內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶土地利用變化對CH4吸收的影響

焦 燕,侯建華,趙江紅,楊文柱 (內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶土地利用變化對CH4吸收的影響

焦 燕*,侯建華,趙江紅,楊文柱 (內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

于2008～2010年,根據(jù)鄰近樣地采樣原則,選擇位于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶的天然草地和不同開墾時間的農(nóng)田作為研究樣地(G-草地; C5-開墾5a的農(nóng)田;C10-開墾10a的農(nóng)田;和C50-開墾50a的農(nóng)田),利用靜態(tài)箱法通過3a的野外試驗(yàn),研究土地利用類型變化對CH4吸收的影響.結(jié)果表明:天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,不同開墾年限的農(nóng)田土壤和草地土壤CH4吸收存在顯著差異2008年(FCH4=273.7, P<0.001), 2009年(FCH4=264.8, P<0.001)和2010年(FCH4=362.4, P<0.001).草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田促進(jìn)CH4吸收,2008, 2009 和2010年生長季的生長季

(4～10月),草地CH4吸收量最低分別為141.4,210.0,236.0mg/m2.2008～2010年農(nóng)田土壤CH4累積吸收量與草地土壤相比增加20%～280%.農(nóng)田開墾年限影響CH4吸收,隨著農(nóng)田開墾年限的增加從開墾5～50a,CH4累積吸收量降低.相關(guān)分析表明,不同土壤CH4吸收與土壤水分含量和NH4+-N 含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.7380, P<0.01).草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,土壤水分含量和NH4+-N 含量驅(qū)動不同開墾年限的農(nóng)田土壤和草地土壤CH4吸收差異.

土地利用；CH4吸收；土壤特性；開墾年限

大氣中溫室氣體濃度增加導(dǎo)致的全球變暖是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的重要環(huán)境問題,甲烷(CH4)作為其中重要的溫室氣體及化學(xué)活性氣體,對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2而居第2位,大量研究表明,自工業(yè)革命以來,CH4濃度持續(xù)增加.草地土壤是除大氣光化學(xué)反應(yīng)外重要的大氣 CH4匯[1].但目前對于土壤作為大氣 CH4匯的研究還遠(yuǎn)沒有其作為CH4源的研究那么深入.

國內(nèi)外研究表明,影響大氣 CH4吸收的重要因素主要是土地利用方式和土壤特性如土壤含水量,土壤溫度,土壤質(zhì)地,pH值和 C/N等[2-5].土地利用方式的變化和管理強(qiáng)度影響 CH4吸收和大氣 CH4濃度估算[6-8].一些研究表明,天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田,降低土壤對大氣 CH4吸收[6,9-10].也有研究證實(shí)農(nóng)田土壤和草地相比,顯示出較高的 CH4吸收能力[11].內(nèi)蒙古典型草原及其農(nóng)耕地的研究中,李玉娥等[12]發(fā)現(xiàn)天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,降低了土壤對甲烷的吸收;王躍思等[13]發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾不會減少天然草原對 CH4的吸收;而王艷芬等[14]的野外實(shí)地觀測則表明,天然草地開墾為農(nóng)田后 CH4吸收能力有所增強(qiáng).綜上可知,在我國內(nèi)蒙古典型草原,天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后對土壤CH4吸收影響的研究還存在不一致的結(jié)論.但目前這方面的研究工作還較少,研究者更多對土壤溫度[15]和水分[16]給予了關(guān)注,而土壤理化特性諸如:土壤微生物碳氮含量、NH4+含量、NO3

-含量對草地CH4吸收和N2O排放的影響相關(guān)研究較少.

我國北方草地及與其毗鄰的農(nóng)牧交錯帶占國土面積約 30%.農(nóng)牧交錯帶土地資源類型分布錯綜復(fù)雜,農(nóng)牧交錯,土地利用的時空結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,其生態(tài)脆弱性已引起許多學(xué)者廣泛關(guān)注.目前,在這一脆弱生態(tài)系統(tǒng)研究土地利用變化對 CH4吸收的影響研究尚不多見.因此,本研究選擇內(nèi)蒙古典型農(nóng)牧交錯區(qū)為研究樣區(qū),研究草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,土地利用方式變化對大氣CH4吸收的影響和機(jī)制,為溫室氣體清單編制提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西南部的太仆寺旗,地理位置:114°51′E～115°40′E, 41°35′N～42°10′N,是農(nóng)牧結(jié)合、以農(nóng)為主的經(jīng)濟(jì)類型區(qū),是中國北方典型的農(nóng)牧交錯帶.太仆寺旗地處中緯度,屬中溫帶半干旱大陸性氣候,年平均氣溫1.6℃,1月份最冷平均氣溫-17.6℃;7月份最熱平均氣溫 17.8℃.冷熱差異較大,年降雨量在300～500mm之間,平均降水量為400mm左右.草原植物一般4月底開始返青,10月初枯黃,生長期約 150天.地貌類型主要包括低山丘陵區(qū)、丘間溝谷盆地和河谷平原區(qū).土壤為栗鈣土,草原植被的建群種為羊草(Leymus chinesnis)和克氏針茅(Stipa krylovii)[17].

表1 樣點(diǎn)信息Table 1 Information for the investigated land use dynamics and history of the sample sites

為降低土壤異質(zhì)性,根據(jù)鄰近樣地采樣原則,選擇 4個鄰近的不同開墾時間的農(nóng)田和天然草地作為研究樣地(G-草地; C5-開墾 5a的農(nóng)田; C10-開墾10a的農(nóng)田;和C50-開墾50a的農(nóng)田),且 G, C5, C10和 C50樣地之間的距離大約500m.4個樣地土壤類型和坡度等均相同,4個研究樣地占地約5hm2,每個樣地設(shè)置3個重復(fù),每個重復(fù)占地面積為100m×100m.

農(nóng)田開墾時間、種植作物和肥料施用等見表1.農(nóng)田作物每年六月種植,九月收割,每年種植作物前采用機(jī)械犁地.

1.2 氣樣的采集與測定

野外試驗(yàn)于2008年4月～2010年10月,在位于內(nèi)蒙古太仆寺旗的農(nóng)牧交錯帶進(jìn)行.在每一樣地的每個重復(fù)設(shè)置 3個固定采樣點(diǎn),利用靜態(tài)暗箱法采集氣體樣品,箱子長寬(0.5m×0.5m).4月和10月每月采樣1次,7～9月每10d進(jìn)行一次氣體樣品采集,每次在上午8:00～11:00進(jìn)行氣體樣品采樣,每隔10min用連接三通的100m L注射器從采樣箱的采樣口抽氣約 100m l,每一樣地采樣時間 40min,將采集的氣樣迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,用Agilent 6820氣相色譜儀(Agilent 6820D, Agilent corporation)[18]進(jìn)行測定分析.通過對每組 5個樣品的CH4混合比和相對應(yīng)的采樣間隔時間(0,10, 20,35,40min)進(jìn)行直線回歸,可得到土壤的 CH4吸收速率.進(jìn)而根據(jù)大氣壓力、氣溫、普適氣體常數(shù)、采樣箱的有效高度和CH4分子量等,得到單位面積CH4吸收通量[13].

1.3 土樣的采集和制備

采集氣體樣品的同時采集土壤樣品.研究樣地的每個重復(fù)應(yīng)用“S”形取樣法,選取 10個采樣點(diǎn),每個采樣點(diǎn)用內(nèi)徑為5cm、高為100cm的土鉆采樣.然后將土樣混合,裝密封袋迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,放入 4℃冰箱保存,供土壤有機(jī)碳、全氮、土壤NH4+-N,NO3--N含量和土壤微生物量碳氮等的測定.

1.4 土壤理化性質(zhì)等的測定

利用溫度測定儀和TDR水分測定儀分別測定土壤深度5cm和10cm的溫度和水分.土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤全氮(TN)采用濃硫酸消煮-半微量開氏法測定;土壤pH值采用電位計(jì)法測定,水土比為 2.5∶1;土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法測定;硝態(tài)氮(NO3--N)采用酚二磺酸比色法測定;土壤容重采用環(huán)刀法測定;以上方法見土壤農(nóng)化分析方法[19].微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBC)用氯仿熏蒸的方法測定[20].草地和農(nóng)田地上部分植物在收獲后,105℃烘干稱重,計(jì)算地上部分生物量.

1.5 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 11.5 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA).利用(ANOVA)分析CH4吸收差異顯著性,相關(guān)分析和逐步回歸分析的方法被用于研究土壤特性對CH4吸收的影響.

2 結(jié)果

2.1 CH4吸收的季節(jié)性變化

圖1 CH4吸收通量的季節(jié)性變化Fig.1 Seasonal CH4uptake pattern from grassland and cropland soil during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

圖1所示,從2008年到2010年研究樣地土壤的CH4吸收通量值為0.001～0.292mg/(m2?h), CH4通量是負(fù)值,表明研究樣地是大氣 CH4的匯,從2008～2010年作物生長季,G,C5,C10和C50土壤的CH4吸收通量季節(jié)性變化差異明顯,整個生長季隨作物的生長發(fā)育,C5土壤和C10土壤在6月和7月出現(xiàn)明顯吸收峰,C5土壤在2008年6月和7月吸收最大值是 0.271,0.201mg/(m2?h); 2009年是0.199, 0.234mg/(m2?h);2010年是 0.292, 0.261mg/ (m2?h).而G和C50土壤變化趨勢平緩無明顯的吸收峰出現(xiàn),G土壤在2008,2009和2010年CH4吸收最大值是 0.058,0.118,0.113mg/(m2?h).整個生長季G土壤CH4吸收最低;C5土壤的CH4吸收最高.

2.2 土地利用類型和農(nóng)田開墾年限對CH4吸收的影響

圖2 2008,2009,2010年CH4累積吸收量Fig.2 Cumulative CH4uptake during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

圖2所示,G,C5,C10和C50的土壤CH4累積吸收量在 2008年生長季(F=273.7, P=0.000), 2009年生長季(F=264.8, P=0.000)和2010年生長季(F=362.4, P=0.000)均存在顯著差異.CH4累積吸收量大小順序?yàn)镃5>C10>C50>G.天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后促進(jìn)了大氣甲烷的吸收,草地土壤CH4累積吸收量最低.在 2008,2009,2010年的生長季(4～10月)草原土壤累積吸收量分別為141.4, 210.0,236.0mg/m2;C5土壤CH4累積吸收量最高分別為534,605,493mg/m2.C5, C10和C50土壤的CH4累積吸收量與草地相比,2008年增加280%, 130%和60%;2009年增加190%,60%和20%;2010年增加110%,76%和36%.天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,隨著開墾年限的增加土壤CH4累積吸收量降低. 2.3 土壤特性對CH4吸收的影響

2.3.1 土壤含水量對 CH4吸收的影響 草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,增加或降低土壤對大氣CH4吸收的能力同土壤含水量和土壤理化特性有關(guān).本研究統(tǒng)計(jì)分析表明,生長季CH4吸收通量(3年數(shù)據(jù))和土壤體積含水量(% v/v) (3年數(shù)據(jù))存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01) (圖3a～圖3d).

2008年,2009年和2010年,C5,C10和C50土壤 10cm處土壤含水量分別為 6%～26%,3%～25%和 9%～34%,而草地土壤的含水量是 8%～39%,表明草地土壤有較高含水量.如表2所示,草地土壤和農(nóng)田土壤相比其容重較低,從而導(dǎo)致其具有較高的含水量.

表2 草地和農(nóng)田土壤的理化特性Table 2 Comparisons of soil properties (means±SD)of adjacent cropland and grassland soils

圖3 CH4吸收和土壤含水量的關(guān)系Fig.3 Correlation between CH4uptake and soil moisture content

圖4 CH4吸收與土壤NH4+-N含量關(guān)系Fig.4 Correlation between CH4uptake and soil NH4+-N content

2.3.2 土壤 NH4+-N含量對 CH4吸收的影響圖4顯示G,C5,C10和C50的土壤CH4累積吸收量與土壤NH4+-N含量(年均值)之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.7380, P<0.01).這就表明, NH4+-N含量高的土壤CH4吸收量較低.因此,草地和不同開墾年限土壤 NH4+-N含量的差異解釋了不同土壤CH4吸收量的差異.

圖5 CH4吸收與農(nóng)田土壤MBC含量關(guān)系Fig.5 Correlation between CH4uptake and soil MBC content

2.3.3 土壤特性對 CH4吸收的綜合影響 為研究土壤參數(shù)的綜合作用對草地和不同開墾年限土壤 CH4吸收的影響,將草地和不同開墾年限農(nóng)田土壤 CH4吸收的季節(jié)性累積吸收量(圖2)與相應(yīng)的土壤參數(shù)(表2,圖3)及開墾時間進(jìn)行了逐步線性回歸分析.結(jié)果表明(表 3),CH4吸收受土壤 NH4+-N含量和土壤水分含量的綜合影響.決定系數(shù)(R2)的數(shù)值說明本研究觀測到的不同土壤間 CH4吸收的變異性有 91.1%可由NH4+-N含量和水分含量構(gòu)成的線性方程得以解釋.需要指出的是, CH4吸收的多少受若干土壤參數(shù)的綜合影響,單因子相關(guān)分析中對其無明顯影響的參數(shù)(如 SOC,MBC等)并不意味著該參數(shù)不重要.在很多情況下,某參數(shù)的重要性往往被其他參數(shù)所掩蓋,而逐步回歸分析則從統(tǒng)計(jì)上考慮了若干主要參數(shù)的綜合影響.

表3 CH4吸收量與土壤特性的逐步回歸分析Table 3 Results of stepw ise regression of CH4uptakew ith the soil properties

3 討論

3.1 土地利用方式對CH4吸收的影響

本研究中草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后促進(jìn)大氣甲烷的吸收,王艷芬等[14]在典型草原的研究結(jié)果也表明草地農(nóng)墾后促進(jìn)CH4的吸收.Boeckx等[11]在比利時的研究表明,草地和農(nóng)田相比,顯示出較低的CH4吸收能力.農(nóng)田土壤由于犁地、施肥、作物的種植和收割等農(nóng)業(yè)管理措施對土壤的干擾,使得土壤的結(jié)構(gòu)和微生物活性發(fā)生變化,影響土壤碳的礦化等,增加土壤的好氧性和孔隙度,從而創(chuàng)造了有利于甲烷氧化的條件,促進(jìn)土壤對甲烷的吸收.

草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后對 CH4吸收的影響研究結(jié)果并不一致.一些田間試驗(yàn)研究也表明草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后降低了大氣 CH4的吸收[3,21-22].Liu等

[1]在內(nèi)蒙古草地的研究也發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾降低了CH4匯的能力.研究表明,在相同的氣候和農(nóng)業(yè)管理方式下墾殖年限和土壤特性是導(dǎo)致研究結(jié)果不一致的主要原因.本研究中,草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,開墾年限對土壤CH4吸收有重要影響,隨著農(nóng)田墾殖年限的增加,農(nóng)田土壤CH4的吸收量逐漸降低,開墾50a的土壤CH4吸收量已降到接近草地土壤(圖 2).因此,推測草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后降低和增加土壤甲烷的吸收和開墾年限有很大關(guān)系,開墾時間越長,農(nóng)田土壤吸收 CH4越少.2008～2010年,CH4吸收通量和作物產(chǎn)量(P>0.05)無明顯相關(guān)關(guān)系,證明作物產(chǎn)量不是決定草地和不同開墾年限農(nóng)田土壤CH4吸收差異的關(guān)鍵因素.

3.2 土壤特性對CH4吸收的影響

3.2.1 土壤含水量和土壤溫度 本研究統(tǒng)計(jì)分析表明,生長季CH4吸收通量和土壤體積含水量存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,Wang等[23]和Liu等[1]在內(nèi)蒙古草地的研究也證明了相似的結(jié)果.土壤水分含量對CH4氧化的影響主要是通過影響土壤中CH4和O2氣體擴(kuò)散與CH4氧化細(xì)菌活性實(shí)現(xiàn)的[24].高的土壤含水量降低CH4的吸收主要由于高的含水量增強(qiáng)土壤的厭氧性,不利于甲烷氧化菌生存[25];另外水分含量高的土壤,土壤空氣減少,CH4擴(kuò)散也受到限制.CH4需要從大氣擴(kuò)散到土層才能達(dá)到最大氧化速率,而擴(kuò)散通量主要由土壤的透氣性所控制.土壤含水量等因素決定了土壤透氣性.許多的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和田間試驗(yàn)均研究了土壤含水量對CH4吸收的影響[26],土壤含水量對CH4吸收的影響機(jī)理較復(fù)雜,甲烷氧化菌的數(shù)量和活性在較高的土壤水分下顯著降低[27],土壤水分含量增加被認(rèn)為是在土壤微生物上覆蓋一層較厚的水膜,從而降低了微生物的活性.同時,水分含量增加阻礙了土壤中參與氧化消耗的CH4的擴(kuò)散,因?yàn)镃H4 在水膜中擴(kuò)散的速率比在土壤空氣中的擴(kuò)散速率低的多[28].

土壤溫度也是影響甲烷氧化的重要的環(huán)境因子.Castro等[29]的研究表明,當(dāng)土壤溫度在5～10℃時,顯著影響CH4吸收;當(dāng)溫度在10～20℃時,對 CH4吸收沒有影響.與此相同的是,本研究結(jié)果表明,田間土壤溫度在 10～26℃時,土壤溫度對草地和不同開墾年限的農(nóng)田土壤 CH4吸收并無顯著影響,當(dāng)溫度對CH4吸收無重要影響時,土壤含水量是關(guān)鍵的影響因子.Chen等[30]證明當(dāng)溫度不是內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性 CH4吸收的關(guān)鍵控制因子時,它和土壤水分含量有明顯相關(guān)關(guān)系.可能的原因是研究樣地的缺水導(dǎo)致土壤水分含量掩蓋了土壤溫度對CH4吸收影響的重要性,這種情況下土壤溫度對草地和不同開墾年限農(nóng)田土壤CH4吸收的差異的影響并未表現(xiàn)出來. 3.2.2 NH4+-N,SOC,MBC含量 NH4+-N含量是影響甲烷氧化能力的關(guān)鍵因素,本研究發(fā)現(xiàn)CH4吸收被土壤NH4+-N抑制.Chan等[31]的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系存在于土壤NH4+-N 含量和CH4吸收量之間.因此,草地和不同開墾年限土壤 NH4+-N含量的差異解釋了不同土壤CH4吸收量的差異.本研究中草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后隨開墾年限的延長,NH4+-N含量增加,主要由于長期施肥對土壤氮素礦化的促進(jìn)作用明顯[32].CH4、氧氣及結(jié)合態(tài)氮的濃度是環(huán)境中Ⅰ型和Ⅱ型甲烷氧化菌分布的決定性因素[33],因此NH4+-N含量被作為影響甲烷氧化能力的關(guān)鍵因素.土壤NH4+-N含量對CH4吸收的影響研究結(jié)果不一致,一些研究表明,氮的礦化對CH4吸收有抑制作用[21],而另外一些研究表明無機(jī)氮含量并不影響CH4吸收[34].長期施肥可以通過改變土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量等土壤性質(zhì),改變甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤甲烷氧化速率[35],無機(jī)氮持續(xù)施用一定時期(至少7年)可引起土壤CH4匯的衰竭[36].Mosier等[37]報道,施5～13年氮肥的干草原砂壤土消耗 CH4比不施肥土壤少 30%～40%.本研究也證明從草地開墾為農(nóng)田后5～年,隨著開墾時間的延長,施肥時間增加,CH4的吸收量減少.對于 NH4+抑制 CH4,酶基質(zhì)競爭是學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn).認(rèn)為由于NH4+和CH4具有相似的分子結(jié)構(gòu),競爭甲烷氧化菌酶系統(tǒng)相同的位點(diǎn)或降低甲烷氧化酶活性,從而起到抑制CH4氧化的作用.本研究中不同土壤(G, C5, C10和C50土壤)的CH4吸收與土壤SOC含量(P>0.05),土壤砂礫含量(P>0.05),土壤MBC含量(P>0.05),土壤容重(P>0.05)無明顯相關(guān)關(guān)系.可能由于草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,土壤水分含量(圖 3)和 NH4+-N含量(圖4)是導(dǎo)致草地土壤 CH4吸收比農(nóng)田土壤低的主要原因.土壤水分含量和 NH4+-N含量對土壤CH4吸收的影響的重要性掩蓋了有機(jī)碳含量和土壤容重等的影響.

值得思考的是,本研究中農(nóng)田土壤 MBC含量(不包括草地土壤)和 CH4吸收存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.8830, P<0.01) (圖5,數(shù)據(jù)來源于表2,圖2).意味著MBC并不是影響草地和農(nóng)田兩種土地利用方式下CH4吸收差異的重要因素,但針對農(nóng)業(yè)管理措施相同的農(nóng)田土壤,MBC成為了農(nóng)田土壤 CH4吸收的主要的影響因素.MBC含量是土壤微生物群體的數(shù)量和活性的指標(biāo).本研究發(fā)現(xiàn),草地土壤的MBC含量最高,草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,隨著開墾年限的延長 MBC含量降低(表 2).MBC含量對農(nóng)業(yè)管理措施和環(huán)境因素很敏感[38].與草地土壤相比,農(nóng)田土壤犁地和化肥的使用會導(dǎo)致土壤微生物代謝和組成發(fā)生變化,一般,農(nóng)田土壤的微生物群落數(shù)量低于草地等未受干擾的土壤.此外,MBC 含量代表了土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分,本研究中有機(jī)碳含量高的土壤,微生物碳含量也較高(表 2),隨開墾年限的增加,土壤有機(jī)碳含量降低,從而土壤MBC含量降低. 土壤MBC含量對CH4吸收的影響主要和土壤的生物過程有關(guān).一個可能的原因是低 MBC含量意味著土壤中甲烷氧化菌數(shù)量較少,這將消耗較少的CH4.土壤MBC含量對CH4吸收影響的研究還較少,其機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

4.1 研究區(qū)域土地利用變化和農(nóng)田開墾年限對CH4吸收產(chǎn)生顯著影響.天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后促進(jìn)CH4吸收,并隨開墾年限的延長CH4吸收降低.CH4吸收順序?yàn)殚_墾5年的農(nóng)田土壤>開墾10年的農(nóng)田土壤>開墾50年的農(nóng)田土壤>草地土壤.逐步回歸分析表明,不同土壤間CH4吸收的變異性有91.1%可由NH4+-N含量和水分含量構(gòu)成的線性方程得以解釋.

4.2 草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,墾殖年限對 CH4吸收的影響及決定這種影響差異的關(guān)鍵土壤參數(shù),為基于土壤特性的 CH4估算模型建立和應(yīng)用提供依據(jù).但土地利用變化后,各種自然和人為因素對CH4吸收通量的影響還不是很清楚, 還需要在更長的時間尺度上和更多的研究區(qū)域進(jìn)行更為深入的研究.

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致謝：本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場采樣工作由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院草原研究所內(nèi)蒙古草原觀測站的所有老師協(xié)助完成,在此表示感謝.

Land-use change from grassland to crop land affects CH4uptake in the farm ing-pastoral ecotone of Inner M ongolia.

J
IAO Yan*, HOU Jian-hua, ZHAO Jiang-hong,YANG Wen-zhu (College of Chem istry and Environmental Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China). China Environmental Science, 2014,34(6)：1514～1522

CH4uptake were compared after grassland and cropland soils in the agro-pastoral ecotone of Inner Mongolia over three grow ing seasons (2008～2010). Four adjacent sites w ith different land-use histories were selected, including grassland (reference site) and cropland 5, 10 and 50 years after conversion. The flux measurements were obtained using a closed-chamber method and were performed continuously from April to October in 2008, 2009 and 2010 in study site. The results showed a significant difference in CH4uptake between cropland and grassland in 2008 (FCH4=273.7, P<0.001), 2009 (FCH4=264.8, P<0.001) and 2010 (FCH4=362.4, P<0.001). Grassland had the lowest CH4uptake values of 141.4mg/m2, 210.0mg/m2and 236.0mg/m2in the 2008, 2009 and 2010 sampling seasons, respectively. The cumulative CH4uptake of cropland soil increased by 20%～280%, compared w ith the grasslands from 2008 to 2010. Decreased cumulative CH4uptake was observed with an increase in cropland age from 5 to 50 years. CH4uptakes were negatively correlated w ith soil NH4+-N (R2=0.7380, P<0.01) and soil moisture. Our study indicated that CH4uptake existed obviously differences among the sites during 3 grow ing seasons and the soil physical-chem ical properties drive these differences.

land-use；methane uptake；soil physical-chemical properties；cropland age

X511,S151.9,S182

A

1000-6923(2014)06-1514-09

焦 燕(1977-),女,內(nèi)蒙古巴彥諾爾市人,副教授,博士,主要研究方向溫室氣體與全球變化.發(fā)表論文40余篇.

2013-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41165010,41375144);2013內(nèi)蒙古高等學(xué)校“青年科技英才”計(jì)劃

* 責(zé)任作者, 副教授, jiaoyan@imnu.edu.cn