王亞?wèn)|，王 昊，程建偉，張俊珍，王椏楠，劉 陽(yáng)，劉新民，李永宏①

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 省部共建草地生態(tài)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3.內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

隨著人類(lèi)對(duì)天然草原綠色動(dòng)物產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)[1]，草原家畜放牧強(qiáng)度不斷增大，家畜排泄物量已成為草原區(qū)溫室氣體重要來(lái)源[2]。目前關(guān)于草原溫室氣體的研究，多聚焦于不同草地放牧管理方式下的地上生物量、土壤理化性質(zhì)和微生物活動(dòng)變化對(duì)溫室氣體的影響。過(guò)度放牧?xí)档椭参锏厣喜课簧锪?，減少土壤碳和氮的輸入[3]，進(jìn)而抑制土壤微生物過(guò)程和溫室氣體排放通量[4]；同時(shí)放牧還會(huì)造成土壤緊實(shí)度變化，影響土壤孔隙度和含氧量，進(jìn)而影響土壤微生物活動(dòng)[5]；土壤緊實(shí)度也與土壤含水量、土壤溫度和地上生物量相關(guān)[6]，這些指標(biāo)均會(huì)影響溫室氣體排放?？傮w而言，草地利用改變導(dǎo)致的植被生物量和土壤理化性狀改變[7]以及微生物過(guò)程，都會(huì)影響溫室氣體排放[8]。動(dòng)物排泄物在降解過(guò)程中產(chǎn)生大量溫室氣體[9]，這些溫室氣體排放規(guī)律和影響因素是制定減緩或適應(yīng)全球氣候變化的低碳草原生態(tài)畜牧業(yè)管理體系中的重要部分[10]。動(dòng)物排泄物分解過(guò)程中的溫室氣體排放主要受土壤、大氣等環(huán)境條件以及其他生物的影響[11]，土壤動(dòng)物對(duì)糞便溫室氣體排放的影響研究相對(duì)較少。

糞食性金龜是糞便分解中最重要的一類(lèi)無(wú)脊椎動(dòng)物，主要包括糞金龜科(Geotrupidae)、金龜科(Scarabaeidae)和蜉金龜科(Aphodiidae)，其在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用，被稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)的工程師[12-13]。糞食性金龜以哺乳動(dòng)物糞便為食或?qū)⑵渥鳛榉敝硤?chǎng)所[14]，根據(jù)其筑巢、育幼行為可分為滾糞球型(制作糞球，并在地表滾動(dòng)一定距離后埋入土中)、掘洞型(在糞便下掘洞，將制作的糞球轉(zhuǎn)移入洞穴中)和糞居型(在糞便中取食和繁殖)3種功能群[15]。研究表明，糞食性金龜活動(dòng)可改變糞塊和土壤通氣結(jié)構(gòu)[16]，抑制甲烷菌的厭氧呼吸；糞食性金龜采食新鮮糞便汁液可加速糞便干燥，進(jìn)而減少微生物可利用資源[17]，降低溫室氣體排放[18-20]。同時(shí)，不同糞食性金龜種類(lèi)的活動(dòng)會(huì)促進(jìn)不同細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)，增加糞便表面積，加速糞塊溫室氣體排放[18-19]。目前關(guān)于糞食性金龜對(duì)糞塊溫室氣體排放影響的研究主要局限于單一糞食性金龜物種的影響，且集中在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，而少有自然條件草原生態(tài)系統(tǒng)中不同糞食性金龜功能群對(duì)糞塊溫室氣體排放影響機(jī)制的研究。

糞食性金龜對(duì)放牧牲畜糞便分解的作用主要為對(duì)鮮糞塊的破碎、采食轉(zhuǎn)化和向土壤中運(yùn)移[13]，糞塊中有機(jī)物質(zhì)的分解則主要由微生物完成[21]。因此，影響糞食性金龜和微生物在糞塊中活動(dòng)的所有環(huán)境因素(如降水和溫度)都對(duì)糞塊分解及溫室氣體排放具有影響[22-23]。研究[15]表明，內(nèi)蒙古典型草原的糞食性金龜群落以掘洞型和糞居型為主，滾糞球型種類(lèi)和數(shù)量均較少。采用野外控制實(shí)驗(yàn)，測(cè)定內(nèi)蒙古典型草原區(qū)糞居型(泥蜉金龜，Aphodiussordecens)和掘洞型(小駝嗡蜣螂，Onthophagusgibbulus)糞食性金龜對(duì)牛糞分解過(guò)程中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)釋放通量的影響，并分析其與環(huán)境因子的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市內(nèi)蒙古大學(xué)草地生態(tài)學(xué)研究基地(44°10′ N、116°28′ E)，海拔為1 102 m。該區(qū)域?qū)贉貛О敫珊档湫筒菰瓍^(qū)，年平均溫度為2.6 ℃，年均降水量約為280 mm，多集中在6—9月。地帶性土壤為栗鈣土。實(shí)驗(yàn)草地優(yōu)勢(shì)植物為克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)?；赜?011年開(kāi)始圍封，排除放牧對(duì)實(shí)驗(yàn)草地的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年7月中旬，在實(shí)驗(yàn)草地設(shè)置牛糞分解控制實(shí)驗(yàn)，研究小駝嗡蜣螂和泥蜉金龜以及兩者之間交互作用對(duì)牛糞分解所產(chǎn)生溫室氣體過(guò)程的影響。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理(表1)，各處理糞食性金龜放置數(shù)量由預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，每個(gè)處理均設(shè)置在自制糞金龜分解隔離系統(tǒng)中，重復(fù)5次，共25套隔離系統(tǒng)。

表1 實(shí)驗(yàn)處理

隔離系統(tǒng)采用20 cm×15 cm(直徑×高度)PVC管；管下端以1 mm孔徑尼龍網(wǎng)片封閉，允許水分通過(guò)，同時(shí)防止蜣螂掘洞并運(yùn)送育幼糞球至更深層土壤中；管上端以0.63 mm孔徑網(wǎng)眼鐵絲網(wǎng)封閉(或不封閉，表1)，不阻礙光照和雨水沖擊，但可阻止糞節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)出。安裝時(shí)，去除草地地表植物，挖出直徑約為20 cm、深度為15 cm的土壤后，放入隔離系統(tǒng)。取出的土壤(銨態(tài)氮含量為0.641 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量為5.205 mg·kg-1)過(guò)2 mm孔徑篩，并除去根系和石頭等雜物后，回填至隔離系統(tǒng)中，上端與草地地表大致平齊。設(shè)置5塊2 m×3 m草地，每塊草地隨機(jī)放置5個(gè)處理隔離系統(tǒng)。在隔離系統(tǒng)中相應(yīng)添加鮮牛糞于土表，并添加糞金龜。供試新鮮牛糞(含水量約為0.823 g·g-1，碳含量約為338.367 mg·g-1，氮含量約為15.698 mg·g-1)收集于毛登牧場(chǎng)，收集后放入冰箱冷凍48 h備用。試驗(yàn)前采用鮮牛糞堆糞誘捕法采集小駝嗡蜣螂和泥蜉金龜活體標(biāo)本，室內(nèi)飼養(yǎng)備用；供試泥蜉金龜體長(zhǎng)為5.5～7 mm，小駝嗡蜣螂體長(zhǎng)為9.5～11 mm。

1.3 溫室氣體排放通量測(cè)定

采用靜態(tài)箱法測(cè)定CO2、CH4和N2O通量。在2018年7月17日設(shè)置實(shí)驗(yàn)后，于無(wú)降雨、天氣晴朗的第1、5、9、13、20、25和54 d上午9：00—11：00抽取溫室氣體。靜態(tài)箱為無(wú)底的PVC制圓桶(直徑為20 cm，高為30 cm)，頂部中央開(kāi)2個(gè)直徑為3 mm的圓孔，分別用于安裝氣溫計(jì)和取樣口。每次布置地溫計(jì)后，取下0.63 mm孔徑網(wǎng)眼鐵絲網(wǎng)，將靜態(tài)箱扣于隔離裝置上方，分別于0、10、20和30 min時(shí)采用200 mL注射器從靜態(tài)箱頂部取樣口采集氣體，并快速將采集的氣體轉(zhuǎn)移至真空的200 mL氣體采集袋中；同時(shí)，采用地溫計(jì)和濕度測(cè)量計(jì)(Moisture Meter HH2，Delta-T Devices，英國(guó))測(cè)量土壤表層溫度和濕度。將氣體采集袋帶回實(shí)驗(yàn)室，采用氣相色譜儀(Agilent 7890A，Agilent Technologies，美國(guó))測(cè)定CO2、CH4和N2O濃度，溫室氣體排放通量計(jì)算公式為

(1)

1.4 實(shí)驗(yàn)期的氣象條件

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自?xún)?nèi)蒙古大學(xué)草地生態(tài)學(xué)研究基地ZENO自動(dòng)氣象站。實(shí)驗(yàn)持續(xù)2個(gè)月，初期(7月17—24日)和后期(8月27日—9月5日)降水較多，而中期(7月25日—8月6日)降水較少。7月末和8月初氣溫較高，隨后呈下降趨勢(shì)(圖1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

計(jì)算實(shí)驗(yàn)期不同處理各溫室氣體累計(jì)通量，并根據(jù)CH4排放效應(yīng)為CO2的25倍，N2O排放效應(yīng)為CO2的298倍計(jì)算溫室氣體CO2排放總通量。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，并將不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，不同處理數(shù)據(jù)間差異采用Duncan方法進(jìn)行比較。采用重復(fù)測(cè)量方差分析方法研究處理和時(shí)間及處理與時(shí)間交互作用對(duì)溫室氣體通量的影響差異；采用非線性回歸動(dòng)態(tài)擬合方法分析糞便產(chǎn)生溫室氣體與土壤溫度和濕度的關(guān)系，并評(píng)估氣象因素對(duì)糞塊分解中溫室氣體排放的影響；采用曲線擬合和差異性分析方法研究不同處理溫室氣體排放與溫度、濕度的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理和作圖分別采用SPSS 19.0和Sigmaplot 12.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糞食性金龜功能群對(duì)牛糞產(chǎn)生溫室氣體通量的影響

由表2可知，與CK相比，糞添加處理溫室氣體排放通量均顯著增加(P<0.05，)。與T0處理相比，T1處理糞便CO2排放和溫室氣體排放總通量顯著增加(P<0.05)。分解實(shí)驗(yàn)期間，小駝嗡蜣螂對(duì)溫室氣體排放總量有促進(jìn)作用，但與其他糞添加處理相比差異不顯著(P>0.05)。CO2總通量由CO2通量主導(dǎo)，CH4通量和N2O通量的作用相對(duì)較小。

由表3可知，不同糞食性金龜功能群處理和分解時(shí)間及兩者的交互作用對(duì)溫室氣體CO2、CH4和N2O通量均有顯著影響(P<0.001)。由圖2可知，實(shí)驗(yàn)初期(1 d時(shí))，與T0處理相比，T1、T2和T3 3種糞金龜處理甲烷通量顯著降低(P<0.05)，T1處理N2O通量顯著增加(P<0.05)；T1處理CO2通量和N2O通量顯著高于T2處理(P<0.05)。5 d時(shí)T2和T3處理CO2通量和溫室氣體排放總通量顯著低于其他糞添加處理(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)13 d時(shí)T2處理CO2和N2O通量顯著高于T0處理(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)25 d時(shí)相比于T0處理，含糞食性金龜處理溫室氣體排放總通量顯著增加(P<0.05)。糞分解50 d時(shí)，各糞添加處理溫室氣體排放總通量之間差異不顯著(P>0.05)。

2.2 土壤溫度和濕度對(duì)牛糞溫室氣體排放通量的影響

由圖3可知，CO2和CH4排放通量與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)，兩者在土壤濕度為11%～16%時(shí)達(dá)到最大值。N2O排放通量也隨土壤溫度增加而增加(P<0.01)，但與土壤濕度相關(guān)性未達(dá)顯著水平(P>0.05)。

2.3 土壤溫度和濕度與糞食性金龜功能群在糞便產(chǎn)生溫室氣體中的作用

由表4可知，經(jīng)曲線擬合及差異性分析，各處理僅N2O排放通量隨土壤溫度變化趨勢(shì)存在差異，其他不同處理溫室氣體排放通量都與溫度和濕度差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同處理3種溫室氣體排放通量及總通量

表3 糞食性金龜和分解時(shí)間對(duì)糞塊溫室氣體排放的重復(fù)測(cè)量方差分析

表4 不同處理溫室氣體通量與土壤溫度和濕度的斜率及截距差異分析

3 討論

動(dòng)物排泄物降解過(guò)程中產(chǎn)生大量溫室氣體，能使草地土壤由甲烷的匯轉(zhuǎn)變?yōu)槿踉碵9]，筆者研究結(jié)果與之一致。同時(shí)筆者研究結(jié)果表明牛糞分解所產(chǎn)生溫室氣體以CO2為主，CH4和N2O較少。糞食性金龜能影響動(dòng)物糞便分解過(guò)程中溫室氣體的產(chǎn)生[18-19]。不同糞食性金龜種類(lèi)，因其體型和筑巢、育幼行為不同，對(duì)糞便分解的影響不同[24]。筆者實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同糞食性金龜功能群(掘洞型和糞居型)對(duì)牛糞分解過(guò)程不同時(shí)期的溫室氣體排放均有影響。

3.1 糞食性金龜功能群差異影響糞便產(chǎn)生的溫室氣體通量

筆者研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)1 d時(shí)(新鮮糞便)，無(wú)糞金龜處理(T0)CH4通量顯著高于其他處理，即糞金龜處理(T1～T3處理)顯著降低CH4通量(P<0.05，圖2)，這與PENTTIL等[18]研究結(jié)果一致，這主要是因?yàn)榧S食性金龜打破了糞便內(nèi)部厭氧環(huán)境。小駝嗡蜣螂體型較大，擅長(zhǎng)掘洞，由糞便表面直接向糞便內(nèi)部打洞后，滾取一定糞球向地下輸送、貯存糞球，導(dǎo)致糞便及土壤物理結(jié)構(gòu)疏松[15]，使空氣容易進(jìn)入糞便內(nèi)部，減弱甲烷菌厭氧呼吸[18]。泥蜉金龜為糞居型甲蟲(chóng)，其龐大的生物量及劇烈的活動(dòng)，同樣會(huì)將大量空氣帶入糞便內(nèi)部，減弱甲烷菌厭氧呼吸，從而降低CH4排放。而無(wú)糞金龜處理糞塊內(nèi)無(wú)充足空氣，因此形成甲烷源。

泥蜉金龜處理(T1)促進(jìn)了CO2排放(表2)，尤其是實(shí)驗(yàn)初期(1～5 d時(shí))CO2排放處于較高水平(圖2)，泥蜉金龜也顯著促進(jìn)了新鮮糞便(1 d)N2O通量的增加(P<0.05，圖2)。這可能與泥蜉金龜糞居，在糞便中劇烈活動(dòng)，促進(jìn)微生物活動(dòng)有關(guān)[17]。相反，5 d時(shí)小駝嗡蜣螂處理(T2～T3)CO2通量顯著減少(P<0.05，圖2)。這可能是由于小駝嗡蜣螂活動(dòng)和采食糞液[12]加快了糞塊水分損失，影響糞塊微生物群落，減緩糞便分解和溫室氣體釋放；同時(shí)，小駝嗡蜣螂向下挖掘隧道，運(yùn)移貯存糞球，減少了地表糞便，也使溫室氣體排放減少[18,25](圖2)。因此，實(shí)驗(yàn)初期T2處理CO2和N2O通量顯著低于T1處理(P<0.05，圖2)。但13 d時(shí)，T2處理CO2和N2O通量顯著高于其他各處理(P<0.05)，這可能是由于小駝嗡蜣螂挖掘隧道，運(yùn)移糞球，導(dǎo)致整個(gè)地下部分(包括土壤和糞球)分解產(chǎn)生溫室氣體速度加快。糞金龜組合處理(T3)溫室氣體排放并未顯著減少或增加(P>0.05，表2)，表明2種糞金龜組合對(duì)糞便溫室氣體排放沒(méi)有顯著交互作用。

3.2 溫度和濕度變化影響糞便溫室氣體通量

實(shí)驗(yàn)前期，糞食性金龜處理溫室氣體排放通量均有所降低，13 d時(shí)排放通量達(dá)到最大值。這與其他研究[18,20]不一致。這可能是由于實(shí)驗(yàn)初期連續(xù)陰雨，氣溫較低，糞食性金龜活動(dòng)改變了糞便和土壤狀況，導(dǎo)致土壤水熱氣條件并不利于微生物活動(dòng)；而在實(shí)驗(yàn)13 d時(shí)，天氣晴朗，氣溫升高，土壤溫、濕度和通氣會(huì)促進(jìn)微生物活動(dòng)，致使糞便產(chǎn)生的溫室氣體短時(shí)間內(nèi)“噴發(fā)”。

謝軍飛等[26]研究結(jié)果表明CH4排放通量隨土壤溫度的升高而增加，筆者研究結(jié)果與之一致(P<0.001，圖3)。土壤溫度通過(guò)影響微生物活性來(lái)影響CH4通量，這對(duì)土壤和糞便的影響是一致的。劉芳等[27]發(fā)現(xiàn)CH4通量會(huì)隨著稻田土壤含水率的增加而顯著增加，EVANS等[12]發(fā)現(xiàn)北方溫帶草原糞分解過(guò)程中CH4通量與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系。筆者研究中CH4排放通量最大值出現(xiàn)在土壤濕度為11%～16%時(shí)，CH4排放通量與土壤濕度相關(guān)不顯著，這可能是與實(shí)驗(yàn)期間氣象條件有關(guān)(圖3)，土壤濕度為11%～16%時(shí)土壤溫度也較高，適宜的土壤濕度和較高的土壤溫度滿(mǎn)足了CH4微生物活動(dòng)的適宜條件，導(dǎo)致CH4排放通量最大。

土壤溫度是影響CO2排放的關(guān)鍵因素[21]，土壤溫度為10～35 ℃時(shí)土壤呼吸速率呈指數(shù)增長(zhǎng)[28]，筆者研究結(jié)果與之一致(P<0.001，圖3)。研究[29]表明，土壤濕度過(guò)大或過(guò)小均導(dǎo)致土壤呼吸銳減，筆者研究結(jié)果與之一致。土壤呼吸隨土壤含水量增加而增加[30]，但低溫條件下濕潤(rùn)土壤呼吸速率可能與溫暖條件下較干燥土壤呼吸速率相同[31]。筆者試驗(yàn)期間，土壤較為濕潤(rùn)，CO2排放主要受土壤溫度條件主導(dǎo)，適宜的土壤溫度和濕度條件導(dǎo)致CO2大量排放，進(jìn)一步造成CO2通量與土壤濕度呈單峰趨勢(shì)(圖3)。

筆者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，N2O排放主要由土壤溫度決定(P<0.001，圖3)，與土壤濕度相關(guān)不顯著(P>0.05，圖3)。土壤溫度對(duì)N2O排放速率的影響，主要通過(guò)影響微生物活動(dòng)強(qiáng)度和土壤中N2O傳輸速率[26]。KAMP等[32]發(fā)現(xiàn)，5—10月增熱區(qū)土壤N2O排放速率是對(duì)照區(qū)的3倍。而DORLAND等[33]發(fā)現(xiàn)N2O通量的平方根與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系。筆者研究同樣發(fā)現(xiàn)N2O通量與土壤溫度呈線性關(guān)系(P<0.001，圖3)。但筆者研究發(fā)現(xiàn)N2O排放與土壤濕度相關(guān)不顯著(P>0.05，圖3)，這可能是由于低氮地區(qū)N2O排放并不受土壤濕度脅迫導(dǎo)致[34]。

4 結(jié)論

筆者研究結(jié)果表明，土壤溫度和土壤濕度直接影響微生物活性，是主導(dǎo)糞便溫室氣體排放的基本因素；CO2、CH4和N2O排放量均隨著土壤溫度升高而增大；實(shí)驗(yàn)前期降水多導(dǎo)致土壤濕度穩(wěn)定，土壤溫度是影響實(shí)驗(yàn)前期溫室氣體排放的主導(dǎo)因素。糞食性金龜活動(dòng)改變了糞塊及土壤通氣結(jié)構(gòu)，有效提高了新鮮期糞塊內(nèi)部空氣含量，降低了CH4排放通量；掘洞型小駝嗡蜣螂采食、向下轉(zhuǎn)移和貯存糞球的行為，減緩了微生物活動(dòng)，有效降低了CO2通量；糞居型泥蜉金龜生物量大，在糞便中的劇烈活動(dòng)促進(jìn)了微生物活動(dòng)，增加了CO2和N2O排放；2種糞金龜組合對(duì)糞便溫室氣體排放沒(méi)有顯著交互作用。小駝嗡蜣螂與泥蜉金龜屬于不同糞食性金龜功能群，兩者不同筑巢、育幼行為導(dǎo)致糞便物理結(jié)構(gòu)發(fā)生不同變化，進(jìn)而導(dǎo)致不同時(shí)期各處理溫室氣體排放量的差異。隨著土壤溫度增加，添加糞食性金龜處理牛糞N2O排放通量隨之增加，表明土壤溫度影響了糞食性金龜在分解牛糞產(chǎn)生溫室氣體過(guò)程中的作用。因此糞食性金龜作為生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分，對(duì)糞便分解過(guò)程中溫室氣體排放起到了關(guān)鍵作用。