青藏高原高寒草甸氧化亞氮排放特征及其與土壤理化性質(zhì)耦合關(guān)系

朱輝，王燕，王云英，杜巖功

(1.青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，青海 西寧 810001；2.濟(jì)寧市嘉祥縣自然資源和規(guī)劃局，山東 濟(jì)寧 272000；3.中國科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001)

工業(yè)革命之后，人類活動引起溫室氣體濃度不斷增加，直接加劇了溫室效應(yīng)，2015-2019年是自100多年前有氣溫記錄以來最熱的連續(xù)5年[1- 2]，氧化亞氮(N2O)是引起全球增溫的重要溫室氣體之一[3]。目前大氣N2O濃度約為331.1 nL/L[1]，相比于工業(yè)革命前增加了20%，為近80萬年來的最高濃度。N2O在大氣中存在時間較長(通常以百年尺度計算)，且等摩爾濃度的輻射潛勢是CO2的310倍，參與大氣對流層和平流層很多光化學(xué)反應(yīng)[3]，破壞大氣臭氧層，大氣圈抵擋紫外線能力減弱，直接威脅人類健康[2]。

陸地土壤是N2O主要排放源，約占N2O排放總量70%，N2O主要通過土壤微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化過程所產(chǎn)生[4-5]。草地生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳氮吸收及釋放功能，可以顯著影響全球氣候環(huán)境變化[3，6]。高寒草甸是青藏高原的主體類型之一，約占草地總面積46.7%[7]。高寒草甸為大氣溫室氣體N2O的重要排放源[8]，多年平均排放速率約為39.4 μg/(m2·h)，生長季排放速率顯著高于休眠季[9-10]，明顯高于內(nèi)蒙古羊草草原生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率[14.9 μg/(m2·h)][11]。

東北三江平原濕地草甸腐殖質(zhì)土N2O排放速率為78～216 μg/(m2·h)[12]，荷蘭放牧草場土壤排放速率為179～358 μg/(m2·h)[6]。青藏高原高寒金露梅灌叢、矮嵩草草甸休眠季也觀測到N2O吸收現(xiàn)象[9,13]，內(nèi)蒙古草甸草原在生長季時監(jiān)測到N2O[14]。上述研究表明草地生態(tài)系統(tǒng)N2O釋放速率存在較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量、放牧強(qiáng)度等因素具有正相關(guān)關(guān)系，而與pH值間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[3，15-16]。增溫顯著提升高寒草甸土壤N2O排放速率[8,17]；在全球變暖的氣候情景下，未來高寒草地土壤N2O排放量將呈現(xiàn)明顯上升趨勢[17]。土壤濕度為田間持水量的35%～55%時，硝化作用是主要排放過程，而土壤濕度是田間持水量的65%～80%時，反硝化作用速率增強(qiáng)[6]。降水導(dǎo)致土壤形成厭氧環(huán)境，提高土壤反硝化作用， N2O部分被還原為氮素，降水量與N2O排放通量之間存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系[17]。

已有研究集中于青藏高原高寒草甸N2O源匯效應(yīng)[9，15]、N2O排放速率對土壤溫度和濕度的響應(yīng)特征[17]和基于機(jī)理模型模擬高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放量等方面[10]。而有關(guān)土壤理化性質(zhì)、生物量與高寒草甸氧化亞氮排放速率間耦合關(guān)系的研究相對薄弱。本研究解析土壤N2O排放對土壤有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)態(tài)氮素含量、土壤溫度和濕度、地上生物量的響應(yīng)特征；對土壤N2O排放的主要影響因素進(jìn)行定量研究。對于解析高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O發(fā)生過程和探索減排策略具有重要理論意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)置在青海省海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站海北站(圖1)，地處祁連山北支冷龍嶺東段南麓的大通河谷(N 37°29′,E101°12′)，海拔3 280 m。該地區(qū)為典型的高原大陸性氣候，無明顯四季區(qū)分，只有冷暖季，冷季漫長且干燥，暖季短暫且濕潤。年均氣溫-1.7℃，最冷月(1月)平均氣溫為-14.8℃，最熱月(7月)平均氣溫為9.8℃。年均降水量560 mm，其中5-9月的降水量占年降水總量的80%左右，植物生長季內(nèi)雨熱同期[3]。

圖1 海北站地理位置及主要植被類型圖Fig.1 Location of Haibei station and its main vegetation types

矮嵩草草甸主要優(yōu)勢植物種為矮嵩草(Kobresiahumilis)、羊茅(Festucarubra)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、線葉龍膽(Gentianafarreri)、早熟禾(Poaannua)、矮火絨草(Leontopdiumnanum)、麻花艽(Gentianastraminea)、雪白委陵菜(Potentillanivea)、美麗鳳毛菊(Saussureasuperba)、小嵩草(Kobresiapygmaea)，均為多年生草本植物、其中矮嵩草、羊茅、垂穗披堿草、早熟禾、小嵩草為單子葉植物，而線葉龍膽、矮火絨草、麻花艽、雪白委陵菜、美麗鳳毛菊為雙子葉植物。植被蓋度為90%，年平均生物量為(386.6±40.4) g/m。土壤類型為草氈寒凍雛形土，有機(jī)質(zhì)含量約為12%，其中腐殖質(zhì)占87%[17]，土壤全量養(yǎng)分豐富，速效養(yǎng)分貧乏[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

在海北站矮嵩草草甸綜合觀測場，隨機(jī)選擇能夠代表該地區(qū)地表植被特征且地勢平坦的草地作為采樣點(diǎn)，3次重復(fù)。2018年5月將不銹鋼地框(50 cm × 50 cm × 10 cm)埋入草地土壤，以減少對生長季采集N2O氣體試驗(yàn)的干擾。生長季(6-9月)每周監(jiān)測1次，每月測定4次高寒草甸N2O排放速率，取其平均值作為每月高寒草地N2O排放速率。每次試驗(yàn)期間，同時采用便攜式鉑電阻數(shù)字溫度計(JM624，USA)測定5 cm土層地溫，采用時域反射儀(TDR，North Logan，UT，USA)測定10 cm土層濕度。

8月下旬利用蛇形取樣法采集0～20 cm土層樣品混合均勻，3次重復(fù)，置于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，通過2 mm土壤篩后備用。測定土壤化學(xué)性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量、pH值)和地上生物量。

1.3 測定方法

N2O排放速率研究：每次取樣時選擇晴天，上午9∶00～11∶00，采用靜態(tài)箱法采集氣樣。取樣時，在底座密閉水槽內(nèi)加水，使采樣箱(50 cm × 50 cm ×50 cm )與底座間形成氣路密閉，切斷采樣箱內(nèi)外空氣的自由交換。氣體采集使用帶有三通閥的100 mL注射器抽氣，采樣時間點(diǎn)為0、10、20、30 min，即每隔10 min取1次樣品，隨后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，24 h之內(nèi)進(jìn)行上機(jī)測試分析。氣體測定采用氣相色譜法(HP4890D，Agilent)，內(nèi)裝電子捕獲檢測器(ECD)。測定的色譜條件為：柱箱和檢測器溫度分別為70℃和300℃；最小因子檢測限為±5 nL/L。N2O排放速率的計算方法如下：

式中：F是N2O排放通量(μg/(m2·h))，A是箱體底面積(cm2)，V是箱體體積(cm3)，T為采樣時氣溫，P為采樣時氣壓。Ct是t時刻箱內(nèi)N2O的體積混合比濃度(10-9L/(L·min))，t為時間(min)，ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O密度(g/cm3)，T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣絕對溫度(絕對溫度，K)和氣壓(Pa)。依據(jù)樣品N2O濃度隨時間變化，所建立的回歸方程決定系數(shù)R2>0.95時，數(shù)據(jù)被視為有效而被采用。

矮嵩草草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法分析[18-19]、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用流動分析儀測定(TRACCS-2000)[8,12]。土壤pH采用pH計測定、容重采用環(huán)刀法。地上生物量采用標(biāo)準(zhǔn)樣方收獲法測定[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每月高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O平均排放速率采用單因素方差分析。土壤N2O排放與土壤理化性質(zhì)和生物量等因素間的擬合方程，采用一般線性回歸模型。土壤理化性質(zhì)和生物量對矮嵩草草甸土壤N2O排放速率的直接和間接影響采用路徑分析，其中直接效應(yīng)為變量Y關(guān)于Xi的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)，某一自變量通過其他自變量對因變量的作用效應(yīng)即Xi通過Xj的間接效應(yīng)為rij×pyj[20-21]。上述數(shù)據(jù)分析均采用SPSS 16.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季高寒矮嵩草草甸N2O排放特征

陸地生態(tài)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)證明，自然系統(tǒng)正在遭受全球變化影響，青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化尤為敏感，溫室效應(yīng)會對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。生長季高寒矮嵩草草甸N2O排放速率呈現(xiàn)明顯的脈沖式變化特征，不同日期高寒草甸N2O排放速率之間存在較大差異(圖2)。

圖2 生長季不同測定日期高寒草甸N2O排放速率Fig.2 N2O emission rates at different days in alpine meadow

高寒草甸N2O平均排放速率最高值和最低值出現(xiàn)于8月5日和7月5日，分別為57.8 ± 9.8和(19.5±1.4) μg/(m2·h)，前者排放速率約是后者的3倍，N2O排放存在較大時間異質(zhì)性。生長季6-9月高寒草甸N2O平均排放速率分別為43.9±2.1、26.5±3.7、51.4±5.2、(35.2±2.7) μg/(m2·h)，每月之間均存在顯著性差異(P<0.05)。生長季高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O平均排放速率約為(39.3±5.4) μg/(m2·h)。

2.2 土壤理化性質(zhì)和地上生物量對高寒草甸N2O排放速率的影響

路徑分析是一種研究多個變量之間多層因果關(guān)系及其相關(guān)強(qiáng)度的方法。本研究發(fā)現(xiàn)基于土壤理化性狀和地上生物量，可以建立較好的N2O排放通量的預(yù)測模型，決定系數(shù)較高，達(dá)到0.726(P<0.05)，表明各因素對土壤N2O排放速率的綜合影響作用較強(qiáng)，誤差項(xiàng)的決定系數(shù)0.274，尚有其他因素對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率影響作用為27.4%。

矮嵩草草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、5 cm土層溫度和地上生物量對N2O排放速率的直接作用較強(qiáng)，且前兩者對N2O排放速率影響的直接作用分別達(dá)到極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)(圖3)。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量對高寒草甸N2O排放速率的影響強(qiáng)度稍低，前者作用強(qiáng)度高于后者。而土壤濕度和容重對高寒草甸N2O排放速率起到負(fù)直接作用。

圖3 影響矮嵩草草地N2O排放各因素的直接和間接作用強(qiáng)度Fig.3 The direct and indirect effects of different parameters on N2O emission by path analysis注：*(P<0.05)，**(P<0.01).實(shí)線表征直接作用，虛線表征間接作用

各因素通過影響土壤有機(jī)質(zhì)和銨態(tài)氮，對高寒草地土壤N2O排放均具有較大的間接影響(圖3)，其中地上生物量和土壤硝態(tài)氮通過影響土壤有機(jī)質(zhì)，對高寒草甸N2O排放速率的間接作用較強(qiáng)，作用強(qiáng)度分別為0.233和0.203。土壤有機(jī)質(zhì)通過影響地上生物量、土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮，對草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的間接作用較強(qiáng)，作用強(qiáng)度分別為0.312、0.113和0.108。此外，除標(biāo)注的間接作用強(qiáng)度外，其他因素之間的間接作用相對較弱，作用強(qiáng)度均小于0.100(圖3)。

3 討論

大氣N2O可以吸收紅外線，且能減少地表通過大氣向外空的熱輻射，進(jìn)而導(dǎo)致溫室效應(yīng)[3,10]。N2O主要以兩種途徑被破壞，光分解或者與游離氧發(fā)生反應(yīng)，N2O與臭氧發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹O，該過程破壞臭氧層，且取代氯氟化碳成為人類排放首要的消耗臭氧層物質(zhì)[4,10]。

增加土壤有機(jī)質(zhì)會增加草地土壤N2O排放[22]，草原生態(tài)系統(tǒng)原狀土柱加入碳源后，表層及深層土壤硝化過程和氮素?fù)p失量顯著增加，尤其是下層土壤N2O排放量增加趨勢更加明顯[23]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)是影響高寒草地N2O排放的重要因素，通過各主要因素的間接作用，可以看到各因素間還可能存在較強(qiáng)耦合作用關(guān)系，尤其是矮嵩草草甸土壤中各因素通過土壤有機(jī)質(zhì)的間接作用均較強(qiáng)，以及土壤有機(jī)質(zhì)的直接作用亦較強(qiáng)，這可以認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤N2O排放通量的重要因素。

高寒草甸植物和農(nóng)田作物均具有產(chǎn)生或者傳輸N2O能力[9，24]，并且這種能力受生物量和氮素含量等因素影響[25-26]，本研究發(fā)現(xiàn)地上生物量對高寒草甸N2O排放速率具有較強(qiáng)的直接作用。施氮肥土壤N2O排放通量顯著增加[27]，施氮肥時可以增加高寒草甸土壤N2O排放速率[26]。在海北站地區(qū)，矮嵩草草地土壤硝化作用強(qiáng)度明顯高于反硝化作用[3]。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮對N2O排放速率的直接作用高于銨態(tài)氮，硝態(tài)氮主要來源于高寒草地土壤的硝化作用。N2O排放通量與土壤溫度和濕度密切相關(guān)[8，28]，隨土壤溫度增加時，土壤N2O排放速率增加，但溫度超過37℃，草地土壤N2O排放速率隨溫度增加而降低[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，溫度與矮嵩草草甸生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率間存在正相關(guān)關(guān)系。這可能也是高寒矮嵩草草甸N2O排放峰值出現(xiàn)在雨熱同期的8月的重要原因。但在內(nèi)蒙針茅草原，觀測到溫度增高時，N2O排放速率總體呈降低趨勢[30]。青藏高原高寒矮嵩草草甸土壤水分對N2O產(chǎn)生速率有重要影響，但這種關(guān)系是復(fù)雜、多變和階段性的[17]。

4 結(jié)論

青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)是N2O排放源，且存在較大時間異質(zhì)性?；诙嘣貧w方程，利用土壤理化性質(zhì)參數(shù)，可以較好地推測高寒草甸N2O排放速率，提高土壤濕度將有利于降低高寒草地N2O排放。土壤有機(jī)質(zhì)、土壤溫度和地上生物量對青藏高原高寒矮嵩草草甸N2O排放速率的直接作用較強(qiáng)，土壤理化性質(zhì)參數(shù)通過影響土壤有機(jī)質(zhì)對N2O排放速率的間接作用較強(qiáng)。研究為高寒草地N2O減排提供了科學(xué)依據(jù)。