短期氮磷添加对祁连山亚高山草地土壤呼吸组分的影响_江原.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023短期氮磷添加对祁连山亚高山草地土壤呼吸组分的影响江原，甘小玲，曹丰丰，赵传燕，李伟斌*(兰州大学草地农业科技学院，草地创新与草地农业生态系统国家重点实验室，农业农村部草牧业创新重点实验室，草地农业教育部工程研究中心，兰州730020)摘要:为探究短期氮磷添加对祁连山亚高山草地土壤呼吸及其组分的影响，于 2019 年 6 8 月采用随机区组设计，设置氮添加 10 g (m2 a)1，N、磷添加 5 g (m2 a)1，P、氮磷混施 10 g (m2 a)1N、5 g (m2 a)1P，NP、对照(CK)和完全对照(CK)这5 个处理，测定了土壤总呼吸速率及其组分 结果表明，氮添加对土壤总呼吸和异养呼吸的降低速率均低于磷添加16.71%vs(相对照，下同)19.20%;4.41%vs 13.05%，但对自养呼吸的降低速率高于磷添加(25.03%vs23.36%)，而氮磷混施则对土壤总呼吸速率无显著影响 土壤总呼吸速率及其组分与土壤温度均呈显著的指数相关，其中氮添加降低了呼吸速率的温度敏感性(Q10:5.64%0.00%)，而磷添加增加了 Q10(3.38%6.98%)，氮磷混施降低了自养呼吸速率但增加了异养呼吸速率的 Q10(16.86%)，从而降低了土壤总呼吸速率的 Q10(2.63%2.02%)土壤 pH、土壤全氮和根系磷含量与自养呼吸速率均具有显著相关性(P 0.05)，而与异养呼吸速率无显著相关，且根系氮含量只与异养呼吸速率呈显著负相关(P 0.05)总体上，自养呼吸速率对氮添加更加敏感，而异养呼吸速率对磷添加更加敏感，氮或磷添加均显著降低了土壤总呼吸速率，而氮磷混施并未显著影响土壤总呼吸速率，此结果可为准确评估亚高山草地土壤碳排放提供科学依据关键词:氮添加;磷添加;氮磷混施;土壤总呼吸速率;异养呼吸速率;自养呼吸速率中图分类号:X144文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2283-10DOI:1013227/j hjkx202205177收稿日期:2022-05-15;修订日期:2022-07-19基金项目:甘肃省青年科技基金项目(21J7A517);中央高校优秀青年教师科研创新项目(lzujbky-2021-12)作者简介:江原(1998 )，男，硕士研究生，主要研究方向为土壤碳循环与全球变化，E-mail:jiangy21 lzu edu cn*通信作者，E-mail:liweibin lzu edu cnEffects of Short-Term Nitrogen and Phosphorus Addition on Soil espirationComponents in a Subalpine Grassland of Qilian MountainsJIANG Yuan，GAN Xiao-ling，CAO Feng-feng，ZHAO Chuan-yan，LI Wei-bin*(State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems，Ministry of Agriculture and ural Affairs Key Laboratory of Grassland Livestock IndustryInnovation，Ministry of Education Engineering esearch Center of Grassland Industry，College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou730020，China)Abstract:In order to investigate the effects of short-term nitrogen and phosphorus addition on soil respiration and its components in a subalpine grassland located on the QilianMountains，a random block design of nitrogen10 g (m2 a)1，N，phosphorus5 g (m2 a)1，P，nitrogen and phosphorus addition 10 g (m2 a)1N and 5g (m2 a)1P，NP，the control(CK)，and complete control(CK)was conducted from June to August 2019，and total soil respiration and its component respiration rateswere measured The results showed that nitrogen addition reduced soil total respiration and heterotrophic respiration rates at a lower rate than P addition 16.71%vs19.20%;4.41%vs 13.05%，but the rate of decrease in autotrophic respiration was higher than that of P addition(25.03%vs 23.36%);N and P mixedapplication had no significant effect on soil total respiration rate The total soil respiration rate and its components were significantly exponentially correlated with soiltemperature，and the temperature sensitivity of soil respiration rate was decreased by nitrogen addition(Q10:5.64%-0.00%)P increased Q10(3.38%-6.98%)，and Nand P reduced autotrophic respiration rate but increased heterotrophic respiration rate Q10(16.86%)and decreased total soil respiration rate Q10(2.63%-2.02%)SoilpH，soil total nitrogen，and root phosphorus content were significantly correlated with autotrophic respiration rate(P 0.05)but not with heterotrophic respiration rate，androot nitrogen content was significantly negatively correlated with heterotrophic respiration rate(P 0.05)In general，autotrophic respiration rate was more sensitive to Naddition，whereas heterotrophic respiration rate was more sensitive to P addition Both N and P addition significantly reduced soil total respiration rate，whereas N and Pmixture did not significantly affect soil total respiration rate These results can provide a scientific basis for the accurate assessment of soil carbon emission in subalpinegrasslandKey words:N addition;P addition;N and P mixed application;total soil respiration rate;heterotrophic respiration rate;autotrophic respiration rate土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其储量甚至高于植被和大气碳库的总和1，因此土壤碳库微小的变化就可对大气 CO2浓度产生巨大影响2，改变全球变暖的进程 土壤呼吸是土壤碳库释放至大气的主要途径3，按组成可分为植物根系和根际微生物产生的自养呼吸以及凋落物和土壤有机质分解产生的异养呼吸4，5 我国草地面积约占国土面积的 30.5%6，生态系统相对脆弱，极易受到人类活动和全球变化的影响 自工业革命以来，由于人工肥料的大量使用、各种燃烧过程中形成的活性氮以及岩石风化和灰尘中产生的大气磷7，促使氮磷在陆地生态系统中的有效性急剧上升8，已对陆地生态系统产生了明显影响9 一般而言，土壤中富集的氮磷能够缓解植物根系的营养限制，促进植物光合作用10，改变植物对根系光合产物的分配比例及细环境科学44 卷根的生长速率11，12，进而影响根系自养呼吸 此外，氮磷富集能够改变土壤的酸缓冲力13，影响土壤微生物群落的组成和活性14，进而改变异养呼吸速率15 目前，我国关于氮磷添加对土壤呼吸及其组分的研究大多集中于青藏高原高寒草甸16、内蒙古草原17 和黄土高原退耕草地18，且研究结果间并不统一氮磷添加对土壤总呼吸速率的影响包括正效应18、负效应19 和没有影响20 这 3 种作用方式，这种差异主要与生态系统类型、土壤中氮磷的本底有效性、施肥水平和试验持续时间有关21 尽管单施氮/磷对土壤呼吸速率影响的研究已经受到学术界的普遍关注，但氮与磷添加产生的协同作用也不应被忽视 一项全球范围的整合分析发现，随着大气氮沉降的增加，加剧了土壤磷素有效性对植物生物量的限制22，而氮磷混施可以改变单一氮添加对陆地生态系统的影响23 同样，额外的氮添加也会改变土壤呼吸速率对磷添加的响应趋势18 尤其是在高海拔氮、磷有限的草地生态系统中，已有研究表明氮磷混施显著降低了异养呼吸速率和土壤总呼吸速率24 此外，一项在青藏高原高寒草甸的研究发现氮磷混施提高了自养呼吸速率，但抑制了异养呼吸速率，使得土壤总呼吸速率无显著变化20 因此，为更好地探讨氮磷添加如何驱动土壤呼吸，有必要就特定的生态系统开展针对性的研究祁连山生态地位突出，是我国西北内陆重要的生态安全屏障25 该区典型的草地类型 亚高山草地在该区碳汇功能的发挥中具有重要作用 随着人类活动的加剧，该区大气氮沉降速率呈逐年递增的趋势，2010 2019 年从 3.19 kg (hm2 a)1增至16.15 kg (hm2 a)1 26，27 对此，本文基于兰州大学祁连山草地生态系统野外科学观测研究站(寺大隆站)亚高山草地生态系统的氮磷添加试验平台，通过模拟大气氮磷沉降，研究短期氮磷沉降对亚高山草地土壤总呼吸速率及其组分的影响，以检验以下两个假设:氮磷混施可显著减少异养呼吸速率但对自养呼吸速率无显著影响16，从而降低土壤总呼吸速率;由于碳、氮、磷循环之间的强耦合28，氮添加和磷添加对土壤总呼吸速率会存在显著的交互作用 本研究结果有利于增进对氮磷沉降背景下草地温室气体发生