高水平氮素添加促進內(nèi)蒙古溫帶典型草原生態(tài)系統(tǒng)碳固持

范利可,李坤育，齊利園，陳安群，白文明，李國勇，張克勝

(1.河南大學 生命科學學院; 全球變化生態(tài)學國際聯(lián)合實驗室,河南 開封 475004；2.中國科學院 植物研究所；植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093；3.洛陽理工學院 發(fā)展規(guī)劃處,河南 洛陽 471023)

工業(yè)革命后，人類活動的加劇和化石燃料的燃燒導致大氣氮(N)沉降急劇增加[1].全球尺度的氮沉降研究發(fā)現(xiàn)，全球氮沉降總量從1860年到1990年增加了近3倍，預計在2050年翻倍[2].同時，基于實測數(shù)據(jù)的模型模擬結果表明,2011年至2015年間中國大氣氮沉降速率為(20.4±2.6) kg·m-2·a-1，且后續(xù)將持續(xù)維持在較高的沉降速率水平上[3].

陸地植物在生長過程中普遍存在氮限制，而大氣氮沉降導致的氮富集剛好可以部分緩解養(yǎng)分貧瘠地區(qū)的氮素制約[4].氮沉降通過增加陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳(C)固存，有助于減輕人為二氧化碳排放帶來的負面影響[5].但氮富集引起的土壤酸化也會降低植物和微生物的物種多樣性，從而減弱陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固持能力[6].凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem productivity,NEP)是生態(tài)系統(tǒng)光合作用和呼吸作用的凈差值，其微小的變化將極大地影響全球碳平衡，并影響全球氣候的變化[7].因此，準確評估氮沉降條件下陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈碳固持至關重要.目前學者們廣泛認可氮沉降可以增強生態(tài)系統(tǒng)碳吸收這一結論，但是對氮沉降如何影響生態(tài)系統(tǒng)碳釋放的認識并不統(tǒng)一，研究結果發(fā)現(xiàn)有增加、減少和不變等不同的效果.因此對于同時受陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和碳排放影響的NEP對氮添加的響應還不明確.例如，在青藏高原高寒草甸進行的一項研究[8]與在黃土高原開展的一項實驗[9]均顯示：氮素添加對NEP的影響并未達到顯著水平；在內(nèi)蒙古典型草原進行的研究則發(fā)現(xiàn)NEP隨著施氮量的提高而非線性增加[10].氮添加量的不同是造成實驗結果不同的原因之一，目前大多數(shù)研究僅使用兩種水平的氮處理(即對照和模擬氮富集)來研究氮添加對碳循環(huán)的影響，多水平的氮素添加實驗相對較少，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對于多水平氮素添加的響應模式及其機制仍存在爭議[11].

草地大約占總陸地總面積的40%，每年每公頃草地可存儲約3.4 t碳，并且提供多個生態(tài)系統(tǒng)服務[12].在全球尺度上，草原對土壤碳匯的年際變化有很大的調(diào)節(jié)作用[13].因此，草地生態(tài)系統(tǒng)在驅動全球土壤碳循環(huán)變化方面發(fā)揮著關鍵作用，且草地生態(tài)系統(tǒng)相對于森林生態(tài)系統(tǒng)對氮的波動更為敏感，是研究氮沉降對于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響的良好平臺[14].為了更好地理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對于不斷增加的氮沉降的響應機制，一項探討氮素添加對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量影響的長期多水平氮素添加實驗由此開展，以期回答以下兩個科學問題：1)氮素添加速率如何通過影響溫帶典型草原碳吸收和碳排放，進而影響生態(tài)系統(tǒng)凈碳固持.2)氮素添加條件下溫帶典型草原生態(tài)系統(tǒng)凈碳固持的主要決定因素有哪些.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟多倫縣境內(nèi)的中國科學院多倫恢復生態(tài)學實驗示范研究站(116°17′E,42°02′N)開展.該研究地屬于典型的大陸性溫帶季風氣候，年平均氣溫2.1 ℃，年均降水量385 mm.在生長季內(nèi)(5月至10月)發(fā)生的降雨約占全年的90%.栗鈣土為實驗樣地內(nèi)的主要土壤類型，pH值約為6.84[10,15].天然植被以典型草原為主，優(yōu)勢物種主要包括：羊草(Leymuschinensis),克氏針茅(Stipakrylovii),冷蒿(Artemisiafrigida),菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)等.

1.2 實驗設計

該實驗平臺建立于2003年7月，實驗期間已排除放牧的影響.采用人工施氮的方法，研究施氮對溫帶草原植物群落結構和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[16].施氮處理設置8個氮素添加水平：0(N0),1(N1),2(N2),4(N4),8(N8),16(N16),32(N32),64(N64) g·m-2·a-1，每個水平8個重復，共有64個小區(qū)，2005年將其中的一半進行刈割處理.在每年的7月根據(jù)各樣方對應的氮素添加速率稱取相應質(zhì)量的尿素，均勻地拋灑在樣地中.為了探究多水平氮素添加條件下草原生態(tài)系統(tǒng)碳固持的響應，本研究于2015-2016年的生長旺季6,7,8月份僅在不割草的氮素添加樣地進行了野外實驗數(shù)據(jù)的采集.

1.3 觀測指標及測定方法

本研究中生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測指標有3個，分別是生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(Gross primary productivity,GPP),凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Ecosystem respiration,ER).先使用Li-6400便攜式光合測定儀(Li-6400,Li-Cor,Lincoln,NE,USA)測定出NEP和ER，再將NEP與ER相加即可得出GPP的值.Li-6400便攜式光合測定儀由1臺主機和1個邊長50 cm且單面開口的立方體透明有機玻璃同化箱兩部分組成.測定時，將同化箱開口一側放置在樣方框上并保證其氣密性良好，然后通過同化箱對角的兩個小風扇轉動以帶動氣體通過Li-6400便攜式光合測定儀的氣體分析探頭，從而測定出一段時間內(nèi)同化箱內(nèi)的CO2氣體濃度變化速率[17-18]，即NEP.ER的測定與GPP測定方法一致[7].

利用土壤CO2通量自動化系統(tǒng)(Li-8100,Li-Cor,Lincoln,NE,USA)來測量土壤呼吸(SR).利用附著在Li-8100上的熱電偶探針測量每個小區(qū)10 cm深度的土壤溫度(ST).使用便攜式時域反射儀(TDR)設備(Soil moisture equipment corp.,Santa Barbara,CA,USA)在2015年和2016年生長季的測量日，測量了0～10 cm土層的土壤含水量(SM).在每個樣地50 cm×50 cm的樣方框中采集植物地上生物量(AGB)，并分為禾類草地上生物量(AGBgrass)和非禾本科雜類草地上生物量(AGBforb).在同一樣方框中用直徑為5 cm的土壤土鉆采集植物地下生物量(BGB).在生物量收獲之前，用棉線將1個1 m×1 m的金屬框架分成100個面積為0.01 m2的網(wǎng)格，來估算每個地塊的植物覆蓋度(Cover).Cover是通過植物冠層所占網(wǎng)格的比例來評價的[7,17].

1.4 統(tǒng)計分析方法

首先采用混合效應模型(Mixed effects models)分析了GPP,ER和NEP在2015-2016年不同氮添加處理組與對照組變化值的潛在交互效應，并采用最小顯著差異(Least significant difference,LSD)方法對任意2個氮素添加水平進行兩兩檢驗，檢測各處理組中GPP,ER和NEP相比對照組是否存在顯著性差異.隨后通過線性回歸分析，確定GPP,ER和NEP隨氮素添加速率的變化規(guī)律，并采用斜率差異顯著性分析確定GPP,ER和NEP對于隨氮素添加速率的變化趨勢是否一致.之后采用多元逐步回歸分析(Multiple regression analysis)篩選出影響GPP,ER和NEP的各項生物和非生物因素，并根據(jù)赤池信息量準則(Akaike information criterion,AIC)選擇出最優(yōu)模型，最后將N添加量及其他因子放入結構方程模型進行擬合，尋找氮添加后生物和非生物因素影響GPP和ER的路徑.結構方程模型(Structural equation model,SEM)通過AMOS 24.0軟件(IBM,SPSS)完成，其他數(shù)據(jù)分析均在SAS V.8.1(SAS Institute,Cary,NC,USA)中進行.

2 結 果

2.1 溫帶典型草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量對不同水平氮素添加速率的響應

高水平的氮素添加(32和64 g·m-2·a-1)對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量有顯著影響，而低水平的氮素添加(0～16 g·m-2·a-1)對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量影響不顯著(圖1).對2015-2016年的觀測數(shù)據(jù)進行重復測量方差分析，結果顯示氮素添加顯著影響GPP,ER和NEP(P<0.05)，且氮素添加與測定時間對碳通量的影響存在交互作用(對于GPP和NEP,P<0.05；對于ER,P<0.05).多重比較分析發(fā)現(xiàn)，N32分別使GPP,ER和NEP增加了23.2%,20.0%和26.5%；N64分別使GPP,ER和NEP增加了28.5%,21.1%和36.8%.此外，N1,N2,N4,N8和N16處理下GPP,ER和NEP與N0處理下相比差異均不顯著(P>0.05).

2.2 草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量與氮素添加速率的線性關系

線性回歸分析顯示，溫帶典型草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量(GPP,ER和NEP)與氮素添加速率之間均存在顯著線性相關，GPP,ER和NEP均隨著氮素添加速率的增加呈線性增加(GPP:最小AIC為20.2,P<0.01;NEP:最小AIC為7.6,P<0.05;ER:最小AIC為12.0,P<0.01;圖2).之后分別對GPP,ER和NEP與氮素添加速率的線性擬合方程進行斜率差異顯著性檢測，結果顯示GPP和ER與氮素添加速率的擬合方程斜率存在顯著性差異(P<0.05).由于GPP隨著氮添加量增加的擬合直線斜率顯著大于ER，表明GPP比ER對于氮素添加更為敏感，即：隨著氮素添加速率的增加，GPP的增加量顯著大于ER的增加量，最終導致NEP隨著氮添加速率的增加也呈現(xiàn)線性增加.

2.3 多水平氮素添加條件下草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響因素

將生物因素和非生物因素(N,ST,SM,SR,AGB,BGB,AGBgrass,AGBforb,Cover)作為因變量分別對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量指標(GPP,ER和NEP)進行多元逐步回歸分析.影響GPP的最優(yōu)模型中保留N,SM和Cover；影響ER的最優(yōu)模型中保留N,SM,SR和Cover.模型分別解釋了GPP變異的68%和ER變異的57%(圖3).

結構方程模型顯示：氮素添加條件下，GPP受到N,Cover和SM影響；ER則受到N,Cover,SM和SR的影響.添加N后，AGBgrass,Cover,BGB增加，而AGBforb,SM,SR下降.N,Cover和SM共同解釋了GPP變化的68%(圖3(a))，GPP與N,Cover和SM均呈現(xiàn)正相關的關系，影響GPP變化的直接因素包括氮的促進作用,Cover增加的促進作用以及SM下降的抑制作用，其中Cover和SM為兩大主要調(diào)控因素.N,Cover,SM和SR共同解釋了ER變異量的57%(圖3(b))，ER與N,Cover,SM和SR均呈現(xiàn)正相關的關系.與GPP類似，氮素添加不僅通過直接影響促進ER，還通過Cover增加產(chǎn)生的促進作用和SM下降導致的抑制作用和SR增加的間接影響，與GPP不同的是，ER主要受到Cover和SR調(diào)控.

3 討 論

3.1 生態(tài)系統(tǒng)碳通量隨氮素添加速率增加的變化

本研究發(fā)現(xiàn)，高水平(32和64 g·m-2·a-1)的氮素添加處理顯著地促進了生態(tài)系統(tǒng)碳交換過程.高水平的氮素添加條件下溫帶典型草原的GPP和ER均呈現(xiàn)增加，但由于GPP與氮素添加速率的線性擬合方程斜率顯著大于ER，隨著氮素添加水平的增加，GPP的增幅顯著大于ER的增幅，導致NEP的增加，表明氮素添加增強了溫帶典型草原的碳吸收能力.

在本研究中，氮素添加顯著地提高了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)速率，這與先前在中國北方草地上的研究結果一致[19].同時，文獻[8]在高山草甸中進行的一項氮梯度實驗也顯示：與對照相比，施氮處理顯著提高了GPP,NPP和NEP.雖然氮素添加會影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)速率已成為共識，但是氮素添加對生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響方向卻存在較大爭議，這主要是由氮素添加后GPP和ER對其響應程度的差異造成的.一項針對氮輸入對生態(tài)系統(tǒng)碳,氮循環(huán)影響的meta分析中顯示氮素添加通過增加外源性氮輸入量，增加了土壤中的無機氮含量進而促進植物生長使GPP增大，同時促進土壤呼吸[20]，這一結論與我們的研究結果一致.目前的大多數(shù)氮素添加實驗中均發(fā)現(xiàn)氮素添加會顯著促進生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力[21].這是由于氮素是植物生長的主要限制因子之一，額外的氮輸入一方面會顯著提高植物的葉片氮含量，提高植物葉片的光合能力；另一方面，進入土壤的氮素可以通過植物微生物的相互作用及碳、氮交換過程來調(diào)節(jié)植物的凈初級生產(chǎn)力[22].游成銘等[22]在內(nèi)蒙古典型草原開展的實驗發(fā)現(xiàn)氮素添加通過提高葉片氮濃度來增強植被的光合能力，進而增加了GPP，但由于氮素添加對ER的影響微弱，使NEP顯著增加，最終使生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力增強.張麗華等[23]在三江平原沼澤濕地的一項實驗發(fā)現(xiàn)氮素添加后生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力下降，這與我們的研究結果不一致，其主要原因是雖然氮素添加后GPP顯著提高，但由于氮素對ER的影響遠大于對GPP的影響，氮輸入后NEP反而降低，減弱了碳“匯”的功能.武倩等[24]在內(nèi)蒙古荒漠草原的研究發(fā)現(xiàn)，氮素添加后碳循環(huán)方向未發(fā)生改變，這也與我們的結果不一致，這是由于在這項研究中氮素添加使GPP和ER均顯著增加，但由于兩者對于荒漠草原碳的吸收和釋放的影響幅度相近，并沒有導致生態(tài)系統(tǒng)碳交換方向的顯著變化.PENG等[25]在對青藏高原的研究發(fā)現(xiàn)在高寒草原生態(tài)系統(tǒng)中，隨著施氮量的增加，碳通量呈非線性變化.這與我們的研究結果不一致，分析原因是PENG等認為植物氮、磷比在碳交換過程中起主導作用，而土壤溫度和水分僅是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)和碳通量隨氮添加梯度變化的次級預測因子.

本研究中設置了8個梯度的氮素添加水平，其中0～16 g·m-2·a-1的氮素添加對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響不顯著，而32 g·m-2·a-1和64 g·m-2·a-1的氮素添加處理顯著提高了草地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和排放速率，最終導致高水平氮素添加下生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能進一步增強.導致這一結果的主要原因是GPP比ER對于氮素添加更為敏感.而在半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)中開展的一些研究也發(fā)現(xiàn)由于受到底物供應過程GPP的限制，ER的增幅將遠低于其底物供應過程即GPP的增幅[26-29].

3.2 氮添加條件下總初級生產(chǎn)力(GPP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(ER)的調(diào)控因子

氮素添加后，AGB和BGB均呈現(xiàn)顯著增加，表明植物碳庫在氮素添加后顯著增加.但是在將地上植物按照禾類草和非禾本科雜類草區(qū)分后發(fā)現(xiàn)，氮素添加在顯著促進禾類草生物量的同時顯著抑制非禾本科雜類草生物量，這與DU等[28]在內(nèi)蒙古多倫縣典型草地開展的另一項氮素添加實驗的結果一致.氮素添加后群落蓋度顯著增大，而較大的群落蓋度意味著較好的植物生長以及較多的植物葉片，在提供更多可用于光合作用的葉片的同時也使植物呼吸作用增強，導致生態(tài)系統(tǒng)的光合作用和呼吸作用與群落蓋度均呈現(xiàn)正相關關系.水分也是植物光合作用的底物[29]，GPP與SM表現(xiàn)出顯著的正相關.而在本研究中發(fā)現(xiàn)氮素添加增加了AGB和Cover，這也帶來了更多的蒸騰作用，導致了SM的相對下降，YAN等[30]的結果同樣支持了這一觀點，SM的下降也在一定程度上抑制了Cover增加所提升的碳吸收能力.與GPP類似，ER也與Cover呈現(xiàn)顯著正相關，即氮素添加后較好的植物生長促進了生態(tài)系統(tǒng)的光合作用和呼吸作用.在本研究中觀察到的各項指標對氮素添加的響應(如SR的降低和AGB的增加)與BLOOM等[31]提出的最優(yōu)配置理論基本一致.但在本研究中，BGB出現(xiàn)了異常的增加，這與大多數(shù)氮素添加實驗中出現(xiàn)的植物地上生物量增加而地下生物量降低不一致，這是由于氮素添加后Cover增加導致蒸騰作用加劇，進一步降低了半干旱草地的水分含量，植物為了獲取最有限的資源而將自身調(diào)整到最優(yōu)分配資源的情況，分配更多的能量到根部生長用于吸收水分.作為生態(tài)系統(tǒng)呼吸的一部分，高濃度的氮素添加導致SM的降低，間接導致SR降低最終導致生態(tài)系統(tǒng)呼吸的部分下降，在一定程度上抵消掉了群落蓋度提高所增加的呼吸作用.

綜上所述，高水平的氮素添加導致GPP的增速大于ER的增速，從而增強了溫帶典型草原生態(tài)系統(tǒng)凈碳固持能力.這是由于GPP和ER對氮素添加響應的敏感性不同造成的.模型也揭示了施氮后影響GPP和ER變化的直接或間接影響因子及其影響路徑：氮添加對GPP產(chǎn)生直接促進作用，同時氮添加通過影響生物量使植被覆蓋度顯著增大，土壤濕度受到一定抑制，二者均對GPP有直接顯著促進作用；氮添加對ER也產(chǎn)生直接促進作用，通過植被蓋度增加產(chǎn)生的促進作用和土壤濕度下降導致的抑制作用和土壤呼吸增加的間接影響，共同促進生態(tài)系統(tǒng)呼吸.GPP主要受氮添加量、植被蓋度和土壤濕度的調(diào)控.ER主要受氮添加量、植被蓋度、土壤濕度和土壤呼吸的調(diào)控.在未來全球變化導致氮沉降現(xiàn)象更嚴重的情況下，高速率的氮沉降將有助于草原生態(tài)系統(tǒng)對于CO2的吸收.這些研究結果不僅有助于加強關于氮沉降對溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認識，還有助于未來全球變化情景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)準確預測.