岳泓宇,賈志斌,梅寶玲,田淑新

內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021

內(nèi)蒙古草原溫室氣體交換通量

岳泓宇,賈志斌,梅寶玲*,田淑新

內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021

草地生態(tài)系統(tǒng)是地球上十分重要的陸生生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)蒙古草原在我國草地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位,其在全球溫室氣體收支平衡中扮演重要角色。統(tǒng)計分析內(nèi)蒙古地區(qū)34個觀測地點的多年(1995—2012)溫室氣體觀測數(shù)據(jù),得到內(nèi)蒙古3種主要草原類型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的年度或生長季平均通量并據(jù)此判斷其溫室氣體源匯類型,并選擇內(nèi)蒙古草原中分布最廣泛的典型草原的溫室氣體交換通量與環(huán)境因子進行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示,典型草原、荒漠草原表現(xiàn)為CO2交換源匯動態(tài)變化的過程(生長季交換通量分別為(-4.26±15.57)mgC m-2h-1、(-42.5±5.42)mgC m-2h-1表現(xiàn)為匯,年度交換通量分別為(20.64±11.54)mgC m-2h-1、(18.04±2.48)mgC m-2h-1表現(xiàn)為源),草甸草原CO2年度交換通量為(-10.31±1.15)mgC m-2h-1表現(xiàn)為匯；草甸草原、典型草原、荒漠草原CH4年度交換通量分別為(-30.48±9.57)μgC m-2h-1、(-41.25±3.61)μgC m-2h-1、(-85.00±51.03)μgC m-2h-1,均表現(xiàn)為CH4的匯、N2O年度交換通量分別為(28.40±7.27)μgN m-2h-1、(3.18±0.91)μgN m-2h-1、(2.51±0.67)μgN m-2h-1,均表現(xiàn)為N2O的源。在典型草原溫室氣體交換通量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),CH4平均吸收通量與降水量(P<0.05)、土壤濕度(P<0.05)、土壤溫度(P<0.01)有顯著或是極顯著線性正相關(guān)關(guān)系；CO2平均通量與降水量(P<0.01)、土壤濕度(P<0.01)、葉面積指數(shù)(P<0.01)有極顯著線性負相關(guān)關(guān)系,與氣溫(P<0.01)有極顯著線性正相關(guān)關(guān)系；N2O平均通量與降水量(P<0.05)、土壤濕度(P<0.05)、氣溫(P<0.01)有顯著或極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。

溫室氣體；通量；環(huán)境因子；內(nèi)蒙古；草原

大氣中CO2、CH4、N2O是三種最主要的溫室氣體,自1750年到2011年,大氣中的CO2、CH4、N2O 濃度分別由141.5mg/m3增加到198.8mg/m3、1010.8μg/m3增加到2524.2μg/m3、138μg/m3到165μg/m3,各增加了40%、150%、20%；與冰芯中的CO2、CH4、N2O氣體成份相比,這些溫室氣體濃度已經(jīng)超過過去80萬年的最高濃度,而且其濃度增加的平均速率在過去2萬年是未曾有過的[1]。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng),對改善陸地生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實意義,其對CO2、CH4、N2O這3種最主要溫室氣體的源匯效應(yīng)在大氣圈的溫室氣體收支平衡中起到了關(guān)鍵作用[2]。內(nèi)蒙古草原屬于我國分布較廣的溫帶草原(從東到西隨著水分梯度的變化依次為草甸草原、典型草原和荒漠草原),在氣候-植被分類系統(tǒng)中占據(jù)著核心地位[3],研究內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放現(xiàn)狀、機制及其影響因素對控制草原溫室氣體排放、減緩全球溫室效應(yīng)有著重要的意義。

雖然我國在草原溫室氣體研究方面起步較晚,但經(jīng)過多年長期的定位觀測實驗研究,也已積累了一定的研究成果,具備了綜合分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文匯總分析了22篇(包括34個觀測地點)有關(guān)內(nèi)蒙古草原溫室氣體觀測的文獻數(shù)據(jù),開展以下內(nèi)容的研究：(1)通過對內(nèi)蒙古草原3種主要草地類型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的年度或生長季平均通量的匯總分析來判斷其源匯類型；(2)分析內(nèi)蒙古草原上分布最廣泛的典型草原溫室氣體交換通量與水熱因子的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果有助于人們從宏觀角度更好地了解草原生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的研究現(xiàn)狀,從而發(fā)現(xiàn)目前研究的不足并剖析其中的薄弱環(huán)節(jié),進而對未來草原生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的重點研究方向做出有益的探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)80%以上處于多風(fēng)少雨的干旱、半干旱地區(qū),土壤類型多為淡栗鈣土和栗鈣土,土地貧脊,土層淺薄,質(zhì)地疏松[4]。同時全區(qū)由于地理位置和地形的影響,形成以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主的復(fù)雜多樣的氣候。春季氣溫驟升,多大風(fēng)天氣；夏季短促溫?zé)?降水集中；秋季氣溫劇降,秋霜凍往往過早來臨；冬季漫長嚴寒,多寒潮天氣。全年降水量在100—500mm之間,無霜期在80—150d之間,年日照量普遍在2700h以上[5]。

內(nèi)蒙古草原是我國5大草原之首,歐亞大陸草原的重要組成部分,總面積為8666.7萬hm2,占全國草原面積3.92億hm2的22.1%[4]。本文主要集中討論內(nèi)蒙古典型草原、草甸草原、荒漠草原這3種草原類型,其中典型草原類分布范圍最廣、面積最大,占全區(qū)草原總面積的35.1%,是構(gòu)成內(nèi)蒙古草原的主體。處于過渡地帶的草甸草原類、荒漠草原類分布都比較狹窄,分別占全區(qū)草原總面積的10.9%、10.6%[6]。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文按照如下標準選擇文獻數(shù)據(jù)：(1)觀測實驗在內(nèi)蒙古境內(nèi)的草原上(包括草甸草原、典型草原及荒漠草原)進行；(2)觀測了1到3種以上主要溫室氣體的交換通量；(3)測定了觀測期間的水熱因子(降水量、土壤濕度、土壤溫度、氣溫等)(4)盡最大可能搜集所有相關(guān)研究數(shù)據(jù)。按照以上標準本文共選取了22篇文獻,包括了1995—2012年期間34個觀測點的溫室氣體交換通量及環(huán)境因子的數(shù)據(jù)。觀測點位置分布如圖1所示,具體數(shù)據(jù)見表1。

圖1 觀測點分布圖Fig.1 Distribution of observation points 數(shù)字代表觀測點序號,具體見表1第1列上角標

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室氣體交換通量

2.1.1 CH4交換通量

內(nèi)蒙古草甸草原CH4年度平均吸收通量為(30.48±9.57)μgC m-2h-1[28],其生長季平均吸收通量為(65.33±7.29)μgC m-2h-1[23]；典型草原CH4年度平均吸收通量為(41.25±3.61)μgC m-2h-1,生長季平均吸收通量為(62.57±18.46)μgC m-2h-1(依據(jù)表2數(shù)據(jù)計算,共8篇文獻,未計算與整體趨勢過分偏離的個別數(shù)據(jù)點,即若是某一觀測數(shù)據(jù)與其相同或相近觀測點的數(shù)據(jù)存在量級間的差異,認為此觀測數(shù)據(jù)存在較大的誤差而不選用該觀測數(shù)據(jù),下文中簡稱質(zhì)控)；荒漠草原CH4年度平均吸收通量為(85.00±51.03)μgC m-2h-1[24],其生長季平均吸收通量為(109.12±41.46)μgC m-2h-1[23,26]。

由得到的數(shù)據(jù)可知,內(nèi)蒙古草原的草甸草原、典型草原、荒漠草原均表現(xiàn)為CH4的匯。

2.1.2 CO2交換通量(NEE)

NEE是凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量,所以本文用NEE來表示CO2交換通量。

內(nèi)蒙古草甸草原年平均NEE為(-10.31±1.15)mgC m-2h-1[27]；典型草原年平均NEE為(20.64±11.54)mgC m-2h-1,其生長季的平均值為(-4.26±15.57)mgC m-2h-1(依據(jù)表3數(shù)據(jù)計算,共5篇文獻)；荒漠草原年平均NEE為(18.04±2.48)mgC m-2h-1[24],而其生長季的平均NEE為(-42.5±5.42)mgC m-2h-1[25]。

表1 內(nèi)蒙古草原1995—2012年溫室氣體觀測數(shù)據(jù)及參考文獻

a：典型草原Typical steppe；b：荒漠草原Desert steppe；c：草甸草原Meadow steppe；A：靜態(tài)暗箱-氣相色譜法Static opaque chamber-Gas chromatogram method；B：渦度相關(guān)法 Eddy covariance measurement；C：靜態(tài)暗箱/明箱-氣相色譜法Static opaque/transparent chamber-Gas chromatogram method；D：靜態(tài)暗箱-波長掃描光腔衰蕩光譜技術(shù)Static opaque chamber-Cavity ring-down spectroscopy method

由得到的數(shù)據(jù)可知,內(nèi)蒙古草甸草原表現(xiàn)為碳匯,而典型草原與荒漠草原雖在生長季表現(xiàn)為碳匯,但年度卻表現(xiàn)為碳源。

2.1.3 N2O交換通量

內(nèi)蒙古草甸草原N2O年度平均排放通量為(28.40±7.27)μgN m-2h-1[28]。典型草原N2O年度平均排放通量為(3.18±0.91)μgN m-2h-1,其生長季平均排放通量為(7.60±9.24)μgN m-2h-1(通過對表4數(shù)據(jù)計算、質(zhì)控所得,共12篇文獻)；荒漠草原N2O年度平均排放通量為(2.51±0.67)μgN m-2h-1[24]。內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原與荒漠草原均表現(xiàn)為N2O的源,草甸草原排放量遠大于典型草原和荒漠草原。

2.2 典型草原溫室氣體交換通量與環(huán)境因子關(guān)系

2.2.1 CH4交換通量與環(huán)境因子關(guān)系

通過本文數(shù)據(jù)收集部分闡述的選擇標準,從表1所列文獻中整理出的典型草原觀測期間CH4吸收通量、降水量、土壤濕度、土壤溫度如表2所示。通過對表2數(shù)據(jù)計算、質(zhì)控,所得觀測期間CH4吸收通量與降水量、土壤濕度、土壤溫度進行的相關(guān)性分析結(jié)果見圖2。

表2 典型草原CH4吸收通量、降水量、土壤濕度、土壤溫度

PPT：降水量 precipitation；SM：土壤濕度 soil moisture；ST：土壤溫度 soil temperature；a：數(shù)據(jù)來源于文獻中圖表；b：數(shù)據(jù)來源于[29]；-數(shù)據(jù)未在文獻中給出

圖2 典型草原CH4平均吸收通量與降水量、土壤濕度、土壤溫度的相關(guān)關(guān)系Fig.2 The correlation between CH4 absorption fluxes and precipitation (PPT), soil moisture (SM), soil temperature (ST) in typical steppe

由圖2可知,就典型草原來看,CH4平均吸收通量與降水量有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.53,P<0.05),與土壤濕度也有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.67,P<0.05),同時,其與土壤溫度有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=7,R2=0.77,P<0.01)。

2.2.2 CO2交換通量(NEE)與環(huán)境因子關(guān)系

典型草原觀測期間CO2交換通量、降水量、土壤濕度、氣溫、葉面積指數(shù)見表3。通過處理表3數(shù)據(jù)(對表3數(shù)據(jù)進行計算及質(zhì)控),對觀測期間CO2交換通量、降水量、土壤濕度、氣溫、葉面積指數(shù)進行的相關(guān)性分析結(jié)果見圖3。

表 3 典型草原NEE、降水量、土壤濕度、氣溫及葉面積指數(shù)

PPT: precipitation； SM: soil moisture； AT: air temperature； LAI: Leaf Area Index； a：數(shù)據(jù)來源于文獻中圖表；b：數(shù)據(jù)來源[30]；c：數(shù)據(jù)來源于[29]；使用靜態(tài)暗箱法測定的CO2為生態(tài)系統(tǒng)呼吸,并非NEE,故此類數(shù)據(jù)并未統(tǒng)計入該表 ;-數(shù)據(jù)未在文獻中給出

圖3 典型草原NEE與降水量、土壤濕度、氣溫和葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.3 The correlation between NEE and precipitation (PPT), soil moisture (SM), air temperature (AT) and leaf area index (LAI) in typical steppe

由圖3可知,典型草原NEE與降水量呈極顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(N=10,R2=0.64,P<0.01)。典型草原NEE與土壤濕度存在顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.74,P<0.01)。同時,NEE與氣溫有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.70,P<0.01)。NEE與葉面積指數(shù)有極顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.83,P<0.01)。

2.2.3 N2O交換通量與環(huán)境因子關(guān)系

依照本文數(shù)據(jù)收集部分闡述的選擇標準,從表1所列文獻中整理出的典型草原觀測期間N2O排放通量、降水量、土壤濕度、氣溫如表4所示。通過處理表4數(shù)據(jù)(對表4數(shù)據(jù)進行計算及質(zhì)控),對觀測期間N2O排放通量、降水量、土壤濕度、氣溫進行的相關(guān)性分析結(jié)果見圖4。

表4 典型草原觀測期間N2O排放通量、降水量、土壤濕度及氣溫

AT：氣溫 air temperature；a：數(shù)據(jù)來源于文獻中圖表Data from figures in the reference；b：數(shù)據(jù)來源于[7]Data from[7]；c:數(shù)據(jù)來源于[31]Data from[31]；d：數(shù)據(jù)來源于[32]；e：數(shù)據(jù)來源于[29]Data from[29]；f：數(shù)據(jù)來源于中國農(nóng)業(yè)基本氣象資料月值數(shù)據(jù)集錫林浩特站點氣象資料Data from Xilinhot site of Chinese Agricultural basic meteorological monthly value datasets；-數(shù)據(jù)未在文獻中給出Indicate data not given in the reference

由圖4,N2O平均排放通量與降水量之間有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=7,R2=0.58,P<0.05), N2O排放通量與土壤濕度呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=9,R2=0.62,P<0.05),N2O排放通量與氣溫呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(N=6,R2=0.85,P<0.01)。

圖4 典型草原N2O平均通量與降水量、土壤濕度、氣溫的相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation between Average N2O emission fluxes and precipitation (PPT), soil moisture (SM), air temperature (AT) in typical steppe

3 討論

3.1 溫室氣體交換通量狀況

3.1.1 CH4交換通量

由現(xiàn)有文獻數(shù)據(jù)得知草甸草原、典型草原、荒漠草原均表現(xiàn)為CH4的匯。有研究認為多數(shù)的觀測實驗是在生長季進行,忽略了冬季及冬春交替期CH4交換通量的測定[33],而一項在美國北部矮禾草草原的研究發(fā)現(xiàn)冬季CH4吸收通量占全年的15%—30%[34],所以,Wang等認為目前對CH4年度交換通量的估算具有極大的不確定性[35],還需在今后的觀測實驗中加以完善。

3.1.2 CO2交換通量

由現(xiàn)有文獻資料計算得知草甸草原表現(xiàn)為碳匯,而典型草原與荒漠草原雖在生長季表現(xiàn)為CO2匯,但全年卻表現(xiàn)為CO2源。有研究表明在溫帶草原區(qū)我國典型草原的碳固定量水平最低,并認為這種現(xiàn)象主要是由降水量的時空變異決定的[36]。Hao等也認為降水規(guī)律的改變是影響CO2凈排放的重要因素,甚至?xí)?dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)在碳源與碳匯功能上的相互轉(zhuǎn)換[37]。因而內(nèi)蒙古典型草原與荒漠草原是碳源還是匯并不確定,可能是一個碳交換源匯動態(tài)變化的過程。。

Piao等通過3種不同模型對內(nèi)蒙古地區(qū)碳平衡進行分析得出其年均碳沉降量分別為11.4Tg、-3.6Tg及17.2Tg,表明內(nèi)蒙古地區(qū)并非明顯的碳匯[38]。由此可見,模型不同,內(nèi)蒙古年均碳沉降量的結(jié)果也不同,甚至是源匯狀況的差異。

3.1.3 N2O交換通量

內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原與荒漠草原均表現(xiàn)為N2O的源。對于N2O排放,研究者們普遍認為在N2O年度總量的估算中,凍融期間N2O的排放量占有十分重要的地位[33,35,39-40]。在內(nèi)蒙古地區(qū),3月份左右會出現(xiàn)凍融交替現(xiàn)象,引起N2O的爆發(fā)式排放[41],因此在N2O年度排放通量的估算中,若是忽略了凍融期N2O通量的測定,將會造成巨大的估算誤差。

3.1.4 誤差分析

(1) 空間變異性

本文對已發(fā)表文獻中內(nèi)蒙古草原3種主要草地類型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的全年或生長季平均通量進行了匯總分析,但由于數(shù)據(jù)來源的限制,3種草地類型的樣點數(shù)據(jù)過少(草甸草原與荒漠草原溫室氣體排放的研究并不多見)或是過于集中(典型草原溫室氣體排放的研究大多集中于錫林河流域),故文中溫室氣體平均交換通量的估算因為樣本的空間變異性必然存在較大的誤差,對不同草原類型溫室氣體交換通量的代表性比較差。

(2) 時間變異性

目前的研究中箱法均采用了目前較為常見的手動不連續(xù)觀測法(間隔一般為1周或是10d),然后采用時間插值法估算季節(jié)及全年的溫室氣體通量值,這種方法若能恰當掌握采樣時段能使測量值接近全天的平均值,同時通過合適的采樣頻率能抓住排放曲線的峰與谷,這樣能夠更加精確的估算季度或是年度溫室氣體通量值[42]。但是本文中實驗數(shù)據(jù)的搜集從1995—2012,跨度達18a,時間差異是客觀存在的,而且3種氣體通量年際間的差異則主要是與各年份降雨及溫度等環(huán)境因子相關(guān),變化幅度較大。

(3) 觀測方法誤差

已有的研究中CO2通量的測定一般使用渦動相關(guān)法,渦動相關(guān)法為自動觀測系統(tǒng),誤差相對較小。

CH4及N2O通量的測定則使用的靜態(tài)箱-氣相色譜法,箱法為人工手動操作,必然會產(chǎn)生一定誤差,但王迎紅等通過靜態(tài)箱—氣相色譜法觀測系統(tǒng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)進行觀測時,發(fā)現(xiàn)碳排放的最大誤差(儀器誤差、標氣誤差以及采樣箱體積誤差之和)小于10%,遠小于重復(fù)間的空間變異性[42]。

3.2 典型草原溫室氣體交換通量與環(huán)境因子關(guān)系

3.2.1 環(huán)境因子對CH4交換通量的影響

本文統(tǒng)計分析現(xiàn)有典型草原觀測數(shù)據(jù)得出CH4平均吸收通量與降水量有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.53,P<0.05)(圖2)。Blankinship等人在美國亞利桑那州進行了相關(guān)的研究,對4種不同干濕狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)(荒漠草原、矮松-杜松林地、黃松林地、針葉混交林)持續(xù)4a的研究發(fā)現(xiàn),在濕潤的生態(tài)系統(tǒng)中CH4吸收通量與降雨量有較強的相關(guān)性,而在干冷的生態(tài)系統(tǒng)中CH4的吸收量則與溫度有著較強的相關(guān)性。他們認為這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與不同生態(tài)系統(tǒng)中甲烷氧化菌群落對不同環(huán)境因子(降雨量、溫度)的改變的適應(yīng)能力不同而導(dǎo)致的[43]。

CH4平均吸收通量與土壤溫度有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=7,R2=0.77,P<0.01)(圖2)。然而有研究認為雖然土壤溫度主要通過改變甲烷氧化菌活性來影響CH4平均吸收通量,但是溫度對甲烷氧化菌的影響存在一個臨界值,土壤氧化甲烷速率在臨界溫度處可以達到最大值,在超過臨界溫度后,溫度與甲烷氧化速率并無顯著相關(guān)性[44-45]。但同時也有許多研究認為CH4平均吸收通量與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系[46-47]。所以,綜上所述,自然條件下溫度對大氣甲烷氧化菌生理生態(tài)過程的影響機制仍需進一步探索[48]。

本文目前獲得的文獻數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出CH4平均吸收通量與土壤濕度也有著顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.67,P<0.05)(圖2)。然而有研究表明CH4的吸收通量對土壤濕度的變化十分敏感,并非是簡單的線性關(guān)系,而是駝峰形關(guān)系,并且存在一個最適宜CH4吸收的土壤濕度,Dijkstra等認為這個最佳濕度應(yīng)該在24%左右[49]。同樣,在科羅拉多矮禾草草原上,Mosier通過實驗發(fā)現(xiàn)對于細質(zhì)地的土壤,在土壤濕度為20%時,CH4吸收達到峰值[50]。同時,研究認為當土壤濕度高于最佳的土壤濕度,限制CH4吸收速率的是CH4的擴散速率,若土壤濕度過低,限制CH4吸收速率的就是因濕度過低而活性降低的甲烷氧化菌群落[51]。本文整理的內(nèi)蒙古草原的數(shù)據(jù)結(jié)果中,土壤濕度均在20%之下,并未達到研究者們認為的CH4吸收的最佳濕度,所以與土壤濕度相關(guān)的甲烷氧化菌群落的活性在土壤CH4吸收中起到重要作用[49],濕度越高,甲烷氧化菌群落活性越強,土壤CH4吸收量越大,即CH4平均吸收通量與濕度呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 環(huán)境因子對CO2交換通量(NEE)的影響

典型草原NEE與降水量有著極顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(N=10,R2=0.64,P<0.01)(圖3)。李明峰等通過一項在草甸、羊草、大針茅等群落樣地所進行的研究和本文的結(jié)果類似,認為大氣降水是影響CO2排放通量變化的重要環(huán)境因子[32]。而且降雨頻率的變化將會改變土壤濕度,進而影響生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[52-53],在土壤濕度較低時,降雨的影響更為顯著[54]。

本文統(tǒng)計文獻數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)典型草原NEE與土壤濕度有著顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.74,P<0.01)(圖3)。在中國北部及蒙古的大量的研究表明,過低的濕度是限制溫帶草原吸收CO2的主要因素[12,55-56]。Hunt等在干旱及半干旱草原的研究也發(fā)現(xiàn)NEE受土壤濕度改變的影響十分明顯[57]。

典型草原NEE與氣溫有極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.70,P<0.01)(圖3)。這一結(jié)果與Cheng等在內(nèi)蒙古南部和寧夏所進行的研究的結(jié)果是一致的[58]。究其原因,溫度的升高會導(dǎo)致根部呼吸作用以及土壤有機質(zhì)微生物礦化作用的增加,從而導(dǎo)致土壤CO2排放的增加[59]。所以,全球變暖將會導(dǎo)致土壤CO2排放的增加,同時也會加速土壤有機質(zhì)的分解[58]。

另一項與CO2交換通量呈極顯著線性負相關(guān)關(guān)系(N=8,R2=0.83,P<0.01)的環(huán)境因子為葉面積指數(shù)(LAI,圖3)。在生長季,LAI與降雨一樣是影響溫帶草原NEE的主要因子[56]。而且,LAI并非單獨的影響因子,一般其與土壤濕度都有較好的正相關(guān)性[60]。因而,降雨與土壤濕度不僅會直接影響NEE,還將通過影響LAI而進一步對NEE造成影響[14]。

3.2.3 環(huán)境因子對N2O交換通量的影響

由圖4,N2O平均排放通量與降水量之間有顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=7,R2=0.58,P<0.05)。Trost通過對世界范圍內(nèi)不同地區(qū)所進行的22個研究項目調(diào)查后認為,降雨或是灌溉會增加N2O的排放[61],這主要是由于降雨或灌溉影響了植物或是微生物的生物活性,進而改變了土壤中N素的動態(tài)變化,最終影響N2O的排放[62]。

同時,本文所搜集的文獻數(shù)據(jù)中,土壤濕度顯示出與降雨類似的影響N2O排放通量的規(guī)律,即呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(N=9,R2=0.62,P<0.01)(圖4),這個結(jié)果與Peng等的土壤濕度越低N2O的排放量就越低的結(jié)論相符[63],這主要是因為較低的土壤濕度會限制土壤中微生物的代謝活動及代謝底物(如銨鹽及硝酸鹽)的擴散,進而會減弱土壤N2O的排放[64]。也有研究表明,由降雨或是灌溉而引發(fā)的土壤含水量的突然增加,會導(dǎo)致N2O的一個高的排放峰,這主要是因為在濕潤土壤條件下,占N2O排放主導(dǎo)地位的反硝化作用被增強[65]。

典型草原N2O排放通量與氣溫呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(N=6,R2=0.85,P<0.01),這與當前多數(shù)研究的結(jié)果相符[66- 68]。目前的研究認為,在半干旱氣候區(qū),尤其是土壤干旱的情況下,溫度與土壤N2O的排放有著正相關(guān)的關(guān)系[15,64]。Castaldi 等人進行了一項溫度對耕地土壤及森林土壤N2O排放的影響的研究,他們認為溫度的升高會導(dǎo)致土壤呼吸作用增強,氧氣消耗增大,促進了反硝化作用,進而增加了N2O的排放,這就導(dǎo)致以反硝化作用為N2O主要來源的耕地土壤受溫度的影響更為明顯[69]。但是李明峰等在錫林河流域進行的一項研究表明,在極端干旱條件下,草地生態(tài)系統(tǒng)對N2O表現(xiàn)出吸收特性,李明峰認為這種情況發(fā)生可能是因為極端干旱使得草原土壤N2O 的排放趨于停滯,且干燥而粘粒較多的黑鈣土對N2O具有物理吸附作用[70]。

4 結(jié)語及展望

大氣中溫室氣體濃度的增加是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素,它將在很大程度上影響區(qū)域乃至全球未來的氣候變化趨勢,草地生態(tài)系統(tǒng)作為排放與吸收溫室氣體最重要的陸生生態(tài)系統(tǒng),在未來全球變化中起著至關(guān)重要的作用,因而對草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的研究與探索將一直成為全球變化領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容。

本文對內(nèi)蒙古草原溫室氣體排放進行了數(shù)據(jù)的匯總分析,認為內(nèi)蒙古草原中3種主要草地類型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)均表現(xiàn)為CH4的匯及N2O的源,雖然草甸草原表現(xiàn)為CO2的匯,但典型草原及荒漠草原則表現(xiàn)為CO2交換源匯動態(tài)變化的過程(生長季為匯,年度為源)。但由于現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)的局限,本文對溫室氣體排放的時空變異性[15,58-59]考慮不足,也未涉及人為因素,如放牧、開墾[71-72]等的影響,這就會導(dǎo)致溫室氣體平均排放量計算結(jié)果的偏差,而且很難估算區(qū)域總量。同樣,由于樣本數(shù)目過小,在相關(guān)性分析時可能會導(dǎo)致我們對排放機制的認識不全面而得出片面的規(guī)律。若要精確估算溫室氣體的區(qū)域排放量且更加全面的認識其排放規(guī)律,就需要建立精確的模型,例如目前應(yīng)用較為廣泛的DNDC模型[73],其考慮到了溫室氣體排放的各個過程及其相關(guān)的影響因子,會使得估算結(jié)果有較強的可靠性。

但是,模型的建立也需要大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),從本文搜集的數(shù)據(jù)來看,內(nèi)蒙古荒漠草原及草甸草原的研究很少。而典型草原雖說研究較多,但是大多集中在錫林河流域,因而無法反應(yīng)整個內(nèi)蒙古典型草原的情況,這就暴露了目前國內(nèi)溫室氣體研究針對大尺度區(qū)域研究力度不夠的現(xiàn)狀,應(yīng)加大對此的研究投入,這對于指導(dǎo)區(qū)域大尺度以及整個陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放總量的精確估算具有重要的理論意義和實踐價值[74],同時也為以后野外生態(tài)定位站的選址及建立提供了一定的參考。所以我們應(yīng)同時從不同草地類型、利用方式和尺度等多方面開展對草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的野外定位實驗研究,積累數(shù)據(jù),對溫室氣體排放機制進行深入系統(tǒng)的研究,并以此為基礎(chǔ)建立起可描述排放機制的數(shù)學(xué)模型,將野外實驗與數(shù)學(xué)模型有機結(jié)合起來,只有這樣才能使人們能夠更加準確地了解溫室氣體整體的排放狀況及機制,進而提出相應(yīng)的控制對策。

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Flux of greenhouse gases from grassland in Inner Mongolia

YUE Hongyu, JIA Zhibin, MEI Baoling*, Tian Shuxin

CollegeofEnvironment&Resources,InnerMongoliaUniversity,Huhhot010021,China

Inner Mongolia comprises 22% of the grassland ecosystems in China and plays an important role in the global budget of the greenhouse gas (CO2, CH4, and N2O). In this study, we compiled the data of greenhouse gas fluxes and related environmental factors from 34 sites in Inner Mongolia collected between 1995 and 2012. The annual flux of greenhouse gases or flux over growing season differed greatly between meadow steppe, typical steppe, and desert steppe. Typical steppe and desert steppe emitted CO2at rates of (20.64 ± 11.54) mgC m-2h-1and (18.04 ± 2.48) mgC m-2h-1, respectively, whereas meadow steppe absorbed CO2at a rate of (10.31 ± 1.15)mgC m-2h-1. Meadow steppe, typical steppe, and desert steppe absorbed CH4at rates of (30.48 ± 9.57) μgC m-2h-1, (41.25 ± 3.61)μgC m-2h-1, and (85.00 ± 51.03)μgC m-2h-1, respectively. They emitted N2O at rates of (28.40 ± 7.27)μgN m-2h-1, (3.18 ± 0.91)μgN m-2h-1, and (2.51 ± 0.67)μgN m-2h-1, respectively. Correlation analysis of the fluxes and environmental factors from typical steppe showed a positive correlation between the averaged CH4absorption flux and precipitation (P< 0.05), soil moisture (P<0.05), and soil temperature (P< 0.05). The averaged CO2flux was negatively correlated to precipitation (P< 0.01), soil moisture (P< 0.01), and leaf area index (P< 0.01) and positively correlated to air temperature (P< 0.01). Meanwhile, N2O flux was positively correlated to precipitation (P< 0.05), soil moisture (P< 0.05), and air temperature (P< 0.01).

greenhouse gases; flux; environmental factors; inner mongolia; grassland

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費資助項目(201103039)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(2014MS0307)

2015- 05- 08;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505080952

*通訊作者Corresponding author.E-mail:ndblmei@imu.edu.cn

岳泓宇,賈志斌,梅寶玲,田淑新.內(nèi)蒙古草原溫室氣體交換通量.生態(tài)學(xué)報,2016,36(24):7929- 7941.

Yue H Y, Jia Z B, Mei B L, Tian S X.Flux of greenhouse gases from grassland in Inner Mongolia.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):7929- 7941.