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耦合關系

朱輝，王燕，王云英，杜巖功

(1.青海省生態環境監測中心，青海 西寧 810001；2.濟寧市嘉祥縣自然資源和規劃局，山東 濟寧 272000；3.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001)

工業革命之后，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，2015-2019年是自100多年前有氣溫記錄以來最熱的連續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反應[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的硝化和反硝化過程所產生[4-5]。草地生態系統具有較強的碳氮吸收及釋放功能，可以顯著影響全球氣候環境變化[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]，明顯高于內蒙古羊草草原生態系統N2O排放速率[14.9 μg/(m2·h)][11]。

東北三江平原濕地草甸腐殖質土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吸收現象[9,13]，內蒙古草甸草原在生長季時監測到N2O[14]。上述研究表明草地生態系統N2O釋放速率存在較強的空間異質性。

高寒草甸生態系統N2O排放速率與土壤有機質含量、放牧強度等因素具有正相關關系，而與pH值間存在負相關關系[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[6]。降水導致土壤形成厭氧環境，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相關關系[17]。

已有研究集中于青藏高原高寒草甸N2O源匯效應[9，15]、N2O排放速率對土壤溫度和濕度的響應特征[17]和基于機理模型模擬高寒草甸生態系統N2O排放量等方面[10]。而有關土壤理化性質、生物量與高寒草甸氧化亞氮排放速率間耦合關系的研究相對薄弱。本研究解析土壤N2O排放對土壤有機質、礦質態氮素含量、土壤溫度和濕度、地上生物量的響應特征；對土壤N2O排放的主要影響因素進行定量研究。對于解析高寒草甸生態系統N2O發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 研究區概況

試驗設置在青海省海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站海北站(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。該地區為典型的高原大陸性氣候，無明顯四季區分，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，有機質含量約為12%，其中腐殖質占87%[17]，土壤全量養分豐富，速效養分貧乏[9]。

1.2 試驗設計

在海北站矮嵩草草甸綜合觀測場，隨機選擇能夠代表該地區地表植被特征且地勢平坦的草地作為采樣點，3次重復。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氣體試驗的干擾。生長季(6-9月)每周監測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。每次試驗期間，同時采用便攜式鉑電阻數字溫度計(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，置于實驗室自然風干，通過2 mm土壤篩后備用。測定土壤化學性質(有機質、銨態氮和硝態氮含量、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，采用靜態箱法采集氣樣。取樣時，在底座密閉水槽內加水，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，采樣時間點為0、10、20、30 min，即每隔10 min取1次樣品，隨后立即帶回實驗室，24 h之內進行上機測試分析。氣體測定采用氣相色譜法(HP4890D，Agilent)，內裝電子捕獲檢測器(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N2O的體積混合比濃度(10-9L/(L·min))，t為時間(min)，ρ是標準狀態下N2O密度(g/cm3)，T0和P0分別為標準狀況下，空氣絕對溫度(絕對溫度，K)和氣壓(Pa)。依據樣品N2O濃度隨時間變化，所建立的回歸方程決定系數R2>0.95時，數據被視為有效而被采用。

矮嵩草草甸土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法分析[18-19]、銨態氮和硝態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、容重采用環刀法。地上生物量采用標準樣方收獲法測定[9]。

1.4 數據分析

每月高寒草地生態系統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，其中直接效應為變量Y關于Xi的標準回歸系數，某一自變量通過其他自變量對因變量的作用效應即Xi通過Xj的間接效應為rij×pyj[20-21]。上述數據分析均采用SPSS 16.0進行。

2 結果與分析

2.1 生長季高寒矮嵩草草甸N2O排放特征

陸地生態系統的觀測數據證明，自然系統正在遭受全球變化影響，青藏高原高寒草地生態系統對氣候變化尤為敏感，溫室效應會對高寒草甸生態系統產生嚴重影響。生長季高寒矮嵩草草甸N2O排放速率呈現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系統N2O平均排放速率約為(39.3±5.4) μg/(m2·h)。

2.2 土壤理化性質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系及其相關強度的方法。本研究發現基于土壤理化性狀和地上生物量，可以建立較好的N2O排放通量的預測模型，決定系數較高，達到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，誤差項的決定系數0.274，尚有其他因素對高寒草地生態系統N2O排放速率影響作用為27.4%。

矮嵩草草甸土壤有機質含量、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，且前兩者對N2O排放速率影響的直接作用分別達到極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)(圖3)。土壤硝態氮和銨態氮含量對高寒草甸N2O排放速率的影響強度稍低，前者作用強度高于后者。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質和銨態氮，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氮通過影響土壤有機質，對高寒草甸N2O排放速率的間接作用較強，作用強度分別為0.233和0.203。土壤有機質通過影響地上生物量、土壤硝態氮、銨態氮，對草地生態系統N2O排放速率的間接作用較強，作用強度分別為0.312、0.113和0.108。此外，除標注的間接作用強度外，其他因素之間的間接作用相對較弱，作用強度均小于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，進而導致溫室效應[3,10]。N2O主要以兩種途徑被破壞，光分解或者與游離氧發生反應，N2O與臭氧發生反應轉變為NO，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[4,10]。

增加土壤有機質會增加草地土壤N2O排放[22]，草原生態系統原狀土柱加入碳源后，表層及深層土壤硝化過程和氮素損失量顯著增加，尤其是下層土壤N2O排放量增加趨勢更加明顯[23]。本研究發現土壤有機質是影響高寒草地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耦合作用關系，尤其是矮嵩草草甸土壤中各因素通過土壤有機質的間接作用均較強，以及土壤有機質的直接作用亦較強，這可以認為土壤有機質是影響土壤N2O排放通量的重要因素。

高寒草甸植物和農田作物均具有產生或者傳輸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]，本研究發現地上生物量對高寒草甸N2O排放速率具有較強的直接作用。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，矮嵩草草地土壤硝化作用強度明顯高于反硝化作用[3]。本研究也發現，土壤硝態氮對N2O排放速率的直接作用高于銨態氮，硝態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[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]。本研究發現，溫度與矮嵩草草甸生態系統N2O排放速率間存在正相關關系。這可能也是高寒矮嵩草草甸N2O排放峰值出現在雨熱同期的8月的重要原因。但在內蒙針茅草原，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產生速率有重要影響，但這種關系是復雜、多變和階段性的[17]。

4 結論

青藏高原高寒草甸生態系統是N2O排放源，且存在較大時間異質性?；诙嘣貧w方程，利用土壤理化性質參數，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。土壤有機質、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，土壤理化性質參數通過影響土壤有機質對N2O排放速率的間接作用較強。研究為高寒草地N2O減排提供了科學依據。