高寒草甸土壤CO2和N2O釋放對(duì)C、P添加的響應(yīng)

王冬雪，王平

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都　610041)

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高寒草甸土壤CO2和N2O釋放對(duì)C、P添加的響應(yīng)

王冬雪1,2，王平1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都610041)

摘要：【目的】 探明碳、磷輸入對(duì)土壤CO2和N2O排放的影響.【方法】 以青藏高原高寒草甸土壤為研究對(duì)象，采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，設(shè)置3個(gè)處理(C：碳添加；P：磷添加；CP：碳磷共同添加)和1個(gè)對(duì)照(CK)，研究了碳、磷單獨(dú)添加以及共同添加對(duì)高寒草甸土壤CO2和N2O釋放的影響.【結(jié)果】 碳素單獨(dú)添加或碳、磷共同添加均顯著增加了高寒草甸土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的含量，而磷素單獨(dú)添加對(duì)其影響不顯著；碳素單獨(dú)添加或碳、磷共同添加均顯著增加了高寒草甸土壤CO2和N2O的釋放量，而磷素單獨(dú)添加對(duì)其影響不顯著；高寒草甸土壤CO2釋放量與土壤DOC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；高寒草甸土壤N2O的產(chǎn)生過程以反硝化作用為主.【結(jié)論】 不同處理CO2和N2O的全球增溫潛能(GWP)由大至小順序?yàn)椋篊P>C>P>CK.

關(guān)鍵詞：青藏高原；高寒草甸；MBC；DOC；溫室氣體；全球增溫潛能

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，人類向土壤中輸入的碳、氮和磷越來(lái)越多，已經(jīng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的影響[1].目前，氮素輸入引起的土壤碳氮生物地球循環(huán)改變已受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也相繼展開了一系列有關(guān)氮沉降對(duì)土壤影響的研究[2-5]，但對(duì)碳、磷輸入的研究相對(duì)較少，僅有的研究大多集中在農(nóng)田，森林和溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)[6-12]，而對(duì)青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究還比較薄弱.

青藏高原是世界上最大的高海拔地區(qū)，被喻為世界的“第三極”，處于全球變化的敏感地帶，對(duì)亞洲乃至全球的氣候變化都有極為明顯的影響[13].高寒草甸作為青藏高原分布最廣泛的植被類型之一，分布面積為1.2×106km2，極具代表性[14].然而，目前有關(guān)碳、氮和磷輸入對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究還較少，僅有的研究主要集中在氮素輸入對(duì)土壤溫室氣體釋放的影響[15]，鮮有針對(duì)碳、磷共同輸入對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體釋放影響的研究.本文針對(duì)目前外源碳、磷輸入對(duì)青藏高原高寒草甸土壤影響研究不足的現(xiàn)狀，擬通過室內(nèi)培養(yǎng)研究高寒草甸土壤CO2和N2O釋放對(duì)碳、磷單獨(dú)輸入以及碳、磷共同輸入的響應(yīng)，以期為制定高寒草地生態(tài)恢復(fù)的適應(yīng)性管理政策提供科學(xué)依據(jù).

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

室內(nèi)培養(yǎng)土壤采自紅原縣(N 33°03′,E 102°36′)，該區(qū)位于青藏高原東部，海拔3 462 m，主要土壤類型為高寒草甸土壤，其土壤基本性狀見表1.當(dāng)?shù)厥菄?yán)格的大陸性高原氣候，日溫差較大，年平均氣溫1.1 ℃，沒有絕對(duì)無(wú)霜期.月平均氣溫最高的月份是7月，約為10.9 ℃；月平均氣溫最低的月份是1月，約為-10.3 ℃.年平均降水量752 mm，其中86%左右集中在5(9月，年均蒸發(fā)量1 263 mm，年均濕度60%～70%，年均日照時(shí)間2 159 h，年均太陽(yáng)輻射6 194 MJ/m2.

表1　研究區(qū)高寒草甸土壤理化性質(zhì)

1.2樣品采集和處理

供試土樣采于2012年8月，采樣時(shí)，選擇典型的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)，隨機(jī)設(shè)置10 m×10 m樣方4個(gè)，在每個(gè)樣方內(nèi)，用直徑為7 cm的土鉆隨機(jī)采集0～15 cm表層土壤，每個(gè)樣方采10鉆，每個(gè)樣方所采土樣混合作為一個(gè)復(fù)合樣品.采集土樣前，用剪刀齊地面剪除植物地上部分，采集的土壤樣品在室溫下風(fēng)干并剔除土樣中殘留的根茬等.然后進(jìn)行研磨并過2 mm篩，充分混勻，儲(chǔ)存在4 ℃下備用.

1.3實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)

準(zhǔn)備帶有橡膠塞的275ml玻璃廣口瓶12個(gè)進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng).培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置碳素添加、磷素添加以及碳、磷同時(shí)添加3個(gè)添加處理和1個(gè)對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù).根據(jù)國(guó)內(nèi)外的一些研究及其結(jié)果[16]，結(jié)合所研究的青藏高原高寒草甸的實(shí)際情況，設(shè)置3個(gè)添加處理的試劑用量分別為：C，葡萄糖添加量為2 000 mg/kg ；P，NaH2PO4添加量為40 mg/kg；CP，碳、磷同時(shí)添加 (葡萄糖添加量為2 000 mg/kg和 NaH2PO4添加量為 40 mg/kg.培養(yǎng)時(shí)將30 g風(fēng)干土樣裝入培養(yǎng)瓶中，分別添加試劑并調(diào)節(jié)土壤含水量至土壤持水能力(WHC)的60%，然后將12個(gè)敞口培養(yǎng)瓶隨機(jī)擺放在培養(yǎng)箱中，在10 ℃黑暗條件下培養(yǎng)45 d，培養(yǎng)過程中保持土壤含水量恒定.

1.4樣品采集與分析

在培養(yǎng)第1、3、6、10、15、20、25、30、35、40、45天定時(shí)進(jìn)行采氣，采集氣樣時(shí)塞上安有三通閥的橡膠塞，立刻使用氣密注射器依次從每個(gè)培養(yǎng)瓶中抽取10 mL氣體樣品，關(guān)閉三通閥，密閉2 h后再使用另一批氣密注射器依次從每個(gè)培養(yǎng)瓶中抽取10 mL氣體樣品，采樣結(jié)束取下橡膠塞.所采氣體樣品均在24 h內(nèi)使用氣相色譜儀(Agilent 7890A)測(cè)定.在培養(yǎng)第45天采集土樣，使用流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer3)分析土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)、硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)含量，采用氯仿熏蒸-提取測(cè)定土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN).

1.5計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

CO2和N2O釋放速率由密閉2 h前后的氣體濃度差得出，公式如下[17]：

式中：F指CO2或N2O的排放速率(mg/kg/h或μg/kg/h)；ρ代表CO2或N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度；ΔC指密閉2h前后CO2或N2O的濃度差(mg/L)； V指培養(yǎng)瓶的體積(mL)；T代表培養(yǎng)溫度(℃)；W代表培養(yǎng)土壤干質(zhì)量(kg).

目前普遍使用的N2O不同尺度上的增溫潛能采用2001年的IPCC標(biāo)準(zhǔn)，公式如下[18]：

式中：TH指積分時(shí)間范圍，一般取20a、100a、500a；RFx和RFCO2分別表示溫室氣體x和參考?xì)怏wCO2的輻射強(qiáng)迫；ax和aCO2分別表示溫室氣體x和參考?xì)怏wCO2的輻射效率；x(t)和r(t)分別表示溫室氣體x和參考?xì)怏wCO2的時(shí)間響應(yīng)函數(shù).計(jì)算得到在20a時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量N2O的GWP為CO2的275倍；在100a時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量N2O的GWP分別為CO2的298倍；在500a時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量N2O的GWP分別為CO2的156倍.

1.6數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析均在MicrosoftExcel2007和SPSS19.0上進(jìn)行，不同處理間的差異顯著性水平采用Duncan法進(jìn)行檢驗(yàn).

2結(jié)果與分析

2.1碳、磷添加對(duì)土壤性質(zhì)的影響

2.1.1碳、磷添加對(duì)土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的影響土壤是大氣溫室氣體的重要源和匯，土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的含量對(duì)CO2和N2O釋放有重要影響，碳、磷添加對(duì)高寒草甸土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的影響見表2.

由表2可見，C處理和CP處理顯著(P<0.05)增加了土壤DOC含量，且CP處理土壤DOC含量顯著(P<0.05)高于C處理，而P處理土壤DOC含量沒有顯著變化，說(shuō)明，添加磷素有利于提高碳素對(duì)高寒草甸土壤DOC含量的影響，而磷素本身對(duì)高寒草甸土壤DOC含量沒有影響.同時(shí)，與CK相比，C處理和CP處理土壤NO3--N和NH4+-N含量均顯著(P<0.05)降低，而P處理中土壤NO3--N和NH4+-N含量沒有顯著不同，在Wrage等[18]的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象.

表2　不同處理的土壤性質(zhì)

同列數(shù)據(jù)肩標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05).

2.1.2碳、磷添加對(duì)土壤MBC和MBN的影響土壤微生物生物量碳(MBC)是土壤有機(jī)碳的靈敏指示因子，其作為土壤生物學(xué)指標(biāo)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究[20-21].土壤微生物生物量氮(MBN)可以反映微生物的活性及微生物利用氮源的能力，碳、磷添加對(duì)高寒草甸土壤MBC和MBN含量的影響見圖1.

由圖1可見，與CK相比，C處理和CP處理土壤MBC含量和MBN含量均顯著(P<0.05)增加，而P處理土壤MBC含量和MBN含量沒有明顯變化，李春越等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，添加磷素對(duì)微生物碳的影響極其微弱而添加碳素對(duì)微生物碳有很大影響，也就是說(shuō)碳素更能活化土壤中的微生物活性[23].

2.2碳、磷添加對(duì)土壤CO2釋放的影響

2.2.1碳、磷添加對(duì)CO2釋放速率和累積釋放量的影響研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)初期，添加碳素顯著增加了CO2的釋放速率(圖2).對(duì)于C處理，CO2最大釋放速率出現(xiàn)在第1天，隨后顯著減少，培養(yǎng)15 d后，CO2排放速率減小較慢，并趨于穩(wěn)定，CP處理呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，而CK和P處理CO2始終呈緩慢下降趨勢(shì)(圖2).

圖1　不同處理土壤MBC和MBN的含量Fig.1　Soil concentration of MBC and MBN under different treatments

圖2　土壤CO2釋放速率及累積釋放量Fig.2　Soil CO2 flux and cumulative CO2 emission

經(jīng)過45 d的培養(yǎng)，CK、C、P和CP處理CO2累積釋放量分別為1.05、4.88、1.08、5.39 g/kg.與CK相比，C處理CO2累積釋放量增加了78.48%，CP處理CO2累積釋放量增加了80.52%，C處理和CP處理與CK之間均有顯著差異(P<0.05)，而P處理與CK之間沒有顯著差異，這與Aerts和Toet[16]的研究結(jié)果一致，然而有研究表明，磷素添加促進(jìn)了CO2的釋放[24]，同時(shí)也有研究表明磷素添加抑制了CO2的釋放[25]，這可能與所研究的土壤性質(zhì)不同有關(guān)，但同時(shí)也說(shuō)明，關(guān)于磷素添加對(duì)土壤CO2釋放的影響還有待進(jìn)一步研究.

2.2.2CO2排放與土壤DOC含量的關(guān)系作為土壤微生物呼吸作用的底物，土壤DOC含量影響土壤微生物呼吸釋放的CO2量.各處理土壤DOC和CO2的累積釋放量的相關(guān)性，見圖3.

高寒草甸土壤的CO2累積釋放量與土壤DOC含量之間相關(guān)系數(shù)為0.848 7，二者具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(圖3).說(shuō)明土壤DOC含量可能是衡量高寒草甸土壤釋放CO2能力的一個(gè)有用而重要的指標(biāo)[17].本試驗(yàn)中添加碳素后，土壤DOC含量發(fā)生了一定程度的變化，可在一定程度上解釋土壤釋放CO2對(duì)碳素添加的響應(yīng)模式.本研究表明：至少在短期內(nèi)碳素添加會(huì)促進(jìn)高寒草甸土壤CO2的釋放，從而增加CO2排放量.

圖3　CO2累積排放量和土壤DOC含量的關(guān)系Fig.3　The relationship between CO2 emission and the concentration of DOC

2.3碳、磷添加對(duì)土壤N2O釋放的影響

2.3.1碳、磷添加對(duì)N2O釋放速率和累積釋放量的影響研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)初期，添加碳素顯著增加了N2O的釋放速率(圖4).對(duì)于C處理，N2O最大釋放速率出現(xiàn)在第1天，隨后顯著減少，培養(yǎng)3 d后，N2O釋放速率趨于穩(wěn)定，CP處理呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，而CK和P處理N2O釋放速率在整個(gè)培養(yǎng)期間均呈緩慢變化趨勢(shì)(圖4).培養(yǎng)前3 d，N2O釋放速率較大，這可能與土壤中作為微生物分解底物的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較豐富有關(guān)，隨著分解底物的減少和土壤理化性質(zhì)逐漸變化，從培養(yǎng)第3天開始，所有處理的N2O釋放速率較小并趨于穩(wěn)定(圖4).

經(jīng)過45 d的培養(yǎng)，CK、C、P和CP處理的N2O累積釋放量分別為7.80、15.78、8.95和17.85 mg/kg.與CK相比，C處理的N2O累積釋放量增加了50.57%，CP處理的N2O累積釋放量增加了56.30%，而P處理N2O累積釋放量沒有顯著變化，這可能因?yàn)樘砑犹妓貫榉聪趸?xì)菌提供了足夠的能源，促進(jìn)了反硝化細(xì)菌的活動(dòng)[26].C處理和CP處理與CK之間均有顯著差異，而P處理與CK之間沒有顯著差異(圖4)，說(shuō)明磷素不是限制高寒草甸土壤N2O釋放的關(guān)鍵因子.

圖4　土壤N2O釋放速率及累積釋放量Fig.4　Soil N2O flux and cumulative N2O emission

2.3.2N2O排放與土壤NO3--N和NH4+-N的關(guān)系土壤N2O是微生物參與分解的硝化反硝化作用的產(chǎn)物，土壤的硝化作用與反硝化作用是大氣中N2O的主要產(chǎn)生機(jī)制[27].為了確定高寒草甸土壤N2O的主要來(lái)源，分析了各處理土壤NO3--N、NH4+-N和N2O的累積釋放量的相關(guān)性，見圖5.

圖5顯示，高寒草甸土壤N2O累積釋放量與土壤NO3--N含量的相關(guān)系數(shù)是0.781 0，二者之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，N2O累積釋放量與土壤NH4+-N含量無(wú)明顯關(guān)系.說(shuō)明高寒草甸土壤反硝化作用大于硝化作用，該土壤排放到大氣中的N2O主要來(lái)自反硝化細(xì)菌對(duì)土壤中硝態(tài)氮的分解過程，與已有研究結(jié)果一致[28].

2.4添加碳、磷土壤釋放CO2和N2O的增溫潛能

若以CO2累積排放量1 mg/kg土壤的GWP為1，可計(jì)算出添加碳、磷后土壤釋放CO2和N2O在不同時(shí)間尺度上的全球增溫潛能GWP(表3).

圖5　N2O累積排放量和土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的關(guān)系Fig.5　The relationship between N2O emission and the concentration of NH4+-N or NO3--N

表3顯示，C處理和CP處理在不同時(shí)間尺度上的GWP均顯著高于CK (P<0.05)，同一時(shí)間尺度上，C處理和CP處理的GWP顯著高于CK和P處理(P<0.05)，但P處理和CK的GWP在不同時(shí)間尺度上的差異均不顯著.所有處理在100 a時(shí)間尺度上的GWP最大，在500 a時(shí)間尺度上的GWP最小.這是因?yàn)镃O2在大氣中可平均存留200 a左右，而N2O可平均存留150 a左右，只有在長(zhǎng)期條件下，由于自然分解破壞機(jī)制的存在，GWP才會(huì)被削弱.CK、C、P和CP處理在100 a時(shí)間尺度上的的GWP較在20 a時(shí)間尺度上的GWP分別增加了5.31%、3.76%、5.49%和4.45%；在500 a時(shí)間尺度上的GWP較在100 a時(shí)間尺度上的GWP則分別減少了32.79%、23.38%、33.88%和23.66%.在20 a時(shí)間尺度上，C、P和CP各處理的GWP分別是CK的2.88倍、1.11倍和3.22倍；在100 a時(shí)間尺度上，分別是CK的2.84倍、1.11倍和3.17倍；在500 a時(shí)間尺度上，分別是CK的3.23倍、1.09倍和3.60倍，這可以為高寒草甸土壤施肥提供一定的參考.

表3　不同處理釋放CO2和N2O的全球溫室效應(yīng)

同列內(nèi)含有不同標(biāo)注字母表示處理間差異顯著(P<0.05).

3結(jié)論

研究表明，碳素單獨(dú)添加或碳、磷共同添加均顯著增加了高寒草甸土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的含量，而磷素添加對(duì)其影響不顯著；碳素單獨(dú)添加或碳、磷共同添加均顯著增加了高寒草甸土壤DOC含量和CO2釋放量，兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系；碳素單獨(dú)添加或碳、磷共同添加均顯著減少了土壤NO3--N含量，增加了N2O釋放量，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；不同處理CO2和N2O的全球增溫潛能(GWP)由大至小順序?yàn)椋篊P>C>P>CK.

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(責(zé)任編輯李辛)

Responses of CO2and N2O emissions to carbon and phosphorus additions in alpine meadow soil on the Qinghai-Tibetan plateau

WANG Dong-xue1,2,WANG Ping1

(1.College of Resources and Environment,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China)

Abstract：【Objective】 An incubation experiment in laboratory was conducted to examine the effects of the carbon (C) and phosphorus (P) additions on carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) emissions from the soil sampled on Qinghai-Tibetan Plateau.【Method】 Four treatments were adopted in this study,included the control (CK) and three treatments of additions (carbon,phosphorus,carbon and phosphorus).【Result】 The carbon added individually or carbon,phosphorus add together significantly increased soil microorganisms C (MBC) and N (MBN) content,but the phosphorus added individually was not significant.Carbon added individually or carbon,phosphorus add together were significantly increased the alpine meadow soil CO2 and N2O,but the phosphorus added individually was not significant.Data analysis revealed a significant positive correlation between the cumulative CO2 emissions and the soil DOC concentration.Soil N2O production was mainly controlled by denitrification.【Conclusion】 The variation of global warming potential (GWP) of CO2 and N2O for the carbon (C) and phosphorus (P) addition was:CP>C>P>CK.

Key words：Tibetan Plateau;alpine meadow;MBC;DOC;greenhouse gases;GWP

通信作者：王平，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究.E-mail：wp1826@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40801089).

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-02

中圖分類號(hào)：S 944

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2016)02-0098-06

第一作者：王冬雪(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究.E-mail：linhaimufeng1628@163.com