青藏高原高寒草甸N2O排放速率及其对降水和气温的响应特征

曹莹芳,郭小伟,周 庚,曹广民,杜岩功

(1.中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁 810008； 2.中国科学院大学,北京 100049；3.威海市农业局,山东 威海 264411)

青藏高原高寒草甸N2O排放速率及其对降水和气温的响应特征

曹莹芳1,2,郭小伟1,周 庚3,曹广民1,杜岩功1

(1.中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁 810008； 2.中国科学院大学,北京 100049；3.威海市农业局,山东 威海 264411)

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站，利用静态密闭箱-气相色谱法，连续两年(2013，2014年)进行了高寒草甸N2O排放速率及其对降水和气温的响应特征研究。结果表明：高寒草地N2O年平均排放速率为32.4±3.1 μg/(m2·h)，生长季排放速率为41.1±4.3 μg/(m2·h)，明显高于休眠季的排放速率20.2±3.2 μg/(m2·h)；不同采样时期N2O排放速率具有极显著差异；气温与N2O的排放速率之间存在显著正相关关系(R=0.52)，随着日平均气温增加，高寒草甸土壤N2O排放速率逐渐提高；降水量与N2O排放通量之间存在较弱的负相关关系。在未来全球增温的气候情景下，高寒草地土壤N2O排放量将呈现上升的趋势。

N2O排放；高寒草甸；温度；降水

自工业革命之后，人类活动引起的温室气体浓度不断增加，直接加剧了温室效应[1]。氧化亚氮(N2O)是温室气体的重要组成成分之一，同时N2O还会与平流层的臭氧发生光化学反应，导致臭氧层变薄、抵挡紫外线能力减弱，直接威胁人类健康[2]。此外，N2O寿命较长，通常以百年计算，单分子增温趋势是CO2的310倍，因此对全球变化具有潜在而深远的影响[3]。

陆地土壤是N2O主要排放源，约占其排放总量的65%～70%[3]，高寒草甸是青藏高原主体类型之一，因其面积巨大，N2O排放特征受到广泛关注[4]。内蒙羊草草原2012年和2013年生长季N2O排放速率分别为5.8和3.8 μg/(m2·h)[5],年际差异主要是由降水量不同所引起；高寒草地土壤N2O年平均排放速率为4.2 μg/(m2·h)[5]；也有研究表明，高寒草甸生态系统N2O排放速率达到39.6 μg/(m2·h)[6],这可能是因为不同测定年份间存在较大差异；东北三江平原湿地草甸腐殖质土和沼泽土N2O排放速率分别为78～216和131～583 μg/(m2·h)[8]；研究表明新西兰放牧草地土壤排放速率为110～133.4 μg/(m2·h)[9]。因此，草地生态系统N2O排放速率存在较大的空间异质性。

降水和气温是影响N2O产生和排放的重要因素，在一定的温度范围内，随着温度的升高，N2O的排放量也随之升高，这与增温提高了微生物的活性有关[10]。在低于水分临界值的范围内，土壤N2O的排放量与土壤水分含量呈正相关[11]。有研究表明，当土壤孔隙含水量在30%～70%，土壤N2O主要来自于硝化作用，当土壤孔隙含水量超过60%时，反硝化作用产生的N2O是土壤N2O排放的重要来源[12]。旱地土壤N2O的变化幅度小，但在降水过后土壤N2O通量上升的趋势与降水量变化趋势相同[13]。

近年来对高寒草甸温室气体N2O排放速率进行了较多的研究[4,6-7]，但有关气温、降水量对高寒草甸土壤N2O排放速率研究相对较少。通过连续两年野外观测N2O通量在生长季和非生长季变化，探讨其季节变化特征以及N2O通量对气温和降水量的响应特征，对准确评估高寒草甸N2O排放量具有重要意义[15]。

1 材料和方法

1.1试验区概况

研究区位于中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站海北站，该站位于祁连山冷龙岭东段南麓大通河谷，地理位置N 37°29′～37°45′，E 101°12′～101°23′，海拔3 280 m，该地区是典型的高原大陆性气候，夏季受东南季风气候影响，而冬季受西伯利亚寒流的影响，一年四季无明显区分，只有冷暖季之分，暖季短暂且凉爽湿润，冷季漫长且寒冷干燥，多年平均气温-1.7℃，最热季7月，平均气温为9.8℃，最冷季1月平均气温-14.8℃。多年年均降水量560 mm，主要集中在生长季(5～9月)，占全年降水量的80%，生长季雨热同期，土壤为草毡寒冻雏形土，有机质含量高，其中腐殖质占总量的87%以上，土壤全量养分丰富，速效养分贫乏[16]。

表1 高寒草甸土壤基本理化性状特征

1.2试验方法

在海北站观测场选择高寒草甸为研究对象，设置3处样地，采用静态箱法采集气样。取样时，在底座密闭水槽内加水，使顶箱与底座间形成气路密闭，切断采样箱内外空气的自由交换。气体采集使用带有三通阀的100 mL注射器抽气，采样时间点为0、10、20、30 min(即每隔10 min取1次样)，随后立即带回实验室分析。气体测定采用密闭箱-气相色谱法(HP4890D,Agilent)，内装电子捕获检测器(ECD)，样品分析测量误差为±5×10-9L/L。 2012～2014年的日气象资料(日均温和降水量)，是由海北站提供的气象监测数据。 采样时间为2013年1月初～2014年12月底，采样期可分为生长季(5～9月)和非生长季(1～4月和10～12月)。采样频率生长季每月4次，休眠季每月2次，每次取样时间为上午9∶00～11∶00 (课题组已有试验表明此阶段排放速率与日平均排放速率相一致[15])。

1.3N2O排放通量的计算方法

式中：F是N2O排放通量(μg/m2·h),V是箱体体积(cm3),A是箱体底面积(cm2),Ct是t时刻箱内N2O的体积混合比浓度(10- 9L/Lmin),t为时间(min),ρ是标准状态下N2O的密度(g/cm3),T0和P0分别为标准状况下的空气绝对温度(绝对温度K)和气压(Pa)，T为采样时的气温，P为采样时的气压。依据采样样品N2O浓度随时间变化，所建立的回归方程决定系数(R2>0.95)时，数据被视为有效而被采用。

1.4数据统计与分析

文中所用数据均为3次重复的平均值，采用SPSS19.0软件中用RepeatedMeasures(重复测量方差)分析不同测定年份、采样时间高寒草甸N2O排放速率的差异，利用多元线性回归方法分析降水和气温对N2O排放速率的影响。

2 结果与分析

2.12013年和2014年高寒草甸土壤N2O排放通量对比分析

高寒草甸N2O排放速率表征草地土壤N2O源强度，连续两年观测结果表明，高寒草甸土壤N2O均呈现生长季排放速率明显高于休眠季的变化特征。在2013年6月中旬N2O排放量峰值为124.5±8.3μg/(m2·h)，2014年8月初N2O排放量达最大值，为98.0±1.2μg/(m2·h)，明显低于2013年排放峰值(P<0.05)(图1)，且2014年N2O排放最高峰晚于2013年。2013年和2014年平均排放速率分别为32.3±5.1和32.5±3.8μg/(m2·h)(表2)，两年平均值为32.4±3.1μg/(m2·h)，生长季排放速率为41.1±4.3μg/(m2·h)，休眠季排放速率为20.2±3.2μg/(m2·h)。

表2 生长季和非生长季N2O排放速率

图1 高寒草甸生态系统土壤N2O排放速率变化特征Fig.1 Changes of soil N2O emission rate in Alpine meadow

2013年和2014年生长季N2O排放速率分别为41.1±13.7和41.2±9.2μg/(m2·h)，非生长季N2O排放速率分别为20.8±7.1和19.5±4.7 μg/(m2·h)。高寒草甸生长季N2O排放速率相对较高，可能是因为生长季期间，高寒草甸正值暖季，降水充沛，为微生物的活动创造了有利条件，促进N2O排放；1～2月和11～12月，N2O排放量在全年间较低，主要是由于非生长季低温环境条件抑制微生物活性，且土壤冻结导致草地生态系统产生的N2O很难输送到大气，因此导致排放速率明显降低。2013年1月中下旬和11月中上旬，N2O排放量为全年最低，分别为3.4±0.5和3.3±0.5 μg/(m2·h)，2014年2月初，其N2O排放速率仅为2.2±4.7 μg/(m2·h)，为全年最低值。

方差分析表明，两年间高寒草甸土壤N2O排放速率无显著差异，不同采样时期、及其与不同年份间交互作用对N2O排放速率均具有极显著影响(P<0.01)(表3)。

表3 不同测定时间交互作用对N2O排放速率的影响

2.2气温和降水对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响

气温的改变直接影响土壤温度，土温变化影响微生物的活性，改变高寒草甸土壤N2O发生强度。降水通过改变土壤孔隙氧气的含量来影响产生N2O的生物学过程。同时，降水与温度之间存在交互作用，降水降低了气温，气温影响水分的蒸散发，降水与蒸发共同作用影响土壤含水量，进而影响到硝化和反硝化作用的进行。 高寒草甸N2O排放速率与气温间存在显著正相关关系(P<0.05)，而与降水量之间存在较弱负相关关系(图2)。相比于降水量，高寒草甸N2O排放速率更受控于日平均气温。

3 讨论

不同地区陆地生态系统N2O排放速率具有较大差异(表4)，研究发现高寒草地N2O年平均排放速率为32.4±3.1 μg/(m2·h)，明显低于荷兰施肥草地、新西兰放牧草地和东北三江平原草甸沼泽土壤N2O排放速率，但高于内蒙古羊草草地N2O排放速率。高寒草甸生长季雨热同期，为微生物的活动创造了有利条件，同时生长季期间，放牧家畜的踩踏作用，使得土壤结构变得紧实，进而影响到N素的转化以及N2O的释放。研究表明，经牛羊踩踏后压实的土壤N2O排放通量是自然土壤N2O排放通量的8倍[17]。此外，动物排泄粪尿(尤其是羊的尿斑)的施肥效应，促使土壤N2O的释放量激增[18]，因此生长季期间N2O的排放速率明显高于非生长季。在内蒙古干旱草原，N2O的释放具有明显的季节变化，春夏秋季明显高于冬季[19]。这与此次研究结果一致，生长季N2O排放速率41.1±4.3 μg、(m2·h)，明显高于休眠季排放速率20.2±3.2 μg/(m2·h)(P<0.05)。试验的两年间土壤N2O平均排放速率接近，可能是由于两年间大气平均气温和降水量基本一致，均处于相对干旱年份。

图2 高寒草甸生态系统土壤N2O排放速率与日平均气温，降水量之间的关系Fig.2 The relationship between soil N2O emission rate and air temperature and precipitation in the alpine meadow

表4 国内外不同地区草地土壤N2O排放速率比较

气温的高低影响到土壤微生物的活性，进而影响硝化和反硝化作用强度，随着温度的升高，微生物活性逐渐增强；低温环境抑制了硝化和反硝化细菌的生物活性[20]。由于青藏高原特殊的环境，温度是草地土壤微生物数量的重要限制因素，而降水对其影响作用不明显[21]。土壤温度的升高加快了土壤有机质的分解，也激活了土壤微生物的呼吸作用，促进了土壤厌氧环境形成，同时有机质给硝化作用提供了充足的电子受体和细胞代谢能源物质[20]，促进了反硝化作用的进行，激发了土壤N2O的释放。已有研究表明15～30℃有利于硝化作用的进行，温度小于5℃或大于40℃都会抑制硝化作用的进行；在5～75℃均有利于反硝化作用的进行[22]。随气温的变化N2O排放发生的频率呈正态分布，N2O的排放主要集中在15～25℃[23]。

降水和蒸发是影响土壤含水量的重要因素[24]，土壤含水量的变化影响土壤孔隙空气的变化，从而使土壤的氧化还原电位发生改变[25]，土壤水分含量高时氧气含量少，则土壤处于还原状态，反硝化作用是N2O排放的主要来源。旱地土壤灌溉或者降水之后，N2O的排放出现峰值，但是持续的降水导致N2O释放量降低[12]。在此次研究中降水量对高寒草甸N2O排放速率影响较小，可能是因为在大多数采集气体样品期间，均无降水事件发生。而气温对N2O排放速率具有显著的影响(图2)，因此温度是影响高寒草甸土壤N2O排放更为重要的因素。

4 结论

高寒草甸为N2O排放源，生长季排放速率明显高于休眠季。2013年和2014年草地土壤N2O排放峰值分别出现于6月中旬和8月初。高寒草甸N2O排放速率与气温间存在显著正相关(P<0.05)，而与降水量之间存在较弱负相关关系。

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ResponsesofprecipitationandairtemperaturetosoilN2OemissioninanalpinemeadowontheQinghaiTibetanPlateau

CAO Ying-fang1,2，GUO Xiao-wei1,ZHOU Geng3, CAO Guang-min1,DU Yan-gong1

(1.NorthwestInstituteofPlateauBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.AgriculturalBureauofWeihaiCity,Weihai264411,China)

The N2O emission fluxes from grassland ecosystem and the relationship between N2O emission fluxes and precipitation and air temperature were studied,using static chamber technique and gas chromatography,in Haibei Station of Chinese Academy of Sciences during consecutive 2 years: 2013 and 2014.The results revealed that the annual mean fluxes of N2O emission rate were around 32.4±3.1μg/(m2·h).The emission rate 41.1±4.3 μg/(m2·h) during the growing seasons was significantly higher than that 20.2±3.2 μg/(m2·h) during the non-growing season.The significant differences of N2O emission fluxes were found between different sampling days.The N2O emission fluxes in an alpine meadow increased with daily air temperature increasing.The relationship between fluxes of N2O emission and precipitation was negative.The N2O emission fluxes will increase with global warming in the alpine meadow in future.

N2O emission;alpine meadow;temperature;precipitation

2016-11-29；

：2017-04-24

国家自然科学基金面上项目(31470530)资助

曹莹芳(1991-),女,陕西渭南市人，在读硕士生。 E-mail：caoyingfang15@mails.ucas.ac.cn 曹广民与杜岩功为通讯作者。

S 812

：A

：1009-5500(2017)04-0020-06