相轉(zhuǎn)換、濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榈咎?、自然草地轉(zhuǎn)為牧草地、農(nóng)田管理措施改變等（陳廣生等，2007）。有研究表明，不同土地利用方式之間相互轉(zhuǎn)變能改變土壤對(duì)大氣CH4的吸收或排放強(qiáng)度（Ruan et al.，2013）1。農(nóng)田向森林或草地轉(zhuǎn)變，增加了土壤吸收 CH4的能力（Monti et al.，2012）；而土壤受擾動(dòng)后CH4吸收強(qiáng)度降低，如天然草地開墾為農(nóng)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，泥炭沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗咎?，土壤CH4排放量增加，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋蛣t減少。不同管理措施對(duì)CH4吸收或排放也有一定影響，免耕大豆地土壤CH4吸收速率高于常規(guī)耕作土壤（Ruan et al.，2013），氮肥對(duì)草地土壤CH4排放有顯著影響（Hartmann et al.，2011）。一般認(rèn)為稻田為CH4的排放源，而林地、旱地和草地等土地利用類型為CH4的吸收匯（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，從而確定其“源”或“匯”的功能具有重要意義。

本研究對(duì)湖北省南部丘陵區(qū)不同土地利用方式紅壤 CH4通量進(jìn)行了研究，分析了該土壤 CH4通量的季節(jié)變化特征及其影響因素，并初步明確影響其通量特征的關(guān)鍵因子，估算不同土地利用方式CH4排放總量及CH4源、匯狀況。以期為預(yù)測(cè)土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)非稻田土壤減排增匯的影響提供科學(xué)依據(jù)，也為該地區(qū)溫室氣體清單的編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省咸寧市（29°02′～30°18′N，133°31′～144°58′E）賀勝橋鎮(zhèn)，該地區(qū)具有典型的平原-丘陵過渡地帶特征，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫為16.8 ℃，年降雨量為1325 mm，在自然地帶上屬于北亞熱帶常綠闊葉林帶。該地區(qū)土壤以第四紀(jì)粘土沉積物母質(zhì)發(fā)育的紅壤為主，呈弱酸性，質(zhì)地粘重。

此次研究的土地利用方式為林地、茶園和菜地，茶園按當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥，于2012年3月中旬施尿素，2012年9月下旬施雞糞干物質(zhì)和復(fù)合肥，年施氮量為425.7 kg·hm-2；菜地是絲瓜與蘿卜冬夏交替種植，于2011、2012年11月上旬施用復(fù)合肥，于2012年5月上旬施用豬糞堆肥，年施氮量為751.7 kg·hm-2；林地為樟樹-馬尾松混交林，不施肥、人為干擾較小。具體采樣點(diǎn)表層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)見表1。

表1 采樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic properties of sampling sites

1.2 取樣與測(cè)定方法

試驗(yàn)于2011年11月─2012年11月進(jìn)行，7～10 d取樣一次，每次采樣時(shí)間為上午9:00─11:00。采樣方法為靜態(tài)箱法，其具體步驟為：用一圓形不繡鋼圓桶（高25 cm，直徑20 cm）作為氣體采樣箱，該箱頂部密封，箱蓋上有兩個(gè)孔分別固定有玻璃管，其中一管連接一密封氣袋置于箱內(nèi)，用來調(diào)節(jié)采樣箱內(nèi)的氣壓，另一管接一具有三通閥的橡膠管用來采集氣體。采樣在作物行間進(jìn)行，首先剪去地面雜草，然后去除凋落物，將采樣箱垂直插入土壤中5 cm，并將箱周圍壓實(shí)，以防漏氣。20 min后，分別用聚丙烯注射器通過采樣管將20 mL氣體轉(zhuǎn)移到真空玻璃瓶中。同時(shí)采取釆樣點(diǎn)大氣作為空白對(duì)照。在相隔2～3 m的范圍以相同的方法重復(fù)采集3個(gè)點(diǎn)。在采集氣體樣品的同時(shí)，測(cè)定釆樣大氣溫度和土壤的5 cm溫度。氣體樣品用改進(jìn)的氣相色譜儀（Agilent 7890A）分析，檢測(cè)器FID，檢測(cè)溫度200 ℃，柱溫 50 ℃，標(biāo)準(zhǔn)氣體由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。氣體排放通量由4個(gè)氣樣濃度值經(jīng)線性回歸分析得出。

每次 CH4氣體采樣同時(shí)采集土壤表層土樣（0～20 cm），置于容器中均勻混合后轉(zhuǎn)移到樣品袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤含水量與容重，然后去除碎石、殘根等雜物，過2 mm鋼篩。一部分鮮樣放于4 ℃下保存，用于測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳等項(xiàng)目；另一部分土壤風(fēng)干、研磨后，供測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮等基本理化性質(zhì)。降雨量的資料利用咸寧紅壤綜合試驗(yàn)站內(nèi)的氣象站獲得。

土壤無機(jī)氮（NH4+-N和NO3--N）含量采用1 mol·L-1KCl浸提，德國Seal Analytical AA3流動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

CH4通量的計(jì)算公式如下（Hu et al.，2002）：

F=ρ×V/A×△c/△t×273/T×α/1000

式中：F為CH4通量（μg CH4-C·m-2·h-1），正值表示CH4從土壤排放到大氣，負(fù)值表示CH4從大氣流向土壤或土壤氧化消耗大氣中的CH4；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CH4的密度0.714（kg·m-3）；V和A是采樣箱的體積（m3）與底面積（m2）；△c/△t（10-6m3·m-3·h-1）為在一特定時(shí)間內(nèi)CH4濃度變化的速率；T是絕對(duì)溫度（K）；α是CH4換算到C(12/16)的轉(zhuǎn)換因子。CH4氣體累積通量通過內(nèi)插累加法，由各氣體通量乘以時(shí)間間隔累加求得（林杉等，2008）。

土壤含水量以充水孔隙度（WFPS）表示，計(jì)算方法如下：

WFPS(%)=(土壤重量含水量×土壤容重)/土壤總孔隙度

式中，土壤總孔隙度=1-土壤容重/2.65

所有數(shù)據(jù)使用Excel、Origin 8.0、SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果以3次重復(fù)的平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與氣溫

該研究區(qū)域2012年降雨量為1325 mm，春季（3─5月）降雨較多，占全年降雨量的41.02%。春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)降雨量分別為544、388、234和160 mm。年平均氣溫為16.87 ℃，夏季（6─8月）溫度最高，為28.71 ℃，春、夏、秋、冬季4個(gè)季節(jié)氣溫平均值分別為 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種不同土地利用方式土壤甲烷通量與土壤含水量、土壤溫度的變化趨勢(shì)并不一致（圖 2）。觀測(cè)結(jié)果得出，茶園和林地土壤以吸收CH4為主，但也觀測(cè)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節(jié)性變化，菜地和茶園土壤在春、秋季曾觀測(cè)到以排放甲烷為主，這與種植過程中大量使用農(nóng)家肥和化肥有關(guān)。林地土壤主要以吸收CH4為主，而其在氣溫較高且降雨后的7月20日觀測(cè)到較低排放（圖1和圖2）。

圖1 氣溫和降雨量的季節(jié)性變化Fig. 1 Seasonal variations of air temperature and precipitation

研究期間，3種土地利用方式下土壤CH4平均通量及年累積通量存在顯著性差別。林地、茶園、菜地土壤CH4年累積通量分別為-1.46、-0.31、0.52 kg·hm-2，按年累積通量排序依次為：菜地>茶園>林地（表2）。茶園和林地土壤CH4通量為負(fù)值，表現(xiàn)為吸收大氣中的CH4；而菜地由于施用農(nóng)家肥和澆水等原因?qū)е翪H4以排放為主。

表2 3種土地利用類型土壤CH4通量Table 2 Soil CH4fluxes from three different land use types

2.3 甲烷通量與土壤含水量、溫度的關(guān)系

林地土壤含水量（WFPS）與甲烷吸收通量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3），r為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；而茶園和菜地土壤 CH4吸收通量與土壤含水量無顯著的相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土壤含水量需大于60%，才監(jiān)測(cè)到 CH4排放，如林地和菜地土壤含水量（WFPS）分別大于70%和60%（圖2），土壤CH4通量為正值，以排放CH4為主，說明土壤濕度對(duì)北亞熱帶丘陵區(qū)土壤CH4產(chǎn)生具有一定的促進(jìn)作用。

3種土地利用方式下土壤甲烷通量與土壤溫度均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，但本研究發(fā)現(xiàn)，菜地土壤夏季溫度越高，甲烷吸收值越大，這可能是因?yàn)闇囟雀?，甲烷氧化菌的活性較高，從而促進(jìn)甲烷的吸收。

2.4 土壤無機(jī)氮

農(nóng)業(yè)土地利用方式土壤無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和）顯著高于林地（表 3），茶園土壤無機(jī)氮含量最高，其次為菜地和林地。這是由于茶園和菜地施肥頻繁，而林地不施肥且受人類活動(dòng)干擾少，所以無機(jī)氮含量較低。

表3 土壤無機(jī)氮含量季節(jié)變化Table 3 Seasonal variation of inorganic nitrogen contents

圖2 3種土地利用方式下土壤CH4通量、含水量和土壤溫度的季節(jié)性變化Fig. 2 Seasonal variation of soil CH4flux, soil moisture (WFPS) and soil temperature under three different land uses

圖3 土壤甲烷吸收量與土壤含水量(WFPS)的關(guān)系Fig. 3 Relations between CH4flux and soil moisture

林地土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量有一定的季節(jié)性變化趨勢(shì)，均是冬季最高，分別為33.87和26.50mg·kg-1（表3）。茶園土壤銨態(tài)氮含量春季最高，為84.64 mg·kg-1，菜地土壤銨態(tài)氮含量夏季最高，為22.17 mg·kg-1。

2.5 甲烷通量與無機(jī)氮的關(guān)系

土壤無機(jī)氮對(duì)CH4吸收或排放有一定的影響。通過對(duì)3種不同土地利用方式下土壤銨態(tài)氮含量與CH4排放通量的相關(guān)性分析表明（圖4），二者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4），r為0.336（P<0.05），說明北亞熱帶丘陵區(qū)土壤銨態(tài)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態(tài)氮含量與CH4排放通量并不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖4 土壤甲烷排放通量與NH4+-N的關(guān)系Fig. 4 Relations between soil CH4emission and NH4+-N

3 討論

土壤甲烷通量是甲烷產(chǎn)生過程和甲烷氧化過程同時(shí)進(jìn)行的結(jié)果（Chan et al.，2000），所有影響土壤微生物進(jìn)行這兩個(gè)過程的因素都會(huì)影響甲烷的通量。不同土地利用方式改變了土壤的性質(zhì)，使不同利用方式下土壤的甲烷通量存在較大差異。本研究中，3種利用方式下CH4通量高低為菜地最高，茶園其次，林地最低。對(duì)于菜地土壤，由于施肥量比較大，施肥降低了甲烷氧化菌的活性，從而降低了土壤對(duì)甲烷的吸收能力，甲烷通量為正值，土壤以釋放CH4為主。Jia et al.（2012）研究也得出施氮量高的菜地土壤以甲烷排放為主。鄭聚鋒等（2008）研究表明長期施肥會(huì)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為干擾小，土壤對(duì)甲烷的吸收能力較強(qiáng)。Wolf et al.（2012）研究表明林地土壤對(duì)甲烷有吸收作用，表現(xiàn)為甲烷的“匯”。Ueyama et al.（2013）研究也表明林地吸收甲烷能力較強(qiáng)。

土壤含水量通過影響土壤通氣狀況、土壤氧化還原狀況、土壤微生物活性及土壤中甲烷的擴(kuò)散遷移能力等方面來影響甲烷排放通量（Arnold et al.， 2005；Rowlings et al.，2012）。土壤含水量高會(huì)降低CH4和O2擴(kuò)散進(jìn)入土壤的速率進(jìn)而使CH4的吸收通量減少（Tate et al.，2007），因此，本研究中受人為活動(dòng)影響較小的林地土壤，其含水量與甲烷吸收通量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)林地土壤孔隙含水率（WFPS）高于 70%時(shí)，甲烷通量為正值，以排放為主。Teepe et al.（2004）的研究得出，林地土壤WFPS與甲烷吸收通量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)土壤WFPS高于80%時(shí)，甲烷為凈排放，Barrena et al.（2013）在3種森林土壤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，土壤含水量的增加能抑制 CH4的吸收，土壤 CH4吸收通量與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究結(jié)果與前人的結(jié)果較為吻合。一般認(rèn)為隨著土壤水分含量的增高，甲烷排放通量隨之增高（Borken et al.，2006），當(dāng)土壤含水量過高時(shí)，土壤孔隙被水分占據(jù)，導(dǎo)致土壤通氣不良，土壤氧化還原電位較低，土壤甲烷氧化菌的活性受抑制，而產(chǎn)甲烷菌活性較高，則甲烷排放通量較高。土壤溫度是影響土壤CH4通量的又一重要環(huán)境因子，CH4通量對(duì)溫度的響應(yīng)機(jī)制較復(fù)雜，當(dāng)土壤中存在其他環(huán)境因子限制CH4產(chǎn)生或氧化時(shí)，溫度作用將不顯著（王琛瑞等，2002）。Lang et al.（2011）認(rèn)為甲烷通量與土壤溫度無顯著相關(guān)關(guān)系，其原因可能是溫度升高既可增加甲烷產(chǎn)生速率，同時(shí)也會(huì)提高甲烷的氧化速率（Butterbach-Bahl et al.，2002）。

土壤中的氮素含量是影響土壤CH4通量的關(guān)鍵因素。土壤氮素中的無機(jī)氮主要通過影響土壤CH4的氧化作用從而影響CH4通量，而甲烷氧化作用主要是由甲烷氧化菌參與完成。目前，銨態(tài)氮對(duì)甲烷排放的影響有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)是銨態(tài)氮對(duì)甲烷氧化表現(xiàn)為競(jìng)爭抑制機(jī)理（Jassal et al.，2011），由于CH4和NH4+分子形狀和大小非常形似且都能被甲烷單氧化酶氧化，較高的NH4+和CH4競(jìng)爭甲烷單氧化酶活性位點(diǎn)，因而抑制甲烷氧化，促進(jìn)甲烷排放；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為甲烷排放減少是由于銨態(tài)氮肥刺激了甲烷氧化菌的繁殖，大量氧化甲烷，從而使甲烷排放降低（Bodelier et al.，2000）。Henckel et al.（2000）采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）和分子探針技術(shù)研究銨態(tài)氮肥對(duì)甲烷氧化菌的影響，得出銨態(tài)氮的存在促進(jìn)了甲烷氧化菌的增加。本研究中，3種土地利用方式下銨態(tài)氮含量與甲烷排放呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明北亞熱帶丘陵區(qū)紅壤銨態(tài)氮含量越高，CH4排放越低。土壤甲烷氧化菌主要是利用銨態(tài)氮作為氮源，銨態(tài)氮促進(jìn)甲烷氧化菌的生長，有利于甲烷的氧化，使甲烷排放通量降低（Veldkamp et al.，2001）。胡偉芳等（2015）在閩江口濕地研究表明銨態(tài)氮輸入抑制CH4產(chǎn)生潛力。Noll et al.（2008）對(duì)水稻土甲烷排放研究得出，銨態(tài)氮降低了土壤甲烷排放通量，這與本研究結(jié)果類似。而在溫帶次生林土壤的研究得出，土壤CH4通量與銨態(tài)氮含量無明顯的相關(guān)性（孫海龍等，2013），這可能是由于土壤中的NH4+-N含量較低時(shí)，其不會(huì)抑制土壤氧化外源CH4的活性（Bender et al.，1995）。土壤硝態(tài)氮對(duì)CH4產(chǎn)生或氧化有促進(jìn)、抑制和無顯著作用3種結(jié)論，這與土壤微生物數(shù)量和土壤氮素狀態(tài)有關(guān)（Xu et al.，2004；孫海龍等，2013；Fang et al.，2014）。較高的土壤微生物量固定了較多的硝態(tài)氮，使其對(duì)CH4通量影響較弱（孫海龍等，2013）。高文龍等（2013）在森林土壤的研究得出，土壤NO3--N含量與CH4通量的相關(guān)性不顯著，這可能與其含量較低有關(guān)，只有在NO3--N高含量條件下才會(huì)出現(xiàn)抑制土壤 CH4的氧化（程淑蘭等，2012）。

4 結(jié)論

3種土地利用方式下土壤 CH4通量有顯著差異，施肥量較高，耕作和澆水頻繁的菜地土壤，CH4通量最高，年累積排放量為0.52 kg·hm-2，而受人類活動(dòng)干擾較小的林地土壤，以吸收CH4為主，年累積吸收量為1.46 kg·hm-2。

林地土壤含水量與CH4吸收通量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而3種土地利用方式下土壤含水量（WFPS）需高于60%時(shí)，才可監(jiān)測(cè)到CH4的排放，表明土壤含水量對(duì)非稻田土壤CH4通量的影響不容忽視。而不同利用方式下土壤CH4通量與土壤溫度均未呈顯著的相關(guān)關(guān)系。

3種不同土地利用方式下土壤無機(jī)氮含量呈明顯的季節(jié)性變化，春冬季高于其它季節(jié)。CH4排放通量與銨態(tài)氮含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與硝態(tài)氮含量未呈顯著的相關(guān)性。

ARNOLD K V, NILSSON M, HANELL B, et al. 2005. Fluxes of CO2,CH4and N2O from drained organic soils in deciduous forests [J]. Soil Biology and Biochemistry, 37(6): 1059-1071.

BARRENA L, MENENDEZ S, DUNABEITIA M, et al. 2013. Greenhouse gas fluxes (CO2, N2O and CH4) from forest soils min the Basque Country: Comparison of different tree species and growth stages [J]. Forest Ecology and Management, 310: 600-611.

BENDER M, CONRAD R. 1995. Effect of CH4concentrations and soil conditions on the induction of CH4oxidation activity [J]. Soil Biology and Biochemistry, 27(12): 1517-1527.

BODELIER P L E, ROSLEV P, HENCKEL T, et al. 2000. Stimulation by ammonium-based fertilizers of methane oxidation in soil around rice roots [J]. Nature, 403(6768): 421-424.

BORKEN W, DAVIDSON E A, SAVAGE K, et al. 2006. Effect of summer throughfall exclusion, summer drought, and winter snow cover on methane fluxes in a temperate forest soil [J]. Soil Biology and Biochemistry, 38(6): 1388-1395.

BUTTERBACH-BAHL K, PAPEN H. 2002. Four years continuous record of CH4-exchange between the atmosphere and untreated and limed soil of a N-saturated spruce and beech forest ecosystem in Germany [J]. Plant and Soil, 240(1): 77-90.

CHAN A S K, PARKIN T B. 2000. Evaluation of potential inhibitors of methanogenesis and methane oxidation in a landfill cover soil [J]. Soil Biology and Biochemistry, 32(11): 1581-1590.

CHAN A S K, PARKIN T B. 2001. Effect of land use on methane flux from soil [J]. Journal of Environmental Quality, 30(3): 786-797.

FANG H, CHENG S, YU G, et al. 2014. Low-level nitrogen deposition significantly inhibits methane uptake from an alpine meadow soil on the Qinghai-Tibetan Plateau [J]. Geoderma, 213: 444-452.

HARTMANN A A , BUCHMANN N, NIKLAUS P A. 2011. A study of soil methane sink regulation in two grasslands exposed to drought and N fertilization [J]. Plant and Soil, 342(1-2): 265-275.

HENCKEL T, ROSLEV P, CONRAD R. 2000. Effects of ammonium-based fertilization on microbial processes involved in methane emission from soils planted with rice [J]. Biogeochemistry, 51(3): 225-257

HERGOUALC’H K A, VERCHOT L V. 2012. Changes in soil CH4fluxes from the conversion of tropical peat swamp forests: a meta-analysis [J]. Journal of Integrative Environmental Sciences, 9(sup1): 31-39.

HU R G, HATANO R, KUSA K, et al. 2002. Effect of nitrogen fertilization on methane flux in a structured clay soil cultivated with onion in central Hokkaido. Japan [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 48(6): 797-804.

IPCC. Climate change 2007: The physical science basis contribution of working group I to the fourth assessment report of the IPCC [M]. Cambridge: Cambridge University Press.

IPCC. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the IPCC [M]. Cambridge: Cambridge University Press.

IQBAL J, LIN S, HU R G, et al. 2013. CH4oxidation potentials of different land uses in Three Gorges Reservoir area of central subtropical China [J]. Pedosphere, 23(5): 609-619.

JASSAL R S, BLACK T A, ROY R, et al. 2011. Effect of nitrogen fertilization on soil CH4and N2O fluxes, and soil and bole respiration [J]. Geoderma, 162(1-2): 182-186.

JIA J X, SUN L Y, KONG X Y, et al. 2012. Annual N2O and CH4emissions from intensively managed vegetable fields in Nanjing, China [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 58(1): 91-103.

LANG M, CAI Z C, CHANG S X. 2011. Effects of land use type and incubation temperature on greenhouse gas emissions from Chinese and Canadian soils [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(1): 15-24.

MONTI A, BARBANTI L, ZATTA A, et al. 2012. The contribution of switch grass in reducing GHG emissions [J]. Global Change Biology: Bioenergy, 4(4): 420-434.

NOLL M, FRENZEL P, CONRAD R. 2008. Selective stimulation of type I methanotrophs in a rice paddy soil by urea fertilization revealed by RNA-based stable isotope probing [J]. FEMS Microbiology Ecology, 65(1): 125-132.

ROWLINGS D W, GRACE P R, KIESE R. et al. 2012. Environmental factors controlling temporal variability in the soil-atmosphere exchange of CO2, CH4and N2O from an Australian subtropical rainforest [J]. Global Change Biology, 18(2): 726-738.

RUAN L, ROBERTSON G. P. 2013. Initial nitrous oxide, carbon dioxide, and methane costs of converting conservation reserve program grassland to row crops under no-till vs. conventional tillage [J]. Global Change Biology, 19(8): 2478-2489.

SMITH K A, DOBBIE K E, BALL B C. et al. 2000. Oxidation of atmospheric methane in Northern European soils, comparison with other ecosystems, and uncertainties in the global terrestrial sink [J]. Global Change Biology, 6(7): 791-803.

TATE K R, ROSS D J, SAGGAR S, et al. 2007. Methane uptake in soils from Pinus radiate plantations, a reverting shrubland and adjacent pastures: effects of land-use change, and soil texture, water and mineral nitrogen [J]. Soil Biology and Biochemistry, 39(7): 1437-1449.

TEEPE R, BRUMME R, BEESE F, et al. 2004. Nitrous oxide emission and methane consumption following compact of forest soils [J]. Soil Science Society of America Journal, 68(2): 605-611.

UEYAMA M, TAKAI Y, TAKAHASHI Y, et al. 2013. High-precision measurements of the methane flux over a larch forest based on a hyperbolic relaxed eddy accumulation method using a laser spectrometer [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 178-179: 183-193.

VELDKAMP E, WEITZ A M, KELLER M. 2001. Management effects on methane fluxes in humid tropical pasture soils [J]. Soil Biology and Biochemistry, 33(11): 1493-1499.

WANG Y F, CHEN H, ZHU Q, et al. 2014. Soil methane uptake by grasslands and forests in China [J]. Soil Biology and Biochemistry, 74(6): 70-81.

WOLF K, FLESSA H, VELDKAMP E. 2012. Atmospheric methane uptake by tropical montane forest soils and the contribution of organic layers [J]. Biogeochemistry, 111(1-3): 469-483.

XU X K, INUBUSHI K. 2004. Effects of N sources and methane concentrations on methane uptake potential of a typical coniferous forest and its adjacent orchard soil [J]. Biology and Fertility of Soils, 40(4): 215-221.

陳廣生, 田漢勤. 2007. 土地利用/覆蓋變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 31(2): 189-204.

程淑蘭, 方華軍, 于貴瑞, 等. 2012. 森林土壤甲烷吸收的主控因子及其對(duì)增氮的響應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 32(15): 4914-4923.

高文龍, 程淑蘭, 方華軍, 等. 2013. 寒溫帶針葉林土壤CH4吸收對(duì)模擬大氣氮沉降增加的初期響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 33(23): 7505-7515.

胡偉芳, 曾從盛, 高君彥, 等. 2015. 閩江口鱔魚灘蘆葦濕地沉積物甲烷產(chǎn)生預(yù)氧化潛力對(duì)外源物質(zhì)輸入的響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 35(4): 1116-1124.

江長勝, 王躍思, 鄭循華, 等. 2004. 稻田甲烷排放影響因素及其研究進(jìn)展[J]. 土壤通報(bào), 35(5): 663-669.

林杉, 馮明磊, 阮雷雷, 等. 2008. 三峽庫區(qū)不同土地利用方式下土壤氧化亞氮排放及其影響因素[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 19(6): 1269-1276.

彭華, 紀(jì)雄輝, 吳家梅, 等. 2015. 雙季稻田不同種植模式對(duì)CH4和CO2排放的影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 24(2): 190-195.

孫海龍, 張彥東. 2013. 采伐干擾對(duì)東北溫帶次生林土壤 CH4通量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 24(10): 2737-2745.

王琛瑞, 黃國宏, 梁戰(zhàn)備, 等. 2002. 大氣甲烷的源和匯與土壤氧化(吸收)甲烷研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 13(12): 1707-1712.

鄭聚鋒, 張平究, 潘根興, 等. 2008. 長期不同施肥下水稻土甲烷氧化能力及甲烷氧化菌多樣性的變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 28(10): 4864-4872.

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

田亞男，聶文婷，張水清，Muhammad Shaaban，呂昭琪，殷欣，林杉. 北亞熱帶紅壤丘陵區(qū)3種土地利用方式下CH4通量及其影響因素[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 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.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201255；41171212）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2013PY114）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB417106）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201203030-5）

田亞男（1991年生），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田溫室氣體減排。E-mail: tynfighting@163.com *通信作者：林杉，博士，主要從事陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)及溫室氣體相關(guān)研究。E-mail: linshan@mail.hzau.edu.cn

2015-06-28