2016, Vol. 36文章信息
- 岳泓宇, 贾志斌, 梅宝玲, 田淑新
- YUE Hongyu, JIA Zhibin, MEI Baoling, Tian Shuxin.
- 内蒙古草原温室气体交换通量
- Flux of greenhouse gases from grassland in Inner Mongolia
- 生态学报[J]. 2016, 36(24): 7929-7941
- Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(24): 7929-7941
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201505080952
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文章历史
- 收稿日期: 2015-05-08
- 网络出版日期: 2016-04-12
大气中CO2、CH4、N2O是三种最主要的温室气体,自1750年到2011年,大气中的CO2、CH4、N2O 浓度分别由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%；与冰芯中的CO2、CH4、N2O气体成份相比,这些温室气体浓度已经超过过去80万年的最高浓度,而且其浓度增加的平均速率在过去2万年是未曾有过的[1]。草地生态系统是陆地上最大的生态系统,对改善陆地生态环境具有十分重要的现实意义,其对CO2、CH4、N2O这3种最主要温室气体的源汇效应在大气圈的温室气体收支平衡中起到了关键作用[2]。内蒙古草原属于我国分布较广的温带草原(从东到西随着水分梯度的变化依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原),在气候-植被分类系统中占据着核心地位[3],研究内蒙古草原生态系统的温室气体排放现状、机制及其影响因素对控制草原温室气体排放、减缓全球温室效应有着重要的意义。
虽然我国在草原温室气体研究方面起步较晚,但经过多年长期的定位观测实验研究,也已积累了一定的研究成果,具备了综合分析的数据基础。本文汇总分析了22篇(包括34个观测地点)有关内蒙古草原温室气体观测的文献数据,开展以下内容的研究：(1)通过对内蒙古草原3种主要草地类型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的年度或生长季平均通量的汇总分析来判断其源汇类型；(2)分析内蒙古草原上分布最广泛的典型草原温室气体交换通量与水热因子的相关关系。研究结果有助于人们从宏观角度更好地了解草原生态系统温室气体的研究现状,从而发现目前研究的不足并剖析其中的薄弱环节,进而对未来草原生态系统温室气体排放的重点研究方向做出有益的探讨。
1 材料与方法 1.1 研究区概况内蒙古自治区80%以上处于多风少雨的干旱、半干旱地区,土壤类型多为淡栗钙土和栗钙土,土地贫脊,土层浅薄,质地疏松[4]。同时全区由于地理位置和地形的影响,形成以温带大陆性季风气候为主的复杂多样的气候。春季气温骤升,多大风天气；夏季短促温热,降水集中；秋季气温剧降,秋霜冻往往过早来临；冬季漫长严寒,多寒潮天气。全年降水量在100—500mm之间,无霜期在80—150d之间,年日照量普遍在2700h以上[5]。
内蒙古草原是我国5大草原之首,欧亚大陆草原的重要组成部分,总面积为8666.7万hm2,占全国草原面积3.92亿hm2的22.1%[4]。本文主要集中讨论内蒙古典型草原、草甸草原、荒漠草原这3种草原类型,其中典型草原类分布范围最广、面积最大,占全区草原总面积的35.1%,是构成内蒙古草原的主体。处于过渡地带的草甸草原类、荒漠草原类分布都比较狭窄,分别占全区草原总面积的10.9%、10.6%[6]。
1.2 数据收集本文按照如下标准选择文献数据：(1)观测实验在内蒙古境内的草原上(包括草甸草原、典型草原及荒漠草原)进行；(2)观测了1到3种以上主要温室气体的交换通量；(3)测定了观测期间的水热因子(降水量、土壤湿度、土壤温度、气温等)(4)尽最大可能搜集所有相关研究数据。按照以上标准本文共选取了22篇文献,包括了1995—2012年期间34个观测点的温室气体交换通量及环境因子的数据。观测点位置分布如图 1所示,具体数据见表 1。
2 结果与分析 2.1 温室气体交换通量 2.1.1 CH4交换通量
内蒙古草甸草原CH4年度平均吸收通量为(30.48±9.57)μgC m-2 h-1[28],其生长季平均吸收通量为(65.33±7.29)μgC m-2 h-1[23]；典型草原CH4年度平均吸收通量为(41.25±3.61)μgC m-2 h-1,生长季平均吸收通量为(62.57±18.46)μgC m-2 h-1(依据表 2数据计算,共8篇文献,未计算与整体趋势过分偏离的个别数据点,即若是某一观测数据与其相同或相近观测点的数据存在量级间的差异,认为此观测数据存在较大的误差而不选用该观测数据,下文中简称质控)；荒漠草原CH4年度平均吸收通量为(85.00±51.03)μgC m-2 h-1[24],其生长季平均吸收通量为(109.12±41.46)μgC m-2 h-1[23, 26]。
由得到的数据可知,内蒙古草原的草甸草原、典型草原、荒漠草原均表现为CH4的汇。
2.1.2 CO2交换通量(NEE)NEE是净生态系统碳交换量,所以本文用NEE来表示CO2交换通量。
内蒙古草甸草原年平均NEE为(-10.31±1.15)mgC m-2 h-1[27]；典型草原年平均NEE为(20.64±11.54)mgC m-2 h-1,其生长季的平均值为(-4.26±15.57)mgC m-2 h-1(依据表 3数据计算,共5篇文献)；荒漠草原年平均NEE为(18.04±2.48)mgC m-2 h-1[24],而其生长季的平均NEE为(-42.5±5.42)mgC m-2 h-1[25]。
| 草地类型 Steppe type | 观测时间(年-月) Period | 观测地点 Location | 观测气体 Gas type | 观测方法 Method | 参考文献 References |
| a羊草1 a Leymus chinensis1 | 1995-05—10 1998-05—1999-05 2001-01—12 2002-01—12 2003-01—12 | 锡林河流域 | CH4,N2O | A | [7] |
| a羊草2 a Leymus chinensis2 | 2001-06—2003-06 | 锡林河流域 | N2O | A | [8] |
| a冷蒿-小禾草3 a Frigida-short buchgrasses3 | 2003-08—10 | 锡林河流域 | CO2,N2O CH4 | A | [9] |
| a冰草4 a Agropyron cristatum (L.) Gaertn.4 | 2003-01—2006-11 | 锡林河流域 | CO2 | B | [10] |
| a羊草5 a Leymus chinensis5 | 2004-05—09 2005-05—09 | 锡林河流域 | N2O | A | [11] |
| a大针茅6 a Stipa krylovii6 | 2004-01—2006-12 | 锡林浩特东北 | CO2 | B | [12] |
| a羊草7 a Leymus chinensis7 | 2004-06—09 2005-05—09 2006-03—06 | 锡林河流域 | CH4 | A | [13] |
| a羊草 a Leymus chinensis8 | 2004-01—2005-12 | 锡林河流域 | CO2 | B | [14] |
| a羊草 a Leymus chinensis9 | 2005-01—2006-12 | 锡林河流域 | N2O | A | [15] |
| a羊草 a Leymus chinensis10 | 2006-05—2007-09 | 锡林河流域 | CO2 | B | [16] |
| a a Leymus chinensis11—19 | 2007-07—08 | 锡林河流域上游 | CO2,N2O,CH4 | A | [17] |
| a羊草 a Leymus chinensis20 | 2007-08—2008-08 | 锡林河流域 | CH4,N2O | A | [18] |
| a羊草 a Leymus chinensis21 | 2008-07—09 | 白音锡勒牧场 | CH4 | A | [19] |
| a羊草 a Leymus chinensis22 | 2007-10—2008-10 | 锡林河流域 | CO2,N2O,CH4 | A | [20] |
| a羊草 a Leymus chinensis23 | 2007-08—2008-08 | 锡林河流域 | N2O | A | [21] |
| a24 | 2009-05—09 2010-05—09 | 多伦县 | CO2N2O，CH4 | C | [22] |
| a、b、c25-27 | 2010-05—09 | 四子王旗/锡林郭勒 | CH4 | D | [23] |
| b28 | 2006-06—2007-11 | 锡林郭勒盟 | CO2,N2O,CH4 | A | [24] |
| b29 | 2008-05—10 | 苏尼特左旗北部 | CO2 | B | [25] |
| b30 | 2010-08—10 | 四子王旗 | CH4,CO2 | A | [26] |
| c31 | 2011-01—2012-12 | 科尔沁左翼后旗 | CO2 | B | [27] |
| c32-34 | 2011-08—2012.12 | 呼盟谢尔塔拉牧场 | CO2,N2O,CH4 | A | [28] |
| a：典型草原Typical steppe； b：荒漠草原Desert steppe； c：草甸草原Meadow steppe； A：静态暗箱-气相色谱法Static opaque chamber-Gas chromatogram method； B：涡度相关法 Eddy covariance measurement； C：静态暗箱/明箱-气相色谱法Static opaque/transparent chamber-Gas chromatogram method； D：静态暗箱-波长扫描光腔衰荡光谱技术Static opaque chamber-Cavity ring-down spectroscopy method | |||||
由得到的数据可知,内蒙古草甸草原表现为碳汇,而典型草原与荒漠草原虽在生长季表现为碳汇,但年度却表现为碳源。
2.1.3 N2O交换通量内蒙古草甸草原N2O年度平均排放通量为(28.40±7.27)μgN m-2 h-1[28]。典型草原N2O年度平均排放通量为(3.18±0.91)μgN m-2 h-1,其生长季平均排放通量为(7.60±9.24)μgN m-2 h-1(通过对表 4数据计算、质控所得,共12篇文献)；荒漠草原N2O年度平均排放通量为(2.51±0.67)μgN m-2 h-1[24]。内蒙古草甸草原、典型草原与荒漠草原均表现为N2O的源,草甸草原排放量远大于典型草原和荒漠草原。
2.2 典型草原温室气体交换通量与环境因子关系 2.2.1 CH4交换通量与环境因子关系通过本文数据收集部分阐述的选择标准,从表 1所列文献中整理出的典型草原观测期间CH4吸收通量、降水量、土壤湿度、土壤温度如表 2所示。通过对表 2数据计算、质控,所得观测期间CH4吸收通量与降水量、土壤湿度、土壤温度进行的相关性分析结果见图 2。
| 观测时间 Period | CH4平均吸收通量 Average CH4 absorption fluxes/ (μgC m-2 h-1) | 降水量 PPT/mm | 土壤湿度 SM/% | 土壤温度 ST/℃ | 参考文献 References |
| 1995-05—10 | 93.13 | 125a | [7] | ||
| 1998-05—1999-05 | 44.98 | 550a | [7] | ||
| 2001-01—12 | -48.97 | 270a | [7] | ||
| 2002-01—12 | -29.11 | 250a | [7] | ||
| 2003-01—12 | -38.81 | 371a | [7] | ||
| 2003-08—10 | 61.0 | 185a | 16.5a | 15.1a | [9] |
| 2004-06—09 | 50.0 | 325 | 16.7a | 14.0a | [13] |
| 2005-05—09 | 67.0 | 166 | 15.8a | 17.0a | [13] |
| 2006-03—06 | 50.0 | 190a | 15.0a | 4.0a | [13] |
| 2007-07—08 | 33.8 | 13.9 | 19.6 | [17] | |
| 2007-08—2008-08 | 38.7 | 356 | 13.5 | [18] | |
| 2007-10—2008-10 | 43.8 | 177.8b | 14.0 | 12.5a | [20] |
| 2008-07—09 | 63.3 | 203a | 17.2a | [19] | |
| 2009-05—09 | 60.7 | 164 | 8.2 | 16.9 | [22] |
| 2010-05—09 | 78.7 | 283 | 12.5 | 16.5 | [22] |
| 2010-05—10 | 98.6 | 256a | 13.7 | 18.5a | [23] |
| PPT：降水量 precipitation； SM：土壤湿度 soil moisture； ST：土壤温度 soil temperature； a：数据来源于文献中图表； b：数据来源于[29]； -数据未在文献中给出 | |||||
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| 图 2 典型草原CH4平均吸收通量与降水量、土壤湿度、土壤温度的相关关系 Fig. 2 The correlation between CH4 absorption fluxes and precipitation (PPT),soil moisture (SM),soil temperature (ST) in typical steppe |
由图 2可知,就典型草原来看,CH4平均吸收通量与降水量有显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.53,P<0.05),与土壤湿度也有显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.67,P<0.05),同时,其与土壤温度有极显著的线性正相关关系(N=7,R2=0.77,P<0.01)。
2.2.2 CO2交换通量(NEE)与环境因子关系典型草原观测期间CO2交换通量、降水量、土壤湿度、气温、叶面积指数见表 3。通过处理表 3数据(对表 3数据进行计算及质控),对观测期间CO2交换通量、降水量、土壤湿度、气温、叶面积指数进行的相关性分析结果见图 3。
| 观测时间 Period | 净生态系统碳交换量 NEE/(mgC m-2 h-1) | 降水量 PPT/mm | 土壤湿度 SM/% | 气温 AT/℃ | 叶面积指数 LAI/(m2/m2) | 参考文献 References |
| 2003-05—09 | -20.42 | 354.0 | 14.6b | 0.88b | [10] | |
| 2004-05—09 | -31.04 | 344.0 | 14.7b | 0.90b | [10] | |
| 2005-05—09 | 8.16 | 126.0 | 12.0 | 15.5b | 0.45b | [10] |
| 2006-05—09 | 9.53 | 215.0 | 10.0 | 15.4b | 0.47b | [10] |
| 2004-05—09 | 1.77 | 270.0 | 14.9a | 15.2a | 0.363a | [12] |
| 2005-05—09 | 5.41 | 149.0 | 14.6a | 16.0a | 0.568a | [12] |
| 2006-05—09 | -3.21 | 215.0 | 16.2a | 15.2a | 0.595a | [12] |
| 2004-01—12 | 12.20 | 364.4 | 11.8 | 14.7 | [14] | |
| 2005-01—12 | 15.97 | 153.3 | 8.1 | 15.5 | 0.45 | [14] |
| 2006-05—09 | 31.25 | 13.4a | [16] | |||
| 2007-05—09 | 9.13 | 180.0a | 14.5a | [16] | ||
| 2007-10—2008-10 | 34.62 | 177.8c | 14.0 | [20] | ||
| PPT: precipitation； SM: soil moisture； AT: air temperature； LAI: Leaf Area Index； a：数据来源于文献中图表； b：数据来源[30]； c：数据来源于[29]； 使用静态暗箱法测定的CO2为生态系统呼吸,并非NEE,故此类数据并未统计入该表 ; -数据未在文献中给出 | ||||||
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| 图 3 典型草原NEE与降水量、土壤湿度、气温和叶面积指数的关系 Fig. 3 The correlation between NEE and precipitation (PPT),soil moisture (SM),air temperature (AT) and leaf area index (LAI) in typical steppe |
由图 3可知,典型草原NEE与降水量呈极显著的线性负相关关系(N=10,R2=0.64,P<0.01)。典型草原NEE与土壤湿度存在显著的线性负相关关系(N=8,R2=0.74,P<0.01)。同时,NEE与气温有极显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.70,P<0.01)。NEE与叶面积指数有极显著的线性负相关关系(N=8,R2=0.83,P<0.01)。
2.2.3 N2O交换通量与环境因子关系依照本文数据收集部分阐述的选择标准,从表 1所列文献中整理出的典型草原观测期间N2O排放通量、降水量、土壤湿度、气温如表 4所示。通过处理表 4数据(对表 4数据进行计算及质控),对观测期间N2O排放通量、降水量、土壤湿度、气温进行的相关性分析结果见图 4。
| 观测时间 Period | N2O平均排放通量 Average N2O emission fluxes/ (μg N m-2 h-1 ) | 降水量 PPT/mm | 土壤湿度 SM/% | 气温 AT/℃ | 参考文献 References |
| 1995-05—10 | 20.60 | 125a | 13.6f | [7] | |
| 1998-05—1999-05 | 4.45 | 550a | 3.4f | [7] | |
| 2001-01—12 | 29.11 | 270a | 3.9f | [7] | |
| 2002-01—12 | 10.96 | 250a | 3.7f | [7] | |
| 2003-01—12 | 10.39 | 371a | -1.4f | [7] | |
| 2001-06—2002-06 | 4.71 | 286c | 12.6d | 6.5f | [8] |
| 2002-06—2003-06 | 3.91 | 259c | 3.3f | [8] | |
| 2004-06—09 | 0.65 | 265 | 11.2a | 17.7 | [11] |
| 2005-06—09 | 0.39 | 119 | 9.5a | 19.3 | [11] |
| 2005-01—12 | 2.74 | 165a | 12.3a | 1.7a | [15] |
| 2006-01—12 | 3.43 | 230a | 13.3a | 2.6a | [15] |
| 2007-07—8 | 2.30 | 13.9 | [17] | ||
| 2007-08—2008-08 | 2.51 | 354 | 13.5 | 2.1 | [18] |
| 2007-08—2008-08 | 2.92 | 13.5 | 2.2 | [21] | |
| 2007-10—2008-10 | 2.05 | 177.8e | 14.0 | 3.6f | [20] |
| 2009-05—09 | 14.16 | 164 | 8.2 | 16.9 | [22] |
| 2010-05—09 | 2.18 | 283 | 12.5 | 16.5 | [22] |
| AT：气温 air temperature； a：数据来源于文献中图表Data from figures in the reference； b：数据来源于[7] Data from[7]； c:数据来源于[31]Data from[31]； d：数据来源于[32]； e：数据来源于[29] Data from[29]； f：数据来源于中国农业基本气象资料月值数据集锡林浩特站点气象资料Data from Xilinhot site of Chinese Agricultural basic meteorological monthly value datasets； -数据未在文献中给出Indicate data not given in the reference | |||||
由图 4,N2O平均排放通量与降水量之间有显著的线性正相关关系(N=7,R2=0.58,P<0.05),N2O排放通量与土壤湿度呈显著的线性正相关关系(N=9,R2=0.62,P<0.05),N2O排放通量与气温呈极显著线性正相关关系(N=6,R2=0.85,P<0.01)。
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| 图 4 典型草原N2O平均通量与降水量、土壤湿度、气温的相关关系 Fig. 4 The correlation between Average N2O emission fluxes and precipitation (PPT),soil moisture (SM),air temperature (AT) in typical steppe |
由现有文献数据得知草甸草原、典型草原、荒漠草原均表现为CH4的汇。有研究认为多数的观测实验是在生长季进行,忽略了冬季及冬春交替期CH4交换通量的测定[33],而一项在美国北部矮禾草草原的研究发现冬季CH4吸收通量占全年的15%—30%[34],所以,Wang等认为目前对CH4年度交换通量的估算具有极大的不确定性[35],还需在今后的观测实验中加以完善。
3.1.2 CO2交换通量由现有文献资料计算得知草甸草原表现为碳汇,而典型草原与荒漠草原虽在生长季表现为CO2汇,但全年却表现为CO2源。有研究表明在温带草原区我国典型草原的碳固定量水平最低,并认为这种现象主要是由降水量的时空变异决定的[36]。Hao等也认为降水规律的改变是影响CO2净排放的重要因素,甚至会导致生态系统在碳源与碳汇功能上的相互转换[37]。因而内蒙古典型草原与荒漠草原是碳源还是汇并不确定,可能是一个碳交换源汇动态变化的过程。。
Piao等通过3种不同模型对内蒙古地区碳平衡进行分析得出其年均碳沉降量分别为11.4Tg、-3.6Tg及17.2Tg,表明内蒙古地区并非明显的碳汇[38]。由此可见,模型不同,内蒙古年均碳沉降量的结果也不同,甚至是源汇状况的差异。
3.1.3 N2O交换通量内蒙古草甸草原、典型草原与荒漠草原均表现为N2O的源。对于N2O排放,研究者们普遍认为在N2O年度总量的估算中,冻融期间N2O的排放量占有十分重要的地位[33, 35, 39-40]。在内蒙古地区,3月份左右会出现冻融交替现象,引起N2O的爆发式排放[41],因此在N2O年度排放通量的估算中,若是忽略了冻融期N2O通量的测定,将会造成巨大的估算误差。
3.1.4 误差分析(1) 空间变异性
本文对已发表文献中内蒙古草原3种主要草地类型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的全年或生长季平均通量进行了汇总分析,但由于数据来源的限制,3种草地类型的样点数据过少(草甸草原与荒漠草原温室气体排放的研究并不多见)或是过于集中(典型草原温室气体排放的研究大多集中于锡林河流域),故文中温室气体平均交换通量的估算因为样本的空间变异性必然存在较大的误差,对不同草原类型温室气体交换通量的代表性比较差。
(2) 时间变异性
目前的研究中箱法均采用了目前较为常见的手动不连续观测法(间隔一般为1周或是10d),然后采用时间插值法估算季节及全年的温室气体通量值,这种方法若能恰当掌握采样时段能使测量值接近全天的平均值,同时通过合适的采样频率能抓住排放曲线的峰与谷,这样能够更加精确的估算季度或是年度温室气体通量值[42]。但是本文中实验数据的搜集从1995—2012,跨度达18a,时间差异是客观存在的,而且3种气体通量年际间的差异则主要是与各年份降雨及温度等环境因子相关,变化幅度较大。
(3) 观测方法误差
已有的研究中CO2通量的测定一般使用涡动相关法,涡动相关法为自动观测系统,误差相对较小。
CH4及N2O通量的测定则使用的静态箱-气相色谱法,箱法为人工手动操作,必然会产生一定误差,但王迎红等通过静态箱—气相色谱法观测系统对陆地生态系统进行观测时,发现碳排放的最大误差(仪器误差、标气误差以及采样箱体积误差之和)小于10%,远小于重复间的空间变异性[42]。
3.2 典型草原温室气体交换通量与环境因子关系 3.2.1 环境因子对CH4交换通量的影响本文统计分析现有典型草原观测数据得出CH4平均吸收通量与降水量有显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.53,P<0.05)(图 2)。Blankinship等人在美国亚利桑那州进行了相关的研究,对4种不同干湿状态的生态系统(荒漠草原、矮松-杜松林地、黄松林地、针叶混交林)持续4a的研究发现,在湿润的生态系统中CH4吸收通量与降雨量有较强的相关性,而在干冷的生态系统中CH4的吸收量则与温度有着较强的相关性。他们认为这种现象的出现可能与不同生态系统中甲烷氧化菌群落对不同环境因子(降雨量、温度)的改变的适应能力不同而导致的[43]。
CH4平均吸收通量与土壤温度有极显著的线性正相关关系(N=7,R2=0.77,P<0.01)(图 2)。然而有研究认为虽然土壤温度主要通过改变甲烷氧化菌活性来影响CH4平均吸收通量,但是温度对甲烷氧化菌的影响存在一个临界值,土壤氧化甲烷速率在临界温度处可以达到最大值,在超过临界温度后,温度与甲烷氧化速率并无显著相关性[44-45]。但同时也有许多研究认为CH4平均吸收通量与土壤温度呈正相关关系[46-47]。所以,综上所述,自然条件下温度对大气甲烷氧化菌生理生态过程的影响机制仍需进一步探索[48]。
本文目前获得的文献数据统计得出CH4平均吸收通量与土壤湿度也有着显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.67,P<0.05)(图 2)。然而有研究表明CH4的吸收通量对土壤湿度的变化十分敏感,并非是简单的线性关系,而是驼峰形关系,并且存在一个最适宜CH4 吸收的土壤湿度,Dijkstra等认为这个最佳湿度应该在24%左右[49]。同样,在科罗拉多矮禾草草原上,Mosier通过实验发现对于细质地的土壤,在土壤湿度为20%时,CH4吸收达到峰值[50]。同时,研究认为当土壤湿度高于最佳的土壤湿度,限制CH4 吸收速率的是CH4的扩散速率,若土壤湿度过低,限制CH4吸收速率的就是因湿度过低而活性降低的甲烷氧化菌群落[51]。本文整理的内蒙古草原的数据结果中,土壤湿度均在20%之下,并未达到研究者们认为的CH4吸收的最佳湿度,所以与土壤湿度相关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],湿度越高,甲烷氧化菌群落活性越强,土壤CH4吸收量越大,即CH4平均吸收通量与湿度呈正相关关系。
3.2.2 环境因子对CO2交换通量(NEE)的影响典型草原NEE与降水量有着极显著的线性负相关关系(N=10,R2=0.64,P<0.01)(图 3)。李明峰等通过一项在草甸、羊草、大针茅等群落样地所进行的研究和本文的结果类似,认为大气降水是影响CO2排放通量变化的重要环境因子[32]。而且降雨频率的变化将会改变土壤湿度,进而影响生态系统碳平衡[52-53],在土壤湿度较低时,降雨的影响更为显著[54]。
本文统计文献数据发现典型草原NEE与土壤湿度有着显著的线性负相关关系(N=8,R2=0.74,P<0.01)(图 3)。在中国北部及蒙古的大量的研究表明,过低的湿度是限制温带草原吸收CO2的主要因素[12, 55-56]。Hunt等在干旱及半干旱草原的研究也发现NEE受土壤湿度改变的影响十分明显[57]。
典型草原NEE与气温有极显著的线性正相关关系(N=8,R2=0.70,P<0.01)(图 3)。这一结果与Cheng等在内蒙古南部和宁夏所进行的研究的结果是一致的[58]。究其原因,温度的升高会导致根部呼吸作用以及土壤有机质微生物矿化作用的增加,从而导致土壤CO2排放的增加[59]。所以,全球变暖将会导致土壤CO2排放的增加,同时也会加速土壤有机质的分解[58]。
另一项与CO2交换通量呈极显著线性负相关关系(N=8,R2=0.83,P<0.01)的环境因子为叶面积指数(LAI,图 3)。在生长季,LAI与降雨一样是影响温带草原NEE的主要因子[56]。而且,LAI并非单独的影响因子,一般其与土壤湿度都有较好的正相关性[60]。因而,降雨与土壤湿度不仅会直接影响NEE,还将通过影响LAI而进一步对NEE造成影响[14]。
3.2.3 环境因子对N2O交换通量的影响由图 4,N2O平均排放通量与降水量之间有显著的线性正相关关系(N=7,R2=0.58,P<0.05)。Trost通过对世界范围内不同地区所进行的22个研究项目调查后认为,降雨或是灌溉会增加N2O的排放[61],这主要是由于降雨或灌溉影响了植物或是微生物的生物活性,进而改变了土壤中N素的动态变化,最终影响N2O的排放[62]。
同时,本文所搜集的文献数据中,土壤湿度显示出与降雨类似的影响N2O排放通量的规律,即呈极显著的线性正相关关系(N=9,R2=0.62,P<0.01)(图 4),这个结果与Peng等的土壤湿度越低N2O的排放量就越低的结论相符[63],这主要是因为较低的土壤湿度会限制土壤中微生物的代谢活动及代谢底物(如铵盐及硝酸盐)的扩散,进而会减弱土壤N2O的排放[64]。也有研究表明,由降雨或是灌溉而引发的土壤含水量的突然增加,会导致N2O的一个高的排放峰,这主要是因为在湿润土壤条件下,占N2O排放主导地位的反硝化作用被增强[65]。
典型草原N2O排放通量与气温呈极显著线性正相关关系(N=6,R2=0.85,P<0.01),这与当前多数研究的结果相符[66-68]。目前的研究认为,在半干旱气候区,尤其是土壤干旱的情况下,温度与土壤N2O的排放有着正相关的关系[15, 64]。Castaldi 等人进行了一项温度对耕地土壤及森林土壤N2O排放的影响的研究,他们认为温度的升高会导致土壤呼吸作用增强,氧气消耗增大,促进了反硝化作用,进而增加了N2O的排放,这就导致以反硝化作用为N2O主要来源的耕地土壤受温度的影响更为明显[69]。但是李明峰等在锡林河流域进行的一项研究表明,在极端干旱条件下,草地生态系统对N2O表现出吸收特性,李明峰认为这种情况发生可能是因为极端干旱使得草原土壤N2O 的排放趋于停滞,且干燥而粘粒较多的黑钙土对N2O具有物理吸附作用[70]。
4 结语及展望大气中温室气体浓度的增加是导致全球气候变暖的主要因素,它将在很大程度上影响区域乃至全球未来的气候变化趋势,草地生态系统作为排放与吸收温室气体最重要的陆生生态系统,在未来全球变化中起着至关重要的作用,因而对草地生态系统温室气体排放的研究与探索将一直成为全球变化领域研究的核心内容。
本文对内蒙古草原温室气体排放进行了数据的汇总分析,认为内蒙古草原中3种主要草地类型(草甸草原、典型草原、荒漠草原)均表现为CH4的汇及N2O的源,虽然草甸草原表现为CO2的汇,但典型草原及荒漠草原则表现为CO2交换源汇动态变化的过程(生长季为汇,年度为源)。但由于现有观测数据的局限,本文对温室气体排放的时空变异性[15, 58-59]考虑不足,也未涉及人为因素,如放牧、开垦[71-72]等的影响,这就会导致温室气体平均排放量计算结果的偏差,而且很难估算区域总量。同样,由于样本数目过小,在相关性分析时可能会导致我们对排放机制的认识不全面而得出片面的规律。若要精确估算温室气体的区域排放量且更加全面的认识其排放规律,就需要建立精确的模型,例如目前应用较为广泛的DNDC模型[73],其考虑到了温室气体排放的各个过程及其相关的影响因子,会使得估算结果有较强的可靠性。
但是,模型的建立也需要大量的数据基础,从本文搜集的数据来看,内蒙古荒漠草原及草甸草原的研究很少。而典型草原虽说研究较多,但是大多集中在锡林河流域,因而无法反应整个内蒙古典型草原的情况,这就暴露了目前国内温室气体研究针对大尺度区域研究力度不够的现状,应加大对此的研究投入,这对于指导区域大尺度以及整个陆地生态系统温室气体排放总量的精确估算具有重要的理论意义和实践价值[74],同时也为以后野外生态定位站的选址及建立提供了一定的参考。所以我们应同时从不同草地类型、利用方式和尺度等多方面开展对草地生态系统温室气体排放的野外定位实验研究,积累数据,对温室气体排放机制进行深入系统的研究,并以此为基础建立起可描述排放机制的数学模型,将野外实验与数学模型有机结合起来,只有这样才能使人们能够更加准确地了解温室气体整体的排放状况及机制,进而提出相应的控制对策。
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