2018, Vol. 39
土壤冻融交替是由于土壤季节或昼夜热量变化在表层及以下一定深度形成的反复冻结、融化的过程[1], 主要包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚, 其经常发生在高纬度和高海拔地区低温生态系统的土壤中.多数研究结果表明冻融交替通过影响土壤中C、N循环会加剧温室气体的产生与排放[2, 3], 进而对区域气候产生显著影响, 同时, 气候变化以及人类活动也能加剧土壤冻融过程的变化[4~6].已有研究表明, 冻融交替下, 温室气体的产生与排放往往是暴发式增长, 这给冻土区温室气体的研究与评估带来极大的困难[7], 因此有关冻土温室气体排放的评价越来越得到重视[8, 9], 尤其是人类活动参与下的温室气体评估.
草地生态系统是最主要的陆地生态系统类型之一, 也是目前受人类活动影响最严重的地区[10], 其功能的正常发挥对维持全球及区域生态系统平衡有极其重要的作用.中国78%的草地分布在北纬30°以北, 而这些地区往往是季节性冻土区[11], 冻融作用明显.而对于存在冻融作用的草地生态系统, 冻融是否会促进温室气体的产生和排放, 以及放牧对土壤温室气体的影响尚无定论.如Wolf等[12]的研究结果表明, 在锡林郭勒草原, 草地禁牧后高温高水, 在土壤融解期水热状况极适宜微生物的生长条件, 导致N2O脉冲式释放, 同放牧区相比, 禁牧区在土壤融解期N2O的排放不减反增, 这可能导致上世纪IPCC在中高纬度半干旱草原区高估了约72%的N2O排放量.而Li等[13]在新疆高寒草原并未观测到春季融化阶段N2O的显著排放, 且在不同放牧小区间无显著性差异.
目前关于CO2、N2O等温室气体研究大多是利用静态箱法测定其在土壤与大气间的排放通量, 对其土壤剖面浓度分布规律研究很少.土壤是陆地生态系统温室气体重要的源与汇, 土壤温室气体排放是其在土壤中产生、消耗和扩散等综合作用的结果[14], 大气中每年有近5%~20%的CO2和60%~80%的N2O来源于土壤[15], 明确各土层CO2、N2O浓度的时空变异规律, 既可以更好的了解土壤CO2、N2O库、源及产生机制, 并且对采取相应措施减少CO2、N2O排放具有重要的意义.在前人已成功建立农田生态系统原位动态监测土壤剖面温室气体的装置系统和方法的基础上[16], 本文拟通过气体原位采集系统, 研究不同放牧条件下内蒙古典型草原季节性冻土区土壤剖面CO2、N2O浓度分布特征, 并进行野外冻融定位观测, 试图探讨该区典型草原土壤温室气体产生的物理学机制.通过进一步认识放牧以及冻融环境中温室气体产生以及排放规律, 以期为我国草原季节性冻土区温室气体的准确评估提供理论支持.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区域位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站(43°37′50″N, 116°42′18″E, 海拔约1 270 m), 属于中温带半干旱大陆性气候, 干燥多风, 年均风速3.5~4 m·s-1, 年均气温0.7℃, 1月气温最低, 平均-20℃, 7月气温最高, 平均21℃, 冬季平均气温为-15.2℃.年均降水量约280 mm, 大部分集中在夏季(6~8月), 年降雪量为30~40 mm, 主要集中在冬季(11月至翌年2月).潜在最大年蒸发量为1 750 mm, 由于每年降雨量波动较大以及强烈的蒸发作用, 植被生长易受水分亏缺的胁迫.该区域土壤为淋溶黑钙土, 从沉积在更新世玄武岩高原的风沙沉积物发育而来.植被是以多年生根状茎类羊草和丛生禾草大针茅为主, 另外还分布有贝加尔针茅、克氏针茅、冷蒿、糙隐子草等[17].
1.2 样品采集与测定本试验设3个处理, 3次重复(规划前各试验处理草场情况相同)：1979年以来规划的禁牧(UG79, 24 hm2)、1999年以来规划的禁牧(UG99, 35 hm2)和持续放牧(CG, 4头羊·hm-2, 40 hm2).所选样区地势较为平坦(有1°~2°小坡), 土壤和地形状况基本一致[17], 无刈割情况.每个样区分别埋设用于野外长期持续监测土壤水热、积雪和冻土深度等参数的设备, 土壤水分(液态水)和温度采用5TE传感器进行测定, 测定深度为10、30、50cm, 测定间隔时间为0.5 h; 土壤冻结深度利用一个防冻的带有刻度的橡皮管, 放在PVC管中以保持竖直状态, 橡皮管里面装纯净水, 可以通过管的软硬来判断土壤冻结的深度, 雪深采用标尺进行测定.监测时间为一年(2015年11月至2016年10月).
土壤剖面不同深度气体采用气体原位采集装置进行采集(如图 1).在每个处理内设置3个重复, 设置5、10、20、35、50 cm为采样深度, 每个深度的土壤层次实际涵盖其上5 cm范围的土壤剖面.采集系统由5个高度50 mm、内径40 mm的PVC管做成的基本采气单元上下连接而成.每个采气单元底部管壁均匀分布8个小孔作为土壤气体交换界面, 每个采气单元之间用PVC板隔断, 采集气体的尼龙细管经隔板上小孔穿过, 统一从采集系统顶部穿出, 再用硅胶管连接到三通阀上[16].该系统保持密闭状态, 观测时用针筒直接采集所需容积的气体.测定前对采集系统气密性进行检测、安装、预平衡等关键环节.原位动态监测从2015年11月至2016年10月, 采集期分为：冻结期(2015-11-01~2016-03-24), 生长期(2016-05-06~2016-10-30), 采集频率为每月1次, 冻融期(2016-03-25~2016-05-05)为土壤发生冻融交替的主要时期, 为保证采样的代表性, 集中采集若干次, 平均采集频率为2天1次.选择在晴朗天气的08:00~11:00采集气体样品, 采集的气体48 h内用安捷伦气相色谱仪(Agilent 7890A)测定气体CO2、N2O浓度, 检测器为电子捕获检测器(ECD), 检测器温度为300℃, 色谱柱为80/100目的SS-2 m×2 mm Porapak Q, 用体积比为5%的氩甲烷作为载气, 流速为40 cm3·min-1.
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图 1 气体原位采集装置结构 Fig. 1 Schematic design of gas collection device |
气相色谱仪测得样品中气体的峰面积As, 用下式计算样品的气体浓度cs(CO2: mL·m-3; N2O:μL·m-3)
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式中, c0为标准气样浓度(CO2: 470 mL·m-3; N2O: 390 μL·m-3); A0为标准气样所测峰面积.
采用Excel 2007进行数据处理和Origin 9.0、Surfer 11.0进行作图, 数据插值方法为Kriging.采用SPSS 19.0对各土层CO2、N2O浓度进行方差分析和多重比较(LSD法).
2 结果与分析 2.1 土壤剖面CO2、N2O浓度时间变化特征内蒙古典型草原季节性冻土区土壤剖面CO2浓度(体积分数，下同)具有明显的季节变化且各土层变化特征相近[图 2(a)], UG79、UG99、CG这3个处理不同时期土壤剖面CO2平均浓度均表现为：生长期＞冻融期＞冻结期, 且生长期CO2浓度要远大于冻融期和冻结期[图 2(a)], UG79、UG99、CG处理生长期土壤剖面CO2平均浓度分别为冻融期的1.9、2.0、1.4倍, 为冻结期的3.4、3.0、2.4倍.UG79、CG土壤剖面CO2浓度在不同时期间均表现为差异显著(P＜0.05), 而UG99冻结期与冻融期CO2浓度差异不显著(P＞0.05), 与生长期差异显著(P＜0.05), 冻融期与生长期CO2浓度差异显著(P＜0.05)(图 3).可见该区土壤剖面CO2的产生主要集中在生长期, 且春季冻融作用对CO2的促进作用不可忽视.
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图 2 不同放牧条件下土壤剖面CO2浓度、N2O浓度、温度、含水量分布特征 Fig. 2 Characteristics of CO2 concentration, N2O concentration, water content, and temperature distribution in the soil profile under different grazing conditions |
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不同大写字母表示同一时期内3种样地间CO2、N2O浓度差异显著(P＜0.05);不同小写字母表示同一样地内不同时期间CO2、N2O浓度差异显著(P＜0.05) 图 3 不同时期土壤剖面CO2、N2O浓度 Fig. 3 CO2 and N2O concentration in the soil profile during different periods |
同土壤剖面CO2平均浓度季节变化相异, 冻融循环过程对土壤剖面N2O浓度具有明显的影响[图 2(b)], 除了CG处理在生长期N2O也有微弱的释放, 各处理在土壤冻融期内N2O浓度急剧增加, UG79、UG99土壤剖面N2O浓度呈现出“单峰型”变化规律, CG土壤剖面N2O为“双峰型”变化规律且各土层N2O浓度时间变化规律相近.冻融期UG79、UG99、CG处理N2O平均浓度分别达到了967.2、941.8、1 933.0 μL·m-3, 分别是生长期的2.5、2.5、2.3倍, 是冻结期的2.5、2.4、5.0倍, 各处理冻结期与生长期土壤剖面N2O浓度差异不显著(P＞0.05), 而冻结期、生长期与冻融期差异显著(P＜0.05), 可见在春季融雪和土壤解冻初期N2O存在脉冲式集中释放, 而对于CG生长期N2O浓度也有微弱升高.
2.2 土壤剖面CO2、N2O空间变化特征土壤剖面CO2浓度具明显的空间差异, 对于植被生长旺盛的UG79、UG99, 根系活跃区(20 cm)CO2浓度最高, 具体表现为20 cm≥50 cm≥35 cm≥10 cm≥5 cm(图 2、4), 表层土壤(5 cm)产生的CO2易与大气环境发生气体交换, 浓度最低, 与下层土壤(20 cm以下)差异显著(P＜0.05), 20 cm以下各土层土壤CO2浓度差异不显著(P＞0.05)(图 4); 放牧会改变土壤剖面CO2浓度分布规律, CG处理CO2浓度随着土壤深度的增加而增加, 具体表现为：50 cm≥35 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm, 表层土壤(5和10 cm)与50 cm处CO2浓度差异显著(P＜0.05), 5 cm与35cm差异显著(P＜0.05), 其余土层之间CO2浓度差异不显著(P＞0.05)(图 4).同一时期土壤剖面CO2平均浓度在不同样地间存在差异, CG处理CO2平均浓度最低.具体表现为：生长期、冻融期为UG79＞UG99＞CG, 冻结期为UG99＞UG79＞CG, 但UG79与UG99之间差异不显著(P＞0.05), UG79、UG99与CG之间差异显著(P＜0.05)(图 3).可见放牧会导致该区土壤剖面CO2平均浓度降低.
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不同大写字母表示同一处理内不同土层CO2、N2O浓度差异显著(P＜0.05) 图 4 不同放牧条件下土壤剖面不同土层CO2、N2O浓度 Fig. 4 CO2 and N2O concentrations in different soil layers under different grazing conditions |
各处理土壤剖面N2O浓度存在着一定的空间差异(图 4), 同土壤剖面CO2浓度空间特征不同, 表层土壤N2O浓度最低, 整体趋势为随着深度的增加而增加.土壤剖面N2O浓度特征具体表现为UG79：20 cm≥50cm ≥35 cm≥10 cm≥5 cm; CG: 50 cm≥35 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm, 各土层间N2O浓度差异不显著(P＞0.05); UG99: 35 cm≥50 cm≥20 cm≥10 cm≥5 cm, 5 cm处N2O浓度与35、50 cm处差异显著(P＜0.05), 其余各土层差异不显著(P＞0.05).同一时期土壤剖面N2O平均浓度在不同样地间存在差异.具体表现为：冻融期和生长期, CG处理土壤剖面N2O浓度最高, 与UG79、UG99差异显著(P＜0.05), UG79 N2O浓度高于UG99, 但差异不显著(P＞0.05);冻结期, 土壤剖面N2O浓度基本相同, 无显著差异(P＞0.05)(图 3).可见放牧会导致该地区土壤剖面N2O浓度显著升高.
2.3 不同放牧条件下环境因子对土壤剖面CO2和N2O浓度的影响锡林郭勒草原地处中国北部, 为季节性冻土区, 冬季酷寒、漫长(图 5), 积雪覆盖时间长、厚度大(图 6), 且在土壤冻结前期和积雪融化后表层土壤存在着冻融交替的现象, 这种特殊的条件会影响温室气体的产生与排放.
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图 5 试验区气温与降雨量动态变化 Fig. 5 Variation of air temperature and precipitation in the experimental area |
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图 6 不同放牧条件下冻土层与积雪厚度动态变化 Fig. 6 Dynamic changes of permafrost and snow depth under different grazing conditions |
图 6反映了锡林郭勒草原不同放牧条件下的土壤冻、融和积雪覆盖特征.随着气温的降低(图 5), 3种处理均从2015年11月6日开始由地表向下冻结, 表层土壤开始冻结后, 土壤液态含水量迅速降低[图 2(d)], 转化为固态冰, 冻结初期(11月6~30日), 土壤冻结速度较快, 近于线性变化, 平均冻结速度约为2.8 cm·d-1.3种处理冻结初期土壤积雪覆盖有明显差异, 积雪厚度依次为UG99＞UG79＞CG, CG积雪厚度远小于其他两个处理, 最高值仅有56.7 mm, 而UG99处理则达到了130.0 mm, 这种差异使得CG样地冻结深度变化最快, 冻结速度为3.8 cm·d-1.随后, 积雪厚度逐渐增加, 由于积雪的弱导热性和大热容量等特性, 阻隔了土层热量的散失, 从而使土壤冻结速度变慢.在整个冻结期, 土壤温度和液态含水量均保持着一个相对较低的水平(图 2), 3种处理土壤剖面CO2和N2O浓度表现为相对稳定状态(图 2).
此后, 由于大气温度继续回升(图 5)及土壤温度的升高[图 2(c)], 土层中出现两个消融界面, 呈现出从地表和深层土壤同时向中间融化的现象, 此时土壤含水量增长幅度变大[图 2(d)等高线变密集], 且达到一个较高水平, 土壤剖面平均温度以及气温在0℃左右移动[图 2(c), 图 5], 不同处理土壤剖面N2O浓均呈现暴发式增长[图 2(b)], CO2浓度也有微弱升高.不同处理下, 土壤融化时间均从2016年3月25日开始, 但融化速率有所差异, 表现为CG融化最快, UG99融化最慢.到2016年4月11日, UG79和CG分别融化42、54 cm, 而UG99仅仅融化29 cm(图 6).虽然这种差异对土壤剖面CO2浓度无显著影响, 整个冻融期土壤剖面CO2浓度表现为：UG79＞UG99＞CG; 但冻融期土壤融化快慢对N2O的影响却不容忽视, 较少植被覆盖的CG处理, 土壤融化最快, 土壤温度和水分变化也较UG79、UG99剧烈(图 2), 土壤剖面N2O浓度最高, 由此围封处理(UG79、UG99)与放牧处理CG的N2O浓度差异显著(P＜0.05)(图 3).
夏季生长期, 不同土层土壤温度达到一年中最高值, 受降雨的影响(图 5), 土壤含水量也有一定的回升[图 2(d)], 不同处理间, CG在夏季植被生长期土壤温度较其他两个处理高, 其土壤剖面CO2浓度却低于UG79和UG99处理, N2O浓度却表现为最高(图 3).
3 讨论 3.1 季节性冻土区不同放牧条件对土壤CO2产生与排放的影响土壤CO2的产生来源于土壤呼吸, 包括3个生物学过程(土壤微生物呼吸、植物活根呼吸、土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(含碳物的化学氧化)[18].土壤水分和热量是土壤CO2产生的重要环境因子, 温度的升高能显著增加土壤中有机碳的分解速率, 参与呼吸作用的土壤微生物也随之增加, 从而导致土壤CO2显著增加.土壤水分主要通过改变微生物生理活动、呼吸作用底物、土壤通透性等来影响土壤呼吸, 有研究表明土壤含水量与CO2通量呈显著正相关[19].生长季土壤温度逐渐升高, 水分充足, 植物根系呼吸加快, 土壤中微生物活性增强及有机质的分解速度加快, 土壤CO2排放明显, 导致生长期土壤剖面CO2平均浓度显著高于冻结期和冻融期.且在生长季UG79土壤剖面CO2浓度最高, CG最低, 这主要是由于CG处理地表植被生长差, 土壤容重较大, 孔隙度减小, 持水和空气能力低, 不利于土壤和地下生物量的呼吸.这与王跃思等的结果一致[20].此外, CG处理, 表层CO2容易与大气发生气体交换, 下层CO2又难以扩散迁移, 因此CO2浓度随着土壤深度的增加而增加, 而UG79、UG99植被生长旺盛, 20 cm附近为根系活跃区, 因此CO2浓度最高.
非生长季, 植被根系呼吸作用产生的CO2可忽略不计, 同时土壤冻结也限制了土壤动物的呼吸, 因而此时期土壤CO2的产生主要来源于土壤微生物呼吸.本研究非生长季土壤剖面CO2浓度在土壤冻融期有所增加, 但与冻结期相比差异不显著.这一现象与高山苔原[21]、高纬度针阔叶林[22]、泥炭沼泽[23]等季节性冻融特征明显的生态系统不同, 在高山苔原、高纬度针阔叶林、泥炭沼泽等冻融期CO2排放量要显著高于冻结期, 这可能与本研究区域特殊的土壤与气候条件有关.除了冻融期土壤频繁冻融交替使得土壤微生物死亡, 为存活下来的微生物呼吸作用提供了有机质和养分导致CO2增加[24]; UG79、UG99处理生长期植被生长旺盛, 地下生物量较多[17], 与CG处理相比非生长季土壤中还残留着较多活体根系以及根系死亡后的腐烂残体, 加上土壤解冻期温度和含水量迅速回升, 土壤呼吸速度加快[25], 因此UG79、UG99处理解冻期CO2排放量要高于CG处理.
3.2 季节性冻土区不同放牧条件对土壤N2O产生与排放的影响当前多数研究结果为N2O释放通量与温度呈显著正相关关系[26, 27].土壤是微生物栖息的场所, 土壤温度升高导致土壤微生物活性增强, 促进硝化作用和反硝化作用的进行, 硝化作用最适温度是28℃[28], 反硝化作用最适温度是35℃[29].而本试验3种处理土壤剖面N2O浓度最大值并没有出现在夏季高温时期而在春季土壤冻融期, 并在冻融期前期呈现脉冲式释放.这种现象在冻融现象频繁的生态系统中, 十分普遍[2, 3].有研究表明, 土壤温度在0℃左右对于土壤N2O排放贡献最显著, 0℃是土壤冰水相变的转换点, 土壤液态含水量直接影响着微生物硝化反硝化作用, N2O的产生主要集中在非生长季的冻融期.陈哲[30]在对冻融环境下土壤氮素损失状况的论述中, 得出在耕地、草地、森林以及湿地等不同生态系统的研究中, 90%以上的冻融交替使得N2O排放量增加.土壤N2O的排放机制主要为微生物参与的土壤硝化以及反硝化作用, 而冻融交替能够提高微生物进行反硝化作用的营养底物.解冻期, 频繁的冻融交替能够杀死土壤中的某些微生物并释放出NH4+、NO3-等营养物质, 从而使得土壤中剩余的微生物活性增强, N2O排放增加; Campbell等[31]认为冻融作用破坏土壤团聚体, 导致不稳定有机碳暴露, 为反硝化微生物提供了更多的接触比表面积; 另外, 冻融期植物根系损伤会释放细胞液中的有机物质, 同时减少对土壤中无机氮的吸收, 使得土壤中NH4+和NO3-增加, 提高反硝化底物供给.还有研究表明, 土壤冻结时期土壤氮矿化量增加, 因此累积的NO3-使得解冻期反硝化微生物活动增强[32].因此, 温度是锡林郭勒草原N2O排放的一个限制因素而不是主要促进因素.
冻融期3个处理N2O均暴发式产生, 但CG处理土壤剖面N2O浓度显著高于UG79、UG99, 同时在生长季, CG处理N2O剖面浓度高于UG79、UG99, 而生长季UG79、UG99处理N2O仅有微弱产生.这种放牧的效应与Wolf等[12]在该试验区的发现不一致.生长季CG处理土壤剖面N2O浓度较高, 可能是由于本区全年降水量的70%~80%集中于7、8月也就是生长季(图 5), 夏季降水充足, 太阳辐射强, 水分蒸发快, CG处理植被覆盖较差, 土壤干湿交替频繁, 干湿交替不仅对于土壤硝化和反硝化作用有利, 同时也有助于N2O的排放[33], 此外生长季UG79、UG99植被长势旺盛, 吸收较多氮素, 从而减少土壤中NH4+等进行硝化作用的反应物, 限制了N2O的产生, 而CG处理生长季动物尿液和粪便随着雨水的冲刷进入土壤, 为土壤硝化与反硝化提供了充足的底物[34].冻融期, 随着气温的升高以及积雪的融化, 改善了土壤的水热环境, 土壤中硝化与反硝化作用强烈, 但由于动物的踩踏, CG处理土壤较UG79、UG99土壤更易形成厌氧微区, 土壤中反硝化细菌的反硝化潜势较高, 因此土壤剖面N2O浓度更高.
不同处理中, 土壤剖面N2O浓度均为表层(5 cm)最低, 这与以往的研究结果一致[35], 旱季作物也有类似的结果[16, 36].这种剖面分布特征与土壤剖面环境以及N2O的扩散过程有关[16], 表层土壤与下层土壤相比易与大气发生气体交换, 使得表层产生的N2O较易扩散进入大气, 此外, 频繁的气体交换不利于表层土壤形成厌氧微区, 不利于反硝化的进行; 下层土壤N2O扩散较慢, 春季冻融期雪融水的入渗, 使得土壤充气孔隙度减小, 利于反硝化的进行.
研究区冻融期N2O呈现脉冲式释放, 冻融期, 水分既不是最高(低于夏季降雨时), 但也不低(高于冻结期), 而温度正好又升到了零度以上(适合微生物活动), 由此, 这种适宜的条件促使了N2O的剧烈排放, 且由于过度放牧冻融交替更为快速, 由此释放最大.本研究的不足之处在于缺乏土壤冻融过程中土壤硝化反硝化微生物指标的测定, 难以对土壤冻融过程中土壤物理学机制之外的微生物学机制做出明确的解释, 还需在将来的研究中得以加强.
4 结论(1) 内蒙典型草原生态系统土壤剖面CO2具有明显的时空分布规律.生长期出现明显的浓度峰值, 冻结期变化平缓, 冻融期会有微弱升高, 冻融期在年际尺度上对CO2的排放起促进作用.3个处理中CG土壤剖面CO2浓度最低, 说明放牧能使该地区土壤剖面CO2浓度降低, 对于围封样地, 围封时间越长, 土壤剖面CO2浓度越高, 但差异不显著.此外, 放牧能够通过影响地表植被状况, 进而影响不同土层间CO2分布情况, 对于放牧处理土壤剖面CO2浓度随着土层的增加而增加, 而对于围封样地为根系活跃区CO2浓度最高.
(2) 内蒙古典型草原季节性冻土区冻融现象对土壤剖面N2O浓度具有明显的影响.土壤冻融期N2O存在脉冲式集中产生与释放.冻融期N2O产生与排放在非生长季中持续的时间短, 但却是温室气体产生的关键时期, 在全年产生总量中有着举足轻重的作用, 因而在此时期应重点监测.在N2O年度排放总量的估算中, 忽略了冻融交替时期对N2O产生的影响, 将会造成巨大的估算误差.各个时期放牧处理剖面N2O浓度均显著高于禁牧处理.由于N2O产生主要集中在冻融期, 且发生迅速, 所以对于不同土层, 3个处理整体表现为表层与底层N2O浓度差异显著, 其余各土层间N2O浓度差异不显著.
致谢: 本试验的现场采样工作由中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站工作人员协助完成, 在此表示感谢.| [1] |
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