凍融交替對高寒草甸N2O排放速率的影響

李尚宏,周 賡,杜巖功

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810008； 2.威海市農業局，山東 威海 264411； 3.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001)

氧化亞氮(N2O)是引起全球氣候變化的重要溫室氣體之一，占全球增溫效應的7.9%[1]，在大氣中壽命較長(121年)，參與大氣對流層和平流層很多光化學反應，破壞大氣臭氧層[2]。目前，大氣N2O濃度約為322 nL/L，相比于工業革命前(270 nL/L)增加了20%，且年增長速率約為0.7 nL/L[3-4]。

凍融交替是由于季節或晝夜熱量變化在表土或一定深度反復凍結-解凍的土壤過程，在中高緯度及高海拔地區，土壤凍融交替現象普遍存在。土壤凍融交替直接影響到高寒草甸土壤物理和微生物性狀、氮素轉化過程與強度，激發土壤N2O排放[5-6]。

凍融過程能顯著增加羊草草原(Aneurolepidiumchinense)、高寒金露梅(Potentillfruiticosa)灌叢草甸和沼澤濕地土壤N2O排放速率[7-9]，其中凍融脅迫能促使土壤N2O排放量增加220%[10]；寒溫帶土壤休眠季N2O 排放通量來自于凍融交替過程的占氮排放量的65%[11]，挪威森林土壤凍融期N2O排放量占年排放量的80%以上[12]；內蒙圍封樣地凍融過程N2O排放量占總排放量的72%[13]；冬季三江平原沼澤濕地是N2O匯，隨著凍融期土壤地溫逐漸升高，轉變成為N2O源[14]。

高寒草甸是青藏高原的主體類型之一，約占高原總面積的35%[15]，具有獨特的自然環境和大氣環流格局，是世界氣候變化的重要啟動區和調節區，為全球氣候變化和地球系統科學研究的最佳天然實驗室，長期受凍融作用影響。受溫室效應影響，區域降水增加的氣候情景，促使青藏高原地區凍融交替次數增加[16-17]，這將對高寒草甸N2O排放速率產生怎樣的影響，已成為科學界廣泛關注的熱點研究內容。因此，通過研究凍結溫度和凍融時間對高寒草甸N2O排放速率的影響，為探討青藏高原高寒草甸對凍融循環過程的影響及發生機制、揭示全球氣候變化的區域效應和高海拔生態系統的管理提供科學依據和理論指導。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗所采集土壤樣地，位于中國科學院海北高寒草甸生態系統定位站(海北站)，地處祁連山北支冷龍嶺東段南麓的大通河谷，N 37°29′～37°45″，E 101°12′～101°23′，海拔3 280 m。屬典型的高原大陸性氣候，年均氣溫-1.7℃，最冷月(1月)平均氣溫-14.8℃，最熱月(7月)平均溫度9.8℃。年均降水量560 mm，主要集中于5～9月，占年降水量的80%，植物生長季，雨熱同期。

土壤類型為高山草甸土，平均厚度約為0.65 m。0～10 cm表層土壤有機碳和全氮為5.50%、0.76%；銨態氮和硝態氮含量分別為8.96、6.05 g/kg；土壤容重為0.78 g/cm3[1]。海北站地區凍融交替作用主要發生在4～5月，白天溫度高，土壤開始解凍，夜間平均溫度低于0℃，土壤反復凍結[5]。

1.2 試驗設計與方法

2014年8月，選擇地勢平坦且長勢均勻的矮嵩草草甸為研究對象，利用蛇形取樣法采集0～10 cm土壤中樣品，在實驗室自然風干、通過2 mm土壤篩，稱取50 g土壤樣品，放置于500 mL棕色培養瓶，定期稱其重量，將土壤濕度保持在田間持水量(53.6%重量含水量)。

在高低溫實驗箱(TRS-50)，設置-10℃，-5℃和5℃ (對照實驗，CK)培養1個月，分別再培養2、4、8、24 h，3、5、7、14、21、28 d，各3次重復。之后將-10℃、-5℃凍結土壤在5℃條件下分別培養2、4、8、24 h，3、5、7 d，分析不同凍結和融化溫度及培養時間對高寒草甸土壤N2O排放速率的影響。

設置凍結溫度-5℃、凍結12 h，融化溫度5℃，融化時間12 h，采用程序升、降溫的方式，以24 h為1次凍融交替周期，進行凍融循環實驗，凍融交替次數分別為1、2、4、8、12和24次。用帶有三通閥的30 mL注射器采集氣體，采用氣相色譜法(HP4890D,Agilent，內裝電子捕獲器ECD)，測定其N2O排放速率。柱箱和檢測器溫度分別為70℃和300℃，最小因子檢測限為±5 nL/L，N2O排放速率(F)的計算。

式中：M為氣體濃度，ρ為氣體密度，V1為培養室和V2土壤體積，S為底面積。

1.3 數據分析

依據單因素方差分析，研究凍融循環次數對高寒草甸土壤N2O排放速率的影響(P<0.05)。統計分析均利用SPSS 16.0 (SPSS,Chicago,USA)實現，相關圖件采用Excel 2010繪制。

2 結果與分析

2.1 不同凍結和融化時間對高寒草甸土壤N2O排放速率的影響

隨著凍結時間的延長，-10℃和-5℃培養溫度下，青藏高原高寒草甸土壤N2O排放速率均明顯降低，且前者的降低速率顯著高于后者，均低于對照土壤N2O排放速率(圖1)。

凍結2 h后，草甸土壤在5℃對照，-5℃和-10℃培養時，土壤N2O排放速率分別為3.58±0.07，2.45± 0.04和2.13± 0.04 g/(kg·h)，凍結土壤N2O 排放速率明顯低于對照樣地 (P<0.05)，降低幅度分別為31.6%和40.5% (圖1)。-5℃培養土壤凍結24 h后，土壤N2O排放速率略有增加，對照處理土壤N2O排放通量接近。經過5 d凍結，-10℃培養和對照處理相比于凍結3 d處理，土壤N2O排放速率增加。各處理均在凍結21 d時，高寒草甸土壤N2O排放速率達到最低值。5℃對照，-5℃和-10℃培養時，土壤N2O排放速率分別為0.34± 0.06，0.05± 0.09和0.12±0.03 g/(kg·h)(圖1)。

圖1 不同凍結溫度，凍結時間及融化時間處理 下高寒草甸土壤N2O的排放速率Fig.1 Effect of frozen temperature and time and thawed time on soil N2O emission rates

隨著凍結土壤的融化，-5℃和-10℃培養土壤N2O排放速率急劇增加，隨后逐漸降低，但均高于對照樣地。凍結土壤融化2 h，5℃對照、-5℃和-10℃培養時，土壤N2O排放速率分別為0.45±0.04，1.75±0.02和1.48± 0.1 g/(kg·h)(圖1)，后兩者土壤N2O排放速率是對照樣地的3.9和3.3倍(P<0.01)。凍融交替作用顯著的激發了高寒草甸土壤N2O排放速率。

凍結期間，土壤凍結顯著降低高寒草甸土壤N2O排放速率，隨著凍結溫度降低，相比于對照處理，-10℃和-5℃培養土壤N2O降低速率分別為49.7%和39.7%，且均達到統計學差異(P<0.05)。融化期間，-5℃培養土壤N2O排放速率顯著高于-10℃和5℃培養土壤，三者之間存在顯著差異(P<0.05)(表1)。試驗期間，凍融交替過程高寒草甸土壤N2O排放速率從高到低分別為5℃>-5℃>-10℃條件培養土壤 (P<0.05)，凍融交替作用對高寒草甸土壤N2O排放速率的影響，受凍結溫度的調控。

表1 不同凍結溫度處理下高寒草甸土壤 N2O的排放速率

2.2 凍融循環次數對高寒草甸土壤N2O排放速率的影響

隨著凍融交替循環次數從1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯增加，從最初的1.23±0.05增加到3.34±0.59 g/(kg·h)(P<0.05)。從第1次到第2次、第8次到第12次凍融循環階段，高寒草地土壤N2O排放速率急速增加，增加速率分別為59.3%和30.5%，均達到顯著性差異。而其他各階段增長緩慢，從第2次到第4次、第4次到第8次凍融循環過程，高寒草甸土壤N2O排放速率增加幅度僅為13.8%和14.8%(圖2)。

從第12次到第24次凍融循環時，高寒草甸土壤N2O排放速率開始下降，從3.34±0.59降低到2.28±0.08 g/(kg·h)，兩者之間存在顯著性差異(P<0.05)，降低幅度達到31.7% (圖2)。

圖2 凍融交替次數處理下高寒草甸 N2O的排放速率Fig.2 Effect of alternate freezing-thawing times on soil N2O rates in alpine meadow

3 討論

土壤硝化和反硝化作用是草地生態系統N2O排放的主要過程，受到多種因素影響，如土壤微生物活性、土壤有機質含量、pH、氧化還原電位、銨態氮和硝態氮含量等[18-19]。凍融交替不僅使土溫發生變化，而且對土壤的理化性質和生物過程都會產生直接的作用，可能會增加微生物吸收利用的碳氮微生物底物，提高硝化細菌和反硝化細菌數量[20]。不論野外和室內試驗均表明凍融作用會激發高寒草地土壤N2O排放[21-22]。

研究發現隨著凍結溫度降低、凍結時間延長，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯降低；土壤融化時，高寒草甸土壤N2O急劇增加，融化2 h其N2O排放速率達到峰值；隨著凍融循環次數增加，高寒草甸土壤N2O排放速率繼續增加，12次凍融循環時排放速率達到峰值，隨后降低。可能是因為凍融交替作用顯著影響土壤水熱傳導、同時引起土壤水分向凍結土壤周圍轉移，有利于維持高寒草甸土壤水分[14,23]，土壤長期處于較高土壤水分狀態，導致形成局部厭氧環境，從而提高了土壤反硝化作用[5]。此外，反復凍融交替過程能夠降低土壤團聚體穩定性，引起團聚體破碎；大量根系的死亡(細根)，其腐爛、降解會促進土壤碳氮循環，產生較多碳氮養分供給微生物吸收利用，促進反硝化作用[5,24]。土壤反硝化作用是草地生態系統N2O產生及排放的重要途徑[1,25]。但是隨著底物逐漸被微生物耗竭，土壤N2O排放速率可能呈現降低趨勢。

4 結論

隨著凍結時間的延長，高寒草甸土壤N2O排放速率均明顯降低。凍結2 h后，高寒草甸-5℃和-10℃培養土壤N2O排放速率明顯降低，且后者降低幅度高于前者；各處理均在凍結21 d時，高寒草甸土壤N2O排放速率達到最低值。隨著凍結土壤的融化，N2O排放速率急劇增加，融化2 h，5℃對照，-5℃和-10℃培養時，后兩者土壤N2O排放速率是對照樣地的3.9和3.3倍。凍融交替作用顯著的激發了高寒草甸土壤N2O排放速率。隨著凍融交替循環次數從1次增加到12次，高寒草甸土壤N2O排放速率明顯增加(P<0.05)。如果忽略凍融期高寒草甸N2O排放速率的觀測，可能會低估高寒草甸N2O年排放量。