劉 陽(yáng)，孫 義，顏才玉，張 濤，袁 航，侯扶江

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第4次評(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)，21世紀(jì)末，全球平均氣溫將升高1.8～4.4 ℃[1]。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)CO2、CH4等溫室氣體的管理已成為諸多學(xué)科的研究熱點(diǎn)，也是草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究最核心的內(nèi)容之一[2-5]。草地是分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起重要作用[6-7]。高海拔和高緯度生態(tài)系統(tǒng)對(duì)溫度升高的響應(yīng)可能更為敏感和迅速[8-9]。青藏高原是世界最獨(dú)特的生態(tài)地理單元之一，在全球氣候變化中扮演重要角色[10]。高寒草甸是青藏高原面積最大的植被類(lèi)型，占區(qū)域土地面積的46.4%，占該區(qū)農(nóng)用土地的82.3%，主要以放牧為主要利用方式[11-14]，家畜通過(guò)采食、踐踏和排泄物影響高寒生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[15]。全球動(dòng)物糞便排放的CH4約占人為CH4排放總量的5.5%～8.0%[16]，排放的N2O大約占全球N2O排放總量的7.0%[17]。中國(guó)是動(dòng)物生產(chǎn)大國(guó)，2003年畜禽共產(chǎn)生31.90億t糞便，是工業(yè)固體廢物的3.2倍，而且在迅速增加之中。

目前，草地溫室氣體排放普遍受到關(guān)注[5，18-20]，但是放牧與溫室氣體排放的關(guān)系較不確定，尤其缺少青藏高原家畜放牧與溫室氣體排放的報(bào)道。為此研究高寒草甸CO2和CH4排放的季節(jié)動(dòng)態(tài)，分析放牧率與羊糞對(duì)于溫室氣體排放的影響，可為改進(jìn)藏羊放牧系統(tǒng)的碳匯管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于甘肅省瑪曲縣阿孜畜牧科技示范園，地理坐標(biāo)35°58′ N，101°53′ E，海拔3 650 m左右。年均氣溫1.2 ℃，1月平均氣溫-10 ℃，7月平均氣溫11.7 ℃，年日照時(shí)數(shù)約2 580 h，年平均霜日大于270 d，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，只有冷暖季之分。年均降水量約620 mm，主要集中在5-9月；主要植被類(lèi)型為高寒草甸[21-22]。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1放牧試驗(yàn) 在地勢(shì)較為平緩、植被典型地段建立放牧試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)小區(qū)放牧8只體況較為一致的6月齡左右藏系公綿羊。暖季7―9月放牧，冷季10―12月放牧。輪牧周期30 d，放牧期10 d。設(shè)置8和16 羊·hm-2兩個(gè)放牧率，6次重復(fù)。

1.2.2溫室氣體測(cè)定 在每個(gè)放牧小區(qū)設(shè)置2組40 cm×40 cm樣點(diǎn)，每組含相鄰的2個(gè)樣點(diǎn)。在放牧結(jié)束時(shí)，針對(duì)每組樣點(diǎn)，先將其中一個(gè)樣點(diǎn)的羊糞撿拾干凈，均勻分布到另一個(gè)樣點(diǎn)中，形成有羊糞和無(wú)羊糞各一個(gè)樣方。用靜態(tài)箱法分別在12月(枯黃季)、5月(返青季)、7月(生長(zhǎng)旺季)測(cè)定CH4和CO2交換量[23-27]。根據(jù)2年的觀測(cè)，研究區(qū)每天09:30―10:30、16:00―17:00的甲烷和二氧化碳通量值能夠代表日平均值，故在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)定，連續(xù)觀測(cè)7 d，計(jì)算期間CH4和CO2通量值。

同時(shí)，沿每放牧小區(qū)對(duì)角線隨機(jī)設(shè)置10個(gè)1 m×1 m樣方，分別收集其中羊糞，105 ℃烘至質(zhì)量恒定，稱(chēng)量。計(jì)算整個(gè)放牧小區(qū)的羊糞總量和單位面積的羊糞質(zhì)量。

年交換通量為各季節(jié)通量對(duì)時(shí)間的積分。

1.3數(shù)據(jù)分析 用Microsoft Excel進(jìn)行圖形制作，SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1CH4排放動(dòng)態(tài) 放牧的高寒草甸有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)各個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)為CH4的匯，返青季CH4日均吸收量最高(圖1)。放牧較輕的樣地(8羊·hm-2)，季節(jié)之間CH4日均吸收量差異顯著，有羊糞樣點(diǎn)返青季分別是枯黃季和生長(zhǎng)旺季的10.7和2.2倍，無(wú)羊糞樣點(diǎn)則分別是7.2和2.1倍(P<0.05)。放牧較重的樣地(16羊·hm-2)CH4日均吸量，在有羊糞樣點(diǎn)，枯黃季與生長(zhǎng)旺季差異不顯著(P>0.05)，但分別顯著低于返青季71.1%和63.1%；無(wú)羊糞的樣點(diǎn)，枯黃季與返青季差異不顯著，均顯著高于生長(zhǎng)旺季8.1倍。

枯黃季，重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CH4吸收分別是輕牧小區(qū)的2.1倍(P>0.05)和4.1倍(P<0.05)。返青季，重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CH4日均吸收通量比輕牧小區(qū)分別低30.4%(P>0.05)和31.3%(P<0.05)。生長(zhǎng)旺季，輕牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CH4日均吸收量分別是重牧小區(qū)的1.7和6.2倍。

圖1 高寒草甸CH4通量Fig.1 CH4 flux in alpine meadow with different stocking rates of Tibetan sheep in different seasons

有羊糞樣點(diǎn)枯黃季，CH4日均吸收量在輕牧小區(qū)和重牧小區(qū)分別比無(wú)羊糞樣點(diǎn)減少23.0%和66.1%，羊糞有削弱高寒草甸吸收CH4能力的趨勢(shì)，但差異不顯著(P>0.05)(圖1)。返青季，輕牧小區(qū)和重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)的CH4吸收能力分別比無(wú)羊糞樣點(diǎn)高15.1%(P<0.05)和16.4%，生長(zhǎng)季輕牧小區(qū)和重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)的CH4吸收能力比無(wú)羊糞樣點(diǎn)分別高10.3%和192.9%(P>0.05)，這兩個(gè)季節(jié)羊糞有促進(jìn)高寒草甸吸收CH4的趨勢(shì)(圖1)。

全年CH4吸收量，在輕牧區(qū)，有羊糞樣點(diǎn)比無(wú)羊糞樣點(diǎn)高9.1%；在重牧區(qū)，有羊糞樣點(diǎn)比無(wú)羊糞樣點(diǎn)低17.9%(表1)。適度放牧可以增強(qiáng)高寒草甸吸收CH4的能力。

2.2CO2排放動(dòng)態(tài) 放牧的高寒草甸有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)各個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)為CO2的源，生長(zhǎng)旺季CO2日均排放量最高，牧草枯黃的冬季最低，差異顯著(P<0.05)(圖2)。放牧較輕區(qū)域，有羊糞的樣點(diǎn)在生長(zhǎng)旺季的CO2排放速度分別是枯黃季和返青季的16.7和1.9倍，無(wú)羊糞的樣點(diǎn)分別為36.2和1.7倍。放牧較重的區(qū)域，有羊糞的樣點(diǎn)在枯黃季和返青季的CO2排放速度分別是生長(zhǎng)季的5.8%和43.6%，無(wú)羊糞的樣點(diǎn)則分別為5.9%和41.8%。

表1 高寒草甸溫室氣體年通量Table 1 Annual flux of greenhouse gases in alpine meadow

枯黃季，重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CO2日均排放量分別是輕牧小區(qū)的1.3倍和2.9倍。返青季，重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)的CO2日均排放通量比輕牧小區(qū)高4.8%，無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CO2日均排放通量比輕牧小區(qū)低14.7%；但上述差異均不顯著(P>0.05)。生長(zhǎng)季，重牧小區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)的CO2日均排放通量分別是輕牧小區(qū)的1.3和1.4倍(P<0.05)。盡管羊糞對(duì)于放牧草地CO2排放的作用不顯著，但是所表現(xiàn)出的抑制高寒草甸CO2排放的趨勢(shì)值得長(zhǎng)期關(guān)注。

圖2 高寒草甸CO2通量Fig.2 CO2 flux in alpine meadow with different stocking rate of Tibetan sheep in different seasons

全年CO2排放量，重牧區(qū)有羊糞樣點(diǎn)和無(wú)羊糞樣點(diǎn)分別比輕牧區(qū)高21.4%和26.3%(表1)，說(shuō)明重牧促進(jìn)高寒草甸CO2的排放。

3 討論與結(jié)論

通徑分析表明，羊糞對(duì)于溫室氣體的排放為負(fù)效應(yīng)，而放牧率和生長(zhǎng)季則表現(xiàn)為正效應(yīng)。季節(jié)對(duì)于CH4和CO2排放的貢獻(xiàn)率分別為62.6%和64.0%，放牧率的作用分別為15.7%和13.4%，羊糞分別為1.7%和6.2%，其他未知因素的貢獻(xiàn)分別為20.0%和16.4%。

高寒草甸在不同的季節(jié)均表現(xiàn)為吸收CH4和排放CO2，CH4日均吸收量在返青季最高，CO2日均排放量在生長(zhǎng)旺季最高。王躍思等[28]用靜態(tài)箱-氣象色譜法連續(xù)兩年的觀測(cè)表明，內(nèi)蒙古半干旱草原為大氣 CO2和N2O的排放源，是CH4的匯；李明峰等[2]在內(nèi)蒙錫林河流域的草甸草原研究表明，溫帶草原對(duì)大氣 CH4表現(xiàn)為弱匯；雖然本研究區(qū)域與前者不同，但草地表現(xiàn)出的CH4的匯、CO2的源的趨勢(shì)一致。齊玉春等[5]在研究放牧對(duì)溫帶典型草原含碳溫室氣體CO2、CH4通量特征的影響中指出，與對(duì)照圍欄禁牧草原相比,自由放牧和輪牧均沒(méi)有改變土壤與大氣間原有的CO2、CH4氣體通量的源匯方向，也沒(méi)有改變土壤通量的季節(jié)變化形式。本研究中，放牧沒(méi)有改變高寒草甸作為CH4匯/CO2源的功能，與上述結(jié)果一致。

季節(jié)可以改變溫度、濕度，進(jìn)而影響土壤生物和植被活力，對(duì)溫室氣體的排放產(chǎn)生間接作用。溫度是影響土壤CO2排放(土壤呼吸)的關(guān)鍵因素，土壤呼吸日變化或季節(jié)性變化的大部分變異常用溫度變化來(lái)解釋[29]；濕度和降水通過(guò)影響土壤氣體擴(kuò)散速率和微生物活性影響CH4排放[30]。羊糞對(duì)高寒草甸溫室氣體排放的影響，可能通過(guò)降水的淋溶作用改變了表土的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也可能因?yàn)檠蚣S的存在與否改變了地表對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收而導(dǎo)致土溫發(fā)生變化，進(jìn)而影響其他理化性質(zhì)。本研究表明，適度放牧減少高寒草甸CH4排放，重度放牧促進(jìn)CO2排放，可以用于指導(dǎo)高寒草甸放牧系統(tǒng)的溫室氣體減排的管理。羊糞的效應(yīng)不顯著，但是所表現(xiàn)出的減少溫室氣體排放的趨勢(shì)值得重視。

[1] 《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》編寫(xiě)委員會(huì).氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告[M].北京：科學(xué)出版社，2007:23-33.

[2] 李明峰,董云社,齊玉春,等.極端干旱對(duì)溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)CO2、CH4、N2O通量特征的影響[J].資源科學(xué),2004,26(3):89-95.

[3] 周志田,成升魁,劉允芬,等.中國(guó)亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤CO2排放規(guī)律初探[J].資源科學(xué),2002,24(2):83-87.

[4] 宋霞,劉允芬,徐小鋒,等.紅壤丘陵區(qū)人工林冬春時(shí)段碳、水、熱通量的觀測(cè)與分析[J].資源科學(xué),2004,26(3):96-104.

[5] 齊玉春，董云社，楊小紅，等.放牧對(duì)溫帶典型草原含碳溫室氣體CO2、CH4通量特征的影響[J].資源科學(xué)，2005,27(2)：103-109.

[6] 方精云，楊元合，馬文紅，等.中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)及其變化[J].中國(guó)科學(xué)：生命科學(xué)，2010,40(7)：566-576.

[7] 樸世龍，方精云，賀金生，等.中國(guó)草地植被生物量及其空間分布格局[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004,28(4)：491-498.

[8] Chapin F S,Jefferies R L,Reynolds J F，etal.Arctic plant physiological in an ecosystem content[A].In:Chapin F S,Jefferies R L,Reynolds J F.Arctic Ecosystems in a Changing Climate:An Ecophysiological Perspective[M].San Diego:Academic Press,1992:441-452.

[9] Grabherr G,Gottfried M,Pauli H.Climate effects of mountain plants[J].Nature,1994,368:448-450.

[10] 程國(guó)棟，李培基，張祥松，等.氣候變化對(duì)中國(guó)積雪、冰川和凍土的影響評(píng)價(jià)[M].蘭州：甘肅文化出版社，1997:22-56.

[11] 鄭度，姚檀棟.青藏高原隆升與環(huán)境效應(yīng)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[12] 周興民，王志彬，杜慶.青海植被[M].西寧：青海人民出版社，1987.

[13] 楊正禮，楊改河.中國(guó)高寒草地生產(chǎn)潛力與載畜量研究[J].資源科學(xué)，2000,22(4)：73-77.

[14] 夏武平，周興民，劉季科，等.高寒草甸地區(qū)的生物群落[A].高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究[C].北京：科學(xué)出版社，1991：1-8.

[15] 侯扶江，楊中藝.放牧對(duì)草地的作用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006,26(1)：244-264.

[16] Houghton J T,Callander B A,Varney S.IPCC Climate Change 1992:The Supp lementary Report to the IPCC Scientific Assessment [R].U K:Cambridge University Press,1992:26-51.

[17] KhalilM A K,Rasmussen R A.The global sources of nitrous oxide[J].Journal of Geophysical Research,1992,97:14561- 14660.

[18] 陸日東，李玉娥，萬(wàn)運(yùn)帆，等.堆放奶牛糞便溫室氣體排放及影響因子研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007,23(8)：198-204.

[19] 王方浩，馬文奇，竇爭(zhēng)霞，等.中國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量估算及環(huán)境效應(yīng)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2006,26(5)：614-617.

[20] 王躍思，胡玉瓊，紀(jì)寶明，等.放牧對(duì)內(nèi)蒙古草原溫室氣體排放的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2002,22(6)：490-494.

[21] 張?jiān)?，武高林，任?guó)華.封育后補(bǔ)播高寒1號(hào)生態(tài)草對(duì)瑪曲退化高寒草甸生產(chǎn)力的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2009,26(7):99-104.

[22] 李向前,賈鵬,章志龍,等.青藏高原東緣高寒草甸植物群落的開(kāi)花物候[J].生態(tài)學(xué)雜志，2009,28(11)：2202-2207.

[23] 王躍思，紀(jì)寶明，王明星，等.半干旱草原地-氣溫室氣體CO2、CH4和N2O交換速率測(cè)定方法研究[J].環(huán)境科學(xué)，2000,21(3)：10-15.

[24] 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排放及對(duì)CH4吸收的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2001,22(6)：7-13.

[25] Mosier A R,Delgado J A.Methane and nitrous oxide fluxes in grasslands in western Puerto Rico[J].Chemosphere,1997,35:2050-2082.

[26] Kessavallou A,Mosier A R,Doran J W,etal.Fluxes of CO2,N2O and CH4in grass sod and winter-wheat fallow tillage management[J].Journal of Environmental Quality,1998,27:1094-1104.

[27] 杜睿,王庚辰,呂達(dá)仁,等.箱法在草地溫室氣體通量野外試驗(yàn)觀測(cè)中的應(yīng)用研究[J].大氣科學(xué),2001,25(1):61-70.

[28] 王躍思，王明星，胡玉瓊，等.半干旱草原溫室氣體排放/吸收與環(huán)境因子的關(guān)系研究[J].氣候與環(huán)境研究,2002,7(3):295-309.

[29] Liu X Z,Wan S Q,Su B,etal.Response of soil CO2efflux to water manipulation in a tallgrass prairie ecosystem[J].Plant and Soil,2002,240:213-223.

[30] Adamsen A P S,King G M.Methane consumption in temperate and subarctic forest soils:Rates,vertical zonation,and responses to water and nitrogen[J].Applied and Environmental Microbiology,1993,59:485-490.