內蒙古農牧交錯帶土地利用變化對CH4吸收的影響

焦 燕,侯建華,趙江紅,楊文柱 (內蒙古師范大學化學與環境科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

內蒙古農牧交錯帶土地利用變化對CH4吸收的影響

焦 燕*,侯建華,趙江紅,楊文柱 (內蒙古師范大學化學與環境科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

于2008～2010年,根據鄰近樣地采樣原則,選擇位于內蒙古農牧交錯帶的天然草地和不同開墾時間的農田作為研究樣地(G-草地; C5-開墾5a的農田;C10-開墾10a的農田;和C50-開墾50a的農田),利用靜態箱法通過3a的野外試驗,研究土地利用類型變化對CH4吸收的影響.結果表明:天然草地轉變為農田后,不同開墾年限的農田土壤和草地土壤CH4吸收存在顯著差異2008年(FCH4=273.7, P<0.001), 2009年(FCH4=264.8, P<0.001)和2010年(FCH4=362.4, P<0.001).草地轉變為農田促進CH4吸收,2008, 2009 和2010年生長季的生長季

(4～10月),草地CH4吸收量最低分別為141.4,210.0,236.0mg/m2.2008～2010年農田土壤CH4累積吸收量與草地土壤相比增加20%～280%.農田開墾年限影響CH4吸收,隨著農田開墾年限的增加從開墾5～50a,CH4累積吸收量降低.相關分析表明,不同土壤CH4吸收與土壤水分含量和NH4+-N 含量呈負相關關系(R2=0.7380, P<0.01).草地轉變為農田后,土壤水分含量和NH4+-N 含量驅動不同開墾年限的農田土壤和草地土壤CH4吸收差異.

土地利用；CH4吸收；土壤特性；開墾年限

大氣中溫室氣體濃度增加導致的全球變暖是當今國際社會普遍關注的重要環境問題,甲烷(CH4)作為其中重要的溫室氣體及化學活性氣體,對溫室效應的貢獻僅次于CO2而居第2位,大量研究表明,自工業革命以來,CH4濃度持續增加.草地土壤是除大氣光化學反應外重要的大氣 CH4匯[1].但目前對于土壤作為大氣 CH4匯的研究還遠沒有其作為CH4源的研究那么深入.

國內外研究表明,影響大氣 CH4吸收的重要因素主要是土地利用方式和土壤特性如土壤含水量,土壤溫度,土壤質地,pH值和 C/N等[2-5].土地利用方式的變化和管理強度影響 CH4吸收和大氣 CH4濃度估算[6-8].一些研究表明,天然草地轉變為農田,降低土壤對大氣 CH4吸收[6,9-10].也有研究證實農田土壤和草地相比,顯示出較高的 CH4吸收能力[11].內蒙古典型草原及其農耕地的研究中,李玉娥等[12]發現天然草地轉變為農田后,降低了土壤對甲烷的吸收;王躍思等[13]發現農墾不會減少天然草原對 CH4的吸收;而王艷芬等[14]的野外實地觀測則表明,天然草地開墾為農田后 CH4吸收能力有所增強.綜上可知,在我國內蒙古典型草原,天然草地轉變為農田后對土壤CH4吸收影響的研究還存在不一致的結論.但目前這方面的研究工作還較少,研究者更多對土壤溫度[15]和水分[16]給予了關注,而土壤理化特性諸如:土壤微生物碳氮含量、NH4+含量、NO3

-含量對草地CH4吸收和N2O排放的影響相關研究較少.

我國北方草地及與其毗鄰的農牧交錯帶占國土面積約 30%.農牧交錯帶土地資源類型分布錯綜復雜,農牧交錯,土地利用的時空結構不穩定,其生態脆弱性已引起許多學者廣泛關注.目前,在這一脆弱生態系統研究土地利用變化對 CH4吸收的影響研究尚不多見.因此,本研究選擇內蒙古典型農牧交錯區為研究樣區,研究草地轉變為農田后,土地利用方式變化對大氣CH4吸收的影響和機制,為溫室氣體清單編制提供數據支撐和科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于內蒙古自治區錫林郭勒盟西南部的太仆寺旗,地理位置:114°51′E～115°40′E, 41°35′N～42°10′N,是農牧結合、以農為主的經濟類型區,是中國北方典型的農牧交錯帶.太仆寺旗地處中緯度,屬中溫帶半干旱大陸性氣候,年平均氣溫1.6℃,1月份最冷平均氣溫-17.6℃;7月份最熱平均氣溫 17.8℃.冷熱差異較大,年降雨量在300～500mm之間,平均降水量為400mm左右.草原植物一般4月底開始返青,10月初枯黃,生長期約 150天.地貌類型主要包括低山丘陵區、丘間溝谷盆地和河谷平原區.土壤為栗鈣土,草原植被的建群種為羊草(Leymus chinesnis)和克氏針茅(Stipa krylovii)[17].

表1 樣點信息Table 1 Information for the investigated land use dynamics and history of the sample sites

為降低土壤異質性,根據鄰近樣地采樣原則,選擇 4個鄰近的不同開墾時間的農田和天然草地作為研究樣地(G-草地; C5-開墾 5a的農田; C10-開墾10a的農田;和C50-開墾50a的農田),且 G, C5, C10和 C50樣地之間的距離大約500m.4個樣地土壤類型和坡度等均相同,4個研究樣地占地約5hm2,每個樣地設置3個重復,每個重復占地面積為100m×100m.

農田開墾時間、種植作物和肥料施用等見表1.農田作物每年六月種植,九月收割,每年種植作物前采用機械犁地.

1.2 氣樣的采集與測定

野外試驗于2008年4月～2010年10月,在位于內蒙古太仆寺旗的農牧交錯帶進行.在每一樣地的每個重復設置 3個固定采樣點,利用靜態暗箱法采集氣體樣品,箱子長寬(0.5m×0.5m).4月和10月每月采樣1次,7～9月每10d進行一次氣體樣品采集,每次在上午8:00～11:00進行氣體樣品采樣,每隔10min用連接三通的100m L注射器從采樣箱的采樣口抽氣約 100m l,每一樣地采樣時間 40min,將采集的氣樣迅速帶回實驗室,用Agilent 6820氣相色譜儀(Agilent 6820D, Agilent corporation)[18]進行測定分析.通過對每組 5個樣品的CH4混合比和相對應的采樣間隔時間(0,10, 20,35,40min)進行直線回歸,可得到土壤的 CH4吸收速率.進而根據大氣壓力、氣溫、普適氣體常數、采樣箱的有效高度和CH4分子量等,得到單位面積CH4吸收通量[13].

1.3 土樣的采集和制備

采集氣體樣品的同時采集土壤樣品.研究樣地的每個重復應用“S”形取樣法,選取 10個采樣點,每個采樣點用內徑為5cm、高為100cm的土鉆采樣.然后將土樣混合,裝密封袋迅速帶回實驗室,放入 4℃冰箱保存,供土壤有機碳、全氮、土壤NH4+-N,NO3--N含量和土壤微生物量碳氮等的測定.

1.4 土壤理化性質等的測定

利用溫度測定儀和TDR水分測定儀分別測定土壤深度5cm和10cm的溫度和水分.土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤全氮(TN)采用濃硫酸消煮-半微量開氏法測定;土壤pH值采用電位計法測定,水土比為 2.5∶1;土壤銨態氮(NH4+-N)采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定;硝態氮(NO3--N)采用酚二磺酸比色法測定;土壤容重采用環刀法測定;以上方法見土壤農化分析方法[19].微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBC)用氯仿熏蒸的方法測定[20].草地和農田地上部分植物在收獲后,105℃烘干稱重,計算地上部分生物量.

1.5 數據分析

統計分析用SPSS 11.5 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA).利用(ANOVA)分析CH4吸收差異顯著性,相關分析和逐步回歸分析的方法被用于研究土壤特性對CH4吸收的影響.

2 結果

2.1 CH4吸收的季節性變化

圖1 CH4吸收通量的季節性變化Fig.1 Seasonal CH4uptake pattern from grassland and cropland soil during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

圖1所示,從2008年到2010年研究樣地土壤的CH4吸收通量值為0.001～0.292mg/(m2?h), CH4通量是負值,表明研究樣地是大氣 CH4的匯,從2008～2010年作物生長季,G,C5,C10和C50土壤的CH4吸收通量季節性變化差異明顯,整個生長季隨作物的生長發育,C5土壤和C10土壤在6月和7月出現明顯吸收峰,C5土壤在2008年6月和7月吸收最大值是 0.271,0.201mg/(m2?h); 2009年是0.199, 0.234mg/(m2?h);2010年是 0.292, 0.261mg/ (m2?h).而G和C50土壤變化趨勢平緩無明顯的吸收峰出現,G土壤在2008,2009和2010年CH4吸收最大值是 0.058,0.118,0.113mg/(m2?h).整個生長季G土壤CH4吸收最低;C5土壤的CH4吸收最高.

2.2 土地利用類型和農田開墾年限對CH4吸收的影響

圖2 2008,2009,2010年CH4累積吸收量Fig.2 Cumulative CH4uptake during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

圖2所示,G,C5,C10和C50的土壤CH4累積吸收量在 2008年生長季(F=273.7, P=0.000), 2009年生長季(F=264.8, P=0.000)和2010年生長季(F=362.4, P=0.000)均存在顯著差異.CH4累積吸收量大小順序為C5>C10>C50>G.天然草地轉變為農田后促進了大氣甲烷的吸收,草地土壤CH4累積吸收量最低.在 2008,2009,2010年的生長季(4～10月)草原土壤累積吸收量分別為141.4, 210.0,236.0mg/m2;C5土壤CH4累積吸收量最高分別為534,605,493mg/m2.C5, C10和C50土壤的CH4累積吸收量與草地相比,2008年增加280%, 130%和60%;2009年增加190%,60%和20%;2010年增加110%,76%和36%.天然草地轉變為農田后,隨著開墾年限的增加土壤CH4累積吸收量降低. 2.3 土壤特性對CH4吸收的影響

2.3.1 土壤含水量對 CH4吸收的影響 草地轉變為農田后,增加或降低土壤對大氣CH4吸收的能力同土壤含水量和土壤理化特性有關.本研究統計分析表明,生長季CH4吸收通量(3年數據)和土壤體積含水量(% v/v) (3年數據)存在明顯負相關關系(P<0.01) (圖3a～圖3d).

2008年,2009年和2010年,C5,C10和C50土壤 10cm處土壤含水量分別為 6%～26%,3%～25%和 9%～34%,而草地土壤的含水量是 8%～39%,表明草地土壤有較高含水量.如表2所示,草地土壤和農田土壤相比其容重較低,從而導致其具有較高的含水量.

表2 草地和農田土壤的理化特性Table 2 Comparisons of soil properties (means±SD)of adjacent cropland and grassland soils

圖3 CH4吸收和土壤含水量的關系Fig.3 Correlation between CH4uptake and soil moisture content

圖4 CH4吸收與土壤NH4+-N含量關系Fig.4 Correlation between CH4uptake and soil NH4+-N content

2.3.2 土壤 NH4+-N含量對 CH4吸收的影響圖4顯示G,C5,C10和C50的土壤CH4累積吸收量與土壤NH4+-N含量(年均值)之間存在顯著負相關關系(R2=0.7380, P<0.01).這就表明, NH4+-N含量高的土壤CH4吸收量較低.因此,草地和不同開墾年限土壤 NH4+-N含量的差異解釋了不同土壤CH4吸收量的差異.

圖5 CH4吸收與農田土壤MBC含量關系Fig.5 Correlation between CH4uptake and soil MBC content

2.3.3 土壤特性對 CH4吸收的綜合影響 為研究土壤參數的綜合作用對草地和不同開墾年限土壤 CH4吸收的影響,將草地和不同開墾年限農田土壤 CH4吸收的季節性累積吸收量(圖2)與相應的土壤參數(表2,圖3)及開墾時間進行了逐步線性回歸分析.結果表明(表 3),CH4吸收受土壤 NH4+-N含量和土壤水分含量的綜合影響.決定系數(R2)的數值說明本研究觀測到的不同土壤間 CH4吸收的變異性有 91.1%可由NH4+-N含量和水分含量構成的線性方程得以解釋.需要指出的是, CH4吸收的多少受若干土壤參數的綜合影響,單因子相關分析中對其無明顯影響的參數(如 SOC,MBC等)并不意味著該參數不重要.在很多情況下,某參數的重要性往往被其他參數所掩蓋,而逐步回歸分析則從統計上考慮了若干主要參數的綜合影響.

表3 CH4吸收量與土壤特性的逐步回歸分析Table 3 Results of stepw ise regression of CH4uptakew ith the soil properties

3 討論

3.1 土地利用方式對CH4吸收的影響

本研究中草地轉變為農田后促進大氣甲烷的吸收,王艷芬等[14]在典型草原的研究結果也表明草地農墾后促進CH4的吸收.Boeckx等[11]在比利時的研究表明,草地和農田相比,顯示出較低的CH4吸收能力.農田土壤由于犁地、施肥、作物的種植和收割等農業管理措施對土壤的干擾,使得土壤的結構和微生物活性發生變化,影響土壤碳的礦化等,增加土壤的好氧性和孔隙度,從而創造了有利于甲烷氧化的條件,促進土壤對甲烷的吸收.

草地轉變為農田后對 CH4吸收的影響研究結果并不一致.一些田間試驗研究也表明草地轉變為農田后降低了大氣 CH4的吸收[3,21-22].Liu等

[1]在內蒙古草地的研究也發現農墾降低了CH4匯的能力.研究表明,在相同的氣候和農業管理方式下墾殖年限和土壤特性是導致研究結果不一致的主要原因.本研究中,草地轉變為農田后,開墾年限對土壤CH4吸收有重要影響,隨著農田墾殖年限的增加,農田土壤CH4的吸收量逐漸降低,開墾50a的土壤CH4吸收量已降到接近草地土壤(圖 2).因此,推測草地轉變為農田后降低和增加土壤甲烷的吸收和開墾年限有很大關系,開墾時間越長,農田土壤吸收 CH4越少.2008～2010年,CH4吸收通量和作物產量(P>0.05)無明顯相關關系,證明作物產量不是決定草地和不同開墾年限農田土壤CH4吸收差異的關鍵因素.

3.2 土壤特性對CH4吸收的影響

3.2.1 土壤含水量和土壤溫度 本研究統計分析表明,生長季CH4吸收通量和土壤體積含水量存在明顯負相關關系,Wang等[23]和Liu等[1]在內蒙古草地的研究也證明了相似的結果.土壤水分含量對CH4氧化的影響主要是通過影響土壤中CH4和O2氣體擴散與CH4氧化細菌活性實現的[24].高的土壤含水量降低CH4的吸收主要由于高的含水量增強土壤的厭氧性,不利于甲烷氧化菌生存[25];另外水分含量高的土壤,土壤空氣減少,CH4擴散也受到限制.CH4需要從大氣擴散到土層才能達到最大氧化速率,而擴散通量主要由土壤的透氣性所控制.土壤含水量等因素決定了土壤透氣性.許多的培養實驗和田間試驗均研究了土壤含水量對CH4吸收的影響[26],土壤含水量對CH4吸收的影響機理較復雜,甲烷氧化菌的數量和活性在較高的土壤水分下顯著降低[27],土壤水分含量增加被認為是在土壤微生物上覆蓋一層較厚的水膜,從而降低了微生物的活性.同時,水分含量增加阻礙了土壤中參與氧化消耗的CH4的擴散,因為CH4 在水膜中擴散的速率比在土壤空氣中的擴散速率低的多[28].

土壤溫度也是影響甲烷氧化的重要的環境因子.Castro等[29]的研究表明,當土壤溫度在5～10℃時,顯著影響CH4吸收;當溫度在10～20℃時,對 CH4吸收沒有影響.與此相同的是,本研究結果表明,田間土壤溫度在 10～26℃時,土壤溫度對草地和不同開墾年限的農田土壤 CH4吸收并無顯著影響,當溫度對CH4吸收無重要影響時,土壤含水量是關鍵的影響因子.Chen等[30]證明當溫度不是內蒙古典型草原季節性 CH4吸收的關鍵控制因子時,它和土壤水分含量有明顯相關關系.可能的原因是研究樣地的缺水導致土壤水分含量掩蓋了土壤溫度對CH4吸收影響的重要性,這種情況下土壤溫度對草地和不同開墾年限農田土壤CH4吸收的差異的影響并未表現出來. 3.2.2 NH4+-N,SOC,MBC含量 NH4+-N含量是影響甲烷氧化能力的關鍵因素,本研究發現CH4吸收被土壤NH4+-N抑制.Chan等[31]的培養實驗研究發現,明顯的負相關關系存在于土壤NH4+-N 含量和CH4吸收量之間.因此,草地和不同開墾年限土壤 NH4+-N含量的差異解釋了不同土壤CH4吸收量的差異.本研究中草地轉變為農田后隨開墾年限的延長,NH4+-N含量增加,主要由于長期施肥對土壤氮素礦化的促進作用明顯[32].CH4、氧氣及結合態氮的濃度是環境中Ⅰ型和Ⅱ型甲烷氧化菌分布的決定性因素[33],因此NH4+-N含量被作為影響甲烷氧化能力的關鍵因素.土壤NH4+-N含量對CH4吸收的影響研究結果不一致,一些研究表明,氮的礦化對CH4吸收有抑制作用[21],而另外一些研究表明無機氮含量并不影響CH4吸收[34].長期施肥可以通過改變土壤全氮和有機質含量等土壤性質,改變甲烷氧化菌群落結構,進而影響土壤甲烷氧化速率[35],無機氮持續施用一定時期(至少7年)可引起土壤CH4匯的衰竭[36].Mosier等[37]報道,施5～13年氮肥的干草原砂壤土消耗 CH4比不施肥土壤少 30%～40%.本研究也證明從草地開墾為農田后5～年,隨著開墾時間的延長,施肥時間增加,CH4的吸收量減少.對于 NH4+抑制 CH4,酶基質競爭是學術界主流觀點.認為由于NH4+和CH4具有相似的分子結構,競爭甲烷氧化菌酶系統相同的位點或降低甲烷氧化酶活性,從而起到抑制CH4氧化的作用.本研究中不同土壤(G, C5, C10和C50土壤)的CH4吸收與土壤SOC含量(P>0.05),土壤砂礫含量(P>0.05),土壤MBC含量(P>0.05),土壤容重(P>0.05)無明顯相關關系.可能由于草地轉變為農田后,土壤水分含量(圖 3)和 NH4+-N含量(圖4)是導致草地土壤 CH4吸收比農田土壤低的主要原因.土壤水分含量和 NH4+-N含量對土壤CH4吸收的影響的重要性掩蓋了有機碳含量和土壤容重等的影響.

值得思考的是,本研究中農田土壤 MBC含量(不包括草地土壤)和 CH4吸收存在明顯的正相關關系(R2=0.8830, P<0.01) (圖5,數據來源于表2,圖2).意味著MBC并不是影響草地和農田兩種土地利用方式下CH4吸收差異的重要因素,但針對農業管理措施相同的農田土壤,MBC成為了農田土壤 CH4吸收的主要的影響因素.MBC含量是土壤微生物群體的數量和活性的指標.本研究發現,草地土壤的MBC含量最高,草地轉變為農田后,隨著開墾年限的延長 MBC含量降低(表 2).MBC含量對農業管理措施和環境因素很敏感[38].與草地土壤相比,農田土壤犁地和化肥的使用會導致土壤微生物代謝和組成發生變化,一般,農田土壤的微生物群落數量低于草地等未受干擾的土壤.此外,MBC 含量代表了土壤有機質的活性部分,本研究中有機碳含量高的土壤,微生物碳含量也較高(表 2),隨開墾年限的增加,土壤有機碳含量降低,從而土壤MBC含量降低. 土壤MBC含量對CH4吸收的影響主要和土壤的生物過程有關.一個可能的原因是低 MBC含量意味著土壤中甲烷氧化菌數量較少,這將消耗較少的CH4.土壤MBC含量對CH4吸收影響的研究還較少,其機理有待進一步研究.

4 結論

4.1 研究區域土地利用變化和農田開墾年限對CH4吸收產生顯著影響.天然草地轉變為農田后促進CH4吸收,并隨開墾年限的延長CH4吸收降低.CH4吸收順序為開墾5年的農田土壤>開墾10年的農田土壤>開墾50年的農田土壤>草地土壤.逐步回歸分析表明,不同土壤間CH4吸收的變異性有91.1%可由NH4+-N含量和水分含量構成的線性方程得以解釋.

4.2 草地轉變為農田后,墾殖年限對 CH4吸收的影響及決定這種影響差異的關鍵土壤參數,為基于土壤特性的 CH4估算模型建立和應用提供依據.但土地利用變化后,各種自然和人為因素對CH4吸收通量的影響還不是很清楚, 還需要在更長的時間尺度上和更多的研究區域進行更為深入的研究.

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致謝：本實驗的現場采樣工作由中國農業科學研究院草原研究所內蒙古草原觀測站的所有老師協助完成,在此表示感謝.

Land-use change from grassland to crop land affects CH4uptake in the farm ing-pastoral ecotone of Inner M ongolia.

J
IAO Yan*, HOU Jian-hua, ZHAO Jiang-hong,YANG Wen-zhu (College of Chem istry and Environmental Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China). China Environmental Science, 2014,34(6)：1514～1522

CH4uptake were compared after grassland and cropland soils in the agro-pastoral ecotone of Inner Mongolia over three grow ing seasons (2008～2010). Four adjacent sites w ith different land-use histories were selected, including grassland (reference site) and cropland 5, 10 and 50 years after conversion. The flux measurements were obtained using a closed-chamber method and were performed continuously from April to October in 2008, 2009 and 2010 in study site. The results showed a significant difference in CH4uptake between cropland and grassland in 2008 (FCH4=273.7, P<0.001), 2009 (FCH4=264.8, P<0.001) and 2010 (FCH4=362.4, P<0.001). Grassland had the lowest CH4uptake values of 141.4mg/m2, 210.0mg/m2and 236.0mg/m2in the 2008, 2009 and 2010 sampling seasons, respectively. The cumulative CH4uptake of cropland soil increased by 20%～280%, compared w ith the grasslands from 2008 to 2010. Decreased cumulative CH4uptake was observed with an increase in cropland age from 5 to 50 years. CH4uptakes were negatively correlated w ith soil NH4+-N (R2=0.7380, P<0.01) and soil moisture. Our study indicated that CH4uptake existed obviously differences among the sites during 3 grow ing seasons and the soil physical-chem ical properties drive these differences.

land-use；methane uptake；soil physical-chemical properties；cropland age

X511,S151.9,S182

A

1000-6923(2014)06-1514-09

焦 燕(1977-),女,內蒙古巴彥諾爾市人,副教授,博士,主要研究方向溫室氣體與全球變化.發表論文40余篇.

2013-09-28

國家自然科學基金項目(41165010,41375144);2013內蒙古高等學?！扒嗄昕萍加⒉拧庇媱?/p>

* 責任作者, 副教授, jiaoyan@imnu.edu.cn