凍融對內(nèi)蒙古溫帶貝加爾針茅草甸草原N2O通量的影響

秦賽賽,翟秋敏,杜 睿,梁宗敏,杜鵬瑞,路則棟,李梓銘,3(.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 00049；.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,河南 開封 475000；3.北京市氣象局,北京 00089)

凍融對內(nèi)蒙古溫帶貝加爾針茅草甸草原N2O通量的影響

秦賽賽1,2,翟秋敏2,杜 睿1*,梁宗敏1,杜鵬瑞1,路則棟1,李梓銘1,3(1.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049；2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,河南 開封 475000；3.北京市氣象局,北京 100089)

本研究以內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原為研究對象,通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與野外觀測實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,分析不同土層、放牧與封育、長期與短期凍融、不同凍融頻率與凍融溫差強(qiáng)度對草地土壤N2O產(chǎn)生與排放的影響.結(jié)果表明:凍融期間,從地表到下層15cm土壤N2O的產(chǎn)生速率隨深度的增加而逐漸減少,N2O的產(chǎn)生主要來源于0～9cm的表層土壤;凍融期間溫差相同的情況下,凍融次數(shù)越多,N2O的產(chǎn)生速率越小;N2O的產(chǎn)生速率隨著溫差的變小而減少;凍融期間封育樣地的N2O排放量大于放牧樣地,且封育樣地的N2O排放量占全年排放總量的25.09%,大于放牧樣地(12.38%),但從觀測年排放總量看,放牧卻促進(jìn)了草地N2O源的功能;草地春融期間的N2O排放量是整個(gè)凍融期N2O排放量的最大貢獻(xiàn)者.

凍融；溫帶貝加爾針茅草甸草原；N2O通量

N2O、CO2等作為主要的溫室氣體在地球的輻射平衡中扮演著重要角色[1].截至2013年5月,地球大氣層中的 CO2濃度已超過 400ppm,是導(dǎo)致全球變暖的主要原因.N2O在百年尺度上的增溫潛勢是CO2的300倍,在大氣中的停留時(shí)間也更長,約為112年[2],N2O容易通過光化學(xué)反應(yīng)與臭氧層中的 O3發(fā)生反應(yīng),引起臭氧層破壞,增大了地球表面的紫外輻射,使人類的生存環(huán)境受到威脅.

土壤是 N2O的主要來源[3],大氣中每年有近60%～80%的N2O來源于土壤[4].土壤凍融交替是由于晝夜和季節(jié)的熱量變化導(dǎo)致土壤在一定深度的土層所發(fā)生的反復(fù)凍結(jié)-解凍的過程,在中高緯度和高海拔地區(qū)的低溫生態(tài)系統(tǒng)土壤中比較常見[5].凍融能破壞土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)、改變土壤水分的形態(tài)和水熱傳導(dǎo)速率、引起土壤養(yǎng)分的流失和肥力退化、造成微生物種群和數(shù)量的變化、導(dǎo)致痕量氣體如 N2O、CO2的排放量增加等[5-8].

研究表明,土壤凍融交替過程中 N2O、CO2排放通量增大的情況在不同的生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在,如:高寒草甸[9]、北方針葉林[10]、農(nóng)田[11]、苔原、泥炭地[12]等.凍融期土壤N2O的排放量可占到全年排放總量的 80%以上[13].在全球變暖的背景下,高緯度和高海拔地區(qū)將會(huì)經(jīng)歷更加廣泛、強(qiáng)度更大的凍融循環(huán)[14].日益復(fù)雜的凍融循環(huán)對溫室氣體排放的作用將會(huì)增強(qiáng),從而增加了全球溫室氣體排放估算的不確定性.目前我國對凍融期間溫室氣體排放的研究主要集中于青藏高原區(qū)和東北黑土區(qū),對溫帶草甸草原土壤的研究尚未有相關(guān)報(bào)道.地處內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾草甸草原是我國北方溫帶草原的主體類型之一,也是目前保存完好的草甸草原,面積達(dá)141.90萬hm2,對其凍融期間溫室氣體排放的研究有重大意義.已有研究多以室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)為主,缺乏野外實(shí)際觀測結(jié)果的驗(yàn)證,本文通過室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合野外田間觀測實(shí)驗(yàn),探討我國溫帶草甸草原不同人類活動(dòng)和草場管理措施下不同深度的表層土壤N2O的產(chǎn)生速率與排放通量對于凍融交替周期的長短、頻率、溫差強(qiáng)度等的響應(yīng).

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

呼倫貝爾草原(47°05'～53°20'N,115°31'～126°04'E)位于內(nèi)蒙古東北部,屬于溫帶半干旱大陸性氣候,冬季漫長寒冷,春季降水少、多大風(fēng),蒸發(fā)量大,夏季溫涼而短促,秋季降溫快,霜凍早.年降水量250～400mm,多集中在7、8月份,降水量變率大,分布不均勻,年際變化大,年均溫-3～0

℃,土壤類型主要為黑鈣土或暗栗鈣土,主要植被類型是以貝加爾針茅、羊草、線葉菊等為優(yōu)勢群落的草甸草原[15].呼倫貝爾草原通常每年10月上旬即進(jìn)入冬季直至次年3、4月份甚至5月初,5～6月為春季,7～8月為夏季,8月中旬至 9月為秋季.而3月、4月以及9月中旬～10月上旬多數(shù)日期的日最高氣溫大于 0℃而日最低氣溫小于0℃,草地表層土壤經(jīng)歷凍融過程,為凍融期.本研究選取中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站附近的謝爾塔拉十一隊(duì)貝加爾針茅草甸草原觀測樣地(中心坐標(biāo): 49°21'10"N,120°6'9"E)圍欄內(nèi)、外的草地作為實(shí)驗(yàn)觀測點(diǎn),該樣地于 2006年底圍欄封育,圍封前該區(qū)是當(dāng)?shù)啬撩褡杂煞拍羺^(qū),主要放牧家畜為奶牛,圍封后欄外仍然是自由放牧區(qū).草地植被類型主要是貝加爾針茅＋日蔭菅＋羊草.伴生種及常見種有裂葉蒿、細(xì)葉白頭翁、多裂葉荊芥、囊花鳶尾、扁蓿豆、長柱沙參、細(xì)葉蔥[15].表1為貝加爾針茅草甸草原封育、放牧樣地的土壤參數(shù).

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 室內(nèi)凍融實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、采樣及數(shù)據(jù)計(jì)算為盡量減少土壤空間異質(zhì)性差異,于2013年5月中旬分別在貝加爾針茅封育、放牧樣地采樣箱附近分別選取 25cm×25cm 的樣方,采集深度為20cm的表層原狀土柱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,然后用切片刀,從表層量取到深度15cm處,以3cm為土層高度,從土柱底部分切 5個(gè)土層,共分為 0～3cm、3～6cm、6～9cm、9～12cm、12～15cm 五個(gè)土層,然后用自制的直徑 5cm的不銹鋼柱狀環(huán)刀分別切割成直徑5cm、高3cm的原狀土柱,每個(gè)土層保留3個(gè)重復(fù),圍欄內(nèi)外共計(jì)30個(gè)土柱,隨即稱重,土柱平均重量為75.22g.

表1 貝加爾針茅草甸草原土壤參數(shù)[15]Table 1 Soil parameters of Stipa baicalensis meadow[15]

分別將土柱放入帶有三通閥密封蓋的玻璃培養(yǎng)瓶(平均體積為 360mL)進(jìn)行模擬培養(yǎng),用注射器將實(shí)驗(yàn)站自來水(當(dāng)?shù)氐叵滤?沿瓶壁緩慢加入,保持水面淹過土柱頂部.隨后將玻璃瓶置于調(diào)控好溫度的培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn).根據(jù)設(shè)置在該樣地的土壤溫度探測儀對 2011年 8月至2012年5月的土壤20cm處的連續(xù)觀測記錄顯示,在整個(gè)冬季(10月至次年5月),最低溫度未低于-15℃而最高溫度未高于 10℃,另外結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)研究的溫度設(shè)置,此處凍融點(diǎn)的溫度分別設(shè)置 為:-15℃ → 5 ℃→ -10 ℃→ 5 ℃→ -5℃ →5℃ →-5 ℃→ 10℃,共4對凍結(jié)與融化的溫度節(jié)點(diǎn),依次進(jìn)行循環(huán)培養(yǎng).

實(shí)驗(yàn)土柱分別在每個(gè)溫度下連續(xù)培養(yǎng)7d,氣體采樣時(shí)間為培養(yǎng)后的第2h、8h、12h、24h、3d、7d.為了及時(shí)測定樣品、保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,所有土柱在24h內(nèi)加蓋密閉培養(yǎng),當(dāng)24h樣品采集結(jié)束隨即進(jìn)行開蓋培養(yǎng),培養(yǎng)過程中使土柱始終保持水淹狀態(tài),在培養(yǎng)第3d、7d的采樣時(shí)間前10h開始加蓋密閉培養(yǎng),到預(yù)定時(shí)間進(jìn)行采樣.每次氣體樣品采集結(jié)束后,保證在24h內(nèi)測試完畢, N2O、CO2氣體濃度的測定采用氣相色譜法[16].分析儀器采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的7890Ⅱ型號氣相色譜儀,進(jìn)樣系統(tǒng)由中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣分中心設(shè)計(jì)改造(專利號: ZL92100938.0, ZL96249356.2),儀器內(nèi)裝離子火焰檢測器(FID)和電子捕獲檢測器(ECD),FID用于檢測CO2濃度,工作溫度250℃,載氣為高純 N2,ECD用于檢測 N2O 濃度,工作溫度330℃,載氣為高純 N2.

模擬實(shí)驗(yàn)土壤N2O、CO2產(chǎn)生速率采用以下公式計(jì)算[17]:

式中:ρ為氣體密度;△m和△c分別為△t時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度變化;v為培養(yǎng)瓶內(nèi)有效空間體積(360mL);M為土壤重量.

1.2.2 野外溫室氣體觀測 從2011年8月開始至 2013年 10月進(jìn)行呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)CO2、N2O通量的常規(guī)觀測.觀測方法為靜態(tài)箱-氣相色譜法,采樣箱(暗箱)的截面邊長與高度根據(jù)研究區(qū)域植被的實(shí)際情況而定.樣品的采集利用三通閥和醫(yī)用注射器(60mL)在每個(gè)處理下設(shè)置3～4個(gè)平行重復(fù)采樣.所采集的氣體樣品均在24h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室完成溫室氣體(N2O、CO2)濃度的分析測定.

采樣頻率根據(jù)植物的生長狀況而定,生長季初期為一周一次;進(jìn)入生長旺季,采樣頻率逐步加密至一周2次,進(jìn)入冬季逐漸由每旬一次至每月一次,次年春季由非生長季進(jìn)入生長季,逐步增大采樣頻率.采樣時(shí)間同樣根據(jù)植物的生長狀況和氣候條件而有所不同,通常罩箱時(shí)間的變化為 32～80min,從罩箱初時(shí)到罩箱結(jié)束共采集5次氣體樣品,采樣間隔的變化為 8～20min.將測試氣體濃度通過非線性模型驗(yàn)證后計(jì)算N2O的排放通量.

草地 N2O排放通量的計(jì)算詳見文獻(xiàn)[18].本文選用2012年5月～2013年5月貝加爾針茅封育、放牧樣地的N2O通量數(shù)據(jù)研究凍融期間N2O的排放情況.

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 本文主要模擬研究凍融對土壤N2O產(chǎn)生速率以及排放通量的影響,由于土壤N2O的產(chǎn)生主要由土壤微生物的硝化與反硝化作用產(chǎn)生,因此本研究也同時(shí)分析了 CO2產(chǎn)生速率以研究凍融期間土壤呼吸速率的變化情況,從而進(jìn)一步地驗(yàn)證凍融對土壤N2O產(chǎn)生與排放的影響規(guī)律.本研究的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析主要采用可重復(fù)單因變量雙因素方差分析(LSD方法).數(shù)據(jù)分析在 SPSS 20.0 軟件中完成;圖表在Origin 8.0中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層和凍融時(shí)間對土壤N2O產(chǎn)生速率的影響

對于土層和時(shí)間的雙因素方差分析結(jié)果表明,0～3cm、3～6cm土層與其余 3個(gè)土層之間的N2O產(chǎn)生速率存在顯著差異,下部 3個(gè)土層的N2O通量差異較少.由5個(gè)土層各自在整個(gè)凍融循環(huán)期間欄內(nèi)、欄外N2O產(chǎn)生速率的均值可知,5個(gè)土層從上到下N2O產(chǎn)生速率逐漸減少,5個(gè)土層 N2O的產(chǎn)生速率占總產(chǎn)生量的比例分別為27%、22%、21%、15%、15%(表2),這可能與呼倫貝爾草地土壤微生物碳、氮含量和土壤微生物數(shù)量均以表層最高,且隨著土層深度增加而降低

[19]有關(guān).有研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)期間觀測到的N2O排放主要源于頂部5cm凍結(jié)土壤[20],蒙古高原的凍融日循環(huán)主要發(fā)生在表層 0～5cm[7].由此可以推斷,凍融循環(huán)主要發(fā)生在表層土壤,觀測到的N2O 排放高峰主要來自表層土壤.

表2 5個(gè)土層凍融期間N2O產(chǎn)生速率的平均值和占總產(chǎn)生量的百分比Table 2 The mean N2O production rates of 5layers during soil freezing-thawing and their contribution to the total production

方差分析結(jié)果表明,2h與其他培養(yǎng)時(shí)間長度N2O產(chǎn)生速率均存在顯著差異.結(jié)合整個(gè)凍融過程中欄內(nèi)、外土壤在各培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)的N2O、CO2產(chǎn)生速率的均值(圖1)可以看出凍結(jié)、融化2h后的N2O、CO2產(chǎn)生速率值均為凍、融期間的最高值,而凍結(jié)2h后的N2O、CO2產(chǎn)生速率又大于進(jìn)入融化2h后的.凍結(jié)或融化后大量微生物和根系死亡,死亡生物細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放為殘余微生物提供了豐富的營養(yǎng)底物,而且刺激了存活微生物的活性,導(dǎo)致 N2O 排放高峰值的短暫出現(xiàn).Muller[21]的研究表明:微生物作用是造成土壤凍融過程中N2O高排放量的主要原因,而CO2與N2O的變動(dòng)趨勢一致,證明了土壤微生物的反硝化作用是N2O產(chǎn)生的主要原因.而冰膜的存在阻礙了凍結(jié)在土壤團(tuán)聚體中的N2O的釋放,這也是N2O 產(chǎn)生高峰值的重要原因[11,21].經(jīng)過凍結(jié)或融化 2h后 N2O產(chǎn)生速率的高峰值后,培養(yǎng)至 8h時(shí),N2O的產(chǎn)生速率迅速降低,CO2產(chǎn)生速率的同步降低表明土壤中微生物的呼吸作用極為微弱,可能是由于凍結(jié)或融化造成了大量的微生物活性降低,前期峰值的產(chǎn)生所導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分的過度消耗,也可能是導(dǎo)致其后N2O的產(chǎn)生速率減小的原因.8h～7d凍融期間,N2O產(chǎn)生速率的變化趨勢與CO2的變化一致,證明微生物活性的變化影響著N2O的產(chǎn)生速率.

融化期間各土層和采樣時(shí)間點(diǎn)N2O產(chǎn)生速率的顯著差異比凍結(jié)期間大,即融化更能引起N2O排放的差異.融化期間土壤的總礦化作用高,N2O的排放達(dá)到高峰值[21].融化比凍結(jié)更能刺激微生物的活性,融化期間封凍在土壤團(tuán)聚體內(nèi)的N2O釋放是不均衡的,因而導(dǎo)致了各土層和時(shí)間點(diǎn)更多的 N2O通量差異.因此土壤融化期間N2O產(chǎn)生速率的波動(dòng)性更大.

圖1 整個(gè)凍融過程中土壤N2O、CO2產(chǎn)生速率的均值Fig.1 Mean N2O & CO2production rates from the soil during the whole process of freezing-thawing

2.2 凍融循環(huán)對不同草場管理措施(放牧與封育)下草原土壤N2O產(chǎn)生速率的影響

將每個(gè)溫度下 0～12h內(nèi)的培養(yǎng)設(shè)為短期凍結(jié)或短期融化,12h～7d設(shè)為長期凍結(jié)或長期融化,分別模擬深秋初冬時(shí)的晝夜溫差較大所引起的凍融交替以及初春時(shí)節(jié)因氣候條件不穩(wěn)所產(chǎn)生的相對長時(shí)間的凍融交替過程.圖2為欄內(nèi)封育、欄外放牧4次長期與短期凍融期間N2O產(chǎn)生量.可以發(fā)現(xiàn)4次凍融循環(huán)中封育土壤的N2O產(chǎn)生量大于放牧土壤,結(jié)合表1貝加爾針茅草原的土壤參數(shù),欄內(nèi)封育土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)含量均高于欄外放牧土壤.由此可知凍融期間N2O的排放量與土壤自身的 C、N含量密切相關(guān),土壤有機(jī)質(zhì)是土壤呼吸的主要碳源[22].對錫林河流域草原CO2、N2O的排放與土壤有機(jī)碳、全 N含量、C/N值相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn),CO2、N2O 排放通量與有機(jī)碳含量、C/N值呈正相關(guān)[23].已有研究表明,一次和多次凍融下科爾沁沙地沙質(zhì)草地、樟子松疏林草地和農(nóng)田的土壤呼吸速率與未發(fā)生凍融作用時(shí)三者的大小排序一致,說明土地利用方式對凍融環(huán)境下的土壤呼吸有顯著影響[23].上文的方差分析結(jié)果也表明,欄外凍融期間各時(shí)間點(diǎn)、各土層之間N2O排放通量的顯著差異比欄內(nèi)更多.欄外放牧活動(dòng)導(dǎo)致了牲畜排泄物的輸入,有利于土壤微生物反硝化作用的發(fā)生,促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生速率,但是牲畜的踐踏也改變了土壤結(jié)構(gòu),使土壤表層緊實(shí)度增加,阻礙了氣體向外排放,因而觀測到放牧草原土壤N2O排放較低的現(xiàn)象[17].因此放牧改變了欄外土壤各土層之間物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和微生物活性自上而下的漸變性,各土層之間的差異增大,由此造成了凍融循環(huán)期間 N2O排放通量的一系列顯著性差異.

圖2 欄內(nèi)外4次凍融期間土壤N2O的產(chǎn)生量Fig.2 N2O Production inside and outside the fence during different cycles of freezing-thawing

圖2也表明:不論管理措施的影響,欄內(nèi)外的土壤在長期的凍結(jié)與融化過程中都保持著產(chǎn)生 N2O的能力.由于本研究的模擬培養(yǎng)更多地考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件下冰雪覆蓋、融化后所產(chǎn)生的水淹狀況,未考慮風(fēng)蝕與蒸發(fā)對土壤水分含量的影響.在此情況下土壤微生物主要以反硝化作用產(chǎn)生N2O,而且這種作用效率在不同溫差的循環(huán)凍結(jié)過程中變化并不明顯,證實(shí)了在冬季長期的凍結(jié)過程中,土壤微生物的反硝化作用所產(chǎn)生的N2O因冰雪阻礙而有可能儲(chǔ)存于土壤的空隙之中,為日后N2O的適時(shí)排放峰值的產(chǎn)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ).

圖3 欄內(nèi)外4次凍結(jié)與融化期間CO2產(chǎn)生速率的均值Fig.3 Mean CO2production rates inside and outside the fence during 4times freezing-thawing cycles

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,N2O的產(chǎn)生速率呈下降趨勢.這與其他研究一致,土壤N2O排放量的增量隨著凍融次數(shù)的增加而減小[25-26];培養(yǎng)自德國和瑞典采樣點(diǎn)的土塊融化后第一個(gè)星期N2O的排放速率增加了100倍,在接下來兩個(gè)連續(xù)的凍融循環(huán)后有下降[11].圖3為欄內(nèi)外4次凍結(jié)與融化期間CO2產(chǎn)生速率的均值,可知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,土壤呼吸速率呈逐漸降低的趨勢,這也進(jìn)一步表明相關(guān)土壤微生物生物活性的降低.隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行土壤中的有機(jī)質(zhì)含量減少,微生物數(shù)量減少,微生物對凍融環(huán)境產(chǎn)生了適應(yīng)性[27],微生物活性降低,N2O的排放量減少.本研究中4次凍融循環(huán)的溫差分別為20、15、10、15℃,研究結(jié)果顯示溫差越大,N2O產(chǎn)生速率越大,可以推測N2O的產(chǎn)生速率隨凍融次數(shù)減少的原因也可能與溫差不斷減小有關(guān).

對于圍欄內(nèi)外凍融期間N2O產(chǎn)生量來說,每個(gè)凍融循環(huán)中:長期融化>長期凍結(jié)>短期凍結(jié)>短期融化(圖2).而貝加爾針茅草地土壤長期、短期凍結(jié)與融化N2O產(chǎn)生速率的平均值為:短期凍結(jié)[0.0041μg/(g?h)]>短期融化[0.0020μg/(g?h)]>長期融化[0.0019μg/(g?h)]>長期凍結(jié)[0.0006μg/(g?h)].短期凍融期間 N2O產(chǎn)生速率的均值高,長期凍融期間N2O排放總量大.以短期的凍融變化模擬秋季的晝夜凍融交替過程,而長期凍融試驗(yàn)則模擬季節(jié)性的凍融過程,也即晝夜凍融過程會(huì)導(dǎo)致N2O產(chǎn)生速率的高峰值,季節(jié)性春融期間則存在N2O排放總量較大的現(xiàn)象.對內(nèi)蒙古溫帶草原陸地生態(tài)系統(tǒng)的日變化觀測表明,溫度是影響N2O通量日變化的關(guān)鍵因素,夜間溫度變化導(dǎo)致的 N2O排放量占到日排放總量的 46%以上[18].由上文對不同凍融時(shí)間長度的分析結(jié)果可知,凍結(jié)和融化2h后N2O的產(chǎn)生速率分別為凍、融期間的最高值,溫度變化引起的土壤凍融能在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)N2O的排放高峰.有研究估算每年春季融化期間有占年排放量6%～21%的N2O從農(nóng)業(yè)用地的表層土壤排放[28].對德國棕色森林土壤的研究發(fā)現(xiàn)春季土壤融化所釋放的N2O約占全年總釋放量的30%[29].因此冬春與秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)化時(shí)的凍融現(xiàn)象對于土壤N2O的排放通量的影響值得進(jìn)一步的關(guān)注與研究.

2.3 不同的溫差在凍融循環(huán)過程中對N2O產(chǎn)生速率的影響

由圖4在相同和不同的溫差培養(yǎng)條件下欄內(nèi)外測試的5個(gè)土層N2O產(chǎn)生速率的均值(所列出的溫差先后是按照凍融循環(huán)溫度設(shè)置的次序),可知融凍、凍融期間相同溫差下,N2O的產(chǎn)生速率隨著培養(yǎng)次數(shù)的增加而減弱;凍融期間不同溫差下N2O的產(chǎn)生速率隨著溫差的減小而減弱.相同溫差下,凍融后期 N2O的產(chǎn)生速率小于凍融初期,是因?yàn)橥寥繡、N等有機(jī)物質(zhì)和微生物的數(shù)量隨著凍融循環(huán)進(jìn)行而減少,在凍融循環(huán)的后期,土壤中可供微生物分解利用的營養(yǎng)底物含量下降,微生物的呼吸作用減弱.對北方闊葉林糖楓和黃樺樹林下土壤的的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明強(qiáng)凍(-13℃)刺激土壤N2O的產(chǎn)生、提高土壤的礦化速率,而弱凍(-3℃)的影響效果很小,這是因?yàn)槲⑸锞哂腥苜|(zhì)積累的能力,能降低凝固點(diǎn),從而能夠抵抗弱凍[10].對挪威云杉林土壤在 3種凍結(jié)溫度條件下(-3℃,-8℃和-13℃)的凍融循環(huán)模擬結(jié)果表明,經(jīng)過-13℃強(qiáng)凍處理的土壤在凍融循環(huán)過程中排放的N2O顯著高于-3℃和-8℃處理[30].本文觀測到培養(yǎng)期間的溫差越大,N2O產(chǎn)生速率越大,可能是因?yàn)閺?qiáng)烈的凍結(jié)導(dǎo)致更多的微生物死亡,釋放出更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)供殘余微生物利用,增強(qiáng)了微生物的厭氧呼吸作用,在融化期間 N2O的排放量也會(huì)更大,但是從高到低不同的溫差培養(yǎng)條件下,土壤中的有機(jī)質(zhì)和微生物等的數(shù)量也逐漸減少.

圖4 溫差對土壤N2O產(chǎn)生速率均值的影響Fig.4 Effect of temperature differences on mean N2O production rates from the soil

2.4 田間觀測實(shí)驗(yàn)中凍融對土壤N2O排放通量的影響

自2011年8月開始一直堅(jiān)持開展野外實(shí)驗(yàn),由于當(dāng)?shù)貧夂蚝?冬季漫長,深冬季節(jié)大雪封路無法開展田間原位觀測,因此冬季野外最后的觀測能堅(jiān)持到12月中下旬,最冷的深冬季節(jié)的N2O通量值無法獲取.本研究中計(jì)算的年排放總量,是基于觀測期已有的田間觀測數(shù)據(jù)用時(shí)間加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算,以觀測期間的累積排放總量獲得實(shí)際觀測期間的平均排放通量,然后將計(jì)算所得的平均排放通量外推計(jì)算年排放總量.通常年份中3～4月和9月中旬～10月為春融、秋凍時(shí)期,2013年的氣候特征與往年不同,整個(gè)3月份,最高氣溫幾乎均未到 0℃,土壤不存在融化的條件,因此我們自2013年4月開始進(jìn)行春融期間的加密實(shí)驗(yàn)觀測.分別將2012年10月和2013年4月作為秋冬、冬春凍融時(shí)期,考察凍融環(huán)境下N2O的排放情況.2012年10月份的采樣頻率較少,在10月4日、10月11日、10月23日共采樣3次;2013年4月份的采樣頻率為一周兩次,共采樣8次.秋凍、春融期間的采樣頻率相差較大,可能會(huì)對觀測結(jié)果產(chǎn)生一定影響.本文以2012年5月～2013年 5月作為一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)觀測年,計(jì)算貝加爾針茅草甸草原,在不同人類活動(dòng)影響下土壤N2O排放通量對凍融交替現(xiàn)象的實(shí)際響應(yīng).

2012年5 月～2013年5月凍融期間的排放量、年排放量及凍融期間占年排放的百分比見表3.可知2012年5月至2013年5月貝加爾針茅放牧樣地的 N2O年排放量大于封育樣地;封育樣地凍融期間(春季凍融+秋季凍融)的 N2O排放量及占全年的比例(25.09%)均大于放牧樣地(12.38%);春季凍融期間放牧、封育樣地的N2O排放量均大于秋季,呼倫貝爾草原春季天氣多變,土壤凍融頻繁,秋季降溫快、霜凍早,春季土壤經(jīng)歷凍融的時(shí)間大于秋季,故 N2O排放量大于秋季.

表3 2012～2013年貝加爾針茅草地N2O凍融期間及年排放量及所占比例Table 3 Freezing-thawing and annual N2O emission from Stipa baicalensis meadow steppe in 2012～2013and their contribution to the total emissions

杜睿等[17]2001年對內(nèi)蒙古典型草原土壤的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,放牧行為降低了草原土壤N2O的產(chǎn)生速率,Wolf等[31]研究表明長期觀測顯示適度的放牧可以減少草原土壤N2O的排放通量.Liu等[32]對內(nèi)蒙古草原封育和放牧羊草草原2年的觀測結(jié)果顯示放牧行為抑制了N2O的產(chǎn)生.本研究2012～2013年貝加爾針茅草原室內(nèi)凍融模擬顯示封育土壤的N2O產(chǎn)生速率大于放牧土壤,同期的野外觀測表明凍融期間N2O排放量為封育樣地(0.17kg N/hm2)>放牧樣地(0.1kg N/hm2),但是從觀測期的年排放總量發(fā)現(xiàn):放牧土壤的N2O排放量大于封育土壤.凍融期間欄內(nèi)封育土壤由于長期凋落物有機(jī)質(zhì)的回歸使其營養(yǎng)成分相對偏高,因而N2O的排放量大于放牧土壤.王艷芬[33]關(guān)于人類活動(dòng)對內(nèi)蒙古草原溫室氣體排放的研究認(rèn)為,放牧對草原N2O排放通量影響顯著,通量大小依次是:輕度放牧<圍欄封育<中度放牧<重度放牧;對羊草草原及大針茅草原的研究表明:不同放牧強(qiáng)度下土壤微生物數(shù)量變化的趨勢為輕度放牧<圍欄封育<中度放牧<重度放牧,放牧條件下土壤-植被系統(tǒng)排放N2O的能力的變化與土壤微生物數(shù)量變化非常一致,由于當(dāng)前草場多為中、重度放牧,因此可認(rèn)為放牧行為增加了N2O的排放.青藏高原冬牧場凍融期(2012年4月)N2O的累計(jì)排放通量占全年的 13%[9],貝加爾針茅草原封育樣地2013年4月春融期間,N2O排放量占全年的23.7%.不同的野外觀測實(shí)驗(yàn)關(guān)于放牧對 N2O排放通量的影響及凍融期間 N2O排放量占全年的比例大小不同,是由于觀測的時(shí)間、土壤類型、植被以及氣候等因素不同造成的.

3 結(jié)論

3.1 呼倫貝爾草甸草原土壤在凍融環(huán)境下各土層、各時(shí)間點(diǎn)的N2O產(chǎn)生是不均衡的.上層(0～9cm)土壤 N2O的產(chǎn)生量占實(shí)驗(yàn)測試表層土壤(0～15cm)總產(chǎn)生量的70%,凍融初期2h后N2O的產(chǎn)生速率最高.融化更能引起不同土層N2O排放的差異,人類的放牧活動(dòng)也使凍融期間的N2O排放更加復(fù)雜.

3.2 凍融期間,溫差相同的情況下,隨土壤經(jīng)歷的凍融次數(shù)的增多,N2O產(chǎn)生速率減小;N2O的產(chǎn)生速率隨著凍融溫差的變小而減少,其中可能包含著土壤有機(jī)質(zhì)和微生物等不斷減少的因素.

3.3 盡管室內(nèi)模擬和野外觀測都顯示凍融期間封育樣地的N2O排放量及其在全年排放量中所占的比例均大于放牧樣地,但從年排放量上來看放牧行為還是促進(jìn)了草地作為N2O源的功能.

3.4 室內(nèi)模擬和野外觀測表明,春融期間 N2O排放量是整個(gè)凍融期間N2O排放的主要貢獻(xiàn)者.應(yīng)該加強(qiáng)對凍融期間N2O田間排放通量的觀測,進(jìn)一步探究影響春融、秋凍期間N2O排放的規(guī)律及其影響因素.

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致謝：感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原站的所有工作人員在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間所提供的熱心幫助.

Effect of freezing-thawing cycles on N2O fluxes from temperate Stipa baicalensis meadow grassland soils in Inner

Mongolia

QIN Sai-sai1,2, ZHAI Qiu-min2, DU Rui1*, LIANG Zong-min1, DU Peng-rui1, LU Ze-dong1, LI Zi-ming1,3

(1.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2.College of Environmental and Planning, Henan University, Kaifeng 475000, China；3.Beijing Meteorological Bureau, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2334～2341

In this paper we combined the laboratory simulation tests with field experiments of greenhouse gas fluxes, and analyzed the effects of different soil layers, grazing and fencing, long-term and short-term freezing-thawing, different frequency and intensity of freezing-thawing on soil N2O production rate and emission flux in Hulunbuir meadow grassland in Inner Mongolia. During freezing and thawing, the N2O productions mainly came from topsoil of 0to 9cm depth, and gradually reduced from the surface down to depth of 15cm soil. The N2O emissions decreased with lowing temperature differences. Under the situation of the same temperature differences, the N2O emissions decreased with increasing freezing-thawing frequencies. During the freezing-thawing cycle, N2O fluxes of fenced plot were greater than that of grazing plot, contributing to 25.09% of annual N2O emissions, while the contribution is about 12.38% for grazing plot. However from the annual time scale, the grazing increased the annual total N2O emissions. Early spring thawing was the largest contributors to the N2O emission during the whole period of freezing-thawing cycles.

freezing-thawing；temperate Stipa baicalensis meadow；N2O flux

X511

A

1000-6923(2014)09-2334-08

秦賽賽(1988-),女,河南鄭州人,河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院碩士研究生,主要從事凍融影響草地土壤溫室氣體排放的研究.

2013-11-30

中國戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)—應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題(XDA05020401)

* 責(zé)任作者, 副教授, ruidu@ucas.ac.cn