季節性休牧對草甸草原放牧系統甲烷通量的影響

吳崇源, 毛 楠, 郭 川, 劉 楠, 楊高文,張英俊

(中國農業大學, 北京 100093)

氣候變暖已經成為社會各界普遍關注的國際問題。聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在第六次報告中也指出,日益加劇的溫室效應將給人類和生態系統帶來不可逆轉的危害[1]。溫室氣體是大氣中的微量或者痕量氣體成分,自上世紀中葉以來,引起溫室效應的溫室氣體在不斷積聚[2],特別是CH4氣體的濃度在持續增加,其增溫效應可占溫室氣體總增溫效應的14%[3]。由此看來,減少CH4的排放量對于減緩溫室效應顯得尤為重要。

CH4主要來源于自然環境、能源利用和農業生產等[4],這是一種在百年時間尺度上都能長期存在的溫室氣體,它的強烈輻射性嚴重影響著地球的能量平衡以及全球的氣候變化[5]。草地作為一個巨大的陸地碳庫,具有較為顯著的“碳匯”潛力[6],放牧是草地最主要的利用方式之一[7],其會影響CH4在草地土壤與大氣之間的交換通量,使得草地在不同的外界條件下發揮“碳匯”或者“碳源”的角色[8]。放牧牛羊等反芻動物被視為農業溫室氣體排放的重要來源,它們排放的CH4約占全球CH4排放量的15%[9]。而休牧指的是在某段時間內禁止實行放牧活動的一種草地管理措施[10],實際生產中一般選擇在春季、夏季和秋季進行,也可以根據具體需要在不同季節采取休牧措施[11],此途徑能夠合理有效地治理退化草地,而且成本相對較小,在保護植物正常生長繁殖的同時也有助于改善土壤的結構狀況[12-13]。

本研究以呼倫貝爾地區的溫性草甸草原放牧系統為研究對象,通過監測放牧季的草地土壤CH4通量,測定放牧綿羊的CH4排放量,探討草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度,為緩解全球溫室效應以及助推呼倫貝爾地區草牧業的可持續發展提供理論依據和更加優化的草地放牧管理方式。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區呼倫貝爾市陳巴爾虎旗特尼河農牧場有限公司第九(連)隊,海拔628～649 m,屬于典型的溫帶大陸性季風氣候[14],年均溫-3℃～0℃,2022年最低氣溫和最高氣溫分別是-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。該地區草地土壤類型為黑鈣土或者暗栗鈣土,表層土壤(0～10 cm)的總有機碳含量約為3.06%,全氮含量約為0.31%,土壤pH值為6.71。植被以羊草(Leymuschinensis)為主要優勢種,并伴生二裂委陵菜(Potentillabifurca)、草地早熟禾(Poapratensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和苔草(Carexduriuscula)等植物。

1.2 研究方法

1.2.1試驗設計 試驗地在2022年6—9月份進行放牧利用,將整個放牧季(6月15日—9月15日)分為3個時期: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)。采用隨機區組試驗設計,以圍封(Enclosure,CK)處理為對照,設置1個持續放牧(Continuous grazing,CG)處理和3個季節性休牧處理,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時期始終進行適度放牧;R1,R2和R3指的是分別在S1,S2以及S3時期進行休牧。根據小區中牧草的現存量,通過采取將綿羊移入和移出的方式對放牧率進行調整(表1),使牧后的牧草現存量不至于過低;試驗地設置了3個區組,每個區組包括5個小區,共計15個試驗小區。每個季節性休牧小區面積約1 ha,而CK和CG處理小區面積約0.5 ha。

表1 各處理在不同季節以及整個放牧季的放牧率Table 1 Stocking rates of treatments in different season and the whole grazing season

1.2.2氣體的監測 本試驗使用LI-7810 CH4/CO2/H2O痕量氣體分析儀監測草地土壤的CH4氣體通量[15]。每個試驗小區選擇3個均勻一致的位點,在正式測定前2周,我們在每個位點都將一個高12 cm、內徑20 cm的PVC呼吸環置入土壤7 cm深處,地上部分所留高度為5 cm。每次正式測定前24 h,先將呼吸環中的綠色植物齊地面刈割[16],然后再進行氣體通量的監測,頻率約為每周監測1次,且均選擇晴朗天氣的上午9—12點進行[17]。

對于綿羊排放的CH4氣體測定,選擇試驗地第3區組中的放牧小區,每個小區標記6只體況相近的綿羊供試驗使用。在每個放牧時期,使用呼吸面罩法在2 min內為每只綿羊采集200 mL氣體樣品,且連續進行3天,每次采集完畢后立刻轉入200 mL真空鋁箔集氣袋中并保存在常溫避光的環境中[18],及時利用痕量氣體分析儀閉合回路小體積氣體測定法分析其中的CH4濃度(μg·L-1),并根據所采集樣品的時間和體積以及濃度單位換算為綿羊每日CH4排放量(g·d-1)。最后,計算出土壤CH4吸收量與綿羊CH4排放量的比值并將其作為草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度[19]。

1.3 數據處理

原始數據的錄入與整理使用的是Office中的Excel 2019表格(Microsoft Inc.,USA),數據在統計分析之前都進行了正態性檢驗并且均符合正態分布,數據使用“平均值”的方式進行表示。數據的統計分析在SPSS 23(USA)中完成,不同時期以及不同處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA),差異顯著性水平為P<0.05,差異極顯著水平為P<0.01,并運用Duncan法進行多重比較;對于圖形的繪制,利用RStudio 4.1.1(AUS)軟件進行可視化制作,用到的工具包包括“rio”“tidyverse”“ggplot2”以及“ggpubr”等。

2 結果與分析

2.1 季節性休牧對草地土壤CH4通量特征的影響

圖1是在放牧季監測的草地土壤CH4通量的動態變化特征,由圖中結果可知:每次監測的通量均為負值,說明此區域的土壤是吸收CH4的;吸收通量在各測定日期之間差異極顯著(P<0.001),變化范圍為25.37～79.46 μg·m-2·h-1,而且監測中期的吸收通量要明顯小于其他時期;不同處理的CH4吸收通量也存在極顯著的差異(P<0.001),CG處理最高而CK處理最低,CG處理的吸收通量比CK,R1和R3處理分別高42.66%,13.59%以及33.65%,但CG和R2處理之間差異不顯著,而且R1和R2處理之間以及CK和R3處理之間均不存在顯著差異,但是R1和R2處理的氣體通量顯著高于CK和R3處理。

圖1 放牧季各處理土壤CH4通量的動態特征Fig.1 Dynamic characteristics of soil methane fluxes in different grazing treatments during grazing season注:CK,圍封;CG,持續放牧;R1,早期休牧;R2,中期休牧;R3,晚期休牧。下同。不同的大寫字母表示不同測定日期之間所有處理的通量均值差異顯著(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 季節性休牧對草地土壤CH4吸收的影響

在整個放牧季,不同處理之間的土壤CH4吸收存在極顯著的差異(P<0.001,圖2),CG處理吸收的最多,可以達到0.45 kg·ha-1·month-1;而CK處理吸收的最少,僅為0.32 kg·ha-1·month-1,CG,R1和R2處理的CH4吸收都顯著高于CK和R3處理,吸收量在CG,R1和R2處理之間以及CK和R3處理之間差異均不顯著,但是CG比R1和R2處理分別多吸收6.28%以及7.99%,且R3比CK處理多吸收5.68%。

圖2 放牧季各處理的土壤CH4吸收Fig.2 The methane uptake of soil under different grazing treatments during grazing season注:不同的小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference between different treatments at the 0.05 level

2.3 季節性休牧對放牧綿羊CH4排放的影響

綿羊的CH4排放量如圖3所示,其在2022年各放牧時期以及同一時期不同處理之間差異均極顯著(P<0.001),S2時期的18.83 g·day-1和S3時期的18.76 g·day-1都極顯著高于S1時期的18.42 g·day-1。R3處理在S1和S2時期均具有最高的排放量,分別為18.86 g·day-1和19.19 g·day-1;而在S3時期,排放量最高的是R1處理,達到18.92 g·day-1。

圖3 各時期不同放牧處理中的綿羊CH4排放量Fig.3 The methane emissions from sheep under different grazing treatments in the different grazing seasons注:不同的大寫字母表示不同放牧時期之間差異極顯著(P<0.001),不同的小寫字母表示同一放牧時期不同處理之間差異極顯著(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

根據圖4中的結果,可以看出綿羊的CH4排放量在不同處理之間差異極顯著(P<0.001)。R3處理的綿羊CH4排放量最高,可以達到19.03 g·day-1;而排放量最少的是R2處理,為18.27 g·day-1;而且R3處理的CH4排放量要比CG,R1和R2處理分別高2.04%,1.60%和4.16%。

圖4 S1—S3時期不同放牧處理中的綿羊CH4排放量Fig.4 The methane emissions from sheep methane in different grazing treatments of S1—S3注:不同的小寫字母表示不同處理之間差異極顯著(P<0.001)Note:Different lowercase letters indicate an extreme significant difference between different grazing treatments at the 0.001 level

2.4 季節性休牧對草地土壤CH4“碳匯”貢獻度的影響

圖5是草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度,其在3個放牧時期之間差異極顯著(P<0.001),最高的是S1時期,貢獻度為8.50%,S2時期的7.72%次之,S3時期的7.35%最少。草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度在同一時期的不同處理之間也都存在極顯著的差異(P<0.001),S1時期的R2處理要分別比CG和R3處理低25.03%以及18.54%;S2時期的R1處理要分別比CG和R3處理低38.92%以及43.54%;而在S3時期,R1處理則比CG和R2處理分別低51.55%以及18.12%。

圖5 溫性草甸草原放牧系統中的土壤CH4“碳匯”貢獻度Fig.5 The contribution of soil methane “carbon sink” in the grazing system in temperate meadow steppe注:不同的大寫字母表示貢獻度在S1,S2和S3時期之間差異極顯著(P<0.001),不同的小寫字母表示同一放牧時期不同處理之間差異極顯著(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時期,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度在不同處理之間也存在極顯著的差異(P<0.001),CG處理的貢獻度最高而R1處理最低,分別為9.71%和4.85%,R2和R3處理的貢獻度則分別是6.73%以及9.23%。

3 討論與結論

3.1 季節性休牧對草地土壤CH4吸收的影響

草地土壤是CH4十分重要的吸收“匯”[20]。在本研究中,放牧季草地土壤的CH4通量在監測期間始終是負值,說明此地區的草地土壤在整個監測時期是吸收CH4氣體的,也就是發揮“碳匯”的功能。這與之前在呼倫貝爾草甸草原生態系統的研究結果是一致的[21],其研究通過野外定位觀測也發現放牧和圍封草地均表現為CH4的吸收“匯”,而且觀測期間的吸收通量變化范圍與本研究監測結果相似。本研究發現CG,R1和R2處理的土壤CH4-C累積吸收量極顯著高于CK和R3處理(P<0.001),可能是因為CK和R3處理的植被地上生物量較高,植物的遮蓋作用會減少土壤水分的蒸發量,較高的土壤含水率則會減緩氣體分子在土壤與大氣之間的擴散速度[22],從而使它對CH4的氧化吸收量少于其他3個處理。

3.2 季節性休牧對放牧綿羊CH4排放的影響

3.3 季節性休牧對草地土壤CH4“碳匯”貢獻度的影響

草地生態系統在溫室氣體收支平衡中發揮著十分重要的“碳匯”功能,這對于全球生態系統的“固碳”過程有著積極影響[29]。我們發現溫性草甸草原放牧系統的草地土壤是CH4的“碳匯”,其可以通過氧化吸收抵消反芻動物排放或者土壤微生物分解有機質產生的部分CH4氣體,發揮了一定程度的減排作用而且貢獻度是5%～10%。在北方農牧交錯帶的研究發現夏季放牧地在生長季的CH4吸收總量對年吸收總量的貢獻比例可達到61%[30],這同樣說明草地在吸收CH4以及緩解氣候變化等方面發揮著重要的貢獻[31]。在我們的研究中,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度在不同放牧時期之間以及同一時期不同處理之間都具有極顯著的差異(P<0.001),其在S1時期最高,這與綿羊在S1時期的CH4排放量最少有關,而貢獻度在S3時期最低,可能是因為這一時期綿羊的CH4排放量最多但是草地土壤對其的吸收卻是最少的,所以表現出不同的CH4“碳匯”貢獻度。

在S1—S3時期,草地土壤的CH4“碳匯”貢獻度在不同處理之間也具有極顯著的差異(P<0.001),由高到低進行排序依次是CG,R3,R2以及R1處理。這可能存在以下幾方面原因:一是不同放牧處理中綿羊的CH4排放量是顯著不同的[32],就會使草地土壤在吸收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對放牧活動可能會產生不同程度的響應[33],而且土壤理化性質等因素也會影響CH4吸收量;三是草地土壤氧化吸收氣體的過程受到放牧壓的調控也會導致貢獻度發生變化[34]。

綜上所述,溫性草甸草原土壤在整個放牧季都是溫室氣體CH4的吸收“匯”,持續放牧處理的吸收量最多而圍封處理吸收最少,放牧綿羊在晚期休牧處理中的CH4排放量最高,在中期休牧處理中排放量最少。從有效發揮草地“碳匯”功能的角度考慮,適度的持續放牧和中期休牧處理是適合當地的草地放牧管理方式。