曹瑩芳,郭小偉,周 庚,曹廣民,杜巖功

(1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧 810008； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.威海市農(nóng)業(yè)局,山東 威海 264411)

青藏高原高寒草甸N2O排放速率及其對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)特征

曹瑩芳1,2,郭小偉1,周 庚3,曹廣民1,杜巖功1

(1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧 810008； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.威海市農(nóng)業(yè)局,山東 威海 264411)

在中國(guó)科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，利用靜態(tài)密閉箱-氣相色譜法，連續(xù)兩年(2013，2014年)進(jìn)行了高寒草甸N2O排放速率及其對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)特征研究。結(jié)果表明：高寒草地N2O年平均排放速率為32.4±3.1 μg/(m2·h)，生長(zhǎng)季排放速率為41.1±4.3 μg/(m2·h)，明顯高于休眠季的排放速率20.2±3.2 μg/(m2·h)；不同采樣時(shí)期N2O排放速率具有極顯著差異；氣溫與N2O的排放速率之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.52)，隨著日平均氣溫增加，高寒草甸土壤N2O排放速率逐漸提高；降水量與N2O排放通量之間存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在未來全球增溫的氣候情景下，高寒草地土壤N2O排放量將呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

N2O排放；高寒草甸；溫度；降水

自工業(yè)革命之后，人類活動(dòng)引起的溫室氣體濃度不斷增加，直接加劇了溫室效應(yīng)[1]。氧化亞氮(N2O)是溫室氣體的重要組成成分之一，同時(shí)N2O還會(huì)與平流層的臭氧發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致臭氧層變薄、抵擋紫外線能力減弱，直接威脅人類健康[2]。此外，N2O壽命較長(zhǎng)，通常以百年計(jì)算，單分子增溫趨勢(shì)是CO2的310倍，因此對(duì)全球變化具有潛在而深遠(yuǎn)的影響[3]。

陸地土壤是N2O主要排放源，約占其排放總量的65%～70%[3]，高寒草甸是青藏高原主體類型之一，因其面積巨大，N2O排放特征受到廣泛關(guān)注[4]。內(nèi)蒙羊草草原2012年和2013年生長(zhǎng)季N2O排放速率分別為5.8和3.8 μg/(m2·h)[5],年際差異主要是由降水量不同所引起；高寒草地土壤N2O年平均排放速率為4.2 μg/(m2·h)[5]；也有研究表明，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率達(dá)到39.6 μg/(m2·h)[6],這可能是因?yàn)椴煌瑴y(cè)定年份間存在較大差異；東北三江平原濕地草甸腐殖質(zhì)土和沼澤土N2O排放速率分別為78～216和131～583 μg/(m2·h)[8]；研究表明新西蘭放牧草地土壤排放速率為110～133.4 μg/(m2·h)[9]。因此，草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率存在較大的空間異質(zhì)性。

降水和氣溫是影響N2O產(chǎn)生和排放的重要因素，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，N2O的排放量也隨之升高，這與增溫提高了微生物的活性有關(guān)[10]。在低于水分臨界值的范圍內(nèi)，土壤N2O的排放量與土壤水分含量呈正相關(guān)[11]。有研究表明，當(dāng)土壤孔隙含水量在30%～70%，土壤N2O主要來自于硝化作用，當(dāng)土壤孔隙含水量超過60%時(shí)，反硝化作用產(chǎn)生的N2O是土壤N2O排放的重要來源[12]。旱地土壤N2O的變化幅度小，但在降水過后土壤N2O通量上升的趨勢(shì)與降水量變化趨勢(shì)相同[13]。

近年來對(duì)高寒草甸溫室氣體N2O排放速率進(jìn)行了較多的研究[4,6-7]，但有關(guān)氣溫、降水量對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率研究相對(duì)較少。通過連續(xù)兩年野外觀測(cè)N2O通量在生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季變化，探討其季節(jié)變化特征以及N2O通量對(duì)氣溫和降水量的響應(yīng)特征，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估高寒草甸N2O排放量具有重要意義[15]。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站海北站，該站位于祁連山冷龍嶺東段南麓大通河谷，地理位置N 37°29′～37°45′，E 101°12′～101°23′，海拔3 280 m，該地區(qū)是典型的高原大陸性氣候，夏季受東南季風(fēng)氣候影響，而冬季受西伯利亞寒流的影響，一年四季無明顯區(qū)分，只有冷暖季之分，暖季短暫且涼爽濕潤(rùn)，冷季漫長(zhǎng)且寒冷干燥，多年平均氣溫-1.7℃，最熱季7月，平均氣溫為9.8℃，最冷季1月平均氣溫-14.8℃。多年年均降水量560 mm，主要集中在生長(zhǎng)季(5～9月)，占全年降水量的80%，生長(zhǎng)季雨熱同期，土壤為草氈寒凍雛形土，有機(jī)質(zhì)含量高，其中腐殖質(zhì)占總量的87%以上，土壤全量養(yǎng)分豐富，速效養(yǎng)分貧乏[16]。

表1 高寒草甸土壤基本理化性狀特征

1.2試驗(yàn)方法

在海北站觀測(cè)場(chǎng)選擇高寒草甸為研究對(duì)象，設(shè)置3處樣地，采用靜態(tài)箱法采集氣樣。取樣時(shí)，在底座密閉水槽內(nèi)加水，使頂箱與底座間形成氣路密閉，切斷采樣箱內(nèi)外空氣的自由交換。氣體采集使用帶有三通閥的100 mL注射器抽氣，采樣時(shí)間點(diǎn)為0、10、20、30 min(即每隔10 min取1次樣)，隨后立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析。氣體測(cè)定采用密閉箱-氣相色譜法(HP4890D,Agilent)，內(nèi)裝電子捕獲檢測(cè)器(ECD)，樣品分析測(cè)量誤差為±5×10-9L/L。 2012～2014年的日氣象資料(日均溫和降水量)，是由海北站提供的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 采樣時(shí)間為2013年1月初～2014年12月底，采樣期可分為生長(zhǎng)季(5～9月)和非生長(zhǎng)季(1～4月和10～12月)。采樣頻率生長(zhǎng)季每月4次，休眠季每月2次，每次取樣時(shí)間為上午9∶00～11∶00 (課題組已有試驗(yàn)表明此階段排放速率與日平均排放速率相一致[15])。

1.3N2O排放通量的計(jì)算方法

式中：F是N2O排放通量(μg/m2·h),V是箱體體積(cm3),A是箱體底面積(cm2),Ct是t時(shí)刻箱內(nèi)N2O的體積混合比濃度(10- 9L/Lmin),t為時(shí)間(min),ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度(g/cm3),T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣絕對(duì)溫度(絕對(duì)溫度K)和氣壓(Pa)，T為采樣時(shí)的氣溫，P為采樣時(shí)的氣壓。依據(jù)采樣樣品N2O濃度隨時(shí)間變化，所建立的回歸方程決定系數(shù)(R2>0.95)時(shí)，數(shù)據(jù)被視為有效而被采用。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

文中所用數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，采用SPSS19.0軟件中用RepeatedMeasures(重復(fù)測(cè)量方差)分析不同測(cè)定年份、采樣時(shí)間高寒草甸N2O排放速率的差異，利用多元線性回歸方法分析降水和氣溫對(duì)N2O排放速率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.12013年和2014年高寒草甸土壤N2O排放通量對(duì)比分析

高寒草甸N2O排放速率表征草地土壤N2O源強(qiáng)度，連續(xù)兩年觀測(cè)結(jié)果表明，高寒草甸土壤N2O均呈現(xiàn)生長(zhǎng)季排放速率明顯高于休眠季的變化特征。在2013年6月中旬N2O排放量峰值為124.5±8.3μg/(m2·h)，2014年8月初N2O排放量達(dá)最大值，為98.0±1.2μg/(m2·h)，明顯低于2013年排放峰值(P<0.05)(圖1)，且2014年N2O排放最高峰晚于2013年。2013年和2014年平均排放速率分別為32.3±5.1和32.5±3.8μg/(m2·h)(表2)，兩年平均值為32.4±3.1μg/(m2·h)，生長(zhǎng)季排放速率為41.1±4.3μg/(m2·h)，休眠季排放速率為20.2±3.2μg/(m2·h)。

表2 生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季N2O排放速率

圖1 高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放速率變化特征Fig.1 Changes of soil N2O emission rate in Alpine meadow

2013年和2014年生長(zhǎng)季N2O排放速率分別為41.1±13.7和41.2±9.2μg/(m2·h)，非生長(zhǎng)季N2O排放速率分別為20.8±7.1和19.5±4.7 μg/(m2·h)。高寒草甸生長(zhǎng)季N2O排放速率相對(duì)較高，可能是因?yàn)樯L(zhǎng)季期間，高寒草甸正值暖季，降水充沛，為微生物的活動(dòng)創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)N2O排放；1～2月和11～12月，N2O排放量在全年間較低，主要是由于非生長(zhǎng)季低溫環(huán)境條件抑制微生物活性，且土壤凍結(jié)導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的N2O很難輸送到大氣，因此導(dǎo)致排放速率明顯降低。2013年1月中下旬和11月中上旬，N2O排放量為全年最低，分別為3.4±0.5和3.3±0.5 μg/(m2·h)，2014年2月初，其N2O排放速率僅為2.2±4.7 μg/(m2·h)，為全年最低值。

方差分析表明，兩年間高寒草甸土壤N2O排放速率無顯著差異，不同采樣時(shí)期、及其與不同年份間交互作用對(duì)N2O排放速率均具有極顯著影響(P<0.01)(表3)。

表3 不同測(cè)定時(shí)間交互作用對(duì)N2O排放速率的影響

2.2氣溫和降水對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響

氣溫的改變直接影響土壤溫度，土溫變化影響微生物的活性，改變高寒草甸土壤N2O發(fā)生強(qiáng)度。降水通過改變土壤孔隙氧氣的含量來影響產(chǎn)生N2O的生物學(xué)過程。同時(shí)，降水與溫度之間存在交互作用，降水降低了氣溫，氣溫影響水分的蒸散發(fā)，降水與蒸發(fā)共同作用影響土壤含水量，進(jìn)而影響到硝化和反硝化作用的進(jìn)行。 高寒草甸N2O排放速率與氣溫間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而與降水量之間存在較弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。相比于降水量，高寒草甸N2O排放速率更受控于日平均氣溫。

3 討論

不同地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率具有較大差異(表4)，研究發(fā)現(xiàn)高寒草地N2O年平均排放速率為32.4±3.1 μg/(m2·h)，明顯低于荷蘭施肥草地、新西蘭放牧草地和東北三江平原草甸沼澤土壤N2O排放速率，但高于內(nèi)蒙古羊草草地N2O排放速率。高寒草甸生長(zhǎng)季雨熱同期，為微生物的活動(dòng)創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)生長(zhǎng)季期間，放牧家畜的踩踏作用，使得土壤結(jié)構(gòu)變得緊實(shí)，進(jìn)而影響到N素的轉(zhuǎn)化以及N2O的釋放。研究表明，經(jīng)牛羊踩踏后壓實(shí)的土壤N2O排放通量是自然土壤N2O排放通量的8倍[17]。此外，動(dòng)物排泄糞尿(尤其是羊的尿斑)的施肥效應(yīng)，促使土壤N2O的釋放量激增[18]，因此生長(zhǎng)季期間N2O的排放速率明顯高于非生長(zhǎng)季。在內(nèi)蒙古干旱草原，N2O的釋放具有明顯的季節(jié)變化，春夏秋季明顯高于冬季[19]。這與此次研究結(jié)果一致，生長(zhǎng)季N2O排放速率41.1±4.3 μg、(m2·h)，明顯高于休眠季排放速率20.2±3.2 μg/(m2·h)(P<0.05)。試驗(yàn)的兩年間土壤N2O平均排放速率接近，可能是由于兩年間大氣平均氣溫和降水量基本一致，均處于相對(duì)干旱年份。

圖2 高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放速率與日平均氣溫，降水量之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between soil N2O emission rate and air temperature and precipitation in the alpine meadow

表4 國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)草地土壤N2O排放速率比較

氣溫的高低影響到土壤微生物的活性，進(jìn)而影響硝化和反硝化作用強(qiáng)度，隨著溫度的升高，微生物活性逐漸增強(qiáng)；低溫環(huán)境抑制了硝化和反硝化細(xì)菌的生物活性[20]。由于青藏高原特殊的環(huán)境，溫度是草地土壤微生物數(shù)量的重要限制因素，而降水對(duì)其影響作用不明顯[21]。土壤溫度的升高加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，也激活了土壤微生物的呼吸作用，促進(jìn)了土壤厭氧環(huán)境形成，同時(shí)有機(jī)質(zhì)給硝化作用提供了充足的電子受體和細(xì)胞代謝能源物質(zhì)[20]，促進(jìn)了反硝化作用的進(jìn)行，激發(fā)了土壤N2O的釋放。已有研究表明15～30℃有利于硝化作用的進(jìn)行，溫度小于5℃或大于40℃都會(huì)抑制硝化作用的進(jìn)行；在5～75℃均有利于反硝化作用的進(jìn)行[22]。隨氣溫的變化N2O排放發(fā)生的頻率呈正態(tài)分布，N2O的排放主要集中在15～25℃[23]。

降水和蒸發(fā)是影響土壤含水量的重要因素[24]，土壤含水量的變化影響土壤孔隙空氣的變化，從而使土壤的氧化還原電位發(fā)生改變[25]，土壤水分含量高時(shí)氧氣含量少，則土壤處于還原狀態(tài)，反硝化作用是N2O排放的主要來源。旱地土壤灌溉或者降水之后，N2O的排放出現(xiàn)峰值，但是持續(xù)的降水導(dǎo)致N2O釋放量降低[12]。在此次研究中降水量對(duì)高寒草甸N2O排放速率影響較小，可能是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)采集氣體樣品期間，均無降水事件發(fā)生。而氣溫對(duì)N2O排放速率具有顯著的影響(圖2)，因此溫度是影響高寒草甸土壤N2O排放更為重要的因素。

4 結(jié)論

高寒草甸為N2O排放源，生長(zhǎng)季排放速率明顯高于休眠季。2013年和2014年草地土壤N2O排放峰值分別出現(xiàn)于6月中旬和8月初。高寒草甸N2O排放速率與氣溫間存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與降水量之間存在較弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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ResponsesofprecipitationandairtemperaturetosoilN2OemissioninanalpinemeadowontheQinghaiTibetanPlateau

CAO Ying-fang1,2，GUO Xiao-wei1,ZHOU Geng3, CAO Guang-min1,DU Yan-gong1

(1.NorthwestInstituteofPlateauBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.AgriculturalBureauofWeihaiCity,Weihai264411,China)

The N2O emission fluxes from grassland ecosystem and the relationship between N2O emission fluxes and precipitation and air temperature were studied,using static chamber technique and gas chromatography,in Haibei Station of Chinese Academy of Sciences during consecutive 2 years: 2013 and 2014.The results revealed that the annual mean fluxes of N2O emission rate were around 32.4±3.1μg/(m2·h).The emission rate 41.1±4.3 μg/(m2·h) during the growing seasons was significantly higher than that 20.2±3.2 μg/(m2·h) during the non-growing season.The significant differences of N2O emission fluxes were found between different sampling days.The N2O emission fluxes in an alpine meadow increased with daily air temperature increasing.The relationship between fluxes of N2O emission and precipitation was negative.The N2O emission fluxes will increase with global warming in the alpine meadow in future.

N2O emission;alpine meadow;temperature;precipitation

2016-11-29；

：2017-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31470530)資助

曹瑩芳(1991-),女,陜西渭南市人，在讀碩士生。 E-mail：caoyingfang15@mails.ucas.ac.cn 曹廣民與杜巖功為通訊作者。

S 812

：A

：1009-5500(2017)04-0020-06