氮沉降与凋落物动态对半干旱沙质草地土壤呼吸的影响

《Journal of Environmental Management》：Effects of nitrogen deposition and litter dynamics on soil respiration in a semiarid sandy grassland

　　

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  生长季期间 Rs、Rm、Rt 的季节动态特征一致。
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  经过连续 9 年处理后，清除凋落物使 Rm 平均值显著降低了 25.34%。
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  氮添加和凋落物加倍处理对 Rs、Rm、Rt 的平均值均无显著影响。
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  土壤含水量是调控 Rs、Rm、Rt 时间变异性的关键因子。

引言

土壤碳（C）在全球陆地生态系统中发挥着关键作用，其中约 75%（1395–2011 Pg C）的碳储存在土壤中，相当于大气碳库的 2–4 倍（Bond-Lamberty 等，2018；Scharlemann 等，2014）。土壤呼吸（Rs）是陆地生态系统向大气排放 CO₂ 的主要途径，是全球碳循环中仅次于总初级生产力（GPP）的第二大碳通量（Wang 和 Yang，2007）。Rs 每年释放 68–98 Pg C，超过化石燃料排放一个数量级（Bond-Lamberty 和 Thomson，2010；Raich 和 Schlesinger，1992）。全球碳模型表明，在全球变化情景下，Rs 的微小扰动都可能大幅加剧大气 CO₂ 浓度，从而破坏全球碳平衡（Cox 等，2000；Wang 等，2019）。

Rs 对环境驱动因子的敏感性受其组成过程调控：微生物呼吸（Rm）来源于有机质分解，根系呼吸（Rt）与根系代谢和根际活性相关（Zhou 等，2014）。这些组分对环境变化的响应存在差异，因此需要同时评估它们以准确预测土壤碳-气候反馈（Raich 和 Schlesinger，1992；Zhou 等，2014）。全球和区域地球系统模拟研究表明，温度和水分是调控陆地生态系统 Rs 的主要因素（Falloon 等，2011；Gaumont-Guay 等，2006；Medvigy 等，2010；Reichstein 等，2003）。Asensio 等（2007）发现，在干旱条件下，土壤含水量是 Rs 季节和年际变化的主要驱动因子，而在生长受限期间，土壤温度对 Rs 的影响更大。Rs 的温度敏感性通常通过 Q₁₀ 值来评估，该值在很大程度上决定了全球气候变化与碳循环之间的反馈关系（Guan 等，2022；Zou 等，2025）。在当前全球变化问题中，大气氮（N）沉降（预计到 21 世纪末将增加 2.5 倍）已成为调控生态系统碳动态的关键因素（Galloway 等，2004；Luo 等，2016）。中国陆地生态系统接收的活性氮沉降量居世界首位（Liu 等，2022），这通过改变植物生产力、微生物活性和基质可利用性对碳固存产生级联效应（Ciais 等，2021；Liang 等，2019；Riutta 等，2021）。

草地在全球碳循环中发挥着核心作用（Wang 和 Fang，2009）。在中国，近 78% 的草地分布在北方干旱半干旱地区（Zeng 等，2018）。荒漠化与生态脆弱半干旱草地的土壤和植被 CO₂ 动态密切相关，这些草地因全球分布面积广阔而具有显著的碳汇潜力（Nosetto 等，2006；Oliver 等，2019）。氮沉降可提高光合效率和生物量产出（Xia 和 Wan，2008），从而增加凋落物输入，通过基质可利用性和微生物活性调控 Rs（Crow 等，2009；Sayer，2006；Tóth 等，2007）。草地氮添加实验结果表明，持续 1 年的氮添加促进了 Rs（Lin 等，2016；Wang 等，2023）。持续 3 年的氮添加显著增加了 Rs 和 Rt，但对 Rm 无显著影响（Zhao 等，2020a）。持续 10 年的氮添加显著降低了 Rs，其中 Rm 的显著下降是 Rs 下降的主要原因（Yang 等，2020）。凋落物操作实验结果表明，持续 3 年的地上凋落物清除显著降低了 Rs 和 Rm，但对 Rt 无影响；而地上凋落物加倍仅增加了 Rs（Zhao 等，2020a）。持续 7 年的凋落物清除对温带草地 Rs 的降低作用大于凋落物添加（Wang 等，2021）。这些发现凸显了处理持续时间以及研究区域地理位置在探究氮添加和凋落物操作对 Rs 及其组分影响方面的重要性。事实上，氮沉降和凋落物再分配在风蚀严重的半干旱生态系统中相当普遍，如科尔沁沙地（Ning 等，2021；Zhan 等，2023b）。然而，经过较长处理期后，氮沉降和凋落物再分配对半干旱沙地草地 Rs 影响的定量研究仍然缺乏。虽然该区域此前的研究已经阐明了连续 3 年田间处理处理后 Rs 对氮和凋落物处理的响应（Zhao 等，2020a），但更长处理期后的影响仍不清楚。为弥补这一知识空白，我们在 2022 年重返实验点，旨在评估：(1) 持续 9 年田间处理后，长期氮添加和凋落物操作如何影响生长季 Rs 及其组分；(2) 持续 9 年田间处理后，长期氮添加和凋落物管理是否改变了土壤含水量作为半干旱沙地草地 Rs、Rm 和 Rt 主要控制因子的作用？

章节摘要

研究地点

本研究在内蒙古奈曼农牧生态国家观测研究站附近的一个 1.08 公顷实验点进行（42°55′N，120°41′E），位于科尔沁沙地西南部（Zhao 等，2020b）。该地区属温带大陆半干旱季风气候，以农田和天然草地交错景观为特征。土壤类型为退化风沙栗钙土，结构松散，易受风蚀影响。

环境因子变化

整个生长季期间，氮添加处理组（N1L1、N1L0、N1L2）的月土壤 pH 值始终低于非氮添加处理组（N0L1、N0L0、N0L2）（图 S2c）。对生长季各月末土壤环境因子进行的双因素方差分析结果表明，凋落物操作对每月的土壤容重均有显著影响（均 P < 0.05；图 S2a）。氮添加对土壤 pH 和植被有显著影响。

氮添加对 Rs 及其组分的影响

Rs 对氮沉降的响应受其微生物（Rm）和根系（Rt）组分变化的调控（Yang 等，2023）。与同一实验点此前三年研究的结果（Zhao 等，2020a）相反，我们 9 年的氮添加实验基于 2022 年终点测量数据表明，氮添加对该半干旱沙地草地的 Rs、Rm 或 Rt 均无显著影响。第 3 年和第 9 年时间点之间的这种差异可能反映了……之间的净平衡。

局限性与建议

本研究基于半干旱沙地草地开展的 9 年田间实验（2014–2022），但我们对土壤呼吸及其组分的季节分析仅依赖于两年的数据（2017 年和 2022 年）。因此，研究结果可能无法完全捕捉土壤呼吸及其组分的时空动态。为弥补这一局限，我们建议实施多年份的连续长期监测。这种方法不仅有助于评估……

结论

本研究阐明了氮沉降和凋落物操作（连续 9 年田间处理后）对半干旱沙地草地土壤呼吸动态的影响，得出三个主要结论：(1) 季节分析揭示了研究期间 Rs、Rm 和 Rt 一致的时序变化模式。9 年连续氮添加未显著改变 Rs、Rm 或 Rt（P > 0.05）。然而，清除凋落物使 Rm 显著降低了 25.34%（P < 0.05），并降低了 Rs……

CRediT 作者贡献声明

詹金：论文写作–审阅与编辑，论文写作–初稿撰写，正式分析，数据整理。李玉林：论文写作–审阅与编辑，方法论。姬永福：项目管理，方法论。唐继年：项目管理，方法论。方相文：项目管理，调查研究。梁瑞琪：方法论。李雅：项目管理，方法论，基金获取。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了以下项目的资助：内蒙古自治区防沙治沙科技创新重大示范项目"揭榜挂帅"项目（2024JBGS0005）、中央引导地方发展专项（24ZYQA052）、中央林业和草原生态保护修复基金项目（甘林草发〔2025〕35 号）。

詹金|李玉林|姬永福|唐继年|方相文|梁瑞琪|李雅