氮沉降促进西北干旱区高寒湿地生态系统N2O排放

申志博， 韩耀光， 王家力， 陈康怡， 胡 洋， 朱新萍,2， 贾宏涛,2

（1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

位于我国西北干旱区新疆天山中部的巴音布鲁克高寒湿地，水源补给主要来自冰川和季节性降水，湿地水分条件受季节性影响较大，形成了独特的干旱区高寒气候和地形地貌特征［14］。基于气候变化背景，氮沉降增加会对不同水分条件下高寒湿地N2O排放产生怎样的影响值得进一步探讨。本研究以巴音布鲁克高寒湿地为研究对象，采用静态箱-气相色谱法监测植物生长季氮添加后，不同水分条件下湿地N2O 排放的动态变化，并进一步探讨N2O 排放与温度、水分环境因子之间的关系,深刻了解氮沉降强度变化对干旱区高寒湿地N2O排放特征的影响，为科学评估和预测干旱区高寒湿地、草地N2O排放在氮素循环中的作用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县（42°40′～43°00′N, 83°40′～84°35′E），海拔2300～3042 m，面积约770 km2，多年平均气温-4.6 ℃，7 月最高温度为28.0 ℃，1 月极端最低温度为-48.1 ℃，10月中下旬开始进入冬季，冬长夏短，年均积雪天数高达139.3 d，年均降水量为273 mm，蒸发量为1250 mm，相对湿度约为60%，湿地水源主要来源于冰雪融水和自然降水［14］，因受季节融雪和降水影响，存在季节性湿地。

选取3个不同水分代表性高寒湿地生态系统为研究对象，分别为常年淹水区，地表常年处于淹水状态，生长季地表水位均高于5 cm，优势物种为大穗苔草（Carex rhynchophysa），生长旺盛期植被覆盖率为90%；季节性淹水区优势种为黑花苔草（Carex melanantha）、水麦冬（Triglochin palustre），生长旺盛期植被覆盖率为98%，除冬季外土壤保持湿润状态，土壤含水率为43%～48%，地下水位约为0.5 m；常年干燥区植被优势种为冰草（Agropyron cristatum）、黑花苔草，生长旺盛期植被覆盖率为52%，除冬季覆雪外，其土壤含水率为30%～35%，地下水位约为0.6～1 m［3,15］。

1.2 试验设计

采用模拟氮沉降原位控制试验，在每个水分条件区域选取植被盖度相对一致的3 块样地围栏（围栏大小为7.5 m×7.5 m）后进行氮添加试验。据报道巴音布鲁克高寒湿地的环境氮沉降约为8 kg·hm-2·a-1［16］，略低于全球草地平均氮沉降水平（10 kg·hm-2·a-1）［17］。试验设置了3 个氮添加处理，即N0（0 kg·hm-2·a-1），N10（10 kg·hm-2·a-1）和N20（20 kg·hm-2·a-1），每处理3 重复。氮素以尿素［CO(NH2)2］与硝酸铵［NH4NO3］采取3：7的比例混施［18］，氮素于2020年6 月和9 月分2 次添加，每次将氮素溶解在8 L 蒸馏水，均匀喷洒至样地，N0处理喷洒等量的水。

1.3 样品采集与检测

N2O 气体采集利用静态暗箱法，静态箱内部尺寸为0.5 m（边长）×0.5 m（边长）×0.15 m（高度），配有0.5 m×0.5 m 基座（插入土壤5 cm），基座上方预留5 cm 高水槽，用于采集过程中水封保证气密性。于2020 年植物生长季（6—10 月）对各氮处理样地N2O排放进行监测，每次监测选取连续3 个无雨典型日进行监测，监测时间为上午10:00—13:00；将箱体密封后反复抽动注射器混匀箱体空气，于开始计时第0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min 时用100 mL注射器采集气体样品，气体迅速转移到已抽真空的500 mL气袋中保存待测；采样的同时用地温计测定每个处理5 cm土壤温度，用土壤含水率探头（土壤体积水含量=土壤水分体积/总土壤体积×100%）测定样地5 cm 土壤含水率，距地面30 cm 用温度计记录大气温度；用以分析其与N2O 排放速率之间的关系。气体样品中的N2O浓度用气相色谱仪（Agilent7890A，Palo Alto，USA）分析。

N2O排放通量计算公式如下［19］：

式中：F为土壤呼吸通量（N2O 以N 计，单位为μg·m-2·h-1）；ρ为标准状态下N2O 的密度（1.977 g·L-1）；V为密闭箱内有效的空间体积（m3）；A为密闭箱覆盖的样方面积（m2）；ΔC/Δt为在特定时间内的N2O气体浓度变化速率；T为采样时密闭箱的温度（℃）。N2O气体累积排放通量计算公式如下：

式中：E表示N2O 累积排放量（mg·m-2）；F表示土壤N2O排放通量（μg·m-2·h-1）；i表示采样次数；t表示处于生长季该时期的天数（d）。

1.4 数据处理分析

采用Excel 2019 软件进行数据初步处理，用R 4.0.2 对数据进行多重比较；采用SPSS Statistics 19软件进行Pearson 相关分析，利用线性、二次函数等对N2O 排放速率与土壤温度和含水率进行回归分析，利用线性逐级回归的方法，对生态系统N2O排放速率与氮添加量、土壤5 cm 地温进行回归分析；采用Anaconda进行随机森林分析；采用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 氮添加对不同水分条件湿地N2O 排放速率的影响

由图1可知，在常年淹水条件下，随着氮添加量的增加N2O平均排放速率增加，7月和10月，N20处理N2O 平 均 排 放 速 率 显 著 高 于N0和N10处 理（P＜0.05）。在植物生长季，N0处理下N2O 在6 月和9 月表现为“源”，平均排放速率分别为1.46±0.59 μg·m-2·h-1和1.39±0.71 μg·m-2·h-1，在7月和10月表现为吸收，其平均吸收速率分别为5.29±1.21 μg·m-2·h-1和5.14±0.731 μg·m-2·h-1；N10处理下N2O除7月为吸收外，其余各月生态系统N2O 均表现为排放；N20处理在植物生长季N2O 均表现为排放，且各月间N2O平均排放速率没有显著差异（P＜0.05）。

图1 常年淹水条件下氮添加对N2O排放速率的影响Fig.1 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in perennial seeper area

如图2所示，在季节性淹水条件下，随着氮添加量的增加N2O 平均排放速率增加，在7 月、9 月和10月N20处理均会显著增加生态系统N2O 的排放速率（P＜0.05）。在N0处理下N2O 仅在6 月表现为排放，平均排放速率为1.56±0.15 μg·m-2·h-1；在7 月、9 月和10 月生态系统对N2O 均表现为吸收，其中7 月平均吸收速率最高，达到3.44±2.05 μg·m-2·h-1；在N10处理中除10 月外其他各月生态系统对N2O 均表现为排放，各月间N2O 排放速率没有显著差异（P＜0.05），10 月生态系统对N2O 的平均吸收速率为0.89±0.51 μg·m-2·h-1；N20处理下在植物生长季N2O均表现为排放，7月N2O排放速率最高，为5.61±0.86 μg·m-2·h-1，10 月N2O 排放速率最低，为0.72±0.18 μg·m-2·h-1；7 月N2O 排放速率显著高于6 月和10 月（P＜0.05）。

图2 季节性淹水条件下氮添加对N2O排放速率的影响Fig.2 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in seasonal water area

如图3 所示，在常年干燥条件下随着氮沉降量增加生态系统N2O平均排放速率增加。在植物生长季N0处理和N10处理生态系统N2O在6月和9月表现为排放，7 月和10 月表现为吸收，N0处理在6 月和9月平均排放速率分别为2.55±0.34 μg·m-2·h-1和1.30±1.15 μg·m-2·h-1，7月和10月表现为吸收，分别为9.03±1.99 μg·m-2·h-1和2.11±0.83 μg·m-2·h-1；N10处理在7月N2O吸收速率最高，10月排放速率最低；在整个植物生长季N20处理下生态系统N2O 均为排放，7月平均排放速率最高，为5.81±0.09 μg·m-2·h-1，显著高于其他月份（P＜0.05），10 月N2O 排放速率最低，为2.27±0.43 μg·m-2·h-1。

图3 常年干燥条件下氮添加对N2O排放速率的影响Fig.3 Effect of nitrogen addition on N2O emission rate in perennial dry area

2.2 氮添加对不同水分条件湿地生态系统N2O 累积排放的影响

如图4所示，在不同水分条件下，相同氮处理之间N2O累积排放间差异不显著；在相同水分条件下，植物生长季氮添加会显著促进生态系统N2O累积排放通量（P＜0.05），3 个水分条件在不添加氮（N0处理）的处理下，N2O 在植物生长季累积排放均为负值，表现为吸收，其累积吸收量分别为6.96±1.81 mg·m-2、6.35±2.84 mg·m-2和8.22±1.96 mg·m-2，表现为N2O 的“汇”。当增加氮素后，N2O 累积排放呈现出正值，常年淹水、季节性淹水以及常年干燥条件下N20处理累积排放量分别达13.35±2.24 mg·m-2、12.26±1.64 mg·m-2和13.79±1.38 mg·m-2，分别是N10处理的7.38倍、2.09倍和11.89倍。随着氮增加量的增加，显著促进N2O排放，且在常年干燥条件下促进效果最为明显。植物生长季氮添加使干旱区高寒湿地生态系统N2O 排放由抑制转变为促进，使湿地成为N2O排放源。

图4 植物生长季不同水分条件下氮添加对N2O累积排放量的影响Fig.4 Cumulative emissions of N2O under different water conditions in plant growing season

2.3 N2O排放与环境因子之间的关系

通过相关性分析得出，生态系统N2O 平均排放速率与氮添加量呈极显著正相关（P＜0.01，R2=0.572），与土壤含水率相关性不显著（表1）。在季节性淹水条件下，N10和N20处理N2O排放速率与土壤5 cm 地温之间呈显著相关（P＜0.05，R=0.715）和极显著相关（P＜0.01，R=0.837）（表2）。进一步经逐步线性回归方程得出，季节性淹水条件的生态系统N2O排放速率（F）与氮添加量（N）和土壤5 cm 地温（T）关系呈F=-2.763+0.209N+0.151T(R2=0.483，P＜0.01)多元一次方程关系。由随机森林分析得出，氮添加量，土壤5 cm温度以及含水量对生态系统N2O排放速率的贡献分别为：34.27%，33.94%和31.79%，巴音布鲁克湿地生态系统N2O 排放可能受氮添加量，土壤5 cm温度以及含水量的综合影响，三者对N2O排放均有一定的贡献，其中氮施加量贡献最大。

表1 N2O排放速率与环境因子的相关性(n=99)Tab.1 Correlation of N2O emission rates with environmental factors(n=99)

表2 N2O排放与土壤温度的拟合关系（n=11）Tab.2 Fitting relationship between N2O emissions and soil temperature(n=11)

3 讨论

巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地位于我国干旱区，对比不同生态系统N2O 排放的研究结果发现（表3），天鹅湖高寒湿地常年干燥区生态系统N2O平均排放速率略高于其他水分区域，与昆仑山高寒草地［8］N2O 排放速率接近，且均高于水稻田［31］N2O 排放速率，其原因可能是氮增加影响了土壤碳氮比，影响微生物功能，改变了硝化-反硝化过程［13］，同时，外源氮输入也可以通过影响植物而间接影响土壤N2O的排放，例如常年淹水区地上植物以莎草科和禾本科植物为主，外源氮输入可能使这部分植物体氮供应过剩，增加植物的N2O排放量［32］，由于土壤呈碱性可中和氮沉降增加所造成的土壤酸化，进而影响N2O的排放［33］。巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地N2O排放远低于若尔盖高寒湿地、青藏高原高寒草地以及三江平原泥炭湿地，这可能与不同区域的氮沉降水平或者土壤状况有关。由表3还可知，氮添加对生态系统N2O排放多为促进作用，但在若尔盖高寒湿地和三江平原泥炭湿地仅在NH4NO3低于40 kg·hm-2·a-1氮沉降量时对N2O排放呈促进作用，高于则无影响，其原因可能是由于过高的氮素输入增加了湿地的凋落物含量，加剧了微生物分解凋落物时对氮元素的需求，导致了土壤中可利用的有效氮减少，从而抑制了湿地N2O 排放［34］。因此，与我国其他湿地生态系统相比，干旱区巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地N2O 对氮沉降的响应特征具有干旱区湿地的特殊性。

表3 氮沉降对不同生态系统N2O排放速率的影响Tab.3 Effect of nitrogen deposition on N2O emission rates from different ecosystems

N2O 排放除受氮输入量和土壤水分条件影响外，土壤温度也是影响生态系统N2O 排放的主要因素之一［35］。Yan等［27］通过对青藏高原高寒湿地的监测发现，生态系统N2O 排放速率与气温，土壤5 cm温度和土壤含水率等均显著相关；魏达等［36］在纳木错附近湿地的研究发现，生态系统N2O 排放速率随季节变化没有显著影响，与土壤温度没有线性关系，但与土壤含水量呈显著正相关。在本研究中，N2O 平均排放速率与施氮量呈显著正相关，与土壤含水率不相关；经逐步线性回归分析得出，在季节性淹水条件下，N2O 平均排放速率与施氮量、土壤5 cm地温呈多元一次方程关系（R2=0.483，P＜0.01），胡保安等［3］在巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地的研究发现，生态系统N2O 日排放速率与土壤10 cm 地温存在显著相关性，但与土壤5 cm 地温相关性不显著，这与本研究的结果略有不同，其原因可能与加氮处理后，地上植被改变或研究时期大气温度对土壤温度的影响而导致的。关于N2O排放速率为何在季节性淹水条件下会与氮沉降、土壤温度呈显著关系，而与水分条件无显著相关，这也许与该区域土壤反复干湿交替有关，以往研究发现在干湿交替的环境下，N2O 排放速率高于恒湿条件［34,37］，可能是土壤干湿交替过程为硝化作用和反硝化作用创造了良好的条件，同时改变土壤通气状况，影响到土壤微生物的活性、底物的可利用性和N2O的扩散途径，从而影响N2O 的产生和传输［37］。本研究仅开展了1 a 的野外原位试验，初步探究了氮沉降强度对干旱区高寒湿地不同水分条件N2O 排放特征的影响，并与我国其他湿地或草地开展相关研究结果相比较，接下来还需要深入开展氮沉降对高寒湿地生态系统N2O排放内在影响机制的研究。

4 结论

巴音布鲁克高寒湿地植物生长季中，不同水分条件下，氮素增加显著促进生态系统N2O 的平均排放速率；在不增氮的处理下，生态系统N2O表现为吸收，且不同水分条件之间无显著差异；10 kg·hm-2·a-1和20 kg·hm-2·a-1处理N2O 累积排放量均表现为排放，氮沉降的增加显著增加生态系统N2O 累积排放量，氮沉降的增加会促进生态系统由N2O“汇”向“源”转变。氮施加量极显著影响生态系统N2O排放速率（P＜0.01)，季节性淹水条件生态系统N2O 平均排放速率与施氮量、土壤5 cm地温呈多元一次方程关系（R2=0.483，P＜0.01）。