刈割对晋西北赖草草地温室气体通量的影响

李 超，常 馨，闫卫东，董宽虎

(山西农业大学草业学院，山西 太谷 030801)

目前人类面临的最严峻的气候和环境变化问题是全球变暖，导致全球变暖的主要因素为大气中温室气体浓度的增加[1]。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是大气中具有增温辐射效应的3种重要的温室气体[2]，影响温室气体排放的因素主要包括环境、生物和管理因素[3]。草地是温室气体重要的源和汇，对大气中温室气体的浓度变化有直接影响。刈割作为草地最主要的利用方式之一，能够提供新鲜牧草及冬春饲草，同时不可避免地对草地造成了一定的干扰[4-5]。刈割影响牧草株高、粗蛋白质、中性和酸性洗涤纤维等形态特征和营养价值[6-8]，对植物群落的物种多样性、组成结构及生物量造成影响[9-13]。刈割移除部分绿色植物，使得凋落物和立枯物减少，影响土壤养分循环、土壤微生物活性和土壤理化性质[4,9]，进而影响土壤和大气间温室气体通量[14]。

晋西北地区是我国北方农牧交错带重要的组成部分[15-16]，是由传统农区向牧区转变的过渡地带[17]。该地区对于干旱干扰极端敏感[18]，加之其他变化的影响，使得该地区生态系统脆弱、生态问题日益突出。因此，本研究以晋西北农牧交错带赖草(Leymussecalinus)草地为研究对象，采用静态箱/气相色谱(GC)法测定2017年5月—2018年9月生长季及非生长季不同刈割强度下草地3种温室气体CO2，CH4和N2O通量的季节动态，以探究不同刈割强度下晋西北赖草草地CO2，CH4和N2O的源和汇及季节通量规律和不同刈割强度对3种温室气体通量影响的差异以及不同刈割强度下草地CO2，CH4和N2O通量与主要环境因子的关系。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究试验期为2017年5月至2018年9月，试验地为山西农业大学农牧交错带(右玉)草地生态系统野外观测研究站，位于山西省右玉县(39°59′17.0″ N，112°19′17.6″ E，海拔1 400 m)，地处晋西北边陲，年平均气温4.1℃，年均降水量达427.3 mm(1957—2016年)[19]。试验地优势种为赖草(Leymussecalinus)、碱茅(Puccinelliatenuiflora)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)等，土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties of the experimental field

1.2 试验设计

选择一块地势相对平坦、植被分布均匀的草地作为试验地，采用随机区组试验设计，设置4个处理：不刈割(NM)、轻度刈割(LM，留茬10 cm)、中度刈割(MM，留茬5 cm)和重度刈割(HM，留茬2 cm)，4次重复，共16个小区，小区面积为24 m2(12 m×2 m)，相邻小区间缓冲带为1 m。

于2016年—2018年8月中下旬进行不同刈割强度处理，刈割频度为一年1次，移除刈割的地上植被。

1.3 主要环境因子的测定

使用小型气象站对试验地2017年5月—2018年9月的气象数据进行收集，包括空气温度(℃)和降水量(mm)。

温室气体采集的同时，测定0～10 cm土层的土壤温度(℃)和土壤体积含水量(V/V，%)。

1.4 温室气体通量的测定

三种温室气体(CO2，CH4，N2O)通量的测定采用静态箱/气相色谱(GC)法。在每个小区选择相同位置的1个固定样方进行测定，生长季(5—9月份)每月测定1～2次，2017年10，12月份每月测定1次，2018年3，4月份每月测定5～6次，采样时间为上午9：00—11：00。采样装置由40 cm×40 cm×25 cm的静态箱及40 cm×40 cm×10 cm的固定底座组成，材质均为不锈钢，箱体外包有隔热材料，底座于试验开始前永久插入土中，其上安装有凹槽。采样前将水注入凹槽内以保证采样时的密闭性，将箱体放置于凹槽上，于0 min，10 min，20 min，30 min各进行一次采样，每次采样结束后，共有64个气体样品，每个样品100 mL，暂存于气袋内。采用气相色谱仪(Aglient Technologies 7890B)测定气体样品中CO2，CH4，N2O浓度，配备的氢火焰离子检测器测定CO2和CH4，电子捕获检测器测定N2O[20]。

温室气体通量的计算公式为：

式中，F表示三种温室气体CO2，CH4，N2O的通量，单位分别为mg·m-2·h-1，μg·m-2·h-1和μg·m-2·h-1；dc/dt表示观测时间内箱内温室气体浓度的变化；H表示箱体高度；M表示三种温室气体摩尔质量；P表示大气压强，R为气体常数，T为采样时箱内气温。通量为正值表示排放，负值表示吸收[21]。

1.5 数据处理分析

使用Excel 2019整理数据，SPSS 23.0(IBM Chicago,USA)进行方差分析和线/非线性拟合。比较各取样日期不同刈割强度下草地温室气体通量的差异采用重复测量方差分析，不同刈割强度间通量差异比较采用单因素方差分析，温室气体通量与主要环境因子之间的关系采用线性或者指数模型拟合。统计显著水平P= 0.05。

2 结果与分析

2.1 测定期间的主要环境因子

观测期内试验地日降水量、日均温表现出明显的季节动态(图1)。2017年生长季(5—9月)日均温为17.5℃，累计降水量为282 mm，降水主要集中在7—8月份，占该年生长季的61.6%。2018年生长季(5—9月)日均温较2017年降低3.4%，累计降水量增加63.4%。2017年10月至2018年4月非生长季期间，日均温为—3.1℃，累计降水量为85.2 mm，降水主要集中在10月份，占非生长季的74.6%。

不同刈割强度下，土壤温度和土壤体积含水量(0～10 cm)随季节的变化基本一致(图2)。各处理间土壤体积含水量无显著差异，土壤温度在两次观测中(2017年9月23日和2018年8月20日)差异显著(P<0.05)。

图1 晋西北赖草草地2017年5月—2018年9月日均温和日降水量Fig.1 Average daily temperature and daily precipitation during May,2017-September,2018 in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province

图2 不同刈割强度下晋西北赖草草地2017年5—12月份及2018年3—9月份土壤温度(a)和2017年5—10月份及2018年4—9月份土壤体积含水量(b)(0～10 cm)(平均值±标准误)Fig.2 Soil temperature (a) of May-December,2017 and March-September,2018 and volumetric soil water content (b) of May-October,2017 and April-September,2018 (0～10 cm) in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province under different mowing-intensity treatment(mean±SE)注：*表示处理间差异显著(P<0.05)。NM，不刈割；LM，轻度刈割；MM，中度刈割；HM，重度刈割。下同Note:* indicates significant difference between treatments (P<0.05). NM,no-mowing;LM,light-mowing;MM,moderate-mowing;HM,heavy-mowing. The same as below

2.2 不同刈割强度下草地CO2，CH4和N2O通量的季节动态

观测期内不同刈割强度下，CO2，CH4和N2O通量均表现出相似的季节动态，各处理下草地均表现为大气CH4的汇、CO2和N2O的源(图3)。

2017和2018年生长季CO2排放季节动态均呈单峰型，分别于7月17日和7月23日达到峰值，其区间分别为595.88～756.99 mg·m-2·h-1和814.32～969.92 mg·m-2·h-1；非生长季CO2通量先降低后升高，通量区间为12.26～350.52 mg·m-2·h-1。

2017年5月19日至6月3日，所有处理下CH4吸收量均较大幅度地减少，吸收量从35.40～40.32 μg·m-2·h-1减少到2.33～8.59 μg·m-2·h-1，此后趋于平稳；2018年生长季，CH4吸收在重度刈割下表现出两个较明显的吸收峰，分别出现于7月9日和8月20日，吸收峰值分别为72.69，46.87 μg·m-2·h-1；非生长季CH4吸收量变化区间为1.51～27.40 μg·m-2·h-1。

N2O通量变化在2017年生长季呈双峰型，第一个峰出现在6月26日，峰值区间为28.45～36.26 μg·m-2·h-1，第二个峰出现在8月24日，峰值区间为32.47～55.10 μg·m-2·h-1；2018年生长季，不刈割、轻度刈割和重度刈割下N2O于6月6日出现通量峰值，依次为33.44，42.29和30.81 μg·m-2·h-1；非生长季N2O通量变化区间为0.76～16.37 μg·m-2·h-1。

图3 2017年5—12月份及2018年3—9月份不同刈割强度下晋西北赖草草地CO2(a),CH4(b)和N2O(c)通量(平均值±标准误)Fig.3 CO2(a),CH4 (b) and N2O (c) fluxes of May-December,2017 and March-September,2018 in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province under different mowing-intensity treatment(mean±SE)

2.3 不同刈割强度对草地CO2，CH4和N2O通量的影响

2017，2018年生长季不同取样日期对3种温室气体通量的影响有极显著差异(P<0.001)；非生长季不同取样日期对CO2，N2O通量的影响有极显著差异(P<0.001)，但对CH4通量的影响无显著差异。

生长季、非生长季不同刈割强度下草地CO2平均通量无显著差异，CO2通量在2017年生长季、2018年生长季及非生长季的平均值分别为435.87，411.99和64.06 mg·m-2·h-1。

2017年生长季各处理CH4平均通量差异不显著；2018年生长季各处理CH4平均吸收量比较：轻度刈割(LM)>重度刈割(HM)>中度刈割(MM)>不刈割(NM)，不刈割与中度刈割处理间CH4平均通量无显著差异，二者均与其余刈割处理有显著差异(P<0.05)，轻、重度刈割处理之间CH4通量无显著差异；非生长季中度刈割CH4通量显著高于不刈割(P<0.05)，其余处理间通量无显著差异；2018年生长季不同处理与取样日期间有极显著的交互作用(P<0.001)。

2018年生长季中度刈割下N2O平均通量为5.11 μg·m-2·h-1，显著低于不刈割及重度刈割(P<0.05)且不同处理与取样日期间有极显著的交互作用(P<0.001)(表2、图4)。

表2 不同刈割强度处理(T)和取样日期(D)对晋西北赖草草地2017，2018年生长季及非生长季CO2,CH4和N2O通量影响的重复测量方差分析结果Table 2 Results of repeated-measures ANOVA for the effects of different mowing-intensity treatment,sampling date and their interactions on CO2,CH4 and N2O fluxes in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province during the growing season and non-growing season of 2017 and 2018

图4 不同刈割强度下晋西北赖草草地2017，2018年生长季及非生长季CO2(a-c),CH4(d-f)和N2O(g-i)平均通量(平均值±标准误)Fig.4 Mean fluxes of CO2(a-c),CH4(d-f) and N2O(g-i) under different mowing-intensity treatment in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province during the growing season and non-growing season of 2017 and 2018 (mean±SE)注：不同小写字母表示处理间存在显著差异(P<0.05)Note:Different lowercase letter indicates significant difference among treatment at the 0.05 level

2.4 温室气体通量与主要环境因子的关系

如图5所示，试验期间不同刈割强度草地0～10 cm土层土壤温度与CO2通量均呈极显著正相关(P<0.001)，CO2通量随着土壤温度的升高呈指数增长。不刈割、轻度刈割和重度刈割3个刈割强度下草地0～10 cm土层土壤体积含水量与CO2通量呈极显著线性相关(P<0.01)。不刈割和轻度刈割草地CH4通量与土壤温度呈极显著指数相关(P<0.01)。4种刈割强度草地N2O通量与土壤温度呈极显著指数相关(P<0.01)；与CO2通量呈极显著线性正相关(P<0.01)。

图5 CO2(a，b)，CH4(c)和N2O(d，e)通量与主要环境因子的拟合Fig.5 Fitting of CO2(a,b),CH4(c) and N2O(d,e) fluxes with major environmental factors

3 讨论

3.1 不同刈割强度对草地温室气体通量的影响

本研究结果表明不同刈割强度对草地CO2排放通量影响差异不显著，可能是因为刈割暂没有影响土壤平均温、湿度，进而没有影响土壤通气状况及释放的CO2。

2018年生长季刈割强度过高或过低均能促进CH4的吸收，造成该结果的原因可能是经过刈割效应的累积，刈割强度过低，即留茬过高时，凋落物和立枯物较多，致使土壤中可利用的养分过多，微生物活性较大，因此促进了CH4的吸收。重度刈割促进CH4的吸收可能与过度刈割导致群落物种组成改变有关，需要进一步探究。

2018年生长季中度刈割下N2O通量显著低于不刈割及重度刈割，可能是由于中度刈割改变了诸如微生物分解底物等其他土壤理化性质，有待探讨。2018年生长季N2O平均排放通量为8.36 μg·m-2·h-1，极显著低于2017年20.57 μg·m-2·h-1。造成该现象的原因可能是2018年生长季累计降水量高于2017年，导致土壤温度降低，微生物活性降低[22]，参与土壤硝化、反硝化过程速率降低，最终导致N2O排放通量降低。

3.2 不同刈割强度下草地温室气体通量与主要环境因子的关系

土壤温、湿度可通过影响植物根系呼吸、氧化还原电位、土壤透气性、土壤微生物活性等间接影响土壤CO2通量[23]。本试验发现，晋西北赖草草地在不同刈割强度下CO2通量与土壤温度(0～10 cm)均呈极显著指数相关，且土温可解释50%～70%的CO2通量季节变异，土壤温度在生长季与非生长季的交替过程中发生周期性的变化，土壤温度季节性升高使得植物的根系呼吸作用加强、土壤微生物活性增强，进而增加土壤CO2排放通量。耿会立[1]对内蒙古温带半干旱草原生态系统进行研究，结果表明CO2通量与地温的相关性达到了显著性水平；何方杰等[24]在高寒草地、沼泽化草甸和高寒沼泽的研究结果均表明CO2通量与土壤温度呈极显著正相关；Zhu等[25]使用指数模型描述青藏高原高寒草甸生长季期间CO2通量与土壤温度的关系。以上结果均与本试验结果一致。不刈割、轻度刈割和重度刈割下晋西北赖草草地CO2通量与土壤体积含水量(0～10 cm)均呈极显著线性正相关，土壤体积含水量随着季节性降水量的变化而变化，可能短期内存在一定的激发效应[26]，使得草地CO2通量增大。

土壤温、湿度是影响土壤甲烷氧化的重要环境因子[27-29]。本试验中4种刈割处理下CH4吸收通量与土壤水分均无显著相关关系，而不刈割及轻度刈割下CH4吸收通量与土壤温度呈极显著指数相关，可能是由于不刈割及轻度刈割下移除的地上植被较少，直接裸露的地表面积相对较小，土壤温度由于微环境的存在使得其受外界影响较小，其波动范围低于与CH4产生过程相关的微生物的最适温度。旦增塔庆等[30]对比研究西藏纳木错高寒草原、高寒草甸和沼泽化草甸CH4通量与环境因子关系，其结果与本试验结果不同，可能是不同草地类型下影响CH4通量的限制因子不同。CH4吸收通量与CO2，N2O通量无显著相关性，耿远波等[31]研究结果与本试验结果一致。

N2O的产生与土壤硝化、反硝化过程相关，有研究结果表明影响N2O排放通量的因子包括土壤温度、土壤水分、微生物量和pH等土壤理化性质[32]。本试验结果中N2O排放通量与10 cm地温有极显著的正相关性，与土壤水分无显著相关关系，可能由于试验期间的土壤温度未达到参与土壤硝化、反硝化过程的微生物的最适温度[33]，土壤N2O的产生随着土壤温度的升高而增加，而由于特殊的降水年份，土壤湿度不是影响土壤N2O通量的限制因子。Lukas等[34]在欧洲中部草地试验得出N2O通量与土壤温度呈正相关关系的研究结论，与本试验结论一致。魏达等[33]对高寒草原温室气体通量与环境间关系的分析发现N2O通量与温度不存在显著的线性关系，但与土壤湿度相关性较高，与本研究结果不一致，可能是本试验地与青藏高原纳木错综合环境因子的差异所导致。N2O通量与CO2排放通量具有极显著的线性相关关系，说明二者的产生及排放过程可能存在某种联系，有待进一步探究。J.Holst等[35]在内蒙古草原冻融期的研究结果、耿远波等[31]得出草原土壤CO2通量与N2O通量呈显著正相关、Groffman等[36]研究发现在湿润条件下，土壤N2O和CO2排放有显著相关性，均与本研究结果一致。

4 结论

晋西北赖草草地3种温室气体(CO2，CH4，N2O)通量具有明显的季节动态，其生长季通量大于非生长季通量。经过刈割效应的累积后，CH4和N2O通量对于不同的刈割强度响应不同，综合比较，中度刈割下草地CH4吸收通量较低，N2O排放通量最低。因此，短期内的草地利用强度考虑采用中度刈割以减少温室气体的排放。