内蒙古荒漠草原土壤氨挥发对外源氮输入的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00071

摘要/Abstract

摘要：

氨（NH₃）挥发是干旱区土壤氮素损失的重要途径。内蒙古荒漠草原对气候变化十分敏感，关于土壤氨挥发如何响应氮沉降的认识仍十分有限。本研究以内蒙古荒漠草原为对象，采用通气法原位动态观测手段，研究在不同氮沉降背景下土壤氨挥发特征及其关键驱动因子，为荒漠草原区退化植被恢复和土壤氮素管理提供关键的科学支撑。结果表明：土壤氨挥发速率随着氮素输入量的增加呈现显著增加的趋势，但在氮输入后前20天氨挥发呈现指数下降的趋势，之后趋于平缓。氮输入后前20天氮素在低氮输入（0.5~3 g·m^-2·a^-1）下以NH₃形式损失量最少，仅为33%~39%，而在中高氮输入水平（6~48 g·m^-2·a^-1）损失量较高，为55%~75%。土壤氨挥发速率与土壤铵态氮含量、硝态氮含量和土壤湿度显著正相关（P0.001），而与土壤pH值显著负相关（P0.01）。氮输入量和土壤湿度是影响土壤氨挥发最重要的因素，且氮输入后主要通过改变土壤铵态氮含量和pH值，进而间接调控土壤氨挥发过程。内蒙古荒漠草原土壤氨挥发对氮输入的响应十分敏感，且低量的氮输入比高量的氮输入更有利于土壤氮素的保持，这为进一步深入研究氮沉降升高背景下荒漠草原氮循环过程提供了科学支撑。

关键词: 荒漠草原, 氨挥发, 氮沉降, 损失率, 结构方程模型

Abstract:

Ammonia （NH₃） volatilization is one of the important pathways of soil nitrogen loss in arid zones. However， the understanding of how soil ammonia volatilization responds to nitrogen deposition in the desert grasslands of Inner Mongolia， which is very sensitive and vulnerable to climate change， is still very limited. Therefore， this study takes Inner Mongolia desert grassland as the research object， and adopts the in situ dynamic observation means of the ventilation method to study the characteristics of soil ammonia volatilization and its key driving factors under different nitrogen deposition backgrounds， so as to provide key scientific support for the restoration of degraded vegetation and soil nitrogen management in the desert grassland area. The results of this study showed that soil ammonia volatilization rate showed a significant increase with increasing nitrogen input， but ammonia volatilization showed an exponential decrease in the first 20 days after nitrogen input， and then leveled off. It was also found that nitrogen loss in the form of NH₃ in the first 20 days after nitrogen input was lowest at low nitrogen inputs （0.5-3 g·m^-2·a^-1） at 33-39 percent， and higher at medium to high nitrogen input levels （6-48 g·m^-2·a^-1） at 55-75 percent. Further analysis showed that soil ammonia volatilization rate was significantly and positively correlated with soil ammonium nitrogen content， nitrate nitrogen content and soil moisture （P0.001）， while it was significantly and negatively correlated with soil pH （P0.01）. The results of structural equation modeling showed that N input and soil moisture were the most important factors affecting soil ammonia volatilization， and that N input mainly regulated the soil ammonia volatilization process by changing soil ammonium nitrogen content and pH， which in turn indirectly regulated the process of soil ammonia volatilization. In conclusion， the response of soil ammonia volatilization in Inner Mongolia desert grassland to nitrogen input is very sensitive， and the low amount of nitrogen input is more favorable to soil nitrogen retention than the high amount of nitrogen input， which provides scientific support for further in-depth study of nitrogen cycling in desert grassland under the background of elevated nitrogen deposition.

Key words: desert grassland, ammonia volatilization, nitrogen deposition, loss rate, structural equation modeling

中图分类号:

S153

饶玉良, 曹春, 张晓雪, 鲁畅, 岳平. 内蒙古荒漠草原土壤氨挥发对外源氮输入的响应[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 178-186.

Yuliang Rao, Chun Cao, Xiaoxue Zhang, Chang Lu, Ping Yue. Response of soil ammonia volatilization to exogenous nitrogen input in Inner Mongolian desert grasslands[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(6): 178-186.

图/表 5

图1 2023年氮输入后区域降水量和温度及氨挥发速率

Fig.1 Regional rainfall and temperature and ammonia volatilization rate after nitrogen input in 2023

表1 不同氮输入水平下表层土壤（0~10 cm）理化性质

Table 1 Physico-chemical properties of top soil （0-10 cm） under different levels of nitrogen inputs

氮添加量 /(g·m^-2·a^-1)	土壤性质
氮添加量 /(g·m^-2·a^-1)	铵态氮/(mg·kg^-1)	硝态氮/(mg·kg^-1)	电导率/(μS·cm^-1)	pH	土壤湿度/%
0	5.89±0.43^a	3.26±0.33^a	96.68±5.90^a	9.11±0.03^a	2.55±0.004^a
0.5	5.57±0.55^a	4.49±0.55^a	95.87±9.36^a	9.09±0.03^a	2.74±0.003^a
1	6.19±0.26^a	6.67±1.21^a	116.65±17.78^a	9.05±0.04^ab	2.90±0.004^a
3	6.24±0.21^a	12.85±2.20^ab	118.78±10.89^a	9.11±0.03^a	2.69±0.001^a
6	6.35±0.76^a	21.23±1.04^b	118.02±6.79^a	8.98±0.03^a	3.07±0.004^a
12	13.07±0.73^b	22.02±2.88^b	113.30±3.00^a	8.99±0.03^bc	3.20±0.005^a
24	12.83±2.56^b	31.58±4.63^c	132.10±2.67^a	8.94±0.03^c	3.24±0.002^a
48	26.01±4.29^c	51.72±6.93^d	173.33±20.66^b	8.93±0.03^c	3.51±0.006^a

图2 2023年氮输入后20天氨挥发量（A）和氨损失率（B）

Fig.2 Ammonia volatilisation （A） and ammonia loss rate （B） 20 days after nitrogen input in 2023

图3 氨挥发速率与土壤理化性质的相关性拟合注：*** 表示极其显著（P 0.001）；** 表示较为显著（P 0.01）；* 表示显著（P 0.05）

Fig.3 Fitting of correlation between ammonia volatilization rate and soil physicochemical properties

图4 氨挥发速率结构方程模型（SEM）注：通过SEM拟合氨气挥发速率、土壤湿度、铵态氮含量、pH、氮输入量之间的关系；箭头处的数值是标准化系数；实线代表正向影响，虚线代表无影响或负向影响；模型的拟合优度统计数据显示在模型下方。*** 表示极其显著（P 0.001）；** 表示显著（P 0.01）

Fig.4 Structural equation modeling （SEM） of ammonia volatilization rates

参考文献 52

1	Galloway J N， Aber J D， Erisman J W，et al.The nitrogen cascade［J］.BioScience，2003，53（4）：341-356.
2	Galloway J N， Townsend A R， Erisman J W，et al.Transformation of the nitrogen cycle： recent trends，questions，and potential solutions［J］.Science，2008，320（5878）：889-892.
3	Xian C F， Zhang X L， Zhang J J，et al.Recent patterns of anthropogenic reactive nitrogen emissions with urbanization in China：dynamics，major problems，and potential solutions［J］.Science of the Total Environment，2019，656：1071-1081.
4	Zhang Y H， Han X， He N P，et al.Increase in ammonia volatilization from soil in response to N deposition in Inner Mongolia grasslands［J］.Atmospheric Environment，2014，84：156-162.
5	Galloway J N， Dentener F J， Capone D G，et al.Nitrogen cycles：past，present，and future［J］.Biogeochemistry，2004，70（2）：153-226.
6	Krupa S V.Effects of atmospheric ammonia （NH₃） on terrestrial vegetation：a review［J］.Environmental Pollution，2003，124（2）：179-221.
7	Sanhueza E.The role of the atmosphere in nitrogen cycling［J］.Plant Soil，1982，67（1）：61-71.
8	肖辉林.大气氮沉降对森林土壤酸化的影响［J］.林业科学，2001（4）：111-116.
9	Liu X J， Zhang Y， Han W X，et al.Enhanced nitrogen deposition over China［J］.Nature，2013，494（7438）：459-462.
10	Stevens J C， Dise B N， Mountford O J，et al.Impact of nitrogen deposition on the species richness of grasslands［J］.Science，2004，303（5665）：1876-1879.
11	Pan Y P， Tian S L， Zhao Y H，et al.Identifying ammonia hotspots in China using a national observation network［J］.Environmental Science Technology，2018，52（7）：3926-3934.
12	Cooter E J， Bash J O， Walker J T，et al.Estimation of NH₃ bi-directional flux from managed agricultural soils［J］.Atmospheric Environment，2010，44（17）：2107-2115.
13	Sha Z P， Liu H J， Wang J X，et al.Improved soil-crop system management aids in NH₃ emission mitigation in China［J］.Environmental Pollution，2021，289：117844.
14	Mariano E， Ana C R D， Bortoletto-Santos R，et al.Ammonia losses following surface application of enhanced-efficiency nitrogen fertilizers and urea［J］.Atmospheric Environment，2019，203：242-251.
15	Deng X Z， Xu T T， Xue L X，et al.Effects of warming and fertilization on paddy N₂O emissions and ammonia volatilization［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2023，347：108361.
16	Nyameasem J K， Zutz M， Kluss C，et al.Impact of cattle slurry application methods on ammonia losses and grassland nitrogen use efficiency［J］.Environmental Pollution，2022，315：120302.
17	Sutton M A， Erisman J W， Dentener F，et al.Ammonia in the environment：from ancient times to the present［J］.Environmental Pollution，2008，156（3）：583-604.
18	王一宇，王圣森，戴九兰.生物炭对盐碱土壤氨挥发的影响［J］.环境科学，2019，40（8）：3738-3745.
19	Yang R， Hayashi K， Zhu B，et al.Atmospheric NH₃ and NO₂ concentration and nitrogen deposition in an agricultural catchment of eastern China［J］.Science of the Total Environment，2010，408（20）：4624-4632.
20	Wang X M， Wu Z Y， Shao M，et al.Atmospheric nitrogen deposition to forest and estuary environments in the Pearl River Delta region，southern China［J］.Tellus：Series B，Chemical and Physical Meteorology，2013，65（1）：1-13.
21	Shen J L， Tang A H， Liu X J，et al.High concentrations and dry deposition of reactive nitrogen species at two sites in the North China Plain［J］.Environmental Pollution，2009，157（11）：3106-3113.
22	Liu X J， Duan L， Mo J M，et al.Nitrogen deposition and its ecological impact in China：an overview［J］.Environmental Pollution，2011，159（10）：2251-2264.
23	Zhao Z Z， Dong S K， Jiang X M，et al.Effects of warming and nitrogen deposition on CH₄，CO₂ and N₂O emissions in alpine grassland ecosystems of the Qinghai-Tibetan Plateau［J］.Science of the Total Environment，2017，592：565-572.
24	Deng Y H， Li X Y， Ding M K，et al.Characteristics of water retention，nutrient storage，and biomass production across alpine grassland soils in the Qilian Mountains［J］.Geoderma Regional，2023，35：e00721.
25	Wang Y X， Liu H， Zhao W Z，et al.Early warning signals of grassland ecosystem degradation：a case study from the northeast Qinghai-Tibetan Plateau［J］.Catena，2024，239：107970.
26	Lebauer D S， Treseder K K.Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed ［J］.Ecology，2008，89（2）：371-379.
27	Du Z Y， Zhang X W， Liu S X，et al.Nitrogen and water addition alters species diversity and interspecific relationship in a desert grassland［J］.Science of the Total Environment，2024，908：168386.
28	岳平，宋韦，李凯辉，等.天山中部巴音布鲁克高寒草原大气无机氮沉降［J］.应用生态学报，2014，25（6）：1592-1598.
29	Yu J N， Xu Ri， Qu S B，et al.Plant nitrogen retention in alpine grasslands of the Tibetan Plateau under multi-level nitrogen addition［J］.Science Report，2023，13：877.
30	吴玉.准噶尔盆地南缘荒漠植物对小降雨事件的生理响应［D］.北京：中国科学院大学，2014.
31	王朝辉，刘学军，巨晓棠，等.田间土壤氨挥发的原位测定：通气法［J］.植物营养与肥料学报，2002（2）：205-209.
32	张亚欣，范志平，闫加亮，等.氮添加对沙质草地氨挥发及硝态氮淋溶的影响［J］.生态学杂志，2011，30（9）：1969-1974.
33	Vanderweerden T J， Jarvis S C.Ammonia emission factors for N fertilizers applied to two contrasting grassland soils［J］.Environmental Pollution，1997，95（2）：205-211.
34	Rochette P， Angers D A， Chantigny M H，et al.NH₃ volatilization，soil concentration and soil pH following subsurface banding of urea at increasing rates［J］.Canadian Journal of Soil Science，2013，93（2）：261-268.
35	Vaio N， Cabrera M L， Kissel D E，et al.Ammonia volatilization from urea-based fertilizers applied to tall fescue pastures in Georgia，USA［J］.Soil Science Society of America Journal，2008，72（6）：1665-1671.
36	Salazar F， Martínez-Lagos J， Alfaro M，et al.Ammonia emission from a permanent grassland on volcanic soil after the treatment with dairy slurry and urea［J］.Atmospheric Environment，2014，95：591-597.
37	Burchill W， Lanigan G J， Forrestal P J，et al.A field-based comparison of ammonia emissions from six Irish soil types following urea fertiliser application［J］.Irish Journal of Agricultural and Food Research，2016，55（2）：152-158.
38	于正国，袁亮，赵秉强，等.腐植酸与尿素结合工艺对尿素在潮土中转化的影响［J］.中国土壤与肥料，2022（1）：206-212.
39	Wang X， Xu S J， Wu S H，et al.Effect of Trichoderma viride biofertilizer on ammonia volatilization from an alkaline soil in Northern China［J］.Journal of Environmental Sciences，2018，66：199-207.
40	Zhu X J， Ros G H， Xu M G，et al.Long-term impacts of mineral and organic fertilizer inputs on nitrogen use efficiency for different cropping systems and site conditions in southern China［J］.European Journal of Agronomy，2023，146：126797.
41	Hafner S D， Meisinger J J， Mulbry W，et al.A pH-based method for measuring gaseous ammonia.［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2012，92（2）：195-205.
42	Asman W A H， Sutton M A， Schjorring J K.Ammonia：emission，atmospheric transport and deposition［J］.New Phytologist，1998，139（1）：27-48.
43	Mills H A， Barker A V， Maynard D N.Ammonia volatilization from soils［J］.Agronomy Journal，1974，41（6）：1080-1084.
44	Zhang Y H， He N P， Zhang G M，et al.Ammonia emissions from soil under sheep grazing in inner mongolian grasslands of China［J］.Journal of Arid Land，2013，5（2）：155-165.
45	Ma Y X， Xie W P， Yao R J，et al.Biochar and hydrochar application influence soil ammonia volatilization and the dissolved organic matter in salt-affected soils［J］.Science of the Total Environment，2024，926：171845.
46	Adegoke T O， Ku H H.Temperature response of ammonia emission from sandy loam soil amended with manure compost and urea［J］.Environmental Technology Innovation，2023，31：103226.
47	Wan X J， Wu W， Liao Y C.Mitigating ammonia volatilization and increasing nitrogen use efficiency through appropriate nitrogen management under supplemental irrigation and rain-fed condition in winter wheat［J］.Agricultural Water Management，2021，255：107050.
48	赵晓洁，张雄伟，薛江博，等.短期氮添加对山西右玉黄土高原盐渍化草地氨挥发的影响［J］.草地学报，2022，30（4）：992-999.
49	Liu G D， Li Y C， Alva A K.Moisture quotients for ammonia volatilization from four soils in potato production regions［J］.Water，Air，and Soil Pollution，2007，183（1）：115-127.
50	Li W B， Wu J B， Bai E，et al.Response of terrestrial carbon dynamics to snow cover change：a meta-analysis of experimental manipulation （II）［J］.Soil Biology and Biochemistry，2016，103：388-393.
51	赵仪，孙盛楠，严学兵.2010-2020年草地土壤氮循环研究现状与发展趋势［J］.草业科学，2021，38（8）：1498-1512.
52	Yang S， Xu Z W， Wang R Z，et al.Variations in soil microbial community composition and enzymatic activities in response to increased N deposition and precipitation in Inner Mongolian grassland［J］.Applied Soil Ecology，2017，119：275-285.

[1]	沈爱红, 佘洁, 石云, 吴涛, 梁咏亮, 董军, 马益婷. 2001—2020年贺兰山东麓荒漠草原植被覆盖度演变[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 308-320.
[2]	李慧卿, 褚建民, 李清河. 中国东部荒漠草原主要植物群落类型及特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 295-306.
[3]	王培源, 杨昊天, 张雪, 刘秉青, 李云飞, 蒋齐, 王占军, 吴旭东, 刘立超. 蒙古冰草*（Agropyron mongolicum* var. mongolicum）**构件生物量分配特征对土壤类型的响应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 74-84.
[4]	郭新新, 岳平, 李香云, 乔静娟, 胡亚, 左小安. 降水量对荒漠草原骆驼蓬（ *Peganum harmala* ）地上生物量的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 164-172.
[5]	李小院, 张圣微, 王帅, 李瑞燊, 赵星宇, 刘敏敏. 放牧对退化草地近地面辐射的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 223-233.
[6]	滑永春, 马秀枝, 斯钦毕力格null. 内蒙古荒漠草原植被降水利用效率的时空特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 51-58.
[7]	田艳丽, 种培芳, 陆文涛, 贾向阳. 模拟氮沉降和降水变化对红砂（*Reaumuria soongorica）、珍珠猪毛菜（Salsola passerina*）生理的影响[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 165-173.
[8]	郭新新, 左小安, 岳平, 李香云, 赵生龙, 吕朋, 胡亚. 内蒙古荒漠草原沙生针茅（*Stipa glareosa）、碱韭（Allium polyrhizum）和骆驼蓬（Peganum harmala*）叶形态性状对土壤水氮耦合的响应[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 137-144.
[9]	李香云, 岳平, 郭新新, 张蕊, 赵生龙, 张森溪, 王少昆, 左小安. 荒漠草原植物群落光合速率对水氮添加的响应[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 116-124.
[10]	岳喜元, 左小安, 常学礼, 徐翀, 吕朋, 张晶, 赵生龙, 程清平. 内蒙古典型草原与荒漠草原NDVI对气象因子的响应[J]. 中国沙漠, 2019, 39(3): 25-33.
[11]	张蕊, 赵学勇, 左小安, 刘新平, 曲浩, 马旭君, 刘良旭, 陈娟丽, 刘立平. 荒漠草原沙生针茅(Stipa glareosa)群落物种多样性和地上生物量对降雨量的响应[J]. 中国沙漠, 2019, 39(2): 45-52.
[12]	马松尧, 陈龙, 滕泽宇, 丁爱军, 何子豪. 荒漠草原区风力发电场建设前后的植被变化[J]. 中国沙漠, 2019, 39(2): 186-192.
[13]	徐翀, 庾强, 左小安, 张春萍, 牛得草. 氮素添加对草原不同冠层植物光合作用的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(1): 135-141.
[14]	刘任涛, 郗伟华, 刘佳楠, 赵娟, 常海涛. 沙地柠条(Caragana)灌丛微生境节肢动物群落特征[J]. 中国沙漠, 2018, 38(1): 117-125.
[15]	王少昆, 赵学勇, 贾昆峰, 高宝兰, 曲浩, 毛伟, 连杰, 陈敏, 朱阳春. 乌拉特荒漠草原小针茅(Stipa klemenzii)群落土壤细菌多样性及垂直分布特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1564-1570.