生态学报  2014, Vol. 34 Issue (3): 674-681

文章信息

贺桂香, 李凯辉, 宋韦, 公延明, 刘学军, 胡玉昆, 田长彦
HE Guixiang, LI Kaihui, SONG Wei, GONG Yanming, LIU Xuejun, HU Yukun, TIAN Changyan
新疆天山高寒草原不同放牧管理下的CO2,CH4和N2O通量特征
The fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in alpine grassland of the Tianshan Mountains, Xinjiang
生态学报, 2014, 34(3): 674-681
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(3): 674-681
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201209221338

文章历史

收稿日期:2012-9-22
修订日期:2013-6-21
新疆天山高寒草原不同放牧管理下的CO2,CH4和N2O通量特征
贺桂香1, 2, 李凯辉1, 2, 宋韦1, 2, 公延明1, 刘学军1, 3 , 胡玉昆1, 田长彦1    
1. 中国科学院干旱区生物地理与生物资源重点实验室中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
摘要:以中国科学院新疆巴音布鲁克草原生态站为依托,于2010年5月-2011年10月利用静态箱-气相色谱法对短期禁牧(2005年围封)、长期禁牧(1984年围封)和自由放牧(冬季放牧)3种草地的CO2、CH4、N2O气体通量进行了野外连续试验研究。结果表明:新疆天山高寒草原对CO2,CH4和N2O通量表现出明显的季节排放特点。在植物的生长季(5-10月),新疆天山高寒短期禁牧、长期禁牧和自由放牧草原的CO2通量平均值分别为:(89.8±49.3)、(52.8±28.7)、(57.0±30.7)mg · m-2 · h-1,CH4通量平均值分别为:(-66.3±21.3)、(-104.5±32.8)、(-103.0±39.0)μg · m-2 · h-1,N2O通量平均值分别为:(21.2±11.8)、(13.6±6.9)、(13.2±6.2)μg · m-2 · h-1;短期禁牧草原与长期禁牧和自由放牧草原CH4平均通量具有显著性差异(P < 0.05),但CO2和N2O差异不显著(P > 0.05)。在植物的非生长季(11月-翌年4月),新疆天山高寒短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧草原的3种温室气体的通量较低且差异均不显著。
关键词天山    高寒草原    CO2    CH4    N2O    
The fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in alpine grassland of the Tianshan Mountains, Xinjiang
HE Guixiang1, 2, LI Kaihui1, 2, SONG Wei1, 2, GONG Yanming1, LIU Xuejun1, 3 , HU Yukun1, TIAN Changyan1    
1. Key Laboratory of Biogeography and Bioresource in Arid Land, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract:With growing concerns on impacts of human activities and global warming on Alpine grasslands, comprehensive understanding of the sources and sinks of greenhouse gases becomes increasingly more important. The understanding is closely related to the progress on biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in terrestrial ecosystems. Carbon dioxide, methane and nitrous oxide are the three most important greenhouse gases, which are considered to account for 80% contribution to global warming potential. The alpine grassland of Xinjiang is a typical temperate arid region of grasslands. The study was conducted at the Bayinbuluk Grassland Eco-system Research Station, Chinese Academy of Sciences(83°43'E,42°54'N). Bayinbuluk alpine grassland is located in the southern Tianshan mountains. Xinjiang Uygur AutonoMous Region, central Asia and covers a total area of approximately 2.3×104 km2. Bayinbuluk alpine grassland is the typical temperate arid alpine grassland, which is the second largest grassland of China after Inner Mongolia Grassland. As we all know, the grassland ecosystem has degenerated seriously and grazing prohibition is a frequently-used solution to prevent grass grassland degradation. While, it is still unknown that grazing prohibition impacts greenhouse gases fluxes in some degree. The study of carbon dioxide, methane and nitrous oxide of long-term grazing-prohibition grass(1984), short-term grazing-prohibition grass(2005) and free grazing grass in Bayinbuluk alpine grassland is meaningful, which will deepen our understanding of greenhouse gases fluxes in the alpine grassland ecosystem, help us assess global warming, parameterize Earth System models and get more comprehensive grasp of the impact of grazing prohibition on the grassland ecosystem.

Using opaque, static, manual stainless steel chambers and gas chromatography, the fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide of long-term grazing-prohibition grass, short-term grazing-prohibition grass and free grazing grass were measured through the continuous experiment in situ from May 2010 to October 2011(no sampling in January and February 2011 because of the very low temperatures, about -40℃). Four times per month during the growing season(from May to October) and twice per month during non-growing (from November to next year April) season at all sites. According to the results of field experiment, the alpine grassland of Xinjiang is the sources of carbon dioxide and nitrous oxide; it is the sinks of methane. In the growing season, CO2 average fluxes of short-term grazing-prohibition, long-term grazing-prohibition and free grazing are (89.8±49.3),(52.8±28.7), (57.0±30.7)mg · m-2 · h-1; CH4 fluxes averaged out to (-66.3±21.3), (-104.5±32.8), (-103.0±39.0) μg · m-2 · h-1; CH4 fluxes averaged out to (21.2±11.8), (13.6±6.9), (13.2±6.2) μg · m-2 · h-1. Our results indicated that: (1) Nitrous oxide fluxes showed a significant correlation with carbon dioxide fluxes in three kinds of grasslands. (2) In the growing season, the difference of greenhouse gases fluxes between long-term grazing-prohibition grass and free grazing grass were not significant, while short-term grazing-prohibition grass has higher fluxes of carbon dioxide and nitrous oxide and lower fluxes of methane. (3) In growing season, the fluxes of methane of short-term grazing-prohibition grass showed significant difference with long-term grazing-prohibition grass and free grazing grass. But the difference of growing-season average carbon dioxide and nitrous oxide fluxes did not reach the significance level of 0.05. (4) In non-growing season, no significant differences between the fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide were found in long-term grazing-prohibition grassland, short-term grazing-prohibition grassland and free grazing grassland.

Key words: Tianshan Mountains    alpine grassland    carbon dioxide    methane    nitrous oxide    

CO2、CH4和N2O作为大气中最重要的3种温室气体,对温室效应的贡献率约为80%[1],其吸收与排放是近年来温带草原研究的热点[2, 3, 4]。高寒草原是亚欧大陆的主要草原类型之一,不仅是主要的畜牧业发展区,而且在全球温室气体(CO2、CH4、N2O)收支平衡中起着重要的作用[5]。新疆巴音布鲁克草原是我国最大的干旱区高寒草原之一,在温带高寒草原中具有代表性[6]。但我国目前有关草原温室气体排放的研究主要集中在内蒙古半干旱草原和青藏高原高寒草原,如:CO2、CH4、N2O通量的空间变异分析[7],增温、氮沉降、灌溉对内蒙古草原温室气体通量的影响[8, 9]及放牧导致草原氧化亚氮的排放减少[10],氮沉降增加对温室气体通量的短期效应等[11],而对新疆高寒草原温室气体排放的研究较少[12]

放牧是草原生态系统最主要的土地利用方式之一,但由于近年来对草原的过度利用,使得草地生态系统遭受了极严重的破坏。禁牧作为一种恢复草地生态系统服务价值的主要方式, 得到了广泛的应用。但研究表明:禁牧在一定时间内可以提高草原物种多样性和生态系统服务功能,但长期禁牧不利于草原物种多样性和生态系统服务功能的提高和维持[13, 14]。禁牧时间对温室气体排放的影响也是零星报道[15]。因此,开展短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧条件下CO2、CH4和N2O的排放通量研究,将有利于了解新疆高寒草原主要温室气体通量的特征,对于准确估算草地生态系统与大气间的碳氮交换量,正确评价草原生态系统在全球碳氮循环中的地位和作用以及制定科学合理的禁牧制度提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

中国科学院新疆巴音布鲁克草原生态研究站位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县巴音郭楞乡阿尔嘎特村。地处天山南坡中段大尤尔都斯盆地西部,83°43′ E,42°54′N,海拔高度2470m。大尤尔都斯盆地地貌类型复杂,整个地域东西长270km,南北宽136km,总面积为2.3×104 km2[11]

研究站周围土壤为亚高山草原土,成土母质为黄土,表土干燥紧实。根据当地的气象数据(1980—1999年),研究站的年平均气温为-4.8℃,最冷月(1月)的平均温度为-27.4℃,最热月(7月)的平均温度为11.2℃。年平均风速2.7m/s,年降水量平均265.7mm,年蒸发潜力高达1022.9—1247.5 mm,年日照2466—2616h,全年积雪日达150—180d,无绝对无霜期,属典型的高寒气候(生长季为5月—9月,非生长季为10月—翌年4月)。所选样地围牧前均为自由放牧场,长期禁牧、短期禁牧样地分别于1984年、2005年禁牧,围牧后为完全禁牧。

1.2 研究方法

气体利用静态暗箱法采样,采样箱体积为50cm×50cm×10cm,采样频率为生长季每个月4次,非生长季为每个月2次(2011年1月—2月气温极低,约-40℃,没有进行采样)。采样时间均为北京时间12:00—14:00。采样时选择地势较平坦的样方放置采样箱,观测时将采样箱放入已插入土壤10cm深处的不锈钢底座外缘四周的凹槽中,并用蒸馏水密封,每次观测设4个重复。采气持续时间为30min,分别抽取盖箱后0,15和30min时的气体样品,每次采样时抽取观测箱内气体约100mL置于密封气袋中,用于气体浓度的分析。气体样品从野外采回后,气体浓度于1周内在实验室内利用Agilent4890D气相色谱仪进行分析。

数据分析采用Excel 2007进行统计分析,并用Sigma Plot 10.0作图。

1.3 通量计算

气体的通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化。一般正值表示气体从土壤排放到大气,负值表示土壤吸收大气中的该气体,用公式表示为:

式中,F为CO2、CH4和N2O排放通量(mg·m-2·h-1,μg·m-2·h-1和μg·m-2·h-1);ρ 为三者标准状态下的密度,M为3种气体的摩尔质量(g/mol),V是标准状态下气体的摩尔体积;h是经过水层高度调整后采样箱顶部距水面的实际高度(m),为采样过程中采样箱内CO2、CH4和N2O的浓度变化率(mL·m-3·h-1或 μL·m-3·h-1 ),即不同时间与箱内气体浓度变化的斜率,在30min内密闭观测箱内呈线性累积(P<0.05)的浓度计算的排放通量为有效排放通量观测值,其它值视为无效数据;T为采样时大气的平均温度(℃)。

2 结果与分析 2.1 CO2排放通量

新疆巴音布鲁克高寒草原表现为大气CO2的源。从图1可以看出:3种不同放牧管理模式下的CO2源的季节变化形式基本一致,但吸收强度有所差别。与短期禁牧相比,自由放牧很大程度上降低了土壤CO2排放,但二者差异不显著(P>0.05)。

图 1 新疆天山高寒草原不同放牧强度下CO2月平均通量值 Fig. 1 CO2 monthly average fluxes under different grazing degree in alpine grasslands of Tianshan mountains

3种类型天然草原对CO2排放的季节表现形式是以生长季为排放峰值的单峰曲线。2010年生长季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原的CO2排放的峰值分别为: 163.8,89.8和86.7mg·m-2·h-1。2011年生长季,三者的CO2排放的峰值分别为: 194.1,103.7和122.8mg·m-2·h-1。而非生长季CO2的排放量很低,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原CO2的排放范围分别为:2.0—16.9 mg·m-2·h-1,2.0—10.0 mg·m-2·h-1,2.6—6.7 mg·m-2·h-1

2.2 CH4吸收通量

图2表明了CH4地气交换在植物生长季和非生长季(包括春季融化阶段)的变化特点,在植物的生长季和非生长季,新疆天山高寒草原对CH4的作用表现为吸收。从表1可以看出:长期禁牧与自由放牧对CH4的吸收具有高度一致的季节变化形式与吸收强度,短期禁牧与长期禁牧以及自由放牧的CH4吸收强度均具有显著性差异(P<0.05),但表现出较大的年际波动。

图 2 新疆天山高寒草原不同放牧强度下CH4月平均通量值 *表示达到了0.05的显著性水平 Fig. 2 CH4 monthly average fluxes under different grazing degree in alpine grasslands of Tianshan mountains

3种类型天然草原对CH4排放的季节表现形式为以生长季为吸收峰值的单峰曲线。2010年生长季,短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧的CH4吸收峰值分别为:82.7,107.3和113.4μg·m-2·h-1;2011年生长季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的CH4吸收峰值为别为:90.5,185.3和212.6μg·m-2·h-1。而非生长季CH4的吸收值较低,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原对CH4的吸收范围分别为: 7.3—18.3 μg·m-2·h-1,10.6—33.3 μg·m-2·h-1,5.0—25.0 μg·m-2·h-1

图 3 新疆天山高寒草原不同放牧强度下N2O月平均通量值 Fig. 3 N2O monthly average fluxes under different grazing degree in alpine grasslands of Tianshan mountains
2.3 N2O排放通量

新疆天山高寒草原是N2O的源(图3),短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧的季节变化形式基本一致。从排放强度来说,长期禁牧与自由禁牧对N2O排放的强度基本相同,短期禁牧对N2O排放的强度大于长期禁牧与自由放牧,但均不显著(P<0.05)。

3种类型天然草原对N2O排放的季节表现形式为以生长季为吸收峰值的单峰曲线。2010年生长季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的N2O排放峰值分别为:40.1,24.4和23.5μg·m-2·h-1;2011年生长季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的N2O排放峰值为别为:19.5,16.8和16.3μg·m-2·h-1。而非生长季N2O的排放量很低,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原N2O的排放范围分别为:4—8.5 μg·m-2·h-1,2—6.8 μg·m-2·h-1 ,2—5.6 μg·m-2·h-1

2.4 新疆天山高寒草原CO2、CH4和N2O通量季节变化

新疆天山高寒草原CO2、CH4和N2O通量具有明显的季节变化形式,生长季通量显著大于非生长季。CH4的季节变化规律特征不如CO2、N2O明显。研究区温室气体的源/汇通量主要集中在生长季,非生长季通量在全年占的比重很小。CO2、CH4和N2O季节通量比重存在较大差异,但相同气体在不同类型草原季节通量比重差异较小(表1)。

3 讨论 3.1 CO2的通量特点及影响因素

草原生态系统的温室气体通量取决于大气环境条件(主要是气温、降水量等)、群落的生物量(地上、地下) 以及土壤性质(结构、含水量等)和土壤微生物过程等,上述因子的差异及其变化决定着草原温室气体通量值的大小及其季节变化特征。

表 1 新疆天山高寒草原不同放牧强度下生长季与非生长季CO2,CH4和N2O通量比例 Table 1 Seasonal proportion compare of CO2,CH4 and N2O emission under different grazing degree in alpine grasslands of Tianshan mountains
放牧程度
Degree of grazing
生长季Growing season 非生长季Non-growing season
CO2/%CH4/%N2O/% CO2/%CH4/%N2O/%
短期禁牧(Mean±SE)
Short-term grazing-prohibition
95.8±11.686.1±3.681.1±7.94.2±0.813.9±1.118.9±0.9
长期禁牧(Mean±SE)
Long-term grazing-prohibition
93.7±10.885.4±1.681.2±7.26.3±0.914.6±1.618.8±1.7
自由放牧(Mean±SE)
Free grazing
94.3±10.589.0±1.579.8±6.65.7±0.211.0±1.520.2±1.4

与自由放牧相比,短期禁牧促进了CO2 排放。这可能是由于生长季植物根系呼吸占土壤总呼吸比重较大,而放牧使群落地下生物量降低所致[16]。此外,根系分泌物可以促进土壤微生物呼吸[17],而放牧降低地下生物量的同时,也减少了根系分泌物的产生,从而使放牧样地土壤呼吸速率小于封育样地。与长期禁牧相比,短期禁牧促进了CO2 排放。这是因为长期禁牧在降低物种多样性的同时,会降低土壤微生物的活动,改变土壤的水分和温度情况,导致与短期禁牧在温室气体排放方面的差异[14]。“中度干扰假说”认为:中等干扰程度能使多样性维持最高水平,它允许更多的物种入侵和定居[18, 19]。在本研究中,自由放牧可以看成干扰强度较高的植物群落,短期禁牧可以看成干扰强度中等的植物群落,长期禁牧可以看成是干扰强度较低的群落。因此,造成了短期禁牧草原CO2 排放量大于长期禁牧和自由放牧。

新疆巴音布鲁克短期禁牧草原2011年7、8、9月的CO2 排放平均值为(130.9±43.1) mg·m-2·h-1,与同为高寒草原的其它生态系统相比。其同期的CO2 排放平均值具有如下规律:黄河源区高寒草甸(460.4 mg·m-2·h-1)[20] >青藏高原海北高寒草甸((240.0±60.0) mg·m-2·h-1)[21]> 青藏高原纳木错高寒草原(208.2 mg·m-2·h-1)[22]>新疆巴音布鲁克高寒草原((130.9±43.1) mg·m-2·h-1)。从各高寒草原的降水量和年均温来分析,各高寒草原的年降水量具有如下规律:海北(580mm)>黄河源区(528mm)>纳木错(280mm)>巴音布鲁克(265.7mm);4种类型高寒草原的年均温相差不大,为:纳木错(0.0℃)>海北(-1.7℃)>黄河源区(-3.9℃)>巴音布鲁克(-4.8℃)。从以上规律可以看出,生态系统的水热条件在很大程度上决定了生态系统的CO2 排放水平;但由于各生态系统地理跨度大,土壤性质和气候特点具有一定的差异,因此,其CO2 排放水平和生态系统的水热条件不能实现完全一致。

3.2 CH4的通量特点及影响因素

适度放牧能促进草原土壤对甲烷的吸收[23]。在本研究中,与短期禁牧相比,自由放牧促进了土壤对CH4的吸收。这可能是因为短期禁牧改变了自由放牧土壤理化性质,使土壤的紧实度降低,土壤紧实度影响着土壤持水能力的变化,而土壤持水能力的变化又影响着土壤湿度的变化。有研究表明,土壤的甲烷通量是由土壤的水分特征决定的,亚高山草原CH4的吸收与土壤含水量具有显著的负相关关系[24]。因此认为,短期禁牧因为没有牲畜践踏造成了较低的土壤紧实度,使得土壤的持水导水能力得到提高,所以才导致了短期禁牧对CH4的吸收低于自由放牧。长期禁牧与短期禁牧相比,积累了更多的地上生物量和凋落物[13]。过多的凋落物会在土层表面形成一个疏水层,阻止水分下渗,造成土壤含水量的降低。较低的土壤水分含量,使得土壤孔隙中的氧气含量增加。氧气浓度的升高会促进甲烷氧化菌的活性[25],促进对CH4的吸收。所以与短期禁牧相比,长期禁牧对CH4较高的吸收值。

新疆巴音布鲁克短期禁牧草原2011年7、8、9月的CH4吸收强度平均值为0.089±0.020 mg·m-2·h-1。其他高寒草地生态系统CH4吸收强度表现出与CO2相同的规律:黄河源区(-0.028 mg·m-2·h-1)[20]>海北(-0.037mg·m-2·h-1)[26]>纳木错(-0.047mg·m-2·h-1)[22]>巴音布鲁克((-0.089±0.020) mg·m-2·h-1)。与其他3个地区相比,巴音布鲁克高寒草原具有较高的CH4吸收强度。因此进一步说明,除降水量和年均温等气候要素外,土壤、地形以及植被等因素共同决定了生态系统CH4源汇强度。

3.3 N2O的通量特点及影响因素

3种类型草原N2O通量都表现出明显的季节排放特点。与短期禁牧相比,长期禁牧和自由放牧抑制了土壤N2O的排放。土壤微生物的硝化和反硝化作用是土壤中N2O产生的主要过程[27],土壤含水量较低时,N2O主要来自硝化过程;反之,N2O主要来自反硝化过程[28]。在植物的生长季,土壤总硝化、反硝化和土壤N2O释放率的变化趋势保持一致[29]。所以,决定土壤N2O释放率的是土壤的硝化和反硝化过程。在其他条件稳定的情况下,土壤温度和水分是调控土壤硝化和反硝化速率最主要的影响因子[30, 31]。长期禁牧和自由放牧因为与短期禁牧相比具有更低的土壤水分含量,使得土壤微生物的活性和代谢速率降低,另外,土壤微粒的物理吸附作用尤其是在水分较少的情况下也可能会吸收外界少量的N2O[32];而且,土壤紧实度也会影响土壤中产生的N2O能否及时排放,而这会显著影响N2O的排放通量[33]。这些原因共同导致了与短期禁牧相比,长期禁牧和自由放牧较低的N2O的排放。

新疆巴音布鲁克短期禁牧草原2011年7、8、9月的N2O吸收强度平均值为29.6±15.0 μg·m-2·h-1。与其它地区高寒草地生态系统相比,N2O排放规律特点如下:海北((30.2±2.8) μg·m-2·h-1)[34]>巴音布鲁克((29.6±15.0) μg·m-2·h-1)>纳木错(0.487μg·m-2·h-1)[22]。纳木错高寒草原N2O排放通量明显小于海北和巴音布鲁克,这可能是因为纳木错地区土壤湿度情况变化较快,N2O吸收与排放交替出现,造成纳木错高寒草原N2O通量较低[22]

4 结论

(1)通过静态箱-气象色谱法的观测结果,新疆天山高寒草原对N2O表现为排放,对CH4表现为吸收,其通量都具有明显的季节排放特点。新疆巴音布鲁克草原的3种放牧类型(长期禁牧、短期禁牧、自由放牧)草原的三种气体的季节变化形式基本相同,都是以生长季为峰值的单峰曲线。夏季6、7和8月出现气体通量的高峰值,而在整个非生长季(2010年10月—2011年4月)草原对3种气体通量较低。

(2)对于新疆巴音布鲁克草原的3种放牧类型(长期禁牧、短期禁牧、自由放牧)草原,在植物生长季和非生长季,长期禁牧和自由放牧的通量强度基本一致,短期禁牧草原的CO2和N2O排放强度大于长期禁牧与自由放牧,但均不显著,CH4吸收强度显著低于长期禁牧和自由放牧草原。

(3)对于新疆巴音布鲁克草原的3种放牧类型(长期禁牧、短期禁牧、自由放牧)草原,在植物的生长季,草原的温室气体通量有较大的年际波动,但年际差异一般也是改变通量的大小,而对季节变化形式无显著影响。在植物的非生长季,由于CO2、CH4和N2O在3种类型草原的通量强度都很小,其3种类型草原的通量在排放强度和季节变化上均相差不大。

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