黄土区退耕草地合理放牧可减少土壤CO2排放和土壤侵蚀

张肖林， 李 勇， 于寒青， 刘文祥

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081)



黄土区退耕草地合理放牧可减少土壤CO2排放和土壤侵蚀

张肖林， 李 勇*， 于寒青， 刘文祥

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081)

退耕草地; 合理放牧; 土壤CO2排放; 土壤侵蚀

植被是防治水土流失，改善侵蚀退化生态环境的重要措施[1]。在陡坡地实施退耕还林(草)工程，可以在减少土壤侵蚀的同时改善生态环境[2]。自1999年以来，在我国西部坡耕地实施的退耕种草及其配套的牛羊圈养，封山禁牧管理，有效地减少了该区的土壤侵蚀、 增加了土壤碳汇、 改善了生态环境[3]。有大量的研究表明退耕还林(草)会增加土壤有机碳的含量[4-5]，并且对改变局部地区的小气候有一定的影响。但目前对退耕还林还草的生态环境效应仍有很大争议[6]

黄土高原是我国主要的农牧区，退耕还林引起耕地减少，并且在退耕还林地区实施封山禁牧，使得该区面临的粮食需求和畜牧业生产问题越来越突出。另外，退耕还林后带来了一些环境问题，主要表现为土壤呼吸的增加。土壤呼吸(即土壤CO2排放)是陆地生态系统碳循环的重要过程，土壤CO2排放量约占全球CO2排放的1/4[7]，是全球化石燃料CO2释放量的10倍以上[8-9]。土壤呼吸的细微变化会显著地影响到大气中的CO2含量[10]，对全球温室效应产生影响。王建国等[11]的研究发现退耕还林(草)后土壤呼吸明显增加。因此在退耕还草区探索既能保障当地畜牧业生产， 增加农民收入，又能减少退耕草地土壤CO2排放的措施是十分必要的。

贺金红等[12]提出在黄土高原区因地制宜地推进生态退耕，退耕促林草，林草促畜牧，以畜牧保证致富，是保证黄土区粮食安全形成一条良性循环的主要思路。Zhang等[13]对青藏高原的放牧研究发现长时间的禁牧并不会显著增加土壤的固碳效应，放牧有助于促进草地生态系统对全球气候变化的适应。郭明英等[14]对前人的研究结果进行总结，发现放牧会通过对草地的温度、 湿度、 土壤有机质、 C/N等理化性质以及叶面积指数等生物因素产生影响，进而影响土壤呼吸; 马涛等[15]对内蒙古锡林河流域草地放牧的探究表明，在草木生长季节放牧会显著降低土壤呼吸; Wang等[16]在内蒙古四子王旗短花针茅草原研究发现，随着放牧程度的增加土壤呼吸强度降低。Wolf等[17]对内蒙古草原的放牧研究发现，动物踩踏可以减少N2O、 CO2等气体的排放。段敏杰等[18]对西藏那曲地区不同程度的放牧研究表明，适度放牧有利于草地种群多样性的建立，并且可以最大程度地提高土地利用率，防治土地退化。Zhang等[19]的研究也表明长期禁牧不利于草地植物多样性和土壤养分含量的存储，有必要根据生态系统的动态响应对草地进行适度放牧。上述研究主要集中在草原放牧对土壤呼吸和温室气体排放等的影响，而关于退耕草地放牧对土壤侵蚀和土壤呼吸的研究却鲜有报道。

基于上述研究进展，我们提出如下假设: 在退耕草地实施合理放牧，有助于减少土壤CO2排放、 减缓土壤侵蚀。据此，本研究选择黄土高原渭北旱原典型坡耕地为研究区，建立退耕草地放牧，退耕草地不放牧和传统农业耕作3种处理的对比试验小区，定量研究了退耕草地合理放牧相对于退耕草地在减少土壤CO2排放和土壤侵蚀的作用及其影响因素，为探寻在我国西部退耕还草区实施畜牧业生产与环境保护协调发展模式提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

1.2试验设计

2014年10月在选定的坡耕地，沿顺坡断面分别建立7个全坡面小区，3个试验处理，分别是: 3个传统耕作(农耕地)试验小区(Conventional tillage， CT)，每个小区面积为3 m × 30 m; 4个退耕小区，包括 2个退耕草地放牧(放牧地)试验小区(Grassland+Grazing，G+G)，每个小区面积为3 m × 30 m; 2个退耕草地不放牧(草地)试验小区(Grassland-Grazing， G-G), 每个小区面积为6 m × 30 m。具体试验方案如下:

1)农耕地(CT)2014年10月顺坡耕作，种植冬小麦，2015年5月底收获; 6月顺坡耕种夏玉米。施肥量采用当地农民的施肥用量，为磷酸二铵复合肥525 kg/hm2和尿素150 kg/hm2。

3)草地(G-G)不耕作，待原农耕地变为草地后不进行放牧活动。

1.3试验监测与采样

为了确定各小区的土壤理化性质和土壤有机碳含量的原始水平和空间变异性，在小区布设前，对土壤容重和有机碳含量进行了监测，其程序为: 在每个小区上中下3个坡位分别采样，用原状根钻(直径8cm)采集0—60 cm土壤剖面样品，然后切割为0—15cm、 15—30 cm、 30—45cm、 45—60 cm 4个层次原状土。将土样带回实验室测定土壤容重，然后风干后过0.15 mm筛，用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量[22]，从测定结果看出(表1)，各小区布设前土壤理化性质的原始水平无显著差异。

注(Note): 同列数据后字母相同表示在P=0.05概率水平无显著差异 Values followed by the same letter within a column are not significantly different atP=0.05 probability.

图1　试验地2015年4月22日8月10日累计降雨量Fig. 1　The accumulated rainfall of test plot during April 22 to August 10 in 2015

基于7Be示踪技术的土壤侵蚀速率确定:

1.4 数据分析

1.4.1 土壤有机碳储量SOCi(t/hm2)的计算[25]如下:

SOCi= CiDiEi/10

(1)

式中, i表示研究的土层; Ci为土壤有机碳浓度(g/kg); Di为土壤容重(g/cm3); Ei为土层深度(cm); 10为换算系数。

若某一剖面有K层组成，则该剖面的有机碳储量SOCstock的计算公式为:

(2)

1.4.2 土壤CO2排放速率的计算

用所测数据的平均值来表示，CO2排放累计值的计算公式如下:

(3)

式中, C累计为试验期内实验地呼吸C累积量[CO2-C t/(hm2·s)]; CO2flux为土壤排放CO2速率[μmol/(m2·s)]; 10为按每天土壤排放CO210小时计算(h); 4.32×10-4为单位转换率，将μmol/(m2·s)转换为CO2-C t/ (hm2·s); Ti为每个月的天数。

土壤表层2cm和5cm的温度及土壤含水量均为不同处理所测数据的平均值。

1.4.3 次降雨土壤侵蚀的计算

用7Be作为示踪元素，利用Walling模型[26-27]来估算土壤侵蚀速率，其具体计算方法如下:

假设7Be 在表层土壤剖面中呈指数分布

CBe(x)=CBe(0)e-x/h0

(4)

式中，x 为质量深度(kg/m2); CBe(x) 为 x 处7Be质量比活度(Bq/kg); CBe(0) 为地表(即x=0)7Be 质量比活度(Bq/kg); h0为张驰质量深度(kg/m2)。

土壤中7Be 背景值Aref(Bq/m2)是无侵蚀无沉积平坦地面上土壤7Be 面积比活度:

(5)

质量深度x 以下7Be 面积比活度ABe(x)(Bq/m2)可用下式表示:

(6)

在侵蚀区模型假设侵蚀作用使表层一定厚度的整个薄层土壤流失掉。设h (kg/m2)为土壤侵蚀的质量深度, 且h=RBe，土壤侵蚀速率RBe(kg/m2)可由下式求得:

RBe=h=h0ln(ARef/ABe)

(7)

次降雨侵蚀引起的土壤有机碳流失量(t/hm2)= 土壤侵蚀速率(t/hm2)× 土壤有机碳含量(g/kg)[28]。

数据处理和制图均用Excel 2013完成。有关不同处理间的土壤CO2排放速率、 温度水分等的差异性分析(ANOVA)和土壤CO2排放通量与温度水分之间的相关性分析均用SAS 9.2软件完成。

2　研究结果

2.1植物生长期间不同处理土壤CO2排放通量差异

图2　2015年植物生长期不同处理间CO2 排放通量的差异Fig. 2　The variation of soil CO2 flux in treatments during plant growth period in 2015[注(Note): 柱上不同字母表示不同处理差异达到5%显著水平 Different letters above the bars mean significant at 5% level among different treatments.]

图3　2015年植物生长期不同处理CO2累积排放量Fig. 3　The accumulated CO2 of different treatments during plant growth period in 2015

2.2植物生长期不同处理间土壤温度和含水量的差异

表2为3种处理在植物生长期间土壤表层2 cm和5 cm温度以及地表10 cm土壤含水量的平均值。测量结果表明，土壤表层2 cm和5 cm的温度平均值大小序列为草地 > 放牧地 > 农耕地， 2 cm土壤温度在不同处理间没有显著差异，而5 cm土壤温度在农耕地和草地之间有显著性差异 (P<0.05)。土壤含水量在不同处理间有显著差异(P<0.05)，且大小序列为放牧地> 农耕地> 草地。

2.3不同处理样地土壤温度和含水量对土壤CO2排放的影响

土壤温度和含水量对土壤CO2排放速率的相关性分析结果(表3)显示，农耕地土壤CO2排放速率与2 cm和5 cm温度均呈极显著负相关关系(P<0.01)，与土壤含水量呈极显著正相关关系(P<0.01)。放牧地和草地的土壤CO2排放速率与土壤温度无显著相关性，而与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01)。这说明在放牧地和草地，土壤温度可能不是控制土壤呼吸的主要因素，土壤呼吸主要受土壤含水量的影响。

表2　植物生长期不同处理土壤温度和含水量变化比较

注(Note): 同列数据后字母相同表示在P=0.05概率水平无显著差异 Values followed by the same letter within a column are not significantly different atP=0.05 probability.

表3　各处理土壤CO2排放速率与土壤温湿度的相关性

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

2.4放牧活动对草地土壤呼吸和土壤温度及含水量的影响

从图4可以看出，与放牧前比较，合理放牧后草地土壤CO2排放速率明显减少。表4表明，除5月7日、 7月10日、 7月17日这3次放牧活动外，放牧活动均引起了草地土壤CO2排放速率减少，与放牧前比较土壤CO2排放通量平均减少了11%。放牧后土壤含水量相对于放牧前明显减少，减少的次数占整个放牧活动的63%; 与放牧前比较，放牧活动未引起2 cm和5 cm土壤温度发生明显变化。放牧引起CO2排放通量减少与土壤含水量减少的规律并不完全一致。

图4　2015年放牧对土壤CO2排放的影响Fig.4　The influence of grazing on soil CO2emission in 2015

2.5放牧对土壤侵蚀和有机碳流失的影响

土壤容重是影响土壤侵蚀的重要因素，在试验观测期间3种处理的土壤容重大小序列依次是放牧地 > 草地 > 农耕地。与参考点7Be的面积含量(259.84 Bq/m2)比较，农耕地、 放牧地和草地的7Be含量分别减少了35.93%、 3.30%和13.58%，说明3个处理样地内均产生不同程度侵蚀。土壤侵蚀速率计算结果显示，放牧地的土壤侵蚀速率最小，草地次之，农耕地最大; 与农耕地相比，放牧地和草地土壤侵蚀速率分别减少了93%和68%。侵蚀导致农耕地的土壤有机碳流失量最大，与其相比放牧地和草地分别减少了92%和58%。

3　讨论

本研究发现，退耕草地合理放牧后土壤CO2排放速率显著降低。在植物生长的5个月，放牧使得退耕草地土壤CO2排放量减少了0.69 t/hm2。这与马涛等[15]的关于放牧会导致土壤呼吸减少的研究结果相一致; Chen等[29]在黄土高原草地放牧的研究结果表明，在夏季草地土壤呼吸速率会随着载畜量的增加而减少; Wolf等[17]对内蒙古草原的放牧研究也表明，放牧会导致土壤中N2O、 CO2等温室气体的排放速率显著减小。退耕草地放牧后土壤呼吸的减少主要与放牧引起土壤容重增加和有机碳减少有关。与退耕草地比较，放牧后退耕草地土壤容重增加了3%(表5)。曹广民等[30]也发现，在连续的放牧情况下，动物的踩踏作用会增加土壤紧实度，土壤孔隙度减小、 容重变大，从而降低了土壤中CO2的释放速率。因此，动物踩踏作用引起土壤容重的增加是导致退耕草地土壤呼吸减少的主要因素之一。有机碳也是影响土壤呼吸的重要因素，土壤有机质是微生物进行分解活动排放CO2的物质基础，张东秋等[31]研究表明土壤呼吸与土壤有机碳含量成正相关。Wang等[32]对黄土高原草地的放牧研究也表明，禁牧会增加土壤呼吸，这主要与禁牧会增加地上、 地下植被生物量有关。在本研究中，放牧导致退耕草地土壤有机碳含量减少了17%。因此，放牧活动会引起草本植被向土壤输入的有机碳减少，从而导致草地土壤有机碳储量的降低，是放牧导致退耕草地土壤呼吸减少的又一重要因素。

表5　次降雨事件导致的土壤和土壤有机碳侵蚀量

注(Note): 同列数据后字母相同表示在P=0.05概率水平无显著差异 Values followed by the same letter within a column are not significantly different atP=0.05 probability.

土壤水分和土壤温度是影响土壤呼吸的重要因素[31]。但本研究显示，尽管土壤含水量与土壤CO2排放呈显著的正相关关系(P<0.01)，但土壤温度与土壤CO2排放没有显著相关关系。这可能是因为在干旱半干旱地区水分对于土壤呼吸的作用要大于温度[31]，尤其是当水分成为胁迫因子的时候[33]，在极端干旱且高温的情况下水分成为限制土壤呼吸的因素[34]，这与Wang等[32]在黄土高原草地的放牧研究结果一致，Chen等[29]的研究也表明夏季湿度是影响黄土高原草地土壤呼吸的主要因素。另外，在干旱地区，阵发式的降水可以促进土壤微生物活性[35]，提高土壤呼吸效率，激发土壤CO2排放[36]。如在本实验观测6月23日降水后，土壤呼吸明显增加(图3)。

合理放牧后退耕草地土壤呼吸的减少不能用土壤水分变化来解释。在干旱的条件下，土壤容重的增加会减少土壤的导气率[37]，进而减少土壤水分蒸发，使土壤含水量增加。例如，在本试验5个月的作物生长期间，当地累积降雨量不足180 mm，属于干旱天气(图1)，放牧的踩踏作用致使退耕草地土壤容重增加，土壤水分蒸发量减少，土壤含水量明显大于退耕草地，但这并没有导致土壤呼吸增加。显然，合理放牧引起土壤容重增加而土壤有机碳储量减少是退耕草地土壤呼吸减少的主要控制因素。Chen等[6]和Wang等[38]的研究也表明，由于草类植被增加了对土壤水分的利用和蒸腾，退耕草地相对于农耕地土壤含水量往往会下降。与农耕地比较，退耕草地土壤有机碳含量显著增加，土壤侵蚀减少，土壤呼吸增加。

4　结论

本研究发现，在退耕草地实施合理放牧不仅减少土壤CO2排放，而且能有效减少土壤和土壤有机碳的流失。放牧期间动物的合理踩踏作用引起的草地土壤容重显著增加是退耕草地土壤CO2排放量和土壤侵蚀速率减少的主要原因。放牧引起草地植被向土壤输入减少，进而导致土壤有机碳含量的降低也是导致退耕草地土壤呼吸减少的重要因素。因此，在黄土高原地区以及类似的退耕草地开展合理的放牧活动，既可以满足当地农民经济发展的需求，又可以减少土壤CO2排放量和控制土壤侵蚀，促进生态环境的改善，是一种值得提倡的可持续发展的退耕草地利用模式。但是由于本研究仅仅是基于实验小区的较短时间尺度的观测试验，关于合理放牧在减少退耕草地土壤呼吸和土壤侵蚀中的作用有待从流域和区域尺度进行长期定量评价。

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Reasonable grazing on grain for green grassland on Loess Plateau can reduce soil CO2emission and soil erosion

ZHANG Xiao-lin, LI Yong*, YU Han-qing, LIU Wen-xiang

(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgricultureSciences,Beijing100081，China)

【Objectives】 Reasonable grazing on grain for green grassland is considered helpful for reducing soil CO2emissions as well as soil erosion. In order to verify this hypothesis, we set up three treatments at our study site-a slope on the Weibei Loess plateau-in order to investigate the effect of reasonable grazing on soil CO2emissions and soil erosion. Additionally, we hope this study can provide a scientific basis for the coordinated development of livestock production and environmental protection in Chinese western grain for green grassland. 【Methods】 The three treatments used in our study were 1) grain for green grassland with grazing (G+G), 2) grain for green grassland without grazing (G-G) and 3) conventional tillage (CT). Soil CO2emission rates were automatically monitored by a LI-8100 carbon flux measuring instrumentinsitu, with soil moisture content measured by TDR and soil temperature measured by a thermometer. The environmental radioactive nuclide,7Be, was used as a tracer for the soil erosion rate following heavy rainfall. 【Results】 During the test period, average CO2emission rates of these 3 test plots were as follows: G-G [ 3.69± 0.39 μmol/(m2·s)]>G+G [ 3.00± 0.44 μmol/(m2·s)]>CT [ 1.99± 0.22 μmol/(m2·s)]. Soil CO2emission in G-G was 85% more than CT, whilst soil CO2emission rate in G+G was 23% less than G-G. Grazing activity was found to significantly reduce soil CO2emission rates in G+G by 2%-41%, with the average of 11%. During the observation period, the soil erosion rate in the G+G plot was significantly less than that observed in both CT and G-G, by 93% and 77%, respectively. Compared to CT, the increased soil CO2emissions observed in G-G was due to increased SOC, whilst for G+G this was due to decreased soil erosion. Trampled ground as a result of animal grazing led to a significant increase in soil bulk density with a concomitant reduction in the amount of organic carbon entering the soil. Both of these factors led to the reduction of soil CO2emissions in G+G. However, the difference of soil CO2emissions among these three plots could not be explained by soil moisture and temperature. 【Conclusions】 Our study found that reasonable grazing activity would not only decrease the soil CO2emissions, but also could effectively control soil erosion and SOC loss, which would in turn facilitate the increase of the soil carbon reserve. Trampled ground from animal grazing can lead to an increase in soil bulk density, a major contributing factor for the reduction in soil CO2emissions and soil erosion rates. Our research revealed that in the Chinese Loess plateau or similar grain for green region, reasonable grazing can not only promote the local livestock production, but also help control soil erosion and reduce CO2emissions. Thus this has been a worthwhile study for investigating various models of sustainable development for grassland management.

grain for green grassland; reasonable grazing; soil CO2emission; soil erosion

2015-11-16接受日期: 2016-01-11网络出版日期： 2016-03-18

国家自然科学基金资助项目(41171231); 国际原子能机构项目(IAEA research contract No. 17908); “十二五”国家科技支撑计划课题(2013BAD11B03)资助。

张肖林(1991—)， 女， 山西晋中人， 硕士研究生， 主要从事土壤侵蚀与碳循环研究。 E-mail: zxl19911025@163.com

E-mail: liyong@caas.cn

S153.6+1; S157

A

1008-505X(2016)04-0988-10