模擬氮沉降顯著提高青藏高原高寒草地氧化亞氮排放速率

許慶民,顧曉夢(mèng),王云英,杜巖功*

(1. 青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,青海 西寧 810008; 2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧 810001)

氧化亞氮(N2O)是僅次于二氧化碳和甲烷的重要溫室氣體[1],N2O具有長期潛在的增溫效應(yīng),全球升溫潛勢(shì)是CO2的310倍[2-3]。自1750年以來,N2O對(duì)全球增溫的貢獻(xiàn)率約占7%,2021年大氣N2O濃度達(dá)到新高約334.5 ppb。全球大氣N2O主要來自氮肥使用、化石燃料燃燒和人為源排放,70%來自農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)[4]。全球每年沉降到陸地的活性氮量達(dá)43.7 Tg[5]。過去30 a以來,中國工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加劇,成為氮沉降量最高的國家之一,青藏高原亦是較高區(qū)域[6]。氮素輸入引起放牧草地土壤碳氮生物地球循環(huán)的改變已受到廣泛關(guān)注[7-8]。

高寒草地是青藏高原主體類型,亦是N2O的重要排放源,放牧是高寒草地的重要利用方式。青藏高原東緣目前每年氮沉降速率達(dá)到2.56 g·m-2,且呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)[9-10]。研究表明,模擬氮沉降處理能顯著增加青藏高原灌叢草甸土壤N2O排放速率[11-12]。同時(shí),隨著氮素劑量增加,草地土壤N2O排放速率急劇增加[13],高劑量氮素添加(10 g·m-2)顯著提升高寒草甸生產(chǎn)力和N2O排放速率[8]。不同類型氮素添加對(duì)N2O排放速率亦有顯著影響。例如,牦牛糞便斑塊高寒草甸土壤N2O排放速率極顯著高于尿液斑塊和無排泄物斑塊[13],顯著高于硫酸銨和硝酸銨的激發(fā)效應(yīng)[8]。硝酸銨顯著增加高寒草甸N2O排放速率[14],硝酸鉀對(duì)高寒灌叢草甸土壤N2O排放速率的促進(jìn)作用顯著高于氯化銨、硝酸銨[11]?；诓莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)N2O排放速率對(duì)不同類型模擬氮沉降具有較強(qiáng)異質(zhì)性,本研究開展了8種氮素類型對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率影響的整合研究。

草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放過程及主要影響因素等方面研究受到較多關(guān)注,已有結(jié)果表明高寒草地土壤N2O排放主要來源于硝化作用和反硝化作用,其中硝化作用是主導(dǎo)過程[15],受土壤理化性質(zhì)和微生物群落特征共同影響[16],但也有研究發(fā)現(xiàn)高寒灌叢草甸土壤N2O排放過程以反硝化作用為主[11]。高寒草甸N2O排放速率與氣溫和降水量及全氮含量顯著正相關(guān)[17]。土壤速效養(yǎng)分是影響高寒濕地土壤反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[18]。不同水平氮添加下N2O排放增量與土壤硝態(tài)氮含量增量呈顯著正相關(guān)[15,19]。中等含水量環(huán)境顯著增加土壤硝化速率和N2O排放量[3,12]。因此,本研究采用混合效應(yīng)模型,揭示土壤理化性質(zhì)和氣象因素對(duì)模擬氮沉降背景下高寒草地N2O排放速率平均效應(yīng)值的影響。

已有研究較多關(guān)注不同劑量氮沉降對(duì)青藏高原局地高寒草地N2O排放速率的影響,但缺少對(duì)比分析不同氮素類型、劑量對(duì)青藏高原區(qū)域草地土壤N2O排放速率影響的整合分析。在區(qū)域尺度上,氮沉降對(duì)高寒草地N2O排放影響的主控因素研究亦相對(duì)缺乏。本研究以青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過數(shù)據(jù)整合分析,揭示不同類型和劑量氮素對(duì)高寒草地N2O排放速率的影響及主要調(diào)控因素,擬為降低高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 Meta分析數(shù)據(jù)收集

通過中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)和web of science,檢索關(guān)鍵詞“氮沉降”或“nitrogen deposition”和“草地”或“草原”或“草甸”或“grassland,steppe,meadow”和“氧化亞氮”或“N2O”,共計(jì)下載107篇研究論文。按照如下準(zhǔn)則進(jìn)行文章篩選:研究對(duì)象為青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng),N2O排放速率通過密閉箱氣相色譜法測(cè)定。本研究收集了草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率、氣象因素(包括年均氣溫和降水量)、環(huán)境因素和土壤理化性狀(包括海拔、容重、pH值、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)碳)。最終,本研究統(tǒng)計(jì)分析引用了28篇論文,包含83組N2O排放速率研究數(shù)據(jù),氮素劑量介于0.7與51.9 g·m-2之間,低、中、高劑量分別為0～4 (n=44,平均值為2.21,與氮沉降背景值接近[10])、4.1～8(n=15,平均值為6.97)和大于8(n=24,平均值為22.57) g·m-2。研究樣點(diǎn)主要分布在西藏、新疆、青海和四川省(圖1)。對(duì)于論文發(fā)表的圖片數(shù)據(jù),采用WebPlotDigitizer軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取[5]。

圖1 整合分析使用的青藏高原高寒草地研究數(shù)據(jù)樣點(diǎn)位置分布圖Fig.1 Distribution map of the sample points of research data in this meta-analysis across the Tibetan Plateau

1.2 平均效應(yīng)值及效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)方法

氮沉降處理對(duì)青藏高原高寒草地N2O影響的效應(yīng)值(反應(yīng)比):

(1)

式中,Xc和Xe分別為對(duì)照和氮沉降處理下高寒草地N2O排放速率的平均值。

研究內(nèi)方差:

(2)

式中,Se和Sc分別為氮沉降處理與對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)差;Ne和Nc分別為處理和對(duì)照的樣本量。

平均效應(yīng)值和置信區(qū)間的計(jì)算方法:

氮沉降對(duì)高寒草地N2O排放影響平均的單一研究結(jié)論的權(quán)重值:

(3)

Meta分析平均效應(yīng)值:

(4)

平均效應(yīng)值的總體標(biāo)準(zhǔn)誤差:

(5)

氮沉降對(duì)高寒草地N2O排放影響平均效應(yīng)值的95%置信區(qū)間:

(6)

式中,vi和τ2分別為研究內(nèi)方差和研究間方差,yi為單一研究效應(yīng)值。

解釋變量的影響程度檢驗(yàn):

(7)

效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn):

(8)

符號(hào)j和i分別代表處理和對(duì)照研究;ni和p表示處理樣本量和解釋變量異質(zhì)性檢驗(yàn)值;yij表示單一研究的效應(yīng)值。

1.3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析

Meta整合分析所采用的數(shù)據(jù)來源于已公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文,是對(duì)單一效應(yīng)值與平均效應(yīng)值的綜合評(píng)價(jià),該過程可能會(huì)受到作者引用發(fā)表論文的選擇性偏倚所影響?；诼┒穲D的對(duì)稱性檢驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)本研究的P值明顯高于顯著性檢驗(yàn)水平0.05(z=1.37,P=0.19)。因而,本研究所得出的結(jié)果并無論文引用的發(fā)表偏愛性、相關(guān)結(jié)果與結(jié)論均具備充足的可信性。

Meta分析基于R語言metafor程序開展(3.6.1版本)。基于隨機(jī)效應(yīng)模型(rma程序包)進(jìn)行單個(gè)研究的效應(yīng)值和平均效應(yīng)值的計(jì)算。當(dāng)該研究的效應(yīng)值整體異質(zhì)性較強(qiáng)時(shí),即Qt值較高(P<0.05),需要采用混合效應(yīng)模型(mods程序包),引入解釋變量對(duì)異質(zhì)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的影響

青藏高原高寒草甸和高原草原均為N2O排放源,排放速率分別為13.77和10.82 μg·m-2·h-1,兩種草地類型之間未達(dá)到顯著性差異。高寒草地N2O平均排放速率約為12.31 μg·m-2·h-1(表1)。氮沉降極顯著地增加了青藏高原高寒草地N2O排放速率,平均效應(yīng)值約為0.91 (95%置信區(qū)間0.72～1.10),增加幅度達(dá)到148.43% (P<0.001,表1)。相比于高寒草甸,高原草原生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率對(duì)氮沉降的響應(yīng)更為敏感(P<0.05),兩者的平均效應(yīng)值分別為0.77和1.07。兩類草地土壤N2O排放速率在模擬氮沉降處理下的增加幅度依次為115.98%和190.96%,達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平。

表1 氮沉降對(duì)高寒草甸和高寒草原N2O排放速率影響的平均效應(yīng)值Table 1 Effect size of nitrogen deposition on N2O emission rates from alpine meadow and steppe on the Tibetan Plateau

2.2 不同氮素類型和劑量對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的影響

氮素類型對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率的影響存在較強(qiáng)的異質(zhì)性,不同類型氮素影響的平均效應(yīng)值之間存在顯著性差異(P<0.05)。硝酸鉀、家畜糞便和硫酸銨平均效應(yīng)值顯著高于尿素、硝酸銨、家畜尿液,氯化銨和硝酸鈉對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率影響最低,平均效應(yīng)值分比為0.36和0.30(表2)。不同類型氮素對(duì)高寒草地N2O排放速率的增加幅度之間同樣存在顯著性差異,且尿素和氯化銨添加對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率影響未達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平。

不同氮素劑量對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率的影響,存在較強(qiáng)的異質(zhì)性和顯著性差異(P<0.05)。低劑量、中劑量和高劑量氮素均極顯著增加高寒草地N2O排放速率,平均效應(yīng)值分別為0.34,1.09和1.48 (圖2)。隨著氮素劑量的增加,平均效應(yīng)值和增加幅度均顯著增加。低劑量下,N2O排放速率的增加幅度僅為40.49%,但中劑量和高劑量下其增加幅度分別達(dá)到197.13%和339.29%。

圖2 不同氮素劑量對(duì)高寒草地土壤N2O影響的平均效應(yīng)值對(duì)比分析Fig.2 Contrastive analysis of different doses of nitrogen deposition on the effect sizes of grasslands N2O emission注:LD,MD和HD分別表述低、中、高劑量:0～4 g·m-2,4.1～8 g·m-2和>8 g·m-2;不同字母表示不同氮素劑量間平均效應(yīng)值和增加幅度存在顯著性差異(P<0.05)Note:LD,MD and HD mean the low,medium and high doses of nitrogen deposition:0～4 g·m-2,4.1～8 g·m-2and >8 g·m-2. Different letters mean there were a significant difference on the effect size between different nitrogen doses (P<0.05)

2.3 氣候因子及土壤理化性質(zhì)等連續(xù)變量對(duì)平均效應(yīng)值的影響強(qiáng)度

青藏高原高寒草地N2O排放速率受到多種因素耦合影響?；诨旌闲?yīng)模型,本研究發(fā)現(xiàn)氮沉降平均效應(yīng)值受氮素劑量、土壤硝態(tài)氮含量、土壤全氮含量、年均氣溫和地上生物量的顯著性影響(P<0.05),且均為正向效應(yīng)。氮素劑量、硝態(tài)氮含量、全氮含量分別可以解釋28.32%,12.94%和11.17%的效應(yīng)值變異。高寒草地土壤容重、全鉀和pH對(duì)氮沉降的平均效應(yīng)值影響作用較弱,僅可以解釋2.87%,2.68%和2.47%的效應(yīng)值變異。此外,其它因素包括全磷、降雨量、土壤銨態(tài)氮、海拔和有機(jī)碳等因素對(duì)平均效應(yīng)值的影響貢獻(xiàn)極低(表3)。未來氮沉降增加和全球變暖氣候情景,均可能增加青藏高原高寒草地N2O排放速率。

表3 氣候和土壤理化性質(zhì)對(duì)高寒草地N2O排放速率平均效應(yīng)值的影響作用Table 3 Effects of soil physical and climate factors on cumulative effect sizes of N2O emission rates

3 討論

我國大氣氮沉降總體上維持在較高水平,并正在以每年平均0.8 g·m-2速度增加,部分區(qū)域大氣氮沉降量已達(dá)到3～5 g·m-2[13,20]。青藏高原東部區(qū)域氮沉降量超過陸地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降臨界負(fù)荷[10],闡明大氣氮沉降對(duì)青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的影響和調(diào)控因素,為延緩大氣溫室效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 氮沉降對(duì)高寒草甸和高寒草原生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率平均效應(yīng)值的影響

本研究發(fā)現(xiàn)模擬氮沉降處理極顯著增加青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放速率,其中高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放增加幅度顯著高于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)?；趩我粯狱c(diǎn)的較多實(shí)驗(yàn)研究支持此結(jié)論。例如,研究發(fā)現(xiàn)西藏申扎縣高寒草原和高寒草甸的增加幅度分別為對(duì)照處理的13.2和1.1倍[14]。在青海湖流域,模擬氮沉降處理下高寒草原N2O的排放速率是對(duì)照樣地的1.5倍[21]。青海省東北部模擬氮沉降處理高寒草甸N2O排放速率增加約64.7%[22]。但也有研究發(fā)現(xiàn)模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)高寒草原和高寒草甸N2O排放速率僅增加5.2%和8.3%[23-24]。這同樣表明氮沉降對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率的影響存在較強(qiáng)異質(zhì)性。氮沉降處理高寒草原生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的平均效應(yīng)值顯著高于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng),可能是因?yàn)楦吆菰鷳B(tài)系統(tǒng)全氮和速效氮含量均明顯低于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)[14],本研究發(fā)現(xiàn)高寒草原和高寒草甸全氮和速效氮含量分別為8.13和4.03 g·kg-1,50.65和40.06 g·kg-1。因此高寒草原氮素循環(huán)關(guān)鍵過程和地上生物量對(duì)氮沉降更為敏感,N2O排放速率顯著增加[22]。同時(shí),高寒草原區(qū)域年均氣溫高于高寒草甸,多年平均氣溫分別為0.14℃和-0.03℃,氣溫較高區(qū)域增加土壤微生物量及活性,引起草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率顯著增加[1,25]。此外,本研究發(fā)現(xiàn)高寒草甸和高寒草原氮沉降模擬實(shí)驗(yàn)的施氮?jiǎng)┝糠謩e為6.31和12.15 g·m-2,這可能也是高寒草原平均效應(yīng)值及增加幅度顯著高于高寒草甸的重要原因。

3.2 不同劑量和類型模擬氮沉降對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的影響

本研究發(fā)現(xiàn)各氮素劑量均極顯著增加高寒草地N2O排放速率,且隨著氮素劑量的增加,平均效應(yīng)值和增加幅度均顯著增加,低劑量(小于4 g·m-2)的增加幅度僅為40.49%,但中(4.1～8 g·m-2)、高劑量(大于8 g·m-2)對(duì)N2O排放速率增幅達(dá)到197.13%和339.29%。已有研究報(bào)道了相似的結(jié)果,即:模擬氮沉降量劑量為1.4,2.8,5.6,11.2和22.4 g·m-2,西藏申扎縣高寒草原N2O排放速率由25.6 μg·m-2·h-1增加到26.7,31.3,40.2和219 μg·m-2·h-1,低、中和高劑量模擬氮沉降的N2O排放速率增幅分別為63.28%,157.03%和855.46%[25]。模擬氮沉降量劑量為0.96和1.92 g·m-2,青海省瑪沁縣對(duì)照和處理的高寒草甸N2O排放速率分別為4.05,4.37和5.49 μg·m-2·h-1,增加幅度7.90%和35.56%,即低劑量的N2O排放速率增幅均值為21.73%[26]。模擬氮沉降量劑量18.2 g·m-2,甘肅瑪曲縣對(duì)照和處理的高寒草甸N2O排放速率分別為23.4和76.5 μg·m-2·h-1,高劑量模擬氮沉降的N2O排放速率增加幅度達(dá)到226.92%[27]。氮沉降量劑量16 g·m-2時(shí),四川若爾蓋高寒沼澤草地N2O排放速率分別為18.92和189.15 μg·m-2·h-1,后者是前者的8.99倍[28]。因此,本研究較好的整合分析了低、中和高劑量模擬氮沉降的N2O排放速率的平均效應(yīng)值和增加幅度,為氮沉降背景下高寒草地N2O排放速率的準(zhǔn)確估算提供科學(xué)依據(jù)。

家畜糞便排泄物引起的土壤N2O排放量約2.42 Tg,約占草地生態(tài)系統(tǒng)排放總量的41%[2]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)家畜糞便和尿液對(duì)高寒草地N2O排放速率的增加幅度分別為252.54%和129.33%,且均達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平。本研究發(fā)現(xiàn)硝酸鉀、家畜糞便、硫酸銨和尿素對(duì)高寒草地N2O排放速率激發(fā)效應(yīng)較高,分別為285.74%,252.54%,242.12%和232.01%,且不同處理間存在顯著性差異。硝酸鉀對(duì)N2O排放速率的促進(jìn)效應(yīng)最高,這可能是因?yàn)樵谠黾恿讼鯌B(tài)氮含量的基礎(chǔ)上,同時(shí)促進(jìn)高寒草地植物生長和硝化作用[8],同時(shí)增加了土壤鉀肥可用量[29],上述因素共同激發(fā)N2O排放。已有研究發(fā)現(xiàn),施用鉀肥處理的西藏地區(qū)農(nóng)田土壤N2O排放速率從0.17 mg·kg-1顯著增加到0.57 mg·kg-1[29]。此外,該數(shù)據(jù)整合分析收集的相應(yīng)樣本量偏低可能也是重要影響因素。

3.3 氮沉降對(duì)高寒草地N2O排放速率影響的主要調(diào)控因素

本研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對(duì)高寒草地N2O排放影響的平均效應(yīng)值,受氮素劑量、硝態(tài)氮含量、全氮含量、年均氣溫和地上生物量的顯著性正向效應(yīng)影響。高寒草甸N2O排放速率同時(shí)受硝化作用和反硝化作用影響,硝化作用貢獻(xiàn)約為72.8%[16]。氮素劑量直接影響土壤速效氮含量,增加土壤微生物氮素可利用底物量,增強(qiáng)土壤N2O排放速率[28-31]。青藏高原高寒草地硝化作用較強(qiáng),銨態(tài)氮被較多地轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,為反硝化作用提供反應(yīng)底物,增強(qiáng)高寒草地土壤N2O排放速率[16]。高寒草地全氮含量較高時(shí),有利于增加土壤速效氮含量和N2O排放速率[28,32]。氣溫是影響土壤微生物活性的重要因素,也是影響高寒草地土壤N2O排放速率的重要因素[32]。增溫處理的青海省風(fēng)火山地區(qū)高寒草甸N2O排放速率從3.85增加到13.92 μg·m-2·h-1,增加幅度達(dá)到262.08%[23]。甘肅瑪曲高寒草甸對(duì)照和增溫處理N2O排放速率分別為206.21和286.34[32]。地上生物量較高時(shí),一般土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量亦較高[35-38],此外植物也具有排放N2O能力,這可能是地上生物量對(duì)平均效應(yīng)值具有顯著影響的重要原因[36]。

4 結(jié)論

高寒草地為大氣溫室氣體N2O排放源,氮沉降極顯著增加青藏高原高寒草地N2O排放速率,高原草原生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率平均效應(yīng)值和增加幅度均顯著高于高寒草甸。硝酸鉀、家畜糞便、硫酸銨和尿素對(duì)高寒草地N2O排放速率影響的平均效應(yīng)值顯著高于硝酸銨、家畜尿液。不同氮素劑量對(duì)青藏高原高寒草地N2O排放速率的平均效應(yīng)值具有極顯著影響。氮沉降平均效應(yīng)值受氮素劑量、硝態(tài)氮與全氮含量、年均氣溫和地上生物量的顯著性正向影響。因此,在氮沉降逐漸增強(qiáng)的氣候情景下,需要重視高寒草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放速率的激發(fā)效應(yīng)。