温带草原在全球陆地生态系统中占据重要地位。由于人类活动增强,氮沉降和气候变化正在改变草原的养分与水分格局,但我们对这些变化如何影响土壤 N2O 排放的理解仍不充分。
为此,研究团队在内蒙古典型草原区开展了一项连续三年的现场实验,通过控制氮添加、水分添加以及两者联合作用,深入剖析水氮互作对N2O释放的驱动机制。
图1. 2020年不同月份氮和水添加条件下土壤N2O通量的变化。处理:对照(CK)、氮添加(N4)、水添加(W1)、氮水结合(W1N4)。
本研究中土壤N2O通量使用激光气体分析仪与LICA SF-3000多通道自动土壤通量测量系统联合进行长期观测。该系统配备自动开闭呼吸室和多通道切换器,支持无人值守连续监测,助力科研人员精准捕捉N2O日变化与季节动态。
此外,土壤水分、温度等环境因子通过连接SR-21测量舱的探头实时监测,确保数据的高精度与一致性。
图2. 2020年土壤温度和土壤湿度影响下N2O通量月变化。图中不同圈出的数字代表不同的月份。①:一月;②:二月;③:三月;④:四月;⑤:五月;⑥:六月;⑦:七月;⑧:八月;⑨:九月;⑩:十月;⑪:十一月;⑫:十二月。红色代表N2O通量高,蓝色代表N2O通量低。
图3. (a) 2020年5月土壤N2O通量及土壤温度、湿度日动态。(b) 2020年8月土壤N2O通量及土壤温度、湿度日动态。处理:对照(CK)、氮添加(N4)、水添加(W1)、氮水结合(W1N4)。
图5. 氮水添加条件下土壤N2O排放量的月变化。处理:对照(CK)、氮添加(N4)、水添加(W1)和氮水结合(W1N4)。不同小写字母表示同一月份不同处理间差异显著,不同大写字母表示同一处理不同月份差异显著(p < 0.05)。
主要发现:水+氮,协同“激活”微生物释放N2O
研究表明:
单独添加氮或水时,土壤 N2O 排放反应并不显著。
但水与氮共同添加时,N2O 排放量显著上升。
这一现象的背后机制在于:水氮共同作用提高了土壤的可溶性有机碳含量(DOC)和微生物量碳(MBC),这为微生物活动提供了更充足的“燃料”,从而增强了反硝化过程中的N2O生成。
同时,土壤的硝态氮(NO3-)增加,也为N2O的产生提供了底物支持。
研究意义
这项研究揭示了草原生态系统中 N2O 排放受水氮耦合作用控制的重要机制。对今后的温室气体模型预测、草原生态系统管理及减排策略制定具有重要指导意义:
从单因子走向多因子调控:不能仅仅看氮的输入或水分变化,需要把两者协同视为整体系统进行调控。
微生物是关键驱动者:未来在草原管理中,关注微生物群落结构与活性的变化可能比单纯的养分调控更有效。
原文
论文标题:
Nitrogen and Water Additions Affect N₂O Dynamics in Temperate Steppe by Regulating Soil Matrix and Microbial Abundance
DOI:https://doi.org/10.3390/agriculture15030283
结语
在碳中和与“双碳”战略背景下,每一个生态系统的温室气体贡献都值得被关注。这篇研究提醒我们——草原深处的那一缕“微呼吸”,同样关乎人类共同的气候未来。