吳崇源, 毛 楠, 郭 川, 劉 楠, 楊高文,張英俊

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué), 北京 100093)

氣候變暖已經(jīng)成為社會(huì)各界普遍關(guān)注的國(guó)際問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在第六次報(bào)告中也指出,日益加劇的溫室效應(yīng)將給人類和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的危害[1]。溫室氣體是大氣中的微量或者痕量氣體成分,自上世紀(jì)中葉以來(lái),引起溫室效應(yīng)的溫室氣體在不斷積聚[2],特別是CH4氣體的濃度在持續(xù)增加,其增溫效應(yīng)可占溫室氣體總增溫效應(yīng)的14%[3]。由此看來(lái),減少CH4的排放量對(duì)于減緩溫室效應(yīng)顯得尤為重要。

CH4主要來(lái)源于自然環(huán)境、能源利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等[4],這是一種在百年時(shí)間尺度上都能長(zhǎng)期存在的溫室氣體,它的強(qiáng)烈輻射性嚴(yán)重影響著地球的能量平衡以及全球的氣候變化[5]。草地作為一個(gè)巨大的陸地碳庫(kù),具有較為顯著的“碳匯”潛力[6],放牧是草地最主要的利用方式之一[7],其會(huì)影響CH4在草地土壤與大氣之間的交換通量,使得草地在不同的外界條件下發(fā)揮“碳匯”或者“碳源”的角色[8]。放牧牛羊等反芻動(dòng)物被視為農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要來(lái)源,它們排放的CH4約占全球CH4排放量的15%[9]。而休牧指的是在某段時(shí)間內(nèi)禁止實(shí)行放牧活動(dòng)的一種草地管理措施[10],實(shí)際生產(chǎn)中一般選擇在春季、夏季和秋季進(jìn)行,也可以根據(jù)具體需要在不同季節(jié)采取休牧措施[11],此途徑能夠合理有效地治理退化草地,而且成本相對(duì)較小,在保護(hù)植物正常生長(zhǎng)繁殖的同時(shí)也有助于改善土壤的結(jié)構(gòu)狀況[12-13]。

本研究以呼倫貝爾地區(qū)的溫性草甸草原放牧系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過(guò)監(jiān)測(cè)放牧季的草地土壤CH4通量,測(cè)定放牧綿羊的CH4排放量,探討草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度,為緩解全球溫室效應(yīng)以及助推呼倫貝爾地區(qū)草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和更加優(yōu)化的草地放牧管理方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗特尼河農(nóng)牧場(chǎng)有限公司第九(連)隊(duì),海拔628～649 m,屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候[14],年均溫-3℃～0℃,2022年最低氣溫和最高氣溫分別是-39℃和33.7℃,年均降水量350～400 mm,且大部分降水集中在6—9月份。該地區(qū)草地土壤類型為黑鈣土或者暗栗鈣土,表層土壤(0～10 cm)的總有機(jī)碳含量約為3.06%,全氮含量約為0.31%,土壤pH值為6.71。植被以羊草(Leymuschinensis)為主要優(yōu)勢(shì)種,并伴生二裂委陵菜(Potentillabifurca)、草地早熟禾(Poapratensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和苔草(Carexduriuscula)等植物。

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地在2022年6—9月份進(jìn)行放牧利用,將整個(gè)放牧季(6月15日—9月15日)分為3個(gè)時(shí)期:春季(Spring,S1,6月15日—7月15日),夏季(Summer,S2,7月15日—8月15日)和秋季(Autumn,S3,8月15日—9月15日)。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),以圍封(Enclosure,CK)處理為對(duì)照,設(shè)置1個(gè)持續(xù)放牧(Continuous grazing,CG)處理和3個(gè)季節(jié)性休牧處理,包括早期休牧(Early-resting,R1)、中期休牧(Mid-resting,R2)和晚期休牧(Late-resting,R3)。CG是指在S1—S3時(shí)期始終進(jìn)行適度放牧;R1,R2和R3指的是分別在S1,S2以及S3時(shí)期進(jìn)行休牧。根據(jù)小區(qū)中牧草的現(xiàn)存量,通過(guò)采取將綿羊移入和移出的方式對(duì)放牧率進(jìn)行調(diào)整(表1),使牧后的牧草現(xiàn)存量不至于過(guò)低;試驗(yàn)地設(shè)置了3個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組包括5個(gè)小區(qū),共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每個(gè)季節(jié)性休牧小區(qū)面積約1 ha,而CK和CG處理小區(qū)面積約0.5 ha。

表1 各處理在不同季節(jié)以及整個(gè)放牧季的放牧率Table 1 Stocking rates of treatments in different season and the whole grazing season

1.2.2氣體的監(jiān)測(cè) 本試驗(yàn)使用LI-7810 CH4/CO2/H2O痕量氣體分析儀監(jiān)測(cè)草地土壤的CH4氣體通量[15]。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選擇3個(gè)均勻一致的位點(diǎn),在正式測(cè)定前2周,我們?cè)诿總€(gè)位點(diǎn)都將一個(gè)高12 cm、內(nèi)徑20 cm的PVC呼吸環(huán)置入土壤7 cm深處,地上部分所留高度為5 cm。每次正式測(cè)定前24 h,先將呼吸環(huán)中的綠色植物齊地面刈割[16],然后再進(jìn)行氣體通量的監(jiān)測(cè),頻率約為每周監(jiān)測(cè)1次,且均選擇晴朗天氣的上午9—12點(diǎn)進(jìn)行[17]。

對(duì)于綿羊排放的CH4氣體測(cè)定,選擇試驗(yàn)地第3區(qū)組中的放牧小區(qū),每個(gè)小區(qū)標(biāo)記6只體況相近的綿羊供試驗(yàn)使用。在每個(gè)放牧?xí)r期,使用呼吸面罩法在2 min內(nèi)為每只綿羊采集200 mL氣體樣品,且連續(xù)進(jìn)行3天,每次采集完畢后立刻轉(zhuǎn)入200 mL真空鋁箔集氣袋中并保存在常溫避光的環(huán)境中[18],及時(shí)利用痕量氣體分析儀閉合回路小體積氣體測(cè)定法分析其中的CH4濃度(μg·L-1),并根據(jù)所采集樣品的時(shí)間和體積以及濃度單位換算為綿羊每日CH4排放量(g·d-1)。最后,計(jì)算出土壤CH4吸收量與綿羊CH4排放量的比值并將其作為草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)的錄入與整理使用的是Office中的Excel 2019表格(Microsoft Inc.,USA),數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)分析之前都進(jìn)行了正態(tài)性檢驗(yàn)并且均符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)使用“平均值”的方式進(jìn)行表示。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 23(USA)中完成,不同時(shí)期以及不同處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA),差異顯著性水平為P<0.05,差異極顯著水平為P<0.01,并運(yùn)用Duncan法進(jìn)行多重比較;對(duì)于圖形的繪制,利用RStudio 4.1.1(AUS)軟件進(jìn)行可視化制作,用到的工具包包括“rio”“tidyverse”“ggplot2”以及“ggpubr”等。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性休牧對(duì)草地土壤CH4通量特征的影響

圖1是在放牧季監(jiān)測(cè)的草地土壤CH4通量的動(dòng)態(tài)變化特征,由圖中結(jié)果可知:每次監(jiān)測(cè)的通量均為負(fù)值,說(shuō)明此區(qū)域的土壤是吸收CH4的;吸收通量在各測(cè)定日期之間差異極顯著(P<0.001),變化范圍為25.37～79.46 μg·m-2·h-1,而且監(jiān)測(cè)中期的吸收通量要明顯小于其他時(shí)期;不同處理的CH4吸收通量也存在極顯著的差異(P<0.001),CG處理最高而CK處理最低,CG處理的吸收通量比CK,R1和R3處理分別高42.66%,13.59%以及33.65%,但CG和R2處理之間差異不顯著,而且R1和R2處理之間以及CK和R3處理之間均不存在顯著差異,但是R1和R2處理的氣體通量顯著高于CK和R3處理。

圖1 放牧季各處理土壤CH4通量的動(dòng)態(tài)特征Fig.1 Dynamic characteristics of soil methane fluxes in different grazing treatments during grazing season注:CK,圍封;CG,持續(xù)放牧;R1,早期休牧;R2,中期休牧;R3,晚期休牧。下同。不同的大寫(xiě)字母表示不同測(cè)定日期之間所有處理的通量均值差異顯著(P<0.05)Note:CK,Enclosure;CG,Continuous Grazing;R1,Early-resting;R2,Mid-resting;R3,Late-resting. The same as below. Different capital letters indicate a significant difference about the mean fluxes of treatments between different monitoring dates at the 0.05 level

2.2 季節(jié)性休牧對(duì)草地土壤CH4吸收的影響

在整個(gè)放牧季,不同處理之間的土壤CH4吸收存在極顯著的差異(P<0.001,圖2),CG處理吸收的最多,可以達(dá)到0.45 kg·ha-1·month-1;而CK處理吸收的最少,僅為0.32 kg·ha-1·month-1,CG,R1和R2處理的CH4吸收都顯著高于CK和R3處理,吸收量在CG,R1和R2處理之間以及CK和R3處理之間差異均不顯著,但是CG比R1和R2處理分別多吸收6.28%以及7.99%,且R3比CK處理多吸收5.68%。

圖2 放牧季各處理的土壤CH4吸收Fig.2 The methane uptake of soil under different grazing treatments during grazing season注:不同的小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments at the 0.05 level

2.3 季節(jié)性休牧對(duì)放牧綿羊CH4排放的影響

綿羊的CH4排放量如圖3所示,其在2022年各放牧?xí)r期以及同一時(shí)期不同處理之間差異均極顯著(P<0.001),S2時(shí)期的18.83 g·day-1和S3時(shí)期的18.76 g·day-1都極顯著高于S1時(shí)期的18.42 g·day-1。R3處理在S1和S2時(shí)期均具有最高的排放量,分別為18.86 g·day-1和19.19 g·day-1;而在S3時(shí)期,排放量最高的是R1處理,達(dá)到18.92 g·day-1。

圖3 各時(shí)期不同放牧處理中的綿羊CH4排放量Fig.3 The methane emissions from sheep under different grazing treatments in the different grazing seasons注:不同的大寫(xiě)字母表示不同放牧?xí)r期之間差異極顯著(P<0.001),不同的小寫(xiě)字母表示同一放牧?xí)r期不同處理之間差異極顯著(P<0.001)Note:Different capital letters indicate a significant difference at the 0.001 level between different grazing seasons;different lowercase letters a significant difference between different grazing treatments within the same grazing season at the 0.001 level

根據(jù)圖4中的結(jié)果,可以看出綿羊的CH4排放量在不同處理之間差異極顯著(P<0.001)。R3處理的綿羊CH4排放量最高,可以達(dá)到19.03 g·day-1;而排放量最少的是R2處理,為18.27 g·day-1;而且R3處理的CH4排放量要比CG,R1和R2處理分別高2.04%,1.60%和4.16%。

圖4 S1—S3時(shí)期不同放牧處理中的綿羊CH4排放量Fig.4 The methane emissions from sheep methane in different grazing treatments of S1—S3注:不同的小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異極顯著(P<0.001)Note:Different lowercase letters indicate an extreme significant difference between different grazing treatments at the 0.001 level

2.4 季節(jié)性休牧對(duì)草地土壤CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度的影響

圖5是草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度,其在3個(gè)放牧?xí)r期之間差異極顯著(P<0.001),最高的是S1時(shí)期,貢獻(xiàn)度為8.50%,S2時(shí)期的7.72%次之,S3時(shí)期的7.35%最少。草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度在同一時(shí)期的不同處理之間也都存在極顯著的差異(P<0.001),S1時(shí)期的R2處理要分別比CG和R3處理低25.03%以及18.54%;S2時(shí)期的R1處理要分別比CG和R3處理低38.92%以及43.54%;而在S3時(shí)期,R1處理則比CG和R2處理分別低51.55%以及18.12%。

圖5 溫性草甸草原放牧系統(tǒng)中的土壤CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度Fig.5 The contribution of soil methane “carbon sink” in the grazing system in temperate meadow steppe注:不同的大寫(xiě)字母表示貢獻(xiàn)度在S1,S2和S3時(shí)期之間差異極顯著(P<0.001),不同的小寫(xiě)字母表示同一放牧?xí)r期不同處理之間差異極顯著(P<0.001)Note:Different capital letters indicate a significant difference at the 0.001 level about contribution between S1,S2 and S3;the different lowercase letters indicate a significant difference at the 0.001 level between different grazing treatments within the same grazing season

在S1—S3時(shí)期,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度在不同處理之間也存在極顯著的差異(P<0.001),CG處理的貢獻(xiàn)度最高而R1處理最低,分別為9.71%和4.85%,R2和R3處理的貢獻(xiàn)度則分別是6.73%以及9.23%。

3 討論與結(jié)論

3.1 季節(jié)性休牧對(duì)草地土壤CH4吸收的影響

草地土壤是CH4十分重要的吸收“匯”[20]。在本研究中,放牧季草地土壤的CH4通量在監(jiān)測(cè)期間始終是負(fù)值,說(shuō)明此地區(qū)的草地土壤在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期是吸收CH4氣體的,也就是發(fā)揮“碳匯”的功能。這與之前在呼倫貝爾草甸草原生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果是一致的[21],其研究通過(guò)野外定位觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)放牧和圍封草地均表現(xiàn)為CH4的吸收“匯”,而且觀測(cè)期間的吸收通量變化范圍與本研究監(jiān)測(cè)結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)CG,R1和R2處理的土壤CH4-C累積吸收量極顯著高于CK和R3處理(P<0.001),可能是因?yàn)镃K和R3處理的植被地上生物量較高,植物的遮蓋作用會(huì)減少土壤水分的蒸發(fā)量,較高的土壤含水率則會(huì)減緩氣體分子在土壤與大氣之間的擴(kuò)散速度[22],從而使它對(duì)CH4的氧化吸收量少于其他3個(gè)處理。

3.2 季節(jié)性休牧對(duì)放牧綿羊CH4排放的影響

3.3 季節(jié)性休牧對(duì)草地土壤CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度的影響

草地生態(tài)系統(tǒng)在溫室氣體收支平衡中發(fā)揮著十分重要的“碳匯”功能,這對(duì)于全球生態(tài)系統(tǒng)的“固碳”過(guò)程有著積極影響[29]。我們發(fā)現(xiàn)溫性草甸草原放牧系統(tǒng)的草地土壤是CH4的“碳匯”,其可以通過(guò)氧化吸收抵消反芻動(dòng)物排放或者土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的部分CH4氣體,發(fā)揮了一定程度的減排作用而且貢獻(xiàn)度是5%～10%。在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的研究發(fā)現(xiàn)夏季放牧地在生長(zhǎng)季的CH4吸收總量對(duì)年吸收總量的貢獻(xiàn)比例可達(dá)到61%[30],這同樣說(shuō)明草地在吸收CH4以及緩解氣候變化等方面發(fā)揮著重要的貢獻(xiàn)[31]。在我們的研究中,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度在不同放牧?xí)r期之間以及同一時(shí)期不同處理之間都具有極顯著的差異(P<0.001),其在S1時(shí)期最高,這與綿羊在S1時(shí)期的CH4排放量最少有關(guān),而貢獻(xiàn)度在S3時(shí)期最低,可能是因?yàn)檫@一時(shí)期綿羊的CH4排放量最多但是草地土壤對(duì)其的吸收卻是最少的,所以表現(xiàn)出不同的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度。

在S1—S3時(shí)期,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻(xiàn)度在不同處理之間也具有極顯著的差異(P<0.001),由高到低進(jìn)行排序依次是CG,R3,R2以及R1處理。這可能存在以下幾方面原因:一是不同放牧處理中綿羊的CH4排放量是顯著不同的[32],就會(huì)使草地土壤在吸收CH4方面的能力有高有低;二是土壤中存在的甲烷氧化菌等微生物對(duì)放牧活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)[33],而且土壤理化性質(zhì)等因素也會(huì)影響CH4吸收量;三是草地土壤氧化吸收氣體的過(guò)程受到放牧壓的調(diào)控也會(huì)導(dǎo)致貢獻(xiàn)度發(fā)生變化[34]。

綜上所述,溫性草甸草原土壤在整個(gè)放牧季都是溫室氣體CH4的吸收“匯”,持續(xù)放牧處理的吸收量最多而圍封處理吸收最少,放牧綿羊在晚期休牧處理中的CH4排放量最高,在中期休牧處理中排放量最少。從有效發(fā)揮草地“碳匯”功能的角度考慮,適度的持續(xù)放牧和中期休牧處理是適合當(dāng)?shù)氐牟莸胤拍凉芾矸绞健?/p>