氮素添加對(duì)貝加爾針茅草原溫室氣體通量的影響

張金玲，李潔，趙建寧，劉紅梅，王宇，楊殿林*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市草原監(jiān)督管理局，呼倫貝爾 021008）

氮素添加對(duì)貝加爾針茅草原溫室氣體通量的影響

張金玲1，2，李潔1，趙建寧1，劉紅梅1，王宇3，楊殿林1*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市草原監(jiān)督管理局，呼倫貝爾 021008）

為了研究氮沉降對(duì)內(nèi)蒙古貝加爾針茅草原主要溫室氣體CO2、CH4和N2O通量的影響，試驗(yàn)通過(guò)施加NH4NO3以模擬氮沉降增加，設(shè)置對(duì)照（0 kg N·hm-2，CK）、低氮（30 kg N·hm-2，N30）、中氮（50 kg N·hm-2，N50）和高氮（100 kg N·hm-2，N100）4個(gè)氮素添加水平，于牧草生長(zhǎng)季（6—10月），采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定了CO2、CH4和N2O的通量。結(jié)果表明：貝加爾針茅草原是CO2和N2O的源、CH4的匯，與對(duì)照相比，氮素添加處理（N30、N50和N100）在顯著增加植物地上生物量的同時(shí)，增加了CO2和N2O的累計(jì)排放量，并降低了CH4的累計(jì)吸收量，處理間全球增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為N100＞N30＞N50＞CK，所以N50處理既能顯著增加草原植物地上生物量，又能夠減緩全球增溫潛勢(shì)的增加。相關(guān)分析表明：3種溫室氣體排放通量與土壤溫度、有機(jī)碳和NO-3-N含量均顯著相關(guān)（P＜0.05），CO2和N2O排放通量與土壤含水率顯著正相關(guān)（P＜0.05），CH4和N2O排放通量與土壤NH+4-N含量極顯著相關(guān)（P＜0.01）。

貝加爾針茅草原；氮素添加；溫室氣體；全球增溫潛勢(shì)

大氣氮沉降量持續(xù)增加已成為日趨嚴(yán)重的全球問(wèn)題之一，目前氮沉降狀況和發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注[1]。我國(guó)已成為繼歐洲、北美之后的第三大氮沉降區(qū)，平均（大氣干濕）氮沉降量為12.9 kg·hm-2·a-1，有的地區(qū)甚至高達(dá)63.5 kg·hm-2·a-1[2]。研究表明，我國(guó)氮沉降仍以平均每年0.41 kg·hm-2的速率增加，預(yù)計(jì)這種趨勢(shì)會(huì)持續(xù)數(shù)十年[3]。氮沉降的增加勢(shì)必對(duì)土壤外源氮素輸入產(chǎn)生影響，同時(shí)，過(guò)量的氮素輸入，將會(huì)影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。草地生態(tài)系統(tǒng)作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，約占地球陸地面積的40%，在全球碳、氮循環(huán)和氣候變化響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[4-6]。

自工業(yè)革命以來(lái)，在人類活動(dòng)干擾下，大氣中主要溫室氣體濃度急劇增加并導(dǎo)致全球氣候變暖的問(wèn)題已越來(lái)越受重視。CO2、CH4和N2O是大氣中最重要的溫室氣體，三者對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為60%、15%和5%[7]。草原是主要溫室氣體的源或匯，其吸收或排放溫室氣體是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[8-10]。內(nèi)蒙古貝加爾針茅是我國(guó)溫性草甸草原分布最具代表性的植被類型，是開展溫帶草原對(duì)氣候變化響應(yīng)的理想試驗(yàn)平臺(tái)。目前，關(guān)于溫室氣體的研究多集中在農(nóng)田[11]、森林生態(tài)系統(tǒng)[12]和高寒草原[13-14]，而對(duì)內(nèi)蒙古貝加爾針茅草原溫室氣體通量的研究較少[15]。因此，開展長(zhǎng)期不同水平氮素添加條件下溫室氣體（CO2、CH4和N2O）排放/吸收通量研究，有利于了解內(nèi)蒙古貝加爾針茅草原溫室氣體通量的特征及其對(duì)氮素添加的響應(yīng)，為正確評(píng)價(jià)草原生態(tài)系統(tǒng)在全球碳、氮循環(huán)中的地位和作用，以及制定科學(xué)合理的養(yǎng)分管理制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗伊敏蘇木，地處大興安嶺西麓。地理位置為北緯48°27′～48°35′，東經(jīng)119°35′～119°41′，海拔760～770 m。地勢(shì)平坦，是典型的溫帶草甸草原區(qū)，屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫-1.6℃，年降水量328.7 mm，年蒸發(fā)量1 478.8 mm，≥0℃年積溫2 567.5℃，無(wú)霜期113 d，年均風(fēng)速4 m·s-1。土壤類型為暗栗鈣土。植被類型為貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、羊草（Leymus chinensis）草甸草原，共有植物66種，分屬21科49屬[16]。

自2010年開始對(duì)本試驗(yàn)基地進(jìn)行圍封禁牧，以進(jìn)行相應(yīng)的氮素添加處理，樣地的布置采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置24個(gè)8 m×8 m=64 m2的小區(qū)，各小區(qū)間有2m緩沖帶，4個(gè)處理（不包括大氣沉降的氮量）分別為CK（0 kgN·hm-2）、N30（30 kg N·hm-2）、N50（50 kg N·hm-2）、N100（100 kg N·hm-2），每個(gè)處理6次重復(fù)。氮素添加試驗(yàn)從2010年開始，所施氮肥為硝酸銨（NH4NO3），每年分兩次添加，分別在牧草生長(zhǎng)季6月15日、7月15日進(jìn)行，每次施入全年添加總量的50%。施肥時(shí)，將每個(gè)小區(qū)每次所需要施加的氮肥溶解在8 L水中，均勻噴施到小區(qū)內(nèi)，對(duì)照處理噴灑等量的水，同一塊小區(qū)每年氮素添加量相同。各處理土壤理化性質(zhì)見表1，試驗(yàn)期間土壤溫度和含水率變化見圖1。

表1 不同氮素添加水平的土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil under different nitrogen addition treatment

1.2 樣品采集及測(cè)定方法

2015年生長(zhǎng)季（6—10月）每月中旬進(jìn)行土壤樣品的采集，采用“S”型取樣法，每個(gè)小區(qū)選取10個(gè)點(diǎn)，用直徑為3 cm的土鉆取土，取樣深度為40 cm，土層間隔為10 cm，將同一小區(qū)同層土壤樣品混合均勻，標(biāo)號(hào)封袋。土樣采集后，一部分保存于-20℃冰箱，另一部分風(fēng)干后研磨過(guò)篩，用于土壤有機(jī)碳、NO-3-N和NH+4-N等含量的測(cè)定。土壤有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法；土壤NO-3-N的測(cè)定采用KCl浸提-雙波長(zhǎng)（220、275 nm）紫外分光光度法；土壤NH+4-N采用KCl浸提-靛酚蘭比色法測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)期間貝加爾針茅草原土壤溫度和含水率Figure 1 Soil temperature and moisture in the Stipabaicalensis steppe during the test

溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的采集及測(cè)定選用靜態(tài)箱-氣相色譜法，提前一年將20 cm高箱底座埋入待測(cè)的試驗(yàn)小區(qū)地下，靜態(tài)暗箱用不銹鋼材料制作，體積為50 cm×50 cm×50 cm，在箱外部覆蓋一層泡沫保溫板，避免取樣時(shí)太陽(yáng)照射對(duì)箱內(nèi)溫度的影響，箱頂部裝有供采集氣體用的三通閥和數(shù)字式溫度計(jì)，在箱內(nèi)側(cè)安裝兩個(gè)直流風(fēng)扇（攪勻氣體）。6、7、8月取樣頻率為每周一次，9、10月約兩周一次，采集氣體時(shí)將采樣箱嵌入箱底座凹槽中，用水密封，采樣設(shè)備為醫(yī)用三通和50 mL注射器，分別抽取蓋箱后0、10、20、30 min的氣體樣品于鋁箔氣體采樣袋中，同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度、土壤5 cm處的溫度和含水率，每次采樣均在上午9：00—11：00之間完成，并盡快將氣袋帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析。利用氣相色譜儀（Agilent 7890A）對(duì)溫室氣體含量進(jìn)行檢測(cè)，以氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）測(cè)定CO2和CH4含量，電子捕獲檢測(cè)器（ECD）測(cè)定N2O含量。

野外調(diào)查工作于2015年8月中旬進(jìn)行，在各處理小區(qū)內(nèi)側(cè)預(yù)留1 m的緩沖帶，布設(shè)1 m×1 m觀測(cè)樣方，記錄樣方內(nèi)各植物種的生物生態(tài)學(xué)特性，用收獲法齊地面分種剪下后帶回實(shí)驗(yàn)室，在65℃下烘干24 h并稱重，測(cè)量草原地上生物量。

1.3 分析方法及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 溫室氣體排放通量

三種溫室氣體（CO2、CH4、N2O）排放通量計(jì)算公式如下[17]：

式中：F為溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的排放通量，mg· m-2·h-1（負(fù)值表示氣體凈吸收，正值表示凈排放）；T為氣樣采集過(guò)程中的平均溫度，℃；dC/dt為單位時(shí)間內(nèi)氣樣采集過(guò)程中采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化，mL· m-3·h-1；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325 kPa；P為箱內(nèi)氣壓, kPa；ρ為三種溫室氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg·m-3；H為氣體采集箱頂部與水面之間的高度，m。

1.3.2 溫室氣體累積排放量

3 種溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的累積排量計(jì)算公式[17]：

式中：F′為生長(zhǎng)季內(nèi)溫室氣體累積排放量，kg·hm-2；Fi為試驗(yàn)期間CO2、CH4和N2O的平均排放/吸收通量，mg·m-2·h-1；Dn為采樣的天數(shù)，d。

1.3.3 溫室氣體增溫潛勢(shì)

草原生態(tài)系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)用增溫潛勢(shì)來(lái)衡量，以CO2、CH4、N2O三種溫室氣體凈交換量的CO2當(dāng)量的代數(shù)和來(lái)計(jì)算。由于單位質(zhì)量CH4和N2O在百年時(shí)間尺度全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的25倍和298倍，增溫潛勢(shì)可表示為[18]：

式中：GWP為三種溫室氣體引發(fā)的增溫潛勢(shì)，kg CO2-eqv·hm-2；CO2、CH4、N2O為三種氣體累積排放量，kg·hm-2。

1.3.4 溫室氣體排放強(qiáng)度

式中：GHGI為溫室氣體排放強(qiáng)度（用于估算各處理的綜合溫室效應(yīng)[19]），表示每千克植物地上生物量所產(chǎn)生的CO2-eqv排放量；Y為貝加爾針茅草原植物地上生物量，kg·hm-2。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析利用Excel 2007和SPSS 16.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2排放通量變化特征及其對(duì)氮素添加的響應(yīng)

在整個(gè)生長(zhǎng)季，貝加爾針茅草原表現(xiàn)為凈排放CO2，是大氣中CO2的源。由圖2A看出，各處理CO2排放通量季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，但排放強(qiáng)度各不相同?？傮w來(lái)看，6、7、8月CO2排放通量較9、10月高，且6、7月在添加氮素后都有峰值出現(xiàn)。6—10月，N100處理的最高排放通量為1 132.50 mg·m-2·h-1，比CK的最高排放通量919.85 mg·m-2·h-1增加了23.12%。圖2B為4個(gè)處理在不同月份CO2平均排放通量，在6、7、8、9月，N30和N100處理的平均排放通量均顯著高于CK和N50處理，而在10月則表現(xiàn)為CK和N30處理的平均排放通量顯著高于N50和N100處理。這種月份之間的差異可能是受草原土壤溫度和含水量的影響所致。研究期間，CK、N30、N50 和N100的CO2平均排放通量分別為527.75、649.69、544.56、660.71 mg·m-2·h-1，氮素添加處理均高于CK，表明添加氮素促進(jìn)貝加爾針茅草原CO2排放。

2.2 CH4吸收通量變化特征及其對(duì)氮素添加的響應(yīng)

圖2 貝加爾針茅草原CO2排放通量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Seasonal dynamic variations of soil CO2fluxes in the Stipabaicalensis steppe of Inner Mongolia

貝加爾針茅草原在生長(zhǎng)季吸收CH4，是CH4的弱匯。從圖3A不同氮素添加處理下CH4通量的季節(jié)變化可以看出，氮素添加處理和CK基本保持一致的波動(dòng)性。圖3B為不同處理下CH4的月平均吸收通量，6—8月氮素添加處理的平均吸收通量均顯著低于CK，CH4吸收通量在8月達(dá)到峰值，N30、N50、N100處理的CH4吸收通量分別為0.10、0.09、0.07 mg·m-2· h-1，顯著低于CK的0.13 mg·m-2·h-1；9、10月，各處理的CH4吸收通量均較低。3個(gè)氮素添加處理（N30、N50、N100）的CH4總平均吸收通量均為0.08 mg·m-2· h-1，與CK相比均降低27.27%，說(shuō)明氮素添加抑制貝加爾針茅草原土壤對(duì)CH4的吸收。

2.3 N2O排放/吸收通量變化特征及其對(duì)氮素添加的響應(yīng)

如圖4A所示，各處理N2O排放通量較低，變化范圍在2.78～49.23 μg·m-2·h-1之間，貝加爾針茅草原是N2O的弱源。N2O排放通量有明顯的季節(jié)性，表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(shì)，即7、8月的N2O排放通量高于其余3個(gè)月。圖4B表示4個(gè)處理在生長(zhǎng)季內(nèi)不同月份的N2O平均排放通量，方差分析結(jié)果表明，3個(gè)氮素添加處理在各月份的N2O排放通量均顯著高于CK。CK、N30、N50和N100的總平均通量分別為14.60、18.05、16.26、23.05 μg·m-2·h-1，N30、N50和N100處理分別比CK增加了23.63%、11.37%和57.88%，表明添加氮素促進(jìn)貝加爾針茅草原N2O的排放。

圖3 貝加爾針茅草原CH4吸收通量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Seasonal dynamic variations of soil CH4fluxes in the Stipa baicalensis steppe of Inner Mongolia

圖4 貝加爾針茅草原N2O排放通量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Seasonal dynamic variations of soil N2O fluxes in the Stipa baicalensis steppe of Inner Mongolia

2.4 貝加爾針茅草原溫室氣體累計(jì)排放/吸收量

氮素添加處理促進(jìn)CO2和N2O的排放，降低CH4的吸收，顯著促進(jìn)溫室氣體的排放。研究期間，N50處理的CO2累計(jì)排放量為19 996.14 kg·hm-2，僅比CK增加了3.19%，顯著低于N30和N100處理的增幅23.11% 和25.20%；處理之間CH4累計(jì)吸收量大小表現(xiàn)為CK＞N30＞N50＞N100，N30、N50和N100的CH4累計(jì)吸收量分別為3.10、2.79、2.78 kg·hm-2，占對(duì)照的75.06%、67.55%和67.31%；N100處理的N2O累計(jì)排放量為0.85 kg·hm-2，分別是N30和N50處理的1.29倍和1.31倍，且3個(gè)氮素添加處理的N2O累計(jì)排放量均顯著高于CK。自然狀態(tài)下（CK），生長(zhǎng)季內(nèi)貝加爾針茅草原是CO2和N2O的源、CH4的匯（表2），雖然CH4的累計(jì)吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于CO2的累計(jì)排放量，但對(duì)于減緩溫室氣體排放仍起到了重要作用。

2.5 貝加爾針茅草原增溫潛勢(shì)及溫室氣體排放強(qiáng)度

根據(jù)表3可知，N30和N50處理的地上生物量分別達(dá)到2 264.57、2 343.90 kg·hm-2，與CK相比顯著增加，并顯著低于N100處理的2 988.17 kg·hm-2。N30、N50和N100處理的全球增溫潛勢(shì)均顯著高于CK，分別增加了23.37%、3.44%和25.77%。溫室氣體排放強(qiáng)度和全球增溫潛勢(shì)一樣，都是有效評(píng)估溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)的重要指標(biāo)。N50和N100處理的溫室氣體排放強(qiáng)度分別為8.62、8.19，顯著低于CK和N30處理的10.43、10.62。由以上分析可知，N30和N100處理在促進(jìn)地上生物量增加的同時(shí)顯著增加了全球增溫潛勢(shì)，而N50處理不僅能夠減緩因添加氮素所造成的較高全球增溫潛勢(shì)，同時(shí)可有效降低溫室氣體排放強(qiáng)度。

2.6 環(huán)境因子對(duì)溫室氣體通量的影響

由表4相關(guān)分析可知，CO2和N2O通量與土壤溫度、含水率、有機(jī)碳和NO-3-N含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），CH4通量與土壤溫度顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)碳、NO-3-N和NH+4-N顯著正相關(guān)；N2O通量與土壤NO-3-N和NH+4-N含量均呈極顯著正相關(guān)，可能是添加氮素導(dǎo)致土壤NO-3-N和NH+4-N含量增加，同時(shí)促進(jìn)土壤微生物硝化和反硝化作用，而這兩個(gè)過(guò)程都會(huì)排放N2O，所以N2O排放通量隨土壤NO-3-N和NH+4-N含量的增加而增加。

3 討論

影響草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量的因素主要包括環(huán)境因素（溫度、水分、土壤理化性質(zhì)）、生物因素（植物、動(dòng)物、微生物）和管理因素（放牧、開墾、封育等）[20]。目前，溫帶草原部分地區(qū)的氮沉降量已超過(guò)3 g·m-2·a-1[21]，相當(dāng)于本試驗(yàn)中的N30處理，且隨著我國(guó)農(nóng)牧業(yè)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，氮沉降量將會(huì)持續(xù)增加，并且影響溫室氣體的排放。

表4 溫室氣體通量與各影響因子的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between greenhouse gas fluxes and the impact factors

3.1 氮素添加對(duì)CO2通量的影響

植物、動(dòng)物和土壤微生物的呼吸作用是草原生態(tài)系統(tǒng)CO2的主要來(lái)源，有研究[22-23]得出，適量的氮素添加通過(guò)增加植物生物量和微生物活性，增強(qiáng)植物和土壤微生物呼吸，進(jìn)而促進(jìn)CO2的排放。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，添加氮素促進(jìn)貝加爾針茅草原CO2的排放，且低氮（N30）和高氮（N100）處理顯著增加了CO2的排放量，中氮（N50）處理雖有促進(jìn)作用，但與對(duì)照相比差異不顯著，N30和N50處理地上生物量無(wú)顯著差異，由此認(rèn)為，與N50處理相比N30處理較高的CO2排放量可能來(lái)自于微生物呼吸作用。在梁艷等[24]的研究結(jié)果中，20 kg·hm-2·a-1處理的CO2排放量高于40 kg· hm-2·a-1處理；Song等[25]為期五年的氮素添加試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，120 kg·hm-2·a-1處理的CO2排放量高于60 kg·hm-2· a-1處理。以上兩個(gè)研究與本試驗(yàn)的結(jié)論相似。而馬鋼等[26]對(duì)高寒灌叢的研究表明，氮素添加會(huì)抑制CO2的排放，Bowden等[27]和Fang等[28]也得出相同結(jié)論。與以往的研究[29-30]相比，本試驗(yàn)中CO2排放通量較高，產(chǎn)生這種差異的主要原因可能是研究區(qū)域、研究時(shí)間和草原植被類型不同。羅光強(qiáng)等[31]研究表明，貝加爾針茅草原生態(tài)系統(tǒng)CO2通量顯著高于羊草草原。

3.2 氮素添加對(duì)CH4通量的影響

大量研究[32-33]表明，草原生態(tài)系統(tǒng)是大氣中CH4的匯，但是關(guān)于氮素添加對(duì)CH4通量影響的研究結(jié)論不一。有研究[34-35]得出，氮素添加會(huì)抑制土壤對(duì)CH4的吸收，其主要依據(jù)是NH+4可以替代CH4被甲烷營(yíng)養(yǎng)微生物利用，二者之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。本研究中，添加氮素顯著降低生長(zhǎng)季內(nèi)CH4的累計(jì)吸收量，但對(duì)是否因?yàn)樘砑拥腘H4NO3增加了土壤中NH+4的含量，NH+4替代CH4被微生物吸收利用，從而抑制了土壤對(duì)CH4的吸收，還需要做深入研究來(lái)驗(yàn)證。潘占磊等[36]對(duì)短花針茅荒漠草原CH4通量的研究得出，雖然施氮促進(jìn)對(duì)CH4的吸收，但差異并不顯著（P＞0.05），與Wang 等[37]的研究結(jié)果類似；而Tate等[38]和梁艷等[24]研究發(fā)現(xiàn)，氮素添加對(duì)CH4通量沒有影響；張斐雷等[39]的研究結(jié)果表明，低氮處理促進(jìn)吸收CH4，而中、高氮處理抑制吸收CH4，其原因是受土壤水分的影響。以上研究與本試驗(yàn)結(jié)論不一致的原因可能是研究區(qū)域、氮素添加種類不同。

3.3 氮素添加對(duì)N2O通量的影響

N2O是土壤微生物進(jìn)行硝化和反硝化過(guò)程的產(chǎn)物，土壤溫濕度及硝銨氮含量都對(duì)該過(guò)程有影響[40]。楊涵越等[41]對(duì)內(nèi)蒙古克氏針茅草原研究發(fā)現(xiàn)，氮素添加水平超過(guò)100 kg·hm-2·a-1時(shí)顯著提高N2O的年排放量（P＜0.05），與本研究結(jié)論一致。Jiang等[42]對(duì)高寒草甸的研究也發(fā)現(xiàn)添加氮素導(dǎo)致N2O排放增加，主要原因是施氮促進(jìn)了反硝化過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)N2O的排放。劉曉雨等[43]研究結(jié)果表明，氮素添加后N2O排放量與土壤NH+4-N增加量呈顯著正相關(guān)，本試驗(yàn)中N2O排放量與NO-3-N和NH+4-N含量均呈極顯著正相關(guān)。方華軍等[44]研究發(fā)現(xiàn)高氮促進(jìn)N2O的排放，而低氮沒有影響，是因?yàn)楦叩绊懏a(chǎn)N2O菌的活性和群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致N2O排放量增加。

3.4 氮素添加對(duì)貝加爾針茅草原增溫潛勢(shì)及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

氮素添加對(duì)全球增溫潛勢(shì)有影響，處理間大小關(guān)系表現(xiàn)為N100＞N30＞N50＞CK，各處理CO2排放量均占全球增溫潛勢(shì)的99%以上。因此，控制草原CO2排放量是降低增溫潛勢(shì)的關(guān)鍵手段。有研究[45-46]表明，溫室氣體強(qiáng)度與土壤固碳量、作物產(chǎn)量以及CH4和N2O通量有關(guān)。本研究中，N50和N100處理的溫室氣體排放強(qiáng)度顯著低于CK，各處理溫室氣體排放強(qiáng)度在8.19～10.62之間，高于稻田的溫室氣體排放強(qiáng)度[47]。經(jīng)分析，6—8月是草原植物旺盛生長(zhǎng)時(shí)期，植物和土壤微生物呼吸作用強(qiáng)烈，所以溫室氣體排放強(qiáng)度較大。

4 結(jié)論

生長(zhǎng)季內(nèi)，內(nèi)蒙古貝加爾針茅草原排放CO2和N2O、吸收CH4，三種溫室氣體通量都有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。添加氮素促進(jìn)CO2和N2O的排放，同時(shí)抑制土壤對(duì)CH4的吸收，顯著增加全球增溫潛勢(shì)。CO2、CH4和N2O三種溫室氣體通量與土壤溫度、有機(jī)碳和NO-3-N含量有顯著相關(guān)性，CO2和N2O通量與土壤含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，CH4和N2O通量與土壤NH+4-N含量極顯著相關(guān)。N50處理與CK相比顯著增加草原植物地上生物量，而與N30和N100處理相比，又能夠減緩全球增溫潛勢(shì)的增大。

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Effects of nitrogen addition on greenhouse gas flux in a Stipa baicalensis grassland in Inner Mongolia

ZHANG Jin-ling1,2,LI Jie1,ZHAO Jian-ning1,LIU Hong-mei1,WANG Yu3,YANG Dian-lin1*
（1.Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture,Tianjin 300191,China;2.Department of Horticulture,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China;3.Hulun Buir Grassland Supervision and Administration Bureau of Inner Mongolia,Hulunbeier 021008,China）

There is great significance in exploring the response of temperate meadow steppes to global climate change.The dynamics of greenhouse gas（CO2,CH4,and N2O）fluxes are essential for such;thus,the response of a grassland ecosystem to nitrogen addition in a Stipa baicalensis grassland in Inner Mongolia was measured.Four nitrogen addition levels of 0（CK）,30（N30）,50（N50）,and 100（N100）kg N· hm-2were used to determine the effects of nitrogen addition on greenhouse gas emissions during the growing season（June to October）,using the methods of static chamber-box gas chromatography.We found that the Stipa baicalensis grassland was a source of CO2and N2O,but a sink for CH4.Nitrogen addition increased the above-ground biomass of the plants significantly and enhanced the emissions of CO2and N2O, whereas it decreased the uptake of CH4.The global warming potential of the treatments followed the order of N100＞N30＞N50＞CK.Thus, N50 treatment not only significantly increased the above-ground biomass,but also reduced the increase of global warming potential.The fluxes of CO2,CH4and N2O showed significant correlations with soil temperature,organic carbon and NO-3-N content（P＜0.05）.CO2and N2O fluxes also showed significantly positive correlations with soil moisture（P＜0.05）.In addition,CH4and N2O fluxes had significant relationships with soil NH+4-N content（P＜0.01）.

Stipabaicalensis grassland;nitrogen addition;greenhouse gas;global warming potential

X511

A

1672-2043（2017）08-1640-09

10.11654/jaes.2017-0030

2017-01-06

張金玲（1990—），女，遼寧莊河人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)。E-mail：zhangjin_taeyang@163.com

*通信作者：楊殿林E-mail：yangdianlin@caas.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170435）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（31170435）

張金玲，李潔，趙建寧，等.氮素添加對(duì)貝加爾針茅草原溫室氣體通量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（8）：1640-1648.

ZHANG Jin-ling,LI Jie,ZHAO Jian-ning,et al.Effects of nitrogen addition on greenhouse gas flux in a Stipabaicalensis grassland in Inner Mongolia[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1640-1648.