不同利用方式下草地CH4、CO2及N2O通量研究*

张 超，辛晓平，梁庆伟，娜日苏，杨秀芳，包玉海，李 彤，闫瑞瑞※

（1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.赤峰市农牧科学研究院，赤峰 024031；4.中国科学院植物研究所，北京 100093；5.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

全球变暖是当下各国所重视的问题，将会引起一系列问题，如生态系统退化、生物多样性减少、海平面升高、土地荒漠化等问题，直接影响到人类赖以生存的环境及社会的可持续发展[1]。而大气中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）浓度的增加被认为是造成全球气候变化的重要原因[2]，研究表明，CO2、CH4和N2O引起的温室效应占全球总温室效应的近80%[3]。全球气候变化以及其对陆地生态系统碳循环造成的影响研究是现今生态系统研究的热点问题。草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，是全球分布最广的生态系统类型之一，我国的草地面积约为4×108hm2，约占世界草地面积的12.5%[4]，在维持我国乃至全球的碳平衡方面起着至关重要的作用。在全球气候变化下，草地不仅是陆地生态系统碳循环的核心要素之一，也是碳交换机制的核心[5]，同时对维持大气成分、气候调节、防风固沙、水土保持及保护生物多样性等方面都具有重要的生态学价值，在全球碳循环和气候变化响应中发挥重要作用。目前已有大量学者会陆地生态系统的温室气体通量变化进行了相关研究，沙丽清、蒋延玲以及孙向阳等人[6-8]对森林生态系统的碳氮循环及温室气体排放做了研究，马小婷等[9]对农田生态系统的温室气体排放做了相关研究；袁晓敏以辽河口滨海湿地为研究区域，研究了CH4排放特征及其影响因素并发现潮汐和电导率都是影响湿地CH4排放的关键因子[10]。此外大量学者[11-13]对草地生态系统的温室气体排放及其与环境因子之间的关系做了相关研究，并得出不同结论，表明生态环境的变化对主要温室气体通量变化的影响较大。万运帆[14]、王跃思[15]主要针对不同放牧强度对温室气体通量的影响做了研究分析，并得出较为一致的结论，即放牧会导致土壤对CH4吸收量降低，同时导致CO2排放量的增加；Mosier[16]、Steudlder[17]对比分析人工干扰对土壤温室气体排放量的影响，均发现施加氮肥能够降低CH4吸收量。近年来部分地区由于自然条件恶劣以及人们在对草地的开发利用过程的不合理行为，导致草地退化严重，造成生产力大幅度下降。草地的沙化退化将严重影响当地草地畜牧业的健康发展，甚至进一步影响到社会经济的持续稳定发展[18]。面对这一问题，我国长期以来主要采取的草地恢复措施有休牧轮牧、围栏封育、以及耕翻、施肥、补播优良牧草以及建立人工草地等[19]。因此文章对不同利用方式下的草原生态系统进行CO2、CH4和N2O这3种主要温室气体通量特征及其影响因子的研究，对于全球气候变化背景下温室气体变化具有重要的意义，也是草地生态系统碳氮循环研究的核心内容[20]，并且有利于促进当地草业的绿色发展、高质量发展。

1 研究区与数据

1.1 试验区概况

阿鲁科尔沁旗位于内蒙古自治区的中部，赤峰市的东北部，地理位置在北纬43°22′01″～45°14′58″，东经119°03′37″～121°58′55″，阿鲁科尔沁旗地处大兴安岭南段山地东麓，属典型的大陆型气候，平均海拔430m，年均气温5.5℃，年日照时数2 760～3 030h，年平均积温2 900～3 400℃，年均降雨量300～400mm，无霜期95～140d。阿鲁科尔沁旗总占地面积为1.43×106hm2，其中草牧场地1.29×106hm2，约占总土地面积的91%（图1）。其土壤类型主要是栗钙土和风沙土，境内草原类型是典型草原，主要植物种类为针茅（Stipacapillata）、糙隐子草（Cleistogenessquarrosa）、羊草（Leymuschinensis）等。

图1 研究区位置示意图—阿鲁科尔沁旗

1.2 试验设计

经过对实验站周围的实地考察后，在阿鲁科尔沁旗绍根镇附近选取3块具有代表性的不同草地利用类型的实验样地，如图2为实验区域内的3种不同类型草地的样地位置及其现场采集的样地照片，分别为退化的天然草地，其地理位置为（120.50°E,43.55°N）；在阿鲁科尔沁旗绍根镇选取3块具有代表性的不同草地利用类型的实验样地，分别为退化的天然草地，主要物种组成为冷蒿（Artemisia frigida）、二列委陵菜（Potentilla bifurca）、早熟禾（Poa annua）以及苔草（Carex spp）等，其地理位置为（120.50°E,43.55°N）；人工灌溉的放牧人工草地，其主要物种组成为早熟禾（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 为（120.51°E,43.55°N）；刈割人工草地，其地理位置为（120.42°E,43.55°N），该样地种植草用燕麦（Avena sativa），一年刈割2次。

图2 实验样地示意图

2 研究方法

2.1 测定指标与方法

温室气体的测定利用静态箱法在样地设立采样样点。采样箱结构分为箱体（0.5m×0.5m×0.35m的不锈钢板制密封箱，外包白色保温罩）和基座上下两部分。箱体与基座连接处装有密封条，避免箱内气体与外界的交换，每次观测时，首先将盖箱安置于底箱上，并在每个采样箱罩箱0min、10min、20min、30min时取气体样品4次，分别用100mL医用注射器采集箱内气体500mL；同时使用温度计记录每次抽气时的箱内温度，使用地表温度测量仪记录样点5cm处的地表温度，在考虑了空间异质性的基础上设立了3个重复样点，取此3个通量值的平均值为代表值。实验每3d进行一次。温室气体通量公式为：

式（1）中：F为温室气体通量，单位mg/（m2·h），正值表示排放，负值表示吸收；ΔC/Δt为单位时间内测量容器内温室气体浓度变化量；ρ为标准密度，单位mg/m3；V为测量容器体积，单位m3；A为测量容器底面积，单位m2；P为测量地点大气压，单位hPa；P0为标准大气压，为1 013hPa；T为测量容器内温度，单位℃。

土壤含水量的测定采用烘干法，测得每个样点处0～10cm，10～20cm共2个土层的土壤含水量，每3d进行一次实验，与温室气体的取样同步；各养分指标的测定主要使用土钻法进行土壤取样，每个样点处取0～10cm，10～20cm，20～30cm共3个土层的土样，带回实验室进行养分分析，土壤全碳、全磷、全氮含量采用元素分析仪测定法[21]、凯氏定氮法[22]和硫酸—高氯酸消解—钼锑抗比色法[23]进行测定，微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷含量采用硫酸钾浸提—总有机碳分析仪测定法[24]和硫酸钾浸提—流动分析仪[24]和氯仿熏蒸—碳酸氢钠浸提[25]的方法进行测定，土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法—外加热法[22]进行测定，土壤硝态氮、铵态氮含量的测定采用双波长紫外分光光度校正因数法[26]和氯化钾浸提—靛酚蓝比色法测定[26]，土壤有效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[22]。

2.2 数据处理

应用Excel 2010软件对所得数据进行简单记录和处理并制作相关图表；利用SPSS22.0统计软件对温室气体数据进行多重比较分析以及进行了温室气体通量和各影响因子的双变量相关性分析；利用Arc-Map10.2软件制作研究区示意图。

3 结果与分析

3.1 不同利用方式下草地CO2通量对比分析

该实验在采集气体时，未去除地表植被，因此CO2的排放量主要来源包括地上部分植被呼吸、根系呼吸和土壤微生物呼吸3个部分。如图3为不同利用方式下草地的CO2通量，从CO2的季节通量可以看出3种利用方式下草地的CO2通量在整个生长季均表现为排放，由大到小为刈割人工草地＞放牧人工草地＞天然草地，其中刈割人工草地的CO2排放量为67.00±9.15 mg/（m2·h），显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导致土壤含水量高于天然草地，适宜的水分含量促进了土壤微生物呼吸和植物根系的呼吸，因此导致CO2的排放量较高。从CO2的月通量来看，7月份天然草地和放牧人工草地的CO2通量显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通量显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通量变化并不显著，而刈割人工草地在8月和9月的CO2通量显著高于7月（P＜0.05）。这主要是由于刈割人工草地在7月份处于第一茬作物刈割后第二茬作物未播种的阶段，地上植被呼吸和根系呼吸几乎不存在，导致CO2的排放量较低，随着7月底作物播种后灌溉量的增加，地上植被呼吸、根系呼吸和土壤微生物呼吸作用急剧增加，导致CO2的排放量迅速增加。

图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通量对比分析

CH4是由土壤中的甲烷菌产生，当土壤处于有氧环境下时，大气中的CH4通过土壤空隙进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为会不同程度的影响CH4通量，结果发现不同利用方式的草地在整个生长季CH4通量均表现为吸收，如图4所示，3种草地的CH4季节通量由大到小为刈割人工草地-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），差异并不显著，主要是由于人工草地的灌溉是土壤含水量增加，适宜的土壤湿度促进了土壤对大气CH4的吸收，但是当土壤含水量过高时，也会削弱CH4的氧化，同时人工草地的大型农机械碾压以及牲畜的践踏会导致土壤物理性质发生变化，孔隙度减小，形成可产生CH4的厌氧微区。7—9月份不同利用草地的通量变化均不显著，其中天然草地和刈割人工草地在8月份CH4吸收量达到最大值分别为-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吸收量达到 最 大 值-23.22±5.94 μg/（m2·h），到9月 份CH4吸收量略有下降，但与天然草地和刈割人工草地一样，均高于7月份的CH4吸收量。

图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通量对比分析

N2O的通量主要受土壤的硝化和反硝化过程影响，图5为不同利用方式下草地的N2O通量，从N2O的季节通量可以看出，不同利用方式的草地在整个生长季的N2O通量整体上表现为排放，从大到小依次为：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），但差异并不显著。放牧人工草地的N2O的排放量相对最大，这主要是由于放牧草地系统中牲畜的排泄物和牲畜踩踏形成的土壤厌氧环境均会加强土壤的反硝化作用，从而导致N2O的排放量增加[28]，此外刈割人工草地的人工施肥也会一定程度影响N2O的通量。通过N2O的月通量变化可以发现，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月排放量显著高于天然草地（P＜0.05），此外3种利用方式下草地的N2O排放量在7月份均为最高。

图5 不同利用方式下草地的N2O通量

3.4 温室气体通量的影响因子分析

利用SPSS 22.0将不同利用方式下草地温室气体通量分别与0～20cm的平均土壤含水量、箱内温度以及5cm的地表温度进行相关性分析，样本个数为26，得到结果见表1，可以看出，3种利用方式下草地的CO2排放量与土壤含水量均表现为一定程度的正相关关系，其中天然草地的CO2排放量与土壤含水量为显著正相关（r=0.482，P＜0.05），这也解释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排放量与箱内温度表现为显著正相关（r=0.441，P＜0.05）；3种利用方式下草地的CH4通量与含水量、箱内温度以及地表温度并未表现出显著的相关性；3种利用方式下草地N2O通量与箱内温度与地表温度均表现出正相关关系，其中刈割人工草地的N2O的排放量与箱内温度表现为显著正相关关系（r=0.464，P＜0.05），且与地表温度变现为极显著的正相关关系（r=0.532，P＜0.01）。

表1 不同利用方式下草地的温室气体通量与含水量、温度的相关性

利用SPSS 22.0将各温室气体通量分别与0～30cm的土壤全碳、全氮、全磷、有机碳、硝态氮、铵态氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷指标进行相关性分析，样本个数为9，得到结果见表2。可以发现CO2的排放量与全碳和全氮含量变现为极显著的负相关关系，相关系数分别为r=-0.817和r=-0.800（P＜0.01），与0～30cm的平均土壤有机碳含量也表现为极显著的负相关关系（r=-0.685，P＜0.01），与土壤有效磷含量表现为显著正相关关系（r=0.685，P＜0.05），此外还与土壤微生物量磷也表现出显著正相关关系（r=0.669，P＜0.05）。而CH4通量与土壤各养分指标并未表现出显著的相关性，N2O通量与土壤硝态氮和铵态氮含量呈现出正相关关系，相关系数分别为r=0.508和r=0.632，但并不显著，因此，刈割人工草地由于氮肥的施加导致土壤中的土壤硝态氮和铵态氮含量高于天然草地，进而N2O的排放量也高于天然草地。

表2 不同温室气体通量与土壤养分指标的相关性

4 结论与讨论

通过对不同草地利用类型温室气体通量进行研究发现，人工草地的建立及放牧补播人工灌溉等人为干预会不同程度地增加CO2的排放量，通过研究其影响因子发现，CO2的通量与土壤含水量和温度呈正相关关系，这一结论与张东[11]等大量学者的研究结果一致，因此人工灌溉导致土壤含水量增加，促进CO2的排放量，这一结果表明人工草地的建立和对草地实施补播导致人工草地的根系呼吸作用相对于天然草地较强，此外还与土壤全碳、全氮及有机碳含量呈显著负相关关系，而程功[29]的研究却发现在生长季的土壤CO2通量随着土壤有机质含量呈极显著的正相关关系，与土壤硝态氮、有效磷和微生物量磷也呈现出显著正相关关系，同张东[11]在研究内蒙古典型草原的温室气体通量时的结果的一致的，CO2的通量与土壤铵态氮含量无显著相关性。CO2的通量的影响因素较多，而在不同时期其主导影响因素也并不相同，对于其主导影响因素的相关问题还有待于进一步的研究。

3种利用方式的草地CH4通量在整个生长季的差异性并不显著，但整体上均表现为CH4的汇。放牧人工草地CH4吸收量相对较低，而刈割人工草地的CH4吸收量相对较高，可见放牧行为降低了草地CH4汇的功能，这一结论同王跃思、郭小伟[13,15]等得出的部分结论较为一致。CH4通量与土壤含水量和温度均未表现出显著的相关关系，与Duenas[30]在1996年得出的结论相同，但这一结论与何兴佳[2]在研究混合型草地CH4通量与环境因素的关系时得出的结论相反，虽然CH4通量与环境因子相关性不显著，但CH4通量依旧受土壤含水量以及放牧等因素的共同影响。该研究中CH4通量与土壤各养分指标之间均为表现出显著的相关关系。

3种利用方式的草地N2O通量在整个生长季均表现为排放，其差异性不显著，但放牧人工草地的N2O的排放量相对较高，再结合N2O通量与环境因子的相关性发现，温度是影响N2O的排放的主要因素，这一结果与周迪[31]在研究不同利用方式对内蒙古典型草原的温室气体通量的影响时得出的结论一致，但该研究中N2O通量与土壤含水量并无显著相关关系，而王跃思[15]的研究却发现N2O通量与土壤的湿度变化关系密切，可能是由于不同的草地土壤类型以及植物种类，随土壤含水量增加而引起的N2O通量的变化程度各不相同[32]，此外人工草地的施肥、放牧行为以及其他人类生产活动因素也会共同影响N2O的排放，这同Mosier[33]在1997年研究开垦耕作时间及撂荒恢复等条件下N2O排放特征时得出的部分结论较为相似。

综上所述，人工草地的建立以及补播放牧等行为对温室气体通量变化有着不同程度的影响，在整个生长季，放牧人工草地与刈割人工草地的CO2排放量均高于天然草地，不同程度增强了CO2源的功能；相对于天然草地而言，整个生长季放牧人工草地的CH4吸收量相对较低，而刈割人工草地的CH4吸收量相对较高，可见放牧等人工干预降低了草地CH4汇的功能，而人工草地的建立一定程度增强了草地CH4汇的功能；退化的天然草地的N2O通量在整个生长季表现最低，因此，合理地进行人工干预将对草地的绿色、高质量发展有着重要的影响。但该研究人力物力不足，样地设计过于单一，导致部分数据的代表性较差，而且考虑的温室气体影响因子也不够充分，在今后的研究中，将增设样地布设，将实验设计进一步完善丰富，并针对温室气体影响因子进行全面系统的分析，从机理层面进行更深入的研究分析。