土壤水分波动对高寒草甸生态系统CO<sub>2</sub>和N<sub>2</sub>O排放的影响

引用本文

王瑞, 王平, 高永恒, 马钢. 土壤水分波动对高寒草甸生态系统CO₂和N₂O排放的影响 . 草业科学, 2018,35(2):266-275
Wang Rui, Wang Ping, Gao Yong-heng, Ma Gang. Effect of soil moisture fluctuations on CO₂ and N₂O emission in alpine meadow ecosystem . Pratacultural Science,2018,35(2): 266-275 复制到剪切板

Doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0241
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土壤水分波动对高寒草甸生态系统CO₂和N₂O排放的影响

王瑞^1,², 王平¹, 高永恒², 马钢^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

通信作者:王平(1966-),男,甘肃成县人,教授,博士,主要从事农业生态学方面的研究。E-mail:wp1826@126.com

第一作者:王瑞(1991-),女,甘肃白银人,在读硕士生,主要从事农业生态学方面的研究。E-mail:winifred_123@163.com

收稿日期: 2017-12-13

基金: 国家重点基础研究计划项目(2012CB417101); 国家自然科学基金(41271276)); 成都山地灾害与环境研究所青年百人团队计划(SDSQB-2016-02)

摘要

受地形和气候的影响,高寒草地土壤经历着频繁的土壤水分波动过程,为探索土壤水分波动对青藏高原高寒草甸生态系统CO₂和N₂O排放的影响,采用原状土柱模拟土壤由高含水量(60 cm³·cm^-3)到低含水量(30 cm³·cm^-3)再到高含水量(60 cm³·cm^-3)的波动过程,各阶段持续时间相应为38、57和46 d,并以恒定含水量(60 cm³·cm^-3)为对照,研究了高寒草甸生态系统CO₂和N₂O的释放量及其与土壤温湿度、土壤铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和可溶性有机碳(DOC)的关系。结果表明, 土壤水分波动增加了高寒草甸生态系统CO₂排放通量。在土壤水分波动过程中,CO₂排放通量与土壤温度呈正指数关系;在开始的高含水量阶段,CO₂排放与DOC含量有显著正相关关系( P<0.05),但在低含水量阶段,相关性不明显( P>0.05);土壤水分波动显著降低了N₂O的排放( P<0.05)。恒湿对照的N₂O通量与其土壤NH4+-N含量呈极显著负相关关系( P<0.01),土壤水分波动处理的N₂O 通量与土壤NH4+-N和NO3--N含量相关性均不显著( P>0.05)。

关键词: 高寒草甸生态系统; 土壤水分波动; 土壤可溶性有机碳; 二氧化碳; 硝态氮; 铵态氮

中图分类号:S812.29;S152.7⁺1 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2018)02-0266-10

Effect of soil moisture fluctuations on CO₂ and N₂O emission in alpine meadow ecosystem

Wang Rui^1,², Wang Ping¹, Gao Yong-heng², Ma Gang^1,²

1.College of Resources and Environment Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

2.Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, Sichuan, China

Corresponding author: Wang Ping E-mail:wp1826@126.com

Abstract

Under the influence of topography and climate, plateau grassland soil experiences frequent soil moisture fluctuations. To explore the influence of soil moisture fluctuations on CO₂ and N₂O emission from alpine meadows in the Qinghai-Tibet Plateau, we used an undisturbed soil column to simulate soil water content fluctuation from a high (60 cm³·cm^-3) to low value (30 cm³·cm^-3),and to a high (60 cm³·cm^-3) again; this duration of each phase was 38, 57, and 46 days. A soil column with constant HYPERLINK “javascript:;” humidity level (soil humidity 60 cm³·cm^-3) was considered the control. The results showed that: 1) soil moisture fluctuations significantly increased CO₂ emission. A significant relationship was observed between CO₂ emission and soil temperature; additionally, CO₂ emission correlated positively with soil dissolved organic carbon (DOC) concentration in the first high soil-water content phase. 2) Moisture fluctuations significantly decreased N₂O emission. In the control treatment, there was a strong significant negative correlation between N₂O emission and NH4+-N; however, no close relation between N₂O emission and NH4+-N level was observed throughout the moisture fluctuation process.

Keyword: alpine meadow ecosystem; soil moisture fluctuations; soil dissolved organic carbon; carbon dioxide; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen

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土壤水分波动是土壤所经历的最普通和频繁的自然过程, 主要是由降水在时间上的分布不均而引起的, 它使土壤经历了一个由厌氧到好氧的物理、化学和生物的变化过程^[1]。低含水量土壤遇到降水时, 土壤中的微生物活性被激发, 土壤碳、氮在短时间内以CO₂和N₂O形式排放到空气中, 或者以N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N形式淋失, 从而增加了大气中温室气体的浓度, 降低了土壤肥力^{[2, 3]}, 这对生态系统碳、氮的固持是非常不利的。有研究表明, 低含水量土壤接受降水, 土壤释放CO₂的速率比持续湿润处理迅速提高至少5倍, 产生土壤呼吸的激增效应^[4]。Beare等^[5]研究表明, 土壤水分波动无论在低含水量阶段还是较高含水量阶段, 其N₂O的产量均高于恒定含水量土壤。因此, 探讨土壤温室气体对土壤水分波动的响应, 对认识土壤碳、氮排放规律以及气候变化研究有着重要的意义。

青藏高原平均海拔4 000 m以上, 被称为“ 世界第三极” , 是生态学及其相关科学热点领域的重点研究区域之一^[6]。高寒草甸是青藏高原独特的植被类型, 土壤碳氮储量较高, 在区域乃至全球碳氮循环中有着重要的作用^{[7, 8]}。由于青藏高原地势高, 气候特殊, 并且降水的季节分配不均, 降水日变化明显, 以致青藏高原地区高寒草地土壤经历着频繁的土壤水分波动过程。青藏高原气候的未来变化趋势是向暖湿方向发展, 土壤低含水量时间延长, 同时大暴雨概率增加, 气候土壤水分波动的格局越发凸显, 所以未来高寒草甸土壤水分波动程度将显著加剧^{[9, 10]}。目前, 高寒草甸生态系统土壤呼吸的研究报道较少, 并且对土壤呼吸的影响因素的研究多集中温度、水分、土壤结构和性质、土壤pH以及人为的施肥等^{[11, 12, 13]}, 水分波动对土壤呼吸的影响鲜见报道。基于目前青藏高原高寒草甸生态系统温室气体排放的研究现状以及未来气候变化的趋势, 对土壤水分波动条件下青藏高原典型的高寒草甸生态系统温室气体(CO₂、N₂O)通量进行研究, 以期了解高寒草甸生态系统温室气体排放对极端气候下土壤水分波动的响应机制, 这将对认识高寒草甸土壤温室气体排放及土壤碳、氮循环有着重要的科学意义。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原东部的若尔盖高原红原县(33° 54' N、102° 36' E), 该地地势东南部较高, 西北部较低, 浅丘山地和丘间低地构成了该地区的主要地貌类型。试验点位于一个平坦的宽谷景观内, 海拔在3 500 m以上, 周围环绕着一些高度为50~150 m的小山丘, 为大陆性高原气候, 日温差较大。年均降水量752 mm, 5-9月的降水量占全年降水量的86%左右, 年均蒸发量1 263 mm。年均湿度60%~70%, 年均日照时间2 159 h, 年均太阳辐射6 194 MJ· m^-2。年平均气温1.1 ℃, 无绝对无霜期。7月平均气温最高, 约10.9 ℃; 1月平均气温最低, 约为-10.3 ℃。

试验样地植被为典型高寒草甸植被, 优势种是四川嵩草(Kobresia setchwanesis), 主要伴生种有高山紫菀(Aster alpinus)、垂穗鹅冠草(Roegneria nutans)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)和草玉梅(Anemone rivularis)。据甘肃农业大学资源与环境学院测定, 试验样地土壤pH为6.13, 有机碳含量为46.42 g· kg^-1, 全氮含量为4.22 g· kg^-1, 0-10 cm土壤含水率最高值出现在7月, 为58.60 cm³· cm^-3, 最低值出现在1月, 为28.20 cm³· cm^-3, 植物生长季平均含水率为49.00 cm³· cm^-3。

1.2 试验设计

1.2.1 土柱的建立原状土柱的采集工作在2012年12月26日进行, 采集地点位于四川省红原县境内具有代表性的高寒草甸地段, 所采集土柱的规格为长60 cm、宽60 cm、高65 cm, 土柱规格参考了国际上通用的中型试验系的设计规格, 既满足对当前试验效果和采样的需要, 又考虑了试验成本^[14]。采集时土柱处于冰冻状态, 保留完整植被, 整个采集过程尽可能降低草甸对土壤柱体的干扰, 之后将该状态下的土柱紧密放置于长方体钢桶中, 使钢桶略高于土体表面, 并在土体中安置规格为长54 cm、宽54 cm、高15 cm的底座, 底座有约1 cm宽的水槽, 露出土体表面2 cm以便放置静态采气箱。在钢桶底部安装有一根长约70 cm长的软管, 拉至铁桶侧面形成连通器用于观测土柱中的水位(图1)。当需要测量土柱体积含水量时, 用刻度尺从箱体底部测量土柱中水位, 即为土柱体积含水量。将采集好的原状土柱采取有效措施保存好以避免牦牛等家畜的破坏。

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	图1 原状土柱示意图Fig. 1 Schematic diagram of lysimeter in undisturbed soil

1.2.2 试验设计基于试验区的最高含水量(59 cm³· cm^-3), 本研究设置了高含水量(60 cm³· cm^-3)-低含水量(30 cm³· cm^-3)-高含水量(60 cm³· cm^-3)的一个土壤水分波动处理和一个恒湿对照, 经历土壤水分波动的处理在低含水量时期土壤含水量维持在30 cm³· cm^-3, 恒湿对照土壤含水量处理维持在60 cm³· cm^-3, 每个处理设置3个重复。为避免试验过程中受到自然降水对设定土壤含水量的影响, 在供试原状土柱上方都放置了透光性良好且可移动的简易遮雨棚, 遮雨棚高为2 m, 且四周敞开, 遇到降水时及时将遮雨棚遮挡在6个原状土柱上面, 隔绝自然降水的影响, 平时则移开简易遮雨棚, 使6个土柱保持着和外界一样的自然环境。所有试验处理于每天下午太阳下山后观测土柱体积含水量, 通过土柱表面浇灌补充水分, 水分下渗并通过软管观测是否达到目标含水量。试验于2013年6月10日开始, 此时所有处理土壤含水量维持在60 cm³· cm^-3, 于7月6日开始进行降低含水量处理, 于7月17日土壤含水量开始自然下降, 9月12日达到目标土壤含水量(30 cm³· cm^-3), 在低含水量阶段每天补充0.5 L水使土壤含水量维持在30 cm³· cm^-3; 9月12日开始补水, 使所有处理土壤体积含水量恢复到60 cm³· cm^-3左右。恒湿对照处理在试验期间每天补水, 保持土壤体积含水量为60 cm³· cm^-3左右。

1.3 测定项目和方法

温室气体CO₂和N₂O采集和浓度测定:温室气体(CO₂、N₂O)样品采用静态箱法收集。采样箱材质为铁, 长和宽均为50 cm, 高度为40 cm, 四周及箱顶均用保温材料包裹。采样箱顶部安装有温度计和稳压管, 稳压管上套有橡胶软管并配有夹子, 箱体侧面打孔并塞有橡胶塞, 橡胶塞上插入注射器针头用于采气。每4天采集一次气样, 每天09:00开始, 每间隔10 min采集一针, 共4针。采集气样时, 先安装好采样箱顶部的温度计和稳压管, 之后使用100 mL气密注射器插在箱体侧面注射器针头上, 采集100 mL气体样品, 采集好气体后及时关闭气密注射器上的三通阀, 并且同时用夹子夹紧稳压管上的橡胶软管。及时将采集的气样转移至100 mL密封真空铝箔气袋中保存。采样结束, 及时移开采样箱。将采集的气体及时送往中科院成都山地所盐亭试验站进行分析, CO₂和N₂O的浓度使用气相色谱分析仪(Agilent7890A)进行分析。

土壤样品的采集和分析:利用直径2 cm的小型土钻在2013年7月17日、2013年9月12日、2013年10月28日分别采集6个土柱表层0-10 cm土壤样品, 采集时在土柱底座外分别采取4个点的土样。采得的土壤样品及时分拣出植物体、根系和其他非土壤杂物, 过2 mm筛, 装入密闭自封袋并及时进行土壤硝态氮、铵态氮和溶解性有机碳的分析。采用105 ℃烘干法进行土壤含水量的测定, 用流动分析仪(Auto Analyzer 3)测定溶解性有机碳(DOC)、铵态氮和硝态氮的含量。采集气样的同时, 使用土壤温度记录仪测定土壤5 cm的体积含水量和土壤温度, 通过观测静态箱上的温度计记录采气时静态箱的温度。

1.4 数据分析

CO₂和N₂O的排放通量使用下述公式计算^[15]:

F= $\begin{matrix} \frac{Δm}{A \times Δt} \end{matrix}$ = $\begin{matrix} \frac{m_{2} - m_{1}}{A \times Δt} \end{matrix}$ =

$\begin{matrix} \frac{(C_{2} \times V \times M_{0} \times \frac{273}{273 + T_{2}}) - (C_{1} \times V \times M_{0} \times \frac{273}{273 + T_{1}})}{A \times (t_{2} - t_{1}) \times 22.4 \times 10^{- 3}} \end{matrix}$ × 1 000。

式中:F表示CO₂或N₂O的通量[μ g· (m²· h)^-1], C₁和C₂表示扣静态箱前后土壤CO₂或N₂O的浓度(%), A代表静态箱底面积(m²), V是静态箱体积(m³), T₁和T₂是扣静态箱前后的温度(℃), t₁和t₂是扣静态箱前后的时间(h), M₀代表温室气体摩尔质量(g· mol^-1), m₁和m₂是扣静态箱前后的温室气体质量(mg或μ g)。

温室气体累积排放量计算公式为:

S=∑ (F_i+₁+F_i)/2× 24× (t_i+₁-t_i)。

式中:S为温室气体(CO₂和N₂O)累积排放量, 若为负值则表示累积吸收量; i为测定次数; t为测定日期。

数据运算使用Microsoft Excel 2013, 作图使用Oringin 9。应用SPSS 19.0软件进行了数据的统计分析:采用t检验分析比较了土壤水分波动处理和对照间的差异, 并用回归分析确定了各个观测指标之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤水分波动下土壤温湿度变化

本研究设置了土壤体积含水量60-30-60 cm³· cm^-3的土壤水分波动循环。土壤水分波动处理与恒湿对照处理土壤5 cm温度变化趋势一致(图2A), 无显著差异(P> 0.05)。土壤含水量在整个试验期间受人工调控, 在设定值附近小幅度波动(图2B)。

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	图2 试验期间土壤温湿度动态变化Fig. 2 Dynamics of soil moisture and temperature during the treatment

2.2 土壤水分波动下CO₂排放特征

2.2.1 CO₂通量动态变化在整个试验阶段, 土壤水分波动处理与恒湿对照处理的高寒草甸生态系统CO₂排放通量变化趋势基本一致, 均是先增加后减少(图3)。在土壤体积含水量60 cm³· cm^-3阶段, 不同处理CO₂排放通量没有显著差异(P> 0.05)。在30 cm³· cm^-3土壤含水量阶段, 土壤水分波动处理CO₂排放通量与恒湿对照处理差异显著(P< 0.05)。在补水后60 cm³· cm^-3含水量阶段, 各处理土壤体积含水量均回到60 cm³· cm^-3, CO₂排放通量无显著差异(P> 0.05)。

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	图3 水分波动处理与恒湿对照处理CO₂通量比较Fig. 3 Comparison of CO₂ flux in moisture fluctuation treatment and control treatment

2.2.2 CO₂累积排放量在60 cm³· cm^-3含水量阶段和补水后60 cm³· cm^-3含水量阶段, 水分波动处理与恒湿对照CO₂累积排放量无显著差异, 但在30 cm³· cm^-3含水量阶段土壤水分波动处理的土壤CO₂累积排放量与恒湿对照处理差异显著(P< 0.05)。整个试验期间(6月10日至10月28日, 约140 d), 与恒湿对照相比, 经历了水分波动的土壤CO₂累积排放量增加了12.99%, 总累积排放量显著高于恒湿对照的CO₂累积排放量(P< 0.05)。

表1 水分波动过程中CO₂累积排放量 Table 1 CO₂ emission with moisture fluctuation

2.3 土壤水分波动下N₂O排放特征

2.3.1 N₂O通量动态变化高寒草甸生态系统N₂O排放通量在整个试验期间的变化较复杂, 规律性不明显。从整个试验过程中来看, 土壤水分波动处理和恒湿对照处理的N₂O通量有正也有负, 说明高寒草甸生态系统的N₂O源汇功能一直在变化, 试验期间土壤水分波动处理和恒湿对照处理都不是固定的源或汇(图4)。

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	图4 水分波动处理与恒湿对照处理N₂O通量Fig. 4 N₂O flux in moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant

2.3.2 N₂O累积排放量总体来看, 土壤水分波动处理N₂O的总累积量显著低于恒湿对照(P< 0.05)。不同阶段水分波动处理与恒湿对照的N₂O累积排放量差异不显著(P> 0.05)。试验前期(60 cm³· cm^-3)。土壤水分波动处理和恒湿对照N₂O排放量均显著低于试验后期(60 cm³· cm^-3), N₂O排放量分别降低了1.25和1.22 mg· m^-2。土壤水分波动处理经过补水后, N₂O累积排放量较低含水量阶段(30 cm³· cm^-3)显著(P< 0.05)降低了0.62 mg· m^-2(表2)。

表2 水分波动过程中N₂O累积排放量 Table 2 N₂O emission with moisture fluctuations

2.4 土壤水分波动下土壤碳和氮的变化

土壤水分波动处理在试验结束时(10月28日)的土壤DOC浓度显著高于降低土壤含水量前(7月17日前)及补水前(9月12日前)DOC浓度(P< 0.05)(表3)。经历低含水量后(7月17日-9月12日), 土壤水分波动处理的土壤DOC浓度下降了32.54 mg· kg^-1, 而此段时间内恒湿处理下土壤DOC下降了15.86 mg· kg^-1, 二者差异显著(P< 0.05); 经过补水以后至试验结束时(9月12日-10月28日), 土壤水分波动处理的DOC浓度增加了120.46 mg· kg^-1, 此段时间内恒湿处理土壤DOC增加了144.30 mg· kg^-1, 且恒湿对照DOC浓度增加量明显高于土壤水分波动处理(P< 0.05)。从整个土壤水分波动过程(60-30-60 cm³· cm^-3)来看, 恒湿对照处理土壤DOC浓度的增加量明显高于土壤水分波动处理。

表3 土壤水分波动处理与恒湿对照处理在水分波动过程中土壤DOC、N

\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}

-N和N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N含量 Table 3 Levels of soil DOC, N

\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}

-N and N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N with moisture fluctuations process in moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant

处理 Treatment	日期 Date/(MM-DD)	土壤水分 Soil moisture/ (cm³· cm^-3)	溶解性有机碳 DOC/(mg· kg^-1)	铵态氮 N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N/ (mg· kg^-1)	硝态氮 NO₃-N/ (mg· kg^-1)
土壤水分波动 Soil moisture fluctuation	06-10-07-17	60	87.66± 2.69Ba	2.99± 0.11Aa	94.72± 4.59Aa
	07-17-09-12	30	55.12± 4.44Cb	0.45± 0.15Cb	22.09± 1.94Bb
	09-12-10-28	60	175.58± 1.88Ab	1.00± 0.36Bb	2.06± 0.19Cb
恒湿对照 Control	06-10-07-17	60	93.36± 3.14Ba	3.39± 0.52Aa	99.45± 1.79Aa
	07-17-09-12	60	77.49± 2.57Ca	1.26± 0.20Ba	51.44± 3.90Ba
	09-12-10-28	60	221.70± 1.54Aa	2.58± 0.51Aa	23.43± 1.31Ca

表3 土壤水分波动处理与恒湿对照处理在水分波动过程中土壤DOC、N

\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}

-N和N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N含量 Table 3 Levels of soil DOC, N

\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}

-N and N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N with moisture fluctuations process in moisture fluctuations treatmeant and the control treatmeant

土壤铵态氮含量在土壤水分波动处理30 cm³· cm^-3阶段(7月17日-9月12日)显著减少(P< 0.05)(表3), 在补水后60 cm³· cm^-3含水量阶段(9月12日-10月28日)又增加, 与恒湿对照土壤铵态氮变化趋势一致。铵态氮含量在7月17日不同处理间差异不显著(P> 0.05), 9月12日和10月28日水分波动处理显著低于恒湿对照处理。土壤水分波动处理与恒湿对照的土壤硝态氮含量在整个试验期间都处于不断减少过程, 且在水分波动处理后期硝态氮含量显著低于恒湿对照处理(P< 0.05)。

2.5 土壤水分波动下土壤CO₂排放的影响因素

2.5.1 土壤温度对CO₂排放的影响使用指数模型对5 cm土壤温度和CO₂通量的关系进行拟合, 发现土壤水分波动处理和恒温对照处理的CO₂通量与5 cm土壤温度都表现出了指数相关性(图5)。计算得到土壤水分波动处理和恒湿对照处理的Q₁₀值分别为3.74和3.33, 土壤水分波动处理Q₁₀值大于恒湿对照处理Q₁₀值, 表明土壤水分波动增大了土壤呼吸的温度敏感性。

	Figure Option View Download New Window
	图5 土壤温度与CO₂通量回归关系Fig. 5 Relationship between CO₂ fluxes and soil temperature

2.5.2 DOC对CO₂排放的影响作为土壤微生物呼吸作用的底物, 土壤DOC含量的变化影响到CO₂的排放通量。降低土壤含水量时(7月17日), CO₂排放通量与土壤DOC浓度之间呈显著正相关关系(P< 0.05)。在补水前(9月13日前)及试验结束时(10月27日), CO₂排放通量和土壤DOC浓度之间无显著相关性(P> 0.05)。

2.6 土壤水分波动下土壤N₂O排放的影响因素

温湿度和高寒草甸生态系统N₂O排放通量之间没有显著相关性(表4)。恒湿对照处理N₂O通量与土壤铵态氮含量极显著负相关(P< 0.01)。土壤水分波动处理的N₂O 通量与土壤铵态氮和硝态氮含量相关性均不显著(P> 0.05)。

表4 各因素与N₂O排放通量的相关性分析 Table 4 Relationship between N₂O emission and different factors

指标 Parameter	土壤温度 Soil temperature	土壤湿度 Soil moisture	N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N浓度 N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N concentration	N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N浓度 N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N concentration
土壤水分波动 Soil moisture fluctuations	0.048	0.106	-0.338	-0.554
恒湿对照 Control treatment	-0.036	-0.194	-0.873^{* *}	-0.410

* * , indicates significant correlation at the 0.01 level. n=9.

* * 表示在0.01水平(双侧)上显著相关。n=9。

表4 各因素与N₂O排放通量的相关性分析 Table 4 Relationship between N₂O emission and different factors

3 讨论

3.1 土壤水分波动对高寒草甸CO₂排放的影响

土壤水分波动主要通过改变土壤水分, 从而改变土壤的理化性质^[16]。研究表明, 土壤含水量和土壤呼吸有极显著正相关关系^{[17, 18]}; 低含水量土壤补水后, 土壤微生物活性会被激发, 发生CO₂排放量增加的情况^[19]。本研究发现, 经过水分波动处理的土壤比恒湿条件下土壤排放了更多的CO₂。无论是土壤水分波动处理, 还是恒湿对照, 土壤温度都对CO₂排放有显著(P< 0.05)影响。土壤释放CO₂与土壤温度之间具有指数关系^{[20, 21]}, 土壤呼吸会受到温度的影响, 温度极高或者极低都会限制土壤呼吸。温度通过影响土壤水分以及土壤微生物活性从而影响到土壤释放CO₂。有研究指出, 土壤呼吸和DOC浓度具有正相关性, 而且可能土壤呼吸释放的CO₂很大部分来自DOC^{[17, 22]}。本研究发现, 仅在试验开始时CO₂通量与土壤DOC浓度呈显著正相关关系(P< 0.05)。原因是降低土壤含水量开始时所有处理的土壤体积含水量都在60 cm³· cm^-3左右, 温度没有显著差异, 植物在生长初期, 释放的CO₂主要来自于植物根际呼吸和土壤呼吸, 因此土壤DOC浓度与CO₂通量正相关。补水前植物开始茂盛生长, 土壤DOC浓度受到植物生长的影响导致DOC浓度与CO₂通量之间无显著相关性。在试验结束时, 不同处理土壤DOC含量均显著上升, 此时土壤温度降低, 微生物活性降低, 导致积累了大量的DOC。

3.2 土壤水分波动对高寒草甸N₂O排放的影响

高寒草甸生态系统N₂O排放通量极易受到多种环境因子的综合影响, 因此在整个生长季波动变化很大。试验前期(60 cm³· cm^-3)土壤水分波动处理和恒湿对照处理N₂O累积排放量均显著低于试验后期(60 cm³· cm^-3), 原因是低温降低了土壤微生物的活性, 且N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量及N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N含量显著降低, 减少了N₂O的排放。土壤水分波动处理在30 cm³· cm^-3含水量阶段N₂O累积排放量显著低于60 cm³· cm^-3含水量阶段, 原因是土壤含水量在45%~75%之间硝化作用和反硝化作用共同作用可以产生更多的N₂O^[23], 但在30 cm³· cm^-3含水量阶段不同处理间并未发现显著差异, 可能是植物生长及土壤理化性质的差异共同作用的结果。对总N₂O累积排放量而言, 土壤水分波动处理N₂O累积排放量显著低于恒湿对照, 但在不同阶段不同处理间N₂O累积排放量没有显著差异, 可能是多种环境因子共同作用的结果^[24], 想要进一步研究土壤水分波动对N₂O排放的影响, 应该控制其他影响因素, 在单因素条件下研究可能得到更可靠的结果。

温度和湿度均与高寒草甸生态系统N₂O排放通量无显著相关性, 这一结论与张惠等^[25]的研究结果一致。对于无机氮, 本研究发现, 仅恒湿对照处理土壤铵态氮含量与N₂O通量呈极显著负相关关系, 可能是由于微生物活性较强消耗或固定了较多的氮^[26]。

4 结论

土壤水分波动增加了高寒草甸生态系统CO₂排放通量。CO₂排放通量与土壤温度呈正指数关系(土壤水分波动R²=0.827, 恒湿对照R²=0.791, P< 0.05)。在开始的高含水量阶段, CO₂排放与DOC含量有显著正相关关系(P< 0.05), 但在低含水量阶段, 无显著相关性(P> 0.05)。这表明, 水分波动增加了高寒草甸CO₂排放通量, 影响了土壤碳过程, 反映出土壤水分波动过程中DOC和CO₂关系的复杂性。

土壤水分波动显著减少了高寒草甸生态系统N₂O的排放。温度和湿度与高寒草甸生态系统N₂O排放量无显著相关性(P> 0.05)。恒湿对照处理的N₂O通量与土壤铵态氮含量极显著负相关(P< 0.01), 土壤水分波动处理的N₂O通量与土壤矿化态氮含量无显著相关性(P> 0.05)。

(责任编辑王芳)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

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土壤有机碳对陆地生态系统中碳收支起到重要作用,关系到全球碳循环和全球变化.综述了干湿交替条件下土壤有机碳的矿化和有机物质的腐殖化的研究进展,以及土壤团聚体结构、土壤胀缩性和土壤微生物活性等对土壤有机碳转化的影响.国内外研究表明,干湿交替对土壤有机碳转化具有重要影响,土壤团聚体、土壤胀缩性以及土壤微生物活性和群落变化与土壤有机碳的转化关系密切.在此基础上,提出今后干湿交替条件下土壤有机碳转化的研究方向及发展趋势,为有效调控土壤中碳循环与周转提供新的思路与方法.

... 土壤水分波动是土壤所经历的最普通和频繁的自然过程,主要是由降水在时间上的分布不均而引起的,它使土壤经历了一个由厌氧到好氧的物理、化学和生物的变化过程^[1] ...

2011

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... 低含水量土壤遇到降水时,土壤中的微生物活性被激发,土壤碳、氮在短时间内以CO₂和N₂O形式排放到空气中,或者以N H4+-N和N O3--N形式淋失,从而增加了大气中温室气体的浓度,降低了土壤肥力^[2,3],这对生态系统碳、氮的固持是非常不利的 ...

2009

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2011

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... 有研究表明,低含水量土壤接受降水,土壤释放CO₂的速率比持续湿润处理迅速提高至少5倍,产生土壤呼吸的激增效应^[4] ...

2009

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... Beare等^[5]研究表明,土壤水分波动无论在低含水量阶段还是较高含水量阶段,其N₂O的产量均高于恒定含水量土壤 ...

2012

0.0

... ,是生态学及其相关科学热点领域的重点研究区域之一^[6] ...

2002

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王根绪, 程国栋, 沈永平. 青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义. 冰川冻土, 2002, 24(6): 693-700.

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, Cheng G

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A study of carbon (C) storage in the range of 0～0.75 m deep of soils of various grasslands on the Tibetan Plateau was carried out. It is found that there are 1.627 million km 2 of grasslands in the plateau, where organic carbon content reaches 33.52 Pg of C. Organic carbon is mainly stored in meadow and steppe soils, reaching 23.2 Pg of C. stored in organic form. This accounts for 23.44% of China s total organic soil stored carbon or 2.5% of the global soil carbon pool. Carbon emission from the grasslands was estimated, based on the two major modes of emission: (i) natural soil respiration and (ii) shifts in net C flux to/from soil due to land use change and their potential influence on organic matter decomposition. CO 2 emission from the grasslands of the plateau driven by annual soil respiration reaches 1.17 Pg·a -1 of C, accounting for 26.4% of China s total soil respiration or 1.73% of global soil respiration. Because the grasslands is accounted for 1.02% of the global terrestrial area or 16.9% of China s total terrestrial area, this CO 2 emission rate is significantly higher than the mean annual rate of China (about 4.2 Pg·a -1 of C ), and even higher than the global mean rate (about 68 Pg·a -1 of C). In the last 30 years, about 3.02 Pg of C have been emitted from the grasslands of the plateau due to change in land use and grassland degradation. The total CO 2 emission rate from the grasslands of the plateau reaches 1.27 Pg·a -1 of C. Protecting grasslands on the plateau is of great importance for limiting global climate change.

定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm 2 的草地有机碳量达到335.1973×10 8 tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10 8 tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO 2 达到11.7×10 8 tC·a -1 ,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO 2 估计约有30.23×10 8 tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm 2 的草地有机碳量达到335.1973×10 8 tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10 8 tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO 2 达到11.7×10 8 tC·a -1 ,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO 2 估计约有30.23×10 8 tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.

... 高寒草甸是青藏高原独特的植被类型,土壤碳氮储量较高,在区域乃至全球碳氮循环中有着重要的作用^[7,8] ...

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The present study analyzed the plant biomass, soil physical and chemical properties and soil microbial quantities of different community composition using quadrat sampling method. The results showed the aboveground biomass of Salix paraqplesia alpine shrubs meadow was significantly higher (P

利用样方法，分析了青藏高原不同植被类型生物量、土壤理化性状及土壤微生物数量。结果表明，高山柳（Salix paraqplesia）灌丛草甸的地上生物量显著高于圆穗蓼（Polygonum macrophyllum）草甸、藏嵩草（Kobresia tibetica）草甸和小嵩草（K. pygmaea）草甸（P≤0.05），而藏嵩草草甸的地下生物量显著高于小嵩草草甸、高山柳灌丛草甸和圆穗蓼草甸（P≤0.05）。藏嵩草草甸的土壤有机质、土壤全氮依次高于圆穗蓼草甸、高山柳灌丛草甸和小嵩草草甸。相反，土壤养分居于中间水平，土壤含水量较低的圆穗蓼草甸土壤微生物数量则最多。

... 高寒草甸是青藏高原独特的植被类型,土壤碳氮储量较高,在区域乃至全球碳氮循环中有着重要的作用^[7,8] ...

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根据1951~2002年中国194台站的雨日资料,运用分形理论中R/S分析法的基本原理,设计了两项Hurst指数试验。研究并预测了中国5大区域年雨日的气候变化趋势。研究表明:中国5大区域未来年雨日变化趋势与过去50年来的变化有着很好的自相似性。两项Hurst指数试验结果表明中国今后年雨日将继续减少。依照5大区域的气候倾向率,未来10年青藏高原和川西高原平均每十年减少雨日3.7~3.8天;中国东部南方区和中国东部北方区平均每十年减少5.9~6.8天;四川盆地年雨日减少最多,平均每十年减少雨日12.3天。且期间雨日没有突变。

... 青藏高原气候的未来变化趋势是向暖湿方向发展,土壤低含水量时间延长,同时大暴雨概率增加,气候土壤水分波动的格局越发凸显,所以未来高寒草甸土壤水分波动程度将显著加剧^[9,10] ...

2009

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杜岩功, 曹广民, 邓永翠, 崔骁勇. 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. 山地学报, 2009, 27(6): 688-697.

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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(N_2O)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C.C和GL(P＜0.05),C.C与GL差异不显著(P＞0.05).3种斑块N_2O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N_2O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.2004-07 GC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0.046 mg/(m~2·h),是大气N_2O的一个源,粗略估算整个青藏高原高寒灌丛草甸N_2O排放的辐射强迫约为0.125 Tg CO_2,其在整个青藏高原温室气体收支中的作用不应忽略. Abstract： Emission of N_2O, an important greenhouse gas, was poorly studied in alpine ecosystems. To clarify the seasonal patterns and whether precipitation or freezing-thawing had an impact on N_2O emission, continuous monitoring was conducted in a Potentilla fruticosa shrub meadow at the Haibei Alpine Meadow Research Station of the Chinese Academic of Sciences from 2004 to 2005. Three dominant types of vegetation patches, namely shrub patch (GG), inter-shrub herbaceous patch (GC), and bare soil patch (GL), were selected and N_2O emission rate was measured by sampling in static chambers and determining with gas chromatography method. It was showed that annual average emission rate in GG were higher than that in GC and in GL in both years ( P ＜ 0. 05 ), while there was no significant difference between the latter two patches ( P ＞ 0. 05). GC and GG had similar seasonal patterns in N_2O emission. In both patches, N_2O emission rate peaked in August, and was the lowest in February. In GL, besides one peak in March and a valley value in January in both years, there was also a higher peak in August 2005.Daily average emission rate increased in GC and GG during freezing-thawing period from March to May. Emission rate was lower in GC and GG, while it was higher in GL than annual average value each in this time. During or immediately after precipitation, the emission rate was stimulated in all the patches. N_2O emission elevated gradually in snow thawing. Significantly positive correlation was found between N_2O emission rate and 5 cm soil temperature in GC and GG (P ＜0. 01 ), but not in GL Moisture Considering the proportion of area occupied by the three patches, it was calculated that the P. fruticosa shrub meadow was atmospheric N_2O source, with annual average emission rate of 0. 043 and 0. 046 mg/(m~2h) in 2004 and 2005, respectively. It was estimated that N_2O emission corresponded to radiation forcing of 0. 125 Tg carbon dioxide in the P. fruticosa shrub meadow, an un-negligible component of greenhouse gas budget of the whole Qinghai-Tibetan Plateau.

2009

0.0

徐洪灵. 青藏高原东缘高寒草甸土壤呼吸速率日变化及影响因子比较研究. 成都: 四川师范大学硕士学位论文, 2009.

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. A Comparative study on diurnal course of soil respiration rate and affecting factors of alpine meadow at Eastern Qinghai-Tibetan Plateau. Master Thesis. Chengdu: Sichuan Normal University, 2009. (in Chinese)

... 目前,高寒草甸生态系统土壤呼吸的研究报道较少,并且对土壤呼吸的影响因素的研究多集中温度、水分、土壤结构和性质、土壤pH以及人为的施肥等^[11,12,13],水分波动对土壤呼吸的影响鲜见报道 ...

2011

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寇淑娴. 亚高寒草甸弃耕地恢复演替过程中土壤呼吸动态与影响因子研究. 兰州: 兰州大学硕士学位论文, 2011.

Kou S

. Ecological factors on soil respiration during natural restoration and succession of the sub-alpine meadow. Master Thesis. Lanzhou: Lanzhou University, 2011. (in Chinese)

土壤呼吸是生态系统生态学和全球变化生态学中的一个重要概念,它在生态系统碳氮循环过程中起着非常重要的作用。本研究在青藏高原东部亚高寒草甸选择一个弃耕地演替梯度,研究了弃耕地在自然演替过程中土壤呼吸的时空变化规律,同时分析了土壤温度、土壤水分、地上生物量、群落功能组指数、土壤微生物、土壤碳、放牧干扰等因素对弃耕地恢复过程中土壤呼吸的影响。主要研究结果如下： (1)随着恢复演替的进行,地上植物多样性、丰富度及均匀度均逐渐增大,恢复的第21年达到最大,随后有所降低,植被盖度随弃耕时间显著增加；豆科功能组,无论是功能丰富度、多样性,还是地上生物量,随着弃耕时间增加有着最为显著的增加。 (2)对14：00-16：00这一时段的土壤呼吸的研究发现,在弃耕地恢复演替过程中,土壤呼吸速率随弃耕年限的增加表现为上升的趋势,天然草甸的土壤呼吸速率明显高于任何年限弃耕地的土壤呼吸速率,弃耕地的自然恢复有利于土壤呼吸速率的提高。 (3)与土壤呼吸速率同步测定的土壤温度随弃耕年限的增加表现出降低的趋势,土壤呼吸与土壤温度呈负相关。温度是影响亚高寒草甸弃耕地土壤呼吸速率的一个限制因子。 (4)地上生物量与土壤呼吸二者是显著正相关的。这说明在弃耕地演替过程中,随弃耕年限的增加,地上生物量的增加是影响土壤呼吸速率增加的一个关键因子。 (5)土壤微生物丰富度指数和多样性指数随着弃耕年限拟合曲线的计算得出,其最大值分别出现在24年和27年,说明在弃耕后期微生物的种类和数量达到了最大值,微生物活性最高。同时研究表明,土壤微生物丰富度与土壤呼吸速率有显著正相关水平,说明弃耕管理有助于土壤微生物的恢复。 (6)在弃耕地恢复过程中,土壤水分的8：00-16：00的8小时动态研究表明,不同弃耕地土壤水分的日变化不大,土壤含水量大小排序为：天然草甸11年7年9年放牧36年21年,其中天然草甸土壤的含水量明显高于任何弃耕地的水分含量。土壤水分与土壤C02释放速率相关关系不显著。 (7)在整个弃耕恢复过程中,Corg (20-40cm)、MBC (0-1 Ocm)及MBC/Corg(0-10cm)随着弃耕时间表现出一个“U”形模式,Corg (0-1 Ocm)、MBC (10-20cm)及MBC/Corg(10-20cm)随弃耕时间表现出一个“n”形模式,微生物碳及MBC/Corg随土壤深度的增加而减小。总体上是随着土壤有机质含量的增加,土壤呼吸速率增大,随着土壤深度的增加,二者之间的相关性逐渐下降。 (8)豆科植物的丰富度及生物量随恢复年限与土壤呼吸速率表现出显著的正相关,在氮受限的生态系统中,豆科植物相比禾草及非禾本科草本植物对土壤呼吸的影响更为显著。 (9)放牧降低了地上生物量及土壤含水量,而对其他因子影响不是非常明显。天然草地的土壤呼吸速率明显高于放牧地土壤呼吸速率高,弃耕围封减少干扰有利于土壤呼吸速率的提高。地上生物量、土壤微生物丰富度、土壤有机碳、豆科植物生物量协同影响着亚高寒草甸恢复过程中土壤的呼吸状况,是影响弃耕地土壤呼吸速率的主要因素。土壤呼吸速率随弃耕时间的提高标志着土壤有机碳利用状况的改善,微生物数量及活性的增加,植物根系对养分吸收的提高,这些因素的改善与提高直接促进了植被及土壤的恢复,决定着自然演替的进程。

2012

0.0

金冠一, 赵秀海, 郭依秋. 太岳山油松人工林干湿交替时期土壤呼吸特征. 应用与环境生物学报, 2012, 18(6): 904-910.

Jin G

, Zhao X

, Guo Y

. Dynamics of soil respiration during alternate drying-wetting period in Pinus tabulaeformis plantation of the Taiyue Mountain, China. China Journal Application Environment Biology, 2012, 18(6): 904-910. (in Chinese)

2009

0.0

... 1 土柱的建立原状土柱的采集工作在2012年12月26日进行,采集地点位于四川省红原县境内具有代表性的高寒草甸地段,所采集土柱的规格为长60 cm、宽60 cm、高65 cm,土柱规格参考了国际上通用的中型试验系的设计规格,既满足对当前试验效果和采样的需要,又考虑了试验成本^[14] ...

2014

0.0

... 4 数据分析CO₂和N₂O的排放通量使用下述公式计算^[15]: ...

2015

0.0

肖兴艳, 张雷一, 刘方, 姚斌, 龙健. 两种土壤改良剂对3种牧草生长及土壤含水量的影响. 草业科学, 2015, 32(11): 1887-1891.

Xiao X

, Zhang L

, Liu

, Yao

, Long

. Effects of conditioners on growth of different forage species and soil moisture in Karst region. Pratacultural Science. 2015, 32(11): 1887-1891. (in Chinese)

In the present study, the effects of soil conditioners on growth of different forage species including Paspalum thunbergii , Lolium perenne , Dolichos lablab and soil moisture on karst were evaluated using pot experiments. Under the same soil conditions and water management, there were obvious differences ( P >0.05) between the biomass of these three forages which were D. lablab >P. thunbergii>L. perenne whereas the soil moisture change in the opposite order and differed significantly. The soil moisture in the field of P. thunbergii increased by 15.4% and 31.1% compared with that of L. perenne and D. lablab , respectively. The soil water holding capacity of P. thunbergii was obviously higher than that of D. lablab . With the conditions of no precipitation for 10 days and 5% straw biochar, the soil moisture of P. thunbergii , D. lablab and L. perenne , increased 17.9%、17.4% and 19.8%, respectively. The experimental results indicated that the application of P. thunbergii could increase the soil moisture and the improvement can be promoted by adding straw biochar.

在盆栽试验条件下种植雀稗( Paspalum thunbergii )、黑麦草( Lolium perenne )、拉巴豆( Dolichos lablab ),研究土壤改良剂对喀斯特不同品种牧草生长及土壤含水量的影响。在相同的土壤条件及水分管理状态下,3种牧草的生物量存在明显的差异,尤其是秸秆炭处理的3种牧草平均值分别为1.57、0.25、7.70 g·株 -1 ,具体表现为拉巴豆>雀稗>黑麦草;但土壤含水量的变化存在显著差异( P <0.05),种植雀稗的平均土壤含水量最高分别比黑麦草和拉巴豆高15.4%和31.1%,雀稗的土壤持水能力明显高于拉巴豆。土壤添加5%秸秆炭后,在连续10 d不降雨的条件下,雀稗、黑麦草和拉巴豆的平均土壤含水量分别比对照高17.9%、17.4%和19.8%。本研究显示,施用秸秆炭对牧草生长具有促进作用,尤其是雀稗在秸秆炭处理下的生物量分别比对照和秸秆提高了9.5%和30.6%,种植雀稗有利于提高喀斯特土壤含水量,秸秆炭添加后其提高效果更显著。

... 1 土壤水分波动对高寒草甸CO₂排放的影响土壤水分波动主要通过改变土壤水分,从而改变土壤的理化性质^[16] ...

2010

0.0

刘云凯. 干湿交替对东北温带天然林和落叶松人工林土壤呼吸的影响. 哈尔滨: 东北林业大学硕士学位论文, 2010.

Liu Y

. Respnce of soil respiration to soil rewetting in temperation natural forest and Larix olgensis plantation in northeast China. Master Thesis. Harbin: Northeast Forestry University, 2010. (in Chinese)

由降雨分布不均引起的土壤干湿交替是重要的生态学过程,其对土壤呼吸产生强烈影响。为研究干湿交替对东北温带森林土壤呼吸的影响,本文于2009年5～10月,以每月连续观测10 d的方式对自然干湿交替条件下的天然林和落叶松人工林土壤呼吸及土壤异养呼吸进行了测定。并进行了野外模拟不同降雨量(20 mm、40 mm、80 mm)的灌水实验和室内不同温度(5℃、15℃、25℃和35℃)下,不同湿度(25％、50％、75％和100％土壤质量含水量)干湿处理后土壤有机碳矿化速率动态的实验。结果表明:　　 (1)干湿交替对土壤呼吸的激发作用受降雨前后土壤含水量的影响。土壤含水量相对较低的...

... 研究表明,土壤含水量和土壤呼吸有极显著正相关关系^[17,18] ...

... 有研究指出,土壤呼吸和DOC浓度具有正相关性,而且可能土壤呼吸释放的CO₂很大部分来自DOC^[17,22] ...

2011

0.0

张玉铭, 胡春胜, 张佳宝, 董文旭, 王玉英, 宋利娜. 农田土壤主要温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)的源/汇强度及其温室效应研究进展. 中国生态农业学报, 2011, 19(4): 966-975.

Zhang Y

, Hu C

, Zhang J

, Dong W

, Wang Y

, Song L

. Research advances on source/sink intensities and greenhouse effects of CO₂, CH₄ and N₂O in agricultural soils. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 966-975. (in Chinese)

Climate change is an increasing global challenge. Greenhouse gas emission via anthropogenic processes is the main cause of global warming. CO 2 , CH 4 and N 2 O are the main greenhouse gases, accounting for ≈80% of greenhouse effect. It is estimated that each year, 5%~20% of CO 2 , 15%~30% of CH 4 and 80%~90% of N 2 O in air are emitted from soils. Agricultural soils are the main sources of greenhouse gas emission. This work expatiated the mechanisms and affecting factors of greenhouse gas formation, emission and absorption in agricultural soils. And the contribution of farmland ecosystem to greenhouse effects was discussed. It was indicated that anthropogenic factors such as land use and agricultural activity influenced greenhouse gas formation, emission and absorption in agricultural soils. Because anthropogenic processes affected agricultural ecosystems, greenhouse gas emission reductions for stabilized carbon and nitrogen were possible through improved agricultural cultivation and production systems. This study summarized the latest research advances in source/sink intensities of greenhouse gas emissions from farmlands and how that contributes to greenhouse effect. The study suggested that accurate estimation of source/sink intensities of greenhouse gases and appropriate assessments of greenhouse gas effects were the theoretical basis for reducing greenhouse gas emissions and uncertainties in predicting climate change.

气候变化是当今全球面临的重大挑战, 人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。大气中CO 2 、CH 4 和N 2 O 是最重要的温室气体, 对温室效应的贡献率占了近80%。据估计, 大气中每年有5%~20%的CO 2 、15%~30%的CH 4 、80%~90%的N 2 O 来源于土壤, 而农田土壤是温室气体的重要排放源。本文重点阐述了农田土壤温室气体产生、排放或吸收机理及其影响因素, 指出土地利用方式和农业生产力水平等人为控制因素通过影响土壤和作物生长条件来影响农田土壤温室气体产生与排放或吸收。所以, 我们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手, 通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索温室气体减排措施, 达到固碳/氮增汇的目的。对国内外关于农田温室气体排放的源/汇强度及其综合温室效应评估的最新研究进展进行了综述, 指出正确估算与评价农田土壤温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献, 有助于为温室气体减排以及减少气候变化预测的不确定性提供理论依据。

... 研究表明,土壤含水量和土壤呼吸有极显著正相关关系^[17,18] ...

2007

0.0

常宗强, 冯起, 司建华, 苏永红, 席海洋. 土壤水热条件对祁连山荒漠草原土壤CO₂通量的影响. 干旱区地理, 2007, 30(6): 812-819.

Chang Z

, Feng

, Si J

, Su Y

, Xi H

. Influence of soil moisture temperature conditions on surface CO₂ efflux in desert steppe of the Qilian Mountains. Arid Land Geography, 2008, 30(6): 812-819. (in Chinese)

... 低含水量土壤补水后,土壤微生物活性会被激发,发生CO₂排放量增加的情况^[19] ...

2006

0.0

... 土壤释放CO₂与土壤温度之间具有指数关系^[20,21],土壤呼吸会受到温度的影响,温度极高或者极低都会限制土壤呼吸 ...

2014

0.0

陈骥, 曹军骥, 魏永林, 马扶林, 陈迪超, 冯嘉峪, 夏瑶, 岑燕. 青海湖北岸高寒草甸草原非生长季土壤呼吸对温度和湿度的响应. 草业学报, 2014(6): 78-86.

Chen

, Cao J

, Wei Y

, Ma F

, Chen D

, Feng J

, Xia

, Cen

. Effect of grazing exclusion on soil respiration during the dormant season in alpine meadow grassland ecosystems on the northern shore of Qinghai Lake. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(6): 78-86. (in Chinese)

Dormant season soil CO 2 efflux is a significant component of the ecosystem carbon cycle and it therefore plays an important role in carbon budgets calculated to address global climate change. This study investigates the response of dormant season soil CO 2 efflux to short-term grazing exclusion. It also explores the impacts of soil temperature and moisture on soil respiration using the Li-8100 system. Soil respiration was studied in three blocks-free-range grazing (FG), grazing exclusion for 3 years (GE 3 ), and grazing exclusion for 5 years (GE 5 ). Respectively, the average dormant season soil respiration was 0.21, 0.22, and 0.19 times of the annual average soil respiration in each of the three blocks. The carbon released by soil respiration during the dormant season was 117.2, 109.2 and 100.7 g/cm 2 , accounted for 21.2%, 22.3% and 23.2% of the amount of annual carbon released from soil for FG, GE 3 and GE 5 , respectively. The Q 10 values during the dormant season were lower than both the annual and growing season scores. Soil temperature and moisture almost equally account for the variation in soil respiration, and a certain amount of soil water content is necessary for maintaining the response of soil respiration to soil temperature. Therefore, when considering the carbon budget and cycle of ecosystems, we cannot ignore dormant season soil respiration; and soil moisture plays a considerable role in regulating this process.

非生长季土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分,显著地影响着碳收支。本研究利用Li-8100开路式碳通量测定系统,研究了青海湖北岸高寒草甸草原非生长季土壤呼吸对短期围栏封育(自由放牧,3年围栏封育和5年围栏封育样地)的响应,并讨论了温度和湿度对非生长季土壤呼吸的影响。结果表明,1)自由放牧、3年围栏封育和5年围栏封育样地非生长季土壤呼吸平均速率分别是全年土壤呼吸平均速率的0.21,0.22和0.19倍;2)自由放牧、3年围栏封育和5年围栏封育样地非生长季土壤呼吸所排放的碳量分别为117.2,109.2和100.7 g C/m 2 ,占全年土壤呼吸所排放的碳量的21.2%,22.3%和23.2%;3)相比于生长季和全年土壤呼吸的温度敏感性,非生长季具有更低的土壤呼吸温度敏感性;4)非生长季土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的解释率相当,一定的土壤湿度是保证土壤呼吸对温度响应的必要条件。因此,当考虑到碳收支和生态系统碳循环时不能忽略掉非生长季土壤呼吸的作用,而且水分在调节非生长季土壤呼吸中起着重要的作用。

... 土壤释放CO₂与土壤温度之间具有指数关系^[20,21],土壤呼吸会受到温度的影响,温度极高或者极低都会限制土壤呼吸 ...

2015

0.0

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.

, Wang

, Wang D

, Xu S

. Responses of soil greenhouse gases emissions to different forms of nitrogen in alpine shrub. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 20-29. (in Chinese)

In order to understand the effects of N addition with different chemical forms on greenhouse gas (CO 2 , N 2 O and CH 4 ) emission from the alpine shrub meadow on Qinghai-Tibetan Plateau. Four treatments including a control (CK), no nitrogen plus three forms of nitrogen (NH 4 Cl, NH 4 NO 3 , KNO 3 ) were applied in Hongyuan County, eastern Qinghai-Tibetan Plateau. A composite sample of the top 15 cm of soil taken from each treatment was incubated at the lab at 15℃. Emissions of CO 2 , CH 4 and N 2 O from the incubated soil and the soil mineral nitrogen (NH 4 + and NO 3 - ) and dissolved organic carbon (DOC) were determined. The results showed that all the nitrogen addition treatments inhibited soil CO 2 emission which was significantly, positively correlated with soil DOC concentration. Addition of nitrogen significantly increased soil N 2 O emissions, the highest N 2 O emissions were found with NO 3 - -N addition. There were no treatment differences in soil CH 4 absorption. The results suggest that application of NH 4 + -N rather than NO 3 - -N will reduce greenhouse gas emissions in Tibetan alpine shrub ecosystems.

为探索不同形态氮素输入对青藏高原高寒灌丛土壤CO 2 、N 2 O和CH 4 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(NH 4 Cl，NH 4 NO 3 ，KNO 3 )，在实验室恒温15℃下进行培养，分析了土壤CO 2 、N 2 O和CH 4 的释放量以及土壤NH 4 + ，NO 3 - 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CO 2 的排放，土壤CO 2 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N 2 O的排放，而且以添加NO 3 - -N增加的N 2 O最为显著;3)高寒灌丛土壤N 2 O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CH 4 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:KNO 3 >NH 4 NO 3 >NH 4 Cl>CK。

... 有研究指出,土壤呼吸和DOC浓度具有正相关性,而且可能土壤呼吸释放的CO₂很大部分来自DOC^[17,22] ...

1995

0.0

封克, 殷士学. 影响氧化亚氮形成与排放的土壤因素. 土壤学进展, 1995(6): 35-42.

Feng

, Yin S

. Factors influencing the formation and emissions of nitrous oxide soil. Progress in Soil Science, 1995, 23(6): 35-40. (in Chinese)

土壤中N_2O形成、散发与地球温室效应有密切关系。土壤中N_2O是通过硝化和反硝化过程形成的。由于硝化和反硝化过程中均产生N_2O,故凡影响这两个过程的因素都会对N_2O的形成发生作用。土壤通气状况、土壤水分含量、土壤氮素状况与氮肥施用、土壤pH、土壤有机物含量与组成、土壤质地结构及耕作利用等土壤因素都会影响N_2O的形成与排放。

... cm^-3含水量阶段,原因是土壤含水量在45%~75%之间硝化作用和反硝化作用共同作用可以产生更多的N₂O^[23],但在30 cm³#cod#x000b7 ...

1999

0.0

齐玉春, 董云社. 土壤氧化亚氮产生、排放及其影响因素. 地理学报, 1999, 54(6): 534-542.

Qi Y

, Dong Y

. Nitrous oxide emissions from soil and some influence factors. Acta Geographica Sinica, 1999, 54(6): 534-542. (in Chinese)

全球变化对人类生存环境的变化有着十分重要的影响。ＣＯ２、ＣＨ４、Ｎ２Ｏ等气体排放量的增加是目前全球气候变化的主要诱因之一。因此，对于温室气体的研究一直以来都是全球气候变化研究的热点，其中，Ｎ２Ｏ又以其增温潜势大、滞留大气时间长、破坏臭氧层等特点受到格外的关注。对于Ｎ２Ｏ等温室气体源与汇、产生机制、影响因素以及相应减排措施的研究具有十分重要的现实意义。本文拟就目前国内外土壤Ｎ２Ｏ排放的相关研究作一概述

... 对总N₂O累积排放量而言,土壤水分波动处理N₂O累积排放量显著低于恒湿对照,但在不同阶段不同处理间N₂O累积排放量没有显著差异,可能是多种环境因子共同作用的结果^[24],想要进一步研究土壤水分波动对N₂O排放的影响,应该控制其他影响因素,在单因素条件下研究可能得到更可靠的结果 ...

2011

0.0

张惠, 杨正礼, 罗良国, 张晴雯, 易军, 杨世琦, 陈媛媛, 王明. 黄河上游灌区稻田N₂O排放特征. 生态学报, 2011, 31(21): 6606-6615.

Zhang

, Yang Z

, Luo L

, Zhang Q

, Yi

, Yang S

, Chen Y

, Wang

. The feature of N₂O emission from a paddy field in irrigation area of the Yellow River. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(21): 6606-6615. (in Chinese)

Input of nitrogen (N) is essential for high crop yields, but excessive application of N fertilizer increased the loss of gaseous nitrogen. Gaseous loss of N is a main way of nitrogen loss in the paddy fields of the irrigation area. The static chamber-gas chromatograph method was used to measure the N 2 O emission from the paddy field. The five N treatments of field experiment were conducted, including two treatments of the conventional N application rate (300 kg/hm 2 ), i.e the application of only urea (N300) and the application of the organic fertilizer (manure) with the urea nitrogen (N300-OM); two treatments of the optimized N application rate (240 kg/hm 2 ), i.e, the application of only urea (N240) and the application of the organic fertilizer (manure) with the urea nitrogen (N240-OM), and no N fertilizer application plot (CK). The results showed that N 2 O emissions mainly occurred before the tiller stage or at the pre- and late- rice growth stages, and more N 2 O emissions were measured after rice planting and irrigation. At different nitrogen levels, the total amount of N 2 O emissions during the whole rice growing season varied among 2.69-3.87kg/hm 2 , and the loss of fertilizer N due to N 2 O emissions was only 0.43%-0.64%. N 2 O emissions from the paddy field is not an important way of nitrogen loss at the Yellow River irrigation area, but the warming potential through N 2 O emissions in the irrigation area is not neglectable. Excessive application of nitrogen fertilizer in the paddy field significantly increased N 2 O emissions, and at the same level of nitrogen application, organic fertilizer amendment increased N 2 O emissions from the paddy soil ( P 2 O emissions. With the conventional irrigation practice, N 2 O emissions from paddy fields in N300-OM treatment reached 3.87kg/hm 2 . In the scales of 100a, the global warming potentials (GWPs) were 20.76×10 7 kg CO 2 /hm 2 . Optimization of N application in the irrigated paddy field during the rice growing season reduced N 2 O emissions. Compared with N300-OM treatment, cumulative N 2 O emissions in N240 and N240-OM treatments decreased by 1.18 kg/hm 2 and 0.57 kg/hm 2 , respectively. In the scales of 100a, GWPs caused by N 2 O emissions in the paddy field decreased 6.33×10 7 kg CO 2 /hm 2 and 3.06×10 7 kg CO 2 /hm 2 , respectively.

黄河上游灌区稻田高产区过量施肥现象十分突出,氮肥过量施用引起土壤氮素盈余,导致N 2 O排放量增大,由此引起的温室效应引起广泛关注。采用静态箱-气相色谱法研究黄河上游灌区稻田不同施肥处理下N 2 O排放特征。试验设置5个施肥处理,包括常规氮肥300 kg/hm 2 下单施尿素和有机肥配施2个处理,分别用N300和N300-OM代表;优化氮肥240 kg/hm 2 下单施尿素和有机肥配施2个处理,分别用N240和N240-OM代表;对照不施氮肥用N0代表。试验结果得出,灌区水稻生长季稻田土壤N 2 O排放主要集中在水稻分蘖前及水稻生长的中后期,稻田氮肥施用、灌水及土壤温度的变化对N 2 O排放通量影响较大,不同处理水稻各生育阶段N 2 O累积排放量与稻田土壤耕层NO - 3 -N含量动态变化显著相关。稻田N 2 O排放不是黄河上游灌区稻田氮素损失的主要途径,但灌区稻田N 2 O排放的增温潜势较大;稻田氮肥过量施用会显著增加N 2 O排放量,在相同氮素水平下,有机肥配施会显著增加稻田土壤N 2 O的排放量( P＜ 0.01)。优化施氮能有效减少灌区稻田水稻生长季N 2 O排放量。稻田不同处理的水稻整个生长季土壤N 2 O排放总量为2.69-3.87 kg/hm 2 ,肥料氮通过N 2 O排放损失的百分率仅为0.43%-0.64%。在灌区习惯灌水和高氮肥300 kg/hm 2 时,N300-OM处理的稻田N 2 O排放量达3.87 kg/hm 2 ,在100 a时间尺度上的全球增温潜势(GWPs)为20.76×10 7 kg CO 2 /hm 2 ;优化施氮240 kg/hm 2 水平下,N240和N240-OM处理的N 2 O累计排放量较N300-OM处理,分别降低了1.18 kg/hm 2 和0.57 kg/hm 2 ,在100 a尺度上每年由稻田N 2 O排放引起的GWPs分别降低了6.33×10 7 kg CO 2 /hm 2 和3.06×10 7 kg CO 2 /hm 2 。

... 温度和湿度均与高寒草甸生态系统N₂O排放通量无显著相关性,这一结论与张惠等^[25]的研究结果一致 ...

2005

0.0

... 对于无机氮,本研究发现,仅恒湿对照处理土壤铵态氮含量与N₂O通量呈极显著负相关关系,可能是由于微生物活性较强消耗或固定了较多的氮^[26] ...