土壤溫度和水分含量是如何調(diào)控城市草坪土壤N2O通量的？——來自LI-COR土壤溫室氣體通量長期監(jiān)測系統(tǒng)14個(gè)月的測量數(shù)據(jù)

原文以How do soil temperature and moisture regulate N2O flux from an urban lawn？ 為標(biāo)題發(fā)布在LI-COR網(wǎng)站上。

作者 | 徐六康，Kristen Minish，Derek Trutna

翻譯 | 子毅

N₂O的全球增溫潛勢（Global Warming Potential，簡稱GWP）是CO₂的300倍。因此，N₂O是一種重要的溫室氣體。

全球增溫潛勢（Global warming potential，簡稱GWP），是衡量某種溫室氣體對全球增溫效應(yīng)的一個(gè)參數(shù)。在既定時(shí)間內(nèi)，如100年，以CO₂的吸熱量為基準(zhǔn)，某種相同質(zhì)量的氣體吸熱量對基準(zhǔn)的比值即為GWP。在京都議定書中受管制的溫室氣體有二種：一種是具有很高全球增溫潛勢的；另一種是全球增溫潛勢雖不大，但在地球大氣層中的濃度正在迅速上升的（來源/維基百科）。

土壤N₂O通量是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)。和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)一樣，城市草坪是人工生態(tài)系統(tǒng)。城市草坪被認(rèn)為是N₂O的釋放源。然而，在城市草坪上開展的N₂O通量研究很少。本研究監(jiān)測了城市草坪14個(gè)月的土壤N₂O通量，同步測量土壤溫度和土壤水分含量，旨在評估非生物環(huán)境變量對土壤N₂O通量的調(diào)控。

樣地設(shè)置

從2019年9月開始，研究者在美國內(nèi)布拉斯加州林肯市，布設(shè)了LI-8100A/8150多通道土壤溫室氣體長期測量系統(tǒng)（點(diǎn)擊了解更多），共使用了4個(gè)Chamber，以及新型N₂O分析儀LI-7820（點(diǎn)擊了解更多），連續(xù)測量了城市草坪的土壤N₂O通量。每30mins重復(fù)測量一次，同時(shí)測量5cm深處的土壤水分含量和土壤溫度。

土壤N₂O通量計(jì)算公式

其中，F(xiàn)N₂O ：土壤N₂O通量（nmol m^-2s^-1）

V : 測量室體積（m³）

P : 大氣壓強(qiáng)（Pa）

Wo ：初始水汽濃度（mol mol^-1）

R ：氣體常數(shù)（Pa m3mol-1 K^-1）

S : 土壤面積（m²）

T : 測量室溫度（K）

d N₂O/dt : N₂O的增加速率（nmol mol^-1s^-1）

LI-7820高精度N₂O/H₂O氣體分析儀（點(diǎn)擊了解更多）

結(jié)果

樣地土壤為粉砂粘土，群落組成以羊茅（Festuca spp.）為主，冠層平均高度約5cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)間從2019年9月到2020年11月中旬，歷時(shí)14個(gè)月。

1. 夏季土壤N₂O通量約為4.2nmol m^-2s^-1，冬季大約在零附近。土壤N₂O通量與土壤水分含量、土壤溫度密切相關(guān)。這與其他草地生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果類似（Bijoor et al.,2008）。

2. 在冬季早期（2019年10月28日以后），當(dāng)土壤5cm深處的溫度低于5℃后，N₂O通量值趨向于0。

3. 降雨事件可在短期內(nèi)迅速提高土壤N₂O通量。尤其是在夏季，土壤水分含量低于20%的情況下。

4. 2020年1月31日至2月15日，冬春交接，冰雪融化，土壤N₂O通量會迅速增加。數(shù)據(jù)顯示，2020年2月初，土壤溫度雖然仍在0℃附近，土壤N₂O通量從0附近躍升到0.6 nmol m^-2s^-1。

5. 基于這14個(gè)月的數(shù)據(jù)，累積N₂O通量為67.07mg N₂O m^-2（0.671kg N-N₂O ha^-1）。和類似生態(tài)系統(tǒng)比較，這一數(shù)據(jù)偏低。例如，2011年，Townsend-Small和Czimczik在加利福尼亞歐文市城市綠地的研究數(shù)據(jù)顯示，全年的總釋放速率約為1.0-3.0 kg N-N₂O m^-2yr^-1。

土壤N₂O通量數(shù)據(jù)示例

基于8100-104長期測量室（體積5973cm³，面積318cm²），當(dāng)N₂O通量高于0.1 nmol m^-2s^-1時(shí)，線性回歸系數(shù)高于0.9。下面是兩個(gè)示例：

基于土壤長期N₂O通量數(shù)據(jù)，這套閉路測量系統(tǒng)可檢測到的最低N₂O通量約為0.05 nmol m^-2s^-1。一個(gè)典型的示例數(shù)據(jù)如下：2mins的測量時(shí)長，測量室內(nèi)N₂O濃度增加了~0.768ppb，這大約是LI-7820 N₂O氣體分析儀測量精度（~0.3ppb）的3倍。

結(jié)論

1. 內(nèi)布拉斯加州林肯市羊茅草坪是N₂O的釋放源。土壤N₂O通量和土壤溫度和土壤水分含量密切相關(guān)，冬季土壤N₂O通量趨向于0，夏季可達(dá)4.2 nmol m^-2s^-1。

2. 冬春之交，冰雪融化階段，土壤N₂O通量迅速增加。

3. 降雨事件可迅速促進(jìn)土壤N₂O釋放，尤其是在夏季土壤水分含量低于20%時(shí)。

4. 當(dāng)前系統(tǒng)組成（LI-8100A/8150聯(lián)合LI-7820），能檢測到可信的土壤N₂O通量最小值約為0.05 nmol m^-2s^-1。

參考文獻(xiàn)

Bijoor N S, Czimczik C I, Pataki D E, et al. Effects of temperature and fertilization on nitrogen cycling and community composition of an urban lawn[J]. Global Change Biology, 2008, 14(9): 2119-2131.

Flechard C R, Neftel A, Jocher M, et al. Bi‐directional soil/atmosphere N2O exchange over two mown grassland systems with contrasting management practices[J]. Global Change Biology, 2005, 11(12): 2114-2127.

Townsend‐Small A, Czimczik C I. Carbon sequestration and greenhouse gas emissions in urban turf[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(2).