轮牧高寒草甸温室气体排放的季节动态与羊粪的作用

刘 阳，孙 义，颜才玉，张 涛，袁 航，侯扶江

(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第4次评估报告预测，21世纪末，全球平均气温将升高1.8～4.4 ℃[1]。农业系统CO2、CH4等温室气体的管理已成为诸多学科的研究热点，也是草地生态系统碳循环研究最核心的内容之一[2-5]。草地是分布最广的陆地生态系统，在全球碳循环和气候调节中起重要作用[6-7]。高海拔和高纬度生态系统对温度升高的响应可能更为敏感和迅速[8-9]。青藏高原是世界最独特的生态地理单元之一，在全球气候变化中扮演重要角色[10]。高寒草甸是青藏高原面积最大的植被类型，占区域土地面积的46.4%，占该区农用土地的82.3%，主要以放牧为主要利用方式[11-14]，家畜通过采食、践踏和排泄物影响高寒生态系统的结构与功能[15]。全球动物粪便排放的CH4约占人为CH4排放总量的5.5%～8.0%[16]，排放的N2O大约占全球N2O排放总量的7.0%[17]。中国是动物生产大国，2003年畜禽共产生31.90亿t粪便，是工业固体废物的3.2倍，而且在迅速增加之中。

目前，草地温室气体排放普遍受到关注[5，18-20]，但是放牧与温室气体排放的关系较不确定，尤其缺少青藏高原家畜放牧与温室气体排放的报道。为此研究高寒草甸CO2和CH4排放的季节动态，分析放牧率与羊粪对于温室气体排放的影响，可为改进藏羊放牧系统的碳汇管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 研究区位于甘肃省玛曲县阿孜畜牧科技示范园，地理坐标35°58′ N，101°53′ E，海拔3 650 m左右。年均气温1.2 ℃，1月平均气温-10 ℃，7月平均气温11.7 ℃，年日照时数约2 580 h，年平均霜日大于270 d，无绝对无霜期，只有冷暖季之分。年均降水量约620 mm，主要集中在5-9月；主要植被类型为高寒草甸[21-22]。

1.2试验方法

1.2.1放牧试验 在地势较为平缓、植被典型地段建立放牧试验区，每个小区放牧8只体况较为一致的6月龄左右藏系公绵羊。暖季7―9月放牧，冷季10―12月放牧。轮牧周期30 d，放牧期10 d。设置8和16 羊·hm-2两个放牧率，6次重复。

1.2.2温室气体测定 在每个放牧小区设置2组40 cm×40 cm样点，每组含相邻的2个样点。在放牧结束时，针对每组样点，先将其中一个样点的羊粪捡拾干净，均匀分布到另一个样点中，形成有羊粪和无羊粪各一个样方。用静态箱法分别在12月(枯黄季)、5月(返青季)、7月(生长旺季)测定CH4和CO2交换量[23-27]。根据2年的观测，研究区每天09:30―10:30、16:00―17:00的甲烷和二氧化碳通量值能够代表日平均值，故在这两个时间点测定，连续观测7 d，计算期间CH4和CO2通量值。

同时，沿每放牧小区对角线随机设置10个1 m×1 m样方，分别收集其中羊粪，105 ℃烘至质量恒定，称量。计算整个放牧小区的羊粪总量和单位面积的羊粪质量。

年交换通量为各季节通量对时间的积分。

1.3数据分析 用Microsoft Excel进行图形制作，SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1CH4排放动态 放牧的高寒草甸有羊粪样点和无羊粪样点各个季节均表现为CH4的汇，返青季CH4日均吸收量最高(图1)。放牧较轻的样地(8羊·hm-2)，季节之间CH4日均吸收量差异显著，有羊粪样点返青季分别是枯黄季和生长旺季的10.7和2.2倍，无羊粪样点则分别是7.2和2.1倍(P<0.05)。放牧较重的样地(16羊·hm-2)CH4日均吸量，在有羊粪样点，枯黄季与生长旺季差异不显著(P>0.05)，但分别显著低于返青季71.1%和63.1%；无羊粪的样点，枯黄季与返青季差异不显著，均显著高于生长旺季8.1倍。

枯黄季，重牧小区有羊粪样点和无羊粪样点的CH4吸收分别是轻牧小区的2.1倍(P>0.05)和4.1倍(P<0.05)。返青季，重牧小区有羊粪样点和无羊粪样点的CH4日均吸收通量比轻牧小区分别低30.4%(P>0.05)和31.3%(P<0.05)。生长旺季，轻牧小区有羊粪样点和无羊粪样点的CH4日均吸收量分别是重牧小区的1.7和6.2倍。

图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

有羊粪样点枯黄季，CH4日均吸收量在轻牧小区和重牧小区分别比无羊粪样点减少23.0%和66.1%，羊粪有削弱高寒草甸吸收CH4能力的趋势，但差异不显著(P>0.05)(图1)。返青季，轻牧小区和重牧小区有羊粪样点的CH4吸收能力分别比无羊粪样点高15.1%(P<0.05)和16.4%，生长季轻牧小区和重牧小区有羊粪样点的CH4吸收能力比无羊粪样点分别高10.3%和192.9%(P>0.05)，这两个季节羊粪有促进高寒草甸吸收CH4的趋势(图1)。

全年CH4吸收量，在轻牧区，有羊粪样点比无羊粪样点高9.1%；在重牧区，有羊粪样点比无羊粪样点低17.9%(表1)。适度放牧可以增强高寒草甸吸收CH4的能力。

2.2CO2排放动态 放牧的高寒草甸有羊粪样点和无羊粪样点各个季节均表现为CO2的源，生长旺季CO2日均排放量最高，牧草枯黄的冬季最低，差异显著(P<0.05)(图2)。放牧较轻区域，有羊粪的样点在生长旺季的CO2排放速度分别是枯黄季和返青季的16.7和1.9倍，无羊粪的样点分别为36.2和1.7倍。放牧较重的区域，有羊粪的样点在枯黄季和返青季的CO2排放速度分别是生长季的5.8%和43.6%，无羊粪的样点则分别为5.9%和41.8%。

表1 高寒草甸温室气体年通量Table 1 Annual flux of greenhouse gases in alpine meadow

枯黄季，重牧小区有羊粪样点和无羊粪样点的CO2日均排放量分别是轻牧小区的1.3倍和2.9倍。返青季，重牧小区有羊粪样点的CO2日均排放通量比轻牧小区高4.8%，无羊粪样点的CO2日均排放通量比轻牧小区低14.7%；但上述差异均不显著(P>0.05)。生长季，重牧小区有羊粪样点和无羊粪样点的CO2日均排放通量分别是轻牧小区的1.3和1.4倍(P<0.05)。尽管羊粪对于放牧草地CO2排放的作用不显著，但是所表现出的抑制高寒草甸CO2排放的趋势值得长期关注。

图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，重牧区有羊粪样点和无羊粪样点分别比轻牧区高21.4%和26.3%(表1)，说明重牧促进高寒草甸CO2的排放。

3 讨论与结论

通径分析表明，羊粪对于温室气体的排放为负效应，而放牧率和生长季则表现为正效应。季节对于CH4和CO2排放的贡献率分别为62.6%和64.0%，放牧率的作用分别为15.7%和13.4%，羊粪分别为1.7%和6.2%，其他未知因素的贡献分别为20.0%和16.4%。

高寒草甸在不同的季节均表现为吸收CH4和排放CO2，CH4日均吸收量在返青季最高，CO2日均排放量在生长旺季最高。王跃思等[28]用静态箱-气象色谱法连续两年的观测表明，内蒙古半干旱草原为大气 CO2和N2O的排放源，是CH4的汇；李明峰等[2]在内蒙锡林河流域的草甸草原研究表明，温带草原对大气 CH4表现为弱汇；虽然本研究区域与前者不同，但草地表现出的CH4的汇、CO2的源的趋势一致。齐玉春等[5]在研究放牧对温带典型草原含碳温室气体CO2、CH4通量特征的影响中指出，与对照围栏禁牧草原相比,自由放牧和轮牧均没有改变土壤与大气间原有的CO2、CH4气体通量的源汇方向，也没有改变土壤通量的季节变化形式。本研究中，放牧没有改变高寒草甸作为CH4汇/CO2源的功能，与上述结果一致。

季节可以改变温度、湿度，进而影响土壤生物和植被活力，对温室气体的排放产生间接作用。温度是影响土壤CO2排放(土壤呼吸)的关键因素，土壤呼吸日变化或季节性变化的大部分变异常用温度变化来解释[29]；湿度和降水通过影响土壤气体扩散速率和微生物活性影响CH4排放[30]。羊粪对高寒草甸温室气体排放的影响，可能通过降水的淋溶作用改变了表土的化学结构，也可能因为羊粪的存在与否改变了地表对太阳辐射的吸收而导致土温发生变化，进而影响其他理化性质。本研究表明，适度放牧减少高寒草甸CH4排放，重度放牧促进CO2排放，可以用于指导高寒草甸放牧系统的温室气体减排的管理。羊粪的效应不显著，但是所表现出的减少温室气体排放的趋势值得重视。

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