葛怡情,閆玉龍,梁 艷,干珠扎布,胡國(guó)錚,楊 劼,高清竹**,何世丞,旦久羅布
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模擬降水氮沉降對(duì)藏北高寒草甸土壤呼吸的影響*
葛怡情1,2,閆玉龍1,2,梁 艷2,干珠扎布2,胡國(guó)錚2,楊 劼1,高清竹2**,何世丞3,旦久羅布3
(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010021;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;3.西藏自治區(qū)那曲市草原站,那曲 852100)
全球范圍內(nèi)大氣氮沉降量的升高,增加了陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入,從而影響土壤CO2的排放。2014年采用生長(zhǎng)季(6?8月)噴灑添加定量NH4NO3液體的方式模擬降水氮沉降,參照中國(guó)氮沉降分布格局決定氮素添加劑量為40kgN·hm?2·a?1(N40),以噴灑等量清水為對(duì)照(CK)。生長(zhǎng)季內(nèi)定期測(cè)定植物群落生物量,并利用LI?8100土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng),選兩個(gè)典型晴天進(jìn)行土壤呼吸速率日動(dòng)態(tài)變化過(guò)程測(cè)定,同時(shí)在6月下旬?9月初定期測(cè)定土壤呼吸速率,以探究氮沉降增加對(duì)藏北高寒草甸土壤呼吸的影響。結(jié)果表明:(1)氮沉降使高寒草甸地上生物量顯著增加(P<0.05)。(2)高寒草甸生長(zhǎng)季土壤呼吸具有明顯的典型日動(dòng)態(tài)變化和生長(zhǎng)季變化。典型日動(dòng)態(tài)呈雙峰曲線,土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在13:00?14:00和16:00;生長(zhǎng)季變化呈單峰曲線,最大值出現(xiàn)在8月,生長(zhǎng)季初期和末期土壤呼吸速率較低。(3)氮沉降極顯著促進(jìn)了高寒草甸的土壤呼吸,與對(duì)照相比,生長(zhǎng)季平均土壤呼吸速率增加66.1%(P<0.001)。(4)土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤濕度和地上生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。(5)氮沉降對(duì)土壤呼吸的溫度敏感性無(wú)顯著影響。研究結(jié)果說(shuō)明在高寒草甸,由于氮沉降導(dǎo)致地上地下生物量增加,從而導(dǎo)致土壤呼吸速率的增加。
高寒草甸;氮沉降;土壤呼吸;地上地下生物量;土壤呼吸溫度敏感性
隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和氮肥的使用,很多地區(qū)的氮沉降量顯著增加[1]。據(jù)估計(jì),在1995年大概有109t氮以NOX和NH3的形勢(shì)沉降到地球表面,至2050年,沉降量將增加一倍[2]。大氣氮沉降通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)、碳固定及光合作用產(chǎn)物分配的直接或間接作用,以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和蓄積過(guò)程的影響,產(chǎn)生了很多負(fù)生態(tài)效應(yīng),如富營(yíng)養(yǎng)化和生物多樣性的喪失等[3]。
土壤呼吸是全球碳循環(huán)中二氧化碳(CO2)從陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入大氣的主要途徑,其微小波動(dòng)將對(duì)CO2濃度和土壤碳匯產(chǎn)生重要影響[4]。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,占陸地表面積的32%,是重要的碳庫(kù),并且陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量是大氣的3倍[5],土壤呼吸與全球變化密切相關(guān),它的微小變化都會(huì)引起大氣CO2濃度的很大變化。一些研究認(rèn)為,土壤呼吸與土壤溫度和底物供應(yīng)[6]有關(guān),而氮沉降可通過(guò)影響土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)、地下生物量和凋落物的輸入及土壤微生物數(shù)量和活性[7]等對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生影響。在不同的草地類型中,氮沉降對(duì)土壤呼吸的影響也不盡相同。Zhang等[8]在蘭州東南部半干旱草原模擬氮沉降的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),氮沉降通過(guò)增加土壤微生物呼吸和植物根系呼吸作用來(lái)促進(jìn)土壤呼吸。氮素的輸入能夠刺激植物生長(zhǎng),增加植物的根系活動(dòng),進(jìn)而增加土壤呼吸。同樣,在溫帶草原進(jìn)行氮沉降實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適量的氮沉降能使土壤呼吸速率增加,尤其是地下10cm處的異氧呼吸[9]。王建波等[10]在三江平原小葉章沼澤草甸的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降抑制土壤呼吸,使土壤氮達(dá)到飽和狀態(tài),造成土壤養(yǎng)分失衡、酸化,對(duì)植物根系及土壤微生物造成不利影響,進(jìn)而使土壤呼吸降低。這與汪浩等[11]在海北高寒濕地研究結(jié)果一致。而對(duì)內(nèi)蒙古荒漠化草原添加氮素后,雖然氮素的添加使植物吸收氮素,生物量有所增加,但土壤呼吸速率變化卻不明顯[12]。這些研究結(jié)果的差異,表明土壤呼吸對(duì)氮沉降的響應(yīng)會(huì)受氣候條件、土壤特性和植被狀況等因素的影響,因?yàn)榈两档奶砑涌梢砸鹨幌盗械纳锱c非生物因素同時(shí)變化,包括凋落物的分解代謝、土壤的微生物環(huán)境以及植被的生長(zhǎng)發(fā)育。
藏北(也稱為羌塘)位于岡底斯山脈和念青唐古拉山脈北部,面積約4.5×105km2。這個(gè)區(qū)域被稱為“世界屋脊”,平均海拔超過(guò)4500m[13]。特殊的地形和大氣環(huán)流模式,使該地區(qū)的生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)非常敏感。南亞地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,加之印度季風(fēng)對(duì)大氣反應(yīng)性氮的遠(yuǎn)距離傳輸,使青藏高原氮沉降顯著增加[14]。在氮限制草地生態(tài)系統(tǒng),氮沉降會(huì)刺激植物、根系生長(zhǎng)和微生物活動(dòng),因此,本研究假設(shè)氮沉降會(huì)增加高寒草甸土壤呼吸速率,采用生長(zhǎng)季定量噴灑NH4NO3液體的方式模擬降水氮沉降,利用LI-8100土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定土壤呼吸速率,以探究氮沉降對(duì)藏北高寒草甸土壤呼吸的影響。
試驗(yàn)區(qū)位于藏北地區(qū)那曲縣,地理坐標(biāo)為北緯31.441°,東經(jīng)92.017°[15]。主要草地類型為高寒草甸,建群種為小嵩草();主要禾本科植物為早熟禾();主要雜草包括星毛萎陵菜()、黃花棘豆()等,高寒草原土為主要土壤類型。試驗(yàn)區(qū)年平均溫度?1.2℃,年平均降水量431.7mm,年日照時(shí)數(shù)2789.9h(1955–2011年)。該區(qū)雨熱同季,5?9月平均溫度高于0℃,且該時(shí)段降水量占全年降水量的90%。研究區(qū)平均植被覆蓋度超過(guò)50%,最大年生物量約50g?m?2,土壤容重為1.01g?cm?3[16]。
用噴灑添加定量氮素液體的方式模擬降水氮沉降,參照中國(guó)氮沉降分布格局決定氮素添加劑量。據(jù)研究,西藏地區(qū)干濕沉降率為7kg?hm?2?a?1[17],預(yù)計(jì)到2050年,該地區(qū)年氮(N)沉降量將達(dá)到40kg?hm?2?a?1,因此,本實(shí)驗(yàn)中氮沉降處理設(shè)置氮素添加濃度為40kg?hm?2(用N40表示)。選定10m×20m的實(shí)驗(yàn)樣地,內(nèi)設(shè)8個(gè)3m×3m的小區(qū),每個(gè)小區(qū)間隔離2m,以噴灑等量清水為對(duì)照(CK),每個(gè)處理4個(gè)重復(fù),隨機(jī)排列。于2014年生長(zhǎng)季(5–8月)每月1日將26gNH4NO3溶于5L水中配置成溶液,配制4份,均勻噴灑于4個(gè)N40處理小區(qū)內(nèi),對(duì)照小區(qū)同時(shí)噴灑等量清水。
1.3.1 生物量測(cè)定
在植被生長(zhǎng)季(6–8月),每月中旬,每個(gè)小區(qū)選取0.5m×0.5m的樣方調(diào)查植物種類組成、高度和蓋度等群落特征。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)樣地外選取8個(gè)相同規(guī)格的校正樣方,調(diào)查其植物種類組成、高度和蓋度等群落特征。齊地面收集地上植物,置于105℃烘箱中殺青0.5h,65℃下烘干至恒重,測(cè)定干重。地上植物按其功能群分為類禾本植物(包括禾本科植物和莎草科植物)和雜類草植物(除禾本科及莎草科以外的草本植物)。對(duì)校正樣方兩種功能群植物高度、蓋度以及生物量建立回歸方程,計(jì)算各處理不同功能群植物的生物量。計(jì)算式為
式中,AB禾、AB雜分別代表類禾本植物和雜類草的地上生物量(g?m?2),H禾、H雜分別代表類禾本植物和雜類草的高度(cm),C禾、C雜分別代表類禾本植物和雜類草的蓋度(%)。
用內(nèi)生長(zhǎng)法[18]測(cè)定0–15cm的地下生物量。在2014年5月初,用土鉆在與地表成45°角的方向打一個(gè)直徑5cm、深20cm的洞,插入一根長(zhǎng)25cm、直徑5cm的PVC管(外套直徑5cm、長(zhǎng)25cm的紗網(wǎng)袋),以保持洞的完整性。將鉆出的土過(guò)篩、去根、回填?;靥顣r(shí)保持原來(lái)的土壤密度,將土放入PVC管的底部,并慢慢將PVC管抽出。并于2014年9月將紗網(wǎng)袋取出,過(guò)0.4mm篩,用自來(lái)水沖洗,收集當(dāng)年新長(zhǎng)的根,將洗干凈的根放入65℃烘箱烘干至恒重。將過(guò)篩去根后的土再次回填。
1.3.2 土壤呼吸速率測(cè)定
每個(gè)小區(qū)布置一個(gè)高5cm、直徑10cm的PVC環(huán),插入土壤深度為2cm。為減少土壤擾動(dòng),PVC環(huán)在初次測(cè)定前一個(gè)星期放入。每次測(cè)量前一天及時(shí)清理環(huán)內(nèi)凋落物,植株地上部分齊地剪去,整個(gè)測(cè)定過(guò)程中環(huán)的位置不變。用Li-8100土壤碳通量測(cè)定系統(tǒng)(Li-COR, Lincoln, USA)測(cè)定土壤呼吸速率。選兩個(gè)典型晴天(6月30日和7月12日)進(jìn)行土壤呼吸速率日動(dòng)態(tài)變化過(guò)程測(cè)定,間隔時(shí)間為1h。生長(zhǎng)季土壤呼吸速率的測(cè)定于2014年6月下旬開(kāi)始,至9月初結(jié)束,每1~2周測(cè)定一次,由于土壤呼吸速率日平均值與11:00–12:00測(cè)定值接近,因此,選擇在這個(gè)時(shí)段測(cè)定土壤呼吸速率。
1.3.3 土壤溫濕度測(cè)定
實(shí)驗(yàn)期間,用EM50數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(Decagon Devices, Inc., NE, USA)記錄小區(qū)地下5cm土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù),每30min記錄一次數(shù)據(jù)。
1.3.4 土壤碳氮含量測(cè)定
8月中旬采集土壤樣品,每個(gè)小區(qū)內(nèi)用土鉆隨機(jī)取0?15cm土壤1鉆,將土樣裝入自封袋密封后帶回實(shí)驗(yàn)室,過(guò)2mm篩,篩去植物根系和石塊,風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮含量。全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定,土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[19]。
1.3.5 土壤呼吸溫度敏感性
土壤呼吸溫度敏感系數(shù)(Q10)指溫度每增加10℃時(shí)土壤呼吸速率的增加倍數(shù)。利用指數(shù)函數(shù)方程對(duì)土壤呼吸速率與5cm地溫進(jìn)行擬合得到B值,然后計(jì)算Q10。即
SR=AeBT(3)
Q10=e10B(4)
式中,SR是土壤呼吸速率(μmol?m?2·s?1),T為5cm土壤溫度(℃),A為基礎(chǔ)呼吸率(μmol?m?2·s?1),B為計(jì)算呼吸系數(shù)的常數(shù),A和B通過(guò)模擬取得。
利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析地上地下生物量、土壤養(yǎng)分以及土壤呼吸速率等在兩個(gè)處理之間的差異。重復(fù)測(cè)量方差分析方法(Repeated measurements of ANOVA)檢驗(yàn)施氮、測(cè)定時(shí)間及其交互作用對(duì)高寒草甸土壤呼吸速率的影響。相關(guān)性分析檢驗(yàn)土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤濕度以及地上生物量之間的相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)分析使用SPSS17.0完成,Excel2010作圖。
實(shí)驗(yàn)前樣方選取為隨機(jī)進(jìn)行,因此,實(shí)驗(yàn)前樣方內(nèi)土壤碳氮含量可視為同一水平。由表1可見(jiàn),噴灑添加氮素液體模擬降水氮沉降(N40)處理與噴灑等量清水(CK)處理120d后,觀測(cè)的土壤碳氮含量均有了明顯差異(P<0.05),N40處理中土壤有機(jī)碳(TOC)和土壤總氮(TN)含量均明顯提高,分別比CK提高14.9%和20.4%,總氮含量提高幅度更大。
表1 兩處理土壤碳氮含量的比較(8月15日)
注:小寫、大寫字母分別表示處理間在0.05和0.01水平上的差異顯著性。下同。
Note: Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level, and capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level. The same as below.
由表2可見(jiàn),噴灑添加氮素液體模擬降水氮沉降(N40)處理樣方中,高寒草甸植物地上部生物量明顯增加,單位面積產(chǎn)出量比CK(噴灑等量清水)處理增加11.3g?m?2,增加了22%;其中,類禾本植物地上部生物量增加幅度較大,比CK增加47.7%,差異顯著(P<0.05),雜類草地上部生物量間的差異則不顯著。N40處理較CK其地下生物量增加11.6%,但差異未達(dá)顯著水平。
由此可見(jiàn),噴灑添加氮素液體模擬降水氮沉降(N40)可有效提高土壤中碳氮含量,并改變高寒草甸樣方中生物量構(gòu)成,使類禾本植物地上部生物量增加,而雜類草地上部生物量無(wú)顯著變化,且所有植被的地下生物量也有所增加。
2.2.1 典型日土壤呼吸速率動(dòng)態(tài)變化
由圖1可見(jiàn),高寒草甸土壤呼吸速率的日動(dòng)態(tài)呈雙峰型曲線。6月30日,N40處理土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在13:00和16:00,在13:00–14:00土壤呼吸速率有所下降,最小值出現(xiàn)在7:00(圖1a),N40和CK處理的日均土壤呼吸速率分別為1.47和0.87μmol?m?2?s?1,N40較CK增加了69.0%,且N40處理晝間(9:00–20:00)土壤呼吸速率較CK增加了76.8%,夜間(21:00–次日8:00)增加58.4%。7月12日,N40處理土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在14:00和16:00,在14:00–15:00土壤呼吸有所下降,最小值出現(xiàn)在10:00(圖1b),其中N40和CK處理的日均土壤呼吸速率分別為2.26和1.46μmol?m?2?s?1,N40較CK增加了54.8%,并且N40處理晝間(9:00–20:00)土壤呼吸速率較CK增加55.0%,夜間(21:00–次日8:00)增加53.3%。
可見(jiàn),噴灑添加氮素液體模擬降水氮沉降(N40處理)使日均土壤呼吸速率增加了54.8%~69.0%。
注:短線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。
Note: The bar is standard error. The same as below.
2.2.2 生長(zhǎng)季土壤呼吸速率日變化
由圖2可見(jiàn),生長(zhǎng)季內(nèi)噴灑添加氮素液體模擬降水氮沉降(N40)和噴灑等量清水(CK)處理高寒草甸土壤呼吸速率均隨著時(shí)間呈先升高后降低的趨勢(shì)。處理120d后,N40處理明顯提高了高寒草甸土壤呼吸速率,最大值出現(xiàn)在8月,比CK增幅達(dá)到77.2%,最小值出現(xiàn)在6月,增幅為49.5%。全生長(zhǎng)季(6–8月)內(nèi),N40和CK處理平均土壤呼吸速率分別為2.84和1.71μmol?m?2?s?1,N40較CK處理增加了66.1%(P<0.001)。重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明,氮沉降、測(cè)定日期及兩者交互作用對(duì)土壤呼吸速率均有顯著影響(表3)。
圖2 兩個(gè)處理生長(zhǎng)季平均土壤呼吸速率的比較
表3 氮沉降、測(cè)定時(shí)間和兩者交互作用對(duì)土壤呼吸的影響
由表4可知,晝夜尺度土壤呼吸速率與地下5cm土壤溫度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001);在生長(zhǎng)季日變化尺度上,土壤呼吸速率與地下5cm的土壤溫度和土壤水分均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)?;貧w分析表明,CK和N40處理的土壤呼吸速率與土壤溫度均呈極顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.001,表5)。CK和N40處理的Q10值分別為2.20和2.44,氮添加提高了土壤Q10值,但無(wú)顯著差異(P=0.072,表5)。此外,相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤呼吸速率(SR)與總地上生物量(TB)呈線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.001 ),即
SR=0.0283TB+0.5918 (n=32,R2=0.3475) (5)
由此可見(jiàn),降水氮沉降處理下土壤呼吸速率的增加,可能是由于氮沉降增加引起的總地上生物量增加導(dǎo)致的。
表4 不同尺度土壤呼吸速率與地溫和土壤含水率的相關(guān)分析
注:SRS為生長(zhǎng)季日平均尺度土壤呼吸;SRD為晝夜尺度土壤呼吸;T為5cm處土壤溫度;M為5cm處土壤濕度;?表示兩者無(wú)顯著相關(guān)性。*、**分別表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。
Note:SRSis daily average scale of growing season; SRDis diurnal soil respiration; T is soil temperature at the depth of 5cm; M is soil moisture at the depth of 5cm; ? is no significant correlation.*is P<0.05;**is P<0.01.The same as below.
表5 土壤呼吸溫度敏感性(Q10)指數(shù)回歸方程模擬結(jié)果
研究氮沉降處理和對(duì)照的土壤呼吸速率有相同的日動(dòng)態(tài),土壤呼吸速率表現(xiàn)為晝間高,夜間低,且在14:00–15:00會(huì)有所下降。高寒地區(qū)午間氣溫高、蒸發(fā)量大,可能是由于較高的土壤溫度抑制了土壤微生物活動(dòng)[20],從而使土壤呼吸速率有所下降,在16:00時(shí)氣溫下降,土壤呼吸速率有所回升。這與Ganjurjav等[21]在高寒草甸得到的結(jié)論相同。有些研究認(rèn)為土壤呼吸速率的日動(dòng)態(tài)呈單峰型曲線[22],張立欣等[23]在內(nèi)蒙古克氏針茅草原的研究發(fā)現(xiàn),日變化和逐日變化都呈現(xiàn)單峰曲線,在15:00時(shí)達(dá)到最高值,在午時(shí)并沒(méi)有下降,可能是由于研究區(qū)午間氣溫并沒(méi)有超過(guò)微生物活動(dòng)的最適溫度,也有可能是由于測(cè)定時(shí)間間隔(2~3h)較大,未檢測(cè)到土壤呼吸速率的下降。不同類型草原土壤呼吸的月動(dòng)態(tài)基本一致,峰值通常出現(xiàn)在植物的生長(zhǎng)盛期[24?25]。高寒草甸土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在8月,生長(zhǎng)季初(6月)和生長(zhǎng)季末(9月)較低。
土壤呼吸會(huì)受到很多因素影響,有研究認(rèn)為土壤呼吸與土壤溫度、土壤水分和底物供應(yīng)有關(guān),而呼吸主要來(lái)源于根系和微生物活動(dòng),土壤溫度和土壤水分通過(guò)影響土壤微生物和植物根系活動(dòng),進(jìn)而影響土壤呼吸。本研究發(fā)現(xiàn)土壤5cm溫度在控制高寒草甸土壤呼吸日動(dòng)態(tài)中扮演重要角色,地下5cm的土壤溫度和土壤水分則在控制土壤呼吸月動(dòng)態(tài)中起主要作用,土壤呼吸日動(dòng)態(tài)變化是由于夜間低溫限制氮沉降對(duì)土壤呼吸的促進(jìn)作用,導(dǎo)致夜間土壤呼吸速率增幅小于晝間增幅。
土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,主要來(lái)自土壤微生物呼吸和根系呼吸,是土壤與大氣碳交換最主要的途徑。氮沉降對(duì)土壤呼吸的影響機(jī)制主要分以下三個(gè)方面,第一,氮沉降通過(guò)改變微生物的生物活性來(lái)影響土壤呼吸。第二,氮沉降通過(guò)影響植物光合作用,改變植物的地上地下生物量,進(jìn)而影響根系呼吸。第三,氮沉降通過(guò)解除土壤氮素限制,改變碳氮比,增加微生物呼吸所需基質(zhì)進(jìn)而改變微生物活性。
氮沉降通過(guò)改變土壤呼吸溫度敏感性、土壤可利用碳和地下生物量等來(lái)影響土壤呼吸速率。在本研究中,氮沉降使生長(zhǎng)季土壤呼吸速率顯著增加,氮沉降處理相比于對(duì)照使土壤呼吸速率增加了66.1%,這個(gè)結(jié)論支持了本研究的假設(shè),即氮沉降會(huì)增加高寒草甸的土壤呼吸速率。許多針對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的研究,也得到了氮沉降增加土壤呼吸速率的結(jié)論[26],這是因?yàn)榈斎氪龠M(jìn)了植物生長(zhǎng),增加了生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和凋落物量,這些改變?cè)黾恿烁屯寥牢⑸锘顒?dòng)所需的碳源,從而為土壤呼吸提供更多的物質(zhì)基礎(chǔ)。相反,Mo等[27]在中國(guó)南部熱帶森林的研究認(rèn)為,氮沉降降低了根系生物量和土壤微生物量碳,從而導(dǎo)致土壤呼吸速率降低,Liu等[28]在內(nèi)蒙古半干旱草原的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降通過(guò)影響地下生物量從而對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生影響。本研究也發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與地上生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這與Zhao等[29]研究結(jié)論一致,氮沉降使地上和地下生物量分別增加了22.0%和11.6%。Zhou等[30]的研究認(rèn)為,土壤呼吸速率與土壤有機(jī)碳和微生物量碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系。氮添加會(huì)增加土壤微生物量碳含量,本研究發(fā)現(xiàn)氮沉降增加了高寒草甸土壤有機(jī)碳含量,增加的有機(jī)碳為土壤微生物提供更多碳源,使微生物活動(dòng)增強(qiáng),從而導(dǎo)致土壤呼吸速率的增加。
在藏北高寒草甸為期一年的氮沉降實(shí)驗(yàn)表明,地上生物量、土壤有機(jī)碳和土壤總氮顯著增加,氮沉降顯著促進(jìn)了土壤呼吸速率,生長(zhǎng)季平均土壤呼吸速率增加66.1%。土壤呼吸速率的增加主要是由于地上生物量和土壤養(yǎng)分的增加所致。
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The Effects of Nitrogen Deposition on Soil Respiration in an Alpine Meadow in Northern Tibet
GE Yi-qing1,2, YAN Yu-long1,2, LIANG Yan2, HASBAGAN Ganjurjav2, HU Guo-zheng2,YANG Jie2, GAO Qing-zhu2, HE Shi-cheng3, DANJIU Luobu3
(1. School of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081; 3. Nagqu Grassland Station in Tibet Autonomous Region, Nagqu 852100)
The increase of nitrogen deposition in the world resulted increases of nitrogen input to terrestrial ecosystems and affects soil CO2emissions. NH4NO3was used to simulated nitrogen deposition to determine the effect of nitrogen deposition on soil respiration during the growing season (June?August) in 2014 in alpine meadow in northern Tibet. The nitrogen deposition rate is 40kgN·ha?1·y?1(N40) according to the distribution pattern of nitrogen deposition in China, the added nitrogen was sprayed onto the N40 plots monthly, while CK plots received the same amount of water. Plant community biomass was measured regularly during the growing season. Meanwhile, the LI-8100 Automated Soil CO2Flux System was used to measure soil respiration rates periodically from late June to early September, and measured in two Typical Clear Days as the diurnal dynamics of the soil respiration rate. The main results are showed as follow: (1) nitrogen deposition significantly increased the above-ground biomass in alpine meadow (P<0.05). (2) The soil respiration rate had obvious diurnal and monthly pattern in both treatments. And the diurnal dynamics of soil respiration showed a double peak curve and the peak values were assumed at about 13:00–14:00 and 16:00, respectively. The monthly dynamics of soil respiration showed a single-peak curve, and the maximum appeared in August and lower at early and end of growing season. (3) Nitrogen deposition significantly increased the average soil respiration by 66.1% (P<0.001) compared with control plots in growing season. (4) Soil respiration rates showed a significant positive correlation with soil temperature, soil moisture and above-ground biomass (P<0.001). (5) Nitrogen deposition had no significant effect on temperature sensitivity of soil respiration. The results showed that the increase of soil respiration due to the increase of above-ground and below-ground biomass caused by nitrogen deposition in the alpine meadow.
Alpine meadow; Nitrogen deposition; Soil respiration; Above-belowground biomass; Sensitivity of soil respiration
10.3969/j.issn.1000-6362.2019.04.002
2018?09?17
。E-mail: gaoqingzhu@caas.cn
西藏自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170460);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0502003)
葛怡情(1994?),女,碩士,主要從事草地生態(tài)學(xué)研究。E-mail:1757883815@qq.com
葛怡情,閆玉龍,梁艷,等.模擬降水氮沉降對(duì)藏北高寒草甸土壤呼吸的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(4):214-221