青藏高原種植飼草農(nóng)田一氧化氮周年排放特征

林 菲，劉春巖，胡曉霞，付永鋒，張 偉，王 睿，姚志生，鄭循華

（1.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室，北京100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

一氧化氮（NO）具有極強的活性，參與一系列大氣化學(xué)過程，顯著影響對流層臭氧濃度、二次氣溶膠生成、酸雨形成和大氣氮沉降過程。對流層NO 主要來自于化石燃料燃燒，然而土壤排放在全部排放源中貢獻(xiàn)顯著（約15%）[1]，在農(nóng)業(yè)區(qū)占絕對主導(dǎo)。

我國陸地土壤NO 排放量粗略估計為588～2132 Gg N·a-1，其中旱地農(nóng)田土壤排放量占比超過1/3[2]。關(guān)于我國農(nóng)田土壤NO 排放清單估算仍存在較大的不確定性，主要有三方面的原因：第一，缺乏典型氣候區(qū)代表性耕作制度農(nóng)田NO 排放通量觀測數(shù)據(jù)。我國現(xiàn)有農(nóng)田NO 排放通量觀測研究都集中于東部溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域，主要關(guān)注農(nóng)業(yè)集約化程度較高的玉-麥、稻-麥輪作農(nóng)田和蔬菜地。1950 年以來，大規(guī)模草地開墾使得溫帶大陸性氣候區(qū)農(nóng)田面積迅速增加，現(xiàn)有農(nóng)田面積約1/5 來自于草地開墾[3]。開墾后的農(nóng)田主要用于糧食和飼料生產(chǎn)，然而這部分農(nóng)田NO 排放通量觀測未見報道。第二，很多農(nóng)田NO 排放通量觀測研究僅關(guān)注施肥期和生長季，已有研究表明，季節(jié)性凍土區(qū)土壤凍融過程促進(jìn)土壤礦化[4]，無機碳氮底物濃度增加是否會促進(jìn)非生長季NO 排放，非生長季累積排放量對周年排放總量的重要性等問題尚待評估。第三，農(nóng)田NO 排放清單估算大都基于直接排放因子和統(tǒng)計模型方法[2]，由于缺少無氮對照處理和相關(guān)環(huán)境變量同步觀測，典型農(nóng)業(yè)區(qū)NO 直接排放因子水平和影響NO 排放的主控環(huán)境因子仍缺乏系統(tǒng)研究。此外，NO 排放通量具有很高的季節(jié)變異特點，土壤類型、氣候條件、種植制度和管理方式等多種因素顯著影響NO 排放過程和直接排放因子水平[5-6]，采用缺省排放因子（或者國外研究結(jié)果）和簡化的統(tǒng)計模型（如：土壤溫度和NO 排放的關(guān)系）[7]，導(dǎo)致我國農(nóng)田NO排放清單存在較大的不確定性。

主要分布于青藏高原的高寒草甸是我國面積最大的草地類型[8]。20世紀(jì)60年代以來，隨著放牧強度的迅速增加，高寒草甸普遍遭到過度放牧影響，為了維持高的放牧強度并解決飼草季節(jié)不平衡問題，大量草甸被開墾成農(nóng)田種植飼草。燕麥（Avena sativa L.）在我國種植歷史悠久，在青藏高原地區(qū)因受高原氣候限制而無法成熟，因此，一般于生長季末收獲地上部分曬干后作為放牧家畜冬春季飼草。燕麥的種植面積約占青藏高原人工飼草種植總面積的70%，是該地區(qū)種植的最主要飼草[9]，由于經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)，青藏高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥用量較低[10]，氮肥以尿素為主，飼草農(nóng)田氮肥施用量通常為60～75 kg N·hm-2[11]。

本研究在青藏高原東緣高寒草甸開墾后種植燕麥的農(nóng)田上，開展了周年NO 排放通量、直接排放因子和相關(guān)環(huán)境因子的同步觀測研究，該研究將：（1）填補我國草地開墾后種植飼草農(nóng)田NO 排放量和直接排放因子研究的缺失；（2）定量評估土壤季節(jié)性凍融對NO 排放的影響，以及寒溫帶大陸性氣候區(qū)農(nóng)田非生長季NO 排放對年排放總量的重要性；（3）探尋影響寒溫帶大陸性氣候區(qū)農(nóng)田NO 排放的主控環(huán)境因子，預(yù)估未來氣候變化對NO排放的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

燕麥地（37°37′58″N，101°17′58″E，海拔3040 m）位于青海省海北州門源縣境內(nèi)，距中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)實驗站約6 km，樣地面積2 hm2，地形平坦，為典型的高原氣候，2012—2015 年的年均氣溫和降雨量分別為-0.3 ℃和524 mm，土壤類型為草氈寒凍雛形土[12]。該樣地于1965 年由放牧高寒矮嵩草草甸[主要優(yōu)勢植物有矮嵩草（Kobresia humilis）、垂穗披堿草（Elymus nutans）、異針茅（Stipa aliena）、麻花艽（Gentiana straminea Maxim）等]開墾而來，其后一直用于種植飼草燕麥。1980—2009 年施化肥和羊糞，2010 年以后只施用化肥。2014 年5 月22 日翻耕（深度20 cm）；5 月26 日將種子（375 kg·hm-2）、尿素（67 kg N·hm-2）和磷酸氫二銨（10 kg P·hm-2）混合均勻后，使用旋耕機翻入土中（深度3～5 cm）；10 月2 日人工收獲地上生物質(zhì)，捆扎晾干后堆放，留待冬季作為家畜（藏系羊和牦牛）飼草。該樣地屬于粗放管理的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，無灌溉、噴灑殺蟲劑和除草劑等管理措施。

本研究的田間試驗期為2014 年5 月3 日至2015年5 月2 日，其間，設(shè)置施肥（F）和不施肥處理（UF），每個處理隨機布設(shè)4 個5 m×5 m 的空間重復(fù)樣方。UF 處理設(shè)置2 m 的緩沖帶以免受到邊際效應(yīng)影響和施肥干擾，僅觀測試驗當(dāng)年不施用化肥，其他的管理活動（如翻耕、播種和收獲等）與F處理相同。

1.2 NO排放通量觀測方法

本研究采用靜態(tài)暗箱采樣-化學(xué)發(fā)光分析方法測定陸地生態(tài)系統(tǒng)-大氣界面NO 交換通量[7，13-14]，觀測頻率通常為每星期1～2次，翻耕施肥期和凍融期觀測頻率增加至每日或每2 d 一次。靜態(tài)暗箱（長50 cm×寬50 cm×高40 cm，有頂無底）由304 不銹鋼（厚度1 mm）制成，箱體外覆蓋發(fā)泡隔熱材料（厚度1 cm），隔熱材料外表面粘貼反光錫箔紙，以降低罩箱采樣過程中箱內(nèi)溫度的劇烈變化。當(dāng)燕麥生長高度超過50 cm 時，增加中段采樣箱（長50 cm×寬50 cm×高40 cm，無底無頂）。在試驗開始前一周將不銹鋼基座（長50 cm×寬50 cm×高15 cm，板厚3.0 mm）埋設(shè)入土壤中，除必要的農(nóng)田管理活動（如：翻耕）外，整個觀測期基座一直埋設(shè)在土壤中，基座上緣粘貼有6 mm厚的橡膠材料，以確保采樣時靜態(tài)暗箱與基座之間的密封性。每個靜態(tài)箱頂部安裝有氣壓平衡管（內(nèi)徑7.4 mm，長度12 cm），目的是平衡罩箱和采樣過程中靜態(tài)箱內(nèi)外氣壓。罩箱和采樣過程中，平衡管打開，其余罩箱時間處于關(guān)閉狀態(tài)。

為了定量罩箱期間靜態(tài)暗箱內(nèi)NO 濃度累積速率，罩箱前后各采集一個氣體樣品，罩箱前先采集本底空氣，測定結(jié)果代表箱內(nèi)空氣初始濃度（C0），罩箱后大約10 min，從箱內(nèi)抽取第二個氣體樣品。采集氣體樣品時，用抽氣泵（N86KNDC，KNF Neuberger，Inc.，F(xiàn)reiburg，Germany）抽取1.5 L 氣體樣品（抽氣泵采樣流速約2 L·min-1），儲存在鋁復(fù)合膜氣體采樣袋（LB301，Dalian Delin Gas Packing Co.，Ltd，China）中，采樣結(jié)束后2 h 內(nèi)，采用基于化學(xué)發(fā)光原理的NONO2-NOx分析儀（model 42i，Thermo Environmental Instruments Inc.，F(xiàn)ranklin，USA）測定NO 和二氧化氮（NO2）的體積混合比濃度（1 nL·L-1），NO-NO2-NOx分析儀每兩個月進(jìn)行一次NO 濃度梯度標(biāo)定。采集罩箱后的氣體樣品時，損失的箱內(nèi)空氣通過靜態(tài)暗箱頂部安裝的氣壓平衡管補充，因此，需要通過以下公式矯正罩箱后箱內(nèi)實際的NO 和NO2濃度：

式中：Ct′為矯正的罩箱后箱內(nèi)空氣的NO 或NO2濃度；C0和Ct為罩箱前、后測定的NO或NO2濃度；Vc和Vs為靜態(tài)箱體積（100 L 或200 L）和采集氣體樣品的體積（1.5 L）?；诓蓸酉鋬?nèi)氣體濃度呈線性累積的假設(shè)，根據(jù)同步測定的罩箱前、后的NO 和NO2濃度（C0和Ct′）、箱內(nèi)氣溫、大氣壓力、采樣箱高度和罩箱時間計算得到NO 和NO2的交換通量[13]，由于土壤無產(chǎn)生和排放NO2的機制，罩箱期間NO2濃度累積（NO2正通量）主要來自于土壤排放的NO 與臭氧反應(yīng)生成，因此，當(dāng)NO2通量計算值為正值時，NO 與NO2交換通量之和代表土壤NO 排放通量[14]。氣體樣品采集時間為上午8：00—10：00，該時段測定的氣體交換通量能夠最大程度代表日平均交換通量，季節(jié)和周年累積排放通量計算方法詳見蒙世協(xié)等[15]。

1.3 環(huán)境因子測量方法

本研究在觀測NO 排放通量的同時，還同步測定了降水量（包括降雨和降雪）、空氣溫度（Ta，1.5 m）、土壤溫度（Ts，5 cm）、土壤（0～6 cm）體積含水量，以及表層土壤（0～10 cm）的銨態(tài)氮（）、硝態(tài)氮（）和水浸提有機碳（WEOC）含量等環(huán)境因子。主要氣象因子觀測地點位于中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)實驗站內(nèi)，日降水和降雪量分別由自動（RG13H，Vaisala，F(xiàn)inland）和手動雨量筒測定，空氣溫度（HMP155，Vaisala）以10 min 間隔自動記錄。氣體通量測定當(dāng)天，手動記錄采樣時箱內(nèi)空氣溫度，以及周圍環(huán)境的土壤溫度（JM624，Jin Ming Instrument Co.，Ltd.，China）和土壤體積含水量（ML2x，ThetaKit，Delta-T Devices，Cambridge，UK）。非生長季土壤凍結(jié)后，采用環(huán)刀采樣稱重法測定土壤體積含水量。每個處理用土鉆采集4 個空間重復(fù)土壤樣品，去根，混合后過2 mm 篩，再從中取3 個重復(fù)樣品（每個樣品濕土質(zhì)量24 g），加入100 mL 1 mol·L-1的氯化鉀溶液浸提，浸提液用于測定和含量，水土比5∶1、振蕩1 h，定性濾紙過濾，聚對苯二甲酸類塑料瓶儲存樣品，-18 ℃左右冷凍保存；另外取3 個重復(fù)樣品，用去離子水浸提，浸提液用于測定WEOC 含量，水土比5∶1，振蕩1 h，6000 r·min-1離心5 min，0.45 μm孔徑的聚醚砜膜過濾上清液，聚對苯二甲酸類塑料瓶儲存樣品，-18 ℃左右冷凍保存。冷凍的浸提液樣品在4 ℃條件下解凍24 h 后，采用流動分析儀（Skalar Analytical B.V.，Breda，Netherlands）測定浸提液中、和WEOC含量。

除上述動態(tài)環(huán)境因子，試驗期間還采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法和凱氏定氮法[16]測定了土壤有機碳和總氮含量（0～20 cm），采用馬爾文激光粒子分析法[17]測定土壤機械組成（即黏粒、粉粒和砂粒含量，0～20 cm），水土比2.5∶1 測定土壤pH（0～10 cm，PHS-3C，INESA，Shanghai，China），環(huán)刀采樣稱重法于生長季始末測定土壤容重（0～6 cm），生長季末收獲植物地上部分，105 ℃殺青1 h 后，60 ℃烘干48 h 至恒質(zhì)量，測定地上部分生物量，見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤充水孔隙度指土壤體積含水量與總孔隙度的百分比，計算公式如下：

表1 施肥和不施肥處理土壤理化性質(zhì)和地上生物量Table 1 Soil properties and aboveground biomass of the fertilized and unfertilized treatments

式中：WFPS 為土壤充水孔隙度，%；VMC 為土壤體積含水量，%；BD 為土壤容重，g·cm-3；礦質(zhì)土壤的平均土壤密度值為2.65 g·cm-3。

直接排放因子指施肥導(dǎo)致的NO 直接排放量（不含淋溶和氣態(tài)氮排放后沉降到農(nóng)田導(dǎo)致的間接排放）與氮肥施用量的百分比，計算公式如下：

式中：EFd為直接排放因子，%；EF和EUF為施肥和當(dāng)年不施肥處理周年累積NO 排放量，kg N·hm-2·a-1，F(xiàn)N為氮肥施用量，kg N·hm-2·a-1。

土壤翻耕至燕麥?zhǔn)斋@期定義為生長季（GS），其余時期定義為非生長季（NGS）。翻耕及其后三周定義為翻耕施肥期（TFP）。冬春轉(zhuǎn)換季節(jié)，空氣溫度持續(xù)在-10～0 ℃之間的時期定義為凍融期（FTP），具體時間見表2。

表2 生長季、非生長季、翻耕施肥期和凍融期定義Table 2 Definitions of growing and non-growing seasons and tillage-fertilization and freeze-thaw periods

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

研究區(qū)域年平均空氣溫度-0.6 ℃，最大、最小月平均空氣溫度分別出現(xiàn)在7 月（10.6 ℃）和12 月（-14.0℃）。年降水量（雨和雪合計）603.8 mm，78%的降水集中在生長季。由圖1 可知，土壤溫度與空氣溫度表現(xiàn)出相同的季節(jié)變化趨勢，F(xiàn) 和UF 處理間無顯著差異。F 處理年平均WFPS（47.8%±2.5%）略高于UF 處理（44.6%±2.6%），但差異并不顯著，兩個處理非生長季W(wǎng)FPS 顯著高于生長季（P＜0.01，表3）。土壤、和WEOC 含量（0～10 cm）受管理活動（翻耕與施肥）和土壤凍融過程影響表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，翻耕施肥期和凍融期土壤、和WEOC含量較高。除翻耕施肥期外，土壤無機氮以形態(tài)為主，化肥氮施用顯著增加F處理和含量（P＜0.01）。盡管F處理收獲的地上生物量顯著高于UF處理（P＜0.01），但是兩處理間土壤WEOC含量無顯著差異。

2.2 NO排放與直接排放因子

施肥導(dǎo)致F處理NO 地氣界面交換通量的變異范圍（-0.5～553.2 μg N·m-2·h-1）遠(yuǎn)大于UF 處理（-0.5～62.9 μg N·m-2·h-1，圖2），偶爾觀測到的負(fù)通量全部出現(xiàn)在最冷的12 月份，負(fù)通量值（-0.5～-0.1 μg N·m-2·h-1）大都位于觀測系統(tǒng)檢測下限值（±0.4 μg N·m-2·h-1）以內(nèi)，這表明負(fù)通量有可能代表NO 的沉降，也可能是儀器的檢測噪音。F 和UF 處理最高的排放通量均出現(xiàn)在翻耕施肥期，除此之外，凍融期NO排放通量較冬季顯著增加（圖2）。F 和UF 處理翻耕施肥期NO平均排放通量顯著高于生長季平均值，凍融期平均排放通量同樣顯著高于非生長季平均值（P＜0.01）。

F 和UF 處理全年累積NO 排放量分別為0.80±0.06 kg N·hm-2·a-1和0.18±0.04 kg N·hm-2·a-1，前者顯著高于后者（P＜0.01，表4），周年NO 直接排放因子為0.93%±0.10%。翻耕施肥期和凍融期合計73 d，兩個關(guān)鍵期NO 累積排放量之和占F 和UF 處理全年累積排放量的85%和65%，周年累積NO 排放主要集中在這兩個關(guān)鍵期。此外，非生長季累積NO 排放量占F和UF處理全年累積排放量的13%和45%，因此，非生長季連續(xù)觀測對于準(zhǔn)確定量UF 處理累積排放量和NO直接排放因子至關(guān)重要。

2.3 環(huán)境因子對NO排放通量的影響

單因子分析結(jié)果顯示：Ts、WFPS、底物濃度（、和WEOC 含量）和NO 排放通量均呈現(xiàn)顯著指數(shù)相關(guān)（P＜0.01，表5）。隨著Ts和反應(yīng)底物濃度的增加NO 排放通量指數(shù)增長，然而，隨著WFPS 的增加，NO排放通量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，F(xiàn) 處理較高的NO 排放通量出現(xiàn)在WFPS 25%～30%之間（圖3）。

單因子分析無法準(zhǔn)確描述生物地球化學(xué)循環(huán)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程及環(huán)境因子之間的相互作用與協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)把Ts和NO 排放通量指數(shù)相關(guān)方程中指前因子由常數(shù)變成變量進(jìn)行多因子分析時，結(jié)果顯示：Ts、WFPS 和底物濃度（、和WEOC 含量）共同作用并極顯著影響NO 排放通量，多因子分析擬合方程的決定系數(shù)由單因子分析的25%～86%增加到92%（表5），這表明NO 排放通量受Ts、WFPS 和反應(yīng)底物濃度的共同影響，這些因子與NO 排放通量的簡單統(tǒng)計分析模型，能夠較好地表征NO 排放通量季節(jié)變化規(guī)律與環(huán)境調(diào)控機制（決定系數(shù)為0.92）。

圖1 施肥與不施肥處理環(huán)境因子的周年動態(tài)Figure 1 Year-round dynamics of environmental factors at the fertilized and unfertilized treatments

表3 施肥與不施肥處理降水量和土壤變量的季節(jié)和周年平均值Table 3 Seasonal and annual averages of precipitation and soil factors at the fertilized and unfertilized treatments

圖2 施肥與不施肥處理NO通量和累積排放量動態(tài)Figure 2 Year-round dynamics of NO fluxes and cumulative emissions at the fertilized and unfertilized treatments

表4 施肥與不施肥處理季節(jié)和周年累積NO排放量Table 4 Seasonal and annual cumulative NO emissions from the fertilized and unfertilized treatments

溫度敏感性指數(shù)（Q10）指溫度每升高10 ℃化學(xué)反應(yīng)速率增加的倍數(shù)，生物地球化學(xué)循環(huán)研究常用Q10值表征氣體排放速率對溫度的敏感性。如果采用單因子分析方法，指數(shù)方程中指前因子為常數(shù)的方程形式計算得到的NO 排放通量對Ts的敏感系數(shù)Q10值為8.8（F）和8.3（UF）；如果采用多因子分析方法，指數(shù)方程中指前因子為變量的方程形式計算得到的NO 排放通量對Ts的敏感系數(shù)Q10值為2.4（F）和2.5（UF），可見利用不同數(shù)據(jù)構(gòu)建的差異化數(shù)學(xué)分析和經(jīng)驗?zāi)Ｐ停嬎愕玫降腘O 排放通量對Ts的敏感系數(shù)Q10值差異顯著（表5）。

3 討論

3.1 青藏高原種植飼草農(nóng)田NO排放量與排放因子

我國農(nóng)田NO 排放通量周年觀測研究較少，已報道的10 余個研究地點都集中于東部溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域。本研究觀測的高原氣候區(qū)青藏高原東緣種植飼草農(nóng)田的施肥量（67 kg N·hm-2·a-1）和NO排放通量（0.80±0.06 kg N·hm-2·a-1）均遠(yuǎn)低于東部溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域農(nóng)田施肥量（85～1156 kg N·hm-2·a-1）和NO 排放通量（1.66～6.59 kg N·hm-2·a-1）[2]。不施肥處理的排放量通常被稱為農(nóng)田背景排放，本研究燕麥農(nóng)田NO 背景排放量（UF：0.18 ± 0.04 kg N·hm-2·a-1）同樣顯著低于全國平均水平（0.57 kg N·hm-2·a-1[18]；0.54 kg N·hm-2·a-1[2]），這表明青藏高原地區(qū)粗放管理的飼草農(nóng)田NO 排放量與其他區(qū)域有顯著差異，高原氣候區(qū)極低的年平均溫度（＜0 °C）和低施肥量（50～70 kg N·hm-2·a-1）是造成飼草農(nóng)田NO 周年累積排放量偏小的主要原因。

圖3 施肥與不施肥處理土壤變量與NO通量的相關(guān)關(guān)系Figure 3 Correlations between soil factors and NO fluxes at the fertilized and unfertilized treatments

表5 施肥和不施肥處理土壤變量與NO排放通量的相關(guān)關(guān)系Table 5 Relationships between soil factors and NO fluxes at the fertilized and unfertilized treatments

排放因子方法被廣泛應(yīng)用于全球農(nóng)田NO 排放清單和排放總量的估算[2，18-19]，排放因子方法估算結(jié)果的可靠性依賴于活動數(shù)據(jù)和排放因子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性。缺少周年的、代表性區(qū)域的和背景排放的觀測，導(dǎo)致農(nóng)田NO 排放因子數(shù)據(jù)和排放清單估算結(jié)果存在不確定性。Yan 等[18]和Huang 等[2]估算了我國旱地農(nóng)田NO 直接排放因子平均值為0.48%和0.67%，Liu 等[6]報道我國低碳石灰性土壤旱地農(nóng)田NO 直接排放因子為0.22%～0.54%，這些結(jié)果都低于本研究測定的燕麥農(nóng)田（0.93%±0.10%）。表明高原氣候區(qū)低溫和低施肥量的特點導(dǎo)致其農(nóng)田NO 周年累積排放量低于我國東部溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)域，但是當(dāng)溫濕度條件適宜，如本研究測定年份平均溫度和降水量（-0.6 ℃和603.8 mm）高于近30 年平均值（1980—2012：-1.3 ℃和527.9 mm，Zhang 等[20]）的情況下，翻耕施肥期和凍融期表現(xiàn)出較高的NO 排放通量，并顯著貢獻(xiàn)于全年累積排放總量（85%），種植燕麥農(nóng)田NO 直接排放因子高于我國石灰性土壤地區(qū)和全國的平均狀況，同時略低于全球平均值（1.16%）[21]，因此，采用缺省排放因子方法（如采用我國東部觀測數(shù)據(jù)、國外研究結(jié)果、全國或全球平均狀況）將給高原氣候區(qū)農(nóng)田NO 排放清單估算造成偏差，加強高原氣候區(qū)代表性農(nóng)田（燕麥、青稞和油菜等）周年NO排放量和直接排放因子觀測十分必要。

3.2 NO排放的關(guān)鍵時期及環(huán)境因子影響

已有的研究廣泛報道了翻耕施肥期高NO 排放通量對周年累積排放量的顯著貢獻(xiàn)，翻耕導(dǎo)致土壤通透性增加，有利于土壤礦化和硝化過程，施肥提升無機氮底物濃度并促進(jìn)微生物硝化和反硝化過程，這兩個因素共同作用促進(jìn)了翻耕施肥期農(nóng)田氣態(tài)氮（NO、N2O 和氮氣）排放，然而，對于不同形態(tài)氣態(tài)氮排放的促進(jìn)程度則取決于土壤水分條件。位于我國汾渭平原石灰性土壤的玉-麥輪作農(nóng)田和棉花田，其周年高頻NO 排放通量觀測結(jié)果顯示，翻耕施肥顯著促進(jìn)農(nóng)田N2O和NO排放，然而施肥后緊跟著的灌溉措施，導(dǎo)致WFPS 顯著增加，氣態(tài)氮損失以N2O 為主，翻耕施肥對NO 排放的促進(jìn)作用受到高土壤水分條件抑制，翻耕施肥期（1 個月時間）NO 排放量僅占全年累積排放量的不到30%[22-23]。高原氣候區(qū)農(nóng)田主要采取粗放型管理方式，基本無灌溉設(shè)施，以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和化肥一次性基肥全部施用為主，翻耕施肥期（5 月）與集中降雨期（7 月和8 月）不同季，因此翻耕施肥期土壤含水量偏低，這有利于有機質(zhì)礦化、微生物硝化以及NO的產(chǎn)生和排放。本研究燕麥農(nóng)田F 和UF 處理翻耕施肥期平均WFPS 僅為33.3%±4.7%和29.1%±5.0%，這樣低的土壤水分含量下氣態(tài)氮的損失以NO 排放為主（WFPS＜40%[24]；WFPS：24%～30%[25]），因此，本研究觀測到的低施肥量燕麥農(nóng)田NO 排放峰值（553 μg N·m-2·h-1）達(dá)到汾渭平原石灰性土壤高施肥量農(nóng)田的排放水平，翻耕施肥期NO 排放主導(dǎo)了燕麥農(nóng)田周年累積排放量（75%）。

除翻耕施肥期外，凍融期可能是高原氣候區(qū)農(nóng)田NO 排放的另外一個關(guān)鍵期，土壤凍融過程是季節(jié)性凍土區(qū)典型的自然現(xiàn)象，凍融交替不僅能夠改變土壤的水熱條件、理化性質(zhì)，而且會顯著影響地氣界面氣體交換過程。本研究在青藏高原季節(jié)性凍土農(nóng)田觀測到土壤凍融過程對NO 排放的促進(jìn)作用，凍融期（52 d）NO 排放量占到燕麥農(nóng)田周年背景排放量的29%，在日本季節(jié)性凍土農(nóng)田同樣觀測到凍融期微弱的促進(jìn)效應(yīng)[26]，在芬蘭季節(jié)性凍土農(nóng)田則未觀測到任何促進(jìn)效應(yīng)[25]。本研究對燕麥農(nóng)田凍融期土壤、和WEOC 濃度以及WFPS 的觀測結(jié)果表明，凍融期碳氮底物含量和WFPS 均顯著高于非生長季平均狀況，一方面，反應(yīng)底物含量增加促進(jìn)微生物硝化速率以及NO 排放，另一方面，高土壤水分條件導(dǎo)致厭氧環(huán)境增加，促進(jìn)微生物反硝化過程，氣態(tài)氮的損失以N2O 和氮氣為主，可能削弱了NO 排放，所以，土壤凍融過程對NO 產(chǎn)生和排放的影響是這兩個過程平衡的結(jié)果。高原氣候區(qū)種植飼草農(nóng)田凍融期NO 排放顯著貢獻(xiàn)于（29%）周年背景排放，因此，凍融期連續(xù)觀測對于準(zhǔn)確定量季節(jié)性凍土農(nóng)田背景排放量和直接排放因子至關(guān)重要。

受極大值的影響，單因子和多因子分析結(jié)果中較高的決定系數(shù)值并不代表土壤環(huán)境因子（Ts、WFPS、無機氮和WEOC）能夠完全表征NO 排放通量的季節(jié)動態(tài)，但相關(guān)分析能夠很好地展現(xiàn)觸發(fā)土壤NO 高峰排放所需的必要環(huán)境條件，此外，單因子分析計算得到的Q10值也常被用于簡單評估氣候變化對NO 排放的可能影響。不同類型生態(tài)系統(tǒng)或者利用不同數(shù)據(jù)構(gòu)建的差異化數(shù)學(xué)分析和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，計算得到的Q10值差異非常顯著。自然生態(tài)系統(tǒng)中（如森林和草地），NO 排放通量對土壤溫度的敏感性系數(shù)Q10值一般在2～5之間[5，27-28]，當(dāng)Q10值接近10時，非生物的化學(xué)反硝化過程可能起主導(dǎo)作用[5]。本研究采用指數(shù)方程擬合環(huán)境因子與NO 排放通量的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)指前因子為常數(shù)僅擬合Ts與NO 排放通量相關(guān)關(guān)系時，計算得到的Q10值為8.8（F）和8.3（UF）。燕麥農(nóng)田高pH 值、低和含量的特點，顯然不符合化學(xué)反硝化發(fā)生并主導(dǎo)NO 產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。實際上，NO 排放通量對Ts的敏感性一般都是通過長期野外原位測定獲得，實際野外條件下，除Ts以外，土壤WFPS 會影響水溶性碳氮底物和氧氣的擴散，碳氮底物濃度顯著影響微生物硝化和反硝化過程。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，由于管理活動（灌溉和施肥）造成環(huán)境條件的劇烈變化，溫帶大陸性氣候區(qū)農(nóng)田水（降水）、熱（高溫）、肥（施肥）同季的特點導(dǎo)致環(huán)境條件對NO 排放具有協(xié)同增長效應(yīng)，采用指前因子為常數(shù)僅擬合Ts與NO 排放通量相關(guān)關(guān)系時，會得到較高的Q10值，因此，忽視其他環(huán)境因子影響，僅考慮Ts對NO排放通量的影響，或者說采用指前因子為常數(shù)的指數(shù)方程計算Q10值具有很大的局限性。實際上，關(guān)于采用Arrhenius 方程擬合溫度和土壤微生物過程產(chǎn)物產(chǎn)生速率關(guān)系局限性的討論一直存在，在模型擬合過程中把產(chǎn)物產(chǎn)生速率和溫度敏感性的變異都?xì)w因于活化能的變化似乎過分強調(diào)了化合物間活化能的差異[29]，Arrhenius方程指前因子為常數(shù)的擬合方法無法體現(xiàn)底物濃度和土壤氧化還原環(huán)境對反應(yīng)速率常數(shù)的影響。

本研究對Arrhenius 方程進(jìn)行改進(jìn)，將指前因子變?yōu)榘琖FPS 和碳氮底物濃度的變量，改進(jìn)后的擬合方程極好地表征了NO 排放通量的季節(jié)變化，計算得到的Q10值（F和UF處理分別為2.4和2.5）在一個合理的區(qū)間（2～5）[5，27-28]。青藏高原過去50 年氣溫的增加幅度約為每10 年0.2 ℃[30]，考慮到Ts的增幅遠(yuǎn)小于氣溫，青藏高原種植飼草農(nóng)田NO 排放對Ts的敏感系數(shù)Q10值僅為2.4～2.5，因此，全球增溫對NO 排放的促進(jìn)效應(yīng)將遠(yuǎn)小于施肥導(dǎo)致碳氮底物濃度增加對NO排放的促進(jìn)效應(yīng)。然而，全球變化導(dǎo)致極端降雨事件頻發(fā)，青藏高原地區(qū)年降水量變幅較大（326～850 mm·a-1）[20]，降水量的變化影響土壤水分條件、翻耕施肥期氣態(tài)氮損失形態(tài)、凍融效應(yīng)的發(fā)生程度和持續(xù)時間，可能導(dǎo)致NO 排放通量出現(xiàn)較大的年際變幅，因此，應(yīng)當(dāng)開展種植飼草農(nóng)田NO 排放和相關(guān)環(huán)境因子多年際連續(xù)觀測，以準(zhǔn)確評估NO 周年累積排放量和直接排放因子的年際動態(tài)特征。

4 結(jié)論

本研究對高原氣候區(qū)典型種植飼草（燕麥）農(nóng)田NO 排放通量進(jìn)行了周年連續(xù)定量研究，粗放管理方式下低施肥量燕麥農(nóng)田NO 排放通量和背景排放量均低于我國東部溫帶和亞熱帶季風(fēng)區(qū)集約化管理農(nóng)田排放量，Ts、WFPS、、和WEOC 含量共同影響燕麥農(nóng)田NO 排放通量季節(jié)動態(tài)，翻耕施肥期和凍融期高碳氮底物含量和適宜的水分條件促進(jìn)了土壤NO 排放，這兩個關(guān)鍵期的排放主導(dǎo)了周年累積排放（65%～85%），凍融期和非生長季NO排放顯著貢獻(xiàn)了農(nóng)田背景排放（29%和45%），因此，周年連續(xù)觀測研究對于準(zhǔn)確定量高原氣候區(qū)季節(jié)性凍土農(nóng)田背景排放量和直接排放因子至關(guān)重要。采用指前因子為變量（包含WFPS、和WEOC 的影響）的指數(shù)方程擬合Ts與NO 排放通量的相關(guān)關(guān)系，能夠很好地表征底物有效性（無機氮和水浸提有機碳含量）、微生物活性和氧氣擴散性（土壤溫度和濕度）對NO 排放的協(xié)同影響，計算得到NO 排放對Ts的敏感性系數(shù)（Q10）僅為2.4～2.5，這意味著全球增溫對NO 排放的促進(jìn)效應(yīng)將遠(yuǎn)低于施肥量增加對NO 排放的促進(jìn)作用。