凍融交替對(duì)高寒草甸N2O排放速率的影響

李尚宏,周 賡,杜巖功

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810008； 2.威海市農(nóng)業(yè)局，山東 威海 264411； 3.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001)

氧化亞氮(N2O)是引起全球氣候變化的重要溫室氣體之一，占全球增溫效應(yīng)的7.9%[1]，在大氣中壽命較長(zhǎng)(121年)，參與大氣對(duì)流層和平流層很多光化學(xué)反應(yīng)，破壞大氣臭氧層[2]。目前，大氣N2O濃度約為322 nL/L，相比于工業(yè)革命前(270 nL/L)增加了20%，且年增長(zhǎng)速率約為0.7 nL/L[3-4]。

凍融交替是由于季節(jié)或晝夜熱量變化在表土或一定深度反復(fù)凍結(jié)-解凍的土壤過(guò)程，在中高緯度及高海拔地區(qū)，土壤凍融交替現(xiàn)象普遍存在。土壤凍融交替直接影響到高寒草甸土壤物理和微生物性狀、氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程與強(qiáng)度，激發(fā)土壤N2O排放[5-6]。

凍融過(guò)程能顯著增加羊草草原(Aneurolepidiumchinense)、高寒金露梅(Potentillfruiticosa)灌叢草甸和沼澤濕地土壤N2O排放速率[7-9]，其中凍融脅迫能促使土壤N2O排放量增加220%[10]；寒溫帶土壤休眠季N2O 排放通量來(lái)自于凍融交替過(guò)程的占氮排放量的65%[11]，挪威森林土壤凍融期N2O排放量占年排放量的80%以上[12]；內(nèi)蒙圍封樣地凍融過(guò)程N(yùn)2O排放量占總排放量的72%[13]；冬季三江平原沼澤濕地是N2O匯，隨著凍融期土壤地溫逐漸升高，轉(zhuǎn)變成為N2O源[14]。

高寒草甸是青藏高原的主體類(lèi)型之一，約占高原總面積的35%[15]，具有獨(dú)特的自然環(huán)境和大氣環(huán)流格局，是世界氣候變化的重要啟動(dòng)區(qū)和調(diào)節(jié)區(qū)，為全球氣候變化和地球系統(tǒng)科學(xué)研究的最佳天然實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)期受凍融作用影響。受溫室效應(yīng)影響，區(qū)域降水增加的氣候情景，促使青藏高原地區(qū)凍融交替次數(shù)增加[16-17]，這將對(duì)高寒草甸N2O排放速率產(chǎn)生怎樣的影響，已成為科學(xué)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因此，通過(guò)研究?jī)鼋Y(jié)溫度和凍融時(shí)間對(duì)高寒草甸N2O排放速率的影響，為探討青藏高原高寒草甸對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程的影響及發(fā)生機(jī)制、揭示全球氣候變化的區(qū)域效應(yīng)和高海拔生態(tài)系統(tǒng)的管理提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)所采集土壤樣地，位于中國(guó)科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站(海北站)，地處祁連山北支冷龍嶺東段南麓的大通河谷，N 37°29′～37°45″，E 101°12′～101°23′，海拔3 280 m。屬典型的高原大陸性氣候，年均氣溫-1.7℃，最冷月(1月)平均氣溫-14.8℃，最熱月(7月)平均溫度9.8℃。年均降水量560 mm，主要集中于5～9月，占年降水量的80%，植物生長(zhǎng)季，雨熱同期。

土壤類(lèi)型為高山草甸土，平均厚度約為0.65 m。0～10 cm表層土壤有機(jī)碳和全氮為5.50%、0.76%；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為8.96、6.05 g/kg；土壤容重為0.78 g/cm3[1]。海北站地區(qū)凍融交替作用主要發(fā)生在4～5月，白天溫度高，土壤開(kāi)始解凍，夜間平均溫度低于0℃，土壤反復(fù)凍結(jié)[5]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2014年8月，選擇地勢(shì)平坦且長(zhǎng)勢(shì)均勻的矮嵩草草甸為研究對(duì)象，利用蛇形取樣法采集0～10 cm土壤中樣品，在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、通過(guò)2 mm土壤篩，稱(chēng)取50 g土壤樣品，放置于500 mL棕色培養(yǎng)瓶，定期稱(chēng)其重量，將土壤濕度保持在田間持水量(53.6%重量含水量)。

在高低溫實(shí)驗(yàn)箱(TRS-50)，設(shè)置-10℃，-5℃和5℃ (對(duì)照實(shí)驗(yàn)，CK)培養(yǎng)1個(gè)月，分別再培養(yǎng)2、4、8、24 h，3、5、7、14、21、28 d，各3次重復(fù)。之后將-10℃、-5℃凍結(jié)土壤在5℃條件下分別培養(yǎng)2、4、8、24 h，3、5、7 d，分析不同凍結(jié)和融化溫度及培養(yǎng)時(shí)間對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響。

設(shè)置凍結(jié)溫度-5℃、凍結(jié)12 h，融化溫度5℃，融化時(shí)間12 h，采用程序升、降溫的方式，以24 h為1次凍融交替周期，進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，凍融交替次數(shù)分別為1、2、4、8、12和24次。用帶有三通閥的30 mL注射器采集氣體，采用氣相色譜法(HP4890D,Agilent，內(nèi)裝電子捕獲器ECD)，測(cè)定其N(xiāo)2O排放速率。柱箱和檢測(cè)器溫度分別為70℃和300℃，最小因子檢測(cè)限為±5 nL/L，N2O排放速率(F)的計(jì)算。

式中：M為氣體濃度，ρ為氣體密度，V1為培養(yǎng)室和V2土壤體積，S為底面積。

1.3 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)單因素方差分析，研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響(P<0.05)。統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS 16.0 (SPSS,Chicago,USA)實(shí)現(xiàn)，相關(guān)圖件采用Excel 2010繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍結(jié)和融化時(shí)間對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響

隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，-10℃和-5℃培養(yǎng)溫度下，青藏高原高寒草甸土壤N2O排放速率均明顯降低，且前者的降低速率顯著高于后者，均低于對(duì)照土壤N2O排放速率(圖1)。

凍結(jié)2 h后，草甸土壤在5℃對(duì)照，-5℃和-10℃培養(yǎng)時(shí)，土壤N2O排放速率分別為3.58±0.07，2.45± 0.04和2.13± 0.04 g/(kg·h)，凍結(jié)土壤N2O 排放速率明顯低于對(duì)照樣地 (P<0.05)，降低幅度分別為31.6%和40.5% (圖1)。-5℃培養(yǎng)土壤凍結(jié)24 h后，土壤N2O排放速率略有增加，對(duì)照處理土壤N2O排放通量接近。經(jīng)過(guò)5 d凍結(jié)，-10℃培養(yǎng)和對(duì)照處理相比于凍結(jié)3 d處理，土壤N2O排放速率增加。各處理均在凍結(jié)21 d時(shí)，高寒草甸土壤N2O排放速率達(dá)到最低值。5℃對(duì)照，-5℃和-10℃培養(yǎng)時(shí)，土壤N2O排放速率分別為0.34± 0.06，0.05± 0.09和0.12±0.03 g/(kg·h)(圖1)。

圖1 不同凍結(jié)溫度，凍結(jié)時(shí)間及融化時(shí)間處理 下高寒草甸土壤N2O的排放速率Fig.1 Effect of frozen temperature and time and thawed time on soil N2O emission rates

隨著凍結(jié)土壤的融化，-5℃和-10℃培養(yǎng)土壤N2O排放速率急劇增加，隨后逐漸降低，但均高于對(duì)照樣地。凍結(jié)土壤融化2 h，5℃對(duì)照、-5℃和-10℃培養(yǎng)時(shí)，土壤N2O排放速率分別為0.45±0.04，1.75±0.02和1.48± 0.1 g/(kg·h)(圖1)，后兩者土壤N2O排放速率是對(duì)照樣地的3.9和3.3倍(P<0.01)。凍融交替作用顯著的激發(fā)了高寒草甸土壤N2O排放速率。

凍結(jié)期間，土壤凍結(jié)顯著降低高寒草甸土壤N2O排放速率，隨著凍結(jié)溫度降低，相比于對(duì)照處理，-10℃和-5℃培養(yǎng)土壤N2O降低速率分別為49.7%和39.7%，且均達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)。融化期間，-5℃培養(yǎng)土壤N2O排放速率顯著高于-10℃和5℃培養(yǎng)土壤，三者之間存在顯著差異(P<0.05)(表1)。試驗(yàn)期間，凍融交替過(guò)程高寒草甸土壤N2O排放速率從高到低分別為5℃>-5℃>-10℃條件培養(yǎng)土壤 (P<0.05)，凍融交替作用對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響，受凍結(jié)溫度的調(diào)控。

表1 不同凍結(jié)溫度處理下高寒草甸土壤 N2O的排放速率

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)高寒草甸土壤N2O排放速率的影響

隨著凍融交替循環(huán)次數(shù)從1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯增加，從最初的1.23±0.05增加到3.34±0.59 g/(kg·h)(P<0.05)。從第1次到第2次、第8次到第12次凍融循環(huán)階段，高寒草地土壤N2O排放速率急速增加，增加速率分別為59.3%和30.5%，均達(dá)到顯著性差異。而其他各階段增長(zhǎng)緩慢，從第2次到第4次、第4次到第8次凍融循環(huán)過(guò)程，高寒草甸土壤N2O排放速率增加幅度僅為13.8%和14.8%(圖2)。

從第12次到第24次凍融循環(huán)時(shí)，高寒草甸土壤N2O排放速率開(kāi)始下降，從3.34±0.59降低到2.28±0.08 g/(kg·h)，兩者之間存在顯著性差異(P<0.05)，降低幅度達(dá)到31.7% (圖2)。

圖2 凍融交替次數(shù)處理下高寒草甸 N2O的排放速率Fig.2 Effect of alternate freezing-thawing times on soil N2O rates in alpine meadow

3 討論

土壤硝化和反硝化作用是草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的主要過(guò)程，受到多種因素影響，如土壤微生物活性、土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH、氧化還原電位、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量等[18-19]。凍融交替不僅使土溫發(fā)生變化，而且對(duì)土壤的理化性質(zhì)和生物過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生直接的作用，可能會(huì)增加微生物吸收利用的碳氮微生物底物，提高硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量[20]。不論野外和室內(nèi)試驗(yàn)均表明凍融作用會(huì)激發(fā)高寒草地土壤N2O排放[21-22]。

研究發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)溫度降低、凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯降低；土壤融化時(shí)，高寒草甸土壤N2O急劇增加，融化2 h其N(xiāo)2O排放速率達(dá)到峰值；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，高寒草甸土壤N2O排放速率繼續(xù)增加，12次凍融循環(huán)時(shí)排放速率達(dá)到峰值，隨后降低。可能是因?yàn)閮鋈诮惶孀饔蔑@著影響土壤水熱傳導(dǎo)、同時(shí)引起土壤水分向凍結(jié)土壤周?chē)D(zhuǎn)移，有利于維持高寒草甸土壤水分[14,23]，土壤長(zhǎng)期處于較高土壤水分狀態(tài)，導(dǎo)致形成局部厭氧環(huán)境，從而提高了土壤反硝化作用[5]。此外，反復(fù)凍融交替過(guò)程能夠降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，引起團(tuán)聚體破碎；大量根系的死亡(細(xì)根)，其腐爛、降解會(huì)促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)，產(chǎn)生較多碳氮養(yǎng)分供給微生物吸收利用，促進(jìn)反硝化作用[5,24]。土壤反硝化作用是草地生態(tài)系統(tǒng)N2O產(chǎn)生及排放的重要途徑[1,25]。但是隨著底物逐漸被微生物耗竭，土壤N2O排放速率可能呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

4 結(jié)論

隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，高寒草甸土壤N2O排放速率均明顯降低。凍結(jié)2 h后，高寒草甸-5℃和-10℃培養(yǎng)土壤N2O排放速率明顯降低，且后者降低幅度高于前者；各處理均在凍結(jié)21 d時(shí)，高寒草甸土壤N2O排放速率達(dá)到最低值。隨著凍結(jié)土壤的融化，N2O排放速率急劇增加，融化2 h，5℃對(duì)照，-5℃和-10℃培養(yǎng)時(shí)，后兩者土壤N2O排放速率是對(duì)照樣地的3.9和3.3倍。凍融交替作用顯著的激發(fā)了高寒草甸土壤N2O排放速率。隨著凍融交替循環(huán)次數(shù)從1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯增加(P<0.05)。如果忽略?xún)鋈谄诟吆莸镹2O排放速率的觀測(cè)，可能會(huì)低估高寒草甸N2O年排放量。