全 文 ：27卷第 6期 688～ 697页
2009年 11月 　　　　　　　　　　　
山　地　学　报
JOURNALOFMOUNTAINSCIENCE　　　　　　　　　　　
Vol.27, No.6pp688～ 697
Nov.2009
收稿日期(Receiveddate):2009-03-15;改回日期(Accepted):2009-07-09。
基金项目(Foundationitem):国家自然科学重点基金(30730069), 林业科技支撑计划专题 “天然次生林生态恢复与定向经营技术研究
(2006BAD03A0402)” ,中国科学院研究生科技创新与社会实践资助专项。 [ NationalNaturalScienceKeyFoundationofChina
(30730069), the“EcologicalRecoveryandDirectionalManagementTechnology” intheprogramofforestscience, theTechnologicalInnova-
tionFoundationforGraduateStudentsoftheChineseAcademicofScience(2008).]
作者简介(Biography):杜岩功(1981-),男 , 汉族 ,山东威海人 ,博士研究生 , 主要从事植物生态学研究。 [ DuYangong(1981-), male, the
Hannationality, borninWeihaiofShandongprovince, doctorcandidate;mainlyengagesinplantecology.] E-mail:dyg1981@yahoo.cn
通讯作者(Correspondingauthor):E-mail:cuixy@gucas.ac.cn;Tel:010-88256497
文章编号: 1008-2786-(2009)6-688-10
金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及
冻融交替的影响研究
杜岩功 1, 2 ,曹广民 2 ,邓永翠 1 ,崔骁勇 1＊
(1.中国科学院研究生院资源与环境学院 ,北京 100049;2.中国科学院西北高原生物研究所 ,青海 西宁 810008)
摘　要:在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站地区 ,利用密闭箱 -气相色谱法对金露梅灌丛草甸群落
中的丛间草地(GC)、金露梅灌丛(GG)和裸地(GL)3种斑块的氧化亚氮(N2O)排放季节特征和冻融过程 、降水事
件的影响进行了初步研究。结果显示:GG年平均排放速率显著高于 GC和 GL(P<0.05), GC与 GL差异不显著(P
>0.05)。 3种斑块 N
2
O排放速率表现出明显的季节波动 , 生长季高于休眠季 , 其中 GC和 GG排放速率在 8月出
现明显峰值 , 2月最低;而 GL的排放速率 2004年最大值出现在 3月 , 2005年在 3月和 8月出现了两个峰值 ,最低值
均出现在 1月。冻融交替过程中各斑块 N2O平均排放速率白天高于夜间 , 并且除了 2005年 GL斑块外 , 均为封冻
期土壤排放速率较低 , 而冻融期提高。 2004-07GC和 GG斑块在降雨时排放速率降低 , 降雨后迅速上升;而 2005
年时 3种斑块在降雨时以及积雪融化时排放速率均大幅升高。各斑块排放速率与土壤 5 cm地温呈极显著(GC和
GG;P<0.01)或显著正相关关系(GL, P<0.05)。金露梅灌丛草甸 2004年和 2005年平均排放速率分别为 0.043
和 0.046mg/(m2· h),是大气 N2O的一个源 , 粗略估算整个青藏高原高寒灌丛草甸 N2O排放的辐射强迫约为
0.125 TgCO2 ,其在整个青藏高原温室气体收支中的作用不应忽略。
关键词:金露梅灌丛;氧化亚氮;冻融交替;排放特征
中图分类号:Q142　　　　　　文献标识码:A
　　全球气候变化已成为生态 、环境等科研领域的
重大问题之一 [ 1, 2] 。化石燃料燃烧 、农业和畜牧业
生产等都会向大气排放温室气体 ,主要为二氧化碳
(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)。其中 N2O
在大气中的寿命最长 ,它参与了大气对流层和平流
层的许多光化学反应 ,由于等摩尔浓度的增温潜势
是 CO2的 298倍 [ 2] ,因此对全球变化具有潜在的深
远影响 [ 2] 。土壤是 N2O的主要排放源 ,约占其排放
总量的 70%。土壤中 N2O主要通过硝化和反硝化
作用生成 ,森林 、耕地和草地生态系统因其排放 N2O
数量居前而受到了广泛关注 [ 3] 。
金露梅灌丛草甸是青藏高原的主要植被类型之
一 ,在青藏高原以及我国其他高大山系中约有
116 400 km2 ,分布面积居世界之最 [ 4, 5] 。其生产力
高 ,是优良的夏季牧场 [ 6] 。青藏高原同时也是冻土
的集中分布区 ,冻融交替不仅使土温发生变化 [ 7] ,
而且对土壤的理化性质和生物过程都会产生直接的
作用 [ 8] ,导致土壤微生物呼吸释放 CO2、硝化和反硝
化作用排放 N2O能力增强。青藏高原独特的地理
位置和气候环境 ,使得高寒生态系统对全球变化十
DOI :10.16089/j.cnki.1008-2786.2009.06.004
分敏感 。温度升高和降水变化可能使冻融交替过程
更加频繁 、作用的范围更大 、影响的土层更深 ,这使
青藏高原具有较大的温室气体排放潜力[ 9] 。因此 ,
阐明金露梅灌丛草甸的温室气体排放特征及冻融等
过程的影响 ,是全面评价青藏高原对全球变化的响
应的重要课题。
目前关于金露梅灌丛草甸温室气体的研究集中
在碳循环方面。研究表明 , 金露梅灌丛草甸呼吸
CO2释放过程具有明显的季节性变化 [ 10] ,降水提高
了其生态系统与大气间的 CO2交换量 [ 11] ,而温度是
碳通量的主要控制因子 [ 6, 12] ;涡度相关监测显示该
生态系统是一个碳汇 [ 6, 12, 13] 。高寒金露梅灌丛草甸
是大气甲烷的汇 ,并且随着木本灌丛植物的发育 ,汇
的强度被增加约 20%[ 13] ;增温和放牧没有改变甲
烷汇的功能 ,粪斑短期内是甲烷源 ,一段时间后成为
净汇 ,并且存在显著的年际变异[ 14] 。对比北美 、北
欧和内蒙古 [ 15-17]等地的研究发现 ,不同地区草地生
态系统 N2O排放的季节变化特征差异很大 ,并受冻
融 、降水等过程的强烈影响 。青藏高原高寒灌丛草
甸生态系统 N2O排放的定量研究十分薄弱 [ 14, 18, 19] ,
从而限制了对这一重要生态系统 N2O排放总量的
准确估算。本研究根据高寒灌丛草甸 N2O通量连
续 2 a的观测资料 ,探讨其季节动态特征 、影响排放
速率的重要环境因子以及冻融过程和降水事件对排
放速率的影响 ,为科学估算青藏高原高寒草甸生态
系统温室气体收支提供试验依据。
1　材料与方法
.　试验区自然概况
试验设置在中国科学院海北高寒草甸生态系统
定位站地区(海北站),该站地处祁连山北支冷龙岭
东段南麓的大通河谷 ,位于 37°29′～ 37°45′N, 101°
12′～ 101°23′E,海拔 3 280 m。该地区为典型的高
原大陆性气候 ,年均气温 -1.7℃,最冷月(1月)平
均气温为 -14.8 ℃,最热月(7月)平均气温为 9.8
℃,绝对最低气温可降至 -37 ℃;年降水量 618
mm,其中 5 ～ 9月的降水量占年降水总量的 80%左
右 ,植物生长季内雨热同期;土壤为暗沃寒冻雏形
土 ,土层发育年轻 ,有机质含量高。
试验样地植被为金露梅(Potentilafruticosa)高
寒灌丛草甸 ,其土壤基本性状见表 1。植被盖度为
60% ～ 75%,金露梅灌丛高 50 ～ 70 cm,丛间草本优
势植物种为紫羊茅(Festucarubra)、矮嵩草(Kobresia
humilis)和垂穗披碱草(Elymusnutans)。其中金露
梅灌丛约占群落总面积的 50%,丛间禾草 -矮嵩草
面积约为 48%,裸地为 2%[ 21] 。
.　试验设计
在海北站东北部约 15km处的干柴滩金露梅高
寒灌丛草甸群落中 ,选择能代表该地区地表植被特
征且地势平坦的地点 ,设立金露梅灌丛(GG)、丛间
草地(GC)和裸地(GL,试验开始前一个月即 2003-
05人工剔除植物根系 ,并且用 10 cm深的薄不锈钢
板隔开阻止周围根系长入)。 3种观测样地 ,每样地
设置 3个重复 。从 2004-01到 2005-12连续测定
N2O排放速率的季节变化 ,生长季(5 ～ 9月)每月选
择 3 ～ 4个晴天 ,休眠季每月 2次 ,在上午 9时取样
测定 ,同时记录该天的气象参数 ,包括降雨 、降雪和
积雪情况 。
在发生冻融交替期间 ,选择 2个晴天(2004-04
-10 ～ 11和 05-18 ～ 19)做 N2O排放速率日变化
测定 ,第一天 9点至次日 10点每 3h取样一次。
.　试验方法
1.3.1　N2O气体采集方法
每样地取样采集 3次样品 ,采用带有三通阀的
100 ml注射器抽气 ,立即带回实验室分析 。气体测
定采用气相色谱法(HP4890D, Agilent),内装电子捕
获检测器(ECD)。测定的色谱条件为:柱温和检测
温度分别为 70 ℃和 300 ℃;标气浓度为 355 nL/L,
最小因子检测限为 ±5nL/L[ 18, 22] 。土壤 5 cm地温
用便携式铂电阻数字温度计(JM624)测定 ,土壤湿
度(10cm)采用时域反射仪(TDR, NorthLogan, UT,
USA)测定 ,每小区重复测定 3次 [ 23] 。
1.3.2　N2O排放速率(通量)的计算方法
FN2O =ρ×VA×PP0 ×
T0
T×
dCt
dt
F是 N2O排放通量 (mg/(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(10-9 L/(L·min)), 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 。
.　数据统计与分析
N2O通量用平均值和标准误差表示 ,采用 SPSS
中 Means计算 , 2004年和 2005年草地各斑块 N2O
689第 6期　　　　　　　　　　　　　杜岩功 ,等:金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及冻融交替的影响研究
排放速率的差异采用 One-wayANOVA方法分析 ,
土壤湿度和 5 cm地温与 N2O排放速率的相关性采
用 Bivariate方法分析(SPSS11.5)。
2　结果与分析
.　 排放速率的季节变化
高寒金露梅灌丛草甸的各斑块 N2O排放速率
在连续 2 a观测中的都表现出明显的季节变化 ,其
中 GC和 GG斑块在 8月出现峰值 , 2月最低 。 2004
和 2005年 GC的年平均排放速率分别为 0.039 ±
0.005和 0.041±0.012 mg/(m2· h), GG为 0.046
±0.015和 0.050±0.006 mg/(m2· h)。 GL斑块
在 2004年的最大值出现在 3月 , 6月和 7月也出现
较小峰值;而 2005年在 3月和 8月出现了两个明显
峰值 , 1月最低 ,其他时期则比较平缓;2a的年平均
排放速率分别为 0.038 ±0.006和 0.039 ±0.010
mg/(m2·h)(表 2)。 GG年平均排放速率显著高于
GC和 GL(P<0.05), GC与 GL差异不显著(P>
0.05)。GC、GG和 GL月平均排放速率最大值都出
现在 2005 -08, 分别为 0.155 ±0.007、 0.179 ±
0.035和 0.118 ±0.008 mg/(m2 · h),表现为 GG
﹥ GC﹥ GL(图 1)。
表 1　高寒灌丛草甸样地土壤基本性状
Table1　Soilpropertiesoftheexperimentalsite
土层深度
Soildepth
(cm)
pH
有机碳
Totalorganiccarbon
(%)
土壤容重
Bulkdensity
(g/m3)
0 ～ 10 6.4±0.2 5.7 0.88±0.07
10 ～ 20 6.3±0.3 3.7 0.96±0.04
20 ～ 30 — 3.1 1.00±0.08
30 ～ 40 — 2.6 1.07±0.09
　　注:pH值和土壤容重为平均值 ±标准差(n=3),部分数据来自
曹广民 [ 20] 和 Du(2008)。[ 18]
Note:ValuesofpHandsoilbulkdensitywereexpressedinaverage
±SD(n= 3).PartofthedatawerefromCao[ 20] andDu(2008)[ 18]
表 2　金露梅灌丛草甸年均和冻融期间的月均 N2O排放速率
Table2　AverageN2OemissionrateofP.fruticosameadowinthetwoyearsandduringfreezing-thawingprocesses
样地
Plot
N2O排放速率 EmissionRate(mg/(m2· h))
2004 2005 2004-04 2004-05 2005-04 2005-05
GC 0.039±0.005b 0.041±0.012b 0.013±0.006 0.029±0.003 0.017±0.005 0.036±0.004
GG 0.046±0.015a 0.050±0.006a 0.014±0.003 0.041±0.011 0.014±0.004 0.015±0.007
GL 0.038±0.006b 0.039±0.010b 0.045±0.004 0.046±0.005 0.061±0.044 0.016±0.004
　　注:表中数据为平均值 ±标准误差 ,同列标有相同字母者为差异不显著(P>0.05)。
Note:Thedatawasaverage±standarderror.Therewasnosignificantdiferencebetweenthevalueswiththesameleter(P>0.05)
　　有研究观测到草地硝化作用随着土壤湿度的提
高而增强 ,当土壤水分含量高于田间持水量的 70%
时 ,硝化作用和反硝化作用都比较旺盛 ,因此 N2O
的排放速率明显增加 [ 16, 18] 。试验地区雨热同季 , 8
月土壤温度和湿度较高可能是排放峰值出现在这一
时期的主要原因 。 8月也是植物生物量快速增加的
生长旺期 ,植物产生和排放 N2O可能也有一定的贡
献 [ 18, 24] 。本研究的结果显示金露梅灌丛草甸 GC和
GG斑块 2a的季节动态相似 ,而 GL变异较大;显示
裸地对温度和水分变化的缓冲能力弱 ,生态系统功
能受环境变化影响更大 。此外 , 3种斑块的年平均
排放速率差异不大 , 2005年稍高于 2004年 ,而土壤
植物条件更为均一的对三江平原春小麦的 N2O排
放有明显的年际差异 [ 25] 。这似乎暗示金露梅灌丛
草甸的年 N2O排放量较为稳定 ,有可能用几年的观
测资料粗略推算该生态系统的多年平均 N2O排放
量。
GC和 GG的 N2O气体交换速率在 2004-02均
为负值 ,分别为 -0.0307 ±0.048和 -0.1683 ±
0.216 mg/(m2h),表现为 N2O吸收 。土壤对 N2O
的吸收在土壤湿度高或者土壤干燥时都可能发生 。
当土壤湿润时 ,厌氧反硝化作用进行得比较彻底 ,
N2O转化为 N2 [ 15] ;而当土壤局部干燥时 ,土壤颗粒
物理吸附少量的 N2O[ 26] ,因此均表现为 N2O的吸
收。 2月气温较低 ,干旱表土的物理吸附作用可能
是主要机制。 GL整在个试验期间都没有观测到
N2O吸收现象 ,这可能是由于该斑块缺乏根系及地
表植被覆盖 ,使得根系凋落物和分泌物消失 ,根际微
690 山　地　学　报 27卷
图 1　金露梅灌丛草甸 N2O排放速率季节变化特征
Fig1　SeasonalvariationofN2OemisionrateinP.fruticosaalpineshrubmeadow
生物数量和活性降低;同时也导致土壤通透性增强 ,
厌氧反硝化过程进行得不彻底的结果 [ 27, 28] 。
.　冻融交替过程中 排放速率的影响及日变
化特征
在海北站地区 ,冻融交替从 3月开始 ,主要过程
发生在 4 ～ 5月。 3 ～ 4月白天温度高 ,土壤开始解
冻;夜间平均温度低于 0℃,土壤重新冻结。而 5月
昼夜温度都高于 0℃, 但夜间温度显著低于白
天 [ 22] 。在 2 a的冻融交替过程中 , GC和 GG的 N2O
月平均释放速率均表现为 5月高于 4月 ,其中 2004
年分别上升了 123.08%和 192.86%, 2005年的提高
幅度为 117.76%和 7.14%,但都低于年平均排放速
率 ,其中 2004-04月两斑块的平均排放速率只相当
于年平均值的 1/3左右。与 GC和 GG斑块不同 ,
GL斑块在两年冻融期间的变化很不一致。 2004-
04 ～ 05的排放速率接近 ,分别为 0.045 ±0.004和
0.046±0.005mg/(m2h), 均高于年平均排放速率 ,
分别高出 18.42%和 21.05%。而在 2005年则是从
4月到 5月迅速降低 ,从 0.061 ±0.044下降到了
0.016±0.004 mg/(m2h);4月排放速率明显高于年
平均值(见表 2),表明裸地受冻融过程影响更明显 ,
并且年际间波动更大。
Holst[ 16]发现冻融交替过程强烈刺激内蒙古草
原 N2O的排放。 Zhu[ 29]在南极洲东部沼泽湿地的
测定结果 ,也表明冻融交替过程促进了 N2O的排
放;Prime[ 30]在德国和瑞典农田的研究中也看到冻
融交替过程中土壤 N2O的排放提高了 。冻融交替
促进 N2O排放的机理可能主要是使土壤团聚体破
碎 ,释放大量活性有机碳 , 促进反硝化作用[ 30, 31] 。
在本研究中 , GL斑块 2005 -05的排放速率低于 4
月 ,冻融交替并没有促进土壤 N2O的释放(见表
2),这可能是局部土壤干旱造成的 [ 30] 。硝化和反硝
化过程对冻融过程和局部土壤干旱反应的不同可能
是导致斑块间和年际间土壤 N2O排放速率变异的
重要机制 ,这需要借助 15N标记技术或者乙炔抑制
方法做进一步区分研究 [ 32, 33, 34] 。
研究地点的金露梅灌丛草甸 2004-04 -11白
天土壤部分解冻 ,夜间重新冻结 ,而在 5月 19日则
691第 6期　　　　　　　　　　　　　杜岩功 ,等:金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及冻融交替的影响研究
是昼夜地温都大于 0℃(图 2)。但是在这两个温度
和土壤水分状况变化不同的日期 ,土壤 N2O的日均
排放速率均与当日 9点测定的排放速率很接近(表
3),只有 GG和 GL斑块在 5月的 9点的测定值偏
小 ,表明用 9点的瞬时排放速率可以较好地估测日
均排放速率(图 2),而 GG和 GL斑块的异常则可能
与局部土壤干旱有关 。
.　高寒灌丛草甸生态系统 排放速率对土壤
温度 、湿度的响应
海北站具有明显的高原大陆性气候 ,季节间温
度变化大 ,但是将所有观测数据集中分析看到 ,高寒
灌丛草甸各斑块的 N2O排放速率和土壤 5 cm地温
呈极显著(GC和 GG, P﹤ 0.01)或显著(GL, P﹤
0.05,表 4)正相关关系 ,随着温度的增加 , N2O释放
速率增加 。陈卫卫 [ 25]和孙志高 [ 33]观测到春小麦农
田和小叶章湿地草甸沼泽土的 N2O排放速率与 5
cm土壤温度相关 ,这与我们的研究结果一致。但是
刘惠 [ 28]发现 ,冬闲稻田 N2O排放与土温和地表温
度均无明显相关关系。在 N2O放排速率与土壤湿
度的关系上 , 本研究 3种草地斑块上都没有显示两
图 2　冻融交替过程中金露梅灌丛草甸 N2O排放速率和 5 cm地温的日变化
Fig.2　DiurnalpaternsofN2Oemissionrateandsoiltemperatureduringfreezing-thawingperiodinP.fruticosashrubmeadow
表 3　冻融过程金露梅灌丛草甸 N2O排放速率的 9时测定值与日均值的比较 (mg/(m2 h))
Table3　ComparisonofN2Oemissionrateat9:00withdiurnalaveragevalueduringfreezing-thawingperiodinP.fruticosameadow
样地
Plot
9时测定的排放速率
Emissionrateat9:00
日平均排放速率
Diurnalaveragerate
4月 11日 5月 19日 4月 11日 5月 19日
GC 0.029±0.002 0.029±0.003 0.020±0.005 0.024±0.002
GG 0.029±0.003 -0.049±0.007 0.026±0.008 0.018±0.003
GL 0.045±0.001 0.052±0.002 0.048±0.004 0.028±0.004
692 山　地　学　报 27卷
者间存在显著的相关性(P>0.05,见表 4),而裴志
永 [ 19]等则认为高寒草原土壤 N2O排放速率的变异
主要是由土壤湿度不同引起的 ,土壤湿度影响到硝
化和反硝化作用发生强度 [ 15, 18] 。这些结果表明 ,虽
然从微观机理上温度和湿度都与 N2O的产生及排
放过程密切相关 ,但是宏观时间尺度上控制不同生
态系统 N2O交换速率的主导因子不尽相同;不同研
究结果间的差异可能还与观测样地的选择 、观测时
期 、其他管理措施等有关。
2.4　降水事件对 N2O排放速率的影响
海北站地区降水分布呈现明显的季节差异 ,降
雨日数较多 ,并且集中在 N2O排放速率较高的生长
季(5 ～ 9月),降雪则集中在非生长季 ,积雪日数每
年约 40 ～ 60 d[ 4] 。有研究发现草甸草原土壤 N2O
的排放速率主要受水分影响 [ 26] ;另有观测发现冷季
金露梅灌丛草甸降水后 ,在短期内会显著增加 CO2
通量 [ 11] 。为探讨降水对土壤 N2O排放的影响 ,我
们选择在降水日及其前后有 N2O采样的几次测定
结果(图 3),进行了对比分析 。
结果显示 , 2004 -07 -21(晴)、24(小雨)、29
(阴)时 GC斑块的土壤温度分别为 25.65、13.65和
15.25 ℃,降雨时 N2O排放速率降低 ,雨后温度仅稍
表 4　金露梅灌丛草甸土壤湿度和温度与 N2O排放速率的相关关系
Table4　CorelationbetweenN
2
Oemissionrateandsoilmoistureandtemperature
样地
Plot
湿度 Moisture 温度 Temperatureat5cmsoildepth
相关系数 r
Corelationcoeficient
P值
Pvalue
相关系数 r
Corelationcoeficient
P值
Pvalue
GC -0.063 0.549 0.596 0.000
GG 0.026 0.129 0.345 0.000
GL 0.040 0.696 0.220 0.017
图 3　降水对金露梅灌丛草地 N2O排放速率的影响
Fig.3　EfectofprecipitationonN2OemissionsrateinP.fruticosashrubmeadow
693第 6期　　　　　　　　　　　　　杜岩功 ,等:金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及冻融交替的影响研究
微增加 ,但排放速率急剧增加;GG斑块土壤温度逐
渐降低 ,但排放速率与 GC变化一致 ,在雨后迅速增
加;GL土壤温度与 GC的变化一致 ,都为先增加后
降低 ,但 N2O排放速率在降水时最高 ,达到 0.056±
0.001 mg/(m2 · h)。 2005 -07 -14(晴)、 22(小
雨)、25(晴)的几天里 ,各斑块土壤温度均为先降低
后提高 , GC排放速率在降雨时最高;GG则在雨时
N2O排放速率急剧增加 ,雨后又稍有提高;GL在降
雨后排放速率大幅增加(见图 3)。这表明生长季内
金露梅高寒灌丛草甸 N2O排放过程对降雨很敏感;
同时 ,不同斑块以及同种斑块对不同次降雨的响应
差异很大 ,也暗示降雨过程对 N2O排放的影响机制
可能是相当复杂的。降水过程不仅直接改变了植物
的光照 、土壤水分和土壤温度 ,而且还可能引起土壤
溶解有机碳及养分迁移 、植物光合碳固定和根际碳
沉积量减少 、土壤微生物活性改变 、土壤水分饱和度
及通气性能变化等 ,这些都与 N2O的产生 、转化和
最终排放速率有关。例如 , 2004-07GC和 GG在降
雨时土壤 N2O排放速率降低 ,可能就是因为降水引
起根际碳分泌下降 、土温和气温迅速降低 ,从而抑制
了土壤微生物活性;同时水分占据大量的土壤孔隙 ,
也使气体不易产生[ 14, 18, 37] 。而 GL处理在两次降雨
时 N2O排放速率明显增加 ,可能是土壤水分含量增
加导致形成局部厌氧环境 ,从而提高了土壤反硝化
作用所致。该斑块 2004-07是在降雨时 N2O排放
速率达到最大 ,而在 2005-07则是降雨后 N2O排
放速率进一步增加 ,这种差异主要是降水强度和持
续时间不同造成的 。一次降水量较大时 ,土壤厌氧
性增强 ,反硝化作用过程进行得更加彻底 ,即 N2O
进一步生成 NO或 N2 , 使得排出土壤的 N2O减
少 [ 15, 26] 。
地表积雪和融雪过程对土壤 N2O排放影响的
研究非常缺乏 , Brook等 [ 35]报道覆雪时间不同会引
起 N2O通量的很大差异 ,陈卫卫等 [ 25] 也指出三江
平原小麦农田生态系统在冻融过程中 N2O排放速
率较大 ,不能忽略。赵亮等对海北金露梅灌丛的观
测则显示积雪深度和融雪过程对 CO2通量无显著
影响[ 36] 。我们记录到 2005 -03-16地表积雪 15
cm, 27日地表积雪 5cm,至 4月 6日积雪融化 ,天气
晴 。在此期间 GC的土壤温度逐渐增加 , 分别为
-0.9、 -0.8和 -0.65 ℃,积雪逐渐融化 ,排放速率
也逐渐提高 ,其中在 5 cm积雪时的排放速率较前一
次测定有大幅度上升;GG与 GC变化规律一致;GL
是在 5 cm积雪时排放速率最高 。这说明青藏高原
高寒金露梅灌丛草甸 N2O排放对积雪深度的变化
和融雪过程有明显的响应 ,积雪融化会刺激 N2O的
排放 。由于融雪过程中不仅覆雪厚度有变化 ,而且
地表土壤温度和湿度 、活动层的厚度和生物活性以
及 N2O的扩散阻力等也会发生改变 ,在不同斑块上
这些因子组合的变化不尽一致 ,从而导致斑块间
N2O排放对积雪和融雪过程的响应出现分异 。
3　讨论
土壤是 N2O的主要排放源 [ 3, 38] , 实测结果显
示 ,不同生态系统土壤 N2O的排放速率及温室气体
源效应的大小存在很大的差异 ,如三江平原小麦农
田生态系统 N2O平均排放速率达 0.125 mg/(m2·
h)[ 25] ;而三江平原湿地草甸沼泽土和腐殖质土 N2O
平均排放速率分别为 0.131 ～ 0.583 mg/(m2· h)和
0.078 ～ 0.216 mg/(m2 · h)[ 33] 。根据本研究实测
的 2a平均排放速率(见表 2)和群落中 3种斑块所
占的面积比例 ,计算得出金露梅灌丛草甸 2004年和
2005年的平均排放速率分别为 0.043mg/(m2· h)
和 0.046 mg/(m2· h),明显低于三江平原小麦农田
土壤的排放速率 ,但高于内蒙大针茅草原的排放速
率(0.005 9 mg/(m2· h), 1995年[ 15] )以及黄土高
原生长期施氮肥的玉米土壤排放速率 0.022 mg/
(m2·h)[ 39] 。IPCC(2007)[ 2]报告指出 N2O的增温
潜能是 CO2的 298倍 ,青藏高原面积广大 ,高寒灌
丛草甸群落分布广泛 ,面积约 1.06×105 km2 [ 36] ,如
果以我们 2 a测定的结果作为平均排放强度做初步
推算(这 2 a研究地区的气候未见异常),得到整个
青藏高原灌丛草甸 N2O排放相当于辐射强迫(radi-
ationforcing)0.125 TgCO2 ,其温室气体源效应不能
忽略 。
高寒灌丛草甸是当地的主要牧场 ,大多作为夏
季牧场使用 ,利用强度大 ,在过度放牧的情况下出现
了明显的退化趋势。退化过程为金露梅灌丛减少 、
丛间草地斑块乃至裸地面积扩大。本研究显示 ,高
寒金露梅灌丛草甸群落中的各类斑块都是 N2O的
排放源 ,并且灌丛斑块的排放速率显著高于丛间草
地和裸地斑块(P<0.05),暗示放牧可能会降低群
落的 N2O排放量 ,这与内蒙古草原冬季放牧的研究
结果相似 [ 16] 。但是本研究中裸地斑块的月平均排
放速率波动很大 ,一年中出现两次排放峰值 ,冻融交
694 山　地　学　报 27卷
替过程中排放速率明显提高 ,虽然以 9点的观测数
据作为日平均值时大大低估了裸地的日平均排放速
率 ,但是仍然显著高于其他斑块 ,而且裸地斑块的年
均排放速率也与丛间禾草斑块相当。因此虽然青藏
高原在全球变化 (气候模型预测北半球温度 、降水
增加[ 40] )和人类活动干扰加剧双重影响下 ,高寒灌
丛草甸生态系统可能持续退化 ,裸地面积会扩大 ,但
是由于裸地的 N2O排放过程受温度 、降水影响强
烈 ,在降水和积雪融化时排放速率大幅度升高 ,生态
系统的 N2O排放可能并不会有较大幅度的降低 。
当然 ,群落放牧演替过程中的 N2O排放变化还需要
考虑放牧强度 、家畜种类以及家畜粪尿斑的短期和
长期效应等 [ 12, 14] 。如何制定合理的放牧管理制
度 [ 41] ,达到既维持草地的较高生产力 、又能保持较
好的生态环境效应 ,是今后的重要研究课题。
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CharacterizationofandtheEfectofFreezing-throwingonN2 O
EmissioninanAlpinePotentilafruticosaShrubMeadow
DUYangong1, 2 , CAOGuangmin2 , DENGYongcui1 , CUIXiaoyong1
(1.ColegeofResourceandEnvironment, GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences, Beijing100039, China;
2.NorthwestInstituteofPlateauBiology, theChineseAcademyofSciences, Xining810001, China)
Abstract:EmissionofN2O, animportantgreenhousegas, waspoorlystudiedinalpineecosystems.Toclarifythe
seasonalpaternsandwhetherprecipitationorfreezing-thawinghadanimpactonN2Oemission, continuousmonito-
ringwasconductedinaPotentilafruticosashrubmeadowattheHaibeiAlpineMeadowResearchStationofthe
ChineseAcademicofSciencesfrom2004to2005.Threedominanttypesofvegetationpatches, namelyshrubpatch
(GG), inter-shrubherbaceouspatch(GC), andbaresoilpatch(GL), wereselectedandN2Oemissionratewas
measuredbysamplinginstaticchambersanddeterminingwithgaschromatographymethod.Itwasshowedthatan-
nualaverageemissionrateinGGwerehigherthanthatinGCandinGLinbothyears(P<0.05), whiletherewas
nosignificantdiferencebetweenthelatertwopatches(P>0.05).GCandGGhadsimilarseasonalpaternsin
N2Oemission.Inbothpatches, N2OemissionratepeakedinAugust, andwasthelowestinFebruary.InGL, be-
sidesonepeakinMarchandavaleyvalueinJanuaryinbothyears, therewasalsoahigherpeakinAugust2005.
DailyaverageemissionrateincreasedinGCandGGduringfreezing-thawingperiodfromMarchtoMay.Emision
ratewaslowerinGCandGG, whileitwashigherinGLthanannualaveragevalueeachinthistime.Duringorim-
mediatelyafterprecipitation, theemissionratewasstimulatedinalthepatches.N2Oemisionelevatedgradualy
insnowthawing.SignificantlypositivecorrelationwasfoundbetweenN2Oemissionrateand5cmsoiltemperature
inGCandGG(P<0.01), butnotinGL.MoistureConsideringtheproportionofareaoccupiedbythethreepat-
ches, itwascalculatedthattheP.fruticosashrubmeadowwasatmosphericN2Osource, withannualaverageemis-
sionrateof0.043 and0.046mg/(m2h)in2004and2005, respectively.ItwasestimatedthatN2Oemissioncor-
respondedtoradiationforcingof0.125TgcarbondioxideintheP.fruticosashrubmeadow, anun-negligiblecom-
ponentofgreenhousegasbudgetofthewholeQinghai-TibetanPlateau.
Keywords:Potentilafruticosa;nitrousoxide;freezing-thawing;emissioncharacter
697第 6期　　　　　　　　　　　　　杜岩功 ,等:金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及冻融交替的影响研究