隴東黃土高原草地與畜糞夏季的溫室氣體排放

楊晗蕾，陳先江，侯扶江

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

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隴東黃土高原草地與畜糞夏季的溫室氣體排放

楊晗蕾，陳先江，侯扶江

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

采用靜態(tài)箱法測定了隴東黃土高原天然草地、栽培草地[紫花苜蓿(Medicagosativa)地]、撂荒地、豬糞和羊糞8月份3種主要溫室氣體的通量，甲烷排放量分別是-290.212、-204.18、-180.14、47.84和33.59 mg·(d·m2)-1，CO2排放值分別是266.99、418.72、947.31、6 110.63和14 771.80 mg·(d·m2)-1，N2O排放值依次為-4.87、-2.56、5.31、1 050.55和1 911.76 mg·(d·m2)-1，溫室氣體排放總量分別為-8 395.69、-5 425.62、-2 012.6、568 110.19和310 915.58 mgCO2·(d·m2)-1。研究區(qū)3種草地土壤表現(xiàn)為碳匯，天然草地碳匯效應最好，糞肥表現(xiàn)為碳源。豬糞和撂荒地土壤的3種溫室氣體通量均與7.5 cm土溫線性相關(guān)。豬糞和羊糞系統(tǒng)溫室氣體間的排放均呈線性關(guān)系。

黃土高原；典型草原；紫花苜蓿；撂荒地；廄肥；溫室氣體排放；碳平衡

近30年來，生態(tài)系統(tǒng)碳平衡引起了各國科學家、政治家、企業(yè)家的高度重視，并成為四大國際全球變化研究組織[國際地圈生物圈計劃(IGBP)、世界氣候研究計劃(WCRP)、全球變化人類行為計劃(IHDP)、國際生物多要性研究計劃(DIVERSITAS)]共同關(guān)注的研究方向之一[1]，是當前生態(tài)學、經(jīng)濟學等自然科學和社會科學諸多學科的研究前沿和熱點。

我國約有4億hm2草原，約占國土總面積的41.7%，為耕地面積的4倍，森林面積的3.6倍，是面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)[2-3]。我國草原面積雖然只占世界草原的6%～8%，碳貯量卻占到世界草原的9%～16%[4]。草原牧區(qū)和農(nóng)牧交錯帶生產(chǎn)全國23.2%的牛肉、51.4%的羊肉、35.6%的牛奶和64.5%的羊毛[5]。據(jù)估計，目前全球每年分別有20%的CH4和55%的N2O由家畜腸道發(fā)酵及其排泄物產(chǎn)生[6-9]，足見家畜生產(chǎn)對溫室氣體減排的重要性[10-11]。

黃土高原地處農(nóng)牧交錯帶，草原占黃土高原總土地面積的33.0%，其中重度退化、中度退化和輕度退化面積分別占14.0%、50.8%和20.5%[13]。作物/天然草地-家畜綜合生產(chǎn)系統(tǒng)是黃土高原占絕對優(yōu)勢的草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，其中草原和家畜是關(guān)鍵的兩個組分，二者的溫室氣體排放是草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)鍵，但是以往對黃土高原草原和家畜糞肥的溫室氣體排放的文獻報道相對較少[14]。為此，研究黃土高原草原和家畜排泄物的溫室氣體排放特征與影響因素，以期為區(qū)域碳平衡的調(diào)控提供理論和技術(shù)指導。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院野外試驗站，37.12° N，106.82° E，平均海拔1 650 m，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。年均溫7.1 ℃，≥0 ℃的年積溫3 097.2 ℃·d，無霜期123 d，年日照時數(shù)2 766.4 h，日照率>60%。年均降水量359.3 mm，60%以上的降水集中于6-9月，降水年際變幅45%～100%；年均蒸發(fā)量1 993.3 mm，年平均大風日約為38 d，屬典型大陸性季風氣候。該地區(qū)濕潤度k值約為1.16[15]，根據(jù)草原綜合順序分類法，當?shù)夭菰瓕傥匚⒏傻湫筒菰怺16]。

1.2取樣與測定

2014年8月，選擇天然草地、栽培草地[紫花苜蓿(Medicagosativa)地]、撂荒地、豬糞及羊糞為主要研究對象，樣方大小為1 m×1 m，每個研究對象3個重復。豬糞與羊糞廄肥呈圓臺狀堆積，平均體積0.1 m3，3次重復。

溫室氣體用靜態(tài)箱法測定[17-19]。連續(xù)測定3 d，測定時間分別為05:00、09:00、14:00和18:00，分別采集蓋箱后0、5、10、15 min時的氣體樣品。CH4和CO2的濃度利用LGR甲烷/二氧化碳激光分析儀測定，N2O通過LGR氧化亞氮分析儀測定，計算出氣體交換速率[17-19]。

草地和糞堆用土溫計測量5和10 cm土溫[20]，測定時間與氣體測定同步。

溫室氣體日排放量用積分法計算。以溫室氣體速率折線圖對時間進行積分，作為當日的溫室氣體排放總量。3種溫室氣體排放的二氧化碳當量按CO2∶CH4∶N2O=1∶25∶298計算[21]。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行各指標之間的顯著性差異檢驗、回歸分析及其斜率的差異顯著性檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1溫室氣體排放總量

甲烷吸收峰值和谷值，撂荒地分別出現(xiàn)在中午和上午，分別為0.18和0.09 mg·(m2·min)-1；栽培草地則分別出現(xiàn)在凌晨和中午，分別為0.16和0.09 mg·(m2·min)-1；天然草地吸收峰值在凌晨，為0.25 mg·(m2·min)-1，谷值在上午，為0.14 mg·(m2·min)-1。甲烷日吸收量，天然草地顯著高于栽培草地42.13%(P=0.014)。一天中，羊糞和豬糞只有上午吸收甲烷，二者的日排放動態(tài)類似，均在下午表現(xiàn)為排放高峰，分別為0.08和0.09 mg·(m2·min)-1；上午為吸收高峰，分別為0.16和0.07 mg·(m2·min)-1； 栽培草地和天然草地的土壤呼吸高峰均出現(xiàn)在下午，分別為0.41和0.29 mg·(m2·min)-1；二者的谷值分別出現(xiàn)在凌晨和上午，為0.08和0.003 mg·(m2·min)-1。撂荒地土壤呼吸峰值為0.41 mg·(m2·min)-1、谷值為0.26 mg·(m2·min)-1，分別在下午和上午。羊糞和豬糞CO2的排放日動態(tài)較為一致，均為先升高再降低，中午達到峰值，分別是11.13和4.47 mg·(m2·min)-1。

一天中，栽培草地和撂荒地N2O的排放速率和動態(tài)一致，均為下降趨勢，早晨排放速率最高值分別為0.01和0.007 mg·(m2·min)-1。栽培草地和天然草地午后表現(xiàn)出對N2O的吸收，且天然草地的N2O吸收速率高于栽培草地和撂荒地。兩種糞肥一天中持續(xù)排放N2O，從早到晚均表現(xiàn)為增加的趨勢。

撂荒地、栽培草地和天然草地均吸收CH4，而豬糞和羊糞排放CH4(表1)。5種系統(tǒng)土壤均是CO2的排放源，其中栽培草地的土壤呼吸與撂荒地的差異不顯著(P=0.540)，天然草地的土壤呼吸顯著小于撂荒地71.82%(P=0.008)(表1)；羊糞與豬糞的日呼吸量分別是撂荒地的15.59倍和6.45倍，是栽培草地的35.28倍和14.59倍，是天然草地的55.33倍和22.89倍。栽培草地和天然草地是N2O的弱匯，撂荒地是弱源，羊糞和豬糞是N2O的強排放源，兩者分別是撂荒地的360.03倍和197.84倍(表1)。

2.2土壤溫度與溫室氣體排放

豬糞和撂荒地土壤的3種溫室氣體通量均與7.5 cm土溫顯著線性相關(guān)(P<0.05)，栽培草地土壤的N2O和CO2也可用7.5 cm土溫進行預測，羊糞和天然草地只有N2O通量與7.5 cm土溫極顯著線性相關(guān)(P<0.01)(表2)。對于3種溫室的土壤通量，5種系統(tǒng)的土壤N2O通量與土溫的線性關(guān)系均顯著，土壤N2O通量對土溫的敏感性表現(xiàn)為羊糞>豬糞>天然草地>紫花苜蓿地>撂荒地；土壤CO2通量對土溫的敏感性依次為豬糞>撂荒地>紫花苜蓿地；只有豬糞和撂荒地的土壤CH4通量與土溫的線性關(guān)系顯著，且前者對土溫的敏感性高于后者。紫花苜蓿地和天然草地土壤N2O通量以及撂荒地的土壤CH4通量與7.5 cm土溫顯著負相關(guān)，其它則為正相關(guān)(表2)。

表1　各系統(tǒng)夏季溫室氣體日排放總量

注：同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。負值表示吸收，正值表示排放。

Note: Different lower case letters within the same column show significant difference at 0.05 level. Negative for absorption, positive for emissions.

表2　土壤溫室氣體排放(E)與7.5 cm土壤溫度(TS)的關(guān)系

2.33種溫室氣體排放的相關(guān)性

豬糞與羊糞3種溫室氣體排放之間相關(guān)性顯著，可以相互預測排放量，也可以根據(jù)任意兩種溫室氣體的排放量預測第3種溫室氣體的排放量(表3)?？傮w上，豬糞CH4和N2O隨CO2的變化幅度顯著高于羊糞(P=0.038)。

表3　3種溫室氣體排放的相關(guān)性

3　討論與結(jié)論

3.13類土地的溫室氣體排放

3種土地夏季均吸收CH4，其中天然草地碳匯功能最顯著，與內(nèi)蒙古典型草原溫室氣體吸收與排放情況的研究結(jié)論相吻合[22]。天然草地的CH4吸收峰值主要出現(xiàn)在凌晨，谷值在上午，與其它兩類土壤的日變化有差異，主要是因為土壤吸收CH4受水分含量、土壤孔隙度(主要影響輸送氧氣的能力)、溫度和植物生長狀態(tài)的影響[23-24]。

3種土地土壤均是CO2的排放源，其中天然草地的土壤呼吸作用最弱，擴大天然草地面積對于減少當?shù)剞r(nóng)業(yè)系統(tǒng)的溫室氣體排放有積極作用[25]。栽培草地既可以為草食家畜提供優(yōu)質(zhì)牧草，同時有利于保護天然草地，具有減排增匯的作用[26]。

3.2動物生產(chǎn)為系統(tǒng)中較大的溫室氣體排放源

家畜(尤其是反芻動物)及其排泄物對陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的貢獻，已經(jīng)成為草地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化的熱點問題之一[30-31]。糞肥排放的溫室氣體總量是草地的10～20倍(表1)，這首先與動物產(chǎn)品中擁有豐富的有機質(zhì)有關(guān)，另外，巨大數(shù)量糞肥的露天堆積造成其內(nèi)部微生物的大量繁殖，由此產(chǎn)生的呼吸作用產(chǎn)物使糞肥成為系統(tǒng)中最大的溫室氣體排放源。若不及時加以處理和利用，則會削弱草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。

3.3土壤溫度是影響溫室氣體排放的主要因素

土壤呼吸日變化或季節(jié)性變化的大部分變異常用溫度變化來解釋[32]。本研究中，生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體的排放與土壤溫度的變化有明顯的線性關(guān)系，這與Fang等[33]對土壤呼吸日變化量與溫度的關(guān)系研究結(jié)果相一致。隨土壤溫度的升高，溫室氣體排放速率明顯增大，這一規(guī)律在糞肥中較草地-作物地系統(tǒng)中更為明顯。推測溫度通過影響土壤微生物的活性間接影響溫室氣體排放速率。

3.4需要建立作物-家畜綜合生產(chǎn)系統(tǒng)

家畜排泄物是所有種類的溫室氣體的主要來源(CO2、CH4、N2O、NO)[34-35]。黃土高原農(nóng)戶對于糞肥隨意堆積的處理方式不僅會造成溫室氣體的大量排放，也導致糞肥中的有機質(zhì)被浪費。因此，家畜排泄物管理最好的方式是建立作物-家畜綜合生產(chǎn)系統(tǒng)，糞便盡可能快地進入沼氣池中，控制溫室氣體的釋放[36]，并加以利用，沼渣用于作物生產(chǎn)，既減少溫室氣體的排放，也促進農(nóng)戶系統(tǒng)的能量循環(huán)，資源循環(huán)利用，達到人-草-畜-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

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(責任編輯茍燕妮)

Greenhouse gases emissions of rangeland and livestock manure in the eastern Gansu Loess Plateau in summer

Yang Han-lei, Chen Xian-jiang, Hou Fu-jiang

(State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China)

The three major greenhouse gas flux of fallow cropland, Alfalfa grassland, rangeland, sheep manure and pig manure in Longdong loess plateau were determined using static box method in August. The results showed that the methane emission values in study area of abandoned cropland, alfalfa land, rangeland, sheep manure and pig manure was -290.212, -204.18, -180.14, 47.84 and 33.59 mg·(d·m2)-1, respectively; CO2emission values was 266.99, 418.72, 947.31, 6 110.63, 14 771.80 mg·(d·m2)-1, respectively; N2O emission values was -4.87, -2.56, 5.31, 1 050.55, 1 911.76 m·(d·m2)-1, respectively, and their total emissions were -8 395.69, -5 425.62, -2 012.6, 568 110.19 and 310 915.58 mg CO2·(d·m2)-1. These three studied grassland performed as carbon sink and rangeland had the best carbon sequestration effect. Manures performed as carbon source. These 3 greenhouse gas flux of pig manure and abandoned land soil had linear correlation with temperature in 7.5 cm soil. System greenhouse gas emissions of pig and sheep manure system had linear relation.

the Loess plateau; grassland types; greenhouse gases; carbon balance

Hou Fu-jiangE-mail:cyhoufj@lzu.edu.cn.

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0524

前植物生產(chǎn)層

2015-09-21接受日期：2016-01-04

國家自然科學基金(31172249);長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT13019);國家科技支撐計劃課題(2011BAD17B02-03)

楊晗蕾(1995-)，女，陜西咸陽人，在讀本科生，研究方向為草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理。E-mail：yanghl12@lzu.edu.cn

侯扶江(1971-)，男，河南扶溝人，博士，教授，研究方向為草畜互作。E-mail：cyhoufj@lzu.edu.cn

S812.29

A

1001-0629(2016)8-1454-06

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