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Response of soil greenhouse gas emissions to different forms of nitrogen in alpine shrub ecosystems

高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150302 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
马钢,王平,王冬雪,徐世权.高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应.草业学报,2015,24(3):2029.
MaG,WangP,WangDX,XuSQ.Responseofsoilgreenhousegasemissionstodifferentformsofnitrogeninalpineshrubecosystems.ActaPrat
aculturaeSinica,2015,24(3):2029.
高寒灌丛土壤温室气体释放对添加
不同形态氮素的响应
马钢1,2,王平1,王冬雪1,2,徐世权1,2
(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:为探索不同形态氮素输入对青藏高原高寒灌丛土壤CO2、N2O和CH4 排放的影响,采集青藏高原东部金露
梅高寒灌丛土壤,设置1个对照(CK)和3个添加不同形态氮素的处理(NH4Cl,NH4NO3,KNO3),在实验室恒温
15℃下进行培养,分析了土壤CO2、N2O和CH4 的释放量以及土壤NH4+,NO3-和可溶性有机碳(DOC)含量。结
果表明:1)所有氮素处理抑制了高寒灌丛土壤CO2 的排放,土壤CO2 排放量与DOC浓度呈显著正相关关系;2)所
有氮素处理显著增加了土壤N2O的排放,而且以添加NO3-N增加的N2O最为显著;3)高寒灌丛土壤N2O的产
生过程以反硝化作用为主;4)添加不同形态氮素对高寒灌丛土壤CH4 吸收没有显著影响。5)不同形态氮素施入
后,高寒灌丛土壤温室气体全球增温潜能(GWP)顺序:KNO3>NH4NO3>NH4Cl>CK。
关键词:灌丛土壤;氮添加;温室气体;硝化作用;DOC;全球增温潜能  
犚犲狊狆狅狀狊犲狅犳狊狅犻犾犵狉犲犲狀犺狅狌狊犲犵犪狊犲犿犻狊狊犻狅狀狊狋狅犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳狅狉犿狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犻狀犪犾狆犻狀犲
狊犺狉狌犫犲犮狅狊狔狊狋犲犿狊
MAGang1,2,WANGPing1,WANGDongxue1,2,XUShiquan1,2
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犚犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋,犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕狅狌狀狋犪犻狀犎犪狕
犪狉犱狊犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊,犆犺犲狀犵犱狌610041,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:InordertounderstandtheeffectsofNadditionwithdifferentchemicalformsongreenhousegas
(CO2,N2OandCH4)emissionfromthealpineshrubmeadowonQinghai-TibetanPlateau.Fourtreatments
includingacontrol(CK),nonitrogenplusthreeformsofnitrogen(NH4Cl,NH4NO3,KNO3)wereappliedin
HongyuanCounty,easternQinghai-TibetanPlateau.Acompositesampleofthetop15cmofsoiltakenfrom
eachtreatmentwasincubatedatthelabat15℃.EmissionsofCO2,CH4andN2Ofromtheincubatedsoiland
thesoilmineralnitrogen(NH4+ andNO3-)anddissolvedorganiccarbon(DOC)weredetermined.There
sultsshowedthatalthenitrogenadditiontreatmentsinhibitedsoilCO2emissionwhichwassignificantly,posi
tivelycorrelatedwithsoilDOCconcentration.AdditionofnitrogensignificantlyincreasedsoilN2Oemissions,
thehighestN2OemissionswerefoundwithNO3-Naddition.TherewerenotreatmentdifferencesinsoilCH4
absorption.TheresultssuggestthatapplicationofNH4+NratherthanNO3-Nwilreducegreenhousegas
第24卷 第3期
Vol.24,No.3
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年3月
March,2015
收稿日期:20140305;改回日期:20140325
基金项目:国家重点基础研究计划项目(2012CB417101)和国家自然科学基金项目(40801089)资助。
作者简介:马钢(1987),男,河南南阳人,在读硕士。Email:mg137104776@126.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:wp1826@126.com
emissionsinTibetanalpineshrubecosystems.
犓犲狔狑狅狉犱狊:shrubsoil;addingnitrogen;greenhousegases;nitrification;dissolvedorganiccarbon;globalwar
mingpotential
随着工业的发展,人类向大气中排放的含氮物质越来越多,导致大气氮沉降不断增加。通过长期氮沉降输入
生态系统的氮素会改变土壤的碳氮比以及土壤理化环境,从而影响到土壤微生物群落结构组成以及土壤微生物
活性,进而影响到生态系统土壤呼吸[13]。有研究指出,全球每年沉降到陆地的活性氮有43.7TgN/a[4],人工施
肥也导致各生态系统氮素输入量增加,这些已经对生态系统造成了不同程度的影响[5]。世界三大氮沉降集中区
是中国、美国和欧洲,中国作为三大氮沉降集中区之一,氮沉降现象越来越严重,氮的排放量已由1961年的1.4×
1010kg/a,升至2000年的6.8×1010kg/a,预计2030年活性氮排放量将达到1.05×1011kg/a[6]。当前,氮素输入
引起的土壤碳氮生物地球循环的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[710],在这些研究中,氮沉降与土壤CO2、CH4 和N2O等温室气体排放的关系研究是一项重要的主题,而
且认识到氮沉降对不同生态系统温室气体释放的影响不同,有促进[11]、抑制[12]和无变化[13]等响应方式,因此还
需要深入研究氮素输入对土壤呼吸的影响。我国有关氮沉降对土壤温室气体排放的研究开始较晚,目前研究对
象主要集中在农田,森林和温带草原生态系统土壤上[1416],而氮沉降对青藏高原高寒生态系统土壤温室气体释放
影响的研究还比较薄弱。
陆地生态系统是全球碳循环重要组成部分,在全球碳收支平衡中占有主导地位,是预测气候变化的基础[17]。
而青藏高原是世界上面积最大的高海拔陆地,高寒草地是其独特的植被类型,因其土壤碳储量较高,而且对气候
变化敏感,在亚洲甚至全球气候变化中有着重要作用,是对全球变化最为敏感的地区之一[18]。青藏高原广泛分
布着高寒草甸,高寒草原和高寒灌丛等高寒草地生态系统类型,其土壤是一个巨大的碳氮库,在区域乃至全球碳
氮循环中有着重要的作用[19]。同时,由于高寒草地生态系统比较脆弱,其碳循环极易受到人类活动的干扰,并随
着气候的变化而产生相应变化[20]。有研究表明,青藏高原东缘目前的氮沉降速度为8.7~13.8kg/(hm2·
a)[21],已经对高寒草地生态系统产生了明显的影响。并且由于大气沉降加剧和其他人为活动,青藏高原正在经
历氮素输入增加的影响,在未来几十年中氮素输入将呈现不断增加的趋势[22]。由此可见,未来高寒生态系统氮
素输入对其碳氮循环可能产生显著影响,而认识和揭示高寒生态系统土壤温室气体对氮素添加的响应可以更好
地预测全球变化条件下高寒生态系统土壤碳氮通量和存储量的变化。然而,目前有关氮素输入对高寒生态系统
土壤呼吸的影响主要集中在高寒草甸和高寒草原上[2325],且主要研究单一氮源(如NH4+)对土壤温室气体的排
放的影响,截至目前,鲜有针对氮素输入对高寒灌丛生态系统土壤影响的报道。本文针对目前外源氮素输入对青
藏高原高寒灌丛土壤影响研究不足的现状,对比分析了高寒灌丛土壤温室气体对不同形态氮素输入的响应差异,
以期为全球变化背景下高寒生态系统土壤碳氮循环管理和评价提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究地点位于四川省西北部,距离成都市约400km的青藏高原东部的若尔盖高原-红原县(33°54′N,
102°36′E),东南部地势较高,西北部地势较低,研究区是一个相当平坦的宽谷景观,周围被高度50~150m的小
山丘环绕,主要地貌类型为浅丘山地和丘间低地。当地海拔3500m以上,是严格的大陆性高原气候,日温差较
大。年平均降水量752mm,5-9月占到全年降水量的86%左右,年均蒸发量1263mm,年平均湿度60%~
70%,年均日照时间2159h,年均太阳辐射6194mJ/m2。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,最高月平均气温约10.9℃;月平均气温最低的月份是1月,最低月平均气温约为-10.3℃。
试验样地植被为金露梅(犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪)高寒灌丛。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(犉犲狊狋狌犮犪狉狌犫狉犪)、矮嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪犺狌犿犻犾犻狊)和垂穗披碱草(犈犾狔犿狊狀狌狋犪狀狊)。
土壤为暗沃寒冻雏形土,土层发育年轻,有机质含量高,其土壤基本性状见表1。
12第3期 马钢 等:高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应
表1 研究区高寒灌丛土壤理化性质
犜犪犫犾犲1 犆犺犲犿犻犮犪犾犪狀犱狆犺狔狊犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳狋犺犲狊狅犻犾狊狊狋狌犱犻犲犱(犪犾狆犻狀犲狊犺狉狌犫)
有机碳SOC(g/kg) 全氮TotalN(g/kg) C/N pH (2.5∶1.0) 粘粒Clay(%) 粉粒Silt(%) 砂粒Sand(%)
72.06±6.83 6.17±0.22 11.68±1.05 5.73±0.17 23.32±1.76 33.67±1.61 43.00±1.95
 数据由4个重复样品的平均值和标准误差组成。Valuesaremeansandstandarderrorsforfourreplicatesamples.
1.2 样品采集和处理
2012年,选择典型的高寒灌丛生态系统,随机设置10m×10m样方5个,在每个样方内,用直径为5cm的
土钻随机采集0~15cm表层土壤,每个样方取5~10个样点,每个样方土壤样品混合作为一个复合样品,得到
20个复合土壤样品。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,然后过2mm筛,过筛后的土样充分混匀,储存在4℃下备用。
1.3 样品实验室培养
使用275mL玻璃广口瓶进行培养,广口瓶的橡胶塞上接三通阀。培养实验设置3个氮素添加处理和1个
对照。3个添加处理的试剂分别为:NH4Cl,NH4NO3,KNO3,添加量为0.1gN/kg干土,对照即不做任何添加
处理,每个处理设5个重复。培养时把30g风干土装入培养瓶中,分别添加试剂并添加去离子水调节土壤含水
量至土壤持水能力(WHC)的60%,在15℃培养箱中黑暗条件下培养29d,培养过程中使用称重法差额补水,保
持土壤含水量恒定。在培养第2,5,9,13,17,21,25,29天定时进行8次采气,采气样时塞上橡胶塞立刻使用气密
注射器依次从每个培养瓶中抽取10mL气体样品,每个培养瓶采完气立刻关闭三通阀,密闭2h后再使用另一批
气密注射器依次从每个培养瓶中抽取10mL气体样品,采样结束取下橡胶塞。所取气体样品均在24h内使用气
相色谱(Agilent7890A)测定温室气体浓度。在培养第2天和第29天,分别使用0.5mol/LK2SO4 溶液提取土
壤NH4+N、NO3-N、可溶性有机碳(DOC),并用流动分析仪(AutoAnalyzer3)分析其含量。
1.4 计算与统计分析
净硝化速率公式[26]:犖狀犻狋=(犖2’-犖1’)/犱;其中,犖狀犻狋为净硝化速率(mg/L·d),犖1’为培养前的硝态氮量
(mg/L);犖2’为培养后的硝态氮量(mg/L);犱为培养天数。若为净铵化速率,则犖狀犻狋为净铵化率(mg/L·d),
犖1’为培养前的铵态氮量(mg/L);犖2’为培养后的铵态氮量(mg/L)。
温室气体累积排放量计算公式参考王义祥等[27]测定生物呼吸累积量的方法,公式如下:
犛=∑(犉犻+1+犉犻)/2×24×(狋狋+1-狋犻)
式中,犛为温室气体(CO2,CH4 和N2O)累积排放量,表示CH4 时为累积吸收量;犻为测定次数;狋为测定时间,即
培养天数。犉是每次采样分析得出的温室气体排放速率(mg/kg·h),连续2次排放速率之和除以2,作为这2次
采气间隔时间内的温室气体平均排放速率,平均值乘以每天的24h,再乘以2次采气的日期天数差,就得到这段
时间内的温室气体累积排放量(mg/kg),连续求和得到整个实验过程中的温室气体总累积排放量。
N2O和CH4 不同尺度上的增温效应采用2001年的IPCC标准,公式如下[28]:
犌犠犘狓=

犜犎

犚犉狓(狋)d狋

犜犎

犚犉CO2(狋)d狋


犜犎

犪狓[狓(狋)]d狋

犜犎

犪CO2[狉(狋)]d狋
= 犃犌犠犘狓犃犌犠犘CO2
式中,犜犎 是积分时间范围,一般取20年,100年,500年;犚犉狓 和犚犉CO2分别表示温室气体狓和参考气体CO2 的
辐射强迫;犪狓 和犪CO2分别表示温室气体狓和参考气体CO2 的辐射效率;狓(狋)和狉(狋)分别表示温室气体狓和参考
气体CO2 的时间响应函数。计算得到在20年时间尺度上,单位质量N2O和CH4 的全球增温潜能(GWP)分别
为CO2 的275和62倍;在100年时间尺度上,单位质量N2O和CH4 的GWP分别为CO2 的298和25倍;在
500年时间尺度上,单位质量N2O和CH4 的GWP分别为CO2 的156和7倍。
数据运算和作图使用 MicrosoftExcel2013。应用SPSS17.0软件进行了数据的统计分析:采用方差分析和
最小显著差异法(LSD)分析比较了不同处理间的差异,利用单变量分析确定不同处理的标准偏差(SD),运用
22 草 业 学 报 第24卷
SPSS相关分析进行了相关性分析。
2 结果与分析
2.1 土壤矿化态氮和DOC的变化
净铵化速率为正值表示培养期间土壤铵态氮增加,负值表示铵态氮减少(表2)。本研究中,CK和KNO3 处
理在培养期间净铵化速率均为0.67mg/(L·d),只添加铵态氮的NH4Cl处理净铵化速率最大,为1.07mg/
(L·d),NH4NO3 处理的净铵化速率是负值,为-0.21mg/(L·d)。NH4NO3 处理铵态氮含量是减少的,培养
后减少了5.76mg/L,与其他处理差异均达到显著水平(犘<0.05),其他处理铵态氮含量都是增加的,且两两间
差异不显著(犘>0.05)。
表2 培养前后土壤矿化态氮和可溶性有机碳变化
犜犪犫犾犲2 犜犺犲狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲犿犻狀犲狉犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱犱犻狊狊狅犾狏犲犱狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀(犇犗犆)
处理
Treatment
NH4+N
培养前
Before
incubation
(mg/L)
培养后
After
incubation
(mg/L)
变化量
Variation
amount
(mg/L)
净铵化速率
Netammonium
rate
(mg/L·d)
NO3-N
培养前
Before
incubation
(mg/L)
培养后
After
incubation
(mg/L)
变化量
Variation
amount
(mg/L)
净铵化速率
Netammonium
rate
(mg/L·d)
DOC
培养前
Before
incubation
(mg/L)
培养后
After
incubation
(mg/L)
变化量
Variation
amount
(mg/L)
CK 50.32c 68.46b -18.14b 0.67a 10.87c 7.01c 3.86c -0.14a 307.45a 81.22a 73.58b
NH4NO3 74.34b 68.58b 5.76a -0.21b 53.40b 33.87b 19.53b -0.72b 301.83a 65.96b 78.15ab
NH4Cl 116.44a 145.42a -28.97b 1.07a 10.57c 5.85c 4.71c -0.17a 295.72a 52.78c 82.15ab
KNO3 58.33bc 76.55b -18.22b 0.67a 120.32a 78.28a 42.04a -1.56c 292.61a 46.22c 84.20a
 同列内含有不同标注字母表示处理间差异显著(犘<0.05)。下同。
 Differentlettersinasamecolumnmeansignificantdifferenceamongtreatmentsat5%level.Thesamebelow.
净硝化速率为负值,表示土壤硝态氮减少。培养过程中,所有处理硝态氮含量均减少,其中CK净硝态氮减
少速率为0.14mg/(L·d),NH4NO3 处理为0.72mg/(L·d),NH4Cl处理为0.17mg/(L·d),KNO3 处理为
1.56mg/(L·d)。研究发现土壤添加硝态氮越多,硝态氮含量减少越快。CK和NH4Cl处理间的硝态氮减少速
率差异不显著,其他两两处理间差异均显著(犘<0.05)。各处理硝态氮减少速率大小趋势:KNO3>NH4NO3>
NH4Cl>CK,与各处理N2O累积排放量一致。
DOC作为土壤微生物呼吸的底物,被土壤微生物呼吸作用分解,释放出CO2,经过培养之后各处理的土壤
DOC含量均降低。CK和KNO3 两个处理土壤DOC变化差异显著(犘<0.05),其他两两处理间差异均不显著。
经过培养,CK的土壤DOC含量减少了73.58%,与CK相比,施氮处理的土壤DOC减少更多,NH4NO3、NH4Cl
和KNO3 三个处理的土壤DOC分别减少了78.15%,82.15%和84.20%。
2.2 添加不同形态氮素对土壤CO2 释放的影响
2.2.1 添加不同形态氮素对CO2 排放速率和累积排放量的影响  研究发现,高寒灌丛土壤输入氮素,CO2 释
放被抑制,施氮处理的CO2 累积排放量各不相同且均低于CK(图1)。培养期间,CO2 排放速率一直呈减小趋
势,第一次测定(培养第2天)时CO2 排放速率最大,培养第2天到第5天CO2 排放速率减小较快,培养5d后
CO2 排放速率减小较慢(图1)。
经过培养,施氮处理CO2 累积排放量均显著低于CK (犘<0.05)。CK的CO2 累积排放量是1673.98
mg/kg,NH4NO3 处理是1429.87mg/kg,KNO3 处理是1379.87mg/kg,NH4Cl处理是1328.08mg/kg。与
CK相比,NH4NO3 处理的CO2 累积排放量减少了14.58%,KNO3 处理减少了17.57%,NH4Cl处理减少了
20.66%。施氮处理中的NH4Cl处理与 NH4NO3 处理的CO2 累积排放量差异达到显著水平 (犘<0.05),而
KNO3 处理和NH4Cl、NH4NO3 处理间差异均不显著。
32第3期 马钢 等:高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应
图1 不同处理犆犗2 通量及累积排放量
犉犻犵.1 犆犗2犳犾狌狓犲狊犪狀犱犲犿犻狊狊犻狅狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
不同字母表示处理间差异显著(犘<0.05)。Differentlettersmeansignificantdifference(犘<0.05).
图2 犆犗2 累积排放量和土壤犇犗犆含量的关系
犉犻犵.2 犜犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犆犗2犲犿犻狊狊犻狅狀犪狀犱
狋犺犲犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狅犳犇犗犆 
2.2.2 土壤DOC与CO2 排放的关系  作为土壤
微生物呼吸作用的底物,土壤DOC含量不同,土壤微
生物呼吸释放的CO2 量也各不相同。
高寒灌丛土壤的CO2 累积排放量与土壤DOC浓
度之间相关系数为0.7237,二者具有极显著的正相关
关系(犘<0.01)(图2)。说明土壤中DOC含量可能是
衡量高寒灌丛土壤释放CO2 能力的一个重要指标。
本研究中添加氮素之后土壤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 对氮素
添加的响应模式。本研究表明至少在短期内氮素的添
加会抑制高寒灌丛土壤CO2 的释放,从而减少CO2
排放量。推测无论未来氮沉降加剧还是人工施氮肥增
多,青藏高原高寒灌丛土壤排向大气的CO2 量都将减
少。
2.3 添加不同形态氮素对土壤CH4 释放的影响
湿地是大气CH4 的主要源,其他陆地生态系统则大多是大气CH4 的汇,本研究也显示高寒灌丛土壤是大气
CH4 的汇。图3显示,只有在培养第2天测得的CH4 通量是正值,培养第5天开始至培养结束,CH4 通量均为
负值。培养期间,CH4 通量变化是单峰曲线,吸收峰出现在培养的第9天。土壤中CH4 产生和CH4 氧化作用共
存,刚开始培养时,土壤理化性质在短时间内适合甲烷微生物生长,且底物充足,甲烷微生物释放的CH4 量大于
甲烷氧化量,使土壤短时间内成为CH4 的源。培养第2天到第9天,随着底物浓度减少以及土壤理化性质变化,
甲烷微生物活性受到抑制,CH4 释放量越来越少,土壤吸收CH4 不断增多。但表2显示培养过程中铵态氮是增
加趋势,土壤中的铵态氮与土壤CH4 氧化作用会产生竞争,培养第9天之后土壤中增加的铵态氮开始强烈抑制
CH4 的氧化作用,且培养瓶中甲烷减少也成为甲烷氧化作用的制约因素,因此土壤对CH4 的吸收越来越少。
培养期间 CK 的 CH4 累积吸收量为207.53μg/kg;NH4Cl处理为191.63μg/kg,比 CK 少7.66%;
NH4NO3 处理为196.40μg/kg,比CK少5.37%;KNO3 处理为199.48μg/kg,比CK少3.88%。图3显示土
壤对CH4 的吸收有随着添加的铵态氮量增加而减小的趋势,但显著性分析显示不同处理间土壤对CH4 的吸收
差异不显著(图3)。
42 草 业 学 报 第24卷
图3 土壤犆犎4 排放速率及累积排放量
犉犻犵.3 犆犎4犳犾狌狓犲狊犪狀犱犲犿犻狊狊犻狅狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
2.4 添加不同形态氮素对土壤N2O释放的影响
2.4.1 添加不同形态氮素对N2O排放速率和累积排放量的影响  所有施氮处理的土壤N2O排放速率都经
历了一个先增大后减小的过程(图4),N2O排放高峰出现在培养的第5天到第9天,且在N2O排放高峰期间施
氮处理的土壤N2O排放速率显著高于CK(犘<0.05)。KNO3 处理的土壤N2O排放速率高于其他处理,添加有
铵态氮的两个处理(NH4Cl和NH4NO3)的土壤N2O排放速率差异不显著。培养刚开始一段时间内N2O排放
速率增大可能与土壤中作为微生物分解底物的铵态氮硝态氮含量较丰富有关,随着分解底物的减少和土壤理化
性质的逐渐变化,从培养第9天开始,所有处理的N2O排放速率开始急剧减小,并在培养第13天后逐渐趋于稳
定(图4)。
图4 培养土壤犖2犗排放速率及累积排放量
犉犻犵.4 犖2犗犳犾狌狓犲狊犪狀犱犲犿犻狊狊犻狅狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
图4显示所有施氮处理的N2O累积排放量均显著高于CK (犘<0.05),且KNO3 处理的N2O累积排放量
显著高于NH4Cl处理和NH4NO3 处理(犘<0.05),但NH4Cl处理和NH4NO3 处理间N2O累积排放量差异不
显著。CK的N2O累积排放量为2.64mg/kg,NH4Cl处理为6.39mg/kg,NH4NO3 处理为7.66mg/kg,KNO3
处理为10.16mg/kg。与CK相比,土壤添加NH4Cl,N2O累积排放量增加了1.42倍;添加NH4NO3,增加了
1.90倍;添加KNO3,增加了2.85倍。本研究显示添加硝态氮越多,土壤排放N2O越多,可能与高寒灌丛土壤反
硝化作用大于硝化作用有关,这与其他的研究结果一致[29]。
2.4.2 土壤硝态氮和铵态氮与N2O排放的关系  硝化作用和反硝化作用过程中均有N2O产生,为了确定高
寒灌丛土壤释放出的N2O的主要来源,研究了N2O累积排放量和土壤硝态氮、铵态氮含量的关系(图5)。
52第3期 马钢 等:高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应
图5 犖2犗累积排放量和土壤硝态氮、铵态氮含量的关系
犉犻犵.5 犜犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犖2犗犲犿犻狊狊犻狅狀犪狀犱狋犺犲犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狅犳犖犎4+犖狅狉犖犗3-犖
图5显示,高寒灌丛土壤N2O累积排放量与土壤硝态氮含量的相关系数是0.9547,二者之间有极显著正相
关关系(犘<0.01),N2O累积排放量与土壤铵态氮含量无明显关系(犘>0.05)。说明高寒灌丛土壤反硝化作用
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,在土壤硝态氮含
量达到微生物分解极限之前,添加硝态氮越多,土壤释放的N2O将越多。
2.5 添加不同形态氮素释放温室气体的综合温室效应
若以CO2 累积排放量1mg/kg土壤的GWP为
1,可计算出添加不同形态氮素后土壤释放的温室气体
在不同时间尺度上的综合增温潜能GWP(表3)。
表3显示,只有在500年时间尺度上的NH4Cl处
理的GWP与CK差异不显著,其他施氮处理在不同
时间尺度上的GWP均显著高于CK(犘<0.05),同一
时间尺度上,KNO3 处理的GWP显著高于其他两个
施氮处理(犘<0.05),但 NH4Cl处理和 NH4NO3 处
理的GWP在不同时间尺度上的差异均不显著。所有
表3 不同处理释放温室气体的综合温室效应
犜犪犫犾犲3 犌犾狅犫犪犾狑犪狉犿犻狀犵狆狅狋犲狀狋犻犪犾(犌犠犘)狅犳
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊 CO2eqmg/kg
处理Treatment 20年Year 100年 Year 500年Year
CK 2385.99c 2454.29c 2083.73d
NH4Cl 3073.36b 3227.41b 2323.53bc
NH4NO3 3522.84ab 3706.17ab 2622.69ab
KNO3 4160.61a 4401.60a 2962.93a
处理在100年时间尺度上的GWP最大,在500年时间尺度上的GWP最小。CK,NH4Cl,NH4NO3 和KNO3 各
处理在100年时间尺度上的GWP较在20年时间尺度上的GWP分别增加了2.86%,5.01%,5.20%和5.79%,
在500年时间尺度上的 GWP较在100年时间尺度上的 GWP则分别减少了15.10%,28.01%,29.23%和
32.69%。在20年时间尺度上,NH4Cl,NH4NO3 和KNO3 各施氮处理的GWP分别是CK的1.29,1.48和1.74
倍;在100年时间尺度上,分别是CK的1.32,1.51和1.79倍;在500年时间尺度上,分别是CK的1.12,1.26和
1.42倍。在500年时间尺度上,NH4Cl处理的GWP与CK差异不显著,这可以为高寒灌丛土壤施肥提供一定
的参考。
3 讨论
氮素输入可能是导致土壤作为温室气体源和汇功能发生变化的一个重要原因[30]。现有研究表明,添加氮素
可使温带和寒带土壤CO2 释放量增加、减少或不变[1113],本研究发现氮素添加抑制了高寒灌丛土壤CO2 的排
放。氮素对土壤释放CO2 的抑制作用可能有以下解释:1)氮素添加抑制了与有机质分解有关的酶的数量和活
性,降低了土壤微生物分解有机物释放CO2 的能力和速率[31];2)土壤有效氮增加之后,土壤中的微生物可能转
变呼吸方式以响应土壤有效氮含量的变化,从而减少了土壤CO2 的排放[32]。DOC是土壤有机质物理、化学和生
物分解的产物[33],DOC的分解与土壤理化性质和土壤微生物数量及活性有关。添加铵态氮和硝态氮都能抑制
62 草 业 学 报 第24卷
DOC分解酶的数量和活性[34],而添加铵态氮更可使土壤酸化,进而改变土壤微生物群落组成和微生物多样性指
数[35],从而抑制土壤DOC的分解,因此单施铵态氮比单施硝态氮对DOC分解的抑制作用更大,导致NH4Cl处
理的土壤释放出的CO2 最少。同时添加两种形态氮素可能引起土壤理化性质和土壤微生物更复杂的变化,这可
能是NH4NO3 处理的土壤CO2 排放量高于其他两个施氮处理的原因。有人推测土壤释放出的CO2 的主要来
源是土壤中的DOC[36],也有报道指出土壤呼吸和DOC浓度具有正相关性[33]。本研究发现,培养期间CO2 累积
排放量与土壤DOC含量有显著正相关关系,与已有研究一致[33]。总体上来看,高寒灌丛土壤CO2 释放对外源
氮素的输入表现为负反馈效应。
外源氮素输入也影响土壤对CH4 的排放和吸收。氮素添加对土壤CH4 排放的影响,不同研究得出的结论
不一致。有研究认为土壤中添加铵态氮可抑制甲烷产生菌的活性或促进CH4 的氧化[37],也有观测发现,施氮处
理比不施氮处理的土壤CH4 排放量会增加10%~20%[38]。一般情况下,只有在极端还原条件下(氧化还原电位
低于-150~-160mV),土壤中甲烷微生物才能利用CO2 和 H2 合成或分解乙酸等生成甲烷[30],因此湿地是大
气CH4 的一个很重要的源。除湿地外,大多陆地生态系统为好气的土壤环境,有利于甲烷营养微生物的生长,土
壤吸收和氧化甲烷的作用强烈,使之成为大气甲烷的一个重要汇。本研究也证明了高寒灌丛土壤是大气CH4 的
汇。目前,施用氮肥抑制土壤对CH4 吸收的机理还不十分清楚,但有研究表明,NH4+可作为CH4 替代物而被许
多甲烷营养微生物利用[30],可能是施氮肥增加了土壤NH4+含量,NH4+与CH4 产生了竞争,从而减少了甲烷营
养微生物对CH4 的吸收。本研究虽然发现所有施氮处理对CH4 的吸收低于CK,且随着添加的铵态氮的增多,
土壤对CH4 的吸收有减少趋势,但各施氮处理对CH4 的累积吸收量较CK的差异均不显著,即高寒灌丛土壤对
CH4 的吸收与添加不同形态氮素无显著关系。
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[39]。硝化作用是指在通气条件下,土壤中硝化微生物将铵盐转化为硝酸盐的过程,可释放N2O[40]。
反硝化过程是指在通气不良条件下,土壤微生物将硝酸盐或硝态氮还原成氮气(N2)或氧化氮(N2O,NO)的过
程[40]。由于不同土壤类型中硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌群落结构组成和数量不同,硝化反硝化作用也
各不相同。有研究表明,铵化速率受土壤pH影响很大[41],从化学角度来看,KNO3 作为中性肥料,不会改变土
壤pH值,因此KNO3 处理的净铵化速率与CK一致。NH4Cl和NH4NO3 可不同程度改变土壤理化性质,从而
影响到土壤微生物,使二者净铵化速率不一致。有研究表明,高寒灌丛土壤中反硝化细菌比硝化细菌多,反硝化
作用大于硝化作用[29],因此高寒灌丛土壤中硝态氮越多,释放出的N2O越多,二者有正相关关系。
本研究发现所有处理在100年时间尺度上的GWP最大,在500年时间尺度上的GWP最小,这是因为CO2
在大气中可平均存留200年左右,而N2O可平均存留150年左右,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。本研究发现在同一时间尺度上,添加硝态氮越多,GWP越大,可能也与高寒灌丛土壤
微生物反硝化作用大于硝化作用有关。
4 结论
研究表明,氮素添加会抑制高寒灌丛土壤CO2 排放。CO2 累积排放量与土壤DOC浓度显著正相关。施氮
处理的土壤对CH4 的吸收低于CK,但较CK差异不显著,不同形态氮素间差异也不显著。高寒灌丛土壤微生物
反硝化作用大于硝化作用,释放的N2O主要来自土壤微生物反硝化作用过程。土壤硝态氮越多,N2O排放量越
高,二者呈显著正相关关系。在不同时间尺度上,施氮处理的GWP均显著高于CK,但NH4Cl处理和NH4NO3
处理的GWP差异不显著。在同一时间尺度上,KNO3 处理的GWP显著高于其他处理。不同处理温室气体全球
增温潜能大小:KNO3>NH4NO3>NH4Cl>CK。
青藏高原高寒生态系统经历着氮沉降的影响,本研究证明了高寒灌丛土壤温室气体排放对不同形态氮素沉
降有不同的响应,在评价氮沉降对这一土壤温室气体排放的影响时,应充分考虑不同形态氮素输入所产生的差异
性。过度放牧、鼠虫灾害以及全球变暖可使草原退化、产草量下降,因此在未来,施氮可能将是高寒生态系统管理
的主要措施之一,制定氮肥使用措施时,应考虑施肥后土壤释放的温室气体的综合温室效应。从减少温室气体排
72第3期 马钢 等:高寒灌丛土壤温室气体释放对添加不同形态氮素的响应
放的角度来考虑,在高寒灌丛生态系统氮肥的选择上,应该推荐使用铵态氮肥。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲:
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