歐陽揚, 李敘勇

(1. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室，北京 100085；2. 中國科學院研究生院，北京 100049)

全球氣候變化的一個重要表征是降雨格局的改變，常常表現(xiàn)為干旱和極端降雨事件的增加，并且交替出現(xiàn)，這種變化特征在干旱、半干旱和地中海氣候區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯[1]。甚至在年降水總量較高的地區(qū)，由于極端降雨事件的增加，干旱和降雨交替格局也日益顯著，這種干濕交替變化深刻影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)過程，特別是土壤碳(C)、氮(N)的生物地球化學過程，進而強烈地影響著土壤碳、氮的礦化和土壤溫室氣體的排放[2- 3]。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

野外采樣用以進行室內(nèi)干濕交替控制試驗的站點主要位于我國東西主線的氣候帶上，并全部是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)站，是沿東西走向的降雨梯度，干旱及半干旱半濕潤地區(qū)是干濕交替影響的Birch效應最為顯著的氣候區(qū)，我國受季風氣候影響，從東到西降雨量和場次降雨頻率呈降低趨勢；再者，隨著我國從半干旱半濕潤到干旱地區(qū)降雨梯度的變化，也呈現(xiàn)出不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，據(jù)此我們選定四個觀測點，分別是北京森林站(位于北京門頭溝區(qū)東靈山)、安塞農(nóng)田站(位于陜西安塞縣)、內(nèi)蒙古草原站(位于內(nèi)蒙古錫林郭勒)和阜康荒漠站(位于新疆阜康縣)。

1.2 實驗設計

用于該實驗的土壤分別取自于北京森林站、內(nèi)蒙古草地站、長武農(nóng)田站和阜康荒漠站(土壤基本理化性質(zhì)如表1)，所采集的土壤樣品經(jīng)過7d的平衡培養(yǎng)之后，每個試驗樣品稱取100g(干重)土壤，放入1000mL的罐頭瓶，蓋子上鉆有一個小孔，利于注射器采集氣體樣品。

表1 站點基本情況和土壤基本理化性質(zhì)

對土壤進行不同的干旱和再濕潤處理，溫度恒定在20℃，同時設置40%土壤持水量(WHC)的恒濕處理作為對照，并設2、5、7、14這4個干濕循環(huán)頻率，每個處理設置3個重復。一個干濕循環(huán)開始于再濕潤(加水)，并且使之維持在40% WHC培養(yǎng)2d，然后就是干旱期開始時的3d風干。在再濕潤的時候加入的水為無菌去離子水，干旱是指使土壤風干到5%WHC。恒濕處理使土壤濕度維持在40%WHC；2個循環(huán)處理的每個干旱期長為30d,總計培養(yǎng)時間為77d；5個循環(huán)處理的每個干旱期為10d，總計培養(yǎng)時間為82d；7個循環(huán)的每個干旱期為5d，總計培養(yǎng)時間為77d；14個循環(huán)處理的是指只要土壤干旱(土壤含水率達到5% WHC)即可，總計培養(yǎng)時間77d。

圖1 土壤干濕交替控制試驗方案示意圖

上述控制試驗的設計方案見圖1。

1.3 測定方法

土壤理化性質(zhì)測定[10]：土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤全氮、全碳采用元素分析儀(Vario EL III)測定；土壤pH值用酸度計測定；土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測定；土壤粒徑采樣激光粒度儀(Mastersizer 2000)測定；土壤持水量(WHC)測定主要參照Fierer和Schimel的方法[15]。

在濕潤開始和結(jié)束(濕潤階段培養(yǎng)瓶完全密封)用醫(yī)用注射器抽取氣體樣品，測定土壤溫室氣體(CO2和N2O)在每個濕潤階段的積累量。CO2樣品的測定采用帶有氫離子火焰檢測器的氣相色譜儀器(GC112A,北京分析儀器廠)進行分析；N2O的濃度通過帶有點子捕獲檢測器(ECD)的氣相色譜儀(GC，SP3410，北京分析儀器廠)進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Origin8.5(Origin Lab Corporation， USA)進行畫圖。不同干濕循環(huán)間的差異利用spss12.0軟件進行方差分析，差異顯著性水平(P<0.05)通過最小顯著差數(shù)法(LSD)進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2的釋放

2.1.1每個再濕潤階段CO2釋放速率的動態(tài)變化和平均值

圖2為每個再濕潤階段CO2釋放的動態(tài)變化。從圖中可以明顯看出，4個處理組CO2的釋放速率都要高于恒濕對照組，14個循環(huán)處理的CO2釋放速率的變化趨勢與恒濕處理一致，都是在培養(yǎng)的前40d有明顯的下降趨勢，然后趨于平穩(wěn)。還可以看出干濕循環(huán)中干旱期越長，再濕潤階段CO2的釋放速率越大。4種不同生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2釋放速率的變化模式一致。例如在內(nèi)蒙古草原土壤中，14循環(huán)、7循環(huán)、5循環(huán)和2循環(huán)4個處理中 CO2的平均釋放速率分別是恒濕處理的1.43倍、2.03倍、2.16倍和2.92倍。

圖2 干濕交替過程中每個再濕潤階段土壤呼吸速率變化

2.1.2第1個循環(huán)和最后一個循環(huán)再濕潤階段CO2釋放速率的變化

干旱土壤再濕潤能夠激發(fā)土壤呼吸速率的脈沖事件。如圖3，所有土壤在經(jīng)歷第1次再濕潤時，都有明顯的CO2釋放的激發(fā)現(xiàn)象。并且隨著干濕交替頻率的增加(干旱期的減短)而減少。在森林和草原土壤中，各干濕交替處理中土壤呼吸速率都顯著高(P<0.05)于恒濕對照。在2-循環(huán)中，森林土壤和草地土壤分別是其恒濕對照組的2.3倍和2.0倍。在農(nóng)田和荒漠土壤中，雖然14-循環(huán)、7-循環(huán)和5-循環(huán)與對照組沒有統(tǒng)計上的顯著增加，但是2-循環(huán)顯著高于恒濕對照，分別是對照組的1.9倍和1.2倍。在最后一個循環(huán)的再濕潤中，雖然也都存在土壤呼吸的激發(fā)現(xiàn)象，但是相對于第1個次再濕潤而言，14-循環(huán)、7-循環(huán)和5-循環(huán)的激發(fā)強度都有所減弱。2-循環(huán)處理只有經(jīng)歷2次再濕潤階段，土壤在第2次經(jīng)歷再濕潤時，較之于第1次再濕潤，森林和農(nóng)田土壤呼吸的減少量并不明顯，不過草原土壤和荒漠土壤減少較多，分別減少58.49%和31.06%；較之于恒濕對比而言，森林、農(nóng)田、草原和荒漠土壤分別是對照的3.8倍、4.7倍、3.2倍和2.9倍。

圖3 第1個循環(huán)和最后一個循環(huán)中再濕潤階段土壤呼吸速率的變化

2.1.3整個再濕潤階段CO2釋放的積累量

圖4中恒濕對照中土壤呼吸的積累量是與14-循環(huán)相對應的濕潤天數(shù)所積累的土壤呼吸總量。總的來說，干濕交替處理中土壤呼吸的積累量都高于與之相對應的恒濕對照，由圖可以看出農(nóng)田土壤呼吸積累量增加得最為顯著。在森林土壤中，14-循環(huán)的土壤呼吸積累量為360.11μgC-CO2/g 土與之對應的恒濕對照的積累量為284.56 μgC-CO2/g 土，增加了26.55%。在草原土壤中，14-循環(huán)的土壤呼吸積累量為339.88μgC-CO2/g 土與之對應的恒濕對照的積累量為244.01 μgC-CO2/g 土，增加了39.29%。在農(nóng)田土壤中，14-循環(huán)的土壤呼吸積累量為299.31μgC-CO2/g 土與之對應的恒濕對照的積累量為143.27 μgC-CO2/g 土，增加了108.91%。在荒漠土壤中，14-循環(huán)的土壤呼吸積累量為167.54μgC-CO2/g 土與之對應的恒濕對照的積累量為142.79 μgC-CO2/g 土，增加了17.33%。

圖4 土壤呼吸在整個再濕潤階段的積累量

2.2 N2O的釋放

2.2.1第1個循環(huán)和最后一個循環(huán)再濕潤階段N2O釋放速率的變化

如圖5，總的來看，通過對比第1個循環(huán)和最后一個循環(huán)再濕潤階段氧化亞氮釋放速率的變化，發(fā)現(xiàn)除了2-循環(huán)，其他干濕交替處理使得氧化亞氮的釋放速率減少，其中森林和草原土壤氧化亞氮釋放速率減少最為顯著，如森林土壤中的7-循環(huán)和5-循環(huán)使得氧化亞氮釋放速率分別減少了93.37%和95.30%；草地土壤中的7-循環(huán)和5-循環(huán)使得氧化亞氮釋放速率分別減少了72.46%和73.68%。在第1個再濕潤中，森林土壤和草原土壤在14-循環(huán)、7-循環(huán)和5-循環(huán)氧化亞氮的釋放速率變化與CO2一致，都是隨著干旱期增長而增加，不過在2-循環(huán)處理(30d干旱期)氧化亞氮的釋放速率并不是最大。農(nóng)田土壤氧化亞氮釋放規(guī)律與森林和草地的正好相反，而是隨著干旱期的增長，釋放速率反而減少。與農(nóng)田土壤類似，荒漠土壤中氧化亞氮釋放速率也是14-循環(huán)為最大。不過，土壤在經(jīng)歷多次干濕交替之后，在最后一次再濕潤條件下，所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象與上文中CO2釋放速率變化一致。

圖5 第1個循環(huán)和最后一個循環(huán)中再濕潤階段N2O釋放速率的變化

2.2.2整個再濕潤階段N2O釋放的積累量

由圖6可以看出，干濕交替處理能夠激發(fā)土壤中氧化亞氮的釋放，其中森林土壤表現(xiàn)得最為顯著，如5-循環(huán)處理整個再濕潤階段氧化亞氮積累量較之于對應的恒濕處理增加了295.83%，7-循環(huán)增加了221.40%，14-循環(huán)增加了65.01%。在草地土壤中，7-循環(huán)處理濕潤處理整個再濕潤階段氧化亞氮積累量較之于對應的恒濕處理增加了50.81%，不過14-循環(huán)卻只增加了5.53%。農(nóng)田和荒漠中14-循環(huán)處理整個再濕潤階段氧化亞氮積累量較之于對應的恒濕處理分別增加了42.02%和59.37%。圖中還可以看出，雖然荒漠土壤所含總氮量低于農(nóng)田土壤，但是其在整個室內(nèi)培養(yǎng)過程中恒濕和14-循環(huán)處理所釋放的氧化亞氮積累量卻高于農(nóng)田土壤。

圖6 土壤N2O釋放在整個再濕潤階段的積累量

3 討論

當干旱的土壤再濕潤的時候，通常情況下能夠刺激微生物活性并釋放CO2，這種現(xiàn)象在干旱、半干旱和地中海生態(tài)系統(tǒng)中最為常見[4, 11- 14]。通過對橡樹和草地土壤進行水分的室內(nèi)控制實驗，F(xiàn)ierer等[15]發(fā)現(xiàn)，干旱土壤再濕潤的時候，能夠激發(fā)CO2的產(chǎn)量，并且能夠持續(xù)2—6d。Saetre等[16]對半干旱地區(qū)兩種不同植被土壤(草地和灌木)的研究發(fā)現(xiàn)在對土壤立即濕潤的時候， 17h內(nèi)CO2的產(chǎn)量增加了10倍。Schmitt等[17]對挪威云杉林灰化土壤實驗中，同樣發(fā)現(xiàn)CO2產(chǎn)量激發(fā)現(xiàn)象。本研究中，4種不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤中CO2的釋放對干濕交替的響應都表現(xiàn)出類似的激發(fā)現(xiàn)象。而且，表現(xiàn)出來的激發(fā)總量與土壤中有機碳含量有一定的關(guān)系。例如，在森林土壤中，7-循環(huán)的土壤呼吸積累量比之對應的恒濕對照的積累量66.56%。在農(nóng)田土壤中，14-循環(huán)的土壤呼吸積累量比之對應的恒濕對照的積累量增加了108.91%。

目前對于干濕交替過程中土壤所釋放CO2的來源主要有兩種機制來解釋。一種是微生物脅迫機制。在干旱條件下，由于存在滲透調(diào)節(jié)，細胞內(nèi)會通過合成可溶性有機物降低滲透壓。微生物為了能夠保留體內(nèi)的水分，防止脫水，就會在體內(nèi)積累高濃度的溶質(zhì)[18- 19]。在隨后的濕潤條件下，環(huán)境中的水勢迅速增加，為了平衡外界的水勢，微生物需要迅速地轉(zhuǎn)化之前所積累的溶質(zhì)，這些溶質(zhì)被分解成含碳化合物和易分解的有機碳[20]。另一種是底物供應機制，在干旱條件下，土壤團粒結(jié)構(gòu)會被壓縮，從而暴露新的土壤表面和前期受到保護的有機質(zhì)[21- 22]。土壤再經(jīng)歷濕潤的時候，土壤會膨脹，土壤團粒結(jié)構(gòu)遭到進一步的破壞，暴露給微生物的有機質(zhì)表面會進一步增加，從而增加了土壤養(yǎng)分的生物可利用性[23]。

干濕交替對土壤氮素釋放的影響主要表現(xiàn)在對土壤N2O 排放和礦化態(tài)氮的淋失的影響[24]。土壤中N2O產(chǎn)生的機制是多方面的,受許多因子影響，土壤硝化作用和反硝化作用是其主要來源。在一定土壤水分含量范圍內(nèi),硝化速率隨水分含量增加而增加,當土壤水分的增加使氧的供應受到限制時，硝化速率開始下降[2, 5, 25]。土壤的干濕交替使得硝化作用和反硝化作用交替進行，從而促進了N2O 的產(chǎn)生[26]。由于土壤的干濕交替增加了死亡微生物的量以及打亂了土壤環(huán)境和有機物之間的相互作用而使得土壤有效碳和氮的礦化量增加,使土壤的硝化和反硝化量顯著高于長期濕潤的土壤。

4 結(jié)論

(1)干濕交替處理激發(fā)了CO2的釋放速率。在特定時間內(nèi)，隨著干濕交替頻率的減少(干旱期的增長)，再濕潤階段CO2的釋放速率增大。森林、農(nóng)田、草地和荒漠土壤CO2的釋放速率表現(xiàn)出一致的響應模式。

(2)在整個干濕交替處理中，各處理組在再濕潤階段CO2釋放的積累量高于與之相對應的恒濕對照。在14-循環(huán)處理中，農(nóng)田土壤再濕潤階段CO2釋放的積累量比恒濕對照增加了108.91%，草地土壤增加了39.29%，森林土壤增加了26.55%。

(3)干濕交替處理也同樣激發(fā)了N2O的釋放速率和釋放量。森林土壤表現(xiàn)得最為顯著，如5-循環(huán)處理整個再濕潤階段氧化亞氮積累量較之于對應的恒濕處理增加了295.83%，7-循環(huán)增加了221.40%，14-循環(huán)增加了65.01%。不同土壤中N2O釋放對干濕交替頻率的響應模式存在一定的差異。其中農(nóng)田和荒漠土壤中N2O的釋放總量對干濕交替頻率的響應模式類似。

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