冻融交替对高寒草甸N2O排放速率的影响

李尚宏,周 赓,杜岩功

(1.西宁特殊钢股份有限公司，青海 西宁 810008； 2.威海市农业局，山东 威海 264411； 3.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810001)

氧化亚氮(N2O)是引起全球气候变化的重要温室气体之一，占全球增温效应的7.9%[1]，在大气中寿命较长(121年)，参与大气对流层和平流层很多光化学反应，破坏大气臭氧层[2]。目前，大气N2O浓度约为322 nL/L，相比于工业革命前(270 nL/L)增加了20%，且年增长速率约为0.7 nL/L[3-4]。

冻融交替是由于季节或昼夜热量变化在表土或一定深度反复冻结-解冻的土壤过程，在中高纬度及高海拔地区，土壤冻融交替现象普遍存在。土壤冻融交替直接影响到高寒草甸土壤物理和微生物性状、氮素转化过程与强度，激发土壤N2O排放[5-6]。

冻融过程能显著增加羊草草原(Aneurolepidiumchinense)、高寒金露梅(Potentillfruiticosa)灌丛草甸和沼泽湿地土壤N2O排放速率[7-9]，其中冻融胁迫能促使土壤N2O排放量增加220%[10]；寒温带土壤休眠季N2O 排放通量来自于冻融交替过程的占氮排放量的65%[11]，挪威森林土壤冻融期N2O排放量占年排放量的80%以上[12]；内蒙围封样地冻融过程N2O排放量占总排放量的72%[13]；冬季三江平原沼泽湿地是N2O汇，随着冻融期土壤地温逐渐升高，转变成为N2O源[14]。

高寒草甸是青藏高原的主体类型之一，约占高原总面积的35%[15]，具有独特的自然环境和大气环流格局，是世界气候变化的重要启动区和调节区，为全球气候变化和地球系统科学研究的最佳天然实验室，长期受冻融作用影响。受温室效应影响，区域降水增加的气候情景，促使青藏高原地区冻融交替次数增加[16-17]，这将对高寒草甸N2O排放速率产生怎样的影响，已成为科学界广泛关注的热点研究内容。因此，通过研究冻结温度和冻融时间对高寒草甸N2O排放速率的影响，为探讨青藏高原高寒草甸对冻融循环过程的影响及发生机制、揭示全球气候变化的区域效应和高海拔生态系统的管理提供科学依据和理论指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验所采集土壤样地，位于中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站(海北站)，地处祁连山北支冷龙岭东段南麓的大通河谷，N 37°29′～37°45″，E 101°12′～101°23′，海拔3 280 m。属典型的高原大陆性气候，年均气温-1.7℃，最冷月(1月)平均气温-14.8℃，最热月(7月)平均温度9.8℃。年均降水量560 mm，主要集中于5～9月，占年降水量的80%，植物生长季，雨热同期。

土壤类型为高山草甸土，平均厚度约为0.65 m。0～10 cm表层土壤有机碳和全氮为5.50%、0.76%；铵态氮和硝态氮含量分别为8.96、6.05 g/kg；土壤容重为0.78 g/cm3[1]。海北站地区冻融交替作用主要发生在4～5月，白天温度高，土壤开始解冻，夜间平均温度低于0℃，土壤反复冻结[5]。

1.2 试验设计与方法

2014年8月，选择地势平坦且长势均匀的矮嵩草草甸为研究对象，利用蛇形取样法采集0～10 cm土壤中样品，在实验室自然风干、通过2 mm土壤筛，称取50 g土壤样品，放置于500 mL棕色培养瓶，定期称其重量，将土壤湿度保持在田间持水量(53.6%重量含水量)。

在高低温实验箱(TRS-50)，设置-10℃，-5℃和5℃ (对照实验，CK)培养1个月，分别再培养2、4、8、24 h，3、5、7、14、21、28 d，各3次重复。之后将-10℃、-5℃冻结土壤在5℃条件下分别培养2、4、8、24 h，3、5、7 d，分析不同冻结和融化温度及培养时间对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响。

设置冻结温度-5℃、冻结12 h，融化温度5℃，融化时间12 h，采用程序升、降温的方式，以24 h为1次冻融交替周期，进行冻融循环实验，冻融交替次数分别为1、2、4、8、12和24次。用带有三通阀的30 mL注射器采集气体，采用气相色谱法(HP4890D,Agilent，内装电子捕获器ECD)，测定其N2O排放速率。柱箱和检测器温度分别为70℃和300℃，最小因子检测限为±5 nL/L，N2O排放速率(F)的计算。

式中：M为气体浓度，ρ为气体密度，V1为培养室和V2土壤体积，S为底面积。

1.3 数据分析

依据单因素方差分析，研究冻融循环次数对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响(P<0.05)。统计分析均利用SPSS 16.0 (SPSS,Chicago,USA)实现，相关图件采用Excel 2010绘制。

2 结果与分析

2.1 不同冻结和融化时间对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响

随着冻结时间的延长，-10℃和-5℃培养温度下，青藏高原高寒草甸土壤N2O排放速率均明显降低，且前者的降低速率显著高于后者，均低于对照土壤N2O排放速率(图1)。

冻结2 h后，草甸土壤在5℃对照，-5℃和-10℃培养时，土壤N2O排放速率分别为3.58±0.07，2.45± 0.04和2.13± 0.04 g/(kg·h)，冻结土壤N2O 排放速率明显低于对照样地 (P<0.05)，降低幅度分别为31.6%和40.5% (图1)。-5℃培养土壤冻结24 h后，土壤N2O排放速率略有增加，对照处理土壤N2O排放通量接近。经过5 d冻结，-10℃培养和对照处理相比于冻结3 d处理，土壤N2O排放速率增加。各处理均在冻结21 d时，高寒草甸土壤N2O排放速率达到最低值。5℃对照，-5℃和-10℃培养时，土壤N2O排放速率分别为0.34± 0.06，0.05± 0.09和0.12±0.03 g/(kg·h)(图1)。

图1 不同冻结温度，冻结时间及融化时间处理 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

随着冻结土壤的融化，-5℃和-10℃培养土壤N2O排放速率急剧增加，随后逐渐降低，但均高于对照样地。冻结土壤融化2 h，5℃对照、-5℃和-10℃培养时，土壤N2O排放速率分别为0.45±0.04，1.75±0.02和1.48± 0.1 g/(kg·h)(图1)，后两者土壤N2O排放速率是对照样地的3.9和3.3倍(P<0.01)。冻融交替作用显著的激发了高寒草甸土壤N2O排放速率。

冻结期间，土壤冻结显著降低高寒草甸土壤N2O排放速率，随着冻结温度降低，相比于对照处理，-10℃和-5℃培养土壤N2O降低速率分别为49.7%和39.7%，且均达到统计学差异(P<0.05)。融化期间，-5℃培养土壤N2O排放速率显著高于-10℃和5℃培养土壤，三者之间存在显著差异(P<0.05)(表1)。试验期间，冻融交替过程高寒草甸土壤N2O排放速率从高到低分别为5℃>-5℃>-10℃条件培养土壤 (P<0.05)，冻融交替作用对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响，受冻结温度的调控。

表1 不同冻结温度处理下高寒草甸土壤 N2O的排放速率

2.2 冻融循环次数对高寒草甸土壤N2O排放速率的影响

随着冻融交替循环次数从1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明显增加，从最初的1.23±0.05增加到3.34±0.59 g/(kg·h)(P<0.05)。从第1次到第2次、第8次到第12次冻融循环阶段，高寒草地土壤N2O排放速率急速增加，增加速率分别为59.3%和30.5%，均达到显著性差异。而其他各阶段增长缓慢，从第2次到第4次、第4次到第8次冻融循环过程，高寒草甸土壤N2O排放速率增加幅度仅为13.8%和14.8%(图2)。

从第12次到第24次冻融循环时，高寒草甸土壤N2O排放速率开始下降，从3.34±0.59降低到2.28±0.08 g/(kg·h)，两者之间存在显著性差异(P<0.05)，降低幅度达到31.7% (图2)。

图2 冻融交替次数处理下高寒草甸 N2O的排放速率Fig.2 Effect of alternate freezing-thawing times on soil N2O rates in alpine meadow

3 讨论

土壤硝化和反硝化作用是草地生态系统N2O排放的主要过程，受到多种因素影响，如土壤微生物活性、土壤有机质含量、pH、氧化还原电位、铵态氮和硝态氮含量等[18-19]。冻融交替不仅使土温发生变化，而且对土壤的理化性质和生物过程都会产生直接的作用，可能会增加微生物吸收利用的碳氮微生物底物，提高硝化细菌和反硝化细菌数量[20]。不论野外和室内试验均表明冻融作用会激发高寒草地土壤N2O排放[21-22]。

研究发现随着冻结温度降低、冻结时间延长，高寒草甸土壤N2O排放速率明显降低；土壤融化时，高寒草甸土壤N2O急剧增加，融化2 h其N2O排放速率达到峰值；随着冻融循环次数增加，高寒草甸土壤N2O排放速率继续增加，12次冻融循环时排放速率达到峰值，随后降低。可能是因为冻融交替作用显著影响土壤水热传导、同时引起土壤水分向冻结土壤周围转移，有利于维持高寒草甸土壤水分[14,23]，土壤长期处于较高土壤水分状态，导致形成局部厌氧环境，从而提高了土壤反硝化作用[5]。此外，反复冻融交替过程能够降低土壤团聚体稳定性，引起团聚体破碎；大量根系的死亡(细根)，其腐烂、降解会促进土壤碳氮循环，产生较多碳氮养分供给微生物吸收利用，促进反硝化作用[5,24]。土壤反硝化作用是草地生态系统N2O产生及排放的重要途径[1,25]。但是随着底物逐渐被微生物耗竭，土壤N2O排放速率可能呈现降低趋势。

4 结论

随着冻结时间的延长，高寒草甸土壤N2O排放速率均明显降低。冻结2 h后，高寒草甸-5℃和-10℃培养土壤N2O排放速率明显降低，且后者降低幅度高于前者；各处理均在冻结21 d时，高寒草甸土壤N2O排放速率达到最低值。随着冻结土壤的融化，N2O排放速率急剧增加，融化2 h，5℃对照，-5℃和-10℃培养时，后两者土壤N2O排放速率是对照样地的3.9和3.3倍。冻融交替作用显著的激发了高寒草甸土壤N2O排放速率。随着冻融交替循环次数从1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明显增加(P<0.05)。如果忽略冻融期高寒草甸N2O排放速率的观测，可能会低估高寒草甸N2O年排放量。