土壤温度和水分含量是如何调控城市草坪土壤N2O通量的？——来自LI-COR土壤温室气体通量长期监测系统14个月的测量数据

原文以How do soil temperature and moisture regulate N2O flux from an urban lawn？ 为标题发布在LI-COR网站上。

作者 | 徐六康，Kristen Minish，Derek Trutna

翻译 | 子毅

N₂O的全球增温潜势（Global Warming Potential，简称GWP）是CO₂的300倍。因此，N₂O是一种重要的温室气体。

全球增温潜势（Global warming potential，简称GWP），是衡量某种温室气体对全球增温效应的一个参数。在既定时间内，如100年，以CO₂的吸热量为基准，某种相同质量的气体吸热量对基准的比值即为GWP。在京都议定书中受管制的温室气体有二种：一种是具有很高全球增温潜势的；另一种是全球增温潜势虽不大，但在地球大气层中的浓度正在迅速上升的（来源/维基百科）。

土壤N₂O通量是生态系统氮循环中的重要环节。和农业生态系统一样，城市草坪是人工生态系统。城市草坪被认为是N₂O的释放源。然而，在城市草坪上开展的N₂O通量研究很少。本研究监测了城市草坪14个月的土壤N₂O通量，同步测量土壤温度和土壤水分含量，旨在评估非生物环境变量对土壤N₂O通量的调控。

样地设置

从2019年9月开始，研究者在美国内布拉斯加州林肯市，布设了LI-8100A/8150多通道土壤温室气体长期测量系统（点击了解更多），共使用了4个Chamber，以及新型N₂O分析仪LI-7820（点击了解更多），连续测量了城市草坪的土壤N₂O通量。每30mins重复测量一次，同时测量5cm深处的土壤水分含量和土壤温度。

土壤N₂O通量计算公式

其中，FN₂O ：土壤N₂O通量（nmol m^-2s^-1）

V : 测量室体积（m³）

P : 大气压强（Pa）

Wo ：初始水汽浓度（mol mol^-1）

R ：气体常数（Pa m3mol-1 K^-1）

S : 土壤面积（m²）

T : 测量室温度（K）

d N₂O/dt : N₂O的增加速率（nmol mol^-1s^-1）

LI-7820高精度N₂O/H₂O气体分析仪（点击了解更多）

结果

样地土壤为粉砂粘土，群落组成以羊茅（Festuca spp.）为主，冠层平均高度约5cm。实验时间从2019年9月到2020年11月中旬，历时14个月。

1. 夏季土壤N₂O通量约为4.2nmol m^-2s^-1，冬季大约在零附近。土壤N₂O通量与土壤水分含量、土壤温度密切相关。这与其他草地生态系统的研究结果类似（Bijoor et al.,2008）。

2. 在冬季早期（2019年10月28日以后），当土壤5cm深处的温度低于5℃后，N₂O通量值趋向于0。

3. 降雨事件可在短期内迅速提高土壤N₂O通量。尤其是在夏季，土壤水分含量低于20%的情况下。

4. 2020年1月31日至2月15日，冬春交接，冰雪融化，土壤N₂O通量会迅速增加。数据显示，2020年2月初，土壤温度虽然仍在0℃附近，土壤N₂O通量从0附近跃升到0.6 nmol m^-2s^-1。

5. 基于这14个月的数据，累积N₂O通量为67.07mg N₂O m^-2（0.671kg N-N₂O ha^-1）。和类似生态系统比较，这一数据偏低。例如，2011年，Townsend-Small和Czimczik在加利福尼亚欧文市城市绿地的研究数据显示，全年的总释放速率约为1.0-3.0 kg N-N₂O m^-2yr^-1。

土壤N₂O通量数据示例

基于8100-104长期测量室（体积5973cm³，面积318cm²），当N₂O通量高于0.1 nmol m^-2s^-1时，线性回归系数高于0.9。下面是两个示例：

基于土壤长期N₂O通量数据，这套闭路测量系统可检测到的最低N₂O通量约为0.05 nmol m^-2s^-1。一个典型的示例数据如下：2mins的测量时长，测量室内N₂O浓度增加了~0.768ppb，这大约是LI-7820 N₂O气体分析仪测量精度（~0.3ppb）的3倍。

结论

1. 内布拉斯加州林肯市羊茅草坪是N₂O的释放源。土壤N₂O通量和土壤温度和土壤水分含量密切相关，冬季土壤N₂O通量趋向于0，夏季可达4.2 nmol m^-2s^-1。

2. 冬春之交，冰雪融化阶段，土壤N₂O通量迅速增加。

3. 降雨事件可迅速促进土壤N₂O释放，尤其是在夏季土壤水分含量低于20%时。

4. 当前系统组成（LI-8100A/8150联合LI-7820），能检测到可信的土壤N₂O通量最小值约为0.05 nmol m^-2s^-1。

参考文献

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).