糞食性金龜功能群對草原牛糞分解過程中溫室氣體排放的影響

王亞東，王 昊，程建偉，張俊珍，王椏楠，劉 陽，劉新民，李永宏①

(1.內蒙古大學生態與環境學院，內蒙古 呼和浩特 010021；2.蒙古高原生態學與資源利用教育部重點實驗室/ 省部共建草地生態學國家重點實驗室培育基地，內蒙古 呼和浩特 010021；3.內蒙古師范大學生命科學與技術學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

隨著人類對天然草原綠色動物產品需求的增長[1]，草原家畜放牧強度不斷增大，家畜排泄物量已成為草原區溫室氣體重要來源[2]。目前關于草原溫室氣體的研究，多聚焦于不同草地放牧管理方式下的地上生物量、土壤理化性質和微生物活動變化對溫室氣體的影響。過度放牧會降低植物地上部位生物量，減少土壤碳和氮的輸入[3]，進而抑制土壤微生物過程和溫室氣體排放通量[4]；同時放牧還會造成土壤緊實度變化，影響土壤孔隙度和含氧量，進而影響土壤微生物活動[5]；土壤緊實度也與土壤含水量、土壤溫度和地上生物量相關[6]，這些指標均會影響溫室氣體排放。總體而言，草地利用改變導致的植被生物量和土壤理化性狀改變[7]以及微生物過程，都會影響溫室氣體排放[8]。動物排泄物在降解過程中產生大量溫室氣體[9]，這些溫室氣體排放規律和影響因素是制定減緩或適應全球氣候變化的低碳草原生態畜牧業管理體系中的重要部分[10]。動物排泄物分解過程中的溫室氣體排放主要受土壤、大氣等環境條件以及其他生物的影響[11]，土壤動物對糞便溫室氣體排放的影響研究相對較少。

糞食性金龜是糞便分解中最重要的一類無脊椎動物，主要包括糞金龜科(Geotrupidae)、金龜科(Scarabaeidae)和蜉金龜科(Aphodiidae)，其在生態系統養分循環中具有重要作用，被稱為生態系統的工程師[12-13]。糞食性金龜以哺乳動物糞便為食或將其作為繁殖場所[14]，根據其筑巢、育幼行為可分為滾糞球型(制作糞球，并在地表滾動一定距離后埋入土中)、掘洞型(在糞便下掘洞，將制作的糞球轉移入洞穴中)和糞居型(在糞便中取食和繁殖)3種功能群[15]。研究表明，糞食性金龜活動可改變糞塊和土壤通氣結構[16]，抑制甲烷菌的厭氧呼吸；糞食性金龜采食新鮮糞便汁液可加速糞便干燥，進而減少微生物可利用資源[17]，降低溫室氣體排放[18-20]。同時，不同糞食性金龜種類的活動會促進不同細菌繁殖生長，增加糞便表面積，加速糞塊溫室氣體排放[18-19]。目前關于糞食性金龜對糞塊溫室氣體排放影響的研究主要局限于單一糞食性金龜物種的影響，且集中在農業生態系統，而少有自然條件草原生態系統中不同糞食性金龜功能群對糞塊溫室氣體排放影響機制的研究。

糞食性金龜對放牧牲畜糞便分解的作用主要為對鮮糞塊的破碎、采食轉化和向土壤中運移[13]，糞塊中有機物質的分解則主要由微生物完成[21]。因此，影響糞食性金龜和微生物在糞塊中活動的所有環境因素(如降水和溫度)都對糞塊分解及溫室氣體排放具有影響[22-23]。研究[15]表明，內蒙古典型草原的糞食性金龜群落以掘洞型和糞居型為主，滾糞球型種類和數量均較少。采用野外控制實驗，測定內蒙古典型草原區糞居型(泥蜉金龜，Aphodiussordecens)和掘洞型(小駝嗡蜣螂，Onthophagusgibbulus)糞食性金龜對牛糞分解過程中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)釋放通量的影響，并分析其與環境因子的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林浩特市內蒙古大學草地生態學研究基地(44°10′ N、116°28′ E)，海拔為1 102 m。該區域屬溫帶半干旱典型草原區，年平均溫度為2.6 ℃，年均降水量約為280 mm，多集中在6—9月。地帶性土壤為栗鈣土。實驗草地優勢植物為克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)。基地于2011年開始圍封，排除放牧對實驗草地的影響。

1.2 試驗設計

2018年7月中旬，在實驗草地設置牛糞分解控制實驗，研究小駝嗡蜣螂和泥蜉金龜以及兩者之間交互作用對牛糞分解所產生溫室氣體過程的影響。試驗設置5個處理(表1)，各處理糞食性金龜放置數量由預實驗確定，每個處理均設置在自制糞金龜分解隔離系統中，重復5次，共25套隔離系統。

表1 實驗處理

隔離系統采用20 cm×15 cm(直徑×高度)PVC管；管下端以1 mm孔徑尼龍網片封閉，允許水分通過，同時防止蜣螂掘洞并運送育幼糞球至更深層土壤中；管上端以0.63 mm孔徑網眼鐵絲網封閉(或不封閉，表1)，不阻礙光照和雨水沖擊，但可阻止糞節肢動物進出。安裝時，去除草地地表植物，挖出直徑約為20 cm、深度為15 cm的土壤后，放入隔離系統。取出的土壤(銨態氮含量為0.641 mg·kg-1，硝態氮含量為5.205 mg·kg-1)過2 mm孔徑篩，并除去根系和石頭等雜物后，回填至隔離系統中，上端與草地地表大致平齊。設置5塊2 m×3 m草地，每塊草地隨機放置5個處理隔離系統。在隔離系統中相應添加鮮牛糞于土表，并添加糞金龜。供試新鮮牛糞(含水量約為0.823 g·g-1，碳含量約為338.367 mg·g-1，氮含量約為15.698 mg·g-1)收集于毛登牧場，收集后放入冰箱冷凍48 h備用。試驗前采用鮮牛糞堆糞誘捕法采集小駝嗡蜣螂和泥蜉金龜活體標本，室內飼養備用；供試泥蜉金龜體長為5.5～7 mm，小駝嗡蜣螂體長為9.5～11 mm。

1.3 溫室氣體排放通量測定

采用靜態箱法測定CO2、CH4和N2O通量。在2018年7月17日設置實驗后，于無降雨、天氣晴朗的第1、5、9、13、20、25和54 d上午9：00—11：00抽取溫室氣體。靜態箱為無底的PVC制圓桶(直徑為20 cm，高為30 cm)，頂部中央開2個直徑為3 mm的圓孔，分別用于安裝氣溫計和取樣口。每次布置地溫計后，取下0.63 mm孔徑網眼鐵絲網，將靜態箱扣于隔離裝置上方，分別于0、10、20和30 min時采用200 mL注射器從靜態箱頂部取樣口采集氣體，并快速將采集的氣體轉移至真空的200 mL氣體采集袋中；同時，采用地溫計和濕度測量計(Moisture Meter HH2，Delta-T Devices，英國)測量土壤表層溫度和濕度。將氣體采集袋帶回實驗室，采用氣相色譜儀(Agilent 7890A，Agilent Technologies，美國)測定CO2、CH4和N2O濃度，溫室氣體排放通量計算公式為

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1.4 實驗期的氣象條件

氣象數據來自內蒙古大學草地生態學研究基地ZENO自動氣象站。實驗持續2個月，初期(7月17—24日)和后期(8月27日—9月5日)降水較多，而中期(7月25日—8月6日)降水較少。7月末和8月初氣溫較高，隨后呈下降趨勢(圖1)。

1.5 數據處理與分析

計算實驗期不同處理各溫室氣體累計通量，并根據CH4排放效應為CO2的25倍，N2O排放效應為CO2的298倍計算溫室氣體CO2排放總通量。對實驗數據進行正態性檢驗，并將不服從正態分布的數據進行對數轉換，不同處理數據間差異采用Duncan方法進行比較。采用重復測量方差分析方法研究處理和時間及處理與時間交互作用對溫室氣體通量的影響差異；采用非線性回歸動態擬合方法分析糞便產生溫室氣體與土壤溫度和濕度的關系，并評估氣象因素對糞塊分解中溫室氣體排放的影響；采用曲線擬合和差異性分析方法研究不同處理溫室氣體排放與溫度、濕度的關系。數據處理和作圖分別采用SPSS 19.0和Sigmaplot 12.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同糞食性金龜功能群對牛糞產生溫室氣體通量的影響

由表2可知，與CK相比，糞添加處理溫室氣體排放通量均顯著增加(P<0.05，)。與T0處理相比，T1處理糞便CO2排放和溫室氣體排放總通量顯著增加(P<0.05)。分解實驗期間，小駝嗡蜣螂對溫室氣體排放總量有促進作用，但與其他糞添加處理相比差異不顯著(P>0.05)。CO2總通量由CO2通量主導，CH4通量和N2O通量的作用相對較小。

由表3可知，不同糞食性金龜功能群處理和分解時間及兩者的交互作用對溫室氣體CO2、CH4和N2O通量均有顯著影響(P<0.001)。由圖2可知，實驗初期(1 d時)，與T0處理相比，T1、T2和T3 3種糞金龜處理甲烷通量顯著降低(P<0.05)，T1處理N2O通量顯著增加(P<0.05)；T1處理CO2通量和N2O通量顯著高于T2處理(P<0.05)。5 d時T2和T3處理CO2通量和溫室氣體排放總通量顯著低于其他糞添加處理(P<0.05)。實驗13 d時T2處理CO2和N2O通量顯著高于T0處理(P<0.05)。實驗25 d時相比于T0處理，含糞食性金龜處理溫室氣體排放總通量顯著增加(P<0.05)。糞分解50 d時，各糞添加處理溫室氣體排放總通量之間差異不顯著(P>0.05)。

2.2 土壤溫度和濕度對牛糞溫室氣體排放通量的影響

由圖3可知，CO2和CH4排放通量與土壤溫度呈極顯著正相關(P<0.001)，兩者在土壤濕度為11%～16%時達到最大值。N2O排放通量也隨土壤溫度增加而增加(P<0.01)，但與土壤濕度相關性未達顯著水平(P>0.05)。

2.3 土壤溫度和濕度與糞食性金龜功能群在糞便產生溫室氣體中的作用

由表4可知，經曲線擬合及差異性分析，各處理僅N2O排放通量隨土壤溫度變化趨勢存在差異，其他不同處理溫室氣體排放通量都與溫度和濕度差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同處理3種溫室氣體排放通量及總通量

表3 糞食性金龜和分解時間對糞塊溫室氣體排放的重復測量方差分析

表4 不同處理溫室氣體通量與土壤溫度和濕度的斜率及截距差異分析

3 討論

動物排泄物降解過程中產生大量溫室氣體，能使草地土壤由甲烷的匯轉變為弱源[9]，筆者研究結果與之一致。同時筆者研究結果表明牛糞分解所產生溫室氣體以CO2為主，CH4和N2O較少。糞食性金龜能影響動物糞便分解過程中溫室氣體的產生[18-19]。不同糞食性金龜種類，因其體型和筑巢、育幼行為不同，對糞便分解的影響不同[24]。筆者實驗結果表明，不同糞食性金龜功能群(掘洞型和糞居型)對牛糞分解過程不同時期的溫室氣體排放均有影響。

3.1 糞食性金龜功能群差異影響糞便產生的溫室氣體通量

筆者研究發現，實驗1 d時(新鮮糞便)，無糞金龜處理(T0)CH4通量顯著高于其他處理，即糞金龜處理(T1～T3處理)顯著降低CH4通量(P<0.05，圖2)，這與PENTTIL等[18]研究結果一致，這主要是因為糞食性金龜打破了糞便內部厭氧環境。小駝嗡蜣螂體型較大，擅長掘洞，由糞便表面直接向糞便內部打洞后，滾取一定糞球向地下輸送、貯存糞球，導致糞便及土壤物理結構疏松[15]，使空氣容易進入糞便內部，減弱甲烷菌厭氧呼吸[18]。泥蜉金龜為糞居型甲蟲，其龐大的生物量及劇烈的活動，同樣會將大量空氣帶入糞便內部，減弱甲烷菌厭氧呼吸，從而降低CH4排放。而無糞金龜處理糞塊內無充足空氣，因此形成甲烷源。

泥蜉金龜處理(T1)促進了CO2排放(表2)，尤其是實驗初期(1～5 d時)CO2排放處于較高水平(圖2)，泥蜉金龜也顯著促進了新鮮糞便(1 d)N2O通量的增加(P<0.05，圖2)。這可能與泥蜉金龜糞居，在糞便中劇烈活動，促進微生物活動有關[17]。相反，5 d時小駝嗡蜣螂處理(T2～T3)CO2通量顯著減少(P<0.05，圖2)。這可能是由于小駝嗡蜣螂活動和采食糞液[12]加快了糞塊水分損失，影響糞塊微生物群落，減緩糞便分解和溫室氣體釋放；同時，小駝嗡蜣螂向下挖掘隧道，運移貯存糞球，減少了地表糞便，也使溫室氣體排放減少[18,25](圖2)。因此，實驗初期T2處理CO2和N2O通量顯著低于T1處理(P<0.05，圖2)。但13 d時，T2處理CO2和N2O通量顯著高于其他各處理(P<0.05)，這可能是由于小駝嗡蜣螂挖掘隧道，運移糞球，導致整個地下部分(包括土壤和糞球)分解產生溫室氣體速度加快。糞金龜組合處理(T3)溫室氣體排放并未顯著減少或增加(P>0.05，表2)，表明2種糞金龜組合對糞便溫室氣體排放沒有顯著交互作用。

3.2 溫度和濕度變化影響糞便溫室氣體通量

實驗前期，糞食性金龜處理溫室氣體排放通量均有所降低，13 d時排放通量達到最大值。這與其他研究[18,20]不一致。這可能是由于實驗初期連續陰雨，氣溫較低，糞食性金龜活動改變了糞便和土壤狀況，導致土壤水熱氣條件并不利于微生物活動；而在實驗13 d時，天氣晴朗，氣溫升高，土壤溫、濕度和通氣會促進微生物活動，致使糞便產生的溫室氣體短時間內“噴發”。

謝軍飛等[26]研究結果表明CH4排放通量隨土壤溫度的升高而增加，筆者研究結果與之一致(P<0.001，圖3)。土壤溫度通過影響微生物活性來影響CH4通量，這對土壤和糞便的影響是一致的。劉芳等[27]發現CH4通量會隨著稻田土壤含水率的增加而顯著增加，EVANS等[12]發現北方溫帶草原糞分解過程中CH4通量與土壤含水量呈正相關關系。筆者研究中CH4排放通量最大值出現在土壤濕度為11%～16%時，CH4排放通量與土壤濕度相關不顯著，這可能是與實驗期間氣象條件有關(圖3)，土壤濕度為11%～16%時土壤溫度也較高，適宜的土壤濕度和較高的土壤溫度滿足了CH4微生物活動的適宜條件，導致CH4排放通量最大。

土壤溫度是影響CO2排放的關鍵因素[21]，土壤溫度為10～35 ℃時土壤呼吸速率呈指數增長[28]，筆者研究結果與之一致(P<0.001，圖3)。研究[29]表明，土壤濕度過大或過小均導致土壤呼吸銳減，筆者研究結果與之一致。土壤呼吸隨土壤含水量增加而增加[30]，但低溫條件下濕潤土壤呼吸速率可能與溫暖條件下較干燥土壤呼吸速率相同[31]。筆者試驗期間，土壤較為濕潤，CO2排放主要受土壤溫度條件主導，適宜的土壤溫度和濕度條件導致CO2大量排放，進一步造成CO2通量與土壤濕度呈單峰趨勢(圖3)。

筆者實驗數據顯示，N2O排放主要由土壤溫度決定(P<0.001，圖3)，與土壤濕度相關不顯著(P>0.05，圖3)。土壤溫度對N2O排放速率的影響，主要通過影響微生物活動強度和土壤中N2O傳輸速率[26]。KAMP等[32]發現，5—10月增熱區土壤N2O排放速率是對照區的3倍。而DORLAND等[33]發現N2O通量的平方根與土壤溫度呈正相關關系。筆者研究同樣發現N2O通量與土壤溫度呈線性關系(P<0.001，圖3)。但筆者研究發現N2O排放與土壤濕度相關不顯著(P>0.05，圖3)，這可能是由于低氮地區N2O排放并不受土壤濕度脅迫導致[34]。

4 結論

筆者研究結果表明，土壤溫度和土壤濕度直接影響微生物活性，是主導糞便溫室氣體排放的基本因素；CO2、CH4和N2O排放量均隨著土壤溫度升高而增大；實驗前期降水多導致土壤濕度穩定，土壤溫度是影響實驗前期溫室氣體排放的主導因素。糞食性金龜活動改變了糞塊及土壤通氣結構，有效提高了新鮮期糞塊內部空氣含量，降低了CH4排放通量；掘洞型小駝嗡蜣螂采食、向下轉移和貯存糞球的行為，減緩了微生物活動，有效降低了CO2通量；糞居型泥蜉金龜生物量大，在糞便中的劇烈活動促進了微生物活動，增加了CO2和N2O排放；2種糞金龜組合對糞便溫室氣體排放沒有顯著交互作用。小駝嗡蜣螂與泥蜉金龜屬于不同糞食性金龜功能群，兩者不同筑巢、育幼行為導致糞便物理結構發生不同變化，進而導致不同時期各處理溫室氣體排放量的差異。隨著土壤溫度增加，添加糞食性金龜處理牛糞N2O排放通量隨之增加，表明土壤溫度影響了糞食性金龜在分解牛糞產生溫室氣體過程中的作用。因此糞食性金龜作為生態系統中重要組成部分，對糞便分解過程中溫室氣體排放起到了關鍵作用。