農(nóng)墾對(duì)草甸草原生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體（CH4和N2O）的影響

路則棟，杜 睿，杜鵬瑞，梁宗敏，李梓銘，秦賽賽 （中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

農(nóng)墾對(duì)草甸草原生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體（CH4和N2O）的影響

路則棟，杜 睿*，杜鵬瑞，梁宗敏，李梓銘，秦賽賽 （中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

2012～2013年在呼倫貝爾謝爾塔拉牧場(chǎng)對(duì)天然草甸草地和草地開墾農(nóng)田后，不同農(nóng)作物種植和管理措施下甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）排放進(jìn)行了野外實(shí)地觀測(cè).結(jié)果表明，天然草甸草地和農(nóng)田均為大氣CH4的吸收匯、N2O的排放源.在生長(zhǎng)季，天然草甸草地開墾增強(qiáng)了土壤的N2O排放量，但是對(duì)土壤CH4通量的影響卻存在較大的不確定性.在相同的氣象條件下，作物類型對(duì)生長(zhǎng)季農(nóng)田CH4和N2O排放通量都沒有影響.在生長(zhǎng)季，灌溉對(duì)干旱農(nóng)田的CH4平均吸收通量沒有顯著影響，但降低了干旱農(nóng)田N2O的平均排放通量.2012年和2013年農(nóng)田CH4和N2O的差異主要是因?yàn)榻涤炅坎煌瑢?dǎo)致的年際差異.回歸分析表明，N2O排放通量與土壤濕度呈線性相關(guān)，與土壤溫度沒有相關(guān)性，CH4的吸收通量與土壤溫度呈線性相關(guān)，與土壤濕度呈線性負(fù)相關(guān).土壤濕度是影響土壤CH4吸收和N2O排放的主要因素.

天然草甸草地；農(nóng)田；開墾；甲烷；氧化亞氮

近百年來，全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的顯著變化，人類社會(huì)生產(chǎn)生活引起的溫室氣體排放是其主要原因.大氣中甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是重要的溫室氣體，其中CH4增溫潛勢(shì)是二氧化碳（CO2）的25倍，N2O增溫潛勢(shì)是CO2的298倍［1］.大氣中每年有15%～30%的CH4、80%～90%的N2O來源于土壤［2］，其中農(nóng)田土壤是溫室氣體的重要源匯.農(nóng)田土壤排放的溫室氣體來源于一系列復(fù)雜的生物物理化學(xué)過程，土壤溫度、土壤含水量、土壤理化性質(zhì)、降雨量等自然因素以及輪作、施肥、灌溉等田間管理人為因素都會(huì)直接或間接地影響溫室氣體的產(chǎn)生.如降雨或灌溉使土壤含水量增加，在接近田間持水量時(shí)，N2O排放速率會(huì)加快［3］.

在過去的4個(gè)世紀(jì)，全球陸地面積的30%已變成草場(chǎng)和耕地，其中大部分是由森林和草原轉(zhuǎn)變而來［4］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，森林凈減少11.4×106km2，草原凈減少6.7×106km2［5］.研究表明，土地利用變化引起的CH4和N2O的排放（用CO2當(dāng)量表示）已超過了來自土地利用變化引起的CO2排放［6］.農(nóng)田排放的溫室氣體中，N2O、CH4和CO2分別占54%，46%和1%［7］.森林或草地轉(zhuǎn)變成農(nóng)田被認(rèn)為是改變土壤CH4源匯強(qiáng)度的最重要的人類活動(dòng)［8］.目前，呼倫貝爾草原區(qū)耕地面積已經(jīng)多達(dá)到8000km2，占呼倫貝爾市耕地面積的39%，且開墾區(qū)域集中在植被類型多樣、植物種類繁多、草場(chǎng)質(zhì)量最好的草甸草原地帶.以往的研究主要集中于東北［9-10］、華北農(nóng)田［11-12］和典型水稻產(chǎn)區(qū)［13-14］溫室氣體的排放，而對(duì)于草地開墾后的農(nóng)田CH4和N2O排放研究不多，且主要集中于內(nèi)蒙古錫林格勒草原地區(qū)［15-17］.因此研究草地開墾對(duì)呼倫貝爾草原溫室氣體CH4和N2O排放的影響，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)草地溫室氣體排放的影響具有重要意義.以往的研究表明，作物類別對(duì)農(nóng)田N2O排放具有顯著的影響［18-19］.如豆科作物可以通過根瘤菌固氮向土壤提供氮源，因此，在相同的土壤和氣候條件下，大豆地N2O排放量高于油菜地、大麥地和玉米地［19］.油菜、大麥、玉米、馬鈴薯為呼倫貝爾墾區(qū)的主要秋熟作物，生長(zhǎng)季為5～9月.但是對(duì)于該區(qū)農(nóng)田同一生長(zhǎng)季不同作物對(duì)CH4和N2O的排放的影響尚未見報(bào)道.本研究以種植油菜、大麥和水飛薊的農(nóng)田為研究對(duì)象，測(cè)定CH4和N2O通量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，探討呼倫貝爾溫帶草甸草原開墾后不同農(nóng)作物種植和管理措施（灌溉）對(duì)農(nóng)田土壤CH4和N2O排放通量的影響以及生長(zhǎng)期農(nóng)田與同期草甸草原CH4和N2O的排放差異.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古東北部，屬于溫帶半干旱大陸性氣候.年降水量250～400mm，多集中在7、8月份，降水量變率大，分布不均勻，年際變化大，多年平均氣溫0℃，無霜期105d左右.土壤類型主要為黑鈣土或暗栗鈣土，主要植被類型為貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、羊草（Leymus chinensis）、線葉菊（Filifolium sibiricum）.本研究于2012年和2013年在中國內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（中心坐標(biāo)49°20′31″N， 120°00′05″ E，海拔600m）附近的謝爾塔拉牧場(chǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)隊(duì)2隊(duì)進(jìn)行.生產(chǎn)隊(duì)的主要種植作物為油菜、大麥、馬鈴薯、青貯玉米、苜蓿等，種植面積均在千畝以上，其中以油菜種植面積最大，約占該隊(duì)總耕地面積的50%以上.墾區(qū)內(nèi)水資源主要依靠天然降水.田間管理措施主要包括施肥、噴藥和灌溉，但是實(shí)施灌溉（噴灌和滴灌）措施的農(nóng)田目前不足總耕地面積的50%，而且如果當(dāng)年降水較多，也不會(huì)采取灌溉措施.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 2012～2013年試驗(yàn)樣地農(nóng)田管理措施情況Table 1 Crop management measures at experimental sites in 2012 and 2013

試驗(yàn)設(shè)置3塊農(nóng)田，代號(hào)分別為1#（中心坐標(biāo)49°20'45″N，120°00'17″E）、2#（49°20'46″N， 120°00'20″E）、3#（49°21'05″N， 120°02'04″E）.2012年分別種植油菜、大麥和油菜（灌溉）.但是由于2012年秋季少雨干旱再加上2013年春季又無有效降雨，因此2013年1#和2#農(nóng)田被改為種植抗旱經(jīng)濟(jì)作物水飛薊，3#農(nóng)田由于是灌溉田，2013年仍種植油菜.可以認(rèn)為1#農(nóng)田和2#農(nóng)田采取輪作管理.具體農(nóng)田管理措施見表1.

1.3 氣體采樣與分析

CH4、N2O氣體通量均使用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定.所使用的采樣箱有底座和頂箱組成，均用不銹鋼板制成.采樣箱外覆絕熱材料防止受到太陽輻射溫度升高，內(nèi)置蓄電池驅(qū)動(dòng)的小風(fēng)扇用于混勻箱內(nèi)氣體.箱體一側(cè)設(shè)有采氣孔，與氣密三通閥相連接用于注射器采樣.底座上端有密封條，底座下端插入土壤15cm，整個(gè)采樣期不再移動(dòng).采樣時(shí)將頂箱輕扣在底座上.

分別于2012年和2013年的6～9月進(jìn)行采樣，采樣頻率根據(jù)作物的生長(zhǎng)狀況而定，在生長(zhǎng)季初期，一周1次；進(jìn)入生長(zhǎng)旺季，采樣頻率逐步加密至一周2次.采樣時(shí)間均在上午8:00～10:00完成.用注射器分別采集0、10、20、30和40min時(shí)的氣體樣品，采樣后將樣品帶回研究站均在24h內(nèi)分析.使用安捷倫7890A型氣象色譜儀（7890A GC System， USA）進(jìn)行氣體樣品分析［20］.

1.4 環(huán)境因子測(cè)定

土壤溫度、濕度測(cè)定:采集氣體樣品的同時(shí)，利用電子溫度計(jì)（JM624，天津今明儀器）測(cè)定箱內(nèi)溫度和地表溫度.在所有樣地觀測(cè)點(diǎn)附近埋設(shè)小型自動(dòng)氣象站（HOBO Micro Station，型號(hào)H21-002）同時(shí)監(jiān)測(cè)地下10cm與20cm土壤溫度和土壤濕度，其探頭的探測(cè)頻率為10s/次，每1min記錄一次平均數(shù)據(jù).呼倫貝爾草原平均氣溫和降水資料由中國國家氣象局下屬海拉爾基準(zhǔn)站提供.

土壤樣品的采集:分別于2012年和2013年6～9月進(jìn)行采樣，采樣頻率為2次/月，采樣時(shí)于樣地周圍隨機(jī)選取3個(gè)重復(fù)點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)使用土鉆采集20cm土壤并分3層0～5cm、5～10cm、10～20cm放入冰箱（-18℃）保存，于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)帶回北京進(jìn)行理化性質(zhì)的分析.測(cè)定時(shí)，將土壤樣品融化并研磨至＜2mm水平，土壤全氮使用硫酸-混合催化劑消煮連續(xù)流動(dòng)分析儀（標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1228-1999）測(cè)定，有機(jī)質(zhì)的測(cè)定利用重鉻酸鉀-外加熱法（標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1237-1999）；硝態(tài)氮及銨態(tài)氮采用0.01mol/L氯化鈣浸提Bran+Luebbe連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定.

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

氣體樣品經(jīng)氣相色譜分析后，根據(jù)下式計(jì)算CH4和N2O氣體通量:

式中:F為氣體通量，通量為正則說明土壤排放該氣體，為負(fù)則說明吸收； i=1，2，分別代表CH4和N2O；ρ為標(biāo)況下的氣體密度； P代表測(cè)定的大氣壓值；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；T為測(cè)定時(shí)的空氣溫度，K； T0為標(biāo)況時(shí)的溫度，K； dC/dt為CH4和N2O濃度隨時(shí)間的變化率.

本文數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（Mean± SE）表達(dá).利用方差分析（ANOVA）、回歸分析（Regression Analysis）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理間差異的多重比較采用LSD法.利用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（顯著性水平α= 0.05）；畫圖采用Origin 8.0軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子變化

圖1 2012～2013年試驗(yàn)樣地的月降水量及日平均溫度Fig.1 Monthly total precipitation and daily average air temperature at the experimental site during 2012 and 2013

圖1為2012年、2013年氣溫與降雨量狀況.2012年和2013年的日平均溫度都在-35（1月）～20℃（7月）的范圍內(nèi)，大體上相當(dāng).兩年的年降雨量差異比較大，分別為320.9mm和619.1mm.其中，在植物生長(zhǎng)季（5～9月），只有2012年6月的降雨量高于2013年同期，其余月份均低于2013年同期降雨量（圖1）.海拉爾地區(qū)平均年降雨量一般在400mm 左右，且主要集中在7、8、9月份，可見2012年比較干旱， 2013年雨水充沛.

生長(zhǎng)季3塊農(nóng)田的土壤平均溫度、平均濕度變化規(guī)律一致:2012年和2013年在同一農(nóng)田，二者差異顯著；在同一年不同農(nóng)田二者差異不顯著（3#農(nóng)田樣地地下20cm土壤溫度除外）（表2）.這一規(guī)律也將在農(nóng)田溫室氣體通量的變化規(guī)律上有所體現(xiàn).3塊農(nóng)田樣地的土壤全氮含量變化規(guī)律與土壤溫度、土壤濕度規(guī)律一致；土壤有機(jī)質(zhì)含量在同一農(nóng)田年際變化顯著，在同一年不同農(nóng)田差異不顯著（3#農(nóng)田除外）；土壤無機(jī)氮含量（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）變化規(guī)律復(fù)雜，這可能是因?yàn)椴煌魑飳?duì)無機(jī)氮的利用情況不同以及農(nóng)作物輪作導(dǎo)致的（表3）.

表2 2012～2013年生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤溫度與濕度的比較Table 2 Comparison of soil temperature and moisture in the cropland during the growing season in 2012 and 2013

表3 2012～2013年生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的比較Table 3 Comparison of soil physical and chemical properties in the cropland during the growing season in 2012 and 2013

2.2 不同作物農(nóng)田土壤CH4和N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

圖2為2012年和2013年農(nóng)田土壤CH4通量動(dòng)態(tài)變化曲線圖.2012年，測(cè)定期內(nèi)油菜地、大麥地和油菜灌溉地土壤CH4通量變化趨勢(shì)比較一致，呈單峰型曲線，均表現(xiàn)為CH4的吸收匯，吸收通量變化范圍在1.05～79.11μg C/（m2·h）之間.從圖中可以看出，6月份土壤CH4吸收通量逐漸增強(qiáng)，7月份土壤吸收達(dá)到高峰.隨后，CH4吸收逐漸減弱直至收割后，基本保持不變.甲烷氧化菌是嚴(yán)格的嗜氧菌，但很多菌株對(duì)正常氧壓敏感，要求低氧壓，所以在一定范圍內(nèi)，土壤水分含量相對(duì)較高時(shí)，有利于甲烷氧化菌的代謝活動(dòng)，促進(jìn)土壤CH4吸收［21］.2012年6、7月份相對(duì)于同年其他月份降水多，而且10、20cm處土壤濕度最大值不超過20%（V/V）.天然溫帶典型草原的土壤水分超過田間持水量的30%～40%后，基本上很難出現(xiàn)CH4的較大吸收通量［22］. 隨后CH4吸收減少，原因可能是由于在干旱的草原地區(qū)土壤水分決定CH4吸收通量的變化. 當(dāng)土壤水分從6%增加到11%時(shí)，土壤CH4的氧化速率會(huì)銳增［16，23］.一般認(rèn)為含水量在15%～20%之間為土壤吸收CH4最佳濕度，此時(shí)土壤中的CH4氧化菌活性最強(qiáng)，而土壤含水量在28%～35%之間會(huì)減弱CH4的氧化［15］.觀測(cè)農(nóng)田區(qū)8月和9月的總降水量為85.2mm，比6月和7月的總降水量低50%左右（圖1），此時(shí)10、20cm處土壤濕度最大值不超過10%.2013年6～9月，各農(nóng)田土壤的CH4吸收通量變化趨勢(shì)幾乎完全一致，直至收割后，但均表現(xiàn)為CH4的吸收匯，吸收通量變化范圍在2.25～62.59μg C/（m2·h）之間.在作物收割前，與2012年相比，2013年CH4吸收通量較低，原因可能是2013年降水量高，比平均年降水量高220mm左右，比2012年觀測(cè)期內(nèi)平均降水量高199.5mm，10、20cm土壤最低濕度均超過25%，土壤水分高抑制了土壤中CH4的氧化（圖1）.因?yàn)閷?duì)于甲烷氧化菌而言，土壤水分不僅影響土壤通透性，而且過高或過低的土壤水分均容易造成生理抑制從而降低旱地土壤對(duì)CH4的吸收能力［21］.

圖2 2012～2013年農(nóng)田土壤CH4吸收通量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic variations of cropland soil CH4uptake fluxes in 2012 and 2013

圖3 2012～2013年農(nóng)田土壤N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variations of cropland soil N2O emission fluxes in 2012 and 2013

圖3為2012年和2013年不同作物N2O通量動(dòng)態(tài)變化曲線圖.2012年，測(cè)定期內(nèi)各農(nóng)田土壤N2O通量變化趨勢(shì)比較一致，呈現(xiàn)降低型的曲線.但考慮播種后一段時(shí)間內(nèi)沒有觀測(cè)，結(jié)合2013年的變化趨勢(shì)，可以推測(cè)土壤N2O通量的變化趨勢(shì)實(shí)際為單峰型曲線.在6月和7月份，N2O排放通量達(dá)到最大值，隨后各農(nóng)田土壤N2O排放通量逐漸降低至保持不變，主要原因可能是8月和9月份降雨較少，土壤含水量較低，微生物活性較弱，N2O排放趨于停滯.收割后，甚至出現(xiàn)負(fù)通量.這與杜睿等［24］、Donoso等［25］和劉燁等［26］的觀測(cè)結(jié)果一致.可能是由于收割后的撂荒地基本呈現(xiàn)無植被的裸地狀態(tài)， N2O可能被土壤中的黏土礦物所吸附.2013年各農(nóng)田土壤N2O排放通量變化趨勢(shì)基本一致，不同于2012年的是，土壤N2O通量的變化趨勢(shì)為多峰型曲線，可能與2013年7月和8月份大量降水有關(guān).春季溫度升高，土壤中微生物的活性增強(qiáng)，促進(jìn)硝化作用，N2O產(chǎn)生和排放加大.再者土壤通氣狀況良好，反硝化作用受到一定程度的抑制.而且與2012年相比， 2013年6月份N2O的峰值較低， 原因可能是2012年6月份的降雨量大于2013年6月份（圖1）， 促進(jìn)硝化作用. 7月和8月出現(xiàn)N2O排放通量峰值，主要是由于大量降水和高溫天氣等干濕交替過程造成的.這些過程使得硝化與反硝化作用交替共同產(chǎn)生N2O，同時(shí)干濕交替還在一定程度上抑制反硝化產(chǎn)物的深度還原［27］.作物收割后，土壤中的硝化和反硝化細(xì)菌可以利用殘留在土壤中的根分泌物和根［16］，所以仍有N2O排放但明顯降低.

溫度和降水直接影響土壤環(huán)境，而土壤環(huán)境又驅(qū)動(dòng)溫室氣體通量（排放或吸收）變化.對(duì)CH4和N2O通量與不同深度土壤溫度進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明兩年觀測(cè)期內(nèi)CH4吸收通量與10、20cm土壤溫度（ST-10、ST-20）呈顯著正相關(guān)，與地表溫度（ST0）呈極顯著正相關(guān).有研究發(fā)現(xiàn)，CH4吸收量隨土壤溫度的升高而增加，并且呈線性關(guān)系［28］.土壤溫度直接影響甲烷氧化過程中所涉及的一系列微生物菌群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和活性，并且對(duì)土壤中甲烷的輸送也有明顯的影響［29］.但是N2O排放通量與土壤溫度和地表溫度則無顯著相關(guān)性.對(duì)CH4和N2O通量與不同深度土壤濕度進(jìn)行相關(guān)性分析表明（表4），兩年觀測(cè)期內(nèi)CH4吸收通量和N2O排放通量與不同層次的土壤濕度均呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系.Klemedtsson等［30］和Duenas等［31］認(rèn)為溫度對(duì)CH4氧化有影響，但當(dāng)土壤水分成為主要影響因子時(shí)，CH4吸收與溫度之間無相關(guān)關(guān)系.農(nóng)田CH4和N2O通量與土壤溫度和土壤濕度線性回歸分析表明:溫度對(duì)CH4氧化的影響作用明顯小于水分，當(dāng)水分成為土壤氧化CH4的限制因子時(shí)，對(duì)CH4氧化的影響不顯著（表4）.N2O通量主要受10cm處土壤濕度的影響.

表4 農(nóng)田土壤生長(zhǎng)季CH4和N2O通量與土壤因子之間相關(guān)性及回歸方程Table 4 Relationship and regression equation between CH4and N2O fluxes and soil factors in the cropland

2.3 作物和灌溉對(duì)土壤CH4和N2O排放通量的影響

圖4為不同作物對(duì)生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤CH4和N2O排放通量的影響.2012年3塊農(nóng)田（油菜、大麥和灌溉油菜田）CH4通量分別是:（-50.4±2.1），（-49.8±9.0）， （-50.0±3.6） μg C/（m2·h）； 2013年3個(gè)農(nóng)田（水飛薊、水飛薊和油菜田）CH4平均通量分別是:（-15.6±1.8）， （-18.0±3.5）， （-18.6± 0.6）μg C/（m2·h）.分析表明，同一生長(zhǎng)季不同作物對(duì)農(nóng)田土壤CH4平均吸收通量沒有顯著影響（P＞0.05），而且同種作物的灌溉與否（12油菜與12油菜灌溉）對(duì)開墾后的草地土壤CH4平均吸收通量也沒有顯著影響（P＞0.05） （圖4），可能原因是，當(dāng)?shù)氐墓喔却胧﹥H是在干旱缺雨天氣條件下對(duì)作物需水的補(bǔ)償而非常規(guī)意義的農(nóng)田灌溉.2012年降雨比較少，噴灌時(shí)間只是在作物生長(zhǎng)旺季，僅使土壤表層（0～10cm）含水量增加，在干旱的情況下水分僅能滿足植物生長(zhǎng)需求，不能長(zhǎng)期有效地改變土壤含水量，對(duì)甲烷氧化菌的影響不是很大.3#農(nóng)田連續(xù)兩年種植油菜，但是2013年因雨水充沛未采取澆灌措施，而2012年灌溉對(duì)CH4通量未有顯著影響，因此可以認(rèn)為12油菜灌溉和13油菜只有年際差異，且差異顯著（P＜0.05）.2013 年1#、2#農(nóng)田由于氣候原因被改為種植抗旱作物水飛薊，通過對(duì)比1#和2#農(nóng)田，發(fā)現(xiàn)2013年較前一年的平均吸收通量分別降低70.0%， 63.9%.結(jié)合2013年觀測(cè)期內(nèi)降水量比2012年高199.5mm（圖1）和3#農(nóng)田年際差異顯著，因此可以推測(cè)2012年和2013年CH4通量的顯著性差異主要是由于降水導(dǎo)致的年際差異引起的，但是也不能排除作物因素引起的差異， 因此還有待于進(jìn)一步的研究.

圖4 2012～2013年農(nóng)田土壤CH4和N2O的平均通量Fig.4 Average CH4and N2O fluxes from cropland soil in2012 and 2013

2012年生長(zhǎng)季油菜、大麥和油菜（灌溉）田N2O的平均通量分別是（12.3±1.8）， （10.6±1.9）和（6.0±1.3） μgN/（m2·h）.分析表明，2012年不同作物（油菜和大麥）對(duì)開墾后的草地土壤N2O平均排放通量沒有顯著影響（P＞0.05），但是不同于CH4，灌溉與非灌溉對(duì)開墾后草地土壤的N2O平均排放通量有顯著影響（P＜0.05），灌溉降低了干旱農(nóng)田土壤N2O的平均排放通量. 可能原因是四次灌溉均在植物生長(zhǎng)旺季期，與不灌溉干旱的油菜田相比，植物生長(zhǎng)旺盛，光合效率高，對(duì)氮素的需求加大.灌溉田的土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均小于非灌溉田（P＜0.05）（表3）. 2013年雨水充沛，與2012年相比，油菜生長(zhǎng)更加旺盛，結(jié)果也表明3#油菜田的土壤銨態(tài)氮含量小于2012年油菜田.內(nèi)蒙古溫帶草甸草原土壤N2O的產(chǎn)生主要來源于土壤微生物的硝化作用，其中異養(yǎng)硝化起主導(dǎo)作用［32］.較多的土壤有機(jī)質(zhì)和無機(jī)氮可以為微生物提供碳源和氮源，從而促進(jìn)較高的N2O排放.

2013年1#、2#和3#生長(zhǎng)季農(nóng)田N2O的平均通量分別是（19.1±5.8）， （33.3±6.4）和（22.8±3.6）μg N/（m2·h），雖然管理措施相同，但是種植同等面積的作物水飛薊，1#和2#農(nóng)田N2O平均排放通量有一定的差異（P＜0.05），原因可能是2012年分別種植不同作物油菜和大麥，由于不同作物對(duì)氮素利用情況不同，從而對(duì)硝化作用產(chǎn)生影響.研究表明，在無灌溉且降水變率較大的溫帶半干旱草原生長(zhǎng)季，土壤N2O通量更多地取決于表層土壤水分的變化特征［27］.本文中2012年和2013年N2O的排放通量差異性規(guī)律與土壤濕度的變化規(guī)律一致.因此，可以推測(cè)降水可能是造成N2O排放通量年際變化的主要原因.王躍思等［9］對(duì)內(nèi)蒙古草原CO2、CH4以及N2O通量進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾麥田和草甸草原溫室氣體的通量變化也同樣受土壤濕度的控制.但是，由于N2O產(chǎn)生與釋放是多因子相關(guān)的復(fù)雜過程，本實(shí)驗(yàn)不能排除植物的影響，因此需進(jìn)一步的研究.

2.4 生長(zhǎng)季農(nóng)田與同期草地CH4和N2O排放通量的對(duì)比

圖5 2012～2013年生長(zhǎng)季（6～9月）農(nóng)田與草原土壤CH4和N2O的平均通量Fig.5 Average CH4and N2O fluxes from cropland and grassland soil in the growing season （June to September） in 2012 and 2013

2012年封育貝加爾針茅和羊草草原生長(zhǎng)季CH4的平均通量分別是:（-34.6±2.2） 和（-45.5±3.7）μg C/（m2·h），開墾減少了CH4的吸收； 2013年分別是:（-25.6±2.0）和（-23.6±1.8）μg C/（m2·h），開墾增加了CH4的吸收（圖5）.與已有的對(duì)內(nèi)蒙古典型草原及農(nóng)耕地的研究相一致，天然草地轉(zhuǎn)變成農(nóng)田，對(duì)土壤吸收CH4的影響存在較大的不確定性.李玉娥等［34］發(fā)現(xiàn)天然草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后，降低了土壤對(duì)甲烷的吸收；王躍思等［15］發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾不會(huì)減少天然草原對(duì)CH4的吸收；而王艷芬［17，35］的野外實(shí)地觀測(cè)則表明，天然草地開墾為農(nóng)田后CH4吸收能力有所增強(qiáng).這表明草地開墾為農(nóng)田后，土壤對(duì)CH4的吸收可能與種植的作物、管理措施（施肥、噴藥、灌溉）都未必有直接的相關(guān)性. 2012年封育貝加爾針茅和羊草草原生長(zhǎng)季N2O的平均通量分別是（3.0±0.3）和（5.8±0.2）μg N/（m2·h），2013年分別是（3.1±0.3）和（3.8±0.7）μg N/（m2·h）（圖5）.草地轉(zhuǎn)變成農(nóng)田對(duì)N2O的排放通量均表現(xiàn)為促進(jìn)作用.王躍思等［15］研究也表明，草地開墾為農(nóng)田后，其N2O排放通量增加了3倍.

3 結(jié)論

3.1 2012年，在相同的氣象條件下，作物類型對(duì)生長(zhǎng)季農(nóng)田CH4和N2O通量沒有影響.油菜田和大麥田CH4平均通量分別為（-50.4±2.1）和（-49.8±9.0）μg C/（m2·h），N2O平均通量分別為（12.3±1.8）和（10.6±1.9）μgN/（m2·h）.CH4吸收受土壤溫度影響，與土壤濕度呈負(fù)相關(guān).分析表明，溫度對(duì)CH4氧化的影響明顯小于水分作用，當(dāng)水分成為土壤氧化CH4的限制因子時(shí)，溫度對(duì)CH4氧化的影響不顯著.N2O排放主要受土壤濕度影響.

3.2 2012年生長(zhǎng)季降雨少，灌溉并未對(duì)土壤水分產(chǎn)生明顯的影響，故灌溉對(duì)農(nóng)田生長(zhǎng)季CH4吸收通量沒有顯著影響，灌溉和非灌溉油菜田的CH4平均通量分別為（-50.4±2.1）和（-50.0±3.6）μg C/（m2·h）.但其降低了農(nóng)田生長(zhǎng)季N2O的平均排放通量，非灌溉和灌溉油菜田的N2O平均通量分別為（12.3±1.8）和（6.0±1.3）μg N/（m2·h）.

3.3 在生長(zhǎng)季，1#和2#農(nóng)田溫室氣體通量具有顯著年際差異，2013年CH4平均吸收通量比2012年分別降低70.0%，63.9%，N2O平均排放通量分別增加55.3%，214.2%.主要原因是降雨量不同導(dǎo)致的差異，但是，也不能排除作物的影響，需要進(jìn)一步研究.

3.4 農(nóng)墾并沒有改變草甸草原生長(zhǎng)季CH4和N2O的匯與源.天然草甸草原開墾增加了土壤N2O的排放量，但是對(duì)CH4通量的影響存在較大的不確定性，需要長(zhǎng)期觀測(cè)研究.

［1］IPCC. Climate change 2007: The physical science basis ［M］. Cambridge， UK: Cambridge University Press， 2007.

［2］Hansen J E， Lacis A A. Sun and dust versus greenhouse gases: An assessment of their relative roles in global climate change ［J］. Nature， 1990，346（6286）:713-719.

［3］Simojoki A， Jaakkola A. Effect of nitrogen fertilization， cropping and irrigation on soil air composition and nitrous oxide emission in a loamy clay ［J］. European Journal of Soil Science， 2000，51（3）: 413-424.

［4］郝慶菊.三江平原沼澤土地利用變化對(duì)溫室氣體排放影響的研究 ［D］. 北京:中國科學(xué)院大氣物理研究所， 2005.

［5］Ramankutty N， Foley J A. Estimating historical changes in global land cover: croplands from 1700-1992 ［J］. Global Biogeochemical Cycles， 1999，13（4）:997-1027.

［6］Prather M， Derwent R， Ehhalt D， et al. Other trace gases and atmospheric chemistry. In: Climate Change 1994 ［M］. Cambridge，UK: Cambridge University Press， 1995.

［7］Smith P， Martino D， Cai Z， et al. Agriculture. In: Climate change2007 ［M］. Cambridge， UK: Cambridge University Press， 2007.

［8］Smith K A， Dobbie K E， Ball B C， et al. Oxidation of atmospheric methane in Northern European soils， comparison with other ecosystems， and uncertainties in the global terrestrial sink ［J］. Global Change Biology， 2000，6（7）:791-803.

［9］黃國宏，陳冠雄，吳 杰，等.東北典型旱作農(nóng)田N2O和CH4排放通量研究 ［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 1995，6（4）:383-386.

［10］梁 巍，張 穎，岳 進(jìn)，等.長(zhǎng)效氮肥施用對(duì)黑土水旱田CH4和N2O排放的影響 ［J］. 生態(tài)學(xué)雜志， 2004，23（3）:44-48.

［11］李曉密，倫小秀，陳 琪，等.不同施肥處理下冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田溫室氣體的排放 ［J］. 環(huán)境化學(xué)， 2014，33（4）:591-596.

［12］齊玉春，董云社，章 申.華北平原典型農(nóng)業(yè)區(qū)土壤甲烷通量研究 ［J］. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境， 2002，18（3）:56-58.

［13］張慶國，李鵬飛，徐 麗，等.皖中沿江平原水稻田CH4和N2O排放估算及其影響因素分析 ［J］. 土壤通報(bào)， 2012，43（1）:212-218. ［14］鄒建文，黃 耀，宗良綱，等.稻田CO2、CH4和N2O排放及其影響因素 ［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2003，23（6）:758-764.

［15］王躍思，紀(jì)寶明，黃 耀，等.農(nóng)墾與放牧對(duì)內(nèi)蒙古草原N2O、CO2排放和CH4吸收的影響 ［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2001，22（6）:7-13.

［16］李明峰，董云社，齊玉春，等.農(nóng)墾對(duì)溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)CO2、CH4、N2O通量的影響 ［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2004， 37（12）:1960-1965.

［17］王艷芬.人類活動(dòng)干擾下草原溫室氣體地-氣交換特征及碳平衡研究 ［D］. 北京:中國科學(xué)院植物研究所， 2001.

［18］Van der Weerden T J， Sherlock R R， Williams P H， et al. Nitrous oxide emissions and methane oxidation by soil following cultivation of two different leguminous pastures ［J］. Biology and fertility of Soils， 1999，30（1/2）:52-60.

［19］Wagner-Riddle C， Thurtell G W， Kidd G K， et al. Estimates of nitrous oxide emissions from agricultural fields over 28months ［J］. Canadian Journal of Soil Science， 1997，77（2）:135-144.

［20］Wang Y， Wang Y. Quick measurement of CH4， CO2and N2O emission from a short-plant ecosystem ［J］. Advances in Atmospheric Science， 2003，20（5）:842-844.

［21］杜 睿，王庚辰，呂達(dá)仁，等.內(nèi)蒙古溫帶半干旱羊草草原溫室氣體N2O和CH4通量變化特征 ［J］. 自然科學(xué)進(jìn)展， 2001，11（6）: 595-601.

［22］杜 睿，呂達(dá)仁，王庚辰.天然溫帶典型草原N2O和CH4通量的時(shí)間變化特征 ［J］. 自然科學(xué)進(jìn)展， 2005，15（3）:313-320.

［23］Whalen S C， Reeburgh W S， Barber V A. Oxidation of methane in boreal forest soils: a comparison of seven measures ［J］. Biogeochemistry， 1992，16（3）:181-211.

［24］杜 睿，黃建輝，萬小偉，等.北京地區(qū)暖溫帶森林土壤溫室氣體排放規(guī)律 ［J］. 環(huán)境科學(xué)， 2004，25（2）:12-16.

［25］Donoso L， Santana R， Sanhuega E. Seasonal variation of N2O fluxes at tropical savannah site: Soil consumption of N2O during the dry season ［J］. Geophysical Research Letter， 1993，20（13）: 1379-1382.

［26］劉 曄，牟玉靜，鐘晉賢，等.氧化亞氮在森林和草原中的地-氣交換 ［J］. 環(huán)境科學(xué)， 1997，18（5）:15-18.

［27］董云社，齊玉春，耿元波，等.內(nèi)蒙古溫帶半干旱羊草草原N2O通量及其影響因素 ［J］. 地理研究， 2005，23（6）:776-784.

［28］Peterjohn W T， Melillo J M， Steudler P A， et al. Responses of trace gas fluxes and N availability to experimentally elevated soil temperatures ［J］. Ecological Applications， 1994，4（3）:617-625.

［29］Schimel J P， Gulledge J. Microbial community structure and global trace gases ［J］. Global Change Biology， 1998，4（7）:745-758.

［30］Klemedtsson A K， Klemedtsson L. Methane uptake in Sweden forest soil in relation to liming and extra N-deposition ［J］. Biology and Fertility of Soils， 1997，25（3）:296-301.

［31］Duenas C， Fernandez M C， Carretero J， et al. Methane uptake in soils of southern Spain estimated by two different techniques: static chamber and radon flux and soil air concentration profiles ［J］. Atmospheric Environment， 1996，30（4）:545-552.

［32］杜 睿.溫帶草甸草原土壤N2O產(chǎn)生過程研究 ［J］. 生態(tài)科學(xué)，2006，25（3）:202-206.

［33］李梓銘.內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原溫室氣體氣體通量的觀測(cè)研究 ［D］. 北京：中國科學(xué)院大學(xué)， 2013.

［34］李玉娥，林而達(dá).天然草地利用方式改變對(duì)土壤排放CO2和吸收CH4的影響 ［J］. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境， 2000，16（2）:14-16，44.

［35］焦 燕，侯建華，趙江紅，等.內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化對(duì)CH4吸收的影響 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（6）:1514-1522.

致謝：真誠感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原站所有工作人員在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間所提供的熱心幫助.

Effect of reclamation on greenhouse gases （CH4and N2O） fluxes in meadow-steppe ecosystem.

L
U Ze-dong， DU Rui*，DU Peng-rui， LIANG Zong-min， LI Zi-ming， QIN Sai-sai （College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1047～1055

The soil CH4and N2O emission fluxes from the natural meadow-steppe grassland and reclaimed grassland under different crop planting and management measures were investigated during the growing seasons in 2012 and 2013 at Xieertala pasture， Hulunber， Inner Mongolia. The results showed that both the natural grassland and reclaimed grassland played a role as a sink for CH4and a source for N2O. The conversion of natural grassland to cropland increased N2O emissions from the soil in growing seasons， however， there was a large uncertainty in the impact on soil CH4fluxes. There was no difference in CH4and N2O emission fluxes for different crop types under same meteorological conditions. Irrigation had no clear effect on CH4average uptake fluxes in growing seasons， but significantly reduced N2O average emission fluxes. The differences in CH4and N2O fluxes for 2012 and 2013 were mainly caused by the inter-annual precipitation variability. The correlation analysis and stepwise linear regression revealed that the soil CH4and N2O emission fluxes were significantly correlated with soil moisture， the CH4fluxes were also in linear relationship with soil temperature.

natural meadow-steppe；cropland；reclamation；CH4；N2O

X511

A

1000-6923（2015）04-1047-09

路則棟（1989-），男，山東濟(jì)寧人，中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生，主要從事草地土壤溫室氣體排放的研究.

2014-08-20

中國戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)—應(yīng)對(duì)氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題（XDA05020401）

* 責(zé)任作者， 副教授， ruidu@ucas.ac.cn