模擬氮沉降對藏北高寒草甸溫室氣體排放的影響

梁 艷,干珠扎布,曹旭娟,張偉娜,張 勇,栗文瀚,高清竹,*,萬運帆,李玉娥,旦久羅布,何世丞

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081 2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點實驗室,北京 100081 3 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875 4 西藏自治區(qū)那曲地區(qū)草原站,那曲 852100

模擬氮沉降對藏北高寒草甸溫室氣體排放的影響

梁 艷1,2,干珠扎布1,2,曹旭娟1,2,張偉娜1,2,張 勇3,栗文瀚1,2,高清竹1,2,*,萬運帆1,2,李玉娥1,2,旦久羅布4,何世丞4

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081 2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點實驗室,北京 100081 3 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875 4 西藏自治區(qū)那曲地區(qū)草原站,那曲 852100

氮沉降；高寒草甸；溫室氣體；土壤養(yǎng)分；生物量

氮沉降是指由自然或人為活動向大氣中輸入的活性氮化合物通過干、濕沉降的途徑進入生態(tài)系統(tǒng)的過程[1]。近幾十年來,人類活動導(dǎo)致大氣氮沉降量顯著增加,施肥以及植物固氮向生態(tài)系統(tǒng)輸入的氮素逐漸增多,明顯改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán),進而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2]。我國平均大氣干濕總沉降量為12.9kg hm-2a-1,部分地區(qū)高達63.5 kg hm-2a-1,已成為繼歐洲、北美之后的第三大氮沉降區(qū),隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展,氮沉降的問題將愈發(fā)嚴重[3]。

草地是分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一,對全球變化極為敏感,也是目前人類活動影響最為嚴重的區(qū)域[4]。其不僅受氣溫升高[5]、降水格局變化[6]、CO2濃度富集[7]的影響,其對氮沉降增加[8]也較為敏感,并且通過一系列生理生態(tài)活動調(diào)節(jié)溫室氣體排放,從而對氣候變化產(chǎn)生重要的反饋作用。CO2是最主要的溫室氣體,對溫室氣體增溫效應(yīng)的貢獻約為63%[9]。草地生態(tài)系統(tǒng)CO2交換過程包括植被通過光合和呼吸作用,以及土壤中的有機物通過微生物分解作用將CO2釋放到大氣中的過程[10]。一般來說,短期添加氮素會加快土壤碳礦化速率,促進生態(tài)系統(tǒng)碳排放[11]。除CO2外,CH4和N2O也是很重要的溫室氣體。CH4有很強的紅外吸收能力,其增溫潛勢是CO2的15—30倍,在大氣中濃度和輻射強度僅次于CO2[12],對溫室氣體增溫效應(yīng)的貢獻約為18%[9]。短期添加氮素會降低青藏高原高寒草甸CH4的吸收[13]。N2O在大氣中留存時間長,其輻射強迫為CO2的310倍,對溫室氣體增溫效應(yīng)的貢獻約為6%[9]。在陸地生態(tài)系統(tǒng),土壤N2O排放量占全球生物圈排放量的70%,是最主要的排放源[14]。隨著氮沉降不斷加劇,陸地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放將進一步升高[15]。

藏北高原又稱“羌塘”,天然草地資源豐富,是西藏的主要牧區(qū),平均海拔在4500m以上；該地區(qū)自然條件極為嚴酷,生態(tài)與環(huán)境非常脆弱和敏感[16]。在藏北地區(qū),草地是最重要、面積最大的生態(tài)系統(tǒng),也是藏北地區(qū)生活生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件[17]。該文利用人工添加氮素的方法,研究氮沉降增加對藏北高寒草甸溫室氣體排放的影響,為高寒草地減排政策的制定提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于藏北地區(qū)那曲縣農(nóng)業(yè)部那曲農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實驗站(31.441°N,92.017°E),主要以高山嵩草(Kobresiapygmaea)為建群種；東方針茅(Stipaorientalis)為主要禾本科植物,主要的雜草包括青藏黃芪(Astragaluspeduncularis)、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、二裂委陵菜(Potentillabifuica)等。2014年該地區(qū)生長季(6—8月)5cm土壤平均溫度為12.35℃,平均體積含水量為20%(圖1),該地區(qū)雨熱同季,月平均溫度在5—9月份高于0℃,90%以上的降水也集中在該時段。

圖1 藏北高寒草甸生長季土壤溫濕度變化特征Fig.1 Seasonal variations of soil temperature and soil moisture at 5cm depth of alpine meadow in northern Tibet

1.2 樣地設(shè)置與取樣方法

氮素添加劑量參照中國氮沉降分布格局[18],即西藏地區(qū)干濕沉降率為7kg N hm-2a-1,預(yù)計到2050年,該地區(qū)年氮沉降量將達40kg N hm-2a-1[19]。因此,本實驗設(shè)置的氮素添加濃度分別為當?shù)刈匀怀两盗康?、3、6 倍,即7kg N hm-2a-1(N7)、20kg N hm-2a-1(N20)和40kg N hm-2a-1(N40)。該研究樣地選擇在常年禁牧的平坦的小嵩草草甸群落內(nèi),樣地內(nèi)共設(shè)16個小區(qū),包括3個氮素添加梯度(N7、N20和N40)和對照,共4個處理,每個處理4個重復(fù),實驗小區(qū)大小為3m×3m,相鄰小區(qū)之間設(shè)置2m 的緩沖隔離帶。于生長季(6—9月)每月月初將氮肥(尿素,含N量>46.4%)溶于5L水中,噴灑于樣方內(nèi),對照小區(qū)內(nèi)噴灑等量的水。

溫室氣體排放通量測定：測定采用常規(guī)靜態(tài)箱法,于2014年6—8月進行高寒草甸CO2、CH4和N2O排放通量測定,每月測定3次,測定時間為11:00。其中每月測定1次日動態(tài),測定時間為9:00至19:00,每隔2h測定1次。靜態(tài)箱采用不透明的PVC板制作,直徑150mm,高250mm；在測定前24h將無底座插入土壤中3cm。測定時,將靜態(tài)箱罩于底座上,同時在周圍抽取空氣,注入密封玻璃氣瓶中；15min后用密封氣瓶收集箱內(nèi)氣體,并移開靜態(tài)箱置。把收集的氣體樣品帶回室內(nèi),使用氣相色譜儀(HP6890N,Agilent公司)測定其濃度,測定CO2和CH4濃度的檢測器為氫火焰離子檢測器(FID),測定溫度為200℃,色譜柱為Porpak Q填充柱,柱溫70℃；測定N2O濃度的檢測器為電子捕獲檢測器(ECD),測定溫度為330℃,色譜柱也為PorpakQ填充柱,柱溫70℃。根據(jù)罩箱后及開箱前箱內(nèi)的氣體濃度差來計算其排放通量[20]。

生物量測定：于草甸植被生長季(6—8月),在每個小區(qū)選取0.5m×0.5m面積調(diào)查植物種類組成、高度、蓋度等群落特征。與此同時,每月在實驗樣地外選取16個校正樣方,分種收集地上生物量,用于估測各小區(qū)地上生物量。收集地上植物后,將其置于105℃烘箱中殺青0.5h,測干重。通過物種高度與蓋度和生物量之間的關(guān)系,得到線性回歸方程,從而計算其各處理生物量。于生長季末,在小區(qū)里用土鉆(直徑為6cm)隨機選取一個土壤樣品,采樣深度為20cm,將根取出并清洗干凈后,以70℃烘干至恒重,測干重。

1.3 計算公式

氣體通量計算公式

式中,F為t時刻溫室氣體排放通量(mg m-2h-1),正值為排放,負值為吸收；A為取樣箱的底面積(m2)；V為取樣箱體積(m3)；m1,m2分別為測定箱關(guān)閉前和開啟前箱內(nèi)某溫室氣體的質(zhì)量(g)；t1,t2分別為測定箱關(guān)閉前和開啟前的時間；C1,C2分別為測定箱關(guān)閉前和開啟前箱內(nèi)溫室氣體的體積百分比濃度；T1,T2分別為測定箱關(guān)閉前和開啟前箱內(nèi)溫度(℃)；M0表示某種氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)。

溫室氣體增溫潛勢的計算公式：基于全球增溫潛勢(GWP,以100a計)的綜合溫室效應(yīng)用將CH4和N2O轉(zhuǎn)化為CO2當量來估算[21],即：CO2-e=25RCH4+298RN2O,式中CO2-e為高山嵩草草甸每公頃每天排放的綜合溫室效應(yīng)CO2當量(kgCO2-e/hm2),RCH4、RN2O分別為生長季CH4和N2O每公頃每天排放量(kg/hm2)。

生物量線性回歸方程式：Biomass=0.585+1.282×h+0.059×c(P<0.05)

式中,Biomass代表生物量(g),h為物種高度(m),c為物種蓋度(%)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文采用Excel 2010軟件進行初步的數(shù)據(jù)處理,將各樣地內(nèi)所采數(shù)據(jù)進行平均,采用IBM SPSS Statistics 19軟件中的單因素方差分析、回歸分析方法以及重復(fù)度量方差分析等方法對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同N素添加水平下小嵩草高寒草甸溫室氣體排放通量日變化特征

生長旺季,不同N素添加水平對溫室氣體日排放通量均具有顯著影響,其變化規(guī)律較為一致(圖2,表1)。施氮條件下,6月和8月份不同時間及處理下CO2排放通量均具有顯著性差異(P<0.05),7月份不同時間和處理下CO2排放通量無顯著性差異(P>0.05),而各處理下CO2的變化規(guī)律幾乎一致,其各處理與時間之間均具有交互作用(P<0.05)。N添加條件下,CH4排放通量在日不同時段下均具有顯著性差異(P<0.05),且各處理下CH4的變化規(guī)律幾乎一致,其各處理與時間之間均具有交互作用(P<0.05),但各處理下CH4排放通量差異均不顯著(P>0.05)。施氮改變了6月和8月份N2O排放的日變化規(guī)律,其在6/7/8月份不同時間段均具有顯著性差異(P<0.05),但在不同處理之間差異不顯著(P>0.05)。

總的來看,N20處理下CO2排放量最高,在6/7/8月份,其日均值分別較CK增加了39.39%、68.55%和225.38%。在施N條件下,CH4吸收量既有降低又有增加,其在6月份主要表現(xiàn)為吸收量增加,其中,17:00 N20處理下CH4吸收量最為明顯,較CK增加了191.52%,而在7/8月份,其吸收量變化各異(圖2)。施N對N2O通量的影響因不同時間段而異,6月份的13:00,N7處理下N2O排放量最高,較CK增加了169.04%,7月份的19:00和8月份的15:00,N20處理下N2O排放量最高,分別較CK增加了203.42%和46.63%(圖2)。

表1 不同氮添加水平下高寒草甸溫室氣體排放日動態(tài)顯著性

2.2 不同N素添加水平下小嵩草高寒草甸溫室氣體排放通量季節(jié)化特征

生長季,不同N添加處理下溫室氣體排放通量的變化規(guī)律幾乎一致。CO2排放呈現(xiàn)“三峰三谷”的變化趨勢(圖3),其在不同日期及不同處理之間均具有顯著性差異(P<0.05),但其日期和處理之間無交互作用(P>0.05)(表2)；短期添加N素CH4的變化規(guī)律為“降低—升高—降低—再升高”的趨勢,N2O排放通量的變化呈現(xiàn)為在6月底出現(xiàn)一個峰值之后,在X軸上下小幅度波動的趨勢,二者在不同日期及不同處理之間均具有顯著性差異(P<0.05),并且其日期和處理之間均具有交互作用(P<0.05)(圖3,表2)。

短期添加N素,6/7/8月份N20處理下顯著增加了CO2排放量,其月平均值分別較CK增加了46.61%、100.84%和64.07%(P<0.05)；在8月初及8月中旬,施氮顯著增加了CH4排放,N7處理下分別較CK增加了387.19%和4397.28%(P<0.05),但短期施氮對CH4排放7/8月份月平均值無顯著影響(P>0.05),而在6月份,N20處理下施氮降低了CH4排放,較CK降低了69.49%。不同N添加處理下,6/7/8月份N2O排放月平均值無顯著差異(P>0.05,圖3)。

圖3 高寒草甸生長季溫室氣體排放季節(jié)變化Fig.3 Greenhouse gas emission flux changes dynamically in growing season of alpine meadow不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

Table 2 The dynamic significance of Greenhouse gas emissions under different nitrogen addition levels of alpine meadow

溫室氣體模型F顯著值GreenhousegasesModelSig.CO2日期11.41<0.001處理12.780.005時間×處理1.070.43CH4日期9.93<0.001處理6.650.005時間×處理2.370.001N2O日期27.17<0.001處理12.140.001時間×處理3.52<0.001

生長季(6—8月)各處理溫室氣體排放總量均高于對照。其中,N20處理下溫室氣體排放總量最高,為26.94kg hm-2d-1(表3),較對照增加了69.95%；N7與N40處理下的溫室氣體排放總量相近,分別為19.16kg hm-2d-1和18.14kg hm-2d-1,較對照分別增加了20.86%和14.41%。

2.3 不同N素添加水平下小嵩草高寒草甸植物群落生物量及土壤養(yǎng)分變化

短期添加N素并未顯著提高高寒草甸植被總生物量(P>0.05),但其有增加的趨勢。6月初施N后,N7和N20處理下其地上生物量較CK分別增加了22.65%和26.93%(P<0.05,圖4)。

表3 生長季不同氮素添加處理對溫室氣體排放總量的影響

N7、N20、N40分別代表當?shù)氐刈匀怀两盗康?、3、6 倍，即7kg N hm-2a-1(N7)、20kg N hm-2a-1(N20)和40kg N hm-2a-1(N40)

圖4 不同氮添加水平下藏北高寒草甸植被生物量Fig.4 The biomass in northern Tibet alpine meadow under different nitrogen addition levels

2.4 生物與非生物因子對溫室氣體排放的影響

表4 藏北高寒小嵩草草甸土壤養(yǎng)分狀況

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

表5 逐步線性回歸分析土壤養(yǎng)分與溫室氣體的關(guān)系

3 討論

草地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放過程主要來源于生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用,其中包括自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸作用。自養(yǎng)呼吸主要受生物量的影響,而異養(yǎng)呼吸作用主要受溫度、水分和養(yǎng)分條件等環(huán)境因子和土壤動物以及微生物等生物因子的影響[22]。氮沉降不僅改變土壤養(yǎng)分條件,并且將導(dǎo)致土壤微生物活性改變[23]。多數(shù)研究表明,氮沉降促進青藏高原草地CO2排放[22-24],但其原因各不相同。如氮沉降增加導(dǎo)致的微生物活性增加[22-23]、生物量增加[22-24]、土壤有效氮含量增加[22,24]等,進而影響CO2排放。也有研究認為由于施氮可能會改變土壤呼吸的溫度敏感性,導(dǎo)致氮沉降條件下青藏高原高寒草甸CO2排放減少[13]。除此之外,Wei等[25]研究結(jié)果表明,由于高寒地區(qū)微生物群落對N利用率較低,模擬氮沉降對青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)CO2排放無顯著影響,也未改變其季節(jié)變化規(guī)律。本研究結(jié)果顯示,施氮顯著促進CO2排放量,而CO2排放與NPP和TOC具有顯著正相關(guān)關(guān)系。但本研究中NPP和TOC在施氮條件下并未發(fā)生顯著變化。因此,高寒草甸土壤CO2排放對氮輸入的響應(yīng)存在很大的不確定性。鑒于已有的相關(guān)研究,本研究中CO2排放量增加可能來源于施氮條件下土壤微生物活性增加[22-23]。因此在下一步研究中應(yīng)重點研究土壤微生物數(shù)量及活性對施氮的響應(yīng)。

對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)而言,該系統(tǒng)是CH4匯[26]。其對CH4的吸收主要與土壤溫濕度[27]、微生物活性[27]等密切相關(guān)。此外,施氮格局及N形態(tài)也是影響CH4吸收的重要因素[28]。張裴雷等[26]研究表明,低氮處理促進青藏高原高寒草甸土壤CH4吸收,而中氮和高氮處理抑制土壤CH4吸收,這是由于土壤水分是影響土壤CH4吸收的主要因子之一,低氮和高氮處理傾向于降低土壤含水量,而中氮處理傾向于增加。而Jiang等[13]研究發(fā)現(xiàn),對青藏高原高寒草甸生長季短期添加氮素會減少CH4吸收。李偉等[28]研究發(fā)現(xiàn),未來氮沉降增加將抑制溫帶闊葉紅松林土壤CH4的吸收,總體來看施氮抑制土壤碳排放,其既能抑制CH4產(chǎn)生,又能抑制CH4氧化,添加N素對CH4通量的影響可能最終取決于其對CH4產(chǎn)生和氧化兩個過程抑制作用的相對大小[28]。本研究結(jié)果表明施氮對CH4的吸收無影響,并對全球增溫潛勢的影響很小[13]。

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Effects of simulated nitrogen deposition on greenhouse gas emissions from alpine meadows in northern Tibet

LIANG Yan1,2, HASBAGAN Ganjurjav1,2, CAO Xujuan1,2, ZHANG Weina1,2, ZHANG Yong3, LI Wenhan1,2, GAO Qingzhu1,2,*,WAN Yunfan1,2,LI Yu′e1,2, DANJIU Luobu4, He Shicheng4

1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2KeyLaboratoryforAgro-Environment&ClimateChange,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China3SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China4NagquGrasslandStation,Nagqu852100,China

nitrogen deposition; alpine meadow; greenhouse gas; soil nutrients; biomass

國家自然科學(xué)基金項目(31170460)；西藏那曲地區(qū)與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作項目

2015-08-04;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201508041645

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: gaoqzh@ami.ac.cn

梁艷,干珠扎布,曹旭娟,張偉娜,張勇,栗文瀚,高清竹,萬運帆,李玉娥,旦久羅布,何世丞.模擬氮沉降對藏北高寒草甸溫室氣體排放的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(2):485-494.

Liang Y, Hasbagan Ganjurjav, Cao X J, Zhang W N, Zhang Y, Li W H, Gao Q Z,Wan Y F,Li Y E, Danjiu L B, He S C.Effects of simulated nitrogen deposition on greenhouse gas emissions from alpine meadows in northern Tibet.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):485-494.