短期氮素添加和模擬放牧對青藏高原高寒草甸生態系統呼吸的影響

宗 寧, 石培禮，蔣 婧，熊定鵬，孟豐收，宋明華，張憲洲，沈振西

(1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室拉薩高原生態試驗站, 北京 100101;2. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

短期氮素添加和模擬放牧對青藏高原高寒草甸生態系統呼吸的影響

宗 寧1,3, 石培禮1,*，蔣 婧2, 3，熊定鵬1, 3，孟豐收1, 3，宋明華2，張憲洲1，沈振西1

(1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室拉薩高原生態試驗站, 北京 100101;2. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

氮沉降和放牧是影響草地碳循環過程的重要環境因子，但很少有研究探討這些因子交互作用對生態系統呼吸的影響。在西藏高原高寒草甸地區開展了外源氮素添加與刈割模擬放牧實驗，測定了其對植物生物量分配、土壤微生物碳氮和生態系統呼吸的影響。結果表明：氮素添加顯著促進生態系統呼吸，而模擬放牧對其無顯著影響，且降低了氮素添加的刺激作用。氮素添加通過提高微生物氮含量和土壤微生物代謝活性，促進植物地上生產，從而增加生態系統的碳排放；而模擬放牧降低了微生物碳含量，且降低了氮素添加的作用，促進根系的補償性生長，降低了氮素添加對生態系統碳排放的刺激作用。這表明，放牧壓力的存在會抑制氮沉降對高寒草甸生態系統碳排放的促進作用，同時外源氮輸入也會緩解放牧壓力對高寒草甸生態系統生產的負面影響。

氮素添加; 模擬放牧; 生態系統呼吸; 生物量分配; 微生物碳氮; 高寒草甸

氮素是植物生長發育所需的重要元素，氮沉降的迅速增加將對陸地生態系統的生產力和穩定性產生重要影響[1]。一般來說，氮素有效性是限制陸地生態系統生產的重要環境因子[2- 4]，特別是氮受限的高寒生態系統。氮沉降的增加會促進陸地生態系統的初級生產[4- 5]，降低植物向地下部分的分配[6- 7]，進而可能影響植物向土壤微生物的底物供應模式，對生態系統碳平衡過程產生重要影響。一般來說，氮素添加在短期內會加快土壤氮礦化速率，促進生態系統碳排放[8- 10]。但氮沉降對草原生態系統的影響程度同時受人類活動(如放牧)的調控。

放牧是草地生態系統利用管理的重要措施。放牧通過牲畜采食植物地上部分和踐踏作用，直接導致土壤呼吸底物供應的降低[11- 12]。同時放牧通過改變植物群落組成與冠層結構[13]、凋落物化學組成[14- 15]、土壤性質[13]等過程對生態系統碳過程產生間接影響。因此，氮素添加與放牧對生態系統碳排放可能呈現相反的作用。本文作者之前的研究發現放牧壓力下，氮素添加能補償土壤養分的降低，促進植物(尤其是地下部分)的補償性生長[7]。但關于放牧壓力下氮沉降增加對高寒生態系統碳排放影響的研究還較少。

高寒草甸是青藏高原主要植被之一，面積約為1.2×106km2，在亞洲中部高寒環境以及世界高寒地區都具有代表性[16]。由于受到氣候條件的限制，高寒地區土壤有機質分解緩慢，有效養分匱乏，限制高寒植物的生長[17- 18]，故氮沉降的增加可能會對生態系統結構和碳固持產生深刻影響。由此，本研究推測，外源氮素添加可能通過補償放牧導致的養分減少而刺激植物的補償性生長及微生物活性，使高寒草甸生態系統碳排放增加。本研究在藏北高寒草甸區，通過外源氮素添加和人工刈割模擬放牧實驗，試圖回答以下兩個科學問題：①高寒草甸生態系統微生物活性與碳排放對外源氮素添加及模擬放牧產生何種響應？②這種響應模式在兩種處理的交互作用下有什么改變？綜合以上研究內容，本實驗試圖驗證以下假設：放牧壓力會降低高寒草甸生態系統CO2排放，而外源氮素添加通過刺激植物的補償性生長和提高微生物活性而促進生態系統碳排放。本研究對于理解未來氮沉降情景下高寒草甸生態系統生產及碳平衡過程具有重要意義，為退化高寒草甸生態系統恢復治理及管理提供科學依據。

1 研究區概況

研究區選在西藏自治區拉薩市當雄縣草原站(91°05′ E, 30°51′ N；海拔4333 m)，地處念青唐古拉山的南緣，地形屬于丘間盆地，地勢平坦。氣候屬于大陸性高原季風氣候，具有太陽輻射強、氣溫低、日較差大、年較差小的特點。多年平均氣溫1.3 ℃，最冷月(1月)均溫-10.4 ℃，最熱月(7月)均溫10.7 ℃，氣溫年較差21.0 ℃。冰凍期3個月(11月至翌年1月)。多年年均降水量476.8 mm，其中85.1%集中在6—8月，年蒸發量1726.7 mm，年平均濕潤系數0.28，介于半濕潤半干旱之間[19]。

該地區優勢植被是以高山嵩草為優勢種的高寒草甸，建群種有高山嵩草(Kobresiapygeama)、絲穎針茅(Stipacapillace)、窄葉苔草(Carexmontis-everestii)等，并伴生線葉嵩草(K.capillofolis)、小嵩草(K.parva) 等密叢生莎草及木根香青(Anaphalisxylorhiza)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)等雜類草[7]。由于地處濕潤區向半干旱區過渡地帶，該地區草甸中絲穎針茅所占比例較高，常形成草原化草甸[19]。本地區土壤屬于高寒草甸土，結構為砂壤土，有機質含量較為豐富。土壤厚度一般在0.3—0.5 m之間，下層礫石含量較高，最高可達30%。土壤有機質和全氮含量分別為0.9%—2.79%和0.05%—0.19%[19- 20]。

2 材料與方法

2.1 實驗設計及處理

氮素添加與模擬放牧樣地于2010年7月初布設在植被均一的高寒草甸區，建群種為絲穎針茅、高山嵩草和窄葉苔草，植被蓋度約30%—50%[7]。樣地采用隨機區組設計，共4種處理：對照(CK)、氮素添加(40 kg N hm-2a-1N)、模擬放牧(G)和模擬放牧并氮素添加處理(氮素添加量為40 kg N hm-2a-1NG)，每種處理4個重復。實驗小區大小為3 m × 3 m，相鄰小區之間設置2 m的緩沖隔離帶。氮素添加劑量參照中國氮沉降分布格局[21]，即西藏地區干濕沉降率為7 kg N hm-2a-1，本實驗添加濃度是模擬自然沉降量6倍的情景，也是本地區2050年氮沉降的估計濃度[22]。每年氮素添加分3次進行，參照Bowman等[23]在科羅拉多州高寒草甸的實驗處理，前兩次氮素添加時間在生長初期(6月初)和生長季旺盛期(8月初)，分別為全年添加量的25%；最后一次氮素添加時間在生長末期(9月下旬)，添加量為全年的50%[6]。小區內添加的氮素為硝酸銨(NH4NO3，分析純)，每次施肥時首先用水將肥料溶解為溶液，然后用噴壺將溶液均勻灑在小區內。采用人工刈割模擬牲畜放牧，于生長季初(6月初)和生長旺盛期(8月初) 在模擬放牧樣地分別剪草1次。每次只選擇牲畜可食性的牧草(主要為禾草和莎草兩類) 進行刈割，留茬高度為0.5—1.0 cm[24]。將剪掉的地上生物量收集并帶回實驗室烘干稱重, 計算出刈割從樣地中共移走了15%—20%的地上生物量。

2.2 樣品采集與分析

植物地上生物量采用收獲法，一般在刈割后約10 d后進行收獲。每個實驗小區內隨機選取1個0.50 m × 0.50 m的樣方，齊地面剪取所有物種的地上部分，剔除枯落物后帶回實驗室在65 ℃下烘干48 h稱重，作為群落地上生物量。植物地下生物量采集采用土柱法，在剪掉地上部分的樣方內在四角及中間位置分別用土鉆鉆取5個土芯(直徑為3.7 cm，深度為10 cm)，5個土芯合為一個土樣。將土樣混勻后過2 mm土壤篩，篩出的根系置于100目的土壤篩中，在自來水下反復沖洗干凈，去除雜物和死根，將活根裝入信封置入65 ℃烘箱烘干48 h至后稱重，作為群落地下生物量。篩出的土壤放置于冰柜中冷藏，進行微生物碳、氮的測定。

土壤微生物碳(SMC)、氮(SMN)含量的測定采用氯仿熏蒸-浸提法[25- 26]：用0.5 mol/L K2SO4浸提經過24 h氯仿熏蒸與未熏蒸土樣(土水比1 ∶5)，抽濾通過0.45 μm濾膜后用有機碳分析儀(Elementar Liqui TOC, Elementar Co., Hanau, Germany)測定浸提液中有機碳，用過硫酸鉀氧化-分光光度計比色法測定全氮含量。土壤微生物碳、氮含量以熏蒸與未熏蒸的有機碳、全氮含量之差除以校正系數0.45得到[27- 28]。土壤呼吸速率與土壤微生物碳含量的比值被用于表征土壤微生物代謝活性[27,29]。利用超純水提取，恒溫振蕩1 h后抽濾通過0.45 μm濾膜，然后用有機碳分析儀測定溶解性有機碳(DOC)。

2.3 生態系統呼吸與環境因子測定

在2011年和2012年生長季的7—9月測定生態系統呼吸(RE)與土壤呼吸(RS)，約每旬測定1次。在每個樣方內隨機把一個直徑為20 cm、長度為5 cm的PVC管用鐵錘打入土壤內約3 cm。為避免鉆土對CO2釋放量的影響，PVC管固定10 d后進行呼吸測定，每種處理測定4個重復。生態系統呼吸及其組分由LICOR- 8100直接測定，測定時間選擇在09:00至11:00 (地方時)之間。因研究樣地植物矮小，植株全部無損傷地放置在LICOR- 8100呼吸室內測定，不會導致植物的傷害。生態系統呼吸測定結束后齊地面剪掉土壤圈內植物，為減少干擾影響，24 h后進行土壤呼吸的測定[30]。剪掉的植物于65 ℃下烘干48 h至恒重，作為相應的地上生物量。

2.4 實驗數據的處理與分析

采用重復測定分析方法研究氮素添加與模擬放牧處理對生態系統CO2排放的影響，采用Oneway ANOVA與Duncan′s test分別分析氮素添加與模擬放牧樣地植物群落生態系統CO2排放、植物生物量分配、土壤微生物碳氮與活性的差異，利用線性回歸方法分析生態系統CO2排放與植物生物量、微生物活性等因子之間的關系。顯著性水平Plt;0.05。所有統計分析均在SPSS16.0 (SPSS for Windows, Version 16.0, Chicago, USA)中進行。

3 結果

3.1生態系統CO2排放對氮素添加及模擬放牧的響應

生態系統呼吸和土壤呼吸呈單峰曲線，2011年和2012年峰值均出現在8月中旬(圖1)。氮素添加(N)及模擬放牧(G)對RE及其RS的影響年際之間無差異(表1,Pgt;0.05)。N添加顯著促進RE和RS，且在生長季旺盛期影響最顯著，而在生長初期及末期均無顯著影響(圖1)。2011年和2012年8月，N處理的RE分別比與對照提高了82%和72%(Plt;0.01)，RS分別提高了53%和65%(Plt;0.05)。可見，RE的增加不僅由于RS的增加，還由于地上植物呼吸增加導致。模擬放牧及放牧壓力下氮素添加(NG)均未顯著改變RE、RS(圖1)，N添加對生態系統呼吸的促進作用被放牧壓力所抵消(圖1)。

表1氮素添加與模擬放牧對生態系統呼吸與土壤呼吸重復測定分析結果

Table1Ecosystemrespiration(RE)andsoilrespiration(RS)fromrepeated-measure(ANOVA)usingmeasuringdateasrepeated-measures,conductedin2011and2012.FandPmeanFvalueofANOVAresultandstatisticalsignificance,respectively

不同處理Treatment生態系統呼吸EcosystemrespirationFP土壤呼吸SoilrespirationFP年份Year2.0740.2313.2240.085處理Treatment41.1780.0009.0510.000年份Year×處理Treatment0.9050.4530.8850.463測定日期Date58.2660.00068.4420.000日期Date×年份Year24.6700.00020.4500.000日期Date×處理Treatment9.1830.0008.4810.000日期Date×年份Year×處理Treatment1.4470.1031.6560.075

圖1 氮素添加與模擬放牧對高寒草甸生態系統呼吸及土壤呼吸季節動態的影響Fig.1 Seasonal variations of RE and RS under four different treatments in 2011 and 2012Vertical bars represent the standard error of the mean (n=4); C: control plots (solid square); N: N addition (open circle); G: simulating grazing (solid triangle); NG: N addition and simulating grazing (open triangle); CK: 對照；N: 氮素添加；G: 模擬放牧；NG: 氮素添加+模擬放牧; 不同字母間表示差異顯著

3.2 地上、地下生物量對氮素添加及模擬放牧的響應

氮素添加促進地上生物量增加，而放牧壓力下氮素添加(NG)顯著促進植物地下生產。2011年生長季初期，氮素添加對地上生物量無顯著影響，而模擬放牧和NG處理加均顯著促進地上生物量增加；但在2012年生長季初期，氮素添加促進了植物地上植物生物量，而模擬放牧對其無顯著影響。生長季旺盛期，2011年和2012年生長季氮素添加分別提高了82%和84%的地上生物量(圖2,Plt;0.01)，而模擬放牧對生物量無影響，NG在2012年提高了28%的地上生物量(圖2，Plt;0.05)。在生長季末期，氮素添加促進地上生物量增加，而模擬放牧對地上生物量呈現抑制作用(圖2,Plt;0.05)。NG對地下生物量影響較大，在2011年(生長初期121%，生長旺盛期127%，生長末期103%)與2012年(生長初期57%，生長旺盛期116%，生長末期82%)均有顯著的促進作用(圖2 C和D,Plt;0.01)。氮素添加處理僅在2011年生長初期及2012年生長末期促進植物地下生物量(圖2,Plt;0.05)。而模擬放牧處理對地下生物量沒有影響(圖2)。

圖2 氮素添加與模擬放牧對高寒草甸植物地上-地下生物量的影響Fig.2 Aboveground (AGB) and belowground biomass (BGB) under four different treatments in 2011 and 2012

3.3 土壤微生物碳、氮、代謝活性及溶解性有機碳對氮素添加及模擬放牧的響應

圖3 氮素添加與模擬放牧對高寒草甸土壤微生物碳氮、代謝活性及溶解性有機碳的影響Fig.3 Soil microbial biomass C (SMC), N (SMN), soil microbial activity (RS/SMC) and dissolved organic C (DOC) under four different treatments in 2011

模擬放牧降低土壤微生物碳含量，對微生物氮含量無顯著影響；氮素添加對微生物碳含量無顯著影響，而提高了微生物氮含量以及微生物活性。模擬放牧在生長初期對土壤微生物碳無顯著影響；在生長旺盛期，與氮添加處理相比較，放牧壓力下無氮素添加與氮素添加處理分別降低了37%和39%的土壤微生物碳(圖3,Plt;0.05)。氮素添加在生長初期和末期分別提高了39%和43%的微生物氮(Plt;0.05)，在生長旺盛期無顯著影響(Pgt;0.05)。模擬放牧在整個生長季節對土壤微生物氮均無顯著影響，放牧壓力下氮素添加只在生長季末期顯著提高了47%微生物氮(圖3,Plt;0.05)。氮素添加刺激微生物活性，主要表現在生長季前期和旺盛期；模擬放牧有降低微生物活性的趨勢，主要差異表現在生長末期；在生長季初期，放牧壓力下氮素添加的微生物代謝活性是對照處理的2.6倍(圖3,Plt;0.05)，而在生長季后期降低了49%的土壤微生物代謝活性(Plt;0.05)(圖3)。氮素添加對微生物活性的影響主要表現在生長季前期；而放牧壓力在生長季后期對微生物的影響更大，對微生物碳和微生物代謝活性都有降低作用。氮素添加在生長季初期和末期分別提高了32%和29%的溶解性有機碳(圖3,Plt;0.05)，放牧壓力下氮素添加在生長季初期和末期顯著提高了24%和43%溶解性有機碳(圖3 D,Plt;0.05)，而模擬放牧對溶解性有機碳無影響。

3.4調控生態系統CO2排放與主要環境因子

生態系統呼吸季節動態受到植物地上生產的影響(Plt;0.05)，而土壤呼吸受植物地上與地下生產的共同控制，地上與地下生物量分別能解釋土壤呼吸變異10.8%與10.1%(圖4,Plt;0.05)。而生態系統呼吸受溶解性有機碳的影響更大，溶解性有機碳分別能解釋生態系統呼吸和土壤呼吸31.1%和7.8%的變異(圖4,Plt;0.05)，這說明氮素添加與模擬放牧通過影響呼吸底物和微生物代謝活性而對生態系統碳排放產生影響，且這種影響比植物生產分配改變的影響更大。

圖4 生態系統呼吸、土壤呼吸與植物地上、地下生物量之間的關系Fig.4 Dependence of ecosystem respiration (RE, solid circle) and soil respiration (RS, open circle) on plant aboveground biomass (AGB) and belowground biomass (BGB) in 2011and 2012

土壤微生物代謝活性與植物地上、地下生物量無顯著相關關系(圖5)，而分析發現生長季初期和旺盛期氮素添加顯著提高了土壤微生物代謝活性，這說明土壤微生物代謝活性的改變是由氮素添加與模擬放牧直接作用的結果，而不是植物生物量分配格局的改變引起的。氮素添加與模擬放牧對土壤微生物活性的直接作用是生態系統呼吸季節格局改變的主要因素。此外相關分析發現，土壤溶解性有機碳含量受地上生物量影響較大，地上生物量能解釋其變異的45.6%(圖5,Plt;0.001)，而地下生物量對土壤溶解性有機碳含量無影響(圖5,Pgt;0.05)。這表明氮素添加及模擬放牧通過影響影響植物光合產物而對生態系統碳排放產生影響，模擬放牧對根系的補償性生長對生態系統碳排放的影響較小。

圖5 土壤微生物活性、溶解性有機碳含量與植物地上、地下生產之間的關系Fig.5 Dependence of soil microbial activity (RS/SWC) and dissolved organic C (DOC)on plant aboveground and belowground biomass in 2011

5 討論

研究結果發現，氮素添加通過對土壤微生物活性和植物地上生產的直接刺激作用來促進高寒草甸生態系統碳排放；模擬放牧有降低地上生產的趨勢，但對生態系統碳排放無顯著影響，且降低了氮素添加對生態系統碳排放的刺激作用；外源氮素添加對養分的補充顯著促進放牧壓力下植物的地下生產。

5.1 氮素添加對高寒生態系統碳排放的影響

高寒草甸是受氮素限制的生態系統，氮素添加顯著提高了植物地上生產，這在很多生態系統的控制實驗中已經發現[31- 33]。這一方面是因為外源氮輸入能迅速提高土壤中植物可利用氮的含量，導致植物葉片氮含量的提高及光合作用的增強[6]；另一方面氮素添加還會刺激土壤氮礦化作用[7,34- 35]，刺激土壤中原來有機質的分解，氮素循環速率的加快會增加土壤中植物可利用養分含量，從而促進植物的生產[7]。此外，在受氮素限制的高寒生態系統，氮素添加會促進禾草植物的生長[17,36]，氮添加消除了生態系統養分的限制，養分利用效率較高的禾草植物迅速生長，改變了植物競爭格局，使物種間的競爭從地下養分的競爭轉向地上光競爭，光競爭能力的強弱是決定生態系統物種組成與群落結構改變的重要原因[37- 38]。同時，氮素添加會促進植物分蘗、分枝，且能增加牧草的根系數量、分布深度和再生能力[37]，使單位面積生產力大幅增加。植物生產力的提高意味著更高的植物生長與維持呼吸[39]以及向地下更多的光合產物輸入[40]。本研究發現氮素添加在2011年和2012年生長季分別提高了82%和84%的地上生物量，而植物地上部分光合產物是調控生態系統呼吸與土壤呼吸的重要因素(圖4)，氮素添加導致植物生產的提高，從而導致光合產物增加，這是生態系統碳排放增加的重要原因。

在退化的生態系統，伴隨著植物豐富度降低、生產力下降和土壤性質的惡化，土壤微生物的組成與結構也遭到破壞[41]。土壤微生物活性即基礎呼吸與微生物碳含量的比值，它將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機地聯系起來，是反映環境因素、管理措施等變化對微生物活性影響的一個敏感指標[27,30]。本研究發現，氮素添加提高了土壤微生物氮含量及其活性，且對土壤微生物活性的提高主要表現在生長季前期和旺盛期，這是由于生長季前期和旺盛期植物生長發育較快，導致土壤中氮素被植物大量吸收[7]，故外源氮素在生長季前期和旺盛期添加會對氮素的降低產生補償作用，而對土壤微生物活性產生刺激作用。此外，氮素添加會直接改善土壤限制養分狀況，增加根際和非根際土壤微生物量碳和水溶性有機碳的含量[42]，并導致根際微生物數量的增加[43]。同時，氮素添加會促進植物生長，并為微生物生長提供充足的碳源，使土壤微生物量顯著提高[44]。雖然植物生產的提高會向土壤微生物提供更多的光合產物[11- 12]，但土壤微生物活性的提高更大程度依賴于氮素添加直接的刺激作用。同時，土壤微生物活性與生態系統碳循環過程密切相關，因為土壤微生物呼吸是生態系統碳排放的主要來源和重要組分[45- 48]，故外源氮輸入導致的土壤微生物活性的刺激作用是高寒草甸生態系統碳排放增加另一重要因素。

5.2 放牧對高寒生態系統碳排放的影響

放牧作為草地生態系統最主要的利用方式，對草地生態系統的影響是多方面的，是影響草地碳循環的重要因素。模擬放牧通過刈割的方式[24,49- 50]，排除了動物排便等造成的異質性，從而排除牲畜排泄物對實驗結果的額外施肥干擾。與我們假設不一致的是雖然模擬放牧通過刈割處理移走了15%—20%的地上生物量，但與對照處理比較發現植物地上生產的降低并不顯著，且未顯著改變生態系統碳排放模式，這與Zhou等[51]和Jia等[33]研究結果一致。這是由于高寒草甸植物存在補償性生長[7,52- 53]，這種補償機制的存在對于維持高寒草甸生態系統生產與碳循環的穩定性具有重要意義。在不放牧處理氮素添加主要刺激植物地上部分生長，而在放牧壓力下氮素添加促進了植物地下生物量的增加，而總生物量無差異[7]，這說明高寒植物對放牧存在補償性生長，而氮素添加作用下會刺激這種補償作用。模擬放牧只在生長初期和旺盛期來臨前進行，放牧壓力解除后植物通過自身的補償機制逐漸恢復組織的功能[54]，尤其在氮素添加條件下，植物可以穩定地維持生產能力[55]。氮素添加會促進土壤氮礦化作用[7]，氮素循環速率的加快反過來會增加土壤中植物可利用養分含量，改變植物地上地下光合產物分配模式[56]。

本研究還發現，在生長季后期模擬放牧降低了土壤微生物碳含量，而在生長季前期和旺盛期顯著降低了土壤微生物代謝活性。在草地生態系統中，家畜放牧通過采食、踐踏及排泄物直接影響土壤[57]，不同強度的放牧會改變土壤環境及養分平衡。研究發現，放牧處理降低土壤微生物數量、土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，尤其在重牧壓力下更甚[58]。放牧會降低地表植被蓋度、破壞土壤結構，降低土壤養分和微生物活性[58]。在生長季旺盛期以后，植物現存生物量較高，且光合能力強，對土壤呼吸底物的供應較多，此時進行模擬放牧會導致植物地上生物量的降低，并直接減少對土壤微生物的底物供應。土壤微生物呼吸是生態系統碳排放的重要來源，模擬放牧導致的底物供應的減少會直接降低生態系統碳排放。雖然模擬放牧壓力下氮素添加處理顯著提高了植物地下生物量，但分析發現地下生物量與生態系統呼吸無顯著相關關系，這與之前的研究結果相同[30],這表明植物地上生物量是控制生態系統呼吸與土壤呼吸變化更重要的因子。

氮素添加通過養分的外源輸入刺激了高寒植物的補償性生長，放牧壓力的存在使得植物將更多的光合產物分配到地下，導致群落地下生物量的顯著提高(圖2)。與單獨氮素添加處理相比較，模擬放牧降低了氮素添加對生態系統碳排放的促進作用。生態系統中的CO2排放很大一部分來自于最新固定的碳[30]，放牧通過牲畜采食植物地上部分，直接導致植物向土壤呼吸底物供應的降低[11- 12]和凋落物輸入的減少[59- 60]，而氮素添加對植物生產和微生物活性的刺激作用部分抵消了模擬放牧對土壤微生物呼吸底物供應的減少。

6 結論

綜上所述，短期氮素添加提高了土壤微生物活性和高寒草甸植物地上生產，植物地上部分生產的提高為生態系統呼吸提供了更多的呼吸底物，這種促進作用直接導致高寒草甸生態系統碳排放的增加。放牧壓力下氮素添加刺激了高寒草甸植物的根系的補償性生長，促進植物的地下生產，但放牧降低了氮素添加對生態系統碳排放的促進作用。因此，高寒草甸地區放牧壓力的存在會抑制未來大氣氮沉降對高寒草甸生態系統碳排放的促進作用，而外源氮輸入的增加會促進放牧壓力下植物的補償性生長，緩解放牧壓力對高寒草甸生態系統生產的負面影響。

[1] Van Breemen N. Nitrogen cycle: natural organic tendency. Nature, 2002, 415(6870): 381- 382.

[2] Burke I C, Lauenroth W K, Parton W J. Regional and temporal variation in net primary production and nitrogen mineralization in grasslands. Ecology, 1997, 78(5): 1330- 1340.

[3] Tilman D, Wedin D, Knops J. Productivity and sustainability influenced by biodiversity in grassland ecosystems. Nature, 1996, 379(6567): 718- 720.

[4] LeBauer D S, Treseder K K. Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed. Ecology, 2008, 89(2): 371- 379.

[5] Neff J C, Townsend A R, Gleixner G, Lehman S J, Turnbull J, Bowman W D. Variable effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon. Nature, 2002, 419(6910): 915- 917.

[6] Reynold J F, Thornley J N M. A shoot: root partitioning model. Annual of Botany, 1982, 49(5): 585- 597.

[7] Zong N, Shi P L, Song M H, Lin L, Ma W L, Jiang J, Fu G, He Y T, Zhang X Z. Clipping alters the Response of biomass allocation pattern under nitrogen addition in an alpine meadow on the Tibetan Plateau. Journal of Natural Resources, 2012, 27(10): 1696- 1707.

[8] Butnor J R, Johnsen K H, Oren R, Katul G G. Reduction of forest floor respiration by fertilization on both carbon dioxide-enriched and reference 17-year-old loblolly pine stands. Global Change Biology, 2003, 9(6): 849- 861.

[9] Bowden R D, Davidson E, Savage K, Arabia C, Steudler P. Chronic nitrogen additions reduce total soil respiration and microbial respiration in temperate forest soils at the Harvard Forest. Forest Ecology and Management, 2004, 196(1): 43- 56.

[10] Burton A J, Pregitzer K S, Crawford J N, Zogg G P, Zak D R. Simulated chronic NO3-deposition reduces soil respiration in northern hardwood forests. Global Change Biology, 2004, 10(7): 1080- 1091.

[11] Craine J M, Wedin D A, Chapin F S III. Predominance of ecophysiological controls on soil CO2flux in a Minnesota grassland. Plant and Soil, 1999, 207(1): 77- 86.

[12] Wan S Q, Luo Y Q. Substrate regulation of soil respiration in a tallgrass prairie: Results of a clipping and shading experiment. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(2), 1054, doi: 10.1029/2002GB001971.

[13] Luo Y Q, Zhou X H. Soil Respiration and the Environment. London: Academic Press.

[14] Bremer J D, Ham J M, Owensby C E, Knapp A K. Responses of soil respiration to clipping and grazing in a tallgrass prairie. Journal of Environmental Quality, 1998, 27(6): 1539- 1548.

[15] Wilsey B J, Parent G, Roulet N T, Moore T R, Potvin C. Tropical pasture carbon cycling: relationships between C source/sink strength, above-ground biomass and grazing. Ecology Letters, 2002, 5(3): 367- 376.

[16] Xu L L, Zhang X Z, Shi P L, Yu G Y. The apparent quantum yield and the apparent maximum photosynthetic rate in the alpine meadow on Tibet Plateau. Science in China Series D: Earth Sciences，2004，34( SupplementⅡ) : 125- 130．

[17] Bowman W D, Theodose T A, Schardt J C, Conant R T. Constraints of nutrient availability on primary production in two alpine tundra communities. Ecology, 1993, 74(7): 2085- 2097.

[18] Cao G M, Zhang J X. Soil nutrition and substance cycle of Kobresia meadow//Zhou X M, ed. Chinese Kobresia Meadows. Science, Beijing, 2001: 58- 147.

[19] Shi P L, Sun X M, Xu L L, Zhang X Z, He Y T, Zhang D Q, Yu G R. Net ecosystem CO2exchange and controlling factors in a steppe-Kobresiameadow on the Tibetan Plateau. Science in China Series D: Earth Sciences, 2006, 49(S2): 207- 218.

[20] Zhang D Q, Shi P L, He Y T, Xu L L, Zhang X Z, Zhong Z M. Quantification of soil heterotrophic respiration in the growth period of alpine steppe-meadow on the Tibetan Plateau. Journal of Natural Resources, 2006, 21(3): 458- 464.

[21] Lü C Q, Tian H Q. Spatial and temporal patterns of nitrogen deposition in China: Synthesis of observational data. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(D22), doi: 10.1029/2006JD007990.

[22] Galloway J N, Dentener F J, Capone D G, Boyer E W, Howarth R W, Seitzinger S P, Asner G P, Cleveland C C, Green P A, Holland E A, Karl D M, Michaels A F, Porter J H, Townsend A R, V?osmarty C J. Nitrogen cycles: past, present, and future. Biogeochemistry, 2004, 70(2): 153- 226.

[23] Bowman W D, Gartner J R, Holland K, Wiedermann M. Nitrogen critical loads for alpine vegetation and terrestrial ecosystem response: Are we there yet? Ecological Applications, 2006, 16(3): 1183- 1193.

[24] Julia A K, John H, Zhao X Q. Experimental warming causes large and rapid species loss, dampened by simulated grazing, on the Tibetan Plateau. Ecology Letters, 2004, 7(12): 1170- 1179.

[25] Brookes P C, Landman A, Pruden G, Jenkinson D S. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17(6): 837- 842.

[26] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703- 707.

[27] Xu Z F, Hu R, Xiong P, Wan C, Cao G, Liu Q. Initial soil responses to experimental warming in two contrasting forest ecosystems, Eastern Tibetan Plateau, China: nutrient availabilities, microbial properties and enzyme activities. Applied Soil Ecology, 2010, 46(2): 291- 299.

[28] Fu G, Shen Z X, Zhang X Z, Zhou Y T, Zhang Y J. Response of microbial biomass to grazing in an alpine meadow along an elevation gradient on the Tibetan Plateau. European Journal of Soil Biology, 2012, 52: 27- 29.

[29] Schindlbacher A, Rodler A, Kuffner M, Kitzler B, Sessitsch A, Zechmeister-Boltenstern S. Experimental warming effects on the microbial community of a temperate mountain forest soil. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(7): 1417- 1425.

[30] Jiang J, Zong N, Song M H, Shi P L, Ma W L, Fu G, Shen Z X, Zhang X Z, Ouyang H. Responses of ecosystem respiration and its components to fertilization in an alpine meadow on the Tibetan Plateau. European Journal of Soil Biology, 2013, 56: 101- 106.

[31] Carreiro M M, Sinsabaugh R L, Repert D A, Parkhurst D F. Microbial enzyme shifts explain litter decay responses to simulated nitrogen deposition. Ecology, 2000, 81(9): 2359- 2365.

[32] Xu W H, Wan S Q. Water- and plant-mediated responses of soil respiration to topography, fire, and nitrogen fertilization in a semiarid grassland in northern China. Soil Biology Biochemistry, 2008, 40(3): 679- 687.

[33] Jia X X, Shao M A, Wei X R. Responses of soil respiration to N addition, burning and clipping in temperate semiarid grassland in northern China. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 166- 167: 32- 40.

[34] Loiseau P, Soussana J F. Effects of elevated CO2, temperature and N fertilization on nitrogen fluxes in a temperate grassland ecosystem. Global Change Biology, 2000, 6(8): 953- 965.

[35] Zhang L, Huang J H, Bai Y F, Han X G. Effects of nitrogen addition on net nitrogen mineralization inLeymuschinensisgrassland, Inner Mongolia, China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2008, 33(3): 563- 569.

[36] Bowman W D. Accumulation and use of nitrogen and phosphorus following fertilization in two alpine tundra communities. Oikos, 1994, 70(2): 261- 270.

[37] Chen W Y, Zhao M, Li G Y, Wei Q, Wang F, Liu Z H, Zhu L, Zhang J Q, Sun F D. The influence of different types of fertilizer application level on the Gannan desertification of alpine meadow of plant characteristics and the productive forces. Journal of Natural Resources, 2012, 27(2): 254- 267.

[38] Li L J, Yu Z Y, Zeng D R, Ai G Y, Mao R. Effects of fertilizations on species composition and diversity of grassland in Keerqin sandy lands. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(2): 109- 115.

[39] Flanagan L B, Johnson B G. Interacting effects of temperature, soil moisture and plant biomass production on ecosystem respiration in a northern temperate grassland. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(3/4): 237- 253.

[40] Li Y L, Tenhunen J, Owen K, Schmitt M, Bahn M, Droesler M, Otieno D, Schmidt M, Gruenwald T, Hussain M Z, Mirzae H, Bernhofer C. Patterns in CO2gas exchange capacity of grassland ecosystems in the Alps. Agricultural and Forest Meteorology, 2008, 148(1): 51- 68.

[41] Zhang Y D, Sun Z H, Shen Y X. Effect of fertilization on soil microorganism of deteriorated grassland in dry-hot valley region of Jinsha River. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(2): 88- 91.

[42] Ren W D, Jia L J, Wang L L, Li J, Yang X Y. Seasonal dynamics of soil microbial biomass carbon and water soluble organic carbon in bulk and rhizospheric soils under long-term fertilization regimes in Loess soil. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2011, 20(12): 145- 151.

[43] Jia Z H, Sun M, Yang Z P, Miao G Y. Influence of different fertilizers to crop rhizosphere microorganisms. Acta Agronomica Sinica, 2004, 30(5): 491- 495.

[44] Li G H. Effect of organic amendments and chemical fertilizer on soil microbial activity, biomass and community structure. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(14): 204- 208.

[45] Hanson P J, Edwards N T, Garten C T, Andrews J A. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 115- 146.

[46] Illeris L, Michelsen A, Jonasson S. Soil plus root respiration and microbial biomass following water, nitrogen, and phosphorus application at a high arctic semi desert. Biogeochemistry, 2003, 65(1): 15- 29.

[47] Bond-Lamberty B, Wang C K, Gower S T. Contribution of root respiration to soil surface CO2flux in a boreal black spruce chronosequence. Tree Physiology, 2004, 24(12): 1387- 1395.

[48] Millard P, Midwood A J, Hunt J E, Whitehead D, Boutton T W. Partitioning soil surface CO2efflux into autotrophic and heterotrophic components, using natural gradients in soil δ13C in an undisturbed savannah soil. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(7): 1575- 1582.

[49] Lin X W, Zhang Z H, Wang S P, Hu Y G, Xu G P, Luo C Y, Chang X F, Duan J C, Lin Q Y, Xu B, Wang Y F, Zhao X Q, Xie Z B. Response of ecosystem respiration to warming and grazing during the growing seasons in the alpine meadow on the Tibetan plateau. Agricultural and Forest Meteorology, 2011, 151(7): 792- 802.

[50] Wang S P, Duan J C, Xu G P, Wang Y F, Zhang Z H, Rui Y C, Luo C Y, Xu B, Zhu X X, Chang X F, Cui X Y, Niu H S, Zhao X Q, Wang W Y. Effects of warming and grazing on soil N availability, species composition, and ANPP in an alpine meadow. Ecology, 2012, 93(11): 2365- 2376.

[51] Zhou X H, Sherry R A, An Y, Wallace L L, Luo Y Q. Main and interactive effects of warming, clipping, and doubled precipitation on soil CO2efflux in a grassland ecosystem. Global Biogeochemical Cycles, 2006, 20(1), GB1003, doi: 10.1029/2005GB002526.

[52] Alward R D, Joern A. Plasticity and overcompensation in grass responses to herbivory. Oecologia, 1993, 95(3): 358- 364.

[53] van der Graaf A J, Stahl J, Bakker J P. Compensatory growth ofFestucarubraafter grazing: can migratory herbivores increase their own harvest during staging? Functional Ecology, 2005, 19(6): 961- 969.

[54] Yuan B Z, Wang J, Zhao S L, Sun J. An approach to the mechanism of plant compensation. Chinese Journal of Ecology, 1998, 17(5): 45- 49.

[55] Zhao W. Physio-ecological Responses ofLeymuschinensisto Overgrazing and Clipping [D]. Beijing: Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, 2006.

[56] Zhang X N. Responses of Community and Major Plant Species to Nitrogen Addition and Clipping in Typical Steppe of Inner Mongolia [D]. Beijing: Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, 2009.

[57] Cao S B, Liu Q W, Wang L Q, Wang H R, Wang J Y. Effect of short-term grazing on soil microorganisms and soil enzyme activities in Meadow Steppe. Microbiology, 2012, 39(6): 741- 748.

[58] Yan R R, Yan Y C, Xin X P, Yang G X, Wang X, Zhang B H. Changes in microorganisms and enzyme activities in soil under different grazing intensities in meadow steppe, Inner Mongolia. Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20(2): 259- 265.

[59] Stark S, Str?mmer R, Tuomi J. Reindeer grazing and soil microbial processes in two suboceanic and two subcontinental tundra heaths. Oikos, 2002, 97(1): 69- 78.

[60] Eilersten S M, Schjelderup I, Mathiesen S D. Early season grazing effects on birch, grass, herbs and plant litter in coastal meadows used by reindeer: a short-term case study. Rangifer, 2002, 22(2): 123- 131.

參考文獻:

[7] 宗寧, 石培禮, 宋明華, 林琳, 馬維玲, 蔣婧, 付剛, 何永濤, 張憲洲. 模擬放牧改變了氮添加作用下高寒草甸生物量的分配模式. 自然資源學報, 2012, 27(10): 1696- 1707.

[16] 徐玲玲, 張憲洲, 石培禮, 于貴瑞. 青藏高原高寒草甸生態系統表觀量子產額和表觀最大光合速率的確定. 中國科學(D輯: 地球科學), 2004, 34( SⅡ): 125- 130.

[18] 曹廣民, 張金霞. 嵩草草甸的土壤營養及其物質循環 // 周興民主編. 中國嵩草草甸. 北京: 科學出版社, 2001: 58- 147.

[20] 張東秋, 石培禮, 何永濤, 徐玲玲, 張憲洲, 鐘志明. 西藏高原草原化小嵩草草甸生長季土壤微生物呼吸測定. 自然資源學報, 2006, 21(3): 458- 464.

[35] 張璐, 黃建輝, 白永飛, 韓興國. 氮素添加對內蒙古羊草草原凈氮礦化的影響. 植物生態學報, 2008, 33(3): 563- 569.

[37] 陳文業, 趙明, 李廣宇, 魏強, 王芳, 劉振恒, 朱麗, 張繼強, 孫飛達. 不同類型施肥水平對甘南沙化高寒草甸植物群落特征及生產力的影響. 自然資源學報, 2012, 27(2): 254- 267.

[38] 李祿軍, 于占源, 曾德榮, 艾桂艷, 毛瑢. 施肥對科爾沁沙質草地群落物種組成和多樣性的影響. 草業學報, 2010, 19(2): 109- 115.

[41] 張彥東, 孫志虎, 沈有信. 施肥對金沙江干熱河谷退化草地土壤微生物的影響. 水土保持學報, 2005, 19(2): 88- 91.

[42] 任衛東, 賈莉潔, 王蓮蓮, 李婕, 楊學云. 長期施肥對小麥、玉米根際和非根際土壤微生物量碳及水溶性有機碳含量的影響. 西北農業學報, 2011, 20(12): 145- 151.

[43] 賈志紅, 孫敏, 楊珍平, 苗果園. 施肥對作物根際微生物的影響. 作物學報, 2004, 30(5): 491- 495.

[44] 李桂花. 不同施肥對土壤微生物活性、群落結構和生物量的影響. 中國農學通報, 2010, 26(14): 204- 208.

[54] 原保忠, 王靜, 趙松嶺, 孫頡. 植物補償作用機制探討. 生態學雜志, 1998, 17(5): 45- 49.

[55] 趙威. 羊草對過度放牧和刈割的生理生態響應 [D]. 北京: 中國科學院植物研究所, 2006.

[56] 張曉娜. 內蒙古典型草原群落和主要植物種對氮素添加和刈割干擾的響應 [D]. 北京: 中國科學院植物研究所, 2009.

[57] 曹淑寶, 劉全偉, 王立群, 王浩然, 王婧瑤. 短期放牧對草甸草原土壤微生物與土壤酶活性的影響. 微生物學通報, 2012, 39(6): 741- 748.

[58] 閆瑞瑞, 閆玉春, 辛曉平, 楊桂霞, 王旭, 張保輝. 不同放牧梯度下草甸草原土壤微生物和酶活性研究. 生態環境學報, 2011, 20(2): 259- 265.

Interactiveeffectsofshort-termnitrogenenrichmentandsimulatedgrazingonecosystemrespirationinanalpinemeadowontheTibetanPlateau

ZONG Ning1, 3, SHI Peili1, *, JIANG Jing2, 3, XIONG Dingpeng1, 3, MENG Fengshou1,3, SONG Minghua2, ZHANG Xianzhou1, SHEN Zhenxi1

1LhasaNationalEcologicalResearchStation,KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModelling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademySciences,Beijing100101,China2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademySciences,Beijing100101,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Both nitrogen (N) deposition and livestock grazing are important factors influencing species composition, soil nutrient availability, plant productivity and allocation pattern in grassland ecosystems. However, little is known about their interactive effects on alpine ecosystem carbon cycling process such as ecosystem respiration. In 2010 we started a long-term factorial experiment in an alpine meadow in Damxung County in northern Tibet, China, to examine the interactive effects of N addition and grazing on plant biomass allocation, soil microbial carbon and N and ecosystem CO2fluxes. The experiment had two N treatments crossed with two grazing treatments, resulting in a total of four treatments coded as CK (control, no N addition and no simulated grazing), N (with N addition but no grazing), G (no N addition but with grazing) and NG (with both N addition and grazing). For N addition, we added 40 kg N hm-2a-1, and to simulate livestock grazing, we selectively clipped palatable grasses and sedges. We analyzed the available data collected during the growing seasons in 2011 and 2012. Compared with CK, N significantly increased ecosystem respiration by 82% and 72% and soil respiration by 53% and 65% in August 2011 and 2012, respectively, but G had no significant effect on ecosystem respiration or soil respiration. Moreover, ecosystem respiration or soil respiration did not differ significantly between CK and NG, indicating that simulated grazing partially counteracted the stimulating effect of N addition on ecosystem CO2fluxes. Compared to CK, N addition stimulated plant aboveground growth by 82 % and 84 % in August 2011 and 2012, respectively, NG promoted plant root compensatory growth and increased plant allocation to belowground by 127 % and 116 % in August 2011 and 2012, respectively, and G had no effect on belowground biomass. G inhibited soil microbial carbon and did not affect soil microbial N, while N addition increased soil microbial N and soil microbial metabolic activity. Furthermore, compared to CK, both N and NG treatments increased dissolved organic carbon, while G had no such an effect. The correlation analysis showed that ecosystem respiration and soil respiration were mainly controlled by soil microbial metabolic activity and dissolved organic carbon. Additionally, aboveground biomass was significantly correlated with dissolved organic carbon but not with soil microbial metabolic activity. These results suggest that N addition promotes ecosystem respiration and soil respiration directly by the stimulating effects on soil microbial metabolic activity and aboveground plant production, and that photosynthetic substrate supplied by aboveground plant part may be of great importance for ecosystem respiration and soil respiration. The differential effects of N addition and simulated grazing on ecosystem CO2fluxes suggest that exogenous N input can relieve the negative effect of grazing pressure on plant production in the alpine meadow. On the contrary, livestock grazing will suppress the stimulated effects of increased N deposition on ecosystem CO2fluxes in the future global change scenarios.

nitrogen enrichment; simulated grazing; ecosystem respiration; plant biomass allocation; soil microbial carbon and nitrogen; alpine meadow

國家重點基礎研究發展計劃(2010CB833502)；中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05060700)；國家重點基礎研究發展計劃(2010CB951704)資助

2013- 06- 07;

2013- 07- 29

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shipl@igsnrr.ac.cn

10.5846/stxb201306071385

宗寧, 石培禮，蔣婧，熊定鵬，孟豐收，宋明華，張憲洲，沈振西.短期氮素添加和模擬放牧對青藏高原高寒草甸生態系統呼吸的影響.生態學報,2013,33(19):6191- 6201.

Zong N, Shi P L, Jiang J, Xiong D P, Meng F S, Song M H, Zhang X Z, Shen Z X.Interactive effects of short-term nitrogen enrichment and simulated grazing on ecosystem respiration in an alpine meadow on the Tibetan Plateau.Acta Ecologica Sinica,2013,33(19):6191- 6201.