夏季放牧強度對藏北草原溫室氣體排放的影響

萬運帆,李玉娥,高清竹,段敏杰,旦久羅布,白瑪玉珍,韋蘭亭

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081；2.農業部農業環境與氣候變化重點開放實驗室,北京 100081；3.西藏那曲地區草原站,西藏 那曲 852000）

藏北地區是西藏最主要及最重要的牧區之一,面積超過40萬km2,占西藏自治區面積的1/3以上,畜牧業是其支柱產業,牧業人口占總人口的90%以上[1-2]。藏北人口增長迅速,近20年來人口增加了約 55%,牲畜年出欄數增長了近3倍[3],使得草地的載畜量大增,草地超載嚴重,導致藏北草地退化和草地承載力下降[4-5]。特別是在當前全球變暖的大背景下,當地生態系統對氣候變化非常敏感,也非常脆弱,草場受氣候變化影響退化嚴重[6-7]。放牧干擾是對草地的主要人為干擾之一,國內一些研究表明,放牧強度的變化將對草地的溫室氣體排放產生重大影響[8-9],而目前我國在高寒草原上針對放牧強度對溫室氣體排放影響的研究很少[10],對其排放規律還不十分清楚。本研究擬通過在高寒紫花針茅（Stipa purpurea）草原上的夏季放牧試驗及二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）3種主要溫室氣體排放測定,分析不同放牧強度對主要溫室氣體排放的影響,也可為估算放牧高寒草原溫室氣體排放提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計放牧地點位于西藏那曲地區安多縣措瑪鄉的高寒草原（91°28′E,32°10′N）,海拔4 620 m,以紫花針茅和矮生嵩草（Kobresia humilis）等高寒草甸類為建群種,年均溫-2.8℃,年日照時數為2 847 h,年降水量為411.6 mm。樣地共分4個處理,3次重復,共12個小區,每個小區使用網圍欄劃分為面積為1.67 hm2的小塊,隨機區組設計。依照當地牧草生長及放牧強度,4個處理樣地放牧強度分別為:1）對照0只羊,2）輕牧2只羊,3）中牧3只羊,4）重牧5只羊,即每個處理對應放牧綿羊的密度分別為0、1.2、1.8和3只/hm2,其中中等放牧強度與當地平均的載畜量水平大致相當[11]。在牧戶羊群中,選擇體型、年齡及生長發育相似的當地藏系綿羊作為試驗用羊,放牧綿羊初始體質量控制在（45±2）kg范圍內。試驗放牧從2007年5月牧草返青開始,每個重復的3個小區依放牧強度每10 d輪牧1次,至11月底結束。

1.2 排放通量測定溫室氣體觀測集中于7-9月夏季放牧期間,測定試驗區的溫室氣體排放日變化,日變化測定從9:00-17:00,每隔2 h測定1次排放通量,共測定了6次。測定采用常規靜態箱法測定,靜態箱為直徑160 mm的UPVC不透明箱,高為250 mm,無底座,靜態箱底端直接插入土中以土密封,罩箱時間為10 min[12],在罩箱后及開箱前分別抽取一次箱內氣體注入取樣氣袋中,在室內使用Agilent公司的HP6890N氣相色譜儀測定其濃度,測定CO2和CH4濃度的檢測器為氫火焰離子檢測器（FID）,測定溫度為200℃,色譜柱為Porpak Q填充柱,柱溫70℃；測定N2O濃度的檢測器為電子捕獲檢測器（ECD）,測定溫度為330℃,色譜柱也為Porpak Q填充柱,柱溫70℃。根據罩箱后及開箱前箱內的氣體濃度差來計算其排放通量[12]。將每天不同時間點測得的排放通量平均,得到每天的平均排放通量,再將某時段內（本文取每10 d）的日排放通量平均得到某時段的日平均排放通量。

1.3 溫度測定土壤溫度的測定采用熱敏電阻,標定后的精度在20℃時誤差為±0.1℃,在0～50℃內最大誤差為±0.3℃。

1.4 數據分析數據采用Microsoft Excel軟件和DPS數據處理系統軟件進行分析[13]。

2 結果與討論

2.1 夏季放牧對藏北紫花針茅草原CO2通量的影響本試驗采用的是不透明的靜態箱測定的CO2通量,不包含植物的光合作用吸收,主要是植物及土壤的呼吸速率。圖1是夏季放牧期間測定日每天各個時間點的平均結果得到CO2排放的日變化圖,可以看出,不同放牧強度CO2通量的變化趨勢基本一致,CO2通量在120～500 mg/（m2·h）變化,都是從9:00排放通量快速上升,至13:00左右達最大值,然后再緩慢下降,至17:00后則迅速下降。從土壤溫度與CO2排放通量的趨勢來看,土壤溫度的變化要明顯滯后于CO2排放通量的變化。相關研究表明,當直接用土壤溫度與CO2排放通量做相關分析,相關性并不顯著,當將2 h后的土壤溫度與當時的CO2排放通量做相關分析,則相關性達到了顯著水平（P＜0.05）。這主要是由于土壤溫度的升高滯后于太陽高度角的增加（當地太陽高度角一般于14:00左右達到最大值）,而溫度的增加對草地及土壤呼吸有促進作用[8]。

從不同放牧強度對CO2排放通量的日變化影響來看,雖然不同時段CO2排放通量大小趨勢并不完全一致,但總體上的大小順序是:中牧＞輕牧＞重牧＞對照,其中,輕牧略高于重牧,而且幾種放牧強度的CO2通量差異并不大,只有中牧與另外3種放牧強度之間的差異達到顯著水平（P＜0.05）,其他3種放牧強度之間的CO2通量日變化兩兩之間差異均不顯著（P＞0.05）（圖1）。

圖1 夏季放牧對CO2排放通量日變化的影響

圖2顯示了夏季放牧CO2通量隨放牧時間的變化,整個放牧期間CO2排放通量變化不大,且有隨著季節溫度的變化而變化的趨勢,但變化趨勢不是十分明顯。不同放牧強度之間CO2通量的變化存在明顯的差異,對照不放牧的CO2排放通量在整個放牧期最低,其次是輕牧和重牧,但它們之間的差異不明顯,變化范圍有交叉,中牧的CO2排放通量最高。這說明適度的放牧干擾會導致CO2通量的增加,但并不是隨放牧強度的增加而一直增加,一方面是通過增加對草地土壤的擾動,從而促進CO2的排放[9,14]；另一方面則是通過影響作物地上部、地下部生物量的比例。適度的放牧會刺激牧草的生長,促進牧草地下生物量的增加和土壤有機碳的增加[15],牧草地上部生物量雖減少,而地下生物量則會相對增加,從而增加CO2的排放通量[14]。有報道表明放牧的踩踏作用使土壤更加緊實,會對土壤中CO2的排放產生不利影響[16]。

2.2 夏季放牧對藏北紫花針茅草原CH4吸收的影響從藏北草原對CH4吸收的日變化來看（圖3）,除了重牧處理外,總體上的變化趨勢是從9:00開始緩慢上升,至15:00開始達最高值,然后再緩慢下降。而且,除重牧外,紫花針茅草地對CH4的吸收與溫度的變化趨勢基本一致,但相關分析均達不到顯著水平（P＞0.05）。

圖2 夏季放牧對CO2日平均排放通量的影響

從不同放牧強度對CH4吸收的日變化影響來看,隨著放牧強度的增加,草地對CH4的吸收能力下降,但還沒有改變草地作為CH4匯的功能。其中輕牧對草原CH4吸收的程度較輕,而中牧和重牧有相當明顯的影響,對照與輕牧、輕牧與中牧之間不同時段的平均吸收通量大小有交叉,但它們與重牧之間均無交叉,重牧大大低于其他放牧強度的 CH4吸收通量。對不同放牧強度CH4不同時段日吸收通量變化的方差分析表明,只有輕牧與對照之間對CH4吸收差異沒有達到顯著水平,而對照或輕牧與中牧、重牧之間的差異及它們兩兩之間的差異均達到了顯著水平（P＜0.05）,說明高寒紫花針茅草原放牧顯著降低草原作為CH4匯的功能。特別是重牧條件下,其對CH4的吸收平均僅有 17 μ g/（m2·h）左右,這種變化的主要原因可能是放牧牲畜對草地的踐踏導致土壤的物理性質發生了改變,特別是表層的土壤容重增加,土壤孔隙度減小,持水能力降低,容易形成有利于CH4產生的厭氧微區[17]。

圖3 夏季放牧對CH4吸收通量日變化的影響

對夏季放牧期間CH4日吸收通量平均值隨放牧時間的變化進行了對比分析（圖4）,結果表明,不同放牧強度條件下CH4吸收通量的差異異常明顯,相互之間無交叉。其中對照、輕牧和中牧的CH4吸收通量變化趨勢比較相似,均為從7月中旬起緩慢增加,至8月中旬達最大值,然后再逐漸下降；而重牧條件下對CH4的吸收速率一直處于一種較低的平穩狀態。比較土壤溫度與CH4平均吸收速率可以看出,在對照、輕牧和中牧條件下,兩者之間有一定的相同變化趨勢,但相關關系不顯著（r分別為0.674 2,0.156 7,-0.011 8；n=6）,而在重牧條件下,夏季放牧期間CH4的吸收通量基本不受溫度的影響,而主要受放牧強度的影響。

2.3 放牧對藏北紫花針茅草原N2O排放的影響從圖5中可以看出不同放牧強度對N2O排放的影響,從總體趨勢來看,都是從早晨開始N2O排放通量逐漸升高,到中午達到最高值,再逐漸下降,并且與土壤溫度的變化有著較為一致的趨勢。不同放牧強度下的N2O排放通量差異很大,輕度放牧與對照的N2O排放通量基本沒有差異,并且全天隨時間的變化基本上保持不變。隨著放牧強度的增加,N2O變化幅度明顯增加,重牧、中牧與輕牧兩兩之間均存在著顯著（P＜0.05）差異。說明放牧強度的增加會顯著增加N2O的排放通量,并且還會顯著增加N2O通量的日變化幅度,其主要原因可能是不同的放牧梯度影響土壤的緊實度及土壤水分狀況[18],放牧干擾導致土壤氮素的損失量增加[19],而試驗地夏季雨水較充足,從而促進了N2O的排放[10]。

圖4 夏季放牧對CH4日平均吸收通量的影響

從夏季放牧期間N2O日平均排放通量的變化來看（圖6）,整個放牧期間都沒有大的起伏變化,變化趨勢線基本上是一條水平線。比較不同放牧強度對N2O日均通量的影響發現,與其日變化表現出的差異基本一致,其變化趨勢是重牧＞中牧＞輕牧=對照。表明當放牧強度為輕牧水平后,增加放牧強度會顯著（P＜0.05）增加N2O的排放通量。其主要原因是當放牧強度很小時,家畜排泄量小,增加的氮量與擾動的損失量相差不大,當放牧強度增大到一定程度后,對土壤的擾動增加,導致氮的大量損失,從而使N2O的排放增加[20-21]。

圖5 夏季放牧對N2O排放通量日變化的影響

圖6 夏季放牧對N2O日平均排放通量的影響

2.4 夏季放牧對高寒紫花針茅草原總溫室氣體排放的影響通過對藏北紫花針茅草原夏季放牧期間3種主要的溫室氣體排放進行了統計（表1）。從總體上看,溫室氣體的排放或吸收以CO2為主,按全球增溫潛勢（GWP）折算為二氧化碳當量（CO2e）[22],CO2排放占總溫室氣體排放的約98%,CH4吸收和N2O排放量平均不到總排放量的1%,對總的溫室氣體排放量影響較小。而且CH4吸收與N2O排放呈現此消彼長的態勢,即CH4吸收量增加的同時,N2O的排放減小,但兩者并不呈比例；并且在對照或輕牧條件下,草地吸收 CH4的 CO2e與排放的 N2O的CO2e基本相同,溫室氣體效應基本可以抵消。不同放牧強度總GWP相差并不大,其中中牧條件下最高,其次是重牧和輕牧,對照最小。由于本試驗是在牧草旺盛生長期進行的,平均氣溫也是一年中最高的,牧草的生長旺盛,光合、呼吸作用強,若在其他生長季節,氣溫低,植物與土壤呼吸作用都將大大減弱,溫室氣體的排放將遠低于此水平[8,10]。

表1 夏季放牧對紫花針茅草地總溫室氣體的影響

3 結論

通過對放牧條件下高寒紫花針茅草甸草原3種主要溫室氣體的監測,可以得出如下幾點主要結論:1）適度放牧會增加CO2的排放,但過牧則會導致CO2排放的降低；2）放牧將顯著降低高寒紫花針茅草甸草原對CH4匯的功能；3）輕牧對N2O排放無明顯影響,只有放牧達到中等以上強度時才會顯著增加N2O的排放；4）3種主要溫室氣體總的溫室效應中CO2占絕對主要地位,CH4和N2O的溫室效應各只占約1%。

[1]甘肅草原生態研究所草地資源室,西藏自治區那曲地區畜牧局.西藏那曲地區草地畜牧業資源[M].蘭州:甘肅科學技術出版社,1991.

[2]中華人民共和國農業部畜牧獸醫司,全國畜牧獸醫總站.中國草地資源[M].北京:中國科學技術出版社,1996.

[3]西藏自治區統計局,國家統計局西藏調查總隊.西藏統計年鑒[M].西藏:中國統計出版社,2008.

[4]崔慶虎,蔣志剛,劉季科,等.青藏高原草地退化原因述評[J].草業科學,2007,24（5）:20-26.

[5]高清竹,李玉娥,林而達,等.藏北地區草地退化的時空分布特征[J].地理學報,2005,60（6）:965-973.

[6]肖浩.高寒草甸植被退化的幾個案例分析及恢復問題的探討[J].草業與畜牧,2008（3）:27-32.

[7]孫磊,魏學紅,鄭維列.藏北高寒草地生態現狀及可持續發展對策[J].草業科學,2005,22（10）:10-12.

[8]王躍思,胡玉瓊,紀寶明,等.放牧對內蒙古草原溫室氣體排放的影響[J].中國環境科學,2002,22（6）:490-494.

[9]王躍思,薛敏,黃耀,等.內蒙古天然與放牧草原溫室氣體排放研究[J].應用生態學報,2003,14（3）:373-376.

[10]李玉娥,秦曉波,李文福,等.夏季休牧對高寒矮嵩草草甸溫室氣體排放的影響[J].農業工程學報,2007,23（4）:206-211.

[11]李輝霞,劉淑珍.西藏自治區那曲縣草地退化的動態變化分析[J].水土保持研究,2007,14（2）:98-100.

[12]萬運帆,李玉娥,林而達,等.靜態箱法測定旱地農田溫室氣體時密閉時間的研究[J].中國農業氣象,2006,27（2）:122-124.

[13]唐啟義,馮明光.實用統計分析及其DPS數據處理系統[M].北京:科學出版社,2005.

[14]董全民,趙新全,馬玉壽,等.放牧強度對高寒人工草地土壤有機質和有機碳的影響[J].青海畜牧獸醫雜志,2007,37（1）:6-8.

[15]張榮華,安沙舟,楊海寬,等.模擬放牧強度對針茅再生性能的影響[J].草業科學,2008,25（4）:141-144.

[16]張金霞,曹廣民,周黨衛,等.放牧強度對高寒灌叢草甸土壤CO2釋放速率的影響[J].草地學報,2001,9（3）:183-190.

[17]賈樹海.草原生態系統研究（第5集）[C].北京:科學出版社,1997:12-16.

[18]韓文軍,春亮,侯向陽.過度放牧對羊草雜類草群落種的構成和現存生物量的影響[J].草業科學,2009,26（9）:195-199.

[19]王長庭,王啟蘭,景增春,等.不同放牧梯度下高寒小嵩草草甸植被根系和土壤理化特征的變化[J].草業學報,2008,17（5）:9-15.

[20]朱紹宏.牦牛放牧強度對高寒草原植被群落及土壤養分影響的研究[D].蘭州:甘肅農業大學,2006.

[21]劉忠寬,汪詩平,韓建國,等.放牧家畜排泄物 N轉化研究進展[J].生態學報,2004,24（4）:775-783.

[22]IPCC.Climate Change 2001:The Scientific Basis.Contribution of Work GroupⅠto the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].UK:Cambridge University Press,2001.