吴崇源, 毛 楠, 郭 川, 刘 楠, 杨高文,张英俊

(中国农业大学, 北京 100093)

气候变暖已经成为社会各界普遍关注的国际问题。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在第六次报告中也指出,日益加剧的温室效应将给人类和生态系统带来不可逆转的危害[1]。温室气体是大气中的微量或者痕量气体成分,自上世纪中叶以来,引起温室效应的温室气体在不断积聚[2],特别是CH4气体的浓度在持续增加,其增温效应可占温室气体总增温效应的14%[3]。由此看来,减少CH4的排放量对于减缓温室效应显得尤为重要。

CH4主要来源于自然环境、能源利用和农业生产等[4],这是一种在百年时间尺度上都能长期存在的温室气体,它的强烈辐射性严重影响着地球的能量平衡以及全球的气候变化[5]。草地作为一个巨大的陆地碳库,具有较为显著的“碳汇”潜力[6],放牧是草地最主要的利用方式之一[7],其会影响CH4在草地土壤与大气之间的交换通量,使得草地在不同的外界条件下发挥“碳汇”或者“碳源”的角色[8]。放牧牛羊等反刍动物被视为农业温室气体排放的重要来源,它们排放的CH4约占全球CH4排放量的15%[9]。而休牧指的是在某段时间内禁止实行放牧活动的一种草地管理措施[10],实际生产中一般选择在春季、夏季和秋季进行,也可以根据具体需要在不同季节采取休牧措施[11],此途径能够合理有效地治理退化草地,而且成本相对较小,在保护植物正常生长繁殖的同时也有助于改善土壤的结构状况[12-13]。

本研究以呼伦贝尔地区的温性草甸草原放牧系统为研究对象,通过监测放牧季的草地土壤CH4通量,测定放牧绵羊的CH4排放量,探讨草地土壤的CH4“碳汇”贡献度,为缓解全球温室效应以及助推呼伦贝尔地区草牧业的可持续发展提供理论依据和更加优化的草地放牧管理方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗特尼河农牧场有限公司第九(连)队,海拔628～649 m,属于典型的温带大陆性季风气候[14],年均温-3℃～0℃,2022年最低气温和最高气温分别是-39℃和33.7℃,年均降水量350～400 mm,且大部分降水集中在6—9月份。该地区草地土壤类型为黑钙土或者暗栗钙土,表层土壤(0～10 cm)的总有机碳含量约为3.06%,全氮含量约为0.31%,土壤pH值为6.71。植被以羊草(Leymuschinensis)为主要优势种,并伴生二裂委陵菜(Potentillabifurca)、草地早熟禾(Poapratensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)和苔草(Carexduriuscula)等植物。

1.2 研究方法

1.2.1试验设计 试验地在2022年6—9月份进行放牧利用,将整个放牧季(6月15日—9月15日)分为3个时期:春季(Spring,S1,6月15日—7月15日),夏季(Summer,S2,7月15日—8月15日)和秋季(Autumn,S3,8月15日—9月15日)。采用随机区组试验设计,以围封(Enclosure,CK)处理为对照,设置1个持续放牧(Continuous grazing,CG)处理和3个季节性休牧处理,包括早期休牧(Early-resting,R1)、中期休牧(Mid-resting,R2)和晚期休牧(Late-resting,R3)。CG是指在S1—S3时期始终进行适度放牧;R1,R2和R3指的是分别在S1,S2以及S3时期进行休牧。根据小区中牧草的现存量,通过采取将绵羊移入和移出的方式对放牧率进行调整(表1),使牧后的牧草现存量不至于过低;试验地设置了3个区组,每个区组包括5个小区,共计15个试验小区。每个季节性休牧小区面积约1 ha,而CK和CG处理小区面积约0.5 ha。

表1 各处理在不同季节以及整个放牧季的放牧率Table 1 Stocking rates of treatments in different season and the whole grazing season

1.2.2气体的监测 本试验使用LI-7810 CH4/CO2/H2O痕量气体分析仪监测草地土壤的CH4气体通量[15]。每个试验小区选择3个均匀一致的位点,在正式测定前2周,我们在每个位点都将一个高12 cm、内径20 cm的PVC呼吸环置入土壤7 cm深处,地上部分所留高度为5 cm。每次正式测定前24 h,先将呼吸环中的绿色植物齐地面刈割[16],然后再进行气体通量的监测,频率约为每周监测1次,且均选择晴朗天气的上午9—12点进行[17]。

对于绵羊排放的CH4气体测定,选择试验地第3区组中的放牧小区,每个小区标记6只体况相近的绵羊供试验使用。在每个放牧时期,使用呼吸面罩法在2 min内为每只绵羊采集200 mL气体样品,且连续进行3天,每次采集完毕后立刻转入200 mL真空铝箔集气袋中并保存在常温避光的环境中[18],及时利用痕量气体分析仪闭合回路小体积气体测定法分析其中的CH4浓度(μg·L-1),并根据所采集样品的时间和体积以及浓度单位换算为绵羊每日CH4排放量(g·d-1)。最后,计算出土壤CH4吸收量与绵羊CH4排放量的比值并将其作为草地土壤的CH4“碳汇”贡献度[19]。

1.3 数据处理

原始数据的录入与整理使用的是Office中的Excel 2019表格(Microsoft Inc.,USA),数据在统计分析之前都进行了正态性检验并且均符合正态分布,数据使用“平均值”的方式进行表示。数据的统计分析在SPSS 23(USA)中完成,不同时期以及不同处理之间的显著性差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA),差异显著性水平为P<0.05,差异极显著水平为P<0.01,并运用Duncan法进行多重比较;对于图形的绘制,利用RStudio 4.1.1(AUS)软件进行可视化制作,用到的工具包包括“rio”“tidyverse”“ggplot2”以及“ggpubr”等。

2 结果与分析

2.1 季节性休牧对草地土壤CH4通量特征的影响

图1是在放牧季监测的草地土壤CH4通量的动态变化特征,由图中结果可知:每次监测的通量均为负值,说明此区域的土壤是吸收CH4的;吸收通量在各测定日期之间差异极显著(P<0.001),变化范围为25.37～79.46 μg·m-2·h-1,而且监测中期的吸收通量要明显小于其他时期;不同处理的CH4吸收通量也存在极显著的差异(P<0.001),CG处理最高而CK处理最低,CG处理的吸收通量比CK,R1和R3处理分别高42.66%,13.59%以及33.65%,但CG和R2处理之间差异不显著,而且R1和R2处理之间以及CK和R3处理之间均不存在显著差异,但是R1和R2处理的气体通量显著高于CK和R3处理。

图1 放牧季各处理土壤CH4通量的动态特征Fig.1 Dynamic characteristics of soil methane fluxes in different grazing treatments during grazing season注:CK,围封;CG,持续放牧;R1,早期休牧;R2,中期休牧;R3,晚期休牧。下同。不同的大写字母表示不同测定日期之间所有处理的通量均值差异显著(P<0.05)Note:CK,Enclosure;CG,Continuous Grazing;R1,Early-resting;R2,Mid-resting;R3,Late-resting. The same as below. Different capital letters indicate a significant difference about the mean fluxes of treatments between different monitoring dates at the 0.05 level

2.2 季节性休牧对草地土壤CH4吸收的影响

在整个放牧季,不同处理之间的土壤CH4吸收存在极显著的差异(P<0.001,图2),CG处理吸收的最多,可以达到0.45 kg·ha-1·month-1;而CK处理吸收的最少,仅为0.32 kg·ha-1·month-1,CG,R1和R2处理的CH4吸收都显著高于CK和R3处理,吸收量在CG,R1和R2处理之间以及CK和R3处理之间差异均不显著,但是CG比R1和R2处理分别多吸收6.28%以及7.99%,且R3比CK处理多吸收5.68%。

图2 放牧季各处理的土壤CH4吸收Fig.2 The methane uptake of soil under different grazing treatments during grazing season注:不同的小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments at the 0.05 level

2.3 季节性休牧对放牧绵羊CH4排放的影响

绵羊的CH4排放量如图3所示,其在2022年各放牧时期以及同一时期不同处理之间差异均极显著(P<0.001),S2时期的18.83 g·day-1和S3时期的18.76 g·day-1都极显著高于S1时期的18.42 g·day-1。R3处理在S1和S2时期均具有最高的排放量,分别为18.86 g·day-1和19.19 g·day-1;而在S3时期,排放量最高的是R1处理,达到18.92 g·day-1。

图3 各时期不同放牧处理中的绵羊CH4排放量Fig.3 The methane emissions from sheep under different grazing treatments in the different grazing seasons注:不同的大写字母表示不同放牧时期之间差异极显著(P<0.001),不同的小写字母表示同一放牧时期不同处理之间差异极显著(P<0.001)Note:Different capital letters indicate a significant difference at the 0.001 level between different grazing seasons;different lowercase letters a significant difference between different grazing treatments within the same grazing season at the 0.001 level

根据图4中的结果,可以看出绵羊的CH4排放量在不同处理之间差异极显著(P<0.001)。R3处理的绵羊CH4排放量最高,可以达到19.03 g·day-1;而排放量最少的是R2处理,为18.27 g·day-1;而且R3处理的CH4排放量要比CG,R1和R2处理分别高2.04%,1.60%和4.16%。

图4 S1—S3时期不同放牧处理中的绵羊CH4排放量Fig.4 The methane emissions from sheep methane in different grazing treatments of S1—S3注:不同的小写字母表示不同处理之间差异极显著(P<0.001)Note:Different lowercase letters indicate an extreme significant difference between different grazing treatments at the 0.001 level

2.4 季节性休牧对草地土壤CH4“碳汇”贡献度的影响

图5是草地土壤的CH4“碳汇”贡献度,其在3个放牧时期之间差异极显著(P<0.001),最高的是S1时期,贡献度为8.50%,S2时期的7.72%次之,S3时期的7.35%最少。草地土壤的CH4“碳汇”贡献度在同一时期的不同处理之间也都存在极显著的差异(P<0.001),S1时期的R2处理要分别比CG和R3处理低25.03%以及18.54%;S2时期的R1处理要分别比CG和R3处理低38.92%以及43.54%;而在S3时期,R1处理则比CG和R2处理分别低51.55%以及18.12%。

图5 温性草甸草原放牧系统中的土壤CH4“碳汇”贡献度Fig.5 The contribution of soil methane “carbon sink” in the grazing system in temperate meadow steppe注:不同的大写字母表示贡献度在S1,S2和S3时期之间差异极显著(P<0.001),不同的小写字母表示同一放牧时期不同处理之间差异极显著(P<0.001)Note:Different capital letters indicate a significant difference at the 0.001 level about contribution between S1,S2 and S3;the different lowercase letters indicate a significant difference at the 0.001 level between different grazing treatments within the same grazing season

在S1—S3时期,草地土壤的CH4“碳汇”贡献度在不同处理之间也存在极显著的差异(P<0.001),CG处理的贡献度最高而R1处理最低,分别为9.71%和4.85%,R2和R3处理的贡献度则分别是6.73%以及9.23%。

3 讨论与结论

3.1 季节性休牧对草地土壤CH4吸收的影响

草地土壤是CH4十分重要的吸收“汇”[20]。在本研究中,放牧季草地土壤的CH4通量在监测期间始终是负值,说明此地区的草地土壤在整个监测时期是吸收CH4气体的,也就是发挥“碳汇”的功能。这与之前在呼伦贝尔草甸草原生态系统的研究结果是一致的[21],其研究通过野外定位观测也发现放牧和围封草地均表现为CH4的吸收“汇”,而且观测期间的吸收通量变化范围与本研究监测结果相似。本研究发现CG,R1和R2处理的土壤CH4-C累积吸收量极显著高于CK和R3处理(P<0.001),可能是因为CK和R3处理的植被地上生物量较高,植物的遮盖作用会减少土壤水分的蒸发量,较高的土壤含水率则会减缓气体分子在土壤与大气之间的扩散速度[22],从而使它对CH4的氧化吸收量少于其他3个处理。

3.2 季节性休牧对放牧绵羊CH4排放的影响

3.3 季节性休牧对草地土壤CH4“碳汇”贡献度的影响

草地生态系统在温室气体收支平衡中发挥着十分重要的“碳汇”功能,这对于全球生态系统的“固碳”过程有着积极影响[29]。我们发现温性草甸草原放牧系统的草地土壤是CH4的“碳汇”,其可以通过氧化吸收抵消反刍动物排放或者土壤微生物分解有机质产生的部分CH4气体,发挥了一定程度的减排作用而且贡献度是5%～10%。在北方农牧交错带的研究发现夏季放牧地在生长季的CH4吸收总量对年吸收总量的贡献比例可达到61%[30],这同样说明草地在吸收CH4以及缓解气候变化等方面发挥着重要的贡献[31]。在我们的研究中,草地土壤的CH4“碳汇”贡献度在不同放牧时期之间以及同一时期不同处理之间都具有极显著的差异(P<0.001),其在S1时期最高,这与绵羊在S1时期的CH4排放量最少有关,而贡献度在S3时期最低,可能是因为这一时期绵羊的CH4排放量最多但是草地土壤对其的吸收却是最少的,所以表现出不同的CH4“碳汇”贡献度。

在S1—S3时期,草地土壤的CH4“碳汇”贡献度在不同处理之间也具有极显著的差异(P<0.001),由高到低进行排序依次是CG,R3,R2以及R1处理。这可能存在以下几方面原因:一是不同放牧处理中绵羊的CH4排放量是显著不同的[32],就会使草地土壤在吸收CH4方面的能力有高有低;二是土壤中存在的甲烷氧化菌等微生物对放牧活动可能会产生不同程度的响应[33],而且土壤理化性质等因素也会影响CH4吸收量;三是草地土壤氧化吸收气体的过程受到放牧压的调控也会导致贡献度发生变化[34]。

综上所述,温性草甸草原土壤在整个放牧季都是温室气体CH4的吸收“汇”,持续放牧处理的吸收量最多而围封处理吸收最少,放牧绵羊在晚期休牧处理中的CH4排放量最高,在中期休牧处理中排放量最少。从有效发挥草地“碳汇”功能的角度考虑,适度的持续放牧和中期休牧处理是适合当地的草地放牧管理方式。