放牧牲畜糞尿返還對(duì)季節(jié)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(diǎn)區(qū)域，季節(jié)性凍融會(huì)不同程度改變糞尿養(yǎng)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(fù)雜且作用機(jī)理尚不明確。本文采用靜態(tài)箱-氣相色譜法開展為期1年的野外控制試驗(yàn)，探究牦牛和藏綿羊糞尿處理對(duì)季節(jié)性凍融藏北高寒草原土壤氮?jiǎng)討B(tài)及N2O排放通量的影響和可能的作用機(jī)制。結(jié)果表明：尿液施加對(duì)土壤N2O排放的短期促進(jìn)作用明顯，且均在處理第1天達(dá)到排放通量峰值；牦牛糞尿施加對(duì)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(duì)非生長季的貢獻(xiàn)最大。研究結(jié)論有助于為優(yōu)化牲畜排泄物管理模式和促進(jìn)季節(jié)性凍融高寒草地溫室氣體減排等提供理論參考。

關(guān)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(hào)：S812.2""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""" 文章編號(hào)：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(dòng)影響的重要溫室氣體，由于其超高的增溫潛勢(shì)以及對(duì)臭氧層的潛在破壞力而備受關(guān)注［1-2］。據(jù)世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）發(fā)布的《2021年全球溫室氣體公報(bào)》顯示［3］，2021年全球N2O平均濃度為工業(yè)化前的124%。N2O濃度的增加加劇了全球溫室效應(yīng)［4］，而且自身較強(qiáng)的滯留性使其產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型（Dynamic land ecosystem model，DLEM）［6］和全球氮?jiǎng)討B(tài)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(dòng)態(tài)變化與草地類型差異等諸多因素都會(huì)影響草地N2O排放量的估算［8］。在季節(jié)性凍融高寒草地，凍融循環(huán)會(huì)不同程度改變草地土壤理化特性和微生物活性，調(diào)控放牧牲畜糞尿斑塊降解及其養(yǎng)分返還效率等從而影響草地土壤氮?jiǎng)討B(tài)、氮轉(zhuǎn)化過程及其N2O排放通量［9］。

放牧牲畜糞尿返還是草地生態(tài)系統(tǒng)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(qiáng)草原土壤硝化與反硝化作用，并使得氮素轉(zhuǎn)化與N2O排放在糞尿覆蓋區(qū)域更為活躍［12-13］。然而，不同類型的糞尿添加對(duì)土壤氮輸入量有較大差異，進(jìn)而可能對(duì)土壤N2O排放產(chǎn)生不同程度影響。例如，Cai等［14］針對(duì)藏北高寒草原的研究發(fā)現(xiàn)，與羊糞處理相比，牛糞處理導(dǎo)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(chǎn)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(huì)改變土壤氧化還原環(huán)境，并可能引起激發(fā)效應(yīng)，從而導(dǎo)致短期內(nèi)N2O大量排放。Ma等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)蒙古溫帶草地中，施加羊尿促進(jìn)了土壤N2O排放，且施加氮含量更大的牛尿可能對(duì)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(jìn)土壤N2O排放，且尿液處理的短期作用更為顯著［15-16］。針對(duì)不同類型草地以及特定的氣候環(huán)境下，牲畜糞尿返還對(duì)草地土壤N2O排放的差異性影響還需進(jìn)一步探究。我國天然草地大多數(shù)分布在中高緯和高海拔地區(qū)，季節(jié)性凍融現(xiàn)象普遍存在［17］。凍融循環(huán)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞、微生物和根系的死亡會(huì)釋放可利用養(yǎng)分，從而促進(jìn)土壤氮轉(zhuǎn)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(xiàn)土壤N2O排放峰值。類似地，在內(nèi)蒙古典型草原的研究發(fā)現(xiàn)［20］，土壤剖面N2O濃度最大值未出現(xiàn)在生長季而在春季土壤凍融期，且在凍融期前期呈現(xiàn)脈沖式釋放。而且，王廣帥等［21］報(bào)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(duì)非生長季與全年貢獻(xiàn)都較大?？傮w來看，凍融循環(huán)有助于促進(jìn)土壤N2O排放，使得春融期易出現(xiàn)N2O排放峰值，且春融期土壤N2O排放貢獻(xiàn)量在全年占主導(dǎo)地位。

總體來看，當(dāng)前諸多研究普遍關(guān)注不同草地類型下牲畜排泄物作用的土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)［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(guān)于季節(jié)性凍融背景下不同凍融期和牲畜糞尿返還耦合驅(qū)動(dòng)下高寒草地土壤N2O排放特征和關(guān)鍵機(jī)制還需進(jìn)一步探究。因此，本文擬依托藏北高原季節(jié)性凍融高寒草原開展為期1年的野外控制試驗(yàn)，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(jìn)而為優(yōu)化放牧牲畜排泄物管理模式、促進(jìn)季節(jié)性凍融高寒草地溫室氣體減排和維持脆弱草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展等提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究依托中國科學(xué)院申扎高寒草原與濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)試驗(yàn)站（30°57′ N，88°42′ E，海拔4 675 m）高寒草原觀測(cè)場(chǎng)開展野外控制試驗(yàn)。研究區(qū)屬高原亞寒帶半干旱季風(fēng)氣候，空氣稀薄，太陽輻射強(qiáng)烈。冬季漫長而寒冷，夏季短而溫涼、降雨少且絕大多數(shù)降水發(fā)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(shí)數(shù)分別為0.4℃，299 mm和2 916 h［22］。研究區(qū)屬于藏北高原季節(jié)性凍融區(qū)，凍結(jié)期和消融期往往伴隨著草地活動(dòng)層土壤的日凍融循環(huán)現(xiàn)象。參考相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［23-24］，申扎季節(jié)性凍土區(qū)年度凍融過程大體可以劃分為4個(gè)階段：土壤凍結(jié)期（10月下旬—11月下旬）、穩(wěn)定凍結(jié)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(qū)優(yōu)勢(shì)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(jù)中國土壤系統(tǒng)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(yàn)設(shè)計(jì) 野外控制試驗(yàn)于2021年8月中旬開始，于2022年8月中旬結(jié)束，試驗(yàn)期為1年。試驗(yàn)開始前，依托高寒草原觀測(cè)場(chǎng)選擇地勢(shì)平坦且植被長勢(shì)均一的地塊布設(shè)1 m×1 m的試驗(yàn)樣方。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域分別設(shè)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(duì)照（CK）5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。為了便于在每個(gè)凍融階段末期采集殘留的糞便樣品和土壤樣品，該試驗(yàn)分別設(shè)置4個(gè)批次的獨(dú)立樣方用于氣體采集和樣品收集，共計(jì)60個(gè)試驗(yàn)樣方。在每個(gè)處理對(duì)應(yīng)的樣方內(nèi)安置一個(gè)靜態(tài)箱底座，底座尺寸（長×寬×高）50 cm×50 cm×15 cm，在采樣數(shù)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(duì)底座內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，避免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)前在試驗(yàn)場(chǎng)附近的牦牛和藏綿羊宿營地隨機(jī)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(dú)的干凈塑料桶內(nèi)，低溫儲(chǔ)存，直至足夠?qū)嶒?yàn)所需的糞尿量。在靜態(tài)箱底座埋入土壤后，通過人工添加糞尿的方式模擬野外實(shí)際糞尿斑塊特征進(jìn)行斑塊大小、形狀和施加量的設(shè)置，將獨(dú)立混合均勻的牦牛和藏綿羊糞尿樣品分別施加到對(duì)應(yīng)標(biāo)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(shù)見表1。

1.2.2 采樣與分析測(cè)試 溫室氣體采集與N2O濃度分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法［26］。靜態(tài)箱為組合式不銹鋼，由底座和頂箱兩部分構(gòu)成，頂箱尺寸（長×寬×高）50 cm×50 cm×50 cm（封頂），箱體側(cè)面安裝有溫度計(jì)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(cè)結(jié)果。氣體采用醫(yī)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(nèi)，并記錄采樣時(shí)間和箱內(nèi)溫度。隨后每隔10 min采集一次，即每個(gè)處理分別在0，10，20，30 min進(jìn)行氣體收集，共采集氣體4次。根據(jù)一年中不同凍融時(shí)期的凍融特征差異設(shè)置了不同的采氣頻率。其中，凍結(jié)期和消融期因土溫反復(fù)波動(dòng)，活動(dòng)層存在較為頻繁的日凍融循環(huán)，導(dǎo)致溫室氣體排放量較大，因此采氣頻率設(shè)置較高，平均每周2次；穩(wěn)定凍結(jié)期土壤完全凍結(jié)，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(huán)境條件的影響，因而采氣頻率為平均每周1次。年度試驗(yàn)期內(nèi)共開展人工靜態(tài)箱野外采氣33次，完成了不同凍融期的采氣計(jì)劃。采集糞樣時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)樣方內(nèi)先收集牛羊糞斑塊，剔除表面雜質(zhì)并及時(shí)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(shí)驗(yàn)室，混合均勻后分成兩部分并分別做冷藏和風(fēng)干處理備用。土壤樣品采集時(shí)剔除碎石和殘根等雜物后將土樣過2 mm篩后迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儲(chǔ)存?zhèn)溆谩榱吮阌诜謩e對(duì)牛羊糞和土壤樣品進(jìn)行不同理化指標(biāo)的分析測(cè)定，將土壤和牛羊糞樣品一份鮮樣冷藏保存用于測(cè)定樣品的含水量、銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）含量，另一份自然風(fēng)干用于后期烘干粉碎測(cè)定樣品的pH值、全氮（Total nitrogen，TN）含量等指標(biāo)。

其中，土壤和糞便理化指標(biāo)采用常規(guī)分析方法測(cè)定，含水量用烘干法測(cè)定（DHG-9240，Shanghai Jing Macro，Shanghai，China），溫度105℃，時(shí)間為72 h。NO-3-N和NH+4-N采用2 mol·L-1 KCl提取，流動(dòng)注射分析儀測(cè)定（Smartchem 2000 Discrete Auto Analyzer，Alliance，F(xiàn)rance）。土壤TN使用土壤碳氮分析儀測(cè)定，pH值測(cè)定采用酸度計(jì)（PE-10，Sartorious，Germany）電位法（土∶水=1∶2.5）［27］。N2O濃度采用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定，經(jīng)氣相色譜測(cè)定后根據(jù)公式（1）計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度，V為靜態(tài)箱體積，A為靜態(tài)箱底座面積，Ps為樣品采集地大氣壓強(qiáng)（kPa），P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓強(qiáng)（101 kPa），T為取樣時(shí)靜態(tài)箱體內(nèi)絕對(duì)溫度（K），T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)溫度（273 K），dC/dt為氣體濃度隨時(shí)間變化速率。再根據(jù)氣體排放通量計(jì)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(xiàn)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(shù)，n為觀測(cè)期間總測(cè)定次數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）針對(duì)土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量與N2O累積排放量在同一處理下不同時(shí)期的差異進(jìn)行分析，以及同一時(shí)期不同處理間的差異進(jìn)行檢驗(yàn)和多重比較（Plt;0.05）。利用SPSS 21.0進(jìn)行Pearson相關(guān)分析法分析環(huán)境因子與土壤N2O排放通量之間的關(guān)系，并基于Canoco 5的主成分分析（PCA）研究土壤理化性質(zhì)對(duì)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(shí)期、糞尿處理及兩者交互作用對(duì)高寒草原土壤N2O累積排放量的影響進(jìn)行分析。所有數(shù)據(jù)處理在Excel 2020和SPSS 21.0上進(jìn)行，采用Origin 2021進(jìn)行各類圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期氣溫和降水特征

在1年的試驗(yàn)期內(nèi)，日均氣溫和土壤溫濕度總體都呈現(xiàn)“V”型變化特征（圖2）。試驗(yàn)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(shí)期的平均溫度分別為：凍結(jié)期（-2.67℃）、穩(wěn)定凍結(jié)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(xiàn)出準(zhǔn)周期性的變化。此外，試驗(yàn)期降水主要集中在生長季（5—9月），凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)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(dòng)態(tài)變化

2.2.1 土壤礦化氮含量變化 隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，糞尿返還對(duì)土壤NH+4-N含量的影響呈現(xiàn)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(wěn)定凍結(jié)期末與完全融化期末保持較低水平，而峰值則分別出現(xiàn)在凍結(jié)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(jié)期末和消融期末均高于其他處理（圖3）。此外，與凍結(jié)期末相比，穩(wěn)定凍結(jié)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(wěn)定凍結(jié)期末均達(dá)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(jīng)過不同試驗(yàn)期后呈現(xiàn)較大的差異性變化特征（圖4）。在各凍融時(shí)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(wěn)定凍結(jié)期末，CK，YD，TSD及YU處理0～5 cm土層NO-3-N含量與凍結(jié)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(shí)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(dá)到了峰值，分別為13.4，1.64，1.74和5.60 mg·kg-1（圖4（a））；此時(shí)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(dá)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(yàn)期呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化趨勢(shì)（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(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，YU，TSU與TSD處理導(dǎo)致0～5 cm土壤TN含量在凍結(jié)期末均達(dá)到峰值，分別為0.47，0.47和0.53 g·kg-1（圖5（a））。然而，在穩(wěn)定凍結(jié)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(jié)期末均有減少，且此時(shí)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(yàn)期間，各處理土壤N2O排放通量均為正值，表現(xiàn)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(xiàn)在溫度最低的穩(wěn)定凍結(jié)期（圖6）。消融期各處理N2O排放通量呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，而凍結(jié)期除TSD處理外其他處理N2O排放表現(xiàn)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(dá)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(dá)到峰值（圖6）。此外，各處理在消融期的N2O平均排放通量表現(xiàn)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(wěn)定凍結(jié)期的2.90，2.83，3.68，3.17和2.89倍。

2.3.2 N2O累積排放量 經(jīng)過1年試驗(yàn)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(xù)時(shí)間最長，各處理土壤N2O累積排放量均高于其他時(shí)期。相比之下，消融期持續(xù)時(shí)間約占全年的14.0%，但此時(shí)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(shí)，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）?？傮w來看，凍融期（凍結(jié)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(jié)期+穩(wěn)定凍結(jié)期+消融期）持續(xù)時(shí)間約占全年的48.5%，與生長季相比此時(shí)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(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，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(duì)全年N2O累積排放的貢獻(xiàn)不容忽視。此外，方差分析表明，不同凍融時(shí)期、不同處理以及兩者交互作用對(duì)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(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析結(jié)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(guān)（Plt;0.01），并與YU處理呈顯著正相關(guān)關(guān)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(guān)（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(zhì)變化對(duì)土壤N2O排放通量的影響（圖9）。結(jié)果顯示，YD和YU處理的土壤NH+4-N和NO-3-N指標(biāo)對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，其中TSD和TSU處理比較明顯。土壤NH+4-N和NO-3-N對(duì)土壤N2O排放通量的貢獻(xiàn)最大。

3 討論

一般而言，硝化與反硝化作用是氮轉(zhuǎn)化的兩個(gè)重要途徑，都伴隨著副產(chǎn)物N2O的產(chǎn)生和排放［28-30］。牲畜糞尿中有機(jī)氮通過生物化學(xué)反應(yīng)（如尿液尿素的水解作用，糞便有機(jī)氮的礦化作用）產(chǎn)生礦化氮，之后進(jìn)一步參與硝化與反硝化過程并導(dǎo)致N2O排放［31］。本研究發(fā)現(xiàn)，牛羊糞尿施加會(huì)促進(jìn)土壤N2O排放，但兩者在驅(qū)動(dòng)草地土壤N2O釋放中的表現(xiàn)并不一致。YU與TSU處理使得土壤N2O在第1 d達(dá)到排放峰值，而YD與TSD處理土壤N2O排放峰值的出現(xiàn)則具有滯后性，表明牛羊尿液較糞便對(duì)草地土壤N2O排放具有更明顯的短期促進(jìn)效應(yīng)。這一方面是由于牛羊尿液和糞便斑塊形態(tài)特征不同，液態(tài)形式的尿液更容易滲透進(jìn)入土壤增加土壤含水量并加速微生物活動(dòng)。固態(tài)的糞斑降解過程緩慢且短期內(nèi)對(duì)土壤理化和微生物特性的影響相對(duì)較為滯后［13］。另一方面，兩者自身氮含量和形態(tài)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(dāng)天達(dá)到排放通量峰值。這與Cai等［33］研究結(jié)論較為一致，即尿液的輸入可在短時(shí)間內(nèi)改變土壤氧化還原環(huán)境并可能引起激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致土壤短期內(nèi)大量N2O排放。相比之下，糞便斑塊中的氮主要以有機(jī)態(tài)形式存在，其礦化途徑主要包括蛋白物質(zhì)的氨化、氨基酸糖化及其多聚體的氨化，以及核酸物質(zhì)的脫氨等多種復(fù)雜過程，較難在短時(shí)間內(nèi)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(dǎo)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(jié)果顯示，YU和YD處理的土壤NH+4-N和NO-3-N指標(biāo)對(duì)土壤N2O排放通量的影響最為明顯。主要是由于試驗(yàn)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(gè)處理土壤NH+4-N含量在凍結(jié)期末、穩(wěn)定凍結(jié)期末以及消融期末顯著高于其他處理?？衫玫扛蟮年笈＜S尿?qū)ζ涓采w的土壤區(qū)域有持續(xù)的供氮能力，通過提供充足的反應(yīng)底物從而增強(qiáng)土壤硝化和反硝化作用促進(jìn)N2O排放［36］。同時(shí)，單次排尿體積更大的牛尿斑塊更易通過土壤孔隙進(jìn)入表層和深層土壤［37］，通過更顯著地改變土壤剖面氮轉(zhuǎn)化過程，促進(jìn)土壤N2O排放。Pan等［38］研究指出，排泄物施加會(huì)導(dǎo)致土壤NO-2濃度的增加及厭氧程度的增強(qiáng)。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(tuán)簇狀，牛羊糞在形狀與分布上的差異使得牛糞沉積產(chǎn)生的厭氧環(huán)境較羊糞作用更為突出，有利于反硝化細(xì)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(jié)構(gòu)和氮含量等的突出影響，使得兩者相比羊尿和羊糞對(duì)土壤氮過程和N2O產(chǎn)排作用更顯著且持續(xù)時(shí)間更長，進(jìn)而導(dǎo)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(jié)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(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響到土壤氮素轉(zhuǎn)化過程和N2O排放［31，39］。本研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)為N2O排放源，這與郭小偉等［40］和王廣帥等［21］的研究結(jié)果一致。此外，完全融化期內(nèi)糞尿處理土壤N2O存在脈沖式排放，主要是因?yàn)樵囼?yàn)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(yīng)導(dǎo)致一定程度的激發(fā)效應(yīng)［12］。而且，此時(shí)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(huán)境，土壤溫度的升高也會(huì)使得土壤反硝化微生物活性增強(qiáng)，導(dǎo)致該時(shí)期土壤N2O排放通量明顯高于其他試驗(yàn)期。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)消融期CK，YU和TSU處理土壤N2O平均排放通量均高于其他時(shí)期。這主要是由于氣溫逐漸回升使得頻繁的凍融循環(huán)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎、部分細(xì)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(yǎng)物質(zhì)更容易富集在土壤中［41-42］。兩種尿液與土壤水分解凍會(huì)增加土壤含水量，促使厭氧環(huán)境的形成進(jìn)而增強(qiáng)土壤反硝化作用，促進(jìn)土壤N2O大量排放［31］。Pearson相關(guān)分析結(jié)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(guān)關(guān)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(guān)（Plt;0.01），這與朱輝等［43］在海北高寒草地的研究結(jié)果相似。這是由于溫度通過影響微生物的新陳代謝速率調(diào)控溫室氣體的產(chǎn)生速率，環(huán)境溫度的日漸上升有助于促進(jìn)微生物主導(dǎo)的氮轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而增加土壤N2O排放潛力。微生物活動(dòng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤氧氣消耗量和無機(jī)氮產(chǎn)生量增大，進(jìn)而提升N2O 的產(chǎn)生潛力［44-46］。與之不同的是，穩(wěn)定凍結(jié)期高寒草原寒冷干燥，活動(dòng)層土壤完全凍結(jié)，低溫抑制了土壤微生物活性，削弱了NH+4-N向NO-3-N的轉(zhuǎn)化，致使土壤N2O排放速率降低［47-48］。并且，當(dāng)?shù)乇肀谎└采w和土溫接近或低于0℃時(shí)，活動(dòng)層凍結(jié)使得地氣交換近乎停止，凍結(jié)層下產(chǎn)生的氣體無法釋放［49］。因此，該時(shí)期深層土壤中產(chǎn)生的N2O會(huì)在凍土層下大量積累，進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)定凍結(jié)期土壤N2O排放通量處于各時(shí)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(jié)果具有一定差異，這可能是由于本研究區(qū)與海北高寒草地在氣候環(huán)境、土壤類型以及凍融期的劃分等方面的差異所導(dǎo)致的。此外，本研究開展了為期1年的野外控制實(shí)驗(yàn)，旨在從理論上探究放牧牲畜單個(gè)糞尿斑塊沉積對(duì)草地土壤N2O排放的影響，而在實(shí)際放牧過程中可能產(chǎn)生的糞尿多次排泄或疊加沉積等對(duì)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(jī)制將在未來的研究中進(jìn)一步深入探究。

4 結(jié)論

相較于藏綿羊糞尿處理，牦牛糞尿處理對(duì)土壤礦化氮含量的增加更為顯著。糞尿處理會(huì)促進(jìn)土壤N2O排放，其中牛尿?qū)ν寥繬2O排放具有較強(qiáng)的短期促進(jìn)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(tài)特征與氮含量等的不同關(guān)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(duì)非生長季的貢獻(xiàn)最大。研究結(jié)果有助于加深放牧牲畜糞尿?qū)竟?jié)性凍融高寒草原N2O排放影響的理論認(rèn)知，并可為制定科學(xué)的草地牲畜糞尿管理策略和促進(jìn)溫室氣體減排等提供參考。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）