降水量與氮添加對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

朱灣灣, 許藝馨,余海龍,王 攀,黃菊瑩

1 寧夏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021 2 寧夏大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 銀川 750021

降水和氮是干旱半干旱區(qū)植物生長和微生物活動(dòng)的主要限制因子。全球變暖加速了水循環(huán), 導(dǎo)致降水量在全球范圍內(nèi)呈增加趨勢(shì), 同時(shí)表現(xiàn)出時(shí)空分配不均以及極端事件頻發(fā)等特點(diǎn)[1]。例如研究發(fā)現(xiàn), 我國西北地區(qū)的西部生態(tài)區(qū)降水量呈增加趨勢(shì), 而其東部生態(tài)區(qū)降水量有所降低[2]。另一方面, 由于人類活動(dòng)產(chǎn)生了大量含氮化合物, 導(dǎo)致大氣氮沉降增加。近年來, 隨著大氣污染物控制措施的實(shí)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型, 氮沉降速率在歐美國家有所減緩[3- 4]。在我國, 雖然自2010年以來氮沉降速率在許多發(fā)達(dá)省市有所下降, 但在寧夏等欠發(fā)達(dá)地區(qū)呈增加趨勢(shì)[5]。降水通過改變土壤水分和養(yǎng)分的可利用性, 調(diào)控著植物光合作用及微生物呼吸, 因此其格局的改變直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和收支平衡[6]。氮添加使土壤中有效氮含量增多[7], 可以緩解植物氮限制, 從而促進(jìn)植物光合作用[8]、提高植被生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)存[9]。在干旱半干旱區(qū)開展降水量變化及氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換的研究, 對(duì)于科學(xué)評(píng)估全球變化背景下脆弱生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

碳交換過程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能具有重要影響。碳交換組分包括凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(Net ecosystem carbon exchange, NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Ecosystem respiration, ER)以及總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Gross ecosystem productivity, GEP)等[10]。NEE是評(píng)估碳收支平衡的重要指標(biāo), 由GEP和ER兩個(gè)過程共同決定[11]。降水量和氮沉降通過調(diào)控土壤資源的可利用性, 改變植物生長和微生物活動(dòng)以及其他生態(tài)過程, 直接影響著植被—土壤系統(tǒng)碳交換過程。目前, 已有大量國內(nèi)學(xué)者針對(duì)草原研究了降水量、氮添加及其交互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響[12- 15], 發(fā)現(xiàn)降水量和氮添加均會(huì)不同程度地改變生態(tài)系統(tǒng)碳交換能力。由于生態(tài)系統(tǒng)所處的氣候條件、土壤養(yǎng)分狀況及植物群落結(jié)構(gòu)均會(huì)影響到碳交換的響應(yīng)格局。因此, 有必要針對(duì)多種類型草原生態(tài)系統(tǒng)開展降水量、氮添加及其交互作用的野外模擬試驗(yàn)。然而, 通過梳理近年來國內(nèi)針對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)碳交換的研究成果, 發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究主要集中在典型草原和草甸草原, 尚缺乏針對(duì)荒漠草原的研究, 尤其缺乏極端降水變化及其與氮添加交互作用的相關(guān)探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于海拔為1367 m的寧夏回族自治區(qū)鹽池縣柳楊堡鄉(xiāng)楊寨子村圍欄草地內(nèi)(37.80°N, 107.45°E)。該圍欄草地自1998年開始圍封, 是黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地的過渡地帶, 具有典型的溫帶大陸性氣候: 年均降水量為289.4 mm。降水量季節(jié)分配不均, 且超過全年降水的75%集中在生長季的4—9月; 年均蒸發(fā)量為2131.8 mm; 年均氣溫為7.7 ℃, 1月平均氣溫為-8.9 ℃, 7月平均氣溫為22.5 ℃。土壤質(zhì)地多為砂壤土, 保水保肥能力弱, 且pH偏高(表1)。試驗(yàn)樣地植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 物種組成以一年和多年生草本為主, 如牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、地稍瓜(Cynanchumthesiodes)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、乳漿大戟(EuphorbiaEsula)、針茅(Stipacapillata)和阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

表1 降水和氮添加處理前試驗(yàn)樣地0—20 cm土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年9月, 在圍欄草地內(nèi)選擇地勢(shì)平坦且植被均勻的地段作為降水量和氮添加處理的試驗(yàn)樣地。增減降水量處理主要依據(jù)近幾十年來我國西北地區(qū)西部生態(tài)區(qū)降水量增加而東部生態(tài)區(qū)減少的趨勢(shì)進(jìn)行設(shè)置, 同時(shí)參考了國內(nèi)同類研究方法[17]。采用添加氮肥模擬氮沉降[11, 13]。氮肥施用量主要依據(jù)2011年設(shè)立的氮添加原位試驗(yàn)的觀察結(jié)果[18], 同時(shí)參考了區(qū)域氮沉降水平[19]。采用隨機(jī)區(qū)組的裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì): 主區(qū)為降水量處理, 副區(qū)為氮添加處理(表2和圖1)。設(shè)置了5個(gè)降水量處理(減少50%, W1; 減少30%, W2; 自然降水量, W3; 增加30%, W4; 增加50%, W5)和兩個(gè)氮添加處理(0 g m-2a-1, N0; 5 g m-2a-1, N5)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù), 共計(jì)30個(gè)小區(qū)。每個(gè)主區(qū)面積為8 m×8 m, 各主區(qū)之間設(shè)置1.5 m的緩沖帶。各主區(qū)的兩個(gè)副區(qū)(均為8 m×4 m)以四周垂直下埋1 m深的塑料薄膜隔開。

降水量減少處理采用減雨架實(shí)現(xiàn)。減雨架上端離地約1.8 m, 用5 cm寬的瓦面狀高透光性聚氯乙烯板搭建分別相當(dāng)于50%和30%小區(qū)面積的遮雨面。由于該區(qū)域降水量分配不均, 主要集中于5—8月, 故噴水時(shí)間為每年5—8月的月初和月中。降水量增加處理采用流量控制的噴灌裝置實(shí)現(xiàn)。氮添加處理通過施用硝酸銨實(shí)現(xiàn)。施用時(shí), 將每個(gè)小區(qū)每次需要施加的硝酸銨溶解于少量水中, 于5—8月每月月初均勻噴施到小區(qū)內(nèi)。對(duì)照小區(qū)噴灑相同量的水, 以避免因噴水量不同造成的試驗(yàn)誤差。具體的試驗(yàn)處理方法見朱灣灣等[20]。

表2 試驗(yàn)處理及其在文中的簡(jiǎn)寫

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Experimental design5個(gè)降水量處理(減少50%, W1; 減少30%, W2; 自然降水量, W3; 增加30%, W4; 增加50%, W5)和兩個(gè)氮添加處理(0 g m-2 a-1, N0; 5 g m-2 a-1, N5)

1.3 樣品收集與測(cè)定

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)碳交換的測(cè)定與計(jì)算

生態(tài)系統(tǒng)碳交換包括輸入與輸出兩個(gè)過程。碳輸入指植物光合作用吸收大氣中的CO2合成有機(jī)物質(zhì), 而碳輸出指通過植物自養(yǎng)呼吸和微生物異養(yǎng)呼吸所釋放的碳[21], 包括3個(gè)組分, 即NEE、ER和GEP。采用LI- 6400便攜式光合作用測(cè)定儀(LI- 6400, LI-COR, Lincoln, USA)結(jié)合箱式法, 對(duì)不同處理下生態(tài)系統(tǒng)CO2及H2O的交換量進(jìn)行測(cè)定。于2019年4月, 將底面直徑為60 cm、高為10 cm的圓柱形亞克力透明底座垂直嵌入各小區(qū)中, 以備日后的定點(diǎn)測(cè)定。于生長季5—10月, 選擇晴朗無云的早晨(7:00—9:30)進(jìn)行月動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。選取生長季7—8月(旺盛期)進(jìn)行日動(dòng)態(tài)(7:00—9:30、9:30—12:00、12:00—14:30、14:30—17:00、17:00—19:30)的測(cè)定。測(cè)定間隔參考國內(nèi)同類研究方法[12- 14], 每10 d 測(cè)定1次, 每月測(cè)定3次。若遇陰天或雨天, 測(cè)定時(shí)間適當(dāng)提前或延后。測(cè)定時(shí)將底面直徑為60 cm、高為40 cm的圓柱形透明有機(jī)玻璃箱放在底座上, 以保證構(gòu)成密閉氣體采樣室。同時(shí), 在透明箱側(cè)邊和頂部各安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇以混勻箱內(nèi)氣體。待氣體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí), 連續(xù)測(cè)定90 s (測(cè)定間隔為10 s), 記錄箱體內(nèi)CO2和H2O濃度, 據(jù)此計(jì)算NEE。其中, NEE為正, 表示凈生態(tài)系統(tǒng)碳釋放(即碳源); NEE為負(fù), 則表示凈生態(tài)系統(tǒng)碳吸收(即碳匯)[11]。測(cè)定結(jié)束后, 將透明箱抬起, 待箱內(nèi)CO2和H2O濃度接近外界值時(shí)將透明箱重新放在底座上, 并覆蓋遮光布(內(nèi)黑外白), 重復(fù)上述測(cè)定。由于第二次測(cè)定采用了遮光布, 排除了光合作用, 計(jì)算的值即為ER[12]。各指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

GEP=ER-NEE

式中,Fc為CO2的通量, 代表NEE和ER (μmol m-2s-1);V為透明箱的體積(m3);Pav為平均氣壓(kPa);Wav為H2O的平均摩爾百分比(mmol/mol);Tav為測(cè)量期間的平均溫度(℃);R為理想氣體常數(shù)(8.314 J mol-1K-1);S為透明箱底座面積(m2); dc/dt為CO2濃度隨時(shí)間變化線性關(guān)系的斜率。-NEE可表征凈生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量[15]。為便于分析, 文中分析NEE與植物群落組成以及土壤性質(zhì)的關(guān)系時(shí), 采用了-NEE。

1.3.2植物與土壤樣品的采集

于2019年7月下旬, 在每個(gè)小區(qū)內(nèi)盡可能選取植被代表性強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行植被調(diào)查(樣方面積為1 m×1 m)和樣品收集[11]。植被調(diào)查結(jié)束后, 用剪刀將每個(gè)樣方內(nèi)全部植物齊平地面剪下, 將其中的枯落物挑出, 并將剩余部分分物種裝入牛皮紙袋帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重(65 ℃, 48 h)。群落生物量為所有物種地上生物量之和。物種多樣性以Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)衡量, 具體計(jì)算方法見張金屯[22]。

我們一下子還沒明白過來這句話的意思，大家似笑非笑地看著林孟，看看萍萍，萍萍就又補(bǔ)充了一句，她說：“當(dāng)他需要我的時(shí)候?！?/p>

同期, 采用內(nèi)徑為5 cm的土鉆收集每個(gè)小區(qū)0—20 cm土壤樣品, 以測(cè)定與生態(tài)系統(tǒng)碳交換密切相關(guān)的土壤性質(zhì)。每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取3鉆, 取適量裝入鋁盒中, 采用稱重法進(jìn)行含水量的測(cè)定。剩余部分過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩后再分裝為兩部分: 一部分自然風(fēng)干后, 用于有機(jī)碳、全氮、全磷、蔗糖酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性的測(cè)定; 另一部分置于冰箱中4 ℃下冷藏保存, 用于pH、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和微生物量的測(cè)定。

室內(nèi)分析時(shí), 分別采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、3, 5二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉—次氯酸鈉比色法和對(duì)硝基苯磷酸鹽法測(cè)定有機(jī)碳、全氮、全磷、蔗糖酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性; 分別采用酸度計(jì)法、便攜式電導(dǎo)率儀、連續(xù)流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer 3, SEAL Analytical GmbH, Hanau, Germany)和0.5 mol/LNaHCO3法測(cè)定pH、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷; 分別采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提-碳分析儀器法、氯仿熏蒸-K2SO4提取-流動(dòng)注射氮分析儀器法和氯仿熏蒸-K2SO4提取-Pi測(cè)定-外加Pi矯正法測(cè)定微生物量碳、氮和磷。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析: 采用K-S檢驗(yàn)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn); 采用裂區(qū)設(shè)計(jì)方差分析和Duncan檢驗(yàn)比較降水量、氮添加及其交互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換各指標(biāo)的影響; 采用單因素方差分析(One-way ANOVA), 分別對(duì)相同氮添加下各指標(biāo)在不同降水量處理間以及相同降水量下各指標(biāo)在不同氮處理間的差異性分析。若方差為齊性, 選用最小顯著性差異法(LSD), 否則選用Games-Howell法; 采用線性回歸方程進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植物生物量以及物種多樣性之間關(guān)系的擬合; 采用Sigmaplot 12.0進(jìn)行圖的繪制。采用Canoco 5.0進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)碳交換與土壤性質(zhì)對(duì)應(yīng)關(guān)系的冗余分析(RDA)。分析前, 先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Log轉(zhuǎn)換, 以減少數(shù)據(jù)間差異。以全部土壤性質(zhì)為解釋變量, 以生態(tài)系統(tǒng)碳交換為響應(yīng)變量, 依據(jù)解釋變量前項(xiàng)選擇, 剔除影響力較小的解釋變量后進(jìn)行RDA。文中, 按照各土壤性質(zhì)的貢獻(xiàn)率和顯著性進(jìn)行了排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量及氮添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

降水量和氮添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換月動(dòng)態(tài)和日動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的影響較小, 但改變了NEE、ER和GEP的峰值(圖2和圖3): 0和5 g m-2a-1氮添加下, NEE、ER和GEP月動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱, 在8月底或9月初達(dá)到峰值; NEE、ER和GEP日動(dòng)態(tài)亦整體上均呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱, NEE和GEP在9:30左右最強(qiáng), ER在12:00左右達(dá)到峰值。

裂區(qū)設(shè)計(jì)方差分析中(表3): 降水量和氮添加對(duì)NEE、ER和GEP均有極顯著影響(P<0.01); 降水量和氮添加對(duì)NEE具有極顯著交互作用(P<0.01), 對(duì)GEP具有顯著交互作用(P<0.05)。單因素方差分析中(圖4): NEE在整個(gè)生長季表現(xiàn)為負(fù)值, 即生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳吸收。0 g m-2a-1氮水平下, 與自然降水量相比, 減少降水量顯著降低了NEE、ER和GEP(P<0.05), 增加降水量顯著提高了NEE、ER和GEP(P<0.05)。5 g m-2a-1氮水平下, 與自然降水量相比, 減少降水量顯著降低了NEE、ER和GEP(P<0.05), 增加30%和50%降水量顯著提高了NEE(P<0.05)、增加30%降水量顯著提高了ER和GEP(P<0.05)。相同降水量條件下, 氮添加增強(qiáng)了NEE、ER和GEP, 且其效應(yīng)在自然降水量和增加50%降水量時(shí)達(dá)到顯著水平, 而其他增減降水量條件下未達(dá)到顯著水平, 表明降水量和氮添加的交互作用存在一定時(shí)滯性, 需長期進(jìn)行原位試驗(yàn)進(jìn)行探討。

圖2 降水量和氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換的時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.2 Temporal dynamics of ecosystem carbon exchange under changing precipitation and nitrogen addition

圖3 降水量和氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換的日動(dòng)態(tài)Fig.3 Daily dynamics of ecosystem carbon exchange under changing precipitation and nitrogen addition

表3 降水量、氮添加及其交互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

圖4 不同N添加處理下降水量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響Fig.4 Effects of precipitation on ecosystem carbon exchange under different N addition不同小寫字母表示相同氮添加下降水量處理間各指標(biāo)存在顯著性差異(P<0.05);*表示相同降水量下氮添加處理間各指標(biāo)存在顯著性差異(P<0.05)

2.2 降水量變化及氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植物生物量和物種多樣性的關(guān)系

-NEE和GEP均與牛枝子和草木樨狀黃芪種群生物量以及群落生物量存在顯著正的線性關(guān)系(圖5,P<0.05)。ER與牛枝子、草木樨狀黃芪、針茅、糙隱子草種群生物量以及群落生物量存在顯著正的線性關(guān)系(P<0.05)。

-NEE、ER和GEP均與Patrick豐富度指數(shù)以及Shannon-Wiener多樣性指數(shù)存在較強(qiáng)的線性關(guān)系(圖6,P<0.01), 即三者隨著Patrick豐富度指數(shù)以及Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的增加而增加。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植物生物量的關(guān)系 Fig.5 Relationships between ecosystem carbon exchange and plant biomass*、**和***分別代表顯著性水平小于0.05、0.01和0.001

圖6 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植物多樣性的關(guān)系 Fig.6 Relationships between ecosystem carbon exchange and plant diversity

2.3 降水量變化及氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換與土壤性質(zhì)的冗余分析

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換影響顯著的土壤性質(zhì)分別是含水量、磷酸酶活性、C∶N、電導(dǎo)率、全氮、C∶P、全磷、微生物量磷、蔗糖酶活性和有機(jī)碳 (表4和圖7)。其中, -NEE與土壤含水量、磷酸酶活性、C∶N、電導(dǎo)率、C∶P、蔗糖酶活性和有機(jī)碳呈較強(qiáng)的正相關(guān), 與土壤全氮、全磷和微生物量磷呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān); ER與之相反; GEP與除土壤磷酸酶活性及全磷之外的其他土壤性質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與土壤性質(zhì)冗余分析中各土壤性質(zhì)的顯著性檢驗(yàn)

圖7 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與土壤性質(zhì)的RDAFig.7 RDA of ecosystem carbon exchange and soil properties RDA: 冗余分析;NEE: 凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換; ER: 生態(tài)系統(tǒng)呼吸; GEP: 總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 SOC:土壤有機(jī)碳; TN∶ 土壤全氮; TP: 土壤全磷; MBP: 微生物量磷; EC: 土壤電導(dǎo)率; SWC: 土壤含水量; SA: 土壤蔗糖酶活性y; PA: 土壤磷酸酶活性

3 討論

3.1 生態(tài)系統(tǒng)碳交換對(duì)降水量及氮添加的響應(yīng)

降水量和氮添加及其交互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響取決于土壤本底條件[13]。作為驅(qū)動(dòng)生態(tài)過程的關(guān)鍵影響因子, 降水量的改變和氮添加能夠影響生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能[21, 23]。降水量和氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換月動(dòng)態(tài)的結(jié)果顯示(圖2), 在生長季期間荒漠草原由碳源轉(zhuǎn)為碳匯, NEE、ER和GEP呈先增大后減小的趨勢(shì), 與針對(duì)黃土高原典型草原的研究結(jié)果類似[21]。這可能是由于隨著生長季推移, 植物生長加快, 葉片光合作用增強(qiáng), 從而植被碳吸收能力提高[24]; 同時(shí), GEP的增加幅度大于ER[11], 故生態(tài)系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R。降水量和氮添加下生態(tài)系統(tǒng)碳交換日動(dòng)態(tài)的結(jié)果顯示(圖3), -NEE在中午前后明顯降低, 出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。這可能是由于夏季高溫、強(qiáng)輻射和低空氣濕度等因素使葉片氣孔導(dǎo)度下降或者關(guān)閉, 植物呼吸速率變大, 導(dǎo)致光合作用受到一定程度的抑制[25]。

本研究中, 與減少降水量相比, 增加降水量不同程度地提高了NEE、ER和GEP, 與針對(duì)內(nèi)蒙古典型草原的研究結(jié)果一致[12]?？赡苁怯捎谘芯繀^(qū)長期處于干旱環(huán)境, NEE等碳循環(huán)過程對(duì)增加降水量的響應(yīng)敏感性高于減少降水量[26]; 另一方面, 降水量通過影響土壤含水量間接影響生態(tài)系統(tǒng)碳交換過程(呼吸作用和植被生產(chǎn)力)[27], 即降水量增加使得土壤濕度和養(yǎng)分有效性增加, 一定程度上促進(jìn)了土壤呼吸作用[26]; 此外, 在增加50%降水量條件下, 氮添加顯著增強(qiáng)了NEE和GEP。一方面, 氮添加能夠促進(jìn)葉片氮攝取, 從而增強(qiáng)光合速率[28]、提高CO2吸收能力[29]。另一方面, 氮添加效應(yīng)受到降水量的影響, 即一定量的土壤水分能夠更好地激發(fā)氮肥肥效的釋放, 進(jìn)而提高植被生產(chǎn)力、增強(qiáng)植物光合固定作用。同時(shí), 降水量和氮添加的交互作用具有一定的時(shí)滯性[30- 31], 因而減少(30%和50%)、自然和增加30%降水量條件下, 短期氮添加對(duì)NEE的正效應(yīng)未達(dá)到顯著水平(圖4)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植物生物量及物種多樣性的關(guān)系

植物生物量的累積可以作為評(píng)價(jià)植物生長狀況和碳儲(chǔ)量的重要依據(jù)[32- 33]。本研究發(fā)現(xiàn), -NEE、ER和GEP均隨著群落生物量的增加而增強(qiáng), 這與在其他草原生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致[34]。首先, 在生長季期間, 隨著植物生長加快, 其葉片光合作用增強(qiáng)、碳固定與儲(chǔ)存增加, 同時(shí)地上部分呼吸作用增強(qiáng)[24]。其次, 隨著植物地下部分生長, 其呼吸作用相應(yīng)增強(qiáng)[35]。同時(shí), 隨著土壤溫度升高、水分和養(yǎng)分有效性增多, 微生物活動(dòng)的底物增加, 其呼吸作用隨之提高[36- 37]。三者共同導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用增強(qiáng)。由于植被生產(chǎn)力的增加程度高于土壤呼吸作用, 故生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳吸收。此外, 適度降水量增加及氮添加提高了土壤水分和養(yǎng)分有效性, 使得研究區(qū)由水、氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Y源限制(如光和磷), 牛枝子以及草木樨狀黃芪等生態(tài)位較寬的植物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)相應(yīng)增加[38]。因而, 隨著二者種群生物量的增加, 植物群落固碳能力增強(qiáng)。

不同植物種對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的利用能力以及對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性不同, 造成群落優(yōu)勢(shì)物種組成間的差異, 加劇了環(huán)境變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換影響的不確定性[39- 40]。圖6中, -NEE、ER和GEP均與Patrick豐富度指數(shù)以及Shannon-Wiener多樣性指數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系。首先, 降水量和氮添加下, 隨著植物種數(shù)增多[20], 植物的光合固定作用增強(qiáng)[41], 植被生產(chǎn)力增加, 植物地下部分以及土壤微生物呼吸作用的底物隨之增多, 直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用增強(qiáng)[42]。其次, 本文測(cè)定的均為植物群落的光合作用以及生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用, 植物群落的光合速率與群落物種類型和數(shù)目密切相關(guān)[31, 43]。另一方面, 植被群落結(jié)構(gòu)會(huì)影響草地生產(chǎn)力以及植物光合作用產(chǎn)物, 從而調(diào)控著土壤物質(zhì)積累狀況[44], 進(jìn)而直接影響到生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用。以上結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)生態(tài)系統(tǒng)碳交換與植被群落組成之間存在密切的聯(lián)系。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳交換與土壤性質(zhì)的關(guān)系

影響生態(tài)系統(tǒng)碳交換的因素包括生物因素和非生物因素[36]。本研究發(fā)現(xiàn), 與其他因子相比, 土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響較大。土壤C∶N∶P平衡特征可以反映土壤有機(jī)碳水平和養(yǎng)分供給狀況[45]。土壤元素含量及其平衡關(guān)系受到降水量和氮添加的影響, 影響植物群落組成[20], 進(jìn)而改變植物固碳能力。RDA結(jié)果顯示(圖7), -NEE與土壤C∶N、C∶P以及有機(jī)碳呈正相關(guān), 與土壤全氮以及全磷呈負(fù)相關(guān)。這可能是由于降水量和氮添加下, 短期內(nèi)土壤氮限制緩解, 刺激了植物和土壤微生物對(duì)氮、磷的利用以及競(jìng)爭(zhēng)[46], 土壤可利用氮和磷含量降低。同時(shí), 植物生長加快, 且通過光合作用吸收碳的能力增強(qiáng)。ER與土壤全氮以及全磷正相關(guān), 與C∶N、C∶P以及有機(jī)碳負(fù)相關(guān)。這可能是由于土壤氮和磷是土壤微生物活動(dòng)的底物, 適宜范圍內(nèi)其含量越高越有利于土壤微生物呼吸。相反, 生長季返還于土壤的枯落物(有機(jī)碳的主要來源)在短期內(nèi)造成的遮蔽效應(yīng), 抑制了土壤呼吸[47]。

此外, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換影響顯著的土壤性質(zhì)還包括含水量、磷酸酶活性、微生物量磷和蔗糖酶活性。由于研究區(qū)長期處于干旱狀態(tài), 水分是其主要的限制因子, 因此對(duì)降水量的響應(yīng)較為敏感[26]。土壤含水量調(diào)控著土壤微生物的生理過程、底物以及O2的擴(kuò)散, 進(jìn)而影響著土壤微生物呼吸作用[47]。然而, 在荒漠草原土壤含水量長期過低或短暫性增高均會(huì)一定程度上抑制呼吸作用[6], 故ER與土壤含水量負(fù)相關(guān)。土壤酶活性影響著土壤養(yǎng)分有效性以及植物養(yǎng)分利用策略, 間接調(diào)控著生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和植被生產(chǎn)力[48]。本研究中, -NEE與蔗糖酶以及磷酸酶活性正相關(guān)。這可能是由于適度增加降水量與氮添加使微生物胞外酶從氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)樘?、磷限? 從而刺激了參與碳、磷轉(zhuǎn)化的蔗糖酶和磷酸酶活性[48]、調(diào)節(jié)了微生物與植物間的元素競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系, 進(jìn)而促進(jìn)了植物生長和生態(tài)系統(tǒng)碳吸收。此外, RDA結(jié)果顯示蔗糖酶、磷酸酶和含水量均與微生物量磷負(fù)相關(guān)(圖7)。而這些土壤性質(zhì)間的相互關(guān)系勢(shì)必影響著土壤性質(zhì)的單獨(dú)影響效應(yīng), 有待在今后的研究中予以充分的考慮。

4 結(jié)論

降水量和氮添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳交換時(shí)間動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的影響較小, 但改變了NEE、ER和GEP的峰值。NEE在生長季的月均值為負(fù)值, 即表現(xiàn)為碳吸收。與自然降水量相比, 減少降水量顯著降低了NEE、ER和GEP (P<0.05), 增加降水量不同程度地提高了三者。氮添加亦有助于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)碳交換, 且其效應(yīng)在增加50%降水量時(shí)較為明顯。-NEE、ER和GEP與牛枝子、草木樨狀黃芪種群生物量以及群落生物量正相關(guān)。同時(shí), 三者亦隨Patrick豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的增加而增加。結(jié)合RDA結(jié)果, 本文研究表明減少降水量降低了生態(tài)系統(tǒng)碳交換, 增加降水量則可能通過提高土壤含水量、調(diào)控土壤C∶N∶P平衡特征和刺激土壤酶活性等, 促進(jìn)了植物生長和物種多樣性, 進(jìn)而提高了荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能; 氮添加促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)碳交換, 尤其是增加50%降水量條件下。考慮到二者交互作用的時(shí)滯性以及土壤性質(zhì)間的相互作用, 今后還需通過長期的野外觀測(cè), 深入探討降水格局改變和氮沉降增加對(duì)干旱半干旱區(qū)敏感生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡的影響機(jī)制。