氮沉降促進(jìn)西北干旱區(qū)高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放

申志博， 韓耀光， 王家力， 陳康怡， 胡 洋， 朱新萍,2， 賈宏濤,2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

位于我國西北干旱區(qū)新疆天山中部的巴音布魯克高寒濕地，水源補(bǔ)給主要來自冰川和季節(jié)性降水，濕地水分條件受季節(jié)性影響較大，形成了獨(dú)特的干旱區(qū)高寒氣候和地形地貌特征［14］。基于氣候變化背景，氮沉降增加會對不同水分條件下高寒濕地N2O排放產(chǎn)生怎樣的影響值得進(jìn)一步探討。本研究以巴音布魯克高寒濕地為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法監(jiān)測植物生長季氮添加后，不同水分條件下濕地N2O 排放的動(dòng)態(tài)變化，并進(jìn)一步探討N2O 排放與溫度、水分環(huán)境因子之間的關(guān)系,深刻了解氮沉降強(qiáng)度變化對干旱區(qū)高寒濕地N2O排放特征的影響，為科學(xué)評估和預(yù)測干旱區(qū)高寒濕地、草地N2O排放在氮素循環(huán)中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴音布魯克天鵝湖高寒濕地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣（42°40′～43°00′N, 83°40′～84°35′E），海拔2300～3042 m，面積約770 km2，多年平均氣溫-4.6 ℃，7 月最高溫度為28.0 ℃，1 月極端最低溫度為-48.1 ℃，10月中下旬開始進(jìn)入冬季，冬長夏短，年均積雪天數(shù)高達(dá)139.3 d，年均降水量為273 mm，蒸發(fā)量為1250 mm，相對濕度約為60%，濕地水源主要來源于冰雪融水和自然降水［14］，因受季節(jié)融雪和降水影響，存在季節(jié)性濕地。

選取3個(gè)不同水分代表性高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，分別為常年淹水區(qū)，地表常年處于淹水狀態(tài)，生長季地表水位均高于5 cm，優(yōu)勢物種為大穗苔草（Carex rhynchophysa），生長旺盛期植被覆蓋率為90%；季節(jié)性淹水區(qū)優(yōu)勢種為黑花苔草（Carex melanantha）、水麥冬（Triglochin palustre），生長旺盛期植被覆蓋率為98%，除冬季外土壤保持濕潤狀態(tài)，土壤含水率為43%～48%，地下水位約為0.5 m；常年干燥區(qū)植被優(yōu)勢種為冰草（Agropyron cristatum）、黑花苔草，生長旺盛期植被覆蓋率為52%，除冬季覆雪外，其土壤含水率為30%～35%，地下水位約為0.6～1 m［3,15］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用模擬氮沉降原位控制試驗(yàn)，在每個(gè)水分條件區(qū)域選取植被蓋度相對一致的3 塊樣地圍欄（圍欄大小為7.5 m×7.5 m）后進(jìn)行氮添加試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道巴音布魯克高寒濕地的環(huán)境氮沉降約為8 kg·hm-2·a-1［16］，略低于全球草地平均氮沉降水平（10 kg·hm-2·a-1）［17］。試驗(yàn)設(shè)置了3 個(gè)氮添加處理，即N0（0 kg·hm-2·a-1），N10（10 kg·hm-2·a-1）和N20（20 kg·hm-2·a-1），每處理3 重復(fù)。氮素以尿素［CO(NH2)2］與硝酸銨［NH4NO3］采取3：7的比例混施［18］，氮素于2020年6 月和9 月分2 次添加，每次將氮素溶解在8 L 蒸餾水，均勻噴灑至樣地，N0處理噴灑等量的水。

1.3 樣品采集與檢測

N2O 氣體采集利用靜態(tài)暗箱法，靜態(tài)箱內(nèi)部尺寸為0.5 m（邊長）×0.5 m（邊長）×0.15 m（高度），配有0.5 m×0.5 m 基座（插入土壤5 cm），基座上方預(yù)留5 cm 高水槽，用于采集過程中水封保證氣密性。于2020 年植物生長季（6—10 月）對各氮處理樣地N2O排放進(jìn)行監(jiān)測，每次監(jiān)測選取連續(xù)3 個(gè)無雨典型日進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為上午10:00—13:00；將箱體密封后反復(fù)抽動(dòng)注射器混勻箱體空氣，于開始計(jì)時(shí)第0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min 時(shí)用100 mL注射器采集氣體樣品，氣體迅速轉(zhuǎn)移到已抽真空的500 mL氣袋中保存待測；采樣的同時(shí)用地溫計(jì)測定每個(gè)處理5 cm土壤溫度，用土壤含水率探頭（土壤體積水含量=土壤水分體積/總土壤體積×100%）測定樣地5 cm 土壤含水率，距地面30 cm 用溫度計(jì)記錄大氣溫度；用以分析其與N2O 排放速率之間的關(guān)系。氣體樣品中的N2O濃度用氣相色譜儀（Agilent7890A，Palo Alto，USA）分析。

N2O排放通量計(jì)算公式如下［19］：

式中：F為土壤呼吸通量（N2O 以N 計(jì)，單位為μg·m-2·h-1）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O 的密度（1.977 g·L-1）；V為密閉箱內(nèi)有效的空間體積（m3）；A為密閉箱覆蓋的樣方面積（m2）；ΔC/Δt為在特定時(shí)間內(nèi)的N2O氣體濃度變化速率；T為采樣時(shí)密閉箱的溫度（℃）。N2O氣體累積排放通量計(jì)算公式如下：

式中：E表示N2O 累積排放量（mg·m-2）；F表示土壤N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；i表示采樣次數(shù)；t表示處于生長季該時(shí)期的天數(shù)（d）。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，用R 4.0.2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析，利用線性、二次函數(shù)等對N2O 排放速率與土壤溫度和含水率進(jìn)行回歸分析，利用線性逐級回歸的方法，對生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率與氮添加量、土壤5 cm 地溫進(jìn)行回歸分析；采用Anaconda進(jìn)行隨機(jī)森林分析；采用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對不同水分條件濕地N2O 排放速率的影響

由圖1可知，在常年淹水條件下，隨著氮添加量的增加N2O平均排放速率增加，7月和10月，N20處理N2O 平 均 排 放 速 率 顯 著 高 于N0和N10處 理（P＜0.05）。在植物生長季，N0處理下N2O 在6 月和9 月表現(xiàn)為“源”，平均排放速率分別為1.46±0.59 μg·m-2·h-1和1.39±0.71 μg·m-2·h-1，在7月和10月表現(xiàn)為吸收，其平均吸收速率分別為5.29±1.21 μg·m-2·h-1和5.14±0.731 μg·m-2·h-1；N10處理下N2O除7月為吸收外，其余各月生態(tài)系統(tǒng)N2O 均表現(xiàn)為排放；N20處理在植物生長季N2O 均表現(xiàn)為排放，且各月間N2O平均排放速率沒有顯著差異（P＜0.05）。

圖1 常年淹水條件下氮添加對N2O排放速率的影響Fig.1 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in perennial seeper area

如圖2所示，在季節(jié)性淹水條件下，隨著氮添加量的增加N2O 平均排放速率增加，在7 月、9 月和10月N20處理均會顯著增加生態(tài)系統(tǒng)N2O 的排放速率（P＜0.05）。在N0處理下N2O 僅在6 月表現(xiàn)為排放，平均排放速率為1.56±0.15 μg·m-2·h-1；在7 月、9 月和10 月生態(tài)系統(tǒng)對N2O 均表現(xiàn)為吸收，其中7 月平均吸收速率最高，達(dá)到3.44±2.05 μg·m-2·h-1；在N10處理中除10 月外其他各月生態(tài)系統(tǒng)對N2O 均表現(xiàn)為排放，各月間N2O 排放速率沒有顯著差異（P＜0.05），10 月生態(tài)系統(tǒng)對N2O 的平均吸收速率為0.89±0.51 μg·m-2·h-1；N20處理下在植物生長季N2O均表現(xiàn)為排放，7月N2O排放速率最高，為5.61±0.86 μg·m-2·h-1，10 月N2O 排放速率最低，為0.72±0.18 μg·m-2·h-1；7 月N2O 排放速率顯著高于6 月和10 月（P＜0.05）。

圖2 季節(jié)性淹水條件下氮添加對N2O排放速率的影響Fig.2 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in seasonal water area

如圖3 所示，在常年干燥條件下隨著氮沉降量增加生態(tài)系統(tǒng)N2O平均排放速率增加。在植物生長季N0處理和N10處理生態(tài)系統(tǒng)N2O在6月和9月表現(xiàn)為排放，7 月和10 月表現(xiàn)為吸收，N0處理在6 月和9月平均排放速率分別為2.55±0.34 μg·m-2·h-1和1.30±1.15 μg·m-2·h-1，7月和10月表現(xiàn)為吸收，分別為9.03±1.99 μg·m-2·h-1和2.11±0.83 μg·m-2·h-1；N10處理在7月N2O吸收速率最高，10月排放速率最低；在整個(gè)植物生長季N20處理下生態(tài)系統(tǒng)N2O 均為排放，7月平均排放速率最高，為5.81±0.09 μg·m-2·h-1，顯著高于其他月份（P＜0.05），10 月N2O 排放速率最低，為2.27±0.43 μg·m-2·h-1。

圖3 常年干燥條件下氮添加對N2O排放速率的影響Fig.3 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in perennial dry area

2.2 氮添加對不同水分條件濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O 累積排放的影響

如圖4所示，在不同水分條件下，相同氮處理之間N2O累積排放間差異不顯著；在相同水分條件下，植物生長季氮添加會顯著促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)N2O累積排放通量（P＜0.05），3 個(gè)水分條件在不添加氮（N0處理）的處理下，N2O 在植物生長季累積排放均為負(fù)值，表現(xiàn)為吸收，其累積吸收量分別為6.96±1.81 mg·m-2、6.35±2.84 mg·m-2和8.22±1.96 mg·m-2，表現(xiàn)為N2O 的“匯”。當(dāng)增加氮素后，N2O 累積排放呈現(xiàn)出正值，常年淹水、季節(jié)性淹水以及常年干燥條件下N20處理累積排放量分別達(dá)13.35±2.24 mg·m-2、12.26±1.64 mg·m-2和13.79±1.38 mg·m-2，分別是N10處理的7.38倍、2.09倍和11.89倍。隨著氮增加量的增加，顯著促進(jìn)N2O排放，且在常年干燥條件下促進(jìn)效果最為明顯。植物生長季氮添加使干旱區(qū)高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)，使?jié)竦爻蔀镹2O排放源。

圖4 植物生長季不同水分條件下氮添加對N2O累積排放量的影響Fig.4 Cumulative emissions of N2O under different water conditions in plant growing season

2.3 N2O排放與環(huán)境因子之間的關(guān)系

通過相關(guān)性分析得出，生態(tài)系統(tǒng)N2O 平均排放速率與氮添加量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01，R2=0.572），與土壤含水率相關(guān)性不顯著（表1）。在季節(jié)性淹水條件下，N10和N20處理N2O排放速率與土壤5 cm 地溫之間呈顯著相關(guān)（P＜0.05，R=0.715）和極顯著相關(guān)（P＜0.01，R=0.837）（表2）。進(jìn)一步經(jīng)逐步線性回歸方程得出，季節(jié)性淹水條件的生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率（F）與氮添加量（N）和土壤5 cm 地溫（T）關(guān)系呈F=-2.763+0.209N+0.151T(R2=0.483，P＜0.01)多元一次方程關(guān)系。由隨機(jī)森林分析得出，氮添加量，土壤5 cm溫度以及含水量對生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的貢獻(xiàn)分別為：34.27%，33.94%和31.79%，巴音布魯克濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放可能受氮添加量，土壤5 cm溫度以及含水量的綜合影響，三者對N2O排放均有一定的貢獻(xiàn)，其中氮施加量貢獻(xiàn)最大。

表1 N2O排放速率與環(huán)境因子的相關(guān)性(n=99)Tab.1 Correlation of N2O emission rates with environmental factors(n=99)

表2 N2O排放與土壤溫度的擬合關(guān)系（n=11）Tab.2 Fitting relationship between N2O emissions and soil temperature(n=11)

3 討論

巴音布魯克天鵝湖高寒濕地位于我國干旱區(qū)，對比不同生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表3），天鵝湖高寒濕地常年干燥區(qū)生態(tài)系統(tǒng)N2O平均排放速率略高于其他水分區(qū)域，與昆侖山高寒草地［8］N2O 排放速率接近，且均高于水稻田［31］N2O 排放速率，其原因可能是氮增加影響了土壤碳氮比，影響微生物功能，改變了硝化-反硝化過程［13］，同時(shí)，外源氮輸入也可以通過影響植物而間接影響土壤N2O的排放，例如常年淹水區(qū)地上植物以莎草科和禾本科植物為主，外源氮輸入可能使這部分植物體氮供應(yīng)過剩，增加植物的N2O排放量［32］，由于土壤呈堿性可中和氮沉降增加所造成的土壤酸化，進(jìn)而影響N2O的排放［33］。巴音布魯克天鵝湖高寒濕地N2O排放遠(yuǎn)低于若爾蓋高寒濕地、青藏高原高寒草地以及三江平原泥炭濕地，這可能與不同區(qū)域的氮沉降水平或者土壤狀況有關(guān)。由表3還可知，氮添加對生態(tài)系統(tǒng)N2O排放多為促進(jìn)作用，但在若爾蓋高寒濕地和三江平原泥炭濕地僅在NH4NO3低于40 kg·hm-2·a-1氮沉降量時(shí)對N2O排放呈促進(jìn)作用，高于則無影響，其原因可能是由于過高的氮素輸入增加了濕地的凋落物含量，加劇了微生物分解凋落物時(shí)對氮元素的需求，導(dǎo)致了土壤中可利用的有效氮減少，從而抑制了濕地N2O 排放［34］。因此，與我國其他濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，干旱區(qū)巴音布魯克天鵝湖高寒濕地N2O 對氮沉降的響應(yīng)特征具有干旱區(qū)濕地的特殊性。

表3 氮沉降對不同生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的影響Tab.3 Effect of nitrogen deposition on N2O emission rates from different ecosystems

N2O 排放除受氮輸入量和土壤水分條件影響外，土壤溫度也是影響生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放的主要因素之一［35］。Yan等［27］通過對青藏高原高寒濕地的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放速率與氣溫，土壤5 cm溫度和土壤含水率等均顯著相關(guān)；魏達(dá)等［36］在納木錯(cuò)附近濕地的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放速率隨季節(jié)變化沒有顯著影響，與土壤溫度沒有線性關(guān)系，但與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。在本研究中，N2O 平均排放速率與施氮量呈顯著正相關(guān)，與土壤含水率不相關(guān)；經(jīng)逐步線性回歸分析得出，在季節(jié)性淹水條件下，N2O 平均排放速率與施氮量、土壤5 cm地溫呈多元一次方程關(guān)系（R2=0.483，P＜0.01），胡保安等［3］在巴音布魯克天鵝湖高寒濕地的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)N2O 日排放速率與土壤10 cm 地溫存在顯著相關(guān)性，但與土壤5 cm 地溫相關(guān)性不顯著，這與本研究的結(jié)果略有不同，其原因可能與加氮處理后，地上植被改變或研究時(shí)期大氣溫度對土壤溫度的影響而導(dǎo)致的。關(guān)于N2O排放速率為何在季節(jié)性淹水條件下會與氮沉降、土壤溫度呈顯著關(guān)系，而與水分條件無顯著相關(guān)，這也許與該區(qū)域土壤反復(fù)干濕交替有關(guān)，以往研究發(fā)現(xiàn)在干濕交替的環(huán)境下，N2O 排放速率高于恒濕條件［34,37］，可能是土壤干濕交替過程為硝化作用和反硝化作用創(chuàng)造了良好的條件，同時(shí)改變土壤通氣狀況，影響到土壤微生物的活性、底物的可利用性和N2O的擴(kuò)散途徑，從而影響N2O 的產(chǎn)生和傳輸［37］。本研究僅開展了1 a 的野外原位試驗(yàn)，初步探究了氮沉降強(qiáng)度對干旱區(qū)高寒濕地不同水分條件N2O 排放特征的影響，并與我國其他濕地或草地開展相關(guān)研究結(jié)果相比較，接下來還需要深入開展氮沉降對高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放內(nèi)在影響機(jī)制的研究。

4 結(jié)論

巴音布魯克高寒濕地植物生長季中，不同水分條件下，氮素增加顯著促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)N2O 的平均排放速率；在不增氮的處理下，生態(tài)系統(tǒng)N2O表現(xiàn)為吸收，且不同水分條件之間無顯著差異；10 kg·hm-2·a-1和20 kg·hm-2·a-1處理N2O 累積排放量均表現(xiàn)為排放，氮沉降的增加顯著增加生態(tài)系統(tǒng)N2O 累積排放量，氮沉降的增加會促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)由N2O“匯”向“源”轉(zhuǎn)變。氮施加量極顯著影響生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率（P＜0.01)，季節(jié)性淹水條件生態(tài)系統(tǒng)N2O 平均排放速率與施氮量、土壤5 cm地溫呈多元一次方程關(guān)系（R2=0.483，P＜0.01）。