不同利用方式下草地CH4、CO2及N2O通量研究*

張 超，辛?xí)云?，梁慶偉，娜日蘇，楊秀芳，包玉海，李 彤，閆瑞瑞※

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院，赤峰 024031；4.中國科學(xué)院植物研究所，北京 100093；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

全球變暖是當(dāng)下各國所重視的問題，將會引起一系列問題，如生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性減少、海平面升高、土地荒漠化等問題，直接影響到人類賴以生存的環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。而大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）濃度的增加被認(rèn)為是造成全球氣候變化的重要原因[2]，研究表明，CO2、CH4和N2O引起的溫室效應(yīng)占全球總溫室效應(yīng)的近80%[3]。全球氣候變化以及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)造成的影響研究是現(xiàn)今生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點問題。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是全球分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，我國的草地面積約為4×108hm2，約占世界草地面積的12.5%[4]，在維持我國乃至全球的碳平衡方面起著至關(guān)重要的作用。在全球氣候變化下，草地不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的核心要素之一，也是碳交換機制的核心[5]，同時對維持大氣成分、氣候調(diào)節(jié)、防風(fēng)固沙、水土保持及保護(hù)生物多樣性等方面都具有重要的生態(tài)學(xué)價值，在全球碳循環(huán)和氣候變化響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。目前已有大量學(xué)者會陸地生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體通量變化進(jìn)行了相關(guān)研究，沙麗清、蔣延玲以及孫向陽等人[6-8]對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)及溫室氣體排放做了研究，馬小婷等[9]對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放做了相關(guān)研究；袁曉敏以遼河口濱海濕地為研究區(qū)域，研究了CH4排放特征及其影響因素并發(fā)現(xiàn)潮汐和電導(dǎo)率都是影響濕地CH4排放的關(guān)鍵因子[10]。此外大量學(xué)者[11-13]對草地生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系做了相關(guān)研究，并得出不同結(jié)論，表明生態(tài)環(huán)境的變化對主要溫室氣體通量變化的影響較大。萬運帆[14]、王躍思[15]主要針對不同放牧強度對溫室氣體通量的影響做了研究分析，并得出較為一致的結(jié)論，即放牧?xí)?dǎo)致土壤對CH4吸收量降低，同時導(dǎo)致CO2排放量的增加；Mosier[16]、Steudlder[17]對比分析人工干擾對土壤溫室氣體排放量的影響，均發(fā)現(xiàn)施加氮肥能夠降低CH4吸收量。近年來部分地區(qū)由于自然條件惡劣以及人們在對草地的開發(fā)利用過程的不合理行為，導(dǎo)致草地退化嚴(yán)重，造成生產(chǎn)力大幅度下降。草地的沙化退化將嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)的健康發(fā)展，甚至進(jìn)一步影響到社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[18]。面對這一問題，我國長期以來主要采取的草地恢復(fù)措施有休牧輪牧、圍欄封育、以及耕翻、施肥、補播優(yōu)良牧草以及建立人工草地等[19]。因此文章對不同利用方式下的草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行CO2、CH4和N2O這3種主要溫室氣體通量特征及其影響因子的研究，對于全球氣候變化背景下溫室氣體變化具有重要的意義，也是草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究的核心內(nèi)容[20]，并且有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)夭輼I(yè)的綠色發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 試驗區(qū)概況

阿魯科爾沁旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，赤峰市的東北部，地理位置在北緯43°22′01″～45°14′58″，東經(jīng)119°03′37″～121°58′55″，阿魯科爾沁旗地處大興安嶺南段山地東麓，屬典型的大陸型氣候，平均海拔430m，年均氣溫5.5℃，年日照時數(shù)2 760～3 030h，年平均積溫2 900～3 400℃，年均降雨量300～400mm，無霜期95～140d。阿魯科爾沁旗總占地面積為1.43×106hm2，其中草牧場地1.29×106hm2，約占總土地面積的91%（圖1）。其土壤類型主要是栗鈣土和風(fēng)沙土，境內(nèi)草原類型是典型草原，主要植物種類為針茅（Stipacapillata）、糙隱子草（Cleistogenessquarrosa）、羊草（Leymuschinensis）等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖—阿魯科爾沁旗

1.2 試驗設(shè)計

經(jīng)過對實驗站周圍的實地考察后，在阿魯科爾沁旗紹根鎮(zhèn)附近選取3塊具有代表性的不同草地利用類型的實驗樣地，如圖2為實驗區(qū)域內(nèi)的3種不同類型草地的樣地位置及其現(xiàn)場采集的樣地照片，分別為退化的天然草地，其地理位置為（120.50°E,43.55°N）；在阿魯科爾沁旗紹根鎮(zhèn)選取3塊具有代表性的不同草地利用類型的實驗樣地，分別為退化的天然草地，主要物種組成為冷蒿（Artemisia frigida）、二列委陵菜（Potentilla bifurca）、早熟禾（Poa annua）以及苔草（Carex spp）等，其地理位置為（120.50°E,43.55°N）；人工灌溉的放牧人工草地，其主要物種組成為早熟禾（Poa annua）、羽茅（Achnatherum sibiricum）、山野豌豆（Vicia amoena）以及二列委陵菜（Potentilla bifurca）等，其 地 理 位 置 為（120.51°E,43.55°N）；刈割人工草地，其地理位置為（120.42°E,43.55°N），該樣地種植草用燕麥（Avena sativa），一年刈割2次。

圖2 實驗樣地示意圖

2 研究方法

2.1 測定指標(biāo)與方法

溫室氣體的測定利用靜態(tài)箱法在樣地設(shè)立采樣樣點。采樣箱結(jié)構(gòu)分為箱體（0.5m×0.5m×0.35m的不銹鋼板制密封箱，外包白色保溫罩）和基座上下兩部分。箱體與基座連接處裝有密封條，避免箱內(nèi)氣體與外界的交換，每次觀測時，首先將蓋箱安置于底箱上，并在每個采樣箱罩箱0min、10min、20min、30min時取氣體樣品4次，分別用100mL醫(yī)用注射器采集箱內(nèi)氣體500mL；同時使用溫度計記錄每次抽氣時的箱內(nèi)溫度，使用地表溫度測量儀記錄樣點5cm處的地表溫度，在考慮了空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上設(shè)立了3個重復(fù)樣點，取此3個通量值的平均值為代表值。實驗每3d進(jìn)行一次。溫室氣體通量公式為：

式（1）中：F為溫室氣體通量，單位mg/（m2·h），正值表示排放，負(fù)值表示吸收；ΔC/Δt為單位時間內(nèi)測量容器內(nèi)溫室氣體濃度變化量；ρ為標(biāo)準(zhǔn)密度，單位mg/m3；V為測量容器體積，單位m3；A為測量容器底面積，單位m2；P為測量地點大氣壓，單位hPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為1 013hPa；T為測量容器內(nèi)溫度，單位℃。

土壤含水量的測定采用烘干法，測得每個樣點處0～10cm，10～20cm共2個土層的土壤含水量，每3d進(jìn)行一次實驗，與溫室氣體的取樣同步；各養(yǎng)分指標(biāo)的測定主要使用土鉆法進(jìn)行土壤取樣，每個樣點處取0～10cm，10～20cm，20～30cm共3個土層的土樣，帶回實驗室進(jìn)行養(yǎng)分分析，土壤全碳、全磷、全氮含量采用元素分析儀測定法[21]、凱氏定氮法[22]和硫酸—高氯酸消解—鉬銻抗比色法[23]進(jìn)行測定，微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷含量采用硫酸鉀浸提—總有機碳分析儀測定法[24]和硫酸鉀浸提—流動分析儀[24]和氯仿熏蒸—碳酸氫鈉浸提[25]的方法進(jìn)行測定，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[22]進(jìn)行測定，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的測定采用雙波長紫外分光光度校正因數(shù)法[26]和氯化鉀浸提—靛酚藍(lán)比色法測定[26]，土壤有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法[22]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單記錄和處理并制作相關(guān)圖表；利用SPSS22.0統(tǒng)計軟件對溫室氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較分析以及進(jìn)行了溫室氣體通量和各影響因子的雙變量相關(guān)性分析；利用Arc-Map10.2軟件制作研究區(qū)示意圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同利用方式下草地CO2通量對比分析

該實驗在采集氣體時，未去除地表植被，因此CO2的排放量主要來源包括地上部分植被呼吸、根系呼吸和土壤微生物呼吸3個部分。如圖3為不同利用方式下草地的CO2通量，從CO2的季節(jié)通量可以看出3種利用方式下草地的CO2通量在整個生長季均表現(xiàn)為排放，由大到小為刈割人工草地＞放牧人工草地＞天然草地，其中刈割人工草地的CO2排放量為67.00±9.15 mg/（m2·h），顯著高于放牧人工草地35.50±5.37mg/(m2·h）和天然草地30.17±4.57mg/（m2·h）（P＜0.05），主要是由于放牧人工草地和刈割人工草地由于人工灌溉的導(dǎo)致土壤含水量高于天然草地，適宜的水分含量促進(jìn)了土壤微生物呼吸和植物根系的呼吸，因此導(dǎo)致CO2的排放量較高。從CO2的月通量來看，7月份天然草地和放牧人工草地的CO2通量顯著高于刈割人工草地（P＜0.05），而8月和9月刈割人工草地的CO2通量顯著高于天然草地和放牧人工草地（P＜0.05）；此外，天然草地和放牧人工草地在7—9月的CO2通量變化并不顯著，而刈割人工草地在8月和9月的CO2通量顯著高于7月（P＜0.05）。這主要是由于刈割人工草地在7月份處于第一茬作物刈割后第二茬作物未播種的階段，地上植被呼吸和根系呼吸幾乎不存在，導(dǎo)致CO2的排放量較低，隨著7月底作物播種后灌溉量的增加，地上植被呼吸、根系呼吸和土壤微生物呼吸作用急劇增加，導(dǎo)致CO2的排放量迅速增加。

圖3 不同利用方式下草地CO2通量

3.2 不同利用方式下草地CH4通量對比分析

CH4是由土壤中的甲烷菌產(chǎn)生，當(dāng)土壤處于有氧環(huán)境下時，大氣中的CH4通過土壤空隙進(jìn)入土壤中被甲烷氧化菌氧化吸收[27]，而人工草地的灌溉和以及放牧行為會不同程度的影響CH4通量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同利用方式的草地在整個生長季CH4通量均表現(xiàn)為吸收，如圖4所示，3種草地的CH4季節(jié)通量由大到小為刈割人工草地-23.52±4.75 μg/（m2·h）＞天然草地-19.72±4.60 μg/（m2·h）＞放 牧 人 工 草 地-19.10±4.24μg/（m2·h），差異并不顯著，主要是由于人工草地的灌溉是土壤含水量增加，適宜的土壤濕度促進(jìn)了土壤對大氣CH4的吸收，但是當(dāng)土壤含水量過高時，也會削弱CH4的氧化，同時人工草地的大型農(nóng)機械碾壓以及牲畜的踐踏會導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化，孔隙度減小，形成可產(chǎn)生CH4的厭氧微區(qū)。7—9月份不同利用草地的通量變化均不顯著，其中天然草地和刈割人工草地在8月份CH4吸收量達(dá)到最大值分別為-24.85±8.83 μg/（m2·h）和-30.10±10.40μg/（m2·h），而放牧人工草地在8月份CH4吸收量達(dá)到 最 大 值-23.22±5.94 μg/（m2·h），到9月 份CH4吸收量略有下降，但與天然草地和刈割人工草地一樣，均高于7月份的CH4吸收量。

圖4 不同利用方式下草地CH4通量

3.3 不同利用方式下草地N2O通量對比分析

N2O的通量主要受土壤的硝化和反硝化過程影響，圖5為不同利用方式下草地的N2O通量，從N2O的季節(jié)通量可以看出，不同利用方式的草地在整個生長季的N2O通量整體上表現(xiàn)為排放，從大到小依次為：放牧人工草地29.20±8.26 μg/（m2·h）＞刈割人工草地24.23±4.90μg/（m2·h）＞天然草地11.62±5.96μg/（m2·h），但差異并不顯著。放牧人工草地的N2O的排放量相對最大，這主要是由于放牧草地系統(tǒng)中牲畜的排泄物和牲畜踩踏形成的土壤厭氧環(huán)境均會加強土壤的反硝化作用，從而導(dǎo)致N2O的排放量增加[28]，此外刈割人工草地的人工施肥也會一定程度影響N2O的通量。通過N2O的月通量變化可以發(fā)現(xiàn)，在7—9月份天然草地的N2O月排放量均低于放牧人工草地和刈割人工草地，且在9份放牧人工草地的N2O月排放量顯著高于天然草地（P＜0.05），此外3種利用方式下草地的N2O排放量在7月份均為最高。

圖5 不同利用方式下草地的N2O通量

3.4 溫室氣體通量的影響因子分析

利用SPSS 22.0將不同利用方式下草地溫室氣體通量分別與0～20cm的平均土壤含水量、箱內(nèi)溫度以及5cm的地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，樣本個數(shù)為26，得到結(jié)果見表1，可以看出，3種利用方式下草地的CO2排放量與土壤含水量均表現(xiàn)為一定程度的正相關(guān)關(guān)系，其中天然草地的CO2排放量與土壤含水量為顯著正相關(guān)（r=0.482，P＜0.05），這也解釋了放牧人工草地和刈割人工草地CO2排放量均高于天然草地的原因，此外放牧人工草地的CO2排放量與箱內(nèi)溫度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（r=0.441，P＜0.05）；3種利用方式下草地的CH4通量與含水量、箱內(nèi)溫度以及地表溫度并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；3種利用方式下草地N2O通量與箱內(nèi)溫度與地表溫度均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，其中刈割人工草地的N2O的排放量與箱內(nèi)溫度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.464，P＜0.05），且與地表溫度變現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.532，P＜0.01）。

表1 不同利用方式下草地的溫室氣體通量與含水量、溫度的相關(guān)性

利用SPSS 22.0將各溫室氣體通量分別與0～30cm的土壤全碳、全氮、全磷、有機碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，樣本個數(shù)為9，得到結(jié)果見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)CO2的排放量與全碳和全氮含量變現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.817和r=-0.800（P＜0.01），與0～30cm的平均土壤有機碳含量也表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.685，P＜0.01），與土壤有效磷含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.685，P＜0.05），此外還與土壤微生物量磷也表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.669，P＜0.05）。而CH4通量與土壤各養(yǎng)分指標(biāo)并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，N2O通量與土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為r=0.508和r=0.632，但并不顯著，因此，刈割人工草地由于氮肥的施加導(dǎo)致土壤中的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量高于天然草地，進(jìn)而N2O的排放量也高于天然草地。

表2 不同溫室氣體通量與土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

通過對不同草地利用類型溫室氣體通量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，人工草地的建立及放牧補播人工灌溉等人為干預(yù)會不同程度地增加CO2的排放量，通過研究其影響因子發(fā)現(xiàn)，CO2的通量與土壤含水量和溫度呈正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)論與張東[11]等大量學(xué)者的研究結(jié)果一致，因此人工灌溉導(dǎo)致土壤含水量增加，促進(jìn)CO2的排放量，這一結(jié)果表明人工草地的建立和對草地實施補播導(dǎo)致人工草地的根系呼吸作用相對于天然草地較強，此外還與土壤全碳、全氮及有機碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而程功[29]的研究卻發(fā)現(xiàn)在生長季的土壤CO2通量隨著土壤有機質(zhì)含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與土壤硝態(tài)氮、有效磷和微生物量磷也呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，同張東[11]在研究內(nèi)蒙古典型草原的溫室氣體通量時的結(jié)果的一致的，CO2的通量與土壤銨態(tài)氮含量無顯著相關(guān)性。CO2的通量的影響因素較多，而在不同時期其主導(dǎo)影響因素也并不相同，對于其主導(dǎo)影響因素的相關(guān)問題還有待于進(jìn)一步的研究。

3種利用方式的草地CH4通量在整個生長季的差異性并不顯著，但整體上均表現(xiàn)為CH4的匯。放牧人工草地CH4吸收量相對較低，而刈割人工草地的CH4吸收量相對較高，可見放牧行為降低了草地CH4匯的功能，這一結(jié)論同王躍思、郭小偉[13,15]等得出的部分結(jié)論較為一致。CH4通量與土壤含水量和溫度均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，與Duenas[30]在1996年得出的結(jié)論相同，但這一結(jié)論與何興佳[2]在研究混合型草地CH4通量與環(huán)境因素的關(guān)系時得出的結(jié)論相反，雖然CH4通量與環(huán)境因子相關(guān)性不顯著，但CH4通量依舊受土壤含水量以及放牧等因素的共同影響。該研究中CH4通量與土壤各養(yǎng)分指標(biāo)之間均為表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。

3種利用方式的草地N2O通量在整個生長季均表現(xiàn)為排放，其差異性不顯著，但放牧人工草地的N2O的排放量相對較高，再結(jié)合N2O通量與環(huán)境因子的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，溫度是影響N2O的排放的主要因素，這一結(jié)果與周迪[31]在研究不同利用方式對內(nèi)蒙古典型草原的溫室氣體通量的影響時得出的結(jié)論一致，但該研究中N2O通量與土壤含水量并無顯著相關(guān)關(guān)系，而王躍思[15]的研究卻發(fā)現(xiàn)N2O通量與土壤的濕度變化關(guān)系密切，可能是由于不同的草地土壤類型以及植物種類，隨土壤含水量增加而引起的N2O通量的變化程度各不相同[32]，此外人工草地的施肥、放牧行為以及其他人類生產(chǎn)活動因素也會共同影響N2O的排放，這同Mosier[33]在1997年研究開墾耕作時間及撂荒恢復(fù)等條件下N2O排放特征時得出的部分結(jié)論較為相似。

綜上所述，人工草地的建立以及補播放牧等行為對溫室氣體通量變化有著不同程度的影響，在整個生長季，放牧人工草地與刈割人工草地的CO2排放量均高于天然草地，不同程度增強了CO2源的功能；相對于天然草地而言，整個生長季放牧人工草地的CH4吸收量相對較低，而刈割人工草地的CH4吸收量相對較高，可見放牧等人工干預(yù)降低了草地CH4匯的功能，而人工草地的建立一定程度增強了草地CH4匯的功能；退化的天然草地的N2O通量在整個生長季表現(xiàn)最低，因此，合理地進(jìn)行人工干預(yù)將對草地的綠色、高質(zhì)量發(fā)展有著重要的影響。但該研究人力物力不足，樣地設(shè)計過于單一，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)的代表性較差，而且考慮的溫室氣體影響因子也不夠充分，在今后的研究中，將增設(shè)樣地布設(shè)，將實驗設(shè)計進(jìn)一步完善豐富，并針對溫室氣體影響因子進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，從機理層面進(jìn)行更深入的研究分析。