土壤水分波動(dòng)對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)CO2和N2O排放的影響

王 瑞，王 平，高永恒，馬 鋼

(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)

土壤水分波動(dòng)是土壤所經(jīng)歷的最普通和頻繁的自然過(guò)程，主要是由降水在時(shí)間上的分布不均而引起的，它使土壤經(jīng)歷了一個(gè)由厭氧到好氧的物理、化學(xué)和生物的變化過(guò)程[1]。低含水量土壤遇到降水時(shí)，土壤中的微生物活性被激發(fā)，土壤碳、氮在短時(shí)間內(nèi)以CO2和N2O形式排放到空氣中,或者以NH4+-N和NO3--N形式淋失，從而增加了大氣中溫室氣體的濃度，降低了土壤肥力[2-3]，這對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮的固持是非常不利的。有研究表明，低含水量土壤接受降水，土壤釋放CO2的速率比持續(xù)濕潤(rùn)處理迅速提高至少5倍，產(chǎn)生土壤呼吸的激增效應(yīng)[4]。Beare等[5]研究表明，土壤水分波動(dòng)無(wú)論在低含水量階段還是較高含水量階段，其N2O的產(chǎn)量均高于恒定含水量土壤。因此，探討土壤溫室氣體對(duì)土壤水分波動(dòng)的響應(yīng)，對(duì)認(rèn)識(shí)土壤碳、氮排放規(guī)律以及氣候變化研究有著重要的意義。

青藏高原平均海拔4 000 m以上，被稱為“世界第三極”，是生態(tài)學(xué)及其相關(guān)科學(xué)熱點(diǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究區(qū)域之一[6]。高寒草甸是青藏高原獨(dú)特的植被類型，土壤碳氮儲(chǔ)量較高，在區(qū)域乃至全球碳氮循環(huán)中有著重要的作用[7-8]。由于青藏高原地勢(shì)高，氣候特殊，并且降水的季節(jié)分配不均，降水日變化明顯，以致青藏高原地區(qū)高寒草地土壤經(jīng)歷著頻繁的土壤水分波動(dòng)過(guò)程。青藏高原氣候的未來(lái)變化趨勢(shì)是向暖濕方向發(fā)展，土壤低含水量時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)大暴雨概率增加，氣候土壤水分波動(dòng)的格局越發(fā)凸顯，所以未來(lái)高寒草甸土壤水分波動(dòng)程度將顯著加劇[9-10]。目前,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究報(bào)道較少，并且對(duì)土壤呼吸的影響因素的研究多集中溫度、水分、土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、土壤pH以及人為的施肥等[11-13]，水分波動(dòng)對(duì)土壤呼吸的影響鮮見報(bào)道?；谀壳扒嗖馗咴吆莸樯鷳B(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的研究現(xiàn)狀以及未來(lái)氣候變化的趨勢(shì)，對(duì)土壤水分波動(dòng)條件下青藏高原典型的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體(CO2、N2O)通量進(jìn)行研究，以期了解高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放對(duì)極端氣候下土壤水分波動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制，這將對(duì)認(rèn)識(shí)高寒草甸土壤溫室氣體排放及土壤碳、氮循環(huán)有著重要的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東部的若爾蓋高原紅原縣(33°54′ N、102°36′ E)，該地地勢(shì)東南部較高，西北部較低，淺丘山地和丘間低地構(gòu)成了該地區(qū)的主要地貌類型。試驗(yàn)點(diǎn)位于一個(gè)平坦的寬谷景觀內(nèi)，海拔在3 500 m以上，周圍環(huán)繞著一些高度為50～150 m的小山丘，為大陸性高原氣候，日溫差較大。年均降水量752 mm，5-9月的降水量占全年降水量的86%左右，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·m-2。年平均氣溫1.1 ℃，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。7月平均氣溫最高，約10.9 ℃；1月平均氣溫最低，約為-10.3 ℃。

試驗(yàn)樣地植被為典型高寒草甸植被，優(yōu)勢(shì)種是四川嵩草(Kobresiasetchwanesis)，主要伴生種有高山紫菀(Asteralpinus)、垂穗鵝冠草(Roegnerianutans)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)和草玉梅(Anemonerivularis)。據(jù)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院測(cè)定，試驗(yàn)樣地土壤pH為6.13，有機(jī)碳含量為46.42 g·kg-1，全氮含量為4.22 g·kg-1，0-10 cm土壤含水率最高值出現(xiàn)在7月，為58.60 cm3·cm-3，最低值出現(xiàn)在1月，為28.20 cm3·cm-3，植物生長(zhǎng)季平均含水率為49.00 cm3·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1土柱的建立 原狀土柱的采集工作在2012年12月26日進(jìn)行，采集地點(diǎn)位于四川省紅原縣境內(nèi)具有代表性的高寒草甸地段，所采集土柱的規(guī)格為長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、高65 cm，土柱規(guī)格參考了國(guó)際上通用的中型試驗(yàn)系的設(shè)計(jì)規(guī)格，既滿足對(duì)當(dāng)前試驗(yàn)效果和采樣的需要，又考慮了試驗(yàn)成本[14]。采集時(shí)土柱處于冰凍狀態(tài)，保留完整植被，整個(gè)采集過(guò)程盡可能降低草甸對(duì)土壤柱體的干擾，之后將該狀態(tài)下的土柱緊密放置于長(zhǎng)方體鋼桶中，使鋼桶略高于土體表面，并在土體中安置規(guī)格為長(zhǎng)54 cm、寬54 cm、高15 cm的底座，底座有約1 cm寬的水槽，露出土體表面2 cm以便放置靜態(tài)采氣箱。在鋼桶底部安裝有一根長(zhǎng)約70 cm長(zhǎng)的軟管，拉至鐵桶側(cè)面形成連通器用于觀測(cè)土柱中的水位(圖1)。當(dāng)需要測(cè)量土柱體積含水量時(shí)，用刻度尺從箱體底部測(cè)量土柱中水位，即為土柱體積含水量。將采集好的原狀土柱采取有效措施保存好以避免牦牛等家畜的破壞。

圖1 原狀土柱示意圖Fig. 1 Schematic diagram of lysimeter in undisturbed soil

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 基于試驗(yàn)區(qū)的最高含水量(59 cm3·cm-3)，本研究設(shè)置了高含水量(60 cm3·cm-3)-低含水量(30 cm3·cm-3)-高含水量(60 cm3·cm-3)的一個(gè)土壤水分波動(dòng)處理和一個(gè)恒濕對(duì)照，經(jīng)歷土壤水分波動(dòng)的處理在低含水量時(shí)期土壤含水量維持在30 cm3·cm-3，恒濕對(duì)照土壤含水量處理維持在60 cm3·cm-3，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。為避免試驗(yàn)過(guò)程中受到自然降水對(duì)設(shè)定土壤含水量的影響，在供試原狀土柱上方都放置了透光性良好且可移動(dòng)的簡(jiǎn)易遮雨棚，遮雨棚高為2 m，且四周敞開，遇到降水時(shí)及時(shí)將遮雨棚遮擋在6個(gè)原狀土柱上面，隔絕自然降水的影響，平時(shí)則移開簡(jiǎn)易遮雨棚，使6個(gè)土柱保持著和外界一樣的自然環(huán)境。所有試驗(yàn)處理于每天下午太陽(yáng)下山后觀測(cè)土柱體積含水量，通過(guò)土柱表面澆灌補(bǔ)充水分，水分下滲并通過(guò)軟管觀測(cè)是否達(dá)到目標(biāo)含水量。試驗(yàn)于2013年6月10日開始，此時(shí)所有處理土壤含水量維持在60 cm3·cm-3，于7月6日開始進(jìn)行降低含水量處理，于7月17日土壤含水量開始自然下降，9月12日達(dá)到目標(biāo)土壤含水量(30 cm3·cm-3)，在低含水量階段每天補(bǔ)充0.5 L水使土壤含水量維持在30 cm3·cm-3；9月12日開始補(bǔ)水，使所有處理土壤體積含水量恢復(fù)到60 cm3·cm-3左右。恒濕對(duì)照處理在試驗(yàn)期間每天補(bǔ)水，保持土壤體積含水量為60 cm3·cm-3左右。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

溫室氣體CO2和N2O采集和濃度測(cè)定：溫室氣體(CO2、N2O)樣品采用靜態(tài)箱法收集。采樣箱材質(zhì)為鐵，長(zhǎng)和寬均為50 cm，高度為40 cm，四周及箱頂均用保溫材料包裹。采樣箱頂部安裝有溫度計(jì)和穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管上套有橡膠軟管并配有夾子，箱體側(cè)面打孔并塞有橡膠塞，橡膠塞上插入注射器針頭用于采氣。每4天采集一次氣樣，每天09：00開始，每間隔10 min采集一針，共4針。采集氣樣時(shí)，先安裝好采樣箱頂部的溫度計(jì)和穩(wěn)壓管，之后使用100 mL氣密注射器插在箱體側(cè)面注射器針頭上，采集100 mL氣體樣品，采集好氣體后及時(shí)關(guān)閉氣密注射器上的三通閥，并且同時(shí)用夾子夾緊穩(wěn)壓管上的橡膠軟管。及時(shí)將采集的氣樣轉(zhuǎn)移至100 mL密封真空鋁箔氣袋中保存。采樣結(jié)束，及時(shí)移開采樣箱。將采集的氣體及時(shí)送往中科院成都山地所鹽亭試驗(yàn)站進(jìn)行分析，CO2和N2O的濃度使用氣相色譜分析儀(Agilent7890A)進(jìn)行分析。

土壤樣品的采集和分析：利用直徑2 cm的小型土鉆在2013年7月17日、2013年9月12日、2013年10月28日分別采集6個(gè)土柱表層0-10 cm土壤樣品，采集時(shí)在土柱底座外分別采取4個(gè)點(diǎn)的土樣。采得的土壤樣品及時(shí)分揀出植物體、根系和其他非土壤雜物，過(guò)2 mm篩，裝入密閉自封袋并及時(shí)進(jìn)行土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和溶解性有機(jī)碳的分析。采用105 ℃烘干法進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定，用流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer 3)測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。采集氣樣的同時(shí)，使用土壤溫度記錄儀測(cè)定土壤5 cm的體積含水量和土壤溫度，通過(guò)觀測(cè)靜態(tài)箱上的溫度計(jì)記錄采氣時(shí)靜態(tài)箱的溫度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

CO2和N2O的排放通量使用下述公式計(jì)算[15]：

式中：F表示CO2或N2O的通量[μg·(m2·h)-1]，C1和C2表示扣靜態(tài)箱前后土壤CO2或N2O的濃度(%)，A代表靜態(tài)箱底面積(m2)，V是靜態(tài)箱體積(m3)，T1和T2是扣靜態(tài)箱前后的溫度(℃)，t1和t2是扣靜態(tài)箱前后的時(shí)間(h)，M0代表溫室氣體摩爾質(zhì)量(g·mol-1)，m1和m2是扣靜態(tài)箱前后的溫室氣體質(zhì)量(mg或μg)。

溫室氣體累積排放量計(jì)算公式為：

S=∑(Fi+1+Fi)/2×24×(ti+1-ti)。

式中：S為溫室氣體(CO2和N2O)累積排放量，若為負(fù)值則表示累積吸收量；i為測(cè)定次數(shù)；t為測(cè)定日期。

數(shù)據(jù)運(yùn)算使用Microsoft Excel 2013，作圖使用Oringin 9。應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析：采用t檢驗(yàn)分析比較了土壤水分波動(dòng)處理和對(duì)照間的差異，并用回歸分析確定了各個(gè)觀測(cè)指標(biāo)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分波動(dòng)下土壤溫濕度變化

本研究設(shè)置了土壤體積含水量60-30-60 cm3·cm-3的土壤水分波動(dòng)循環(huán)。土壤水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照處理土壤5 cm溫度變化趨勢(shì)一致(圖2A)，無(wú)顯著差異(P>0.05)。土壤含水量在整個(gè)試驗(yàn)期間受人工調(diào)控，在設(shè)定值附近小幅度波動(dòng)(圖2B)。

2.2 土壤水分波動(dòng)下CO2排放特征

2.2.1CO2通量動(dòng)態(tài)變化 在整個(gè)試驗(yàn)階段，土壤水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照處理的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量變化趨勢(shì)基本一致，均是先增加后減少(圖3)。在土壤體積含水量60 cm3·cm-3階段，不同處理CO2排放通量沒有顯著差異(P>0.05)。在30 cm3·cm-3土壤含水量階段，土壤水分波動(dòng)處理CO2排放通量與恒濕對(duì)照處理差異顯著(P<0.05)。在補(bǔ)水后60 cm3·cm-3含水量階段，各處理土壤體積含水量均回到60 cm3·cm-3，CO2排放通量無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.2.2CO2累積排放量 在60 cm3·cm-3含水量階段和補(bǔ)水后60 cm3·cm-3含水量階段，水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照CO2累積排放量無(wú)顯著差異，但在30 cm3·cm-3含水量階段土壤水分波動(dòng)處理的土壤CO2累積排放量與恒濕對(duì)照處理差異顯著(P<0.05)。整個(gè)試驗(yàn)期間(6月10日至10月28日，約140 d)，與恒濕對(duì)照相比，經(jīng)歷了水分波動(dòng)的土壤CO2累積排放量增加了12.99%，總累積排放量顯著高于恒濕對(duì)照的CO2累積排放量(P<0.05)。

圖2 試驗(yàn)期間土壤溫濕度動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of soil moisture and temperature during the treatment

圖3 水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照處理CO2通量比較Fig. 3 Comparison of CO2 flux in moisture fluctuation treatment and control treatment

處理Treatment日期Date/(MM?DD)土壤水分Soilmoisture/(cm3·cm-3)CO2累積排放量CO2emission/(g·m-2)總累積量Totalaccumulation/(g·m-2)土壤水分波動(dòng)Soilmoisturefluctuation06?10-07?17600．62±0．01Ba07?17-09?12300．86±0．02Aa09?12-10?28600．27±0．05Ca1．74±0．03a恒濕對(duì)照Control06?10-07?17600．58±0．03Ba07?17-09?12600．75±0．03Ab09?12-10?28600．21±0．01Ca1．54±0．02b

不同小寫字母表示同一時(shí)間水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示不同含水量之間差異顯著(P<0.05)。表2同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference among moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant at the 0.05 level, different capital letters within the same row indicate significant difference among different water contents at the 0.05 level, similarly for Table 2.

2.3 土壤水分波動(dòng)下N2O排放特征

2.3.1N2O通量動(dòng)態(tài)變化 高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量在整個(gè)試驗(yàn)期間的變化較復(fù)雜，規(guī)律性不明顯。從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中來(lái)看，土壤水分波動(dòng)處理和恒濕對(duì)照處理的N2O通量有正也有負(fù)，說(shuō)明高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的N2O源匯功能一直在變化，試驗(yàn)期間土壤水分波動(dòng)處理和恒濕對(duì)照處理都不是固定的源或匯(圖4)。

2.3.2N2O累積排放量 總體來(lái)看，土壤水分波動(dòng)處理N2O的總累積量顯著低于恒濕對(duì)照(P<0.05)。不同階段水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照的N2O累積排放量差異不顯著(P>0.05)。試驗(yàn)前期(60 cm3·cm-3)。土壤水分波動(dòng)處理和恒濕對(duì)照N2O排放量均顯著低于試驗(yàn)后期(60 cm3·cm-3)，N2O排放量分別降低了1.25和1.22 mg·m-2。土壤水分波動(dòng)處理經(jīng)過(guò)補(bǔ)水后，N2O累積排放量較低含水量階段(30 cm3·cm-3)顯著(P<0.05)降低了0.62 mg·m-2(表2)。

2.4 土壤水分波動(dòng)下土壤碳和氮的變化

土壤水分波動(dòng)處理在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(10月28日)的土壤DOC濃度顯著高于降低土壤含水量前(7月17日前)及補(bǔ)水前(9月12日前)DOC濃度(P<0.05)(表3)。經(jīng)歷低含水量后(7月17日-9月12日)，土壤水分波動(dòng)處理的土壤DOC濃度下降了32.54 mg·kg-1，而此段時(shí)間內(nèi)恒濕處理下土壤DOC下降了15.86 mg·kg-1，二者差異顯著(P<0.05)；經(jīng)過(guò)補(bǔ)水以后至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(9月12日-10月28日)，土壤水分波動(dòng)處理的DOC濃度增加了120.46 mg·kg-1，此段時(shí)間內(nèi)恒濕處理土壤DOC增加了144.30 mg·kg-1，且恒濕對(duì)照DOC濃度增加量明顯高于土壤水分波動(dòng)處理(P<0.05)。從整個(gè)土壤水分波動(dòng)過(guò)程(60-30-60 cm3·cm-3)來(lái)看，恒濕對(duì)照處理土壤DOC濃度的增加量明顯高于土壤水分波動(dòng)處理。

土壤銨態(tài)氮含量在土壤水分波動(dòng)處理30 cm3·cm-3階段(7月17日-9月12日)顯著減少(P<0.05)(表3)，在補(bǔ)水后60 cm3·cm-3含水量階段(9月12日-10月28日)又增加，與恒濕對(duì)照土壤銨態(tài)氮變化趨勢(shì)一致。銨態(tài)氮含量在7月17日不同處理間差異不顯著(P>0.05)，9月12日和10月28日水分波動(dòng)處理顯著低于恒濕對(duì)照處理。土壤水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照的土壤硝態(tài)氮含量在整個(gè)試驗(yàn)期間都處于不斷減少過(guò)程，且在水分波動(dòng)處理后期硝態(tài)氮含量顯著低于恒濕對(duì)照處理(P<0.05)。

2.5 土壤水分波動(dòng)下土壤CO2排放的影響因素

2.5.1土壤溫度對(duì)CO2排放的影響 使用指數(shù)模型對(duì)5 cm土壤溫度和CO2通量的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)土壤水分波動(dòng)處理和恒溫對(duì)照處理的CO2通量與5cm土壤溫度都表現(xiàn)出了指數(shù)相關(guān)性(圖5)。計(jì)算得到土壤水分波動(dòng)處理和恒濕對(duì)照處理的Q10值分別為3.74和3.33，土壤水分波動(dòng)處理Q10值大于恒濕對(duì)照處理Q10值，表明土壤水分波動(dòng)增大了土壤呼吸的溫度敏感性。

圖4 水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照處理N2O通量Fig. 4 N2O flux in moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant

處理Treatment日期Date/(MM?DD)土壤水分Soilmoisture/(cm3·cm-3)N2O累積排放量N2Oemission/(mg·m-2)總累積量Totalaccumulation/(mg·m-2)土壤水分波動(dòng)Soilmoisturefluctuation06?10-07?17601．49±0．21Aa07?17-09?12300．86±0．28Ba09?12-10?28600．24±0．28Ca2．60±0．20b恒濕對(duì)照Control06?10-07?17601．85±0．15Aa07?17-09?12601．33±0．36Ba09?12-10?28600．63±0．21Ca3．81±0．02a

表3 土壤水分波動(dòng)處理與恒濕對(duì)照處理在水分波動(dòng)過(guò)程中土壤DOC、NH4+-N和NO3--N含量Table 3 Levels of soil DOC，NH4+-N and NO3--N with moisture fluctuations process in moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant

圖5 土壤溫度與CO2通量回歸關(guān)系Fig. 5 Relationship between CO2 fluxes and soil temperature

2.5.2DOC對(duì)CO2排放的影響 作為土壤微生物呼吸作用的底物，土壤DOC含量的變化影響到CO2的排放通量。降低土壤含水量時(shí)(7月17日)，CO2排放通量與土壤DOC濃度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在補(bǔ)水前(9月13日前)及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(10月27日)，CO2排放通量和土壤DOC濃度之間無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

2.6 土壤水分波動(dòng)下土壤N2O排放的影響因素

溫濕度和高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量之間沒有顯著相關(guān)性(表4)。恒濕對(duì)照處理N2O通量與土壤銨態(tài)氮含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。土壤水分波動(dòng)處理的N2O 通量與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

表4 各因素與N2O排放通量的相關(guān)性分析Table 4 Relationship between N2O emission and different factors

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。n=9。

**, indicates significant correlation at the 0.01 level.n=9.

3 討論

3.1 土壤水分波動(dòng)對(duì)高寒草甸CO2排放的影響

土壤水分波動(dòng)主要通過(guò)改變土壤水分，從而改變土壤的理化性質(zhì)[16]。研究表明,土壤含水量和土壤呼吸有極顯著正相關(guān)關(guān)系[17-18]；低含水量土壤補(bǔ)水后，土壤微生物活性會(huì)被激發(fā)，發(fā)生CO2排放量增加的情況[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)水分波動(dòng)處理的土壤比恒濕條件下土壤排放了更多的CO2。無(wú)論是土壤水分波動(dòng)處理，還是恒濕對(duì)照，土壤溫度都對(duì)CO2排放有顯著(P<0.05)影響。土壤釋放CO2與土壤溫度之間具有指數(shù)關(guān)系[20-21]，土壤呼吸會(huì)受到溫度的影響，溫度極高或者極低都會(huì)限制土壤呼吸。溫度通過(guò)影響土壤水分以及土壤微生物活性從而影響到土壤釋放CO2。有研究指出,土壤呼吸和DOC濃度具有正相關(guān)性，而且可能土壤呼吸釋放的CO2很大部分來(lái)自DOC[17,22]。本研究發(fā)現(xiàn),僅在試驗(yàn)開始時(shí)CO2通量與土壤DOC濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。原因是降低土壤含水量開始時(shí)所有處理的土壤體積含水量都在60 cm3·cm-3左右，溫度沒有顯著差異，植物在生長(zhǎng)初期，釋放的CO2主要來(lái)自于植物根際呼吸和土壤呼吸，因此土壤DOC濃度與CO2通量正相關(guān)。補(bǔ)水前植物開始茂盛生長(zhǎng)，土壤DOC濃度受到植物生長(zhǎng)的影響導(dǎo)致DOC濃度與CO2通量之間無(wú)顯著相關(guān)性。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，不同處理土壤DOC含量均顯著上升，此時(shí)土壤溫度降低，微生物活性降低，導(dǎo)致積累了大量的DOC。

3.2 土壤水分波動(dòng)對(duì)高寒草甸N2O排放的影響

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量極易受到多種環(huán)境因子的綜合影響，因此在整個(gè)生長(zhǎng)季波動(dòng)變化很大。試驗(yàn)前期(60 cm3·cm-3)土壤水分波動(dòng)處理和恒濕對(duì)照處理N2O累積排放量均顯著低于試驗(yàn)后期(60 cm3·cm-3)，原因是低溫降低了土壤微生物的活性，且NO3--N含量及NH4+-N含量顯著降低，減少了N2O的排放。土壤水分波動(dòng)處理在30 cm3·cm-3含水量階段N2O累積排放量顯著低于60 cm3·cm-3含水量階段，原因是土壤含水量在45%～75%之間硝化作用和反硝化作用共同作用可以產(chǎn)生更多的N2O[23],但在30 cm3·cm-3含水量階段不同處理間并未發(fā)現(xiàn)顯著差異，可能是植物生長(zhǎng)及土壤理化性質(zhì)的差異共同作用的結(jié)果。對(duì)總N2O累積排放量而言，土壤水分波動(dòng)處理N2O累積排放量顯著低于恒濕對(duì)照，但在不同階段不同處理間N2O累積排放量沒有顯著差異，可能是多種環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[24]，想要進(jìn)一步研究土壤水分波動(dòng)對(duì)N2O排放的影響，應(yīng)該控制其他影響因素，在單因素條件下研究可能得到更可靠的結(jié)果。

溫度和濕度均與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量無(wú)顯著相關(guān)性，這一結(jié)論與張惠等[25]的研究結(jié)果一致。對(duì)于無(wú)機(jī)氮，本研究發(fā)現(xiàn)，僅恒濕對(duì)照處理土壤銨態(tài)氮含量與N2O通量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是由于微生物活性較強(qiáng)消耗或固定了較多的氮[26]。

4 結(jié)論

土壤水分波動(dòng)增加了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量。CO2排放通量與土壤溫度呈正指數(shù)關(guān)系(土壤水分波動(dòng)R2=0.827，恒濕對(duì)照R2=0.791，P<0.05)。在開始的高含水量階段，CO2排放與DOC含量有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但在低含水量階段，無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。這表明，水分波動(dòng)增加了高寒草甸CO2排放通量，影響了土壤碳過(guò)程，反映出土壤水分波動(dòng)過(guò)程中DOC和CO2關(guān)系的復(fù)雜性。

土壤水分波動(dòng)顯著減少了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放。溫度和濕度與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放量無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。恒濕對(duì)照處理的N2O通量與土壤銨態(tài)氮含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，土壤水分波動(dòng)處理的N2O通量與土壤礦化態(tài)氮含量無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

References:

[1] 王健波,張燕卿,嚴(yán)昌榮,劉恩科.干濕交替條件下土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化及影響機(jī)制研究進(jìn)展.土壤通報(bào),2013,44(4):998-1004.

Wang J B,Zhang Y Q,Yan C R,Liu E K.Research advances in soil organic carbon transformation as related to drying and wetting cycles.Chinese Journal of Soil Science,2013,44(4)：998-1004.(in Chinese)

[2] Schimel J P,Wetterstedt J A M,Holden P A,Trumbore S E.Drying/rewetting cycles mobilize old C from deep soils from a California annual grassland.Soil Biology & Biochemistry,2011,43(5):1101-1103.

[3] Borken W E.Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils.Global Change Biology,2009,15(4):808-824.

[4] Kim D G,Vargas R,Bondlamberty B,Turetsky M R.Effects of soil rewetting and thawing on soil gas fluxes：A review of current literature and suggestions for future research.Biogeosciences,2011,9(7):2459-2483.

[5] Beare M H,Gregorich E G,St-Georges P.Compaction effects on CO2and N2O production during drying and rewetting of soil.Soil Biology & Biochemistry,2009,41(3):611-621.

[6] Lu X,Yan Y,Fan J,Wang X.Gross nitrification and denitrification in alpine grassland ecosystems on the Tibetan Plateau.Arctic Antarctic & Alpine Research,2012,44(2):188-196.

[7] 王根緒,程國(guó)棟,沈永平.青藏高原草地土壤有機(jī)碳庫(kù)及其全球意義.冰川凍土,2002,24(6):693-700.

Wang G X,Cheng G D,Shen Y P.Soil organic carbon pool of grasslands on the tibetan plateau and its global implication.Journal of Glaciology and Geocryology,2002,24(6)：693-700.(in Chinese)

[8] 張東杰.青藏高原高寒草甸植被與土壤特征.草業(yè)科學(xué),2015,32(2):269-273.

Zhang D J.Comparisons of vegetation and soil characteristics of Qinghai-Tibet Plateau.Pratacultural Science,2015,32(2):269-273.(in Chinese)

[9] 馮新靈,羅隆誠(chéng),邱麗麗,馮自立.青藏高原至中國(guó)東部年雨日變化趨勢(shì)的分形研究.地理研究,2007,26(4):835-843.

Feng X L,Luo L C,Qiu L L,Feng Z L.Fractal research of rainy day changing trend from Tibetan Plateau to Eastern China.Geographical Research,2015,26(4)：201-209.(in Chinese)

[10] 杜巖功,曹廣民,鄧永翠,崔驍勇.金露梅灌叢草甸氧化亞氮排放特征及凍融交替的影響研究.山地學(xué)報(bào),2009,27(6):688-697.

Du Y G,Cao G M,Deng Y C,Cui X Y.Characterization and the effect to freezing-throwing on N2O emissioninan alpinePotentillafruticosashrub meadow.Journal of Mountain Science,2009,27(6):688-697.(in Chinese)

[11] 徐洪靈.青藏高原東緣高寒草甸土壤呼吸速率日變化及影響因子比較研究.成都：四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

Xu H L.A Comparative study on diurnal course of soil respiration rate and affecting factors of alpine meadow at Eastern Qinghai-Tibetan Plateau.Master Thesis.Chengdu:Sichuan Normal University,2009.(in Chinese)

[12] 寇淑嫻.亞高寒草甸棄耕地恢復(fù)演替過(guò)程中土壤呼吸動(dòng)態(tài)與影響因子研究.蘭州:蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011．

Kou S X.Ecological factors on soil respiration during natural restoration and succession of the sub-alpine meadow.Master Thesis.Lanzhou：Lanzhou University,2011.(in Chinese)

[13] 金冠一,趙秀海,郭依秋.太岳山油松人工林干濕交替時(shí)期土壤呼吸特征.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2012,18(6):904-910.

Jin G Y,Zhao X H,Guo Y Q.Dynamics of soil respiration during alternate drying-wetting period inPinustabulaeformisplantation of the Taiyue Mountain,China.China Journal Application Environment Biology,2012,18(6):904-910.(in Chinese)

[14] Knorr K H,Blodau C.Impact of experimental drought and rewetting on redox transformations and methanogenesis in mesocosms of a northern fen soil.Soil Biology & Biochemistry,2009,41(6):1187-1198.

[15] 馬鋼.高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)CO2和N2O排放對(duì)土壤干濕交替的響應(yīng).蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

Ma G.Responses of CO2and N2O emissions to alternating wetting and drying in alpine meadow ecosystem.Master Thesis.Lanzhou：Gansu Agricultural University,2014.(in Chinese)

[16] 肖興艷,張雷一,劉方,姚斌,龍健.兩種土壤改良劑對(duì)3種牧草生長(zhǎng)及土壤含水量的影響.草業(yè)科學(xué),2015,32(11):1887-1891.

Xiao X Y,Zhang L Y,Liu F,Yao B,Long J.Effects of conditioners on growth of different forage species and soil moisture in Karst region.Pratacultural Science.2015,32(11):1887-1891.(in Chinese)

[17] 劉云凱.干濕交替對(duì)東北溫帶天然林和落葉松人工林土壤呼吸的影響.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

Liu Y K.Respnce of soil respiration to soil rewetting in temperation natural forest andLarixolgensisplantation in northeast China.Master Thesis.Harbin：Northeast Forestry University,2010.(in Chinese)

[18] 張玉銘,胡春勝,張佳寶,董文旭,王玉英,宋利娜.農(nóng)田土壤主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的源/匯強(qiáng)度及其溫室效應(yīng)研究進(jìn)展.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,19(4):966-975.

Zhang Y M,Hu C S,Zhang J B,Dong W X,Wang Y Y,Song L N.Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO2,CH4and N2O in agricultural soils.Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011,19(4)：966-975.(in Chinese)

[19] 常宗強(qiáng),馮起,司建華,蘇永紅,席海洋.土壤水熱條件對(duì)祁連山荒漠草原土壤CO2通量的影響.干旱區(qū)地理,2007,30(6):812-819.

Chang Z Q,Feng Q,Si J H,Su Y H,Xi H Y.Influence of soil moisture temperature conditions on surface CO2efflux in desert steppe of the Qilian Mountains.Arid Land Geography,2008,30(6)：812-819.(in Chinese)

[20] Tang X L,Zhou G Y,Liu S G,Zang D Q,Liu S Z,Li J,Zhou C Y.Dependence of soil respiration on soil temperature and soil moisture in successional forests in southern China.Journal of Integrative Plant Biology,2006,48(6):654-663.

[21] 陳驥,曹軍驥,魏永林,馬扶林,陳迪超,馮嘉峪,夏瑤,岑燕.青海湖北岸高寒草甸草原非生長(zhǎng)季土壤呼吸對(duì)溫度和濕度的響應(yīng).草業(yè)學(xué)報(bào),2014(6):78-86.

Chen J,Cao J J,Wei Y L,Ma F L,Chen D C,Feng J Y,Xia Y,Cen Y.Effect of grazing exclusion on soil respiration during the dormant season in alpine meadow grassland ecosystems on the northern shore of Qinghai Lake.Acta Prataculturae Sinica,2014,23(6)：78-86.(in Chinese)

[22] 馬鋼,王平,王冬雪,徐世權(quán).高寒灌叢土壤溫室氣體釋放對(duì)添加不同形態(tài)氮素的響應(yīng).草業(yè)學(xué)報(bào),2015,24(3):20-29.

Ma G,Wang P,Wang D X,Xu S Q.Responses of soil greenhouse gases emissions to different forms of nitrogen in alpine shrub.Acta Prataculturae Sinica,2015,24(3):20-29.(in Chinese)

[23] 封克,殷士學(xué).影響氧化亞氮形成與排放的土壤因素.土壤學(xué)進(jìn)展,1995(6):35-42.

Feng K,Yin S X.Factors influencing the formation and emissions of nitrous oxide soil.Progress in Soil Science，1995,23(6)：35-40.(in Chinese)

[24] 齊玉春,董云社.土壤氧化亞氮產(chǎn)生、排放及其影響因素.地理學(xué)報(bào),1999,54(6):534-542.

Qi Y C,Dong Y S.Nitrous oxide emissions from soil and some influence factors.Acta Geographica Sinica,1999,54(6):534-542.(in Chinese)

[25] 張惠,楊正禮,羅良國(guó),張晴雯，易軍，楊世琦，陳媛媛，王明.黃河上游灌區(qū)稻田N2O排放特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(21):6606-6615.

Zhang H，Yang Z L，Luo L G，Zhang Q W，Yi J，Yang S Q，Chen Y Y，Wang M.The feature of N2O emission from a paddy field in irrigation area of the Yellow River.Acta Ecologica Sinica，2011，31(21):6606-6615．(in Chinese)

[26] Mikha M M,Rice C W,Milliken G A.Carbon and nitrogen mineralization as affected by drying and wetting cycles.Soil Biology & Biochemistry,2005,37(2):339-347.