輪牧高寒草甸溫室氣體排放的季節動態與羊糞的作用

劉 陽，孫 義，顏才玉，張 濤，袁 航，侯扶江

(草地農業生態系統國家重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次評估報告預測，21世紀末，全球平均氣溫將升高1.8～4.4 ℃[1]。農業系統CO2、CH4等溫室氣體的管理已成為諸多學科的研究熱點，也是草地生態系統碳循環研究最核心的內容之一[2-5]。草地是分布最廣的陸地生態系統，在全球碳循環和氣候調節中起重要作用[6-7]。高海拔和高緯度生態系統對溫度升高的響應可能更為敏感和迅速[8-9]。青藏高原是世界最獨特的生態地理單元之一，在全球氣候變化中扮演重要角色[10]。高寒草甸是青藏高原面積最大的植被類型，占區域土地面積的46.4%，占該區農用土地的82.3%，主要以放牧為主要利用方式[11-14]，家畜通過采食、踐踏和排泄物影響高寒生態系統的結構與功能[15]。全球動物糞便排放的CH4約占人為CH4排放總量的5.5%～8.0%[16]，排放的N2O大約占全球N2O排放總量的7.0%[17]。中國是動物生產大國，2003年畜禽共產生31.90億t糞便，是工業固體廢物的3.2倍，而且在迅速增加之中。

目前，草地溫室氣體排放普遍受到關注[5，18-20]，但是放牧與溫室氣體排放的關系較不確定，尤其缺少青藏高原家畜放牧與溫室氣體排放的報道。為此研究高寒草甸CO2和CH4排放的季節動態，分析放牧率與羊糞對于溫室氣體排放的影響，可為改進藏羊放牧系統的碳匯管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1研究區概況 研究區位于甘肅省瑪曲縣阿孜畜牧科技示范園，地理坐標35°58′ N，101°53′ E，海拔3 650 m左右。年均氣溫1.2 ℃，1月平均氣溫-10 ℃，7月平均氣溫11.7 ℃，年日照時數約2 580 h，年平均霜日大于270 d，無絕對無霜期，只有冷暖季之分。年均降水量約620 mm，主要集中在5-9月；主要植被類型為高寒草甸[21-22]。

1.2試驗方法

1.2.1放牧試驗 在地勢較為平緩、植被典型地段建立放牧試驗區，每個小區放牧8只體況較為一致的6月齡左右藏系公綿羊。暖季7―9月放牧，冷季10―12月放牧。輪牧周期30 d，放牧期10 d。設置8和16 羊·hm-2兩個放牧率，6次重復。

1.2.2溫室氣體測定 在每個放牧小區設置2組40 cm×40 cm樣點，每組含相鄰的2個樣點。在放牧結束時，針對每組樣點，先將其中一個樣點的羊糞撿拾干凈，均勻分布到另一個樣點中，形成有羊糞和無羊糞各一個樣方。用靜態箱法分別在12月(枯黃季)、5月(返青季)、7月(生長旺季)測定CH4和CO2交換量[23-27]。根據2年的觀測，研究區每天09:30―10:30、16:00―17:00的甲烷和二氧化碳通量值能夠代表日平均值，故在這兩個時間點測定，連續觀測7 d，計算期間CH4和CO2通量值。

同時，沿每放牧小區對角線隨機設置10個1 m×1 m樣方，分別收集其中羊糞，105 ℃烘至質量恒定，稱量。計算整個放牧小區的羊糞總量和單位面積的羊糞質量。

年交換通量為各季節通量對時間的積分。

1.3數據分析 用Microsoft Excel進行圖形制作，SPSS 13.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1CH4排放動態 放牧的高寒草甸有羊糞樣點和無羊糞樣點各個季節均表現為CH4的匯，返青季CH4日均吸收量最高(圖1)。放牧較輕的樣地(8羊·hm-2)，季節之間CH4日均吸收量差異顯著，有羊糞樣點返青季分別是枯黃季和生長旺季的10.7和2.2倍，無羊糞樣點則分別是7.2和2.1倍(P<0.05)。放牧較重的樣地(16羊·hm-2)CH4日均吸量，在有羊糞樣點，枯黃季與生長旺季差異不顯著(P>0.05)，但分別顯著低于返青季71.1%和63.1%；無羊糞的樣點，枯黃季與返青季差異不顯著，均顯著高于生長旺季8.1倍。

枯黃季，重牧小區有羊糞樣點和無羊糞樣點的CH4吸收分別是輕牧小區的2.1倍(P>0.05)和4.1倍(P<0.05)。返青季，重牧小區有羊糞樣點和無羊糞樣點的CH4日均吸收通量比輕牧小區分別低30.4%(P>0.05)和31.3%(P<0.05)。生長旺季，輕牧小區有羊糞樣點和無羊糞樣點的CH4日均吸收量分別是重牧小區的1.7和6.2倍。

圖1 高寒草甸CH4通量Fig.1 CH4 flux in alpine meadow with different stocking rates of Tibetan sheep in different seasons

有羊糞樣點枯黃季，CH4日均吸收量在輕牧小區和重牧小區分別比無羊糞樣點減少23.0%和66.1%，羊糞有削弱高寒草甸吸收CH4能力的趨勢，但差異不顯著(P>0.05)(圖1)。返青季，輕牧小區和重牧小區有羊糞樣點的CH4吸收能力分別比無羊糞樣點高15.1%(P<0.05)和16.4%，生長季輕牧小區和重牧小區有羊糞樣點的CH4吸收能力比無羊糞樣點分別高10.3%和192.9%(P>0.05)，這兩個季節羊糞有促進高寒草甸吸收CH4的趨勢(圖1)。

全年CH4吸收量，在輕牧區，有羊糞樣點比無羊糞樣點高9.1%；在重牧區，有羊糞樣點比無羊糞樣點低17.9%(表1)。適度放牧可以增強高寒草甸吸收CH4的能力。

2.2CO2排放動態 放牧的高寒草甸有羊糞樣點和無羊糞樣點各個季節均表現為CO2的源，生長旺季CO2日均排放量最高，牧草枯黃的冬季最低，差異顯著(P<0.05)(圖2)。放牧較輕區域，有羊糞的樣點在生長旺季的CO2排放速度分別是枯黃季和返青季的16.7和1.9倍，無羊糞的樣點分別為36.2和1.7倍。放牧較重的區域，有羊糞的樣點在枯黃季和返青季的CO2排放速度分別是生長季的5.8%和43.6%，無羊糞的樣點則分別為5.9%和41.8%。

表1 高寒草甸溫室氣體年通量Table 1 Annual flux of greenhouse gases in alpine meadow

枯黃季，重牧小區有羊糞樣點和無羊糞樣點的CO2日均排放量分別是輕牧小區的1.3倍和2.9倍。返青季，重牧小區有羊糞樣點的CO2日均排放通量比輕牧小區高4.8%，無羊糞樣點的CO2日均排放通量比輕牧小區低14.7%；但上述差異均不顯著(P>0.05)。生長季，重牧小區有羊糞樣點和無羊糞樣點的CO2日均排放通量分別是輕牧小區的1.3和1.4倍(P<0.05)。盡管羊糞對于放牧草地CO2排放的作用不顯著，但是所表現出的抑制高寒草甸CO2排放的趨勢值得長期關注。

圖2 高寒草甸CO2通量Fig.2 CO2 flux in alpine meadow with different stocking rate of Tibetan sheep in different seasons

全年CO2排放量，重牧區有羊糞樣點和無羊糞樣點分別比輕牧區高21.4%和26.3%(表1)，說明重牧促進高寒草甸CO2的排放。

3 討論與結論

通徑分析表明，羊糞對于溫室氣體的排放為負效應，而放牧率和生長季則表現為正效應。季節對于CH4和CO2排放的貢獻率分別為62.6%和64.0%，放牧率的作用分別為15.7%和13.4%，羊糞分別為1.7%和6.2%，其他未知因素的貢獻分別為20.0%和16.4%。

高寒草甸在不同的季節均表現為吸收CH4和排放CO2，CH4日均吸收量在返青季最高，CO2日均排放量在生長旺季最高。王躍思等[28]用靜態箱-氣象色譜法連續兩年的觀測表明，內蒙古半干旱草原為大氣 CO2和N2O的排放源，是CH4的匯；李明峰等[2]在內蒙錫林河流域的草甸草原研究表明，溫帶草原對大氣 CH4表現為弱匯；雖然本研究區域與前者不同，但草地表現出的CH4的匯、CO2的源的趨勢一致。齊玉春等[5]在研究放牧對溫帶典型草原含碳溫室氣體CO2、CH4通量特征的影響中指出，與對照圍欄禁牧草原相比,自由放牧和輪牧均沒有改變土壤與大氣間原有的CO2、CH4氣體通量的源匯方向，也沒有改變土壤通量的季節變化形式。本研究中，放牧沒有改變高寒草甸作為CH4匯/CO2源的功能，與上述結果一致。

季節可以改變溫度、濕度，進而影響土壤生物和植被活力，對溫室氣體的排放產生間接作用。溫度是影響土壤CO2排放(土壤呼吸)的關鍵因素，土壤呼吸日變化或季節性變化的大部分變異常用溫度變化來解釋[29]；濕度和降水通過影響土壤氣體擴散速率和微生物活性影響CH4排放[30]。羊糞對高寒草甸溫室氣體排放的影響，可能通過降水的淋溶作用改變了表土的化學結構，也可能因為羊糞的存在與否改變了地表對太陽輻射的吸收而導致土溫發生變化，進而影響其他理化性質。本研究表明，適度放牧減少高寒草甸CH4排放，重度放牧促進CO2排放，可以用于指導高寒草甸放牧系統的溫室氣體減排的管理。羊糞的效應不顯著，但是所表現出的減少溫室氣體排放的趨勢值得重視。

[1] 《氣候變化國家評估報告》編寫委員會.氣候變化國家評估報告[M].北京：科學出版社，2007:23-33.

[2] 李明峰,董云社,齊玉春,等.極端干旱對溫帶草地生態系統CO2、CH4、N2O通量特征的影響[J].資源科學,2004,26(3):89-95.

[3] 周志田,成升魁,劉允芬,等.中國亞熱帶紅壤丘陵區不同土地利用方式下土壤CO2排放規律初探[J].資源科學,2002,24(2):83-87.

[4] 宋霞,劉允芬,徐小鋒,等.紅壤丘陵區人工林冬春時段碳、水、熱通量的觀測與分析[J].資源科學,2004,26(3):96-104.

[5] 齊玉春，董云社，楊小紅，等.放牧對溫帶典型草原含碳溫室氣體CO2、CH4通量特征的影響[J].資源科學，2005,27(2)：103-109.

[6] 方精云，楊元合，馬文紅，等.中國草地生態系統碳庫及其變化[J].中國科學：生命科學，2010,40(7)：566-576.

[7] 樸世龍，方精云，賀金生，等.中國草地植被生物量及其空間分布格局[J].植物生態學報，2004,28(4)：491-498.

[8] Chapin F S,Jefferies R L,Reynolds J F，etal.Arctic plant physiological in an ecosystem content[A].In:Chapin F S,Jefferies R L,Reynolds J F.Arctic Ecosystems in a Changing Climate:An Ecophysiological Perspective[M].San Diego:Academic Press,1992:441-452.

[9] Grabherr G,Gottfried M,Pauli H.Climate effects of mountain plants[J].Nature,1994,368:448-450.

[10] 程國棟，李培基，張祥松，等.氣候變化對中國積雪、冰川和凍土的影響評價[M].蘭州：甘肅文化出版社，1997:22-56.

[11] 鄭度，姚檀棟.青藏高原隆升與環境效應[M].北京：科學出版社，2004.

[12] 周興民，王志彬，杜慶.青海植被[M].西寧：青海人民出版社，1987.

[13] 楊正禮，楊改河.中國高寒草地生產潛力與載畜量研究[J].資源科學，2000,22(4)：73-77.

[14] 夏武平，周興民，劉季科，等.高寒草甸地區的生物群落[A].高寒草甸生態系統研究[C].北京：科學出版社，1991：1-8.

[15] 侯扶江，楊中藝.放牧對草地的作用[J].生態學報，2006,26(1)：244-264.

[16] Houghton J T,Callander B A,Varney S.IPCC Climate Change 1992:The Supp lementary Report to the IPCC Scientific Assessment [R].U K:Cambridge University Press,1992:26-51.

[17] KhalilM A K,Rasmussen R A.The global sources of nitrous oxide[J].Journal of Geophysical Research,1992,97:14561- 14660.

[18] 陸日東，李玉娥，萬運帆，等.堆放奶牛糞便溫室氣體排放及影響因子研究[J].農業工程學報，2007,23(8)：198-204.

[19] 王方浩，馬文奇，竇爭霞，等.中國畜禽糞便產生量估算及環境效應[J].中國環境科學，2006,26(5)：614-617.

[20] 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.

[21] 張云，武高林，任國華.封育后補播高寒1號生態草對瑪曲退化高寒草甸生產力的影響[J].草業科學，2009,26(7):99-104.

[22] 李向前,賈鵬,章志龍,等.青藏高原東緣高寒草甸植物群落的開花物候[J].生態學雜志，2009,28(11)：2202-2207.

[23] 王躍思，紀寶明，王明星，等.半干旱草原地-氣溫室氣體CO2、CH4和N2O交換速率測定方法研究[J].環境科學，2000,21(3)：10-15.

[24] 王躍思，紀寶明，黃耀，等.農墾與放牧對內蒙古草原N2O、CO2排放及對CH4吸收的影響[J].環境科學，2001,22(6)：7-13.

[25] Mosier A R,Delgado J A.Methane and nitrous oxide fluxes in grasslands in western Puerto Rico[J].Chemosphere,1997,35:2050-2082.

[26] Kessavallou A,Mosier A R,Doran J W,etal.Fluxes of CO2,N2O and CH4in grass sod and winter-wheat fallow tillage management[J].Journal of Environmental Quality,1998,27:1094-1104.

[27] 杜睿,王庚辰,呂達仁,等.箱法在草地溫室氣體通量野外試驗觀測中的應用研究[J].大氣科學,2001,25(1):61-70.

[28] 王躍思，王明星，胡玉瓊，等.半干旱草原溫室氣體排放/吸收與環境因子的關系研究[J].氣候與環境研究,2002,7(3):295-309.

[29] Liu X Z,Wan S Q,Su B,etal.Response of soil CO2efflux to water manipulation in a tallgrass prairie ecosystem[J].Plant and Soil,2002,240:213-223.

[30] Adamsen A P S,King G M.Methane consumption in temperate and subarctic forest soils:Rates,vertical zonation,and responses to water and nitrogen[J].Applied and Environmental Microbiology,1993,59:485-490.