冻融循环期间土壤氧化亚氮排放影响因素

删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

本站小编 Free考研考试/2022-01-01

高德才^,, 白娥^,^*

长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室, 东北师范大学地理科学学院, 长春 130024

Influencing factors of soil nitrous oxide emission during freeze-thaw cycles

De-Cai GAO^,, E BAI^,^*

Key Laboratory of Geographical Processes and Ecological Security of Changbai Mountains, Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

通讯作者: *(baie612@nenu.edu.cn)

编委: 程晓莉
责任编辑: 赵航
收稿日期:2021-01-29接受日期:2021-05-9

基金资助:

国家重点研发项目(2019YFA0607301)
国家自然科学基金(31901157)
国家自然科学基金(41971058)
中国博士后科学基金(2020T130088)
吉林省自然科学基金(YDZJ202101ZYTS104)
吉林省自然科学基金(20180520087JH)

Corresponding authors: *(baie612@nenu.edu.cn)
Received:2021-01-29Accepted:2021-05-9

Fund supported:

National Key R&D Program of China(2019YFA0607301)
National Natural Science Foundation of China(31901157)
National Natural Science Foundation of China(41971058)
China Postdoctoral Science Foundation(2020T130088)
Natural Science Foundation of Jilin Province, China(YDZJ202101ZYTS104)
Natural Science Foundation of Jilin Province, China(20180520087JH)

摘要
全球气候变化可能会提高冻融循环时间、强度以及频率, 从而可能显著影响土壤氧化亚氮(N₂O)排放。N₂O是一种重要的温室气体, 但目前对冻融循环期间土壤N₂O排放规律以及影响因素的了解还有限。为此, 该研究采用整合分析方法, 从已发表文献中收集了30篇关于冻融循环对土壤N₂O通量和累积排放量影响的文献, 探究冻融循环在不同生态系统对N₂O排放的影响, 从试验设置、土壤基本理化性质以及冻融循环格局等角度全面综合地探究其排放影响因素。该研究得出, 冻融循环能显著增加N₂O通量、N₂O累积排放量和硝化作用速率, 全球平均增幅分别为72.34%、143.25%和124.63%; 冻融循环也可增加反硝化作用速率, 全球平均增幅为162.56%; 与之相反, 冻融循环显著减少微生物生物量氮含量, 全球平均减幅为6.39%。不同生态系统土壤水热条件和基本理化性质差异可显著影响冻融循环对N₂O排放的影响。当年平均气温超过5 ℃时, 冻融循环作用可显著提高N₂O通量104.13%, 显著高于年平均气温为0-5 ℃ (25.56%)和小于0 ℃ (55.29%)时; 土壤湿度大于70%时, N₂O通量增加109.17%, 显著高于土壤湿度为50%-70% (65.67%)和小于50% (20.37%)时的通量。土壤黏粒和养分含量越高的土壤区域, 冻融循环对N₂O排放的提高幅度越大。在有植物存在时, 冻融循环可显著提高土壤N₂O通量达91.21%, 高于无植物存在时的54.43%。土壤过筛和在冻融循环期间采集土壤都会增加冻融循环对N₂O排放的影响。另外, 融化时间长, 冻结强度大和冻融循环频率高均可显著提高土壤N₂O累积排放量对冻融循环的响应。当冻结温度低于-10 ℃时, 冻融循环对土壤N₂O排放通量的增幅可达100.73%, 显著高于在冻结温度为-10- -5 ℃ (47.74%)和高于-5 ℃ (70.25%)时。主要原因是冻结强度高可促进土壤微生物和土壤结构释放更多的养分, 从而提高N₂O的产生和排放。该研究结果有助于更好地理解土壤N₂O对冻融循环的响应及其影响因素, 为更准确地预测未来全球气候变化对N₂O排放影响提供科学数据支撑。
关键词： 冻融;氧化亚氮(N₂O);微生物生物量;全球气候变化;反硝化作用

Abstract
Aims Enhanced duration, intensity, and frequency of freeze-thaw cycles owing to global climate change may significantly affect soil nitrous oxide (N₂O) emission. N₂O is an important greenhouse gas, but our current understanding of soil N₂O emission and its influencing factors during freeze-thaw cycles is still limited. Methods Here, we adopted the meta-analysis method and collected 30 articles on the effects of freeze-thaw cycles on soil N₂O flux and cumulative emission from peer-reviewed journal articles. Our objectives were to explore the effects of freeze-thaw cycles on N₂O emissions in different ecosystems and to comprehensively explore the influencing factors from the perspectives of experimental settings, soil physical and chemical properties, and the patterns of freeze-thaw cycles. Important findings Results showed that freeze-thaw cycles significantly increased N₂O instantaneous emission, cumulative emission, and nitrification by 72.34%, 143.25%, and 124.63%, respectively. Freeze-thaw cycles also increased denitrification by 162.56%. Conversely, freeze-thaw cycles significantly decreased microbial biomass nitrogen by 6.39%. The effect of freeze-thaw cycles on N₂O emission was significantly affected by the variations in soil microclimate and soil physical and chemical properties in different ecosystems. When the mean annual temperature (MAT) of a site exceeded 5 °C, freeze-thaw cycles could significantly enhance the N₂O flux by 104.13%, which was significantly higher than that the effect at sites with MAT between 0-5 °C (25.56%) or less than 0 °C (55.29%). When soil moisture was greater than 70%, the increase of soil N₂O flux caused by freeze-thaw cycles was 109.17%, which was significantly higher than that when soil moisture was between 50%-70% (65.67%) or less than 50% (20.37%). The higher soil clay and nutrient contents were, the greater the increase in N₂O emission caused by freeze-thaw cycles became. Freeze-thaw cycles could significantly increase soil N₂O flux by 91.21% in the presence of plants, which was higher than the effect in the absence of plants (54.43%). The impact of freeze-thaw cycles on N₂O emission could be enhanced by soil sieving. In addition, soils sampled during the freeze-thaw cycling period showed more responses to freeze-thaw cycles than soils sampled during other times. The response of cumulative N₂O emissions to freeze-thaw cycles was significantly improved by longer duration of thawing, higher intensity of freezing, and higher frequency of freeze-thaw cycles. When the freezing temperature was lower than -10 °C, freeze-thaw cycles could enhance soil N₂O flux by 100.73%, which was significantly higher than the effect when the freezing temperature was between -10- -5 °C (47.74%) or more than -5 °C (70.25%). The main reason was that higher intensity of freezing could promote the release of more nutrients from soil microorganisms and soil structure, thereby increasing the production and emission of N₂O. Overall, these results can help better understand the response of soil N₂O to freeze-thaw cycles and its influencing factors, and provide scientific data for accurately predicting the impact of global climate change on N₂O emission in the future.
Keywords：freeze-thaw;nitrous oxide (N₂O);microbial biomass;global climate change;denitrification

PDF (2236KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex 收藏本文
引用本文
高德才, 白娥. 冻融循环期间土壤氧化亚氮排放影响因素. 植物生态学报, 2021, 45(9): 1006-1023. DOI: 10.17521/cjpe.2021.0040
GAO De-Cai, BAI E. Influencing factors of soil nitrous oxide emission during freeze-thaw cycles. Chinese Journal of Plant Ecology, 2021, 45(9): 1006-1023. DOI: 10.17521/cjpe.2021.0040

氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018)。全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014)。在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018)。随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放。因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义。

冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程。这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016)。前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018)。冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013)。这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020)。除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998)。在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实。另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究。在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的。例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004)。土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小。然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑。

除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应。前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放。随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019)。这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降。相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大。然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系。未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足。

为此, 本研究通过收集全球尺度不同区域冻融循环研究的数据, 整合分析研究N₂O排放通量和累积排放量对冻融循环的响应, 并从试验设置、土壤基本理化性质以及冻融循环格局等角度全面综合地探究其排放如何受这些因素影响。

1 材料和方法

1.1 数据收集

本研究基于Google Scholar、Web of Science以及中国知网(CNKI)等文献检索系统, 收集发表在2020年12月以前关于冻融循环对土壤N₂O排放的文献。搜索关键词为“freez* thaw*” “N₂O” “nitrous oxide” “microbial biomass” “nitrification” “denitrification”以及“冻融循环” “冻融交替” “氧化亚氮”。初步收集的文献根据下面3个原则进行进一步筛选: (1)研究必须包括冻融循环处理组和恒温对照组; (2)排除有多因素交互效应的研究; (3)所选的研究需要报道该变量的平均值和样本数。根据上述原则进行筛选, 最终本研究共收集到30篇文献中的611个观察数据。

本研究收集了5个变量, 分别为N₂O通量、N₂O累积排放量、微生物生物量氮含量、硝化作用速率和反硝化作用速率。除了变量本身外, 本研究也收集了每个研究中与变量相关的其他信息: (1)背景信息, 包括每个研究的地理位置、年降水量(MAP)、年平均气温(MAT)、植被类型以及土壤类型; (2)试验设置, 包括试验方法、生态系统类型、土壤采样时间和深度、是否有植物存在、土壤处理方式以及试验前的前处理; (3)土壤基本理化性质, 包括土壤质地、湿度(全文土壤湿度的表示方式是土壤孔隙含水量(WFPS))、pH、总碳含量、总氮含量、碳氮比、有机碳含量、可溶性有机碳含量、可溶性有机氮含量、硝态氮含量以及铵态氮含量; (4)冻融循环格局, 包括冻结时间、融化时间、冻融循环总时间、冻结温度、融化温度以及冻融循环频率。为了便于探究不同条件下N₂O排放的差异, 本研究把收集到的关于冻融循环文章进行如下分类: (1)按照年平均气温分为: <0 ℃, 0-5 ℃和>5 ℃; (2)按照试验方法分为: 室内研究和室外原位研究; (3)按照生态系统分为: 森林、草地、农田、泥炭地、湿地和苔原; (4)按照室内研究对土壤处理的方式分为: 土壤过筛和不过筛; (5)按照冻融循环过程中是否有植物分为: 有植物和无植物; (6)按照在室内研究对采集土壤的时间不同分为: 冻融循环期和非冻融循环期; (7)按照冻结温度的强弱分为: >-5 ℃, -10- -5 ℃和<-10 ℃; (8)按照土壤湿度的大小分为: <50%, 50%-70%和>70%。

1.2 数据分析与统计

为了便于比较不同研究之间冻融循环效应的差异, 本研究采用效应比值(R)自然对数, 定义为“效应值(ln R)”, 来计算变量对冻融循环响应大小(Hedges et al., 1999)。ln R通过公式(1)计算:

(1)$~\ln R=\ln \left( \frac{{{{\bar{X}}}_{\text{t}}}}{{{{\bar{X}}}_{\text{c}}}} \right)=\ln ({{\bar{X}}_{\text{t}}})-\ln ({{\bar{X}}_{\text{c}}})$

式中, $\bar{X}_t$和$\bar{X}_c$分别代表在处理组和对照条件下变量的平均值。其中在室内试验中, 对照组温度为一个大于0 ℃的恒定值, 在室外原位研究中, 对照组温度为一个大于0 ℃且有波动的值。冻融循环处理组至少包括一个冻结和融化过程。当ln R > 0时, 表示与对照组相比, 冻融循环处理可增加变量的响应; 当ln R < 0时, 表示与对照组相比, 冻融循环处理可减少变量的响应。

ln R变异系数(υ)按照公式(2)计算:

(2)$\upsilon =\frac{s_{\text{t}}^{\text{2}}}{{{n}_{\text{t}}}\bar{X}_{\text{t}}^{\text{2}}}\text{+}\frac{s_{\text{c}}^{2}}{{{n}_{\text{c}}}\bar{X}_{\text{c}}^{2}}$

式中, s_t和n_t分别代表处理组标准差(SD)和样本数; s_c和n_c分别代表对照组SD和样本数。文献中的数据一般是以表格或者图片形式呈现, 若以表格形式呈现, 则直接读取; 若以图形形式呈现, 则利用Getdata软件(http://www.getdata-graph-digitizer.com/index.php)提取。本研究处理数据所用误差是SD, 而许多研究中数据误差是以标准误(SE)形式呈现, 因此需要利用公式(3)进行转化:

(3)$SD=SE\sqrt{n}$

式中, n为样本数。

每个观察值权重因子(w)根据公式(4)计算:

(4)W=1/v

为了平衡来自不同研究的权重, 权衡后的权重按照公式(5)(Bai et al., 2013)计算:

(5)W'=w/n

式中, n为每个研究总观测数。

最后, 通过公式(6)和(7)分别计算加权效应值(lnR')和平均效应值($\bar{ lnR'}$):

(6)lnR'= w' ×lnR

(7)$\bar{ lnR'} = \frac{\sum_i ln R^{'}_i}{\sum_i ln w^{'}_i }$

式中, $lnR^{'}_i$和$w^{'}_i$分别表示在第i个观测值的lnR'和w'。

本研究采用MetaWin 2.1随机效应模型分析冻融循环对土壤N₂O通量、N₂O累积排放量、微生物生物量氮含量、硝化作用以及反硝化作用速率是否具有统计显著性差异(Rosenberg et al., 2000)。每个变量结果以平均值和bootstrap 95%置信区间呈现。若某个变量平均效应值的95%置信区间不跨过0, 则表示冻融循环处理对这个变量具有统计学意义上的显著正效应或负效应。反之, 则表示冻融循环处理对这个变量无显著性影响。为了便于解释, 变量的平均效应值被转化为百分数:

(8)变量响应的百分数(%)$= (e ^{\bar{ lnR'}}-1) ×100\%$

为了探究在冻融循环期间影响土壤N₂O排放的因素, 本研究采用一元线性回归模型分析土壤基本理化性质, 冻融循环格局与土壤N₂O通量和累积排放量之间的相关关系, 本分析过程中使用土壤N₂O通量或N₂O累积排放量的未加权效应值(ln R)。使用Origin 8.6作图。

2 结果

2.1 冻融循环对土壤N₂O、微生物生物量氮、硝化和反硝化作用的影响

由图1可知, 冻融循环可显著增加土壤N₂O通量、N₂O累积排放量和硝化作用速率, 平均增幅分别达72.34%, 143.25%和124.63% (p < 0.01)。与之相反, 冻融循环可显著减少土壤微生物生物量氮含量, 平均减幅可达6.39% (p < 0.01)。此外, 与恒温对照相比, 冻融循环作用可提高反硝化作用速率, 平均可提高162.56%, 但其95%置信区间通过0点, 因此并没有达到统计学显著性差异。

图1

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图1冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量、N₂O累积排放量、微生物生物量氮含量、硝化和反硝化作用速率的影响。误差棒表示95%置信区间, 误差棒后面数值代表变量观察数。虚线表示效应值为0。

Fig. 1Effects of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux, cumulative N₂O emissions, microbial biomass nitrogen (MBN) content, nitrification, and denitrification rates. Error bars stand for 95% confidence intervals. Values next to the error bars represent the number of observations of the variable. Dashed line indicates that there is no effect.

2.2 试验设置对N₂O响应冻融循环的影响

表1是本研究收集的30篇关于冻融循环对土壤N₂O排放影响的文献。根据不同研究采用方法的差异, 可分为室内模拟培养和野外原位研究, 其中有23个研究采用的是室内模拟培养, 仅7个研究采用的是野外原位研究, 其中原位研究的方式主要是去除雪被。根据生态系统不同可分为森林、草地、农田、湿地、泥炭地以及苔原。其中研究最多的生态系统类型是农田, 其次是草地和森林。按照冻融循环研究区域, 可划分为中国北部、北美、北欧以及日本(图2)。按照室内研究对于土壤的处理可分为过筛和非过筛, 在室内分析中有将近40%的研究对于土壤是过筛处理的。根据室内分析采集土壤样品的时间可分为在冻融循环期间采样(即秋末到初春期间)和在非冻融循环期间采样。有些研究在试验开始前还在一定温度下进行一段时间的预培养。

Table 1
表1
表1整合分析文章的试验设置
Table 1Experimental settings in the studies used in this meta-analysis

clay,黏粒; sand,砂粒; silt,粉粒。“—”表示这个参数没有报道。
“—”indicates that this parameter was not reported.

新窗口打开|下载CSV

图2

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图2本研究所选冻融循环试验在全球的分布图。•, 样点。

Fig. 2The distribution of the freeze-thaw cycles experiments selected in this meta-analysis in the world. •, site.

由图3可知, 不同试验条件和试验设置下, 冻融循环作用基本上都会显著增加土壤N₂O通量和累积排放量, 但其影响大小不同。(1)采集土壤样地的MAT大小并不影响土壤N₂O排放对冻融循环的正响应, 但是响应大小有所差异。例如, 当MAT超过5 ℃时, 冻融循环作用可显著提高N₂O通量104.13%, 显著高于MAT为0-5 ℃ (增幅为25.56%)和小于0 ℃ (增幅为55.29%)时(p < 0.01)。在MAT小于0 ℃, 0-5 ℃和超过5 ℃的样地, 冻融循环均可显著增加N₂O累积排放量(p < 0.01), 增幅分别为32.78%、74.19%和55.47%, 但三者之间并无统计性差异。(2)不管在室内还是在室外原位研究, 冻融循环均可显著增加N₂O通量(室内和室外增幅分别为70.68%和91.21%)和累积排放量(室内和室外增幅分别为70.68%和91.21%)。N₂O通量在室外研究的平均效应值大于室内研究, 尽管两者之间没有显著性差异, N₂O累积排放量表现出截然相反的趋势。(3)在不同生态系统中, 冻融循环均可显著增加N₂O通量(p < 0.01), 其中湿地(增幅为343.4%)和苔原(增幅为411.31%)生态系统N₂O通量对冻融循环的响应大于森林(增幅为96.19%)、草地(增幅为47.4%)、农田(增幅为97.03%)以及泥炭地(增幅为74.6%)等生态系统, 而N₂O通量对冻融循环的响应在森林、草地、农田以及泥炭地之间差异并不大。与N₂O通量不同, N₂O累积排放量对冻融循环的响应在不同生态系统之间差异明显, 具体表现为: 农田(增幅为616.92%) >草地(增幅为90.6%) >森林(增幅为7.48%)。有趣的是, 在森林生态系统下, 冻融循环对N₂O累积排放量并没有显著影响。(4)不管是N₂O通量还是N₂O累积排放量, 室内研究中土壤过筛都会提高它们对冻融循环的效应值。其中, 过筛与否对于N₂O累积排放量影响较大, 具体表现为: 室内不过筛的土壤与对照相比, 冻融循环提高N₂O累积排放量21.66%, 但无统计学意义的差异; 而过筛后的土壤, 与对照相比, 冻融循环可显著提高N₂O累积排放量1 626.01% (p < 0.01)。(5)有无植物的存在会改变N₂O对冻融循环响应的大小。比如, 有植物存在的土壤N₂O通量响应值(增幅为91.21%)大于无植物的(增幅为54.43%), 但两者之间的差异并无统计性差异。而有植物存在(增幅为80.11%)和无植物存在(增幅为74.16%)条件下, N₂O累积排放量对冻融循环的响应并无明显差异。(6)土壤取样时间也会影响冻融循环效应。在冻融循环期间采集土壤时(N₂O通量和N₂O累积排放量增幅分别为103.11%和271.69%), N₂O通量和N₂O累积排放量响应冻融循环的大小均大于在非冻融循环期间取土时(N₂O通量和N₂O累积排放量增幅分别为45.81%和109.03%), 但两者之间并无明显差异。(7)冻融循环过程中冻结温度越低, N₂O的排放提高幅度越大。本研究得出, 在冻结温度小于-10 ℃时, N₂O通量增幅可达100.73%, 显著高于在冻结温度为-10- -5 ℃ (增幅为47.74%)和大于-5 ℃ (增幅为70.25%)时。N₂O累积排放量也表现出相似的规律, 在冻结温度小于-10 ℃ (增幅为238.38%)和为-10- -5 ℃ (增幅为321.44%)时的N₂O累积排放量高于在冻结温度大于-5 ℃ (增幅为32.78%)时。(8)与冻结温度类似, 冻融循环过程中土壤湿度越高, 土壤N₂O的排放增加幅度越大。例如, 土壤湿度大于70%时, N₂O通量增加109.17%, 显著高于在土壤湿度为50%-70% (增幅为65.67%)和小于50% (增幅为20.37%)时(p < 0.01)。土壤湿度为50%-70% (增幅为775.22%)和大于70% (增幅为240.83%)时, N₂O累积排放量增幅也大于土壤湿度小于50% (增幅为32.78%)时。

图3

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图3冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量和N₂O累积排放量的影响。这些变量被分成不同组, 包括年平均气温、试验方法、生态系统类型、土壤处理、植物的存在、采土时期、冻结温度以及土壤湿度。误差棒表示95%置信区间, 误差棒后面数值代表变量观察数。虚线表示效应值为0。

Fig. 3Effects of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux and cumulative N₂O emissions. The variables are categorized into different groups according to mean annual temperature, experimental method, ecosystem type, soil treatment, presence of plant, period of sampling soil, temperature of freezing, and soil moisture. Error bars stand for 95% confidence intervals. The values next to the error bars represent the number of observations of the variable. Dashed line indicates that there is no effect. FT represents the freeze-thaw period.

2.3 土壤基本理化性质、硝化和反硝化作用速率及冻融循环格局与N₂O排放的相关性

根据冻融循环对N₂O通量的效应值与MAP和MAT之间的相关关系得知, 冻融循环对N₂O通量的效应值与MAT之间呈现显著正相关关系(r = 0.68, p < 0.001), 而与MAP之间无相关性(图4)。

图4

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图4冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(ln R (N₂O flux))与年降水量(MAP)(A)和年平均气温(MAT)(B)之间的相关关系。

Fig. 4Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux)) and mean annual precipitation (MAP)(A) and mean annual temperature (MAT)(B).

通过冻融循环对N₂O通量的效应值与土壤基本理化性质之间的相关关系可得: 冻融循环对N₂O通量的效应值与土壤质地有一定相关性, 比如与土壤黏粒含量呈正相关关系(r = 0.27, p < 0.001), 与土壤砂粒含量呈负相关关系(r = -0.22, p < 0.001), 而与土壤粉粒含量无显著相关关系(图5; 附件I)。在土壤养分中, 冻融循环对N₂O通量的效应值只与土壤硝态氮含量呈现显著正相关关系(r = 0.42, p < 0.001), 而与土壤pH、有机碳含量、总碳含量、总氮含量、碳氮比、铵态氮含量、可溶性有机碳含量、可溶性有机碳与硝态氮含量比值无显著相关性。另外, 冻融循环对N₂O通量的效应值也与土壤湿度呈现极好的线性正相关关系(r = 0.63, p < 0.001)。

图5

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图5冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(ln R (N₂O flux))与土壤基本理化性质之间的相关关系。本图只列出有显著相关关系的理化性质, 没有相关关系的见附件I。

Fig. 5Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux)) and basic physical and chemical characteristics of soils. Those with significant relationships were shown in this figure, but those with non-significant relationships were shown in Appendix I.

由图6可得, 冻融循环对N₂O通量的效应值与冻融循环对反硝化作用速率的效应值呈显著正相关关系(r = 0.72, p < 0.001), 而与冻融循环对硝化作用速率的效应值无明显相关性。

图6

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图6冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(ln R (N₂O flux))与冻融循环对反硝化作用速率的效应值(ln R (Denitrification))(A)和冻融循环对硝化作用速率的效应值(ln R (Nitrification))(B)之间相关关系。

Fig. 6Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux)) and the effect size of freeze-thaw cycle on denitrification rate (ln R (Denitrification))(A) and the effect size of freeze-thaw cycles on nitrification rate (ln R (Nitrification))(B).

冻融循环时间, 温度以及频率也会影响N₂O排放。根据图7可知, 冻融循环过程中土壤融化时间与冻融循环对N₂O通量效应值(r = 0.15, p = 0.003)和N₂O累积排放量效应值(r = 0.63, p < 0.001)均呈现显著线性正相关关系。与此相反, 冻结温度与冻融循环对N₂O通量效应值(r = -0.15, p = 0.002)和N₂O累积排放量效应值(r = -0.49, p < 0.001)均呈现显著线性负相关关系。另外, 冻融循环频率与冻融循环对N₂O通量效应值和累积排放量效应值的相关关系相反, 即分别为显著负相关关系(r = -0.26, p < 0.001)和显著正相关关系(r = 0.76, p < 0.001)。而其他冻融循环参数与N₂O排放之间并没有统计学意义上的显著相关性(附件II)。

图7

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图7冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(ln R (N₂O flux))(A, B, C)和N₂O累积排放量的效应值(ln R (Cumulative N₂O emissions))(D, E, F)与冻融循环时间、温度以及频率之间的相关性。本图只列出有显著相关关系的理化性质, 没有相关关系的见附件II。

Fig. 7Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux))(A, B, C) and cumulative N₂O emissions (ln R (Cumulative N₂O emissions))(D, E, F) and the duration, temperature, and frequency of freeze-thaw cycles. Those with significant relationships were shown in this figure, but those with non-significant relationships were shown in Appendix II.

3 讨论

本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1)。冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019)。本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1)。这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放。在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的。

3.1 不同区域土壤N₂O排放对冻融循环的响应不同

不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值。比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5)。更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时。研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006)。在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018)。本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6)。主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用。因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生。另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4)。在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2)。主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同。在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加。

除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应。本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5)。原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高。例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018)。这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体。另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物。这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5)。有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关。土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015)。在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上。主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系。另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998)。前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂。因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放。然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小。

虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3)。原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018)。这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5)。本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012)。一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017)。

3.2 不同冻融循环格局的效应不同

冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小。土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7)。随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放。随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7)。当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3)。主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生。另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7)。随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少。有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7)。虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的。只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低。因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加。在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏。

本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3)。前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加。然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b)。而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018)。这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3)。因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势。。最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异。

在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3)。比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大。原因可能与微生物特性和养分含量有关。在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014)。在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001)。由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量。相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生。另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物。除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应。本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3)。主要原因是过筛会破坏土壤结构。一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物。在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件。比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛。

4 结论

本研究得出, 冻融循环可显著增加N₂O排放通量、N₂O累积排放量和硝化作用速率, 而显著减少了微生物生物量氮含量。另外, 冻融循环也可增加反硝化作用速率, 但不显著。土壤硝态氮含量越高, 冻融循环对土壤N₂O排放的影响越大, 主要是因为在冻融循环中反硝化作用在N₂O排放中起主导作用。年平均气温、水分含量以及土壤黏粒含量等指标的增加都会促进N₂O对冻融循环的响应, 主要原因是这些因素可显著促进土壤微生物和土壤结构释放更多养分, 从而增加N₂O的产生。另外, 融化时间长, 冻结强度大和冻融循环频率高均可显著提高土壤N₂O累积排放量对冻融循环的响应。未来气候变暖可增加冻融循环的时间、强度和频率, 从而可能会增加N₂O排放, 尤其是对于养分含量和年平均气温较高的生态系统影响可能较大。因此在今后关于N₂O的排放模型预测研究中, 需要考虑这些因素对于其排放的影响。为了准确预测土壤N₂O排放对冻融循环的响应, 未来试验应侧重于室外原位研究或者在室内模拟试验中对土壤的处理方式尽量保持接近野外原位的状况。

附件

附件I 冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(lnR(N₂O flux))与土壤基本理化性质之间相关关系

Appendix I Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux)) and basic physical and chemical characteristics of soils

https://www.plant-ecology.com/fileup/1005-264X/PDF/cjpe.2021.0040-A1.pdf

附件II 冻融循环对土壤氧化亚氮(N₂O)通量的效应值(ln R (N₂O flux))和N₂O累积量排放(ln R (Cumulative N₂O emissions))与冻融循环的总时间、冻结时间以及融化温度之间相关关系

Appendix II Relationships between the effect size of freeze-thaw cycles on soil nitrous oxide (N₂O) flux (ln R (N₂O flux)) and the effect size of freeze-thaw cycles on cumulative N₂O emissions (ln R (Cumulative N₂O emissions)) and the total duration, the duration of freezing, and temperature of thawing

https://www.plant-ecology.com/fileup/1005-264X/PDF/cjpe.2021.0040-A2.pdf

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

Abalos

, Brown

, Vanderzaag

, Gordon

, Dunfield

, Wagner-Riddle

(2016). Micrometeorological measurements over 3 years reveal differences in N₂O emissions between annual and perennial crops
Global Change Biology, 22, 1244-1255.

DOI:10.1111/gcb.13137PMID:26491961 [本文引用: 1]

Perennial crops can deliver a wide range of ecosystem services compared to annual crops. Some of these benefits are achieved by lengthening the growing season, which increases the period of crop water and nutrient uptake, pointing to a potential role for perennial systems to mitigate soil nitrous oxide (N2 O) emissions. Employing a micrometeorological method, we tested this hypothesis in a 3-year field experiment with a perennial grass-legume mixture and an annual corn monoculture. Given that N2 O emissions are strongly dependent on the method of fertilizer application, two manure application options commonly used by farmers for each crop were studied: injection vs. broadcast application for the perennial; fall vs. spring application for the annual. Across the 3 years, lower N2 O emissions (P < 0.001) were measured for the perennial compared to the annual crop, even though annual N2 O emissions increased tenfold for the perennial after ploughing. The percentage of N2 O lost per unit of fertilizer applied was 3.7, 3.1 and 1.3 times higher for the annual for each consecutive year. Differences in soil organic matter due to the contrasting root systems of these crops are probably a major factor behind the N2 O reduction. We found that a specific manure management practice can lead to increases or reductions in annual N2 O emissions depending on environmental variables. The number of freeze-thaw cycles during winter and the amount of rainfall after fertilization in spring were key factors. Therefore, general manure management recommendations should be avoided because interannual weather variability has the potential to determine if a specific practice is beneficial or detrimental. The lower N2 O emissions of perennial crops deserve further research attention and must be considered in future land-use decisions. Increasing the proportion of perennial crops in agricultural landscapes may provide an overlooked opportunity to regulate N2 O emissions. © 2015 John Wiley & Sons Ltd.

[2]

Abalos

, van Groenigen

, de Deyn

, (2018). What plant functional traits can reduce nitrous oxide emissions from intensively managed grasslands
Global Change Biology, 24, 248-258.

[本文引用: 1]

[3]

Alvarez

, Santanatoglia

, Garcîa

(1995). Effect of temperature on soil microbial biomass and its metabolic quotient in situ under different tillage systems
Biology and Fertility of Soils, 19, 227-230.

DOI:10.1007/BF00336164 URL [本文引用: 1]

[4]

Bai

, Li

, Xu

, Li

, Dai

, Jiang

(2013). A meta-analysis of experimental warming effects on terrestrial nitrogen pools and dynamics
New Phytologist, 199, 441-451.

DOI:10.1111/nph.2013.199.issue-2 URL [本文引用: 1]

[5]

Cai

, Ding

, Xiang

(2012). Mechanisms of nitrous oxide and nitric oxide production in soils: a review
Soils, 44, 712-718.

[本文引用: 1]

蔡延江, 丁维新, 项剑 (2012). 土壤N₂O和NO产生机制研究进展
土壤, 44, 712-718.]

[本文引用: 1]

[6]

Campbell

, Socci

, Templer

(2014). Increased nitrogen leaching following soil freezing is due to decreased root uptake in a northern hardwood forest
Global Change Biology, 20, 2663-2673.

DOI:10.1111/gcb.12532PMID:24574104 [本文引用: 3]

The depth and duration of snow pack is declining in the northeastern United States as a result of warming air temperatures. Since snow insulates soil, a decreased snow pack can increase the frequency of soil freezing, which has been shown to have important biogeochemical implications. One of the most notable effects of soil freezing is increased inorganic nitrogen losses from soil during the following growing season. Decreased nitrogen retention is thought to be due to reduced root uptake, but has not yet been measured directly. We conducted a 2-year snow-removal experiment at Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire, USA to determine the effects of soil freezing on root uptake and leaching of inorganic nitrogen simultaneously. Snow removal significantly increased the depth of maximal soil frost by 37.2 and 39.5 cm in the first and second winters, respectively (P < 0.001 in 2008/2009 and 2009/2010). As a consequence of soil freezing, root uptake of ammonium declined significantly during the first and second growing seasons after snow removal (P = 0.023 for 2009 and P = 0.005 for 2010). These observed reductions in root nitrogen uptake coincided with significant increases in soil solution concentrations of ammonium in the Oa horizon (P = 0.001 for 2009 and 2010) and nitrate in the B horizon (P < 0.001 and P = 0.003 for 2009 and 2010, respectively). The excess flux of dissolved inorganic nitrogen from the Oa horizon that was attributable to soil freezing was 7.0 and 2.8 kg N ha(-1) in 2009 and 2010, respectively. The excess flux of dissolved inorganic nitrogen from the B horizon was lower, amounting to 1.7 and 0.7 kg N ha(-1) in 2009 and 2010, respectively. Results of this study provide direct evidence that soil freezing reduces root nitrogen uptake, demonstrating that the effects of winter climate change on root function has significant consequences for nitrogen retention and loss in forest ecosystems.© 2014 John Wiley & Sons Ltd.

[7]

Chen

, Gong

, Liu

(2018). Effects of seasonal snow cover on decomposition and carbon, nitrogen and phosphorus release of Picea schrenkiana leaf litter in Mt. Tianshan, Northwest China
Chinese Journal of Plant Ecology, 42, 487-497.

DOI:10.17521/cjpe.2017.0298 URL [本文引用: 1]

[ 陈文静, 贡璐, 刘雨桐 (2018). 季节性雪被对天山雪岭云杉凋落叶分解和碳氮磷释放的影响
植物生态学报, 42, 487-497.]

DOI:10.17521/cjpe.2017.0298 [本文引用: 1]

季节性雪被下显著的冻融格局差异可能对干旱区山地森林凋落叶分解过程产生重要影响, 但一直未见深入研究。2015年10月至2016年10月, 采用凋落物分解袋法, 研究了天山典型树种雪岭云杉(Picea schrenkiana)凋落叶在季节性雪被覆盖下的3个关键时期(冻融期、深冻期、融冻期)以及生长季(生长季早期和生长季末期)的分解动态和碳、氮、磷释放特征。结果表明: (1)经过一年的分解, 不同雪被厚度下雪岭云杉凋落叶分解率为24.6%-29.2%, 且存在显著性差异。分解系数k值厚雪被覆盖最大, 无雪被覆盖最小。(2)冬季雪被覆盖期雪岭云杉凋落叶分解对当年分解总量的贡献达46.0%- 48.5%, 其中对冻融期凋落叶分解影响较为明显。(3)随着凋落叶的分解, 雪岭云杉凋落叶氮含量总体呈增加趋势; 碳含量和碳氮比大致呈下降趋势, 在深冻期和生长季末期不同雪被处理下碳含量呈显著性差异; 而凋落叶磷含量呈不规则变化趋势, 且在冻融期和融冻期不同雪被厚度下呈显著性差异。(4)整个雪被覆盖季节凋落叶氮元素表现为富集, 碳和磷元素表现为释放; 其中, 在融冻期薄雪被和中雪被处理下碳元素富集率最大, 在冻融期薄雪被、中雪被和厚雪被处理下, 融冻期无雪被和厚雪被下以及生长季早期中雪被和厚雪被下氮元素富集率最大, 而雪被对凋落叶磷释放的影响不显著。

[8]

Chen

, Tessier

, Mackenzie

, Laverdière

(1995). Nitrous oxide emission from an agricultural soil subjected to different freeze-thaw cycles
Agriculture Ecosystems & Environment, 55, 123-128.

DOI:10.1016/0167-8809(95)00611-U URL

[9]

Chen

, Yang

, Zhang

, Zhou

, Jing

, Zhang

, Han

, Yang

(2016). Effects of freeze-thaw cycles on soil nitrogen loss and availability
Acta Ecologica Sinica, 36, 1083-1094.

[本文引用: 2]

[ 陈哲, 杨世琦, 张晴雯, 周华坤, 井新, 张爱平, 韩瑞芸, 杨正礼 (2016). 冻融对土壤氮素损失及有效性的影响
生态学报, 36, 1083-1094.]

[本文引用: 2]

[10]

Congreves

, Wagner-Riddle

, Si

, Clough

(2018). Nitrous oxide emissions and biogeochemical responses to soil freezing-thawing and drying-wetting
Soil Biology & Biochemistry, 117, 5-15.

DOI:10.1016/j.soilbio.2017.10.040 URL [本文引用: 3]

[11]

Cui

, Song

, Wang

, Shi

, Wang

, Guo

(2016). Rapid N₂O fluxes at high level of nitrate nitrogen addition during freeze-thaw events in boreal peatlands of Northeast China
Atmospheric Environment, 135, 1-8.

DOI:10.1016/j.atmosenv.2016.03.053 URL

[12]

Dai

, Yu

, Chen

, Zhao

, Huang

, Su

, Xia

, Chang

, Brookes

, Dahlgren

, Xu

(2020). Elevated temperature shifts soil N cycling from microbial immobilization to enhanced mineralization, nitrification and denitrification across global terrestrial ecosystems
Global Change Biology, 26, 5267-5276.

DOI:10.1111/gcb.v26.9 URL [本文引用: 1]

[13]

Fazzolari

, Nicolardot

, Germon

(1998). Simultaneous effects of increasing levels of glucose and oxygen partial pressures on denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in repacked soil cores
European Journal of Soil Biology, 34, 47-52.

DOI:10.1016/S1164-5563(99)80006-5 URL [本文引用: 2]

[14]

Fitzhugh

, Driscoll

, Groffman

, Tierney

, Fahey

, Hardy

(2001). Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen, phosphorus, and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem
Biogeochemistry, 56, 215-238.

DOI:10.1023/A:1013076609950 URL [本文引用: 1]

[15]

Freppaz

, Williams

, Edwards

, Scalenghe

, Zanini

(2007). Simulating soil freeze/thaw cycles typical of winter alpine conditions: implications for N and P availability
Applied Soil Ecology, 35, 247-255.

DOI:10.1016/j.apsoil.2006.03.012 URL [本文引用: 3]

[16]

Gao

, Zhang

, Liu

, Peng

, Fan

, Dai

, Jiang

, Bai

(2018). Responses of terrestrial nitrogen pools and dynamics to different patterns of freeze-thaw cycle: a meta-analysis
Global Change Biology, 24, 2377-2389.

DOI:10.1111/gcb.2018.24.issue-6 URL [本文引用: 4]

[17]

Gao

, Zeng

, Xie

, Ma

(2015). Release of carbon and nitrogen from alpine soils during thawing periods in the eastern Qinghai-Tibet Plateau
Water, Air & Soil Pollution, 226, 1-9.

[18]

Goldberg

, Borken

, Gebauer

(2010). N₂O emission in a Norway spruce forest due to soil frost: concentration and isotope profiles shed a new light on an old story
Biogeochemistry, 97, 21-30.

DOI:10.1007/s10533-009-9294-z URL

[19]

Goldberg

, Muhr

, Borken

, Gebauer

(2008). Fluxes of climate-relevant trace gases between a Norway spruce forest soil and atmosphere during repeated freeze-thaw cycles in mesocosms
Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 171, 729-739.

DOI:10.1002/jpln.v171:5 URL

[20]

Groffman

, Hardy

, Driscoll

, Fahey

(2006). Snow depth, soil freezing, and fluxes of carbon dioxide, nitrous oxide and methane in a northern hardwood forest
Global Change Biology, 12, 1748-1760.

DOI:10.1111/gcb.2006.12.issue-9 URL

[21]

Groffman

, Hardy

, Fashu-Kanu

, Driscoll

, Cleavitt

, Fahey

, Fisk

(2011). Snow depth, soil freezing and nitrogen cycling in a northern hardwood forest landscape
Biogeochemistry, 102, 223-238.

DOI:10.1007/s10533-010-9436-3 URL [本文引用: 1]

[22]

Grogan

, Michelsen

, Ambus

, Jonasson

(2004). Freeze-thaw regime effects on carbon and nitrogen dynamics in sub-arctic heath tundra mesocosms
Soil Biology & Biochemistry, 36, 641-654.

DOI:10.1016/j.soilbio.2003.12.007 URL [本文引用: 3]

[23]

Han

, Gu

, Kong

, Hu

, Jia

, Li

, Sun

, Siddique

KHM

(2018). Responses of soil microorganisms, carbon and nitrogen to freeze-thaw cycles in diverse land-use types
Applied Soil Ecology, 124, 211-217.

DOI:10.1016/j.apsoil.2017.11.012 URL [本文引用: 2]

[24]

Hedges

, Gurevitch

, Curtis

(1999). The meta-analysis of response ratios in experimental ecology
Ecology, 80, 1150-1156.

DOI:10.1890/0012-9658(1999)080[1150:TMAORR]2.0.CO;2 URL [本文引用: 1]

[25]

Henry

HAL

(2007). Soil freeze-thaw cycle experiments: trends, methodological weaknesses and suggested improvements
Soil Biology & Biochemistry, 39, 977-986.

DOI:10.1016/j.soilbio.2006.11.017 URL [本文引用: 2]

[26]

, Chen

, He

(2015). Microbial regulation of terrestrial nitrous oxide formation: understanding the biological pathways for prediction of emission rates
FEMS Microbiology Reviews, 39, 729-749.

DOI:10.1093/femsre/fuv021 URL [本文引用: 1]

[27]

IPCC (2014). Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge.

[本文引用: 1]

[28]

Katayanagi

, Hatano

(2012). N₂O emissions during the freezing and thawing periods from six fields in a livestock farm, southern Hokkaido, Japan
Soil Science and Plant Nutrition, 58, 261-271.

DOI:10.1080/00380768.2012.670810 URL

[29]

Kettunen

, Saarnio

(2013). Biochar can restrict N₂O emissions and the risk of nitrogen leaching from an agricultural soil during the freeze-thaw period
Agricultural and Food Science, 22, 373-379.

DOI:10.23986/afsci.7887 URL

[30]

Koponen

, Jaakkola

, Keinänen-Toivola

, Kaipainen

, Tuomainen

, Servomaa

, Martikainen

(2006). Microbial communities, biomass, and activities in soils as affected by freeze thaw cycles
Soil Biology & Biochemistry, 38, 1861-1871.

DOI:10.1016/j.soilbio.2005.12.010 URL [本文引用: 1]

[31]

Ludwig

, Wolf

, Teepe

(2004). Contribution of nitrification and denitrification to the emission of N₂O in a freeze-thaw event in an agricultural soil
Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 167, 678-684.

DOI:10.1002/jpln.v167:6 URL [本文引用: 1]

[32]

Maljanen

, Kohonen

, VirkajaäRvi

, Martikainen

(2007). Fluxes and production of N₂O, CO₂ and CH₄ in boreal agricultural soil during winter as affected by snow cover
Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 59, 853-859.

DOI:10.1111/j.1600-0889.2007.00304.x URL

[33]

Maljanen

, Virkajarvi

, Hytonen

, Oquist

, Sparrman

, Martikainen

(2009). Nitrous oxide production in boreal soils with variable organic matter content at low temperature- snow manipulation experiment
Biogeosciences, 6, 2461-2473.

DOI:10.5194/bg-6-2461-2009 URL

[34]

Matzner

, Borken

(2008). Do freeze-thaw events enhance C and N losses from soils of different ecosystems? A review
European Journal of Soil Science, 59, 274-284.

DOI:10.1111/ejs.2008.59.issue-2 URL [本文引用: 2]

[35]

Mergel

, Schmitz

, Mallmann

, Bothe

(2001). Relative abundance of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in layers of a forest soil
FEMS Microbiology Ecology, 36, 33-42.

PMID:11377771 [本文引用: 1]

The populations of N(2)-fixing and denitrifying bacteria in an acid forest soil near Cologne were characterized by gene probing. The DNA isolated from the soil for this purpose was suitable for DNA-DNA hybridization using 0.4-0.7-kb probes targeting denitrification enzymes, dinitrogenase reductase (nifH) and eubacterial 16S rRNA. The densitometrical comparison of band intensities obtained in these Southern hybridizations indicated that the highest number of total bacteria, of denitrifying and N(2)-fixing microorganisms always occurred in the upper ( approximately 5 cm) soil layer. The concentration of all these organisms decreased in parallel with the soil depth. The soil investigated was rich in nitrate in all layers, and the availability of nitrate apparently did not govern the distribution of denitrifying and N(2)-fixing bacteria in this soil. Soil cores investigated in the laboratory formed N(2)O on addition of nitrate irrespective of the presence of C(2)H(2). Hybridization intensities, with a gene probe for the 16S rRNA, and MPN numbers were generally higher in soil samples taken from the roots of plants than in the bulk soil. There was no selective enrichment of denitrifying or N(2)-fixing bacteria at the roots. The data obtained by hybridizing isolated soil DNA generally matched previous results obtained with culturable bacteria.

[36]

Mørkved

, Dörsch

, Henriksen

, Bakken

(2006). N₂O emissions and product ratios of nitrification and denitrification as affected by freezing and thawing
Soil Biology & Biochemistry, 38, 3411-3420.

DOI:10.1016/j.soilbio.2006.05.015 URL [本文引用: 1]

[37]

Neilsen

, Groffman

, Hamburg

, Driscoll

, Fahey

, Hardy

(2001). Freezing effects on carbon and nitrogen cycling in northern hardwood forest soils
Soil Science Society of America Journal, 65, 1723-1730.

DOI:10.2136/sssaj2001.1723 URL

[38]

Nottingham

, Bååth

, Reischke

, Salinas

, Meir

(2019). Adaptation of soil microbial growth to temperature: using a tropical elevation gradient to predict future changes
Global Change Biology, 25, 827-838.

DOI:10.1111/gcb.14502PMID:30372571 [本文引用: 1]

Terrestrial biogeochemical feedbacks to the climate are strongly modulated by the temperature response of soil microorganisms. Tropical forests, in particular, exert a major influence on global climate because they are the most productive terrestrial ecosystem. We used an elevation gradient across tropical forest in the Andes (a gradient of 20°C mean annual temperature, MAT), to test whether soil bacterial and fungal community growth responses are adapted to long-term temperature differences. We evaluated the temperature dependency of soil bacterial and fungal growth using the leucine- and acetate-incorporation methods, respectively, and determined indices for the temperature response of growth: Q (temperature sensitivity over a given 10oC range) and T (the minimum temperature for growth). For both bacterial and fungal communities, increased MAT (decreased elevation) resulted in increases in Q and T of growth. Across a MAT range from 6°C to 26°C, the Q and T varied for bacterial growth (Q = 2.4 to 3.5; T = -8°C to -1.5°C) and fungal growth (Q = 2.6 to 3.6; T = -6°C to -1°C). Thus, bacteria and fungi did not differ significantly in their growth temperature responses with changes in MAT. Our findings indicate that across natural temperature gradients, each increase in MAT by 1°C results in increases in T of microbial growth by approximately 0.3°C and Q by 0.05, consistent with long-term temperature adaptation of soil microbial communities. A 2°C warming would increase microbial activity across a MAT gradient of 6°C to 26°C by 28% to 15%, respectively, and temperature adaptation of microbial communities would further increase activity by 1.2% to 0.3%. The impact of warming on microbial activity, and the related impact on soil carbon cycling, is thus greater in regions with lower MAT. These results can be used to predict future changes in the temperature response of microbial activity over different levels of warming and over large temperature ranges, extending to tropical regions.© 2018 The Authors. Global Change Biology Published by John Wiley & Sons Ltd.

[39]

Öquist

, Nilsson

, Sörensson

, Kasimir-Klemedtsson

, Persson

, Weslien

, Klemedtsson

(2004). Nitrous oxide production in a forest soil at low temperatures- Processes and environmental controls
FEMS Microbiology Ecology, 49, 371-378.

DOI:10.1016/j.femsec.2004.04.006 URL [本文引用: 1]

[40]

Oztas

, Fayetorbay

(2003). Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability
Catena, 52, 1-8.

DOI:10.1016/S0341-8162(02)00177-7 URL [本文引用: 2]

[41]

Pelster

, Chantigny

, Rochette

, Angers

, Laganière

, Zebarth

, Goyer

(2013). Crop residue incorporation alters soil nitrous oxide emissions during freeze-thaw cycles
Canadian Journal of Soil Science, 93, 415-425.

DOI:10.4141/cjss2012-043 URL [本文引用: 3]

[42]

Pelster

, Chantigny

, Rochette

, Bertrand

, Angers

, Zebarth

, Goyer

, Naeth

(2019). Rates and intensity of freeze-thaw cycles affect nitrous oxide and carbon dioxide emissions from agricultural soils
Canadian Journal of Soil Science, 99, 472-484.

DOI:10.1139/cjss-2019-0058

In cool temperate regions, large emissions of nitrous oxide (N2O), an important greenhouse and ozone-depleting gas, have been observed during freeze-thaw (FT) cycles. However, it is unclear how freezing and thawing rates, freezing intensity, and freezing duration influence N2O emissions. We used a laboratory incubation to measure N2O emissions from two soils (sandy loam, silty clay) undergoing a single FT cycle of various freezing and thawing rates [rapid (0.5 degrees C h(-1)) vs. slow (0.017 degrees C h(-1))], freezing intensity (-1 vs. -3 degrees C), and freezing duration (24 vs. 48 freezing degree-days). In general, soil carbon dioxide fluxes during freezing were highest when soils were frozen slowly at -1 degrees C, whereas fluxes after thawing were highest from the soils frozen and thawed rapidly at -3 degrees C. Soil N2O emissions during both the freezing and thawing periods were greatest in the soils exposed to rapid freezing to -3 degrees C, intermediate under rapid freezing to -1 degrees C and slow freezing to -3 degrees C, and smallest under slow freezing to -1 degrees C and the control treatment (constant +1 degrees C). The similar N2O emissions between the unfrozen control and the slowly frozen -1 degrees C treatment was unexpected as previous field studies with similar freezing rates and temperatures still experienced high N2O emissions during thaw. This suggests that the physical disruptions caused by freezing and thawing of the surface soil are not the primary driver of FT-induced N2O emissions under field conditions.

[43]

Priemé

, Christensen

(2001). Natural perturbations, drying-wetting and freezing-thawing cycles, and the emission of nitrous oxide, carbon dioxide and methane from farmed organic soils
Soil Biology & Biochemistry, 33, 2083-2091.

DOI:10.1016/S0038-0717(01)00140-7 URL [本文引用: 1]

[44]

Ravishankara

, Daniel

, Portmann

(2009). Nitrous oxide (N₂O): the dominant ozone-depleting substance emitted in the 21^st century
Science, 26, 123-125.

[本文引用: 1]

[45]

Reinmann

, Templer

(2016). Reduced winter snowpack and greater soil frost reduce live root biomass and stimulate radial growth and stem respiration of red maple (Acer rubrum) trees in a mixed-hardwood forest
Ecosystems, 19, 129-141.

DOI:10.1007/s10021-015-9923-4 URL [本文引用: 3]

[46]

Reinmann

, Templer

, Campbell

(2012). Severe soil frost reduces losses of carbon and nitrogen from the forest floor during simulated snowmelt: a laboratory experiment
Soil Biology & Biochemistry, 44, 65-74.

DOI:10.1016/j.soilbio.2011.08.018 URL

[47]

Rogelj

, Meinshausen

, Knutti

(2012). Global warming under old and new scenarios using IPCC climate sensitivity range estimates
Nature Climate Change, 2, 248-253.

DOI:10.1038/nclimate1385 URL [本文引用: 1]

[48]

Rosenberg

, Adams

, Gurevitch

(2000). MetaWin: Statistical Software for Meta-analysis
Sinauer Associates, Sunderland, USA.

[本文引用: 1]

[49]

Ruan

, Robertson

(2017). Reduced snow cover increases wintertime nitrous oxide (N₂O) emissions from an agricultural soil in the upper U.S. Midwest
Ecosystems, 20, 917-927.

DOI:10.1007/s10021-016-0077-9 URL

[50]

Sánchez-García

, Roig

, Sánchez-Monedero

, Cayuela

(2014). Biochar increases soil N₂O emissions produced by nitrification-mediated pathways
Frontiers in Environmental Science, 2, 25. DOI: 10.3389/fenvs.2014.00025.

[本文引用: 1]

[51]

Sawicka

, Robador

, Hubert

, Jørgensen

, Brüchert

(2010). Effects of freeze-thaw cycles on anaerobic microbial processes in an Arctic intertidal mud flat
The ISME Journal, 4, 585-594.

DOI:10.1038/ismej.2009.140 URL [本文引用: 1]

[52]

Sehy

, Dyckmans

, Ruser

, Munch

(2004). Adding dissolved organic carbon to simulate freeze-thaw related N₂O emissions from soil
Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 167, 471-478.

DOI:10.1002/jpln.v167:4 URL

[53]

Seitzinger

, Harrison

, Böhlke

, Bouwman

, Lowrance

, Peterson

, Tobias

,van Drecht G (2006). Denitrification across landscapes and waterscapes: a synthesis
Ecological Applications, 16, 2064-2090.

DOI:10.1890/1051-0761(2006)016[2064:DALAWA]2.0.CO;2 URL [本文引用: 2]

[54]

Song

, Yu

, Zou

, Wang

, Zhang

(2016). Progress of freeze-thaw effects on carbon, nitrogen and phosphorus cyclings in soils
Soils and Crops, 5, 78-90.

[本文引用: 1]

[ 宋阳, 于晓菲, 邹元春, 王国平, 张琳琳 (2016). 冻融作用对土壤碳、氮、磷循环的影响
土壤与作物, 5, 78-90.]

[本文引用: 1]

[55]

Song

, Zou

, Wang

, Yu

(2017). Altered soil carbon and nitrogen cycles due to the freeze-thaw effect: a meta-analysis
Soil Biology & Biochemistry, 109, 35-49.

DOI:10.1016/j.soilbio.2017.01.020 URL [本文引用: 3]

[56]

van

Bochove E

, Prevost

, Pelletier

(2000). Effects of freeze-thaw and soil structure on nitrous oxide produced in a clay soil
Soil Science Society of America Journal, 64, 1638-1643.

DOI:10.2136/sssaj2000.6451638x URL

[57]

Wagner-Riddle

, Congreves

, Abalos

, Berg

, Brown

, Ambadan

, Gao

, Tenuta

(2017). Globally important nitrous oxide emissions from croplands induced by freeze-thaw cycles
Nature Geoscience, 10, 279-283.

DOI:10.1038/NGEO2907 [本文引用: 2]

Seasonal freezing induces large thawemissions of nitrous oxide, a trace gas that contributes to stratospheric ozone destruction and atmospheric warming. Cropland soils are by far the largest anthropogenic source of nitrous oxide. However, the global contribution of seasonal freezing to nitrous oxide emissions from croplands is poorly quantified, mostly due to the lack of year-round measurements and difficulty in capturing short-lived pulses of nitrous oxide with traditional measurement methods. Here we present measurements collected with half-hourly resolution at two contrasting cropland sites in Ontario and Manitoba, Canada, over 14 and 9 years, respectively. We find that the magnitude of freeze-thaw-induced nitrous oxide emissions is related to the number of days with soil temperatures below 0 degrees C, and we validate these findings with emissions data from 11 additional sites from cold climates around the globe. Based on an estimate of cropland area experiencing seasonal freezing, reanalysis model estimates of soil temperature, and the relationship between cumulative soil freezing days and emissions that we derived from the cropland sites, we estimate that seasonally frozen cropland contributes 1.07 +/- 0.59 Tg of nitrogen as nitrous oxide annually. We conclude that neglecting freeze-thaw emissions would lead to an underestimation of global agricultural nitrous oxide emissions by 17 to 28%.

[58]

Wagner-Riddle

, Rapai

, Warland

, Furon

(2010). Nitrous oxide fluxes related to soil freeze and thaw periods identified using heat pulse probes
Canadian Journal of Soil Science, 90, 409-418.

DOI:10.4141/CJSS09016 URL [本文引用: 1]

[59]

Walker

, Palmer

, Voordouw

(2006). Freeze-thaw tolerance and clues to the winter survival of a soil community
Applied and Environmental Microbiology, 72, 1784-1792.

DOI:10.1128/AEM.72.3.1784-1792.2006 URL [本文引用: 1]

[60]

Wertz

, Goyer

, Zebarth

, Tatti

, Burton

, Chantigny

, Filion

(2016). The amplitude of soil freeze-thaw cycles influences temporal dynamics of N₂O emissions and denitrifier transcriptional activity and community composition
Biology and Fertility of Soils, 52, 1149-1162.

DOI:10.1007/s00374-016-1146-0 URL

[61]

Wieder

, Cleveland

, Townsend

(2011). Throughfall exclusion and leaf litter addition drive higher rates of soil nitrous oxide emissions from a lowland wet tropical forest
Global Change Biology, 17, 3195-3207.

DOI:10.1111/gcb.2011.17.issue-10 URL [本文引用: 2]

[62]

, Brüeggemann

, Butterbach-Bahl

, Fu

, Liu

(2014a). Snow cover and soil moisture controls of freeze-thaw-related soil gas fluxes from a typical semi-arid grassland soil: a laboratory experiment
Biology and Fertility of Soils, 50, 295-306.

DOI:10.1007/s00374-013-0853-z URL

[63]

, Li

, Wang

, Fu

, Liu

, Lv

(2020a). Soil properties mediate the freeze-thaw-related soil N₂O and CO₂ emissions from temperate grasslands
Catena, 195, 104797. DOI: 10.1016/j.catena.2020.104797.

URL

[64]

, Liu

, Zhang

, Fu

, Li

, Wang

, Liu

(2014b). Effects of snow cover and soil moisture on CO₂ and N₂O fluxes from typical semi-arid grassland soil subjected to freeze-thaw cycles
Acta Ecologica Sinica, 34, 5484-5493.

[ 伍星, 刘慧峰, 张令能, 傅伯杰, 李宗善, 汪庆兵, 刘国华 (2014b). 雪被和土壤水分对典型半干旱草原土壤冻融过程中CO₂和N₂O排放的影响
生态学报, 34, 5484-5493.]

[65]

, Wang

, Li

, Fu

, Lv

, Liu

(2020b). Nitrogen additions increase N₂O emissions but reduce soil respiration and CH₄ uptake during freeze-thaw cycles in an alpine meadow
Geoderma, 363, 114157.

DOI:10.1016/j.geoderma.2019.114157 URL [本文引用: 1]

[66]

Xiao

, Zhang

, Li

, Xu

, Shi

, Zhang

(2019). Effects of freeze-thaw cycles on aggregate-associated organic carbon and glomalin-related soil protein in natural- succession grassland and Chinese pine forest on the Loess Plateau
Geoderma, 334, 1-8.

DOI:10.1016/j.geoderma.2018.07.043 [本文引用: 5]

Glomalin-related soil protein (GRSP) is a hydrophobic glycoprotein that can protect soil organic carbon (SOC) from decomposition by promoting the formation of soil aggregates. Few studies, however, have evaluated the response of aggregate-associated SOC and GRSP to freeze-thaw cycles (FTs) under different patterns of vegetation restoration. Soil samples were collected from three typical natural-succession grasslands (dominated by Artemisia capalaris, A. sacrorum, and Bothriochloa ischaemum) and a Chinese pine (Pains tabuliformis) forest before and after natural FTs during a winter-spring season on the Loess Plateau in China. The soil aggregate stability and concentrations of SOC, easily extractable GRSP (EE-GRSP) and total GRSP (T-GRSP) in different aggregate fractions were measured. The FTs decreased the proportion of > 5.0 mm wet-sieved fractions, increased the proportion of < 0.25 mm wet-sieved fractions, and decreased the mean weight diameters by 8.7, 9.5, 2.9, and 9.4% in the soils of A. capiilaris, A. sacrorum, B. ischaemum, and P. tabuliformis, respectively. The SOC, T-GRSP, and EE-GRSP concentrations in each aggregate fraction generally decreased after FTs in the four vegetation types. The SOC, T-GRSP, and EE-GRSP concentrations did not differ significantly in the larger aggregate fractions before the FTs in the soils for B. ischaemum and P. tabuliformis, but their concentrations were significantly higher for B. ischaemum than P. tabuliformis after FTs. The SOC and GRSP concentrations were significantly and linearly correlated in most aggregate fractions both before and after the FTs. These results indicated that the FTs decreased SOC by decreasing the GRSP concentration in each aggregate fraction and that SOC was more sensitive to FTs in forest than in natural-succession grassland.

[67]

Yanai

, Hirota

, Iwata

, Nemoto

, Nagata

, Koga

(2011). Accumulation of nitrous oxide and depletion of oxygen in seasonally frozen soils in northern Japan- Snow cover manipulation experiments
Soil Biology & Biochemistry, 43, 1779-1786.

DOI:10.1016/j.soilbio.2010.06.009 URL [本文引用: 1]

[68]

Yanai

, Toyota

, Okazaki

(2004). Effects of successive soil freeze-thaw cycles on soil microbial biomass and organic matter decomposition potential of soils
Soil Science and Plant Nutrition, 50, 821-829.

DOI:10.1080/00380768.2004.10408542 URL [本文引用: 2]

[69]

Yanai

, Toyota

, Okazaki

(2007). Response of denitrifying communities to successive soil freeze-thaw cycles
Biology and Fertility of Soils, 44, 113-119.

DOI:10.1007/s00374-007-0185-y URL

[70]

Yang

, Qin

, Sun

(2010). A review: response of soil CO₂ and N₂O emissions to freeze-thaw pattern change
Soils, 42, 519-525.

[本文引用: 1]

[ 杨红露, 秦纪洪, 孙辉 (2010). 冻融交替对土壤CO₂及N₂O释放效应的研究进展
土壤, 42, 519-525.]

[本文引用: 1]

[71]

Yang

, Yang

, Tan

, He

, Zhuang

, Li

, Tan

, Xu

(2017). Short-term responses of winter soil respiration to snow removal in a Picea asperata forest of western Sichuan
Chinese Journal of Plant Ecology, 41, 964-971.

DOI:10.17521/cjpe.2017.0015 URL [本文引用: 1]

[ 杨开军, 杨万勤, 谭羽, 贺若阳, 庄丽燕, 李志杰, 谭波, 徐振锋 (2017). 川西亚高山云杉林冬季土壤呼吸对雪被去除的短期响应
植物生态学报, 41, 964-971.]

DOI:10.17521/cjpe.2017.0015 [本文引用: 1]

季节性雪被是高寒森林冬季土壤呼吸的重要调控因子, 气候变化导致的季节性雪被减少可能对高寒森林冬季土壤呼吸产生显著影响。该研究采用人工去除雪被的方法, 研究雪被去除对川西亚高山云杉(Picea asperata)人工林冬季土壤呼吸的影响。结果表明: 与对照相比, 雪被去除加大了土壤温度波动, 使冬季土壤表层和5 cm平均温度分别降低了1.12和0.34 ℃, 冻融循环次数分别增加了39和12次; 冬季平均土壤呼吸速率和土壤碳排放通量分别为0.52 μmol·m-2·s-1和88.44 g·m-2, 雪被去除使冬季平均土壤呼吸速率和碳排放通量分别降低了21.02%和25.99%, 雪被效应主要发生在雪被初期; 冬季土壤呼吸与土壤温度存在显著的指数关系, 雪被去除显著降低了冬季土壤呼吸温度敏感性。未来气候变化所引发的季节性雪被减少可能会降低川西亚高山森林冬季土壤碳排放, 从而对亚高山森林土壤碳动态产生深远影响。

[72]

Yao

, Wu

, Wolf

, Dannenmann

, Butterbach-Bahl

, Brueggemann

, Chen

, Zheng

(2010). Soil-atmosphere exchange potential of NO and N₂O in different land use types of Inner Mongolia as affected by soil temperature, soil moisture, freeze-thaw, and drying- wetting events
Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 115, D17116. DOI: 10.1029/2009JD013528.

URL

[73]

Yin

, Shen

, Tang

, Cheng

(1998). Reduction of nitrate to ammonium in selected paddy soils of China
Pedosphere, 8, 221-228.

[本文引用: 2]

[74]

, Zhang

, Zhao

, Lu

, Wang

(2010). Freeze-thaw effects on sorption/desorption of dissolved organic carbon in wetland soils
Chinese Geographical Science, 20, 209-217.

DOI:10.1007/s11769-010-0209-7 URL [本文引用: 2]

[75]

Zhang

, Wang

, Chen

, Zhang

, Zeng

(2014). Comparison of seasonal soil microbial process in snow-covered temperate ecosystems of northern China
PLOS ONE, 9, e92985. DOI: 10.1371/journal.pone.0092985.

URL [本文引用: 3]

[76]

Zhou

, Chen

, Zhou

, Lewis

, Ye

, Tian

, Li

, Dai

(2011). Effect of freezing-thawing on nitrogen mineralization in vegetation soils of four landscape zones of Changbai Mountain
Annals of Forest Science, 68, 943-951.

DOI:10.1007/s13595-011-0100-4 URL [本文引用: 2]

Micrometeorological measurements over 3 years reveal differences in N₂O emissions between annual and perennial crops
1
2016

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

What plant functional traits can reduce nitrous oxide emissions from intensively managed grasslands
1
2018

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

Effect of temperature on soil microbial biomass and its metabolic quotient in situ under different tillage systems
1
1995

... 在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3).比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大.原因可能与微生物特性和养分含量有关.在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014).在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001).由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量.相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

A meta-analysis of experimental warming effects on terrestrial nitrogen pools and dynamics
1
2013

... 为了平衡来自不同研究的权重, 权衡后的权重按照公式(5)(Bai et al., 2013)计算: ...

土壤N₂O和NO产生机制研究进展
1
2012

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

土壤N₂O和NO产生机制研究进展
1
2012

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

Increased nitrogen leaching following soil freezing is due to decreased root uptake in a northern hardwood forest
3
2014

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

季节性雪被对天山雪岭云杉凋落叶分解和碳氮磷释放的影响
1
2018

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

季节性雪被对天山雪岭云杉凋落叶分解和碳氮磷释放的影响
1
2018

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Nitrous oxide emission from an agricultural soil subjected to different freeze-thaw cycles
0
1995

冻融对土壤氮素损失及有效性的影响
2
2016

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

冻融对土壤氮素损失及有效性的影响
2
2016

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

Nitrous oxide emissions and biogeochemical responses to soil freezing-thawing and drying-wetting
3
2018

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

Rapid N₂O fluxes at high level of nitrate nitrogen addition during freeze-thaw events in boreal peatlands of Northeast China
0
2016

Elevated temperature shifts soil N cycling from microbial immobilization to enhanced mineralization, nitrification and denitrification across global terrestrial ecosystems
1
2020

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

Simultaneous effects of increasing levels of glucose and oxygen partial pressures on denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in repacked soil cores
2
1998

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen, phosphorus, and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem
1
2001

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Simulating soil freeze/thaw cycles typical of winter alpine conditions: implications for N and P availability
3
2007

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

... 在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3).比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大.原因可能与微生物特性和养分含量有关.在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014).在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001).由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量.相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

Responses of terrestrial nitrogen pools and dynamics to different patterns of freeze-thaw cycle: a meta-analysis
4
2018

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... ., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值.比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5).更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时.研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006).在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018).本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6).主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用.因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生.另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4).在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2).主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同.在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Release of carbon and nitrogen from alpine soils during thawing periods in the eastern Qinghai-Tibet Plateau
0
2015

N₂O emission in a Norway spruce forest due to soil frost: concentration and isotope profiles shed a new light on an old story
0
2010

Fluxes of climate-relevant trace gases between a Norway spruce forest soil and atmosphere during repeated freeze-thaw cycles in mesocosms
0
2008

Snow depth, soil freezing, and fluxes of carbon dioxide, nitrous oxide and methane in a northern hardwood forest
0
2006

Snow depth, soil freezing and nitrogen cycling in a northern hardwood forest landscape
1
2011

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Freeze-thaw regime effects on carbon and nitrogen dynamics in sub-arctic heath tundra mesocosms
3
2004

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Responses of soil microorganisms, carbon and nitrogen to freeze-thaw cycles in diverse land-use types
2
2018

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

The meta-analysis of response ratios in experimental ecology
1
1999

... 为了便于比较不同研究之间冻融循环效应的差异, 本研究采用效应比值(R)自然对数, 定义为“效应值(ln R)”, 来计算变量对冻融循环响应大小(Hedges et al., 1999).ln R通过公式(1)计算: ...

Soil freeze-thaw cycle experiments: trends, methodological weaknesses and suggested improvements
2
2007

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Microbial regulation of terrestrial nitrous oxide formation: understanding the biological pathways for prediction of emission rates
1
2015

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

1
2014

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

N₂O emissions during the freezing and thawing periods from six fields in a livestock farm, southern Hokkaido, Japan
0
2012

Biochar can restrict N₂O emissions and the risk of nitrogen leaching from an agricultural soil during the freeze-thaw period
0
2013

Microbial communities, biomass, and activities in soils as affected by freeze thaw cycles
1
2006

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Contribution of nitrification and denitrification to the emission of N₂O in a freeze-thaw event in an agricultural soil
1
2004

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Fluxes and production of N₂O, CO₂ and CH₄ in boreal agricultural soil during winter as affected by snow cover
0
2007

Nitrous oxide production in boreal soils with variable organic matter content at low temperature- snow manipulation experiment
0
2009

Do freeze-thaw events enhance C and N losses from soils of different ecosystems? A review
2
2008

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Relative abundance of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in layers of a forest soil
1
2001

... 在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3).比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大.原因可能与微生物特性和养分含量有关.在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014).在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001).由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量.相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

N₂O emissions and product ratios of nitrification and denitrification as affected by freezing and thawing
1
2006

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Freezing effects on carbon and nitrogen cycling in northern hardwood forest soils
0
2001

Adaptation of soil microbial growth to temperature: using a tropical elevation gradient to predict future changes
1
2019

... 不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值.比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5).更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时.研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006).在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018).本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6).主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用.因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生.另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4).在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2).主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同.在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加. ...

Nitrous oxide production in a forest soil at low temperatures- Processes and environmental controls
1
2004

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability
2
2003

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Crop residue incorporation alters soil nitrous oxide emissions during freeze-thaw cycles
3
2013

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Rates and intensity of freeze-thaw cycles affect nitrous oxide and carbon dioxide emissions from agricultural soils
0
2019

Natural perturbations, drying-wetting and freezing-thawing cycles, and the emission of nitrous oxide, carbon dioxide and methane from farmed organic soils
1
2001

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Nitrous oxide (N₂O): the dominant ozone-depleting substance emitted in the 21^st century
1
2009

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

Reduced winter snowpack and greater soil frost reduce live root biomass and stimulate radial growth and stem respiration of red maple (Acer rubrum) trees in a mixed-hardwood forest
3
2016

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Severe soil frost reduces losses of carbon and nitrogen from the forest floor during simulated snowmelt: a laboratory experiment
0
2012

Global warming under old and new scenarios using IPCC climate sensitivity range estimates
1
2012

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

MetaWin: Statistical Software for Meta-analysis
1
2000

... 本研究采用MetaWin 2.1随机效应模型分析冻融循环对土壤N₂O通量、N₂O累积排放量、微生物生物量氮含量、硝化作用以及反硝化作用速率是否具有统计显著性差异(Rosenberg et al., 2000).每个变量结果以平均值和bootstrap 95%置信区间呈现.若某个变量平均效应值的95%置信区间不跨过0, 则表示冻融循环处理对这个变量具有统计学意义上的显著正效应或负效应.反之, 则表示冻融循环处理对这个变量无显著性影响.为了便于解释, 变量的平均效应值被转化为百分数: ...

Reduced snow cover increases wintertime nitrous oxide (N₂O) emissions from an agricultural soil in the upper U.S. Midwest
0
2017

Biochar increases soil N₂O emissions produced by nitrification-mediated pathways
1
2014

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Effects of freeze-thaw cycles on anaerobic microbial processes in an Arctic intertidal mud flat
1
2010

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Adding dissolved organic carbon to simulate freeze-thaw related N₂O emissions from soil
0
2004

Denitrification across landscapes and waterscapes: a synthesis
2
2006

... 不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值.比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5).更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时.研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006).在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018).本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6).主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用.因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生.另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4).在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2).主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同.在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加. ...

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

冻融作用对土壤碳、氮、磷循环的影响
1
2016

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

冻融作用对土壤碳、氮、磷循环的影响
1
2016

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

Altered soil carbon and nitrogen cycles due to the freeze-thaw effect: a meta-analysis
3
2017

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Effects of freeze-thaw and soil structure on nitrous oxide produced in a clay soil
0
2000

Globally important nitrous oxide emissions from croplands induced by freeze-thaw cycles
2
2017

... 氧化亚氮(N₂O)作为一种重要温室气体, 对全球变暖贡献率可达到6%, 此外它也是破坏臭氧层的主要气体之一(Ravinshakara et al., 2009; Abalos et al., 2018).全球N₂O产生和排放途径很多, 其中以土壤排放为主, 可占全球排放总量的60%左右(IPCC, 2014).在土壤排放的N₂O中, 以冻融循环期间的排放量相对较高, 可占到土壤年排放总量的20%-90% (陈哲等, 2016; 宋阳等, 2016; Wagner- Riddle et al., 2017; Congreves et al., 2018).随着未来全球气候变暖(Rogelj et al., 2012), 冻融循环格局可能也会随之发生改变, 比如冻融循环时间、强度和频率增加, 这些变化可能会通过影响土壤基本理化性质及微生物特性等途径来改变土壤N₂O排放.因此, 研究土壤N₂O在冻融循环期间的排放规律以及作用机制具有重要意义. ...

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

Nitrous oxide fluxes related to soil freeze and thaw periods identified using heat pulse probes
1
2010

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Freeze-thaw tolerance and clues to the winter survival of a soil community
1
2006

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

The amplitude of soil freeze-thaw cycles influences temporal dynamics of N₂O emissions and denitrifier transcriptional activity and community composition
0
2016

Throughfall exclusion and leaf litter addition drive higher rates of soil nitrous oxide emissions from a lowland wet tropical forest
2
2011

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Snow cover and soil moisture controls of freeze-thaw-related soil gas fluxes from a typical semi-arid grassland soil: a laboratory experiment
0
2014a

Soil properties mediate the freeze-thaw-related soil N₂O and CO₂ emissions from temperate grasslands
0
2020a

雪被和土壤水分对典型半干旱草原土壤冻融过程中CO₂和N₂O排放的影响
0
2014b

雪被和土壤水分对典型半干旱草原土壤冻融过程中CO₂和N₂O排放的影响
0
2014b

Nitrogen additions increase N₂O emissions but reduce soil respiration and CH₄ uptake during freeze-thaw cycles in an alpine meadow
1
2020b

... 本研究得出, 试验方法的差异并没有改变土壤N₂O排放对冻融循环的响应(图3).前人在室内模拟冻融循环试验布局并不合理, 比如土壤体积较小, 冻融循环强度大, 温度变化速率较快, 采集土壤样品的时间不对等(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018), 这些与室外条件不切合的因素会导致土壤微生物在最初的冻融循环过程后超过半数的微生物死亡(Koponen et al., 2006; Walker et al., 2006; Sawicka et al., 2010), 以及土壤团聚体受到破坏较大, 从而使养分在最初的冻融阶段被大量释放出来, 进而导致在冻融循环初期N₂O的排放通量陡然增加.然而随着冻融循环频率和时间的增加, 养分很快被消耗, N₂O排放通量表现出明显的下降趋势, 甚至会低于对照条件下(Wu et al., 2020b).而在室外原位条件下, 虽然在冻融循环初期, N₂O排放通量增加幅度没有室内那么大, 但在冻融循环过程中不断有养分供应, 比如死亡的植物根系释放(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016)和凋落物分解释放(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013; 陈文静等, 2018).这点也被本研究所证实, 在有植物存在的条件下, 土壤N₂O排放通量对冻融循环的响应大于在无植物存在的条件下(图3).因此, 随着冻融循环频率和时间的增加, 在室外条件下N₂O排放通量表现为较为稳定的水平, 而在室内培养条件下N₂O排放量表现为先增加后降低的趋势..最后计算两种条件在不同频率和时间的平均N₂O通量时, 可能导致两种方法的平均N₂O通量并没有明显差异. ...

Effects of freeze-thaw cycles on aggregate-associated organic carbon and glomalin-related soil protein in natural- succession grassland and Chinese pine forest on the Loess Plateau
5
2019

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

... 在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3).比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大.原因可能与微生物特性和养分含量有关.在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014).在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001).由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量.相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

Accumulation of nitrous oxide and depletion of oxygen in seasonally frozen soils in northern Japan- Snow cover manipulation experiments
1
2011

... 虽然在不同研究地区冻融循环均会显著促进土壤N₂O的排放, 然而土壤N₂O累积排放量在不同生态系统表现出明显差异, 具体表现为农田>草地>森林(图3).原因可能是农田生态系统土壤硝态氮含量高于其他生态系统, 较高的硝态氮含量可为反硝化作用产生N₂O提供充足底物(Congreves et al., 2018).这点也间接被本研究结论所支持, 即土壤硝态氮含量与土壤N₂O排放通量的效应值呈显著正相关关系(图5).本研究还指出, 在苔原或者湿地生态系统, 冻融循环对N₂O排放通量的影响较其他生态系统下的大, 主要原因可能是这些地区含有高的有机质和铵态氮含量, 有利用异氧硝化和反硝化真菌的作用, 从而产生更多N₂O (蔡延江等, 2012).一般养分含量较高的地区在冻融循环期间土壤N₂O排放会偏高, 比如在农业系统中, 每年30%-90%的N₂O排放归因于土壤冻融循环作用(Yanai et al., 2011; Abalos et al., 2016), 因此在未来模型模拟预测全球农田N₂O排放时, 需要特别考虑冻融循环作用的影响, 否则会低估农田生态系统17%-28%的N₂O排放(Wagner-Riddle et al., 2017). ...

Effects of successive soil freeze-thaw cycles on soil microbial biomass and organic matter decomposition potential of soils
2
2004

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 本研究结果表明, 冻融循环可显著增加N₂O通量和累积排放量, 平均增幅达72.34%和143.25% (图1).冻融循环主要通过破坏土壤结构, 杀死微生物和根系细胞以及破坏凋落物等途径促进土壤可利用性养分的释放(Yanai et al., 2004; Freppaz et al., 2007; Pelster et al., 2013; Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016; Xiao et al., 2019).本研究也证实, 冻融循环可显著减少微生物生物量氮含量, 减幅可达6.39% (图1).这些可溶性养分的增加, 一方面可为存活的微生物提供养分, 提高其活性; 另一方面这些养分可为氮转化过程提供充足的底物, 使土壤硝化作用和反硝化作用速率增强(图1), 在这些氮转化过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O的排放.在不同研究区域和冻融循环格局下, 土壤N₂O对冻融循环的响应有所差异, 下面探究这些差异是如何影响N₂O对冻融循环响应的. ...

Response of denitrifying communities to successive soil freeze-thaw cycles
0
2007

冻融交替对土壤CO₂及N₂O释放效应的研究进展
1
2010

... 不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值.比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5).更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时.研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006).在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018).本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6).主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用.因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生.另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4).在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2).主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同.在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加. ...

冻融交替对土壤CO₂及N₂O释放效应的研究进展
1
2010

... 不同区域水热条件的差异会显著影响N₂O排放的效应值.比如, 本研究得出, 土壤水分与N₂O通量的效应值呈显著正相关关系(图5).更进一步, 土壤N₂O通量在土壤湿度超过70%时最大, 其次是土壤湿度为50%-70%之间, 最后是其小于50%时.研究认为, 当土壤湿度在50%-70%之间时, 土壤以硝化作用为主, 超过75%时, 以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006).在初春时期雪被的融化导致土壤水分含量过高, 因此冻融循环过程中N₂O的产生主要是反硝化作用的贡献(Gao et al., 2018).本研究也得出土壤N₂O的排放与反硝化作用速率呈显著正相关关系(图6).主要原因是因为土壤水分增加一方面可促使厌氧环境的形成, 有利于增强反硝化能力, 从而提高N₂O产生的潜力; 另一方面, 过多水分增加了冻融循环对土壤结构的破坏作用.因为水分在固态状态下体积会增加, 土壤晶格和团聚体在反复冻融过程中受到较大破坏(杨红露等, 2010), 导致其释放的养分增加, 从而提高了N₂O的产生.另外, 本研究还得出, 年平均气温也与N₂O排放通量效应值呈显著正相关关系(图4).在MAT超过5 ℃的样地, 土壤N₂O排放通量显著高于MAT低于5 ℃的样地; 而土壤N₂O累积排放量并没有因采集土壤样品MAT的不同表现出差异(图2).主要可能是因为MAT不同的地区土壤微生物适应性也不同.在MAT较低的地区, 土壤微生物对于低温适应性较强, 而MAT较高的环境下土壤微生物适应性较弱(Nottingham et al., 2019), 冻融循环后, 微生物大量死亡而释放较多可利用性养分, 从而可暂时提高N₂O排放通量, 但是N₂O累积排放量并没有增加. ...

川西亚高山云杉林冬季土壤呼吸对雪被去除的短期响应
1
2017

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

川西亚高山云杉林冬季土壤呼吸对雪被去除的短期响应
1
2017

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Soil-atmosphere exchange potential of NO and N₂O in different land use types of Inner Mongolia as affected by soil temperature, soil moisture, freeze-thaw, and drying- wetting events
0
2010

Reduction of nitrate to ammonium in selected paddy soils of China
2
1998

... 冻融循环是由于季节或者昼夜温差引起的反复冻结和融化过程.这种现象普遍存在于自然界中, 并广泛发生在北半球高海拔、高纬度和一些温带地区, 例如, 在中国30° N以北地区中有46.3%的区域受到季节性冻融循环的影响(陈哲等, 2016).前人通过综述和整合分析等已经证实, 冻融循环可显著增加土壤N₂O排放(Henry, 2007; Matzner & Borken, 2008; Song et al., 2017; Gao et al., 2018).冻融循环作用主要通过下面几个过程来显著提高土壤可利用养分含量: 土壤结构破坏可释放养分(Xiao et al., 2019); 土壤有机或无机胶体表面吸附的养分释放(Freppaz et al., 2007); 死亡的微生物可释放养分(Yanai et al., 2004); 死亡的根系可释放养分(Campbell et al., 2014; Reinmann & Templer, 2016); 凋落物分解释放养分(Wieder et al., 2011; Pelster et al., 2013).这些由于冻融循环作用增加的可利用养分可促进土壤氮转化过程, 比如硝化和反硝化作用等, 在这些氮转过程中会产生N₂O, 从而增加了土壤N₂O排放(Dai et al., 2020).除了硝化和反硝化外, 硝酸盐的异化还原作用也可以产生N₂O, 研究得出, 可利用碳是调节硝态氮含量在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).在冻融循环过程中, 碳、氮养分的变化会不会影响N₂O产生过程, 需要进一步证实.另外, 在研究冻融循环对土壤N₂O排放中所采用的试验方法不尽相同, 比如采用室内模拟方法或室外原位研究方法以及在室内研究中采集土壤时间和处理方式以及冻融循环过程中是否有植物的存在等都有所差异, 这些试验方法和设置的差异究竟会给冻融循环期间N₂O排放带来怎样的影响, 仍需进一步探究.在不同地区研究冻融循环的时候, 其所处的水热条件是不同的, 土壤结构、养分含量以及微生物活性和种类也是不同的.例如, 与年平均气温较高的温带地区相比, 苔原和高山草甸地区土壤微生物对冻融循环的响应较高(Gao et al., 2018), 这可能是因为在苔原和高山草甸等地区年平均气温较低, 土壤微生物对低温的适应性较强(Grogan et al., 2004).土壤本身基本理化及微生物特性差异可能也会影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.然而, 前人研究缺乏这些因素对N₂O排放的影响的综合考虑. ...

... 除了研究区域间的水热条件外, 土壤本身的理化性质也会影响土壤N₂O排放对冻融循环的响应.本研究结果显示, 土壤N₂O通量的效应值与土壤黏粒含量呈正比, 而与土壤砂粒含量呈反比(图5).原因可能主要归功于两个方面: 一方面, 在特定的土壤温度下, 黏粒含量较高的土壤中所含液态水含量较高.例如, 在土壤温度为-5 ℃时, 沙土中液体水含量可忽略不计, 而黏土中液体水可达0.15 cm³·cm^-3 (Congreves et al., 2018).这种液态水的存在可为微生物在土壤冻结条件下继续保持一定的活性, 从而产生N₂O气体.另一方面, 黏粒含量高的土壤, 其养分含量也高, 这就为N₂O的产生提供充足底物.这一点也被本研究进一步证实, 即土壤硝态氮含量越高, N₂O通量的效应值越大(图5).有趣的是, 本研究得出N₂O排放的效应值只与硝态氮含量呈显著正相关关系, 而与铵态氮等其他有机、无机养分含量无显著相关性, 主要原因是与冻融循环期间N₂O产生途径有关.土壤N₂O气体产生途径包括硝化细菌的硝化作用、硝化细菌的反硝化、反硝化作用、联合反硝化作用和异化还原作用(Sánchez- García et al., 2014; Hu et al., 2015).在冻融循环期间, 前人通过同位素标记技术(Ludwig et al., 2004; Wagner-Riddle et al., 2010), 控制氧分压(Öquist et al., 2004), 乙炔抑制(Priemé & Christensen, 2001; Mørkved et al., 2006)等方法均证实了反硝化作用是冻融循环期间N₂O显著增加的主要贡献过程, 其过程产生的N₂O可占总排放量的80%以上.主要原因是由于雪被的融化导致冻融循环期间水分较高, 当土壤湿度超过75%时, 土壤以反硝化作用为主(Seitzinger et al., 2006), 硝态氮是反硝化作用的重要底物之一, 因此土壤N₂O排放的效应值与硝态氮含量表现出显著正相关关系.另外, 反硝化的异化还原过程也可产生N₂O, 可利用碳是调节硝态氮在反硝化和异化还原过程分配的关键因子(Fazzolari et al., 1998), 可溶性碳和硝态氮含量比值大于12时, 才会有更多的硝酸盐的异化还原作用发生(Yin et al., 1998).前人通过整合分析也发现, 冻融循环作用可显著增加土壤可溶性有机碳含量(Song et al., 2017), 有机碳源通过分解产生的电子被硝酸根或者亚硝酸根接受还原为N₂O和N₂.因此, 可溶性碳和硝态氮含量共同决定了N₂O的排放.然而, 本研究并没有发现可溶性有机碳和可溶性有机碳含量与硝态氮含量比值与N₂O排放有明显的相关性(附件I), 可能是相关数据报道较少限制了揭示可溶性有机碳含量与N₂O排放之间的相关性或者可能是反硝化的异化还原过程产生的N₂O在冻融循环过程中的贡献较小. ...

Freeze-thaw effects on sorption/desorption of dissolved organic carbon in wetland soils
2
2010

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...

Comparison of seasonal soil microbial process in snow-covered temperate ecosystems of northern China
3
2014

... 在室内研究中, 土壤采样的时间和土壤的处理方式也会影响N₂O排放对冻融循环响应的大小(图3).比如, 与非冻融循环期间采集的土壤相比, 在冻融循环期间采集的土壤N₂O排放效应值较大.原因可能与微生物特性和养分含量有关.在冻融与非冻融期间土壤微生物群落结构和微生物适应性是不同的(Zhang et al., 2014).在秋末至初冬, 土壤反硝化细菌的数量明显高于夏季(Mergel et al., 2001).由于冻融循环期间土壤N₂O的产生主要是通过反硝化作用, 因此反硝化细菌数量增多可提高反硝化作用速率, 从而增加N₂O产生的量.相比于夏季, 冬季土壤微生物对于温度的适应性较强(Zhang et al., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

... ., 2014), 在经历温度的降低和升高时, 仍然能保持较高的微生物活性, 从而提高N₂O的产生.另外, 土壤微生物量往往是冬季大于夏季(Alvarez et al., 1995; Zhang et al., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

... ., 2014), 在冻融循环过程中微生物死亡可释放更多可利用性养分, 这就为冻融循环过程中N₂O的产生提供充足的底物.除了采集土壤的时间外, 土壤处理方式也会影响N₂O排放对于冻融循环的响应.本研究得出, 与土壤不过筛相比, 土壤过筛会显著增加N₂O排放对冻融循环的响应(图3).主要原因是过筛会破坏土壤结构.一方面土壤团聚体晶格结构的破坏会释放更多可利用性养分进入土壤(Xiao et al., 2019), 另一方面土壤过筛也会导致土壤胶体表面吸附的养分离子释放出来(Freppaz et al., 2007), 这些可利用性养分的增加可为N₂O产生提供充足的底物.在非冻融循环期间采集土壤和土壤过筛处理可能会分别导致冻融循环效应被低估和高估, 因此为了得到真实的数据和探究其真正地内在机制, 今后在室内研究冻融循环试验时, 应尽量模拟原位条件.比如在真正野外冻融循环期间采集土壤样品以及野外采集的土壤样品不要过筛. ...

Effect of freezing-thawing on nitrogen mineralization in vegetation soils of four landscape zones of Changbai Mountain
2
2011

... 除了土壤本身的性质外, 冻融循环格局不同也可能会影响N₂O对冻融循环的响应.前人研究结果(Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011)显示, 冻结强度增加, 可提高其对微生物和土壤结构的影响, 从而释放更多养分, 进而增加土壤N₂O排放.随着冻融循环频率增加和冻融循环时间的增加, 土壤可利用养分可能会通过以下方式被降低: 养分被微生物不断消耗, 养分的淋洗损失, 养分被土壤颗粒重吸附(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han e al., 2018; Xiao et al., 2019).这些可利用养分的减少会导致N₂O对冻融循环的响应随之下降.相比于N₂O排放通量, 冻融循环期间N₂O累积排放量的生态学意义更大.然而前人的研究都集中在N₂O排放通量, 并没有探究N₂O累积排放量与冻融循环格局变化之间的关系.未来气候变化背景下, 冻融循环格局也会发生相应改变, 比如冻融时间延长, 冻融循环的强度和频率增加等, 那么这些变化会给N₂O累积排放量产生什么样的影响? 前人研究并不足. ...

... 冻融循环格局的改变也会显著影响土壤N₂O对冻融循环响应的大小.土壤融化时间与N₂O排放呈显著正相关关系(图7).随着土壤融化时间的增加, 反硝化细菌活性逐渐恢复, 从而可能增加反硝化强度, 进而增加N₂O产生与排放.随着冻结温度降低, 土壤N₂O排放的效应值随之增加(图7).当冻结温度低于-10 ℃时, 土壤N₂O排放通量要高于冻结温度大于-10 ℃时(图3).主要原因是冻结强度较高会增加土壤团聚体结构和微生物破坏(Fitzhugh et al., 2001; Oztas & Fayetorbay, 2003; Zhou et al., 2011), 从而促进了可溶性有机碳和无机氮的释放, 这些可溶性碳、氮含量的增加可促进硝化作用和反硝化作用速率, 进而增加了土壤N₂O产生.另外, 本研究结果表明, 冻融循环频率与土壤N₂O通量呈显著负相关关系(图7).随着冻融循环频率增加, 土壤养分可通过微生物利用、淋洗损失以及土壤颗粒重吸附等方式降低(Grogan et al., 2004; Yu et al., 2010; Han et al., 2018; Xiao et al., 2019), 使氮转化过程减慢, 从而导致N₂O排放通量随之减少.有趣的是, 本研究发现冻融循环频率与土壤N₂O累积排放量反而呈显著正相关关系(图7).虽然随着冻融循环频率增加, N₂O通量随之降低, 这种降低是相对于第一次的N₂O通量值, 而相对于对照组, N₂O通量仍然是增加的.只是随着冻融循环频率增加, 这种增加幅度在降低.因此, 土壤N₂O累积排放量会随着冻融循环频率增加而增加.在未来气候变暖背景下, 可能会减少雪被厚度和雪被存在时间(Groffman et al., 2011), 由于雪被起到隔热层作用, 因此这些变化可能引起冻融格局发生改变, 比如冻融循环时间、强度以及频率都会增加(杨开军等, 2017), 这种改变可能会加剧土壤N₂O累积排放量, 从而加剧全球气候温室效应和臭氧层破坏. ...