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刈割对呼伦贝尔草甸草原生态系统呼吸和甲烷排放的影响

- ORCID：
朱文
✉
- ORCID：
Tsegaye Gemechu Legesse
- ORCID：
董校兵
- ORCID：
邵长亮
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北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

最近更新：2023-10-20

DOI：10.12105/j.issn.1672-0423.20230204

摘要

【目的】

草原刈割利用是我国最常用的草原利用方式，刈割强烈影响草原生态系统呼吸（Re）和甲烷（CH₄）的排放，但对草甸草原的影响大小及机制尚未定论。

【方法】

文章利用静态箱-气相色谱连用，分析了刈割对呼伦贝尔羊草草甸草原Re和CH₄排放的影响。

【结果】

（1）与对照相比，刈割处理组2021年和2022年的Re（P<0.01）和CH₄（P<0.05）通量显著降低，平均分别降低45.0%和1.2%；2021年刈割和对照处理的Re分别为（10.66±0.24）mg/（m²·h）和（6.05±0.16）mg/（m²·h）；2022年刈割和对照处理的Re分别为（11.52±0.38）mg/（m²·h）和（6.29±0.27）mg/（m²·h）；2021年刈割和对照处理的CH₄排放量为（0.43±0.01）mg/（m²·h）和（0.40±0.01）mg/（m²·h）；2022年刈割和对照处理的CH₄排放量为（0.43±0.01）mg/（m²·h）和（0.41±0.01）mg/（m²·h）。（2）刈割处理的土壤温度（P<0.05）和土壤湿度（P<0.01）显著增加。（3）函数拟合分析表明地上生物量与Re正相关，土壤湿度与CH₄通量正相关。

【结论】

呼伦贝尔羊草草甸草原中，刈割处理会显著降低生态系统呼吸和CH₄通量，这对于了解和掌握刈割处理下羊草草甸草原温室气体排放特征及其影响机制，准确评估草原生态系统温室气体排放具有重要意义，为草原生态系统碳管理和可持续利用提供了重要依据。

关键词

刈割; 温性草原; 温室气体排放

0 引言

全球气候变化已经成为生态学家重点关注的国际性问题，并且公认其可能造成全球性的生态危机。目前，以全球变暖为主要表征的全球气候变化问题越来越成为国际学者关注的焦点，同时也成为21世纪人类正在面临的最严峻挑战之一，已经威胁到了人类的生存与发展。而大气中二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）浓度的增加被认为是造成全球气候变化的重要原因，研究表明，CO₂和CH₄和引起的温室效应占全球总温室效应的近80%^［

1］。草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，是全球分布最广的生态系统类型之一。我国草地面积约为2.65亿hm²，约占世界草地面积的5.04%^{［参考文献 2

百度学术}2］，在维持我国乃至全球的碳平衡方面起着至关重要的作用。在全球气候变化下，草地不仅是陆地生态系统碳循环的核心要素之一^{［参考文献 3

百度学术}3］，也是碳交换机制的核心^{［参考文献 4

百度学术}4］，在全球碳循环和气候变化响应中发挥着重要作用。

刈割作为草原最主要的管理利用方式，已被证明对草原植被—土壤以及温室气体排放具有重要的影响^［

5］。温室气体浓度的不断升高是全球气温升高的关键性因素，据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告显示，在过去的一个世纪中，地球表层大气系统中的二氧化碳气体浓度在不断升高^{［参考文献 6

百度学术}6］。在生态系统中绿色植物通过光合作用合成有机物质，植物枯死后凋落于土壤表面，形成凋落物层，其中有机碳可以被土壤中的微生物和动物所利用，产生CO₂排放到大气中。CO₂来源主要是土壤的呼吸作用，刈割移除部分绿色植物，使得凋落物和立枯物减少^{［参考文献 7-10}7-10］，一方面，刈割去除植物凋落物可减少凋落物和养分重吸收，降低了植物对土壤养分的归还，长期可能不利于土壤肥力和植物生长，进而降低生态系统呼吸^{［参考文献 11

百度学术}11］；另一方面，刈割去除凋落物后，可能有助于第二年生长季初期的温度升高，有利于植物萌发和生长，促进微生物活动，从而提高生态系统气体呼吸。同时，刈割导致的土壤湿度的变化可能影响好氧和厌氧的环境^{［参考文献 12

百度学术}12］，改变CH₄的排放动态和排放量。

目前，针对刈割影响生态系统呼吸的研究较多^［

12-13］，但分析CH₄排放特征和影响因子研究较少，基于此，为了有效评估刈割对草地生态系统的影响，文章以内蒙古呼伦贝尔草甸草原生态系统为研究对象，开展了为期2年的刈割与对照的田间试验，探讨刈割对呼伦贝尔草甸草原生态系统呼吸和CH₄排放的影响。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验地概况

该研究在中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站（北纬49°23'13″、东经120°02'47″）开展。研究地区属于中温带半干旱大陆性气候，海拔627~635 m，年均气温2.4 ℃，年积温1 580~1 800 ℃，无霜期110 d；年平均降水量390 mm，多集中在7—9月份。实验样地为此前未被利用过且一年一割的天然草原，植被类型为羊草草甸草原，主要建群种为羊草（Leymus chinensis），优势种有贝加尔针茅（Stipa baicalensis）、糙隐子草（Cleidlogenes squarrosa）等，伴生种有山野豌豆（Vicia amoena）、草地早熟禾（Poa atensis），土壤类型为暗栗钙土。

1.2 实验设计

该文实验中设置了对照（Control）和刈割（Mowed）两个处理，每个处理4个重复，设置小区5 m×6 m，并在任意小区设置2 m的缓冲带，实验设计如图1所示。

图1 实验设计

Fig.1 Experimental design diagram

1.3 研究方法

刈割采用轻型割草机（Yard-man 160CC，USA），每年8月末进行刈割处理，刈割留茬高度为生产上常用的5~8 cm，具体高度以当年生长情况而定。首次刈割处理时间为2018年5月30日，第二次刈割时间为2018年8月30日。

刈割的第三年（2021）和第四年（2022）分别开展CO₂与CH₄气体的采样及检测。采用不透明静态箱-气相色谱法测定CO₂和CH₄浓度，采样时间约每周一次。静态箱的箱体为不锈钢板做成的50 cm×50 cm×50 cm立方体，外部包裹保温材料与反光胶布，内部设置一个风扇。在盖箱后的0 min、10 min、20 min和30 min分别用100 mL注射器从箱中抽取气体，统一用气相色谱仪（Agilent Technologies 7890A）分析。抽气时使用土壤湿度仪（Diviner 2000 Sentek Pty Ltd，Balmain，Australia）、探针式温度计（CJTP-101）记录相应数据。温室气体通量的计算公式为：

F = ρ \times h \times \frac{Δ c}{Δ t} \times \frac{273}{(273 + t)}

（1）

式（1）中，F代表气体通量，单位是mg/（m²·h），F为正值表示气体排放、负值表示吸收；ρ为标准状况下的气体密度；h代表采样箱的高度，单位为m；t代表采集气体时的箱内空气温度，单位为℃；Δc/Δt指气体浓度在单位时间内的变化率。

地上生物量（aboveground biomass，AGB）采用收获法进行测定，在每年生长旺季时（一般为8月末）进行。在每个处理小区相同位点设置 0.25 m×0.25 m的样方框，按顺时针方向对样方框内地上所有植被组织分物种分别取样。将绿色植被和立枯植被区分开来，称鲜重，之后在65 ℃烘箱中烘干48 h以上至恒重并称重。取地上生物量的同时收集每个样方框中的凋落物。

1.4 数据处理

采用单因素方差分析刈割处理与对照在温室气体通量方面差异（P<0.05代表差异显著，P<0.01代表差异极显著），采用函数拟合分析确定温室气体通量与土壤温度（Soil temperature）、土壤湿度（Soil moisture）和地上生物量（AGB）之间的关系。所有统计分析均运用SPSS软件（SPSS 26.0 for windows），采用Origin 8.0（OriginLabLtd.）进行数据处理与作图。该文中数据为平均值±标准误差。

2 结果分析

2.1 刈割对草甸草原生态系统呼吸（Re）和CH₄排放的影响

总体来看，在实验期内刈割处理显著降低了草甸草原的Re（P<0.01）和CH₄通量（P<0.05），且Re和CH₄通量的排放峰值均出现在每年生长季的7月。实验期间对照的Re和CH₄通量在整个生长季内呈现出先上升后下降的趋势，而刈割处理的Re呈现出持续下降的趋势（图2a、2b）。2021年，对照和刈割的Re平均排放量为（10.67±0.24）mg/（m²·h）和（6.05±0.16）mg/（m²·h）（图2c）；CH₄平均通量为（0.44±0.01）mg/（m²·h）和（0.40±0.01）mg/（m²·h）（图2d），刈割分别降低44.0%的Re和1.2%的CH₄的通量；2022年对照和刈割的Re平均排放量分别为（11.52±0.38）mg/（m²·h）和（6.29±0.27）mg/（m²·h）（图2c）；CH₄平均通量分别为（0.43±0.07）mg/（m²·h）和（0.40±0.01）mg/（m²·h）（图2d）。2022年刈割分别降低了50.0%的Re和1.2%的CH₄的通量，刈割对Re排放量的影响持续增强（图3a），而对CH₄通量的影响不变（图3b）。

图2 2021—2022年生态系统呼吸和CH₄通量变化

Fig.2 Changes of ecosystem respiration and CH₄flux from 2021 to 2022

图3 2021—2022年刈割和对照生态系统呼吸和CH₄通量月变化

Fig.3 Monthly changes in respiration and CH₄ fluxes in mutilation and control ecosystems from 2021 to 2022

2.2 刈割对土壤温度和土壤湿度的影响

实验结果表明，刈割显著增加土壤温度（P<0.05）和土壤湿度（P<0.01），土壤湿度的峰值出现在每年生长季的7月（图4a、4b、4c和4d）。与土壤温度相比，刈割对土壤湿度的影响更为明显，实验期间刈割处理使得土壤湿度增加了8.45%，而土壤温度仅增加0.03%。总的来说，无论对照还是刈割处理，实验样地2021年的土壤温度高于2022年，而土壤湿度的年际差别不明显。

图4 2021—2022刈割和对照土壤温度和土壤湿度变化

Fig.4 Changes of soil temperature and soil moisture from 2021 to 2022

2.3 刈割对地上生物量的影响

地上生物量是反映草地生产状况和生产潜力的重要指标。实验结果表明，2021年和2022年刈割处理均显著降低了AGB（P<0.05）。其中，2021年对照和刈割处理的AGB分别为（757.70±14.02）g/m²和（564.44±9.73）g/m²（图5），刈割降低了25.5%的AGB；2022年对照和刈割的AGB分别为（744.50±4.80）g/m²和（598.00±4.70）g/m²（图5），刈割降低了19.7%的AGB。

图5 2021—2022年刈割和对照地上生物量（AGB）

Fig.5 Aboveground biomass（AGB）from 2021 to 2022

2.4 土壤湿度、地上生物量与Re的相关关系

实验结果表明，土壤湿度与Re回归分析得出为负效应（P<0.05）（图6a），地上生物量与Re回归分析为正效应（P<0.01）（图6b），而剔除掉AGB对Re的影响后，将Re与土壤湿度做偏相关分析并没得出相关性（图6c），由此可得出，AGB为调控Re的影响因子。

图6 2021—2022年生态系统呼吸（Re）与土壤湿度和地上生物量回归分析

Fig.6 Regression analysis of Ecosystem respiration with soil moisture and aboveground biomass from 2021 to 2022

2.5 土壤湿度、地上生物量与CH₄通量的相关关系

实验期间，CH₄通量与土壤湿度的回归分析结果不显著（图7a）。CH₄通量与AGB回归分析结果显示AGB对CH₄通量为正效应（图7b），而剔除AGB对CH₄通量的影响后，将CH₄通量与土壤湿度做偏相关分析得出土壤湿度与CH₄通量为正效应（P<0.05）（图7c）。因此，土壤湿度是驱动CH₄排放的关键环境因子。

图7 2021—2022年CH₄通量和土壤湿度和地上生物量回归分析

Fig.7 Regression analysis of CH₄flux with soil moisture and aboveground biomass from 2021 to 2022

3 结论与讨论

（1）以呼伦贝尔羊草草甸草原为研究区域，利用静态箱-气相色谱连用法，分析了刈割对草原生态系统Re和CH4排放的影响。结果表明，刈割显著降低了呼伦贝尔草甸草原的Re和CH₄排放。总体来看，刈割对Re的影响最大，与对照相比平均降低了45.0%，这与典型草原研究结果一致^［

14］。相对而言，刈割对CH₄的影响较小，与对照相比平均降低了1.2%。实验期间，刈割下的草地表现为CO₂和CH₄的源，这与大多数研究结果并不一致^{［参考文献 15

百度学术}15］，有可能是由于刈割后，草地温湿度的改变，使得土壤环境中含氧量得到改变，而不同氧气含量的土壤环境中所主导的微生物及其氧气利用策略并不相同，可能影响草地CH₄的源和汇。

（2）与土壤湿度相比，AGB很好地解释了Re的变化，表明该草地生态系统AGB是引起Re变化的主要原因。与AGB不同的是，土壤湿度并不是引起Re变化的原因，其原因可能是因为Re的变化不仅仅与地上生物量有关，同时也受到地下生物量和土壤微生物呼吸等多种因子的影响^［

16-17］。对于Re来说，刈割作为草原中最常见的土地利用和管理方式之一^{［参考文献 18

百度学术}18］，去除植物地上部分茎叶，严重损伤了植物光合作用的器官，导致植被光合作用能力下降，地上净初级生产力减少^{［参考文献 18

百度学术}18］；另一方面，刈割后显著降低地下根系有机质的输入，减少了土壤微生物呼吸的底物，进而导致生态系统中Re的排放量降低，从而对生态系统碳收支及生态系统功能产生影响^{［参考文献 20

百度学术}20］。

（3）CH₄通量峰值出现在生长季的7月，这与大多数研究结果一致，且与土壤湿度峰值出现的时间大致吻合，证明了土壤湿度是调节CH₄通量变化的主要因子，这与此前认为土壤温度是驱动CH₄排放的主要因子的结论并不一致^［

20］。在该文中，土壤湿度通过改变土壤的好养与厌氧环境来影响CH₄排放，与CH₄排放相关的微生物有产甲烷菌和甲烷氧化菌，产甲烷菌广泛存在于厌氧环境中^{［参考文献 21

百度学术}21］。在低水分含量的土壤环境中，随着水分相应提高，可以解除干旱对土壤中甲烷氧化菌的生理学限制，从而提高甲烷氧化菌的活性，降低CH₄通量。

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