夏季放牧强度对藏北草原温室气体排放的影响

万运帆,李玉娥,高清竹,段敏杰,旦久罗布,白玛玉珍,韦兰亭

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081；2.农业部农业环境与气候变化重点开放实验室,北京 100081；3.西藏那曲地区草原站,西藏 那曲 852000）

藏北地区是西藏最主要及最重要的牧区之一,面积超过40万km2,占西藏自治区面积的1/3以上,畜牧业是其支柱产业,牧业人口占总人口的90%以上[1-2]。藏北人口增长迅速,近20年来人口增加了约 55%,牲畜年出栏数增长了近3倍[3],使得草地的载畜量大增,草地超载严重,导致藏北草地退化和草地承载力下降[4-5]。特别是在当前全球变暖的大背景下,当地生态系统对气候变化非常敏感,也非常脆弱,草场受气候变化影响退化严重[6-7]。放牧干扰是对草地的主要人为干扰之一,国内一些研究表明,放牧强度的变化将对草地的温室气体排放产生重大影响[8-9],而目前我国在高寒草原上针对放牧强度对温室气体排放影响的研究很少[10],对其排放规律还不十分清楚。本研究拟通过在高寒紫花针茅（Stipa purpurea）草原上的夏季放牧试验及二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）3种主要温室气体排放测定,分析不同放牧强度对主要温室气体排放的影响,也可为估算放牧高寒草原温室气体排放提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计放牧地点位于西藏那曲地区安多县措玛乡的高寒草原（91°28′E,32°10′N）,海拔4 620 m,以紫花针茅和矮生嵩草（Kobresia humilis）等高寒草甸类为建群种,年均温-2.8℃,年日照时数为2 847 h,年降水量为411.6 mm。样地共分4个处理,3次重复,共12个小区,每个小区使用网围栏划分为面积为1.67 hm2的小块,随机区组设计。依照当地牧草生长及放牧强度,4个处理样地放牧强度分别为:1）对照0只羊,2）轻牧2只羊,3）中牧3只羊,4）重牧5只羊,即每个处理对应放牧绵羊的密度分别为0、1.2、1.8和3只/hm2,其中中等放牧强度与当地平均的载畜量水平大致相当[11]。在牧户羊群中,选择体型、年龄及生长发育相似的当地藏系绵羊作为试验用羊,放牧绵羊初始体质量控制在（45±2）kg范围内。试验放牧从2007年5月牧草返青开始,每个重复的3个小区依放牧强度每10 d轮牧1次,至11月底结束。

1.2 排放通量测定温室气体观测集中于7-9月夏季放牧期间,测定试验区的温室气体排放日变化,日变化测定从9:00-17:00,每隔2 h测定1次排放通量,共测定了6次。测定采用常规静态箱法测定,静态箱为直径160 mm的UPVC不透明箱,高为250 mm,无底座,静态箱底端直接插入土中以土密封,罩箱时间为10 min[12],在罩箱后及开箱前分别抽取一次箱内气体注入取样气袋中,在室内使用Agilent公司的HP6890N气相色谱仪测定其浓度,测定CO2和CH4浓度的检测器为氢火焰离子检测器（FID）,测定温度为200℃,色谱柱为Porpak Q填充柱,柱温70℃；测定N2O浓度的检测器为电子捕获检测器（ECD）,测定温度为330℃,色谱柱也为Porpak Q填充柱,柱温70℃。根据罩箱后及开箱前箱内的气体浓度差来计算其排放通量[12]。将每天不同时间点测得的排放通量平均,得到每天的平均排放通量,再将某时段内（本文取每10 d）的日排放通量平均得到某时段的日平均排放通量。

1.3 温度测定土壤温度的测定采用热敏电阻,标定后的精度在20℃时误差为±0.1℃,在0～50℃内最大误差为±0.3℃。

1.4 数据分析数据采用Microsoft Excel软件和DPS数据处理系统软件进行分析[13]。

2 结果与讨论

2.1 夏季放牧对藏北紫花针茅草原CO2通量的影响本试验采用的是不透明的静态箱测定的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。图1是夏季放牧期间测定日每天各个时间点的平均结果得到CO2排放的日变化图,可以看出,不同放牧强度CO2通量的变化趋势基本一致,CO2通量在120～500 mg/（m2·h）变化,都是从9:00排放通量快速上升,至13:00左右达最大值,然后再缓慢下降,至17:00后则迅速下降。从土壤温度与CO2排放通量的趋势来看,土壤温度的变化要明显滞后于CO2排放通量的变化。相关研究表明,当直接用土壤温度与CO2排放通量做相关分析,相关性并不显著,当将2 h后的土壤温度与当时的CO2排放通量做相关分析,则相关性达到了显著水平（P＜0.05）。这主要是由于土壤温度的升高滞后于太阳高度角的增加（当地太阳高度角一般于14:00左右达到最大值）,而温度的增加对草地及土壤呼吸有促进作用[8]。

从不同放牧强度对CO2排放通量的日变化影响来看,虽然不同时段CO2排放通量大小趋势并不完全一致,但总体上的大小顺序是:中牧＞轻牧＞重牧＞对照,其中,轻牧略高于重牧,而且几种放牧强度的CO2通量差异并不大,只有中牧与另外3种放牧强度之间的差异达到显著水平（P＜0.05）,其他3种放牧强度之间的CO2通量日变化两两之间差异均不显著（P＞0.05）（图1）。

图1 夏季放牧对CO2排放通量日变化的影响

图2显示了夏季放牧CO2通量随放牧时间的变化,整个放牧期间CO2排放通量变化不大,且有随着季节温度的变化而变化的趋势,但变化趋势不是十分明显。不同放牧强度之间CO2通量的变化存在明显的差异,对照不放牧的CO2排放通量在整个放牧期最低,其次是轻牧和重牧,但它们之间的差异不明显,变化范围有交叉,中牧的CO2排放通量最高。这说明适度的放牧干扰会导致CO2通量的增加,但并不是随放牧强度的增加而一直增加,一方面是通过增加对草地土壤的扰动,从而促进CO2的排放[9,14]；另一方面则是通过影响作物地上部、地下部生物量的比例。适度的放牧会刺激牧草的生长,促进牧草地下生物量的增加和土壤有机碳的增加[15],牧草地上部生物量虽减少,而地下生物量则会相对增加,从而增加CO2的排放通量[14]。有报道表明放牧的踩踏作用使土壤更加紧实,会对土壤中CO2的排放产生不利影响[16]。

2.2 夏季放牧对藏北紫花针茅草原CH4吸收的影响从藏北草原对CH4吸收的日变化来看（图3）,除了重牧处理外,总体上的变化趋势是从9:00开始缓慢上升,至15:00开始达最高值,然后再缓慢下降。而且,除重牧外,紫花针茅草地对CH4的吸收与温度的变化趋势基本一致,但相关分析均达不到显著水平（P＞0.05）。

图2 夏季放牧对CO2日平均排放通量的影响

从不同放牧强度对CH4吸收的日变化影响来看,随着放牧强度的增加,草地对CH4的吸收能力下降,但还没有改变草地作为CH4汇的功能。其中轻牧对草原CH4吸收的程度较轻,而中牧和重牧有相当明显的影响,对照与轻牧、轻牧与中牧之间不同时段的平均吸收通量大小有交叉,但它们与重牧之间均无交叉,重牧大大低于其他放牧强度的 CH4吸收通量。对不同放牧强度CH4不同时段日吸收通量变化的方差分析表明,只有轻牧与对照之间对CH4吸收差异没有达到显著水平,而对照或轻牧与中牧、重牧之间的差异及它们两两之间的差异均达到了显著水平（P＜0.05）,说明高寒紫花针茅草原放牧显著降低草原作为CH4汇的功能。特别是重牧条件下,其对CH4的吸收平均仅有 17 μ g/（m2·h）左右,这种变化的主要原因可能是放牧牲畜对草地的践踏导致土壤的物理性质发生了改变,特别是表层的土壤容重增加,土壤孔隙度减小,持水能力降低,容易形成有利于CH4产生的厌氧微区[17]。

图3 夏季放牧对CH4吸收通量日变化的影响

对夏季放牧期间CH4日吸收通量平均值随放牧时间的变化进行了对比分析（图4）,结果表明,不同放牧强度条件下CH4吸收通量的差异异常明显,相互之间无交叉。其中对照、轻牧和中牧的CH4吸收通量变化趋势比较相似,均为从7月中旬起缓慢增加,至8月中旬达最大值,然后再逐渐下降；而重牧条件下对CH4的吸收速率一直处于一种较低的平稳状态。比较土壤温度与CH4平均吸收速率可以看出,在对照、轻牧和中牧条件下,两者之间有一定的相同变化趋势,但相关关系不显著（r分别为0.674 2,0.156 7,-0.011 8；n=6）,而在重牧条件下,夏季放牧期间CH4的吸收通量基本不受温度的影响,而主要受放牧强度的影响。

2.3 放牧对藏北紫花针茅草原N2O排放的影响从图5中可以看出不同放牧强度对N2O排放的影响,从总体趋势来看,都是从早晨开始N2O排放通量逐渐升高,到中午达到最高值,再逐渐下降,并且与土壤温度的变化有着较为一致的趋势。不同放牧强度下的N2O排放通量差异很大,轻度放牧与对照的N2O排放通量基本没有差异,并且全天随时间的变化基本上保持不变。随着放牧强度的增加,N2O变化幅度明显增加,重牧、中牧与轻牧两两之间均存在着显著（P＜0.05）差异。说明放牧强度的增加会显著增加N2O的排放通量,并且还会显著增加N2O通量的日变化幅度,其主要原因可能是不同的放牧梯度影响土壤的紧实度及土壤水分状况[18],放牧干扰导致土壤氮素的损失量增加[19],而试验地夏季雨水较充足,从而促进了N2O的排放[10]。

图4 夏季放牧对CH4日平均吸收通量的影响

从夏季放牧期间N2O日平均排放通量的变化来看（图6）,整个放牧期间都没有大的起伏变化,变化趋势线基本上是一条水平线。比较不同放牧强度对N2O日均通量的影响发现,与其日变化表现出的差异基本一致,其变化趋势是重牧＞中牧＞轻牧=对照。表明当放牧强度为轻牧水平后,增加放牧强度会显著（P＜0.05）增加N2O的排放通量。其主要原因是当放牧强度很小时,家畜排泄量小,增加的氮量与扰动的损失量相差不大,当放牧强度增大到一定程度后,对土壤的扰动增加,导致氮的大量损失,从而使N2O的排放增加[20-21]。

图5 夏季放牧对N2O排放通量日变化的影响

图6 夏季放牧对N2O日平均排放通量的影响

2.4 夏季放牧对高寒紫花针茅草原总温室气体排放的影响通过对藏北紫花针茅草原夏季放牧期间3种主要的温室气体排放进行了统计（表1）。从总体上看,温室气体的排放或吸收以CO2为主,按全球增温潜势（GWP）折算为二氧化碳当量（CO2e）[22],CO2排放占总温室气体排放的约98%,CH4吸收和N2O排放量平均不到总排放量的1%,对总的温室气体排放量影响较小。而且CH4吸收与N2O排放呈现此消彼长的态势,即CH4吸收量增加的同时,N2O的排放减小,但两者并不呈比例；并且在对照或轻牧条件下,草地吸收 CH4的 CO2e与排放的 N2O的CO2e基本相同,温室气体效应基本可以抵消。不同放牧强度总GWP相差并不大,其中中牧条件下最高,其次是重牧和轻牧,对照最小。由于本试验是在牧草旺盛生长期进行的,平均气温也是一年中最高的,牧草的生长旺盛,光合、呼吸作用强,若在其他生长季节,气温低,植物与土壤呼吸作用都将大大减弱,温室气体的排放将远低于此水平[8,10]。

表1 夏季放牧对紫花针茅草地总温室气体的影响

3 结论

通过对放牧条件下高寒紫花针茅草甸草原3种主要温室气体的监测,可以得出如下几点主要结论:1）适度放牧会增加CO2的排放,但过牧则会导致CO2排放的降低；2）放牧将显著降低高寒紫花针茅草甸草原对CH4汇的功能；3）轻牧对N2O排放无明显影响,只有放牧达到中等以上强度时才会显著增加N2O的排放；4）3种主要温室气体总的温室效应中CO2占绝对主要地位,CH4和N2O的温室效应各只占约1%。

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