放牧牲畜糞尿返還對季節性凍融高寒草原N2O排放的影響

摘要：放牧牲畜糞尿斑塊是草地氧化亞氮（N2O）排放的熱點區域，季節性凍融會不同程度改變糞尿養分返還效率和土壤特性，使糞尿作用下的土壤N2O排放特性復雜且作用機理尚不明確。本文采用靜態箱-氣相色譜法開展為期1年的野外控制試驗，探究牦牛和藏綿羊糞尿處理對季節性凍融藏北高寒草原土壤氮動態及N2O排放通量的影響和可能的作用機制。結果表明：尿液施加對土壤N2O排放的短期促進作用明顯，且均在處理第1天達到排放通量峰值；牦牛糞尿施加對土壤礦化氮含量的增加更為突出，且牛糞和牛尿處理N2O年累積排放量顯著高于羊糞和羊尿處理（Plt;0.05）；凍融期各處理N2O累積排放量占全年的比例為29.3%～42.4%，且消融期對非生長季的貢獻最大。研究結論有助于為優化牲畜排泄物管理模式和促進季節性凍融高寒草地溫室氣體減排等提供理論參考。

關鍵詞：凍融作用；糞便降解；硝化反硝化；N2O排放；高寒草原；藏北高原

中圖分類號：S812.2""" 文獻標識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）06-1843-13

Impacts of Grazing Livestock Dung and Urine Returning on N2O Emission from

Seasonal Freeze-thaw Alpine Steppe

XIONG Zhao-yang1， ZHANG Qing-song1，2， LI Jia-xiu1， DU Jing1， CAO Ying1， ZHANG Xue1，

WANG Shuang1， DU Zi-yin1，3*

（1. School of Geographical Sciences， China West Normal University， Nanchong， Sichuan Province 637009， China; 2. Sichuan

Jintang Experimental Middle School， Chengdu， Sichuan Province 610400， China; 3. Xainza Alpine Steppe and Wetland

Ecosystem Observation Station， Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu，

Sichuan Province 610299， China）

Abstract：Grazing livestock dung and urine patches are hotspots of nitrous oxide （N2O） emissions from grasslands ecosystem. Seasonal freeze-thaw can affect the dung and urine nutrient returning efficiency，alter soil properties，and therefore result in complicated properties and functional mechanism of soil N2O emission. In order to explore the aforementioned issue，this study conducted a one-year field experiment in Xainza Alpine Steppe and Wetland Ecosystem Observation Station of Chinese Academy of Sciences using the method of static box gas chromatography. Field experiment included treatments of yak and Tibetan sheep dung and urine application and was to investigate the soil nitrogen dynamics，N2O fluxes，and possible mechanisms influenced by dung and urine deposition in seasonal freeze-thaw alpine steppe of northern Tibet. The results showed that：（1） Urine application had a stronger short-term stimulating effect on soil N2O emission，with all of urine treatments，showing the highest N2O fluxes on the first day of urine application. （2） Yak dung and urine application significantly increased soil mineral nitrogen concentration，and the cumulative N2O emissions from yak dung and yak urine treatments were significantly higher than those from Tibetan sheep dung and Tibetan sheep urine treatments. （3） Cumulative N2O emissions from each treatment during the freeze-thaw period accounted for 29.3%～42.4% of the total emissions through the whole experimental period，and the thawing period had the greatest contribution to the non-growing season. The conclusions of this study will provide theoretical reference for optimizing the livestock excrement management model and reducing greenhouse gas emission in seasonal freeze-thaw alpine grasslands.

Key words：Freeze-thaw action;Dung degradation;Nitrification and denitrification;N2O emissions;Alpine steppe;Northern Tibetan Plateau

氧化亞氮（N2O）是受人類活動影響的重要溫室氣體，由于其超高的增溫潛勢以及對臭氧層的潛在破壞力而備受關注［1-2］。據世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）發布的《2021年全球溫室氣體公報》顯示［3］，2021年全球N2O平均濃度為工業化前的124%。N2O濃度的增加加劇了全球溫室效應［4］，而且自身較強的滯留性使其產生的不利影響無法立即消除。基于反硝化-分解模型（DeNitrification-DeComposition，DNDC）［5］、陸地生態系統動態模型（Dynamic land ecosystem model，DLEM）［6］和全球氮動態模型（Dynamic global nitrogen scheme-lund potsdam jena，DyN-LPJ）［7］等估算的我國天然草地土壤N2O年排放量占全國自然土壤排放量的17%～30%，且草地面積動態變化與草地類型差異等諸多因素都會影響草地N2O排放量的估算［8］。在季節性凍融高寒草地，凍融循環會不同程度改變草地土壤理化特性和微生物活性，調控放牧牲畜糞尿斑塊降解及其養分返還效率等從而影響草地土壤氮動態、氮轉化過程及其N2O排放通量［9］。

放牧牲畜糞尿返還是草地生態系統重要的外源氮輸入途徑，可將采食植物70%～95%的氮（N）歸還于土壤，在維持草地土壤氮平衡和影響N2O排放中具有不容忽視的重要作用［10-11］。研究表明，牲畜糞尿氮的輸入有助于增強草原土壤硝化與反硝化作用，并使得氮素轉化與N2O排放在糞尿覆蓋區域更為活躍［12-13］。然而，不同類型的糞尿添加對土壤氮輸入量有較大差異，進而可能對土壤N2O排放產生不同程度影響。例如，Cai等［14］針對藏北高寒草原的研究發現，與羊糞處理相比，牛糞處理導致表層土壤溫度比低濕度高，且高含水量特征可能使得土壤N2O排放主要通過反硝化作用產生。與糞便相比，尿液通常具有更高的氮含量與含水量，其輸入會改變土壤氧化還原環境，并可能引起激發效應，從而導致短期內N2O大量排放。Ma等［15］研究發現，在內蒙古溫帶草地中，施加羊尿促進了土壤N2O排放，且施加氮含量更大的牛尿可能對土壤N2O排放影響更大。Yamulki等［16］在英國放牧草地的研究指出，牛尿處理土壤N2O排放高于牛糞處理?？傮w而言，牲畜糞尿返還有助于促進土壤N2O排放，且尿液處理的短期作用更為顯著［15-16］。針對不同類型草地以及特定的氣候環境下，牲畜糞尿返還對草地土壤N2O排放的差異性影響還需進一步探究。我國天然草地大多數分布在中高緯和高海拔地區，季節性凍融現象普遍存在［17］。凍融循環導致土壤結構的破壞、微生物和根系的死亡會釋放可利用養分，從而促進土壤氮轉化過程并增加N2O排放［18］。徐穎怡［19］指出，青藏高原高寒草甸4月份凍融期N2O累積排放量占非生長季的19%，在春融期出現土壤N2O排放峰值。類似地，在內蒙古典型草原的研究發現［20］，土壤剖面N2O濃度最大值未出現在生長季而在春季土壤凍融期，且在凍融期前期呈現脈沖式釋放。而且，王廣帥等［21］報道指出，非生長季土壤N2O累積排放量占全年排放總量的62.7%，而春融期（4月）土壤N2O累積排放量占非生長季排放總量的20.8%，表明春融期N2O累積量對非生長季與全年貢獻都較大?？傮w來看，凍融循環有助于促進土壤N2O排放，使得春融期易出現N2O排放峰值，且春融期土壤N2O排放貢獻量在全年占主導地位。

總體來看，當前諸多研究普遍關注不同草地類型下牲畜排泄物作用的土壤養分動態［12-13］、糞尿類型差異［14-16］以及非生長季尤其是凍融期的N2O排放特征［19-21］。然而，關于季節性凍融背景下不同凍融期和牲畜糞尿返還耦合驅動下高寒草地土壤N2O排放特征和關鍵機制還需進一步探究。因此，本文擬依托藏北高原季節性凍融高寒草原開展為期1年的野外控制試驗，探究牲畜糞尿作用下不同凍融期高寒草原N2O排放通量及其差異性，進而為優化放牧牲畜排泄物管理模式、促進季節性凍融高寒草地溫室氣體減排和維持脆弱草地生態系統可持續發展等提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究依托中國科學院申扎高寒草原與濕地生態系統觀測試驗站（30°57′ N，88°42′ E，海拔4 675 m）高寒草原觀測場開展野外控制試驗。研究區屬高原亞寒帶半干旱季風氣候，空氣稀薄，太陽輻射強烈。冬季漫長而寒冷，夏季短而溫涼、降雨少且絕大多數降水發生在5—9月，整體氣候特征為寒冷干燥，多年平均氣溫、降水量和年日照時數分別為0.4℃，299 mm和2 916 h［22］。研究區屬于藏北高原季節性凍融區，凍結期和消融期往往伴隨著草地活動層土壤的日凍融循環現象。參考相關研究發現［23-24］，申扎季節性凍土區年度凍融過程大體可以劃分為4個階段：土壤凍結期（10月下旬—11月下旬）、穩定凍結期（11月下旬—次年3月上旬）、消融期（次年3月上旬—4月下旬）和完全融化期（4月下旬—10月下旬），如圖1所示。該地區優勢物種為紫花針茅（Stipa purpurea Griseb），青藏苔草（Carex moorcroftii）、伴生種包括矮火絨草（Leontopodium nanum）、冰川棘豆（Oxytropis glacialis）和昆侖蒿（Artemisia nanschanica）等［22］。土壤類型為高寒草原土，根據中國土壤系統分類的劃分方法，高寒草原的土壤類型確定為寒性干旱土，該土壤具有明顯的粗骨性特征［25］。表層土壤砂礫、粉粒、粘粒的含量分別為91.2%，7.24%，1.53%，土壤碳、氮和磷含量分別為11.1，1.03，0.52 g·kg-1［24］。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 野外控制試驗于2021年8月中旬開始，于2022年8月中旬結束，試驗期為1年。試驗開始前，依托高寒草原觀測場選擇地勢平坦且植被長勢均一的地塊布設1 m×1 m的試驗樣方。每個試驗區域分別設置施加牦牛糞（Yak dung，YD）、牦牛尿（Yak urine，YU）、藏綿羊糞（Tibetan sheep dung，TSD）、藏綿羊尿（Tibetan sheep urine，TSU）和對照（CK）5個處理，每個處理設3次重復。為了便于在每個凍融階段末期采集殘留的糞便樣品和土壤樣品，該試驗分別設置4個批次的獨立樣方用于氣體采集和樣品收集，共計60個試驗樣方。在每個處理對應的樣方內安置一個靜態箱底座，底座尺寸（長×寬×高）50 cm×50 cm×15 cm，在采樣數天前將不銹鋼底座插入土中10 cm處，安置過程中盡可能減小對底座內土體結構的擾動，避免影響實驗結果。試驗前在試驗場附近的牦牛和藏綿羊宿營地隨機選擇牛羊各10頭和10只，于次日清晨人工搜集新鮮牛羊糞尿樣品分別置于單獨的干凈塑料桶內，低溫儲存，直至足夠實驗所需的糞尿量。在靜態箱底座埋入土壤后，通過人工添加糞尿的方式模擬野外實際糞尿斑塊特征進行斑塊大小、形狀和施加量的設置，將獨立混合均勻的牦牛和藏綿羊糞尿樣品分別施加到對應標記的底座中心土壤表面［25］。施加的新鮮糞尿斑塊基本特征參數見表1。

1.2.2 采樣與分析測試 溫室氣體采集與N2O濃度分析采用靜態箱-氣相色譜法［26］。靜態箱為組合式不銹鋼，由底座和頂箱兩部分構成，頂箱尺寸（長×寬×高）50 cm×50 cm×50 cm（封頂），箱體側面安裝有溫度計和取樣接口，箱體外用鋁箔包裹，以防止太陽輻射下采樣箱溫度升高影響觀測結果。氣體采用醫用針筒抽取氣體120 mL，扣箱后立即采集第一針樣品，保存于真空采氣袋內，并記錄采樣時間和箱內溫度。隨后每隔10 min采集一次，即每個處理分別在0，10，20，30 min進行氣體收集，共采集氣體4次。根據一年中不同凍融時期的凍融特征差異設置了不同的采氣頻率。其中，凍結期和消融期因土溫反復波動，活動層存在較為頻繁的日凍融循環，導致溫室氣體排放量較大，因此采氣頻率設置較高，平均每周2次；穩定凍結期土壤完全凍結，采氣頻率較低，平均每月2次；完全融化期由于氣溫較高且降水量大，糞便降解和土壤溫室氣體排放易受到環境條件的影響，因而采氣頻率為平均每周1次。年度試驗期內共開展人工靜態箱野外采氣33次，完成了不同凍融期的采氣計劃。采集糞樣時，每個試驗樣方內先收集牛羊糞斑塊，剔除表面雜質并及時稱量糞便鮮重；隨后再采集各處理樣方糞尿斑塊下0～5 cm和5～10 cm土壤。收集的牛羊糞斑塊去除碎石、草根等雜物后封存帶回實驗室，混合均勻后分成兩部分并分別做冷藏和風干處理備用。土壤樣品采集時剔除碎石和殘根等雜物后將土樣過2 mm篩后迅速運回實驗室內儲存備用。為了便于分別對牛羊糞和土壤樣品進行不同理化指標的分析測定，將土壤和牛羊糞樣品一份鮮樣冷藏保存用于測定樣品的含水量、銨態氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）含量，另一份自然風干用于后期烘干粉碎測定樣品的pH值、全氮（Total nitrogen，TN）含量等指標。

其中，土壤和糞便理化指標采用常規分析方法測定，含水量用烘干法測定（DHG-9240，Shanghai Jing Macro，Shanghai，China），溫度105℃，時間為72 h。NO-3-N和NH+4-N采用2 mol·L-1 KCl提取，流動注射分析儀測定（Smartchem 2000 Discrete Auto Analyzer，Alliance，France）。土壤TN使用土壤碳氮分析儀測定，pH值測定采用酸度計（PE-10，Sartorious，Germany）電位法（土∶水=1∶2.5）［27］。N2O濃度采用氣相色譜儀進行測定，經氣相色譜測定后根據公式（1）計算N2O排放通量：

F=ρ×VA×PsP0×T0T×dCdt×60（1）

式中F為N2O排放通量，單位為μg N·m-2·h-1，ρ為標準狀況下氣體密度，V為靜態箱體積，A為靜態箱底座面積，Ps為樣品采集地大氣壓強（kPa），P0為標準狀況下大氣壓強（101 kPa），T為取樣時靜態箱體內絕對溫度（K），T0為標準狀況下絕對溫度（273 K），dC/dt為氣體濃度隨時間變化速率。再根據氣體排放通量計算N2O累積排放量：

CE=∑ni=1Fi+Fi+12×ti+1-ti×24（2）

式中CE表示氣體累積排放量，F為氣體排放通量，t（i+1）-ti表示第i和i+1次采樣間隔的天數，n為觀測期間總測定次數。

1.3 數據統計分析

運用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）針對土壤理化性質、養分含量與N2O累積排放量在同一處理下不同時期的差異進行分析，以及同一時期不同處理間的差異進行檢驗和多重比較（Plt;0.05）。利用SPSS 21.0進行Pearson相關分析法分析環境因子與土壤N2O排放通量之間的關系，并基于Canoco 5的主成分分析（PCA）研究土壤理化性質對土壤N2O排放通量的影響。此外，采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）就凍融時期、糞尿處理及兩者交互作用對高寒草原土壤N2O累積排放量的影響進行分析。所有數據處理在Excel 2020和SPSS 21.0上進行，采用Origin 2021進行各類圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 試驗期氣溫和降水特征

在1年的試驗期內，日均氣溫和土壤溫濕度總體都呈現“V”型變化特征（圖2）。試驗期日均氣溫最高值為15.8℃，最低為-17.3℃。生長季中7月份平均氣溫最高（11.8℃），而非生長季1月份平均氣溫最低（-12.0℃）（圖2（a））。不同凍融時期的平均溫度分別為：凍結期（-2.67℃）、穩定凍結期（-10.6℃）、消融期（-0.78℃）及完全融化期（8.43℃）。土壤溫度的變化與氣溫大致相同，都呈現出準周期性的變化。此外，試驗期降水主要集中在生長季（5—9月），凍結期、穩定凍結期與消融期的總降水量分別為0.00 mm，1.80 mm和3.60 mm，非生長季降水量僅占全年降水總量（219 mm）的2.47%。受降水影響，5—10月0～5 cm土層平均含水量（8.18%）均高于其他月份，其中9月份0～5 cm土層平均含水量（11.9%）最高（圖2（b））。

2.2 高寒草原土壤氮素動態變化

2.2.1 土壤礦化氮含量變化 隨著試驗時間的延長，糞尿返還對土壤NH+4-N含量的影響呈現差異性特征（圖3）。在0～5 cm土層，糞尿處理（YD，TSD，YU與TSU）土壤NH+4-N含量在穩定凍結期末與完全融化期末保持較低水平，而峰值則分別出現在凍結期末與消融期末（圖3（a））。其中，YD和YU 處理0～5 cm與5～10 cm土層NH+4-N含量在凍結期末和消融期末均高于其他處理（圖3）。此外，與凍結期末相比，穩定凍結期末所有糞尿處理0～5 cm與5～10 cm土層NH+4-N含量均有不同程度下降。與之不同的是，CK處理0～5 cm和5～10 cm土層NH+4-N含量在穩定凍結期末均達到全年峰值，分別為2.84 mg·kg-1和2.54 mg·kg-1（圖3）。完全融化期末，0～5 cm與5～10 cm土層各處理NH+4-N含量范圍為1.80～2.38 mg·kg-1，且所有處理之間均無顯著差異。

與NH+4-N含量變化類似，各處理土壤NO-3-N含量經過不同試驗期后呈現較大的差異性變化特征（圖4）。在各凍融時期末，YU處理0～5 cm和5～10 cm土層NO-3-N含量均顯著高于其他處理（Plt;0.05）。在穩定凍結期末，CK，YD，TSD及YU處理0～5 cm土層NO-3-N含量與凍結期末相比均有不同程度的增加，而5～10 cm土層除YU處理外其他處理在該時期均有降低（圖4（a），圖4（b））。與之不同的是，YD，TSD，TSU，CK處理0～5 cm土層NO-3-N含量在消融期末均達到了峰值，分別為13.4，1.64，1.74和5.60 mg·kg-1（圖4（a））；此時5～10 cm土層CK處理（3.86 mg·kg-1）、TSD處理（4.54 mg·kg-1）與TSU處理（3.26 mg·kg-1）NO-3-N含量均達到最大值（圖4（b））。

2.2.2 土壤TN含量變化 從TN含量來看，YD與TSD處理0～5 cm與5～10 cm土層TN含量在試驗期呈現一定的波動變化趨勢（圖5）。其中，完全融化期末TSD處理0～5 cm土層TN含量相比消融期末增加了27.0%，而YU與TSU處理0～5 cm與5～10 cm土層TN含量則在完全融化期末有微量減少。在整個試驗期內，YU，TSU與TSD處理導致0～5 cm土壤TN含量在凍結期末均達到峰值，分別為0.47，0.47和0.53 g·kg-1（圖5（a））。然而，在穩定凍結期末，YD，TSD，YU與TSU處理0～5 cm與5～10 cm土層TN含量相較于凍結期末均有減少，且此時各處理0～5 cm與5～10 cm土層TN含量最低（圖5）。

2.3 高寒草原N2O排放特性

2.3.1 N2O排放通量及變化特征 在試驗期間，各處理土壤N2O排放通量均為正值，表現為N2O的排放源。糞尿處理（YD，TSD，YU與TSU）在完全融化期的土壤N2O呈脈沖式排放，而全年最低值出現在溫度最低的穩定凍結期（圖6）。消融期各處理N2O排放通量呈現波動上升的趨勢，而凍結期除TSD處理外其他處理N2O排放表現為逐漸降低（圖6）?？傮w來看，YU處理N2O排放通量（31.5 μg·m-2·h-1）和TSU處理（22.1 μg N·m-2·h-1）均在糞尿施加的第1 d達到了排放峰值，分別是CK處理的2.95倍和2.07倍（圖6）。而YD處理N2O排放通量（27.7 μg N·m-2·h-1）與TSD處理（19.7 μg N·m-2·h-1）則在第5 d達到峰值（圖6）。此外，各處理在消融期的N2O平均排放通量表現為YU（13.6 μg N·m-2·h-1）gt;TSD（9.75 μg N·m-2·h-1）gt;CK（8.87 μg N·m-2·h-1）gt;TSU（8.81 μg N·m-2·h-1）gt;YD（8.35 μg N·m-2·h-1），分別是穩定凍結期的2.90，2.83，3.68，3.17和2.89倍。

2.3.2 N2O累積排放量 經過1年試驗期后，各處理N2O累積排放量為YU（789 g N·ha-1）gt;YD（760 g N·ha-1）gt;TSD（628 g N·ha-1）gt;TSU（597 g N·ha-1）gt;CK（588 g N·ha-1），且YU與YD處理土壤N2O累積排放量均顯著高于其他處理（P lt; 0.05）（圖7）。在不同凍融階段中，完全融化期（占全年51.9%以上）持續時間最長，各處理土壤N2O累積排放量均高于其他時期。相比之下，消融期持續時間約占全年的14.0%，但此時期各處理土壤N2O累積排放量占全年排放量的比例分別為23.1%（CK）、15.9%（YD）、22.3%（TSD）、23.9%（YU）和21.1%（TSU）。同時，消融期糞尿處理土壤N2O累積排放量占非生長季比例分別為43.2%（YD）、41.5%（TSD）、47.1%（YU）、45.7%（TSU）（圖7）。總體來看，凍融期（凍結期+消融期）糞尿處理土壤N2O累積排放量占全年排放量的比例為29.3%～42.4%。

另外，非生長季（凍結期+穩定凍結期+消融期）持續時間約占全年的48.5%，與生長季相比此時期各處理土壤N2O累積排放量占全年排放量的比例分別為43.4%（CK）、37.4%（YD）、53.6%（TSD）、50.9%（YU）、45.4%（TSU）（圖7）。通過對比分析發現，高寒草原非生長季的N2O排放比例較大，糞尿處理下非生長季的N2O排放對全年N2O累積排放的貢獻不容忽視。此外，方差分析表明，不同凍融時期、不同處理以及兩者交互作用對高寒草原N2O累積排放量均有極顯著影響（P lt; 0.001）（表2）。

土壤N2O排放通量與環境因子的Pearson相關分析結果顯示（圖8），5 cm和15 cm土壤溫度均與CK，YD，TSD和TSU處理土壤N2O排放通量極顯著正相關（Plt;0.01），并與YU處理呈顯著正相關關系（Plt;0.05）。此外，5 cm和15 cm土壤濕度均與YD和TSD處理土壤N2O排放通量顯著正相關（Plt;0.05）。

采用主成分分析法（PCA）研究不同牲畜糞尿處理下土壤理化性質變化對土壤N2O排放通量的影響（圖9）。結果顯示，YD和YU處理的土壤NH+4-N和NO-3-N指標對土壤N2O排放通量的影響最為明顯。土壤pH與土壤N2O排放呈負相關關系，其中TSD和TSU處理比較明顯。土壤NH+4-N和NO-3-N對土壤N2O排放通量的貢獻最大。

3 討論

一般而言，硝化與反硝化作用是氮轉化的兩個重要途徑，都伴隨著副產物N2O的產生和排放［28-30］。牲畜糞尿中有機氮通過生物化學反應（如尿液尿素的水解作用，糞便有機氮的礦化作用）產生礦化氮，之后進一步參與硝化與反硝化過程并導致N2O排放［31］。本研究發現，牛羊糞尿施加會促進土壤N2O排放，但兩者在驅動草地土壤N2O釋放中的表現并不一致。YU與TSU處理使得土壤N2O在第1 d達到排放峰值，而YD與TSD處理土壤N2O排放峰值的出現則具有滯后性，表明牛羊尿液較糞便對草地土壤N2O排放具有更明顯的短期促進效應。這一方面是由于牛羊尿液和糞便斑塊形態特征不同，液態形式的尿液更容易滲透進入土壤增加土壤含水量并加速微生物活動。固態的糞斑降解過程緩慢且短期內對土壤理化和微生物特性的影響相對較為滯后［13］。另一方面，兩者自身氮含量和形態等具有較大差異，尿液中超過70%的氮以尿素形式存在，一般只需3～4.7 h就可完成50%的水解［32］，可以更快改變土壤氧化還原條件并為硝化與反硝化作用提供底物，有助于刺激土壤N2O排放，并使得YU與TSU處理在施加當天達到排放通量峰值。這與Cai等［33］研究結論較為一致，即尿液的輸入可在短時間內改變土壤氧化還原環境并可能引起激發效應，導致土壤短期內大量N2O排放。相比之下，糞便斑塊中的氮主要以有機態形式存在，其礦化途徑主要包括蛋白物質的氨化、氨基酸糖化及其多聚體的氨化，以及核酸物質的脫氨等多種復雜過程，較難在短時間內為硝化和反硝化作用提供充足底物［34-35］。由此可見，牛羊糞尿自身特性的差異可能是導致相同草地類型下土壤N2O差異性排放的主要原因。此外，PCA分析結果顯示，YU和YD處理的土壤NH+4-N和NO-3-N指標對土壤N2O排放通量的影響最為明顯。主要是由于試驗期間YU和YD 處理0～5 cm土層NO-3-N含量始終顯著高于其他處理，且兩個處理土壤NH+4-N含量在凍結期末、穩定凍結期末以及消融期末顯著高于其他處理。可利用氮含量更大的牦牛糞尿對其覆蓋的土壤區域有持續的供氮能力，通過提供充足的反應底物從而增強土壤硝化和反硝化作用促進N2O排放［36］。同時，單次排尿體積更大的牛尿斑塊更易通過土壤孔隙進入表層和深層土壤［37］，通過更顯著地改變土壤剖面氮轉化過程，促進土壤N2O排放。Pan等［38］研究指出，排泄物施加會導致土壤NO-2濃度的增加及厭氧程度的增強。羊糞多為球形顆粒狀且分布均勻，與土壤接觸面小，而牛糞呈大團簇狀，牛羊糞在形狀與分布上的差異使得牛糞沉積產生的厭氧環境較羊糞作用更為突出，有利于反硝化細菌將NO-3還原為N2O，從而使得牛糞覆蓋下土壤N2O釋放更明顯［13］?？傮w而言，牛尿與牛糞因自身物理結構和氮含量等的突出影響，使得兩者相比羊尿和羊糞對土壤氮過程和N2O產排作用更顯著且持續時間更長，進而導致YD與YU處理土壤N2O累積排放量均高于TSD與TSU處理。

另外，在季節性凍融草地中，凍融作用可通過改變土壤水熱狀況，使得土壤理化和生物學性質產生變化，進而影響到土壤氮素轉化過程和N2O排放［31，39］。本研究發現，各處理土壤N2O排放通量全年均為正值，表明糞尿處理下高寒草原全年表現為N2O排放源，這與郭小偉等［40］和王廣帥等［21］的研究結果一致。此外，完全融化期內糞尿處理土壤N2O存在脈沖式排放，主要是因為試驗初期處于生長季且施加糞尿不同程度增加了土壤有效氮供應導致一定程度的激發效應［12］。而且，此時期高寒草原氣溫較高，降水充沛，土壤含水量高容易形成厭氧環境，土壤溫度的升高也會使得土壤反硝化微生物活性增強，導致該時期土壤N2O排放通量明顯高于其他試驗期。除此之外，本研究發現消融期CK，YU和TSU處理土壤N2O平均排放通量均高于其他時期。這主要是由于氣溫逐漸回升使得頻繁的凍融循環導致土壤團聚體破碎、部分細根或微生物死亡及土壤孔隙度的增大，使得大量碳、氮等營養物質更容易富集在土壤中［41-42］。兩種尿液與土壤水分解凍會增加土壤含水量，促使厭氧環境的形成進而增強土壤反硝化作用，促進土壤N2O大量排放［31］。Pearson相關分析結果顯示，5 cm和15 cm土壤溫度均與各處理土壤N2O排放通量呈正相關關系，其中與CK，YD，TSD和TSU處理土壤N2O排放通量呈極顯著正相關（Plt;0.01），這與朱輝等［43］在海北高寒草地的研究結果相似。這是由于溫度通過影響微生物的新陳代謝速率調控溫室氣體的產生速率，環境溫度的日漸上升有助于促進微生物主導的氮轉化過程，進而增加土壤N2O排放潛力。微生物活動會進一步導致土壤氧氣消耗量和無機氮產生量增大，進而提升N2O 的產生潛力［44-46］。與之不同的是，穩定凍結期高寒草原寒冷干燥，活動層土壤完全凍結，低溫抑制了土壤微生物活性，削弱了NH+4-N向NO-3-N的轉化，致使土壤N2O排放速率降低［47-48］。并且，當地表被雪覆蓋和土溫接近或低于0℃時，活動層凍結使得地氣交換近乎停止，凍結層下產生的氣體無法釋放［49］。因此，該時期深層土壤中產生的N2O會在凍土層下大量積累，進而導致穩定凍結期土壤N2O排放通量處于各時期中最低水平。

總體來看，各處理在凍融期的N2O累積排放量占全年的比例范圍為29.3%～42.4%，這與王廣帥等［21］的研究結果具有一定差異，這可能是由于本研究區與海北高寒草地在氣候環境、土壤類型以及凍融期的劃分等方面的差異所導致的。此外，本研究開展了為期1年的野外控制實驗，旨在從理論上探究放牧牲畜單個糞尿斑塊沉積對草地土壤N2O排放的影響，而在實際放牧過程中可能產生的糞尿多次排泄或疊加沉積等對高寒草地土壤特性和N2O排放等方面的影響和可能的作用機制將在未來的研究中進一步深入探究。

4 結論

相較于藏綿羊糞尿處理，牦牛糞尿處理對土壤礦化氮含量的增加更為顯著。糞尿處理會促進土壤N2O排放，其中牛尿對土壤N2O排放具有較強的短期促進作用。牛羊糞尿處理下草地土壤N2O排放的差異主要與兩者自身形態特征與氮含量等的不同關系密切。凍融期各處理N2O的累積排放量占非生長季的比例為74.5%～79.5%，且消融期對非生長季的貢獻最大。研究結果有助于加深放牧牲畜糞尿對季節性凍融高寒草原N2O排放影響的理論認知，并可為制定科學的草地牲畜糞尿管理策略和促進溫室氣體減排等提供參考。

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（責任編輯 閔芝智）