刈割對晉西北賴草草地溫室氣體通量的影響

李 超，常 馨，閆衛東，董寬虎

(山西農業大學草業學院，山西 太谷 030801)

目前人類面臨的最嚴峻的氣候和環境變化問題是全球變暖，導致全球變暖的主要因素為大氣中溫室氣體濃度的增加[1]。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是大氣中具有增溫輻射效應的3種重要的溫室氣體[2]，影響溫室氣體排放的因素主要包括環境、生物和管理因素[3]。草地是溫室氣體重要的源和匯，對大氣中溫室氣體的濃度變化有直接影響。刈割作為草地最主要的利用方式之一，能夠提供新鮮牧草及冬春飼草，同時不可避免地對草地造成了一定的干擾[4-5]。刈割影響牧草株高、粗蛋白質、中性和酸性洗滌纖維等形態特征和營養價值[6-8]，對植物群落的物種多樣性、組成結構及生物量造成影響[9-13]。刈割移除部分綠色植物，使得凋落物和立枯物減少，影響土壤養分循環、土壤微生物活性和土壤理化性質[4,9]，進而影響土壤和大氣間溫室氣體通量[14]。

晉西北地區是我國北方農牧交錯帶重要的組成部分[15-16]，是由傳統農區向牧區轉變的過渡地帶[17]。該地區對于干旱干擾極端敏感[18]，加之其他變化的影響，使得該地區生態系統脆弱、生態問題日益突出。因此，本研究以晉西北農牧交錯帶賴草(Leymussecalinus)草地為研究對象，采用靜態箱/氣相色譜(GC)法測定2017年5月—2018年9月生長季及非生長季不同刈割強度下草地3種溫室氣體CO2，CH4和N2O通量的季節動態，以探究不同刈割強度下晉西北賴草草地CO2，CH4和N2O的源和匯及季節通量規律和不同刈割強度對3種溫室氣體通量影響的差異以及不同刈割強度下草地CO2，CH4和N2O通量與主要環境因子的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究試驗期為2017年5月至2018年9月，試驗地為山西農業大學農牧交錯帶(右玉)草地生態系統野外觀測研究站，位于山西省右玉縣(39°59′17.0″ N，112°19′17.6″ E，海拔1 400 m)，地處晉西北邊陲，年平均氣溫4.1℃，年均降水量達427.3 mm(1957—2016年)[19]。試驗地優勢種為賴草(Leymussecalinus)、堿茅(Puccinelliatenuiflora)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)等，土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤理化性質Table 1 Soil physical and chemical properties of the experimental field

1.2 試驗設計

選擇一塊地勢相對平坦、植被分布均勻的草地作為試驗地，采用隨機區組試驗設計，設置4個處理：不刈割(NM)、輕度刈割(LM，留茬10 cm)、中度刈割(MM，留茬5 cm)和重度刈割(HM，留茬2 cm)，4次重復，共16個小區，小區面積為24 m2(12 m×2 m)，相鄰小區間緩沖帶為1 m。

于2016年—2018年8月中下旬進行不同刈割強度處理，刈割頻度為一年1次，移除刈割的地上植被。

1.3 主要環境因子的測定

使用小型氣象站對試驗地2017年5月—2018年9月的氣象數據進行收集，包括空氣溫度(℃)和降水量(mm)。

溫室氣體采集的同時，測定0～10 cm土層的土壤溫度(℃)和土壤體積含水量(V/V，%)。

1.4 溫室氣體通量的測定

三種溫室氣體(CO2，CH4，N2O)通量的測定采用靜態箱/氣相色譜(GC)法。在每個小區選擇相同位置的1個固定樣方進行測定，生長季(5—9月份)每月測定1～2次，2017年10，12月份每月測定1次，2018年3，4月份每月測定5～6次，采樣時間為上午9：00—11：00。采樣裝置由40 cm×40 cm×25 cm的靜態箱及40 cm×40 cm×10 cm的固定底座組成，材質均為不銹鋼，箱體外包有隔熱材料，底座于試驗開始前永久插入土中，其上安裝有凹槽。采樣前將水注入凹槽內以保證采樣時的密閉性，將箱體放置于凹槽上，于0 min，10 min，20 min，30 min各進行一次采樣，每次采樣結束后，共有64個氣體樣品，每個樣品100 mL，暫存于氣袋內。采用氣相色譜儀(Aglient Technologies 7890B)測定氣體樣品中CO2，CH4，N2O濃度，配備的氫火焰離子檢測器測定CO2和CH4，電子捕獲檢測器測定N2O[20]。

溫室氣體通量的計算公式為：

式中，F表示三種溫室氣體CO2，CH4，N2O的通量，單位分別為mg·m-2·h-1，μg·m-2·h-1和μg·m-2·h-1；dc/dt表示觀測時間內箱內溫室氣體濃度的變化；H表示箱體高度；M表示三種溫室氣體摩爾質量；P表示大氣壓強，R為氣體常數，T為采樣時箱內氣溫。通量為正值表示排放，負值表示吸收[21]。

1.5 數據處理分析

使用Excel 2019整理數據，SPSS 23.0(IBM Chicago,USA)進行方差分析和線/非線性擬合。比較各取樣日期不同刈割強度下草地溫室氣體通量的差異采用重復測量方差分析，不同刈割強度間通量差異比較采用單因素方差分析，溫室氣體通量與主要環境因子之間的關系采用線性或者指數模型擬合。統計顯著水平P= 0.05。

2 結果與分析

2.1 測定期間的主要環境因子

觀測期內試驗地日降水量、日均溫表現出明顯的季節動態(圖1)。2017年生長季(5—9月)日均溫為17.5℃，累計降水量為282 mm，降水主要集中在7—8月份，占該年生長季的61.6%。2018年生長季(5—9月)日均溫較2017年降低3.4%，累計降水量增加63.4%。2017年10月至2018年4月非生長季期間，日均溫為—3.1℃，累計降水量為85.2 mm，降水主要集中在10月份，占非生長季的74.6%。

不同刈割強度下，土壤溫度和土壤體積含水量(0～10 cm)隨季節的變化基本一致(圖2)。各處理間土壤體積含水量無顯著差異，土壤溫度在兩次觀測中(2017年9月23日和2018年8月20日)差異顯著(P<0.05)。

圖1 晉西北賴草草地2017年5月—2018年9月日均溫和日降水量Fig.1 Average daily temperature and daily precipitation during May,2017-September,2018 in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province

圖2 不同刈割強度下晉西北賴草草地2017年5—12月份及2018年3—9月份土壤溫度(a)和2017年5—10月份及2018年4—9月份土壤體積含水量(b)(0～10 cm)(平均值±標準誤)Fig.2 Soil temperature (a) of May-December,2017 and March-September,2018 and volumetric soil water content (b) of May-October,2017 and April-September,2018 (0～10 cm) in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province under different mowing-intensity treatment(mean±SE)注：*表示處理間差異顯著(P<0.05)。NM，不刈割；LM，輕度刈割；MM，中度刈割；HM，重度刈割。下同Note:* indicates significant difference between treatments (P<0.05). NM,no-mowing;LM,light-mowing;MM,moderate-mowing;HM,heavy-mowing. The same as below

2.2 不同刈割強度下草地CO2，CH4和N2O通量的季節動態

觀測期內不同刈割強度下，CO2，CH4和N2O通量均表現出相似的季節動態，各處理下草地均表現為大氣CH4的匯、CO2和N2O的源(圖3)。

2017和2018年生長季CO2排放季節動態均呈單峰型，分別于7月17日和7月23日達到峰值，其區間分別為595.88～756.99 mg·m-2·h-1和814.32～969.92 mg·m-2·h-1；非生長季CO2通量先降低后升高，通量區間為12.26～350.52 mg·m-2·h-1。

2017年5月19日至6月3日，所有處理下CH4吸收量均較大幅度地減少，吸收量從35.40～40.32 μg·m-2·h-1減少到2.33～8.59 μg·m-2·h-1，此后趨于平穩；2018年生長季，CH4吸收在重度刈割下表現出兩個較明顯的吸收峰，分別出現于7月9日和8月20日，吸收峰值分別為72.69，46.87 μg·m-2·h-1；非生長季CH4吸收量變化區間為1.51～27.40 μg·m-2·h-1。

N2O通量變化在2017年生長季呈雙峰型，第一個峰出現在6月26日，峰值區間為28.45～36.26 μg·m-2·h-1，第二個峰出現在8月24日，峰值區間為32.47～55.10 μg·m-2·h-1；2018年生長季，不刈割、輕度刈割和重度刈割下N2O于6月6日出現通量峰值，依次為33.44，42.29和30.81 μg·m-2·h-1；非生長季N2O通量變化區間為0.76～16.37 μg·m-2·h-1。

圖3 2017年5—12月份及2018年3—9月份不同刈割強度下晉西北賴草草地CO2(a),CH4(b)和N2O(c)通量(平均值±標準誤)Fig.3 CO2(a),CH4 (b) and N2O (c) fluxes of May-December,2017 and March-September,2018 in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province under different mowing-intensity treatment(mean±SE)

2.3 不同刈割強度對草地CO2，CH4和N2O通量的影響

2017，2018年生長季不同取樣日期對3種溫室氣體通量的影響有極顯著差異(P<0.001)；非生長季不同取樣日期對CO2，N2O通量的影響有極顯著差異(P<0.001)，但對CH4通量的影響無顯著差異。

生長季、非生長季不同刈割強度下草地CO2平均通量無顯著差異，CO2通量在2017年生長季、2018年生長季及非生長季的平均值分別為435.87，411.99和64.06 mg·m-2·h-1。

2017年生長季各處理CH4平均通量差異不顯著；2018年生長季各處理CH4平均吸收量比較：輕度刈割(LM)>重度刈割(HM)>中度刈割(MM)>不刈割(NM)，不刈割與中度刈割處理間CH4平均通量無顯著差異，二者均與其余刈割處理有顯著差異(P<0.05)，輕、重度刈割處理之間CH4通量無顯著差異；非生長季中度刈割CH4通量顯著高于不刈割(P<0.05)，其余處理間通量無顯著差異；2018年生長季不同處理與取樣日期間有極顯著的交互作用(P<0.001)。

2018年生長季中度刈割下N2O平均通量為5.11 μg·m-2·h-1，顯著低于不刈割及重度刈割(P<0.05)且不同處理與取樣日期間有極顯著的交互作用(P<0.001)(表2、圖4)。

表2 不同刈割強度處理(T)和取樣日期(D)對晉西北賴草草地2017，2018年生長季及非生長季CO2,CH4和N2O通量影響的重復測量方差分析結果Table 2 Results of repeated-measures ANOVA for the effects of different mowing-intensity treatment,sampling date and their interactions on CO2,CH4 and N2O fluxes in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province during the growing season and non-growing season of 2017 and 2018

圖4 不同刈割強度下晉西北賴草草地2017，2018年生長季及非生長季CO2(a-c),CH4(d-f)和N2O(g-i)平均通量(平均值±標準誤)Fig.4 Mean fluxes of CO2(a-c),CH4(d-f) and N2O(g-i) under different mowing-intensity treatment in the Leymus secalinus communities of northwestern Shanxi province during the growing season and non-growing season of 2017 and 2018 (mean±SE)注：不同小寫字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05)Note:Different lowercase letter indicates significant difference among treatment at the 0.05 level

2.4 溫室氣體通量與主要環境因子的關系

如圖5所示，試驗期間不同刈割強度草地0～10 cm土層土壤溫度與CO2通量均呈極顯著正相關(P<0.001)，CO2通量隨著土壤溫度的升高呈指數增長。不刈割、輕度刈割和重度刈割3個刈割強度下草地0～10 cm土層土壤體積含水量與CO2通量呈極顯著線性相關(P<0.01)。不刈割和輕度刈割草地CH4通量與土壤溫度呈極顯著指數相關(P<0.01)。4種刈割強度草地N2O通量與土壤溫度呈極顯著指數相關(P<0.01)；與CO2通量呈極顯著線性正相關(P<0.01)。

圖5 CO2(a，b)，CH4(c)和N2O(d，e)通量與主要環境因子的擬合Fig.5 Fitting of CO2(a,b),CH4(c) and N2O(d,e) fluxes with major environmental factors

3 討論

3.1 不同刈割強度對草地溫室氣體通量的影響

本研究結果表明不同刈割強度對草地CO2排放通量影響差異不顯著，可能是因為刈割暫沒有影響土壤平均溫、濕度，進而沒有影響土壤通氣狀況及釋放的CO2。

2018年生長季刈割強度過高或過低均能促進CH4的吸收，造成該結果的原因可能是經過刈割效應的累積，刈割強度過低，即留茬過高時，凋落物和立枯物較多，致使土壤中可利用的養分過多，微生物活性較大，因此促進了CH4的吸收。重度刈割促進CH4的吸收可能與過度刈割導致群落物種組成改變有關，需要進一步探究。

2018年生長季中度刈割下N2O通量顯著低于不刈割及重度刈割，可能是由于中度刈割改變了諸如微生物分解底物等其他土壤理化性質，有待探討。2018年生長季N2O平均排放通量為8.36 μg·m-2·h-1，極顯著低于2017年20.57 μg·m-2·h-1。造成該現象的原因可能是2018年生長季累計降水量高于2017年，導致土壤溫度降低，微生物活性降低[22]，參與土壤硝化、反硝化過程速率降低，最終導致N2O排放通量降低。

3.2 不同刈割強度下草地溫室氣體通量與主要環境因子的關系

土壤溫、濕度可通過影響植物根系呼吸、氧化還原電位、土壤透氣性、土壤微生物活性等間接影響土壤CO2通量[23]。本試驗發現，晉西北賴草草地在不同刈割強度下CO2通量與土壤溫度(0～10 cm)均呈極顯著指數相關，且土溫可解釋50%～70%的CO2通量季節變異，土壤溫度在生長季與非生長季的交替過程中發生周期性的變化，土壤溫度季節性升高使得植物的根系呼吸作用加強、土壤微生物活性增強，進而增加土壤CO2排放通量。耿會立[1]對內蒙古溫帶半干旱草原生態系統進行研究，結果表明CO2通量與地溫的相關性達到了顯著性水平；何方杰等[24]在高寒草地、沼澤化草甸和高寒沼澤的研究結果均表明CO2通量與土壤溫度呈極顯著正相關；Zhu等[25]使用指數模型描述青藏高原高寒草甸生長季期間CO2通量與土壤溫度的關系。以上結果均與本試驗結果一致。不刈割、輕度刈割和重度刈割下晉西北賴草草地CO2通量與土壤體積含水量(0～10 cm)均呈極顯著線性正相關，土壤體積含水量隨著季節性降水量的變化而變化，可能短期內存在一定的激發效應[26]，使得草地CO2通量增大。

土壤溫、濕度是影響土壤甲烷氧化的重要環境因子[27-29]。本試驗中4種刈割處理下CH4吸收通量與土壤水分均無顯著相關關系，而不刈割及輕度刈割下CH4吸收通量與土壤溫度呈極顯著指數相關，可能是由于不刈割及輕度刈割下移除的地上植被較少，直接裸露的地表面積相對較小，土壤溫度由于微環境的存在使得其受外界影響較小，其波動范圍低于與CH4產生過程相關的微生物的最適溫度。旦增塔慶等[30]對比研究西藏納木錯高寒草原、高寒草甸和沼澤化草甸CH4通量與環境因子關系，其結果與本試驗結果不同，可能是不同草地類型下影響CH4通量的限制因子不同。CH4吸收通量與CO2，N2O通量無顯著相關性，耿遠波等[31]研究結果與本試驗結果一致。

N2O的產生與土壤硝化、反硝化過程相關，有研究結果表明影響N2O排放通量的因子包括土壤溫度、土壤水分、微生物量和pH等土壤理化性質[32]。本試驗結果中N2O排放通量與10 cm地溫有極顯著的正相關性，與土壤水分無顯著相關關系，可能由于試驗期間的土壤溫度未達到參與土壤硝化、反硝化過程的微生物的最適溫度[33]，土壤N2O的產生隨著土壤溫度的升高而增加，而由于特殊的降水年份，土壤濕度不是影響土壤N2O通量的限制因子。Lukas等[34]在歐洲中部草地試驗得出N2O通量與土壤溫度呈正相關關系的研究結論，與本試驗結論一致。魏達等[33]對高寒草原溫室氣體通量與環境間關系的分析發現N2O通量與溫度不存在顯著的線性關系，但與土壤濕度相關性較高，與本研究結果不一致，可能是本試驗地與青藏高原納木錯綜合環境因子的差異所導致。N2O通量與CO2排放通量具有極顯著的線性相關關系，說明二者的產生及排放過程可能存在某種聯系，有待進一步探究。J.Holst等[35]在內蒙古草原凍融期的研究結果、耿遠波等[31]得出草原土壤CO2通量與N2O通量呈顯著正相關、Groffman等[36]研究發現在濕潤條件下，土壤N2O和CO2排放有顯著相關性，均與本研究結果一致。

4 結論

晉西北賴草草地3種溫室氣體(CO2，CH4，N2O)通量具有明顯的季節動態，其生長季通量大于非生長季通量。經過刈割效應的累積后，CH4和N2O通量對于不同的刈割強度響應不同，綜合比較，中度刈割下草地CH4吸收通量較低，N2O排放通量最低。因此，短期內的草地利用強度考慮采用中度刈割以減少溫室氣體的排放。