高寒草甸土壤CO2和N2O释放对C、P添加的响应

王冬雪，王平

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州　730070；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都　610041)



高寒草甸土壤CO2和N2O释放对C、P添加的响应

王冬雪1,2，王平1

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041)

摘要：【目的】 探明碳、磷输入对土壤CO2和N2O排放的影响.【方法】 以青藏高原高寒草甸土壤为研究对象，采用室内培养的方法，设置3个处理(C：碳添加；P：磷添加；CP：碳磷共同添加)和1个对照(CK)，研究了碳、磷单独添加以及共同添加对高寒草甸土壤CO2和N2O释放的影响.【结果】 碳素单独添加或碳、磷共同添加均显著增加了高寒草甸土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的含量，而磷素单独添加对其影响不显著；碳素单独添加或碳、磷共同添加均显著增加了高寒草甸土壤CO2和N2O的释放量，而磷素单独添加对其影响不显著；高寒草甸土壤CO2释放量与土壤DOC含量呈显著正相关关系；高寒草甸土壤N2O的产生过程以反硝化作用为主.【结论】 不同处理CO2和N2O的全球增温潜能(GWP)由大至小顺序为：CP>C>P>CK.

关键词：青藏高原；高寒草甸；MBC；DOC；温室气体；全球增温潜能

近年来，随着工业的发展，人类向土壤中输入的碳、氮和磷越来越多，已经对生态系统造成了不同程度的影响[1].目前，氮素输入引起的土壤碳氮生物地球循环改变已受到广泛关注，国内外学者也相继展开了一系列有关氮沉降对土壤影响的研究[2-5]，但对碳、磷输入的研究相对较少，仅有的研究大多集中在农田，森林和温带草原生态系统[6-12]，而对青藏高原高寒草甸生态系统研究还比较薄弱.

青藏高原是世界上最大的高海拔地区，被喻为世界的“第三极”，处于全球变化的敏感地带，对亚洲乃至全球的气候变化都有极为明显的影响[13].高寒草甸作为青藏高原分布最广泛的植被类型之一，分布面积为1.2×106km2，极具代表性[14].然而，目前有关碳、氮和磷输入对高寒草地生态系统影响的研究还较少，仅有的研究主要集中在氮素输入对土壤温室气体释放的影响[15]，鲜有针对碳、磷共同输入对高寒草甸生态系统温室气体释放影响的研究.本文针对目前外源碳、磷输入对青藏高原高寒草甸土壤影响研究不足的现状，拟通过室内培养研究高寒草甸土壤CO2和N2O释放对碳、磷单独输入以及碳、磷共同输入的响应，以期为制定高寒草地生态恢复的适应性管理政策提供科学依据.

1材料与方法

1.1研究区概况

室内培养土壤采自红原县(N 33°03′,E 102°36′)，该区位于青藏高原东部，海拔3 462 m，主要土壤类型为高寒草甸土壤，其土壤基本性状见表1.当地是严格的大陆性高原气候，日温差较大，年平均气温1.1 ℃，没有绝对无霜期.月平均气温最高的月份是7月，约为10.9 ℃；月平均气温最低的月份是1月，约为-10.3 ℃.年平均降水量752 mm，其中86%左右集中在5(9月，年均蒸发量1 263 mm，年均湿度60%～70%，年均日照时间2 159 h，年均太阳辐射6 194 MJ/m2.

表1　研究区高寒草甸土壤理化性质

1.2样品采集和处理

供试土样采于2012年8月，采样时，选择典型的高寒草甸生态系统，随机设置10 m×10 m样方4个，在每个样方内，用直径为7 cm的土钻随机采集0～15 cm表层土壤，每个样方采10钻，每个样方所采土样混合作为一个复合样品.采集土样前，用剪刀齐地面剪除植物地上部分，采集的土壤样品在室温下风干并剔除土样中残留的根茬等.然后进行研磨并过2 mm筛，充分混匀，储存在4 ℃下备用.

1.3实验室培养

准备带有橡胶塞的275ml玻璃广口瓶12个进行室内培养.培养实验设置碳素添加、磷素添加以及碳、磷同时添加3个添加处理和1个对照，每个处理设3个重复.根据国内外的一些研究及其结果[16]，结合所研究的青藏高原高寒草甸的实际情况，设置3个添加处理的试剂用量分别为：C，葡萄糖添加量为2 000 mg/kg ；P，NaH2PO4添加量为40 mg/kg；CP，碳、磷同时添加 (葡萄糖添加量为2 000 mg/kg和 NaH2PO4添加量为 40 mg/kg.培养时将30 g风干土样装入培养瓶中，分别添加试剂并调节土壤含水量至土壤持水能力(WHC)的60%，然后将12个敞口培养瓶随机摆放在培养箱中，在10 ℃黑暗条件下培养45 d，培养过程中保持土壤含水量恒定.

1.4样品采集与分析

在培养第1、3、6、10、15、20、25、30、35、40、45天定时进行采气，采集气样时塞上安有三通阀的橡胶塞，立刻使用气密注射器依次从每个培养瓶中抽取10 mL气体样品，关闭三通阀，密闭2 h后再使用另一批气密注射器依次从每个培养瓶中抽取10 mL气体样品，采样结束取下橡胶塞.所采气体样品均在24 h内使用气相色谱仪(Agilent 7890A)测定.在培养第45天采集土样，使用流动分析仪(AutoAnalyzer3)分析土壤可溶性有机碳(DOC)、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)含量，采用氯仿熏蒸-提取测定土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN).

1.5计算与统计分析

CO2和N2O释放速率由密闭2 h前后的气体浓度差得出，公式如下[17]：

式中：F指CO2或N2O的排放速率(mg/kg/h或μg/kg/h)；ρ代表CO2或N2O标准气体浓度；ΔC指密闭2h前后CO2或N2O的浓度差(mg/L)； V指培养瓶的体积(mL)；T代表培养温度(℃)；W代表培养土壤干质量(kg).

目前普遍使用的N2O不同尺度上的增温潜能采用2001年的IPCC标准，公式如下[18]：

式中：TH指积分时间范围，一般取20a、100a、500a；RFx和RFCO2分别表示温室气体x和参考气体CO2的辐射强迫；ax和aCO2分别表示温室气体x和参考气体CO2的辐射效率；x(t)和r(t)分别表示温室气体x和参考气体CO2的时间响应函数.计算得到在20a时间尺度上，单位质量N2O的GWP为CO2的275倍；在100a时间尺度上，单位质量N2O的GWP分别为CO2的298倍；在500a时间尺度上，单位质量N2O的GWP分别为CO2的156倍.

1.6数据处理

统计分析均在MicrosoftExcel2007和SPSS19.0上进行，不同处理间的差异显著性水平采用Duncan法进行检验.

2结果与分析

2.1碳、磷添加对土壤性质的影响

2.1.1碳、磷添加对土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的影响土壤是大气温室气体的重要源和汇，土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的含量对CO2和N2O释放有重要影响，碳、磷添加对高寒草甸土壤DOC、NO3--N和NH4+-N的影响见表2.

由表2可见，C处理和CP处理显著(P<0.05)增加了土壤DOC含量，且CP处理土壤DOC含量显著(P<0.05)高于C处理，而P处理土壤DOC含量没有显著变化，说明，添加磷素有利于提高碳素对高寒草甸土壤DOC含量的影响，而磷素本身对高寒草甸土壤DOC含量没有影响.同时，与CK相比，C处理和CP处理土壤NO3--N和NH4+-N含量均显著(P<0.05)降低，而P处理中土壤NO3--N和NH4+-N含量没有显著不同，在Wrage等[18]的研究中也发现了相似的现象.

表2　不同处理的土壤性质

同列数据肩标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05).

2.1.2碳、磷添加对土壤MBC和MBN的影响土壤微生物生物量碳(MBC)是土壤有机碳的灵敏指示因子，其作为土壤生物学指标已被国内外学者进行了广泛的研究[20-21].土壤微生物生物量氮(MBN)可以反映微生物的活性及微生物利用氮源的能力，碳、磷添加对高寒草甸土壤MBC和MBN含量的影响见图1.

由图1可见，与CK相比，C处理和CP处理土壤MBC含量和MBN含量均显著(P<0.05)增加，而P处理土壤MBC含量和MBN含量没有明显变化，李春越等[22]的研究发现，添加磷素对微生物碳的影响极其微弱而添加碳素对微生物碳有很大影响，也就是说碳素更能活化土壤中的微生物活性[23].

2.2碳、磷添加对土壤CO2释放的影响

2.2.1碳、磷添加对CO2释放速率和累积释放量的影响研究发现，在培养初期，添加碳素显著增加了CO2的释放速率(图2).对于C处理，CO2最大释放速率出现在第1天，随后显著减少，培养15 d后，CO2排放速率减小较慢，并趋于稳定，CP处理呈现出相同的变化趋势，而CK和P处理CO2始终呈缓慢下降趋势(图2).

图1　不同处理土壤MBC和MBN的含量Fig.1　Soil concentration of MBC and MBN under different treatments

图2　土壤CO2释放速率及累积释放量Fig.2　Soil CO2 flux and cumulative CO2 emission

经过45 d的培养，CK、C、P和CP处理CO2累积释放量分别为1.05、4.88、1.08、5.39 g/kg.与CK相比，C处理CO2累积释放量增加了78.48%，CP处理CO2累积释放量增加了80.52%，C处理和CP处理与CK之间均有显著差异(P<0.05)，而P处理与CK之间没有显著差异，这与Aerts和Toet[16]的研究结果一致，然而有研究表明，磷素添加促进了CO2的释放[24]，同时也有研究表明磷素添加抑制了CO2的释放[25]，这可能与所研究的土壤性质不同有关，但同时也说明，关于磷素添加对土壤CO2释放的影响还有待进一步研究.

2.2.2CO2排放与土壤DOC含量的关系作为土壤微生物呼吸作用的底物，土壤DOC含量影响土壤微生物呼吸释放的CO2量.各处理土壤DOC和CO2的累积释放量的相关性，见图3.

高寒草甸土壤的CO2累积释放量与土壤DOC含量之间相关系数为0.848 7，二者具有极显著的正相关关系(P<0.01)(图3).说明土壤DOC含量可能是衡量高寒草甸土壤释放CO2能力的一个有用而重要的指标[17].本试验中添加碳素后，土壤DOC含量发生了一定程度的变化，可在一定程度上解释土壤释放CO2对碳素添加的响应模式.本研究表明：至少在短期内碳素添加会促进高寒草甸土壤CO2的释放，从而增加CO2排放量.

图3　CO2累积排放量和土壤DOC含量的关系Fig.3　The relationship between CO2 emission and the concentration of DOC

2.3碳、磷添加对土壤N2O释放的影响

2.3.1碳、磷添加对N2O释放速率和累积释放量的影响研究发现，在培养初期，添加碳素显著增加了N2O的释放速率(图4).对于C处理，N2O最大释放速率出现在第1天，随后显著减少，培养3 d后，N2O释放速率趋于稳定，CP处理呈现出相同的变化趋势，而CK和P处理N2O释放速率在整个培养期间均呈缓慢变化趋势(图4).培养前3 d，N2O释放速率较大，这可能与土壤中作为微生物分解底物的铵态氮和硝态氮含量较丰富有关，随着分解底物的减少和土壤理化性质逐渐变化，从培养第3天开始，所有处理的N2O释放速率较小并趋于稳定(图4).

经过45 d的培养，CK、C、P和CP处理的N2O累积释放量分别为7.80、15.78、8.95和17.85 mg/kg.与CK相比，C处理的N2O累积释放量增加了50.57%，CP处理的N2O累积释放量增加了56.30%，而P处理N2O累积释放量没有显著变化，这可能因为添加碳素为反硝化细菌提供了足够的能源，促进了反硝化细菌的活动[26].C处理和CP处理与CK之间均有显著差异，而P处理与CK之间没有显著差异(图4)，说明磷素不是限制高寒草甸土壤N2O释放的关键因子.

图4　土壤N2O释放速率及累积释放量Fig.4　Soil N2O flux and cumulative N2O emission

2.3.2N2O排放与土壤NO3--N和NH4+-N的关系土壤N2O是微生物参与分解的硝化反硝化作用的产物，土壤的硝化作用与反硝化作用是大气中N2O的主要产生机制[27].为了确定高寒草甸土壤N2O的主要来源，分析了各处理土壤NO3--N、NH4+-N和N2O的累积释放量的相关性，见图5.

图5显示，高寒草甸土壤N2O累积释放量与土壤NO3--N含量的相关系数是0.781 0，二者之间有极显著负相关关系(P<0.01)，N2O累积释放量与土壤NH4+-N含量无明显关系.说明高寒草甸土壤反硝化作用大于硝化作用，该土壤排放到大气中的N2O主要来自反硝化细菌对土壤中硝态氮的分解过程，与已有研究结果一致[28].

2.4添加碳、磷土壤释放CO2和N2O的增温潜能

若以CO2累积排放量1 mg/kg土壤的GWP为1，可计算出添加碳、磷后土壤释放CO2和N2O在不同时间尺度上的全球增温潜能GWP(表3).

图5　N2O累积排放量和土壤硝态氮、铵态氮含量的关系Fig.5　The relationship between N2O emission and the concentration of NH4+-N or NO3--N

表3显示，C处理和CP处理在不同时间尺度上的GWP均显著高于CK (P<0.05)，同一时间尺度上，C处理和CP处理的GWP显著高于CK和P处理(P<0.05)，但P处理和CK的GWP在不同时间尺度上的差异均不显著.所有处理在100 a时间尺度上的GWP最大，在500 a时间尺度上的GWP最小.这是因为CO2在大气中可平均存留200 a左右，而N2O可平均存留150 a左右，只有在长期条件下，由于自然分解破坏机制的存在，GWP才会被削弱.CK、C、P和CP处理在100 a时间尺度上的的GWP较在20 a时间尺度上的GWP分别增加了5.31%、3.76%、5.49%和4.45%；在500 a时间尺度上的GWP较在100 a时间尺度上的GWP则分别减少了32.79%、23.38%、33.88%和23.66%.在20 a时间尺度上，C、P和CP各处理的GWP分别是CK的2.88倍、1.11倍和3.22倍；在100 a时间尺度上，分别是CK的2.84倍、1.11倍和3.17倍；在500 a时间尺度上，分别是CK的3.23倍、1.09倍和3.60倍，这可以为高寒草甸土壤施肥提供一定的参考.

表3　不同处理释放CO2和N2O的全球温室效应

同列内含有不同标注字母表示处理间差异显著(P<0.05).

3结论

研究表明，碳素单独添加或碳、磷共同添加均显著增加了高寒草甸土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的含量，而磷素添加对其影响不显著；碳素单独添加或碳、磷共同添加均显著增加了高寒草甸土壤DOC含量和CO2释放量，两者呈显著正相关关系；碳素单独添加或碳、磷共同添加均显著减少了土壤NO3--N含量，增加了N2O释放量，两者呈显著负相关关系；不同处理CO2和N2O的全球增温潜能(GWP)由大至小顺序为：CP>C>P>CK.

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(责任编辑李辛)

Responses of CO2and N2O emissions to carbon and phosphorus additions in alpine meadow soil on the Qinghai-Tibetan plateau

WANG Dong-xue1,2,WANG Ping1

(1.College of Resources and Environment,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China)

Abstract：【Objective】 An incubation experiment in laboratory was conducted to examine the effects of the carbon (C) and phosphorus (P) additions on carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) emissions from the soil sampled on Qinghai-Tibetan Plateau.【Method】 Four treatments were adopted in this study,included the control (CK) and three treatments of additions (carbon,phosphorus,carbon and phosphorus).【Result】 The carbon added individually or carbon,phosphorus add together significantly increased soil microorganisms C (MBC) and N (MBN) content,but the phosphorus added individually was not significant.Carbon added individually or carbon,phosphorus add together were significantly increased the alpine meadow soil CO2 and N2O,but the phosphorus added individually was not significant.Data analysis revealed a significant positive correlation between the cumulative CO2 emissions and the soil DOC concentration.Soil N2O production was mainly controlled by denitrification.【Conclusion】 The variation of global warming potential (GWP) of CO2 and N2O for the carbon (C) and phosphorus (P) addition was:CP>C>P>CK.

Key words：Tibetan Plateau;alpine meadow;MBC;DOC;greenhouse gases;GWP

通信作者：王平，男，教授，硕士研究生导师，主要从事农业生态学和植物营养学研究.E-mail：wp1826@126.com

基金项目：国家自然科学基金项目(40801089).

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-02

中图分类号：S 944

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0098-06

第一作者：王冬雪(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为农业生态学研究.E-mail：linhaimufeng1628@163.com