内蒙古农牧交错带土地利用变化对CH4吸收的影响

焦 燕,侯建华,赵江红,杨文柱 (内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

内蒙古农牧交错带土地利用变化对CH4吸收的影响

焦 燕*,侯建华,赵江红,杨文柱 (内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

于2008～2010年,根据邻近样地采样原则,选择位于内蒙古农牧交错带的天然草地和不同开垦时间的农田作为研究样地(G-草地; C5-开垦5a的农田;C10-开垦10a的农田;和C50-开垦50a的农田),利用静态箱法通过3a的野外试验,研究土地利用类型变化对CH4吸收的影响.结果表明:天然草地转变为农田后,不同开垦年限的农田土壤和草地土壤CH4吸收存在显著差异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).草地转变为农田促进CH4吸收,2008, 2009 和2010年生长季的生长季

(4～10月),草地CH4吸收量最低分别为141.4,210.0,236.0mg/m2.2008～2010年农田土壤CH4累积吸收量与草地土壤相比增加20%～280%.农田开垦年限影响CH4吸收,随着农田开垦年限的增加从开垦5～50a,CH4累积吸收量降低.相关分析表明,不同土壤CH4吸收与土壤水分含量和NH4+-N 含量呈负相关关系(R2=0.7380, P<0.01).草地转变为农田后,土壤水分含量和NH4+-N 含量驱动不同开垦年限的农田土壤和草地土壤CH4吸收差异.

土地利用；CH4吸收；土壤特性；开垦年限

大气中温室气体浓度增加导致的全球变暖是当今国际社会普遍关注的重要环境问题,甲烷(CH4)作为其中重要的温室气体及化学活性气体,对温室效应的贡献仅次于CO2而居第2位,大量研究表明,自工业革命以来,CH4浓度持续增加.草地土壤是除大气光化学反应外重要的大气 CH4汇[1].但目前对于土壤作为大气 CH4汇的研究还远没有其作为CH4源的研究那么深入.

国内外研究表明,影响大气 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,土壤温度,土壤质地,pH值和 C/N等[2-5].土地利用方式的变化和管理强度影响 CH4吸收和大气 CH4浓度估算[6-8].一些研究表明,天然草地转变为农田,降低土壤对大气 CH4吸收[6,9-10].也有研究证实农田土壤和草地相比,显示出较高的 CH4吸收能力[11].内蒙古典型草原及其农耕地的研究中,李玉娥等[12]发现天然草地转变为农田后,降低了土壤对甲烷的吸收;王跃思等[13]发现农垦不会减少天然草原对 CH4的吸收;而王艳芬等[14]的野外实地观测则表明,天然草地开垦为农田后 CH4吸收能力有所增强.综上可知,在我国内蒙古典型草原,天然草地转变为农田后对土壤CH4吸收影响的研究还存在不一致的结论.但目前这方面的研究工作还较少,研究者更多对土壤温度[15]和水分[16]给予了关注,而土壤理化特性诸如:土壤微生物碳氮含量、NH4+含量、NO3

-含量对草地CH4吸收和N2O排放的影响相关研究较少.

我国北方草地及与其毗邻的农牧交错带占国土面积约 30%.农牧交错带土地资源类型分布错综复杂,农牧交错,土地利用的时空结构不稳定,其生态脆弱性已引起许多学者广泛关注.目前,在这一脆弱生态系统研究土地利用变化对 CH4吸收的影响研究尚不多见.因此,本研究选择内蒙古典型农牧交错区为研究样区,研究草地转变为农田后,土地利用方式变化对大气CH4吸收的影响和机制,为温室气体清单编制提供数据支撑和科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于内蒙古自治区锡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,是农牧结合、以农为主的经济类型区,是中国北方典型的农牧交错带.太仆寺旗地处中纬度,属中温带半干旱大陆性气候,年平均气温1.6℃,1月份最冷平均气温-17.6℃;7月份最热平均气温 17.8℃.冷热差异较大,年降雨量在300～500mm之间,平均降水量为400mm左右.草原植物一般4月底开始返青,10月初枯黄,生长期约 150天.地貌类型主要包括低山丘陵区、丘间沟谷盆地和河谷平原区.土壤为栗钙土,草原植被的建群种为羊草(Leymus chinesnis)和克氏针茅(Stipa krylovii)[17].

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

为降低土壤异质性,根据邻近样地采样原则,选择 4个邻近的不同开垦时间的农田和天然草地作为研究样地(G-草地; C5-开垦 5a的农田; C10-开垦10a的农田;和C50-开垦50a的农田),且 G, C5, C10和 C50样地之间的距离大约500m.4个样地土壤类型和坡度等均相同,4个研究样地占地约5hm2,每个样地设置3个重复,每个重复占地面积为100m×100m.

农田开垦时间、种植作物和肥料施用等见表1.农田作物每年六月种植,九月收割,每年种植作物前采用机械犁地.

1.2 气样的采集与测定

野外试验于2008年4月～2010年10月,在位于内蒙古太仆寺旗的农牧交错带进行.在每一样地的每个重复设置 3个固定采样点,利用静态暗箱法采集气体样品,箱子长宽(0.5m×0.5m).4月和10月每月采样1次,7～9月每10d进行一次气体样品采集,每次在上午8:00～11:00进行气体样品采样,每隔10min用连接三通的100m L注射器从采样箱的采样口抽气约 100m l,每一样地采样时间 40min,将采集的气样迅速带回实验室,用Agilent 6820气相色谱仪(Agilent 6820D, Agilent corporation)[18]进行测定分析.通过对每组 5个样品的CH4混合比和相对应的采样间隔时间(0,10, 20,35,40min)进行直线回归,可得到土壤的 CH4吸收速率.进而根据大气压力、气温、普适气体常数、采样箱的有效高度和CH4分子量等,得到单位面积CH4吸收通量[13].

1.3 土样的采集和制备

采集气体样品的同时采集土壤样品.研究样地的每个重复应用“S”形取样法,选取 10个采样点,每个采样点用内径为5cm、高为100cm的土钻采样.然后将土样混合,装密封袋迅速带回实验室,放入 4℃冰箱保存,供土壤有机碳、全氮、土壤NH4+-N,NO3--N含量和土壤微生物量碳氮等的测定.

1.4 土壤理化性质等的测定

利用温度测定仪和TDR水分测定仪分别测定土壤深度5cm和10cm的温度和水分.土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾容量法测定;土壤全氮(TN)采用浓硫酸消煮-半微量开氏法测定;土壤pH值采用电位计法测定,水土比为 2.5∶1;土壤铵态氮(NH4+-N)采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定;硝态氮(NO3--N)采用酚二磺酸比色法测定;土壤容重采用环刀法测定;以上方法见土壤农化分析方法[19].微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBC)用氯仿熏蒸的方法测定[20].草地和农田地上部分植物在收获后,105℃烘干称重,计算地上部分生物量.

1.5 数据分析

统计分析用SPSS 11.5 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA).利用(ANOVA)分析CH4吸收差异显著性,相关分析和逐步回归分析的方法被用于研究土壤特性对CH4吸收的影响.

2 结果

2.1 CH4吸收的季节性变化

图1 CH4吸收通量的季节性变化Fig.1 Seasonal CH4uptake pattern from grassland and cropland soil during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

图1所示,从2008年到2010年研究样地土壤的CH4吸收通量值为0.001～0.292mg/(m2⋅h), CH4通量是负值,表明研究样地是大气 CH4的汇,从2008～2010年作物生长季,G,C5,C10和C50土壤的CH4吸收通量季节性变化差异明显,整个生长季随作物的生长发育,C5土壤和C10土壤在6月和7月出现明显吸收峰,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土壤变化趋势平缓无明显的吸收峰出现,G土壤在2008,2009和2010年CH4吸收最大值是 0.058,0.118,0.113mg/(m2⋅h).整个生长季G土壤CH4吸收最低;C5土壤的CH4吸收最高.

2.2 土地利用类型和农田开垦年限对CH4吸收的影响

图2 2008,2009,2010年CH4累积吸收量Fig.2 Cumulative CH4uptake during grow ing season in 2008, 2009 and 2010

图2所示,G,C5,C10和C50的土壤CH4累积吸收量在 2008年生长季(F=273.7, P=0.000), 2009年生长季(F=264.8, P=0.000)和2010年生长季(F=362.4, P=0.000)均存在显著差异.CH4累积吸收量大小顺序为C5>C10>C50>G.天然草地转变为农田后促进了大气甲烷的吸收,草地土壤CH4累积吸收量最低.在 2008,2009,2010年的生长季(4～10月)草原土壤累积吸收量分别为141.4, 210.0,236.0mg/m2;C5土壤CH4累积吸收量最高分别为534,605,493mg/m2.C5, C10和C50土壤的CH4累积吸收量与草地相比,2008年增加280%, 130%和60%;2009年增加190%,60%和20%;2010年增加110%,76%和36%.天然草地转变为农田后,随着开垦年限的增加土壤CH4累积吸收量降低. 2.3 土壤特性对CH4吸收的影响

2.3.1 土壤含水量对 CH4吸收的影响 草地转变为农田后,增加或降低土壤对大气CH4吸收的能力同土壤含水量和土壤理化特性有关.本研究统计分析表明,生长季CH4吸收通量(3年数据)和土壤体积含水量(% v/v) (3年数据)存在明显负相关关系(P<0.01) (图3a～图3d).

2008年,2009年和2010年,C5,C10和C50土壤 10cm处土壤含水量分别为 6%～26%,3%～25%和 9%～34%,而草地土壤的含水量是 8%～39%,表明草地土壤有较高含水量.如表2所示,草地土壤和农田土壤相比其容重较低,从而导致其具有较高的含水量.

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

图3 CH4吸收和土壤含水量的关系Fig.3 Correlation between CH4uptake and soil moisture content

图4 CH4吸收与土壤NH4+-N含量关系Fig.4 Correlation between CH4uptake and soil NH4+-N content

2.3.2 土壤 NH4+-N含量对 CH4吸收的影响图4显示G,C5,C10和C50的土壤CH4累积吸收量与土壤NH4+-N含量(年均值)之间存在显著负相关关系(R2=0.7380, P<0.01).这就表明, NH4+-N含量高的土壤CH4吸收量较低.因此,草地和不同开垦年限土壤 NH4+-N含量的差异解释了不同土壤CH4吸收量的差异.

图5 CH4吸收与农田土壤MBC含量关系Fig.5 Correlation between CH4uptake and soil MBC content

2.3.3 土壤特性对 CH4吸收的综合影响 为研究土壤参数的综合作用对草地和不同开垦年限土壤 CH4吸收的影响,将草地和不同开垦年限农田土壤 CH4吸收的季节性累积吸收量(图2)与相应的土壤参数(表2,图3)及开垦时间进行了逐步线性回归分析.结果表明(表 3),CH4吸收受土壤 NH4+-N含量和土壤水分含量的综合影响.决定系数(R2)的数值说明本研究观测到的不同土壤间 CH4吸收的变异性有 91.1%可由NH4+-N含量和水分含量构成的线性方程得以解释.需要指出的是, CH4吸收的多少受若干土壤参数的综合影响,单因子相关分析中对其无明显影响的参数(如 SOC,MBC等)并不意味着该参数不重要.在很多情况下,某参数的重要性往往被其他参数所掩盖,而逐步回归分析则从统计上考虑了若干主要参数的综合影响.

表3 CH4吸收量与土壤特性的逐步回归分析Table 3 Results of stepw ise regression of CH4uptakew ith the soil properties

3 讨论

3.1 土地利用方式对CH4吸收的影响

本研究中草地转变为农田后促进大气甲烷的吸收,王艳芬等[14]在典型草原的研究结果也表明草地农垦后促进CH4的吸收.Boeckx等[11]在比利时的研究表明,草地和农田相比,显示出较低的CH4吸收能力.农田土壤由于犁地、施肥、作物的种植和收割等农业管理措施对土壤的干扰,使得土壤的结构和微生物活性发生变化,影响土壤碳的矿化等,增加土壤的好氧性和孔隙度,从而创造了有利于甲烷氧化的条件,促进土壤对甲烷的吸收.

草地转变为农田后对 CH4吸收的影响研究结果并不一致.一些田间试验研究也表明草地转变为农田后降低了大气 CH4的吸收[3,21-22].Liu等

[1]在内蒙古草地的研究也发现农垦降低了CH4汇的能力.研究表明,在相同的气候和农业管理方式下垦殖年限和土壤特性是导致研究结果不一致的主要原因.本研究中,草地转变为农田后,开垦年限对土壤CH4吸收有重要影响,随着农田垦殖年限的增加,农田土壤CH4的吸收量逐渐降低,开垦50a的土壤CH4吸收量已降到接近草地土壤(图 2).因此,推测草地转变为农田后降低和增加土壤甲烷的吸收和开垦年限有很大关系,开垦时间越长,农田土壤吸收 CH4越少.2008～2010年,CH4吸收通量和作物产量(P>0.05)无明显相关关系,证明作物产量不是决定草地和不同开垦年限农田土壤CH4吸收差异的关键因素.

3.2 土壤特性对CH4吸收的影响

3.2.1 土壤含水量和土壤温度 本研究统计分析表明,生长季CH4吸收通量和土壤体积含水量存在明显负相关关系,Wang等[23]和Liu等[1]在内蒙古草地的研究也证明了相似的结果.土壤水分含量对CH4氧化的影响主要是通过影响土壤中CH4和O2气体扩散与CH4氧化细菌活性实现的[24].高的土壤含水量降低CH4的吸收主要由于高的含水量增强土壤的厌氧性,不利于甲烷氧化菌生存[25];另外水分含量高的土壤,土壤空气减少,CH4扩散也受到限制.CH4需要从大气扩散到土层才能达到最大氧化速率,而扩散通量主要由土壤的透气性所控制.土壤含水量等因素决定了土壤透气性.许多的培养实验和田间试验均研究了土壤含水量对CH4吸收的影响[26],土壤含水量对CH4吸收的影响机理较复杂,甲烷氧化菌的数量和活性在较高的土壤水分下显著降低[27],土壤水分含量增加被认为是在土壤微生物上覆盖一层较厚的水膜,从而降低了微生物的活性.同时,水分含量增加阻碍了土壤中参与氧化消耗的CH4的扩散,因为CH4 在水膜中扩散的速率比在土壤空气中的扩散速率低的多[28].

土壤温度也是影响甲烷氧化的重要的环境因子.Castro等[29]的研究表明,当土壤温度在5～10℃时,显著影响CH4吸收;当温度在10～20℃时,对 CH4吸收没有影响.与此相同的是,本研究结果表明,田间土壤温度在 10～26℃时,土壤温度对草地和不同开垦年限的农田土壤 CH4吸收并无显著影响,当温度对CH4吸收无重要影响时,土壤含水量是关键的影响因子.Chen等[30]证明当温度不是内蒙古典型草原季节性 CH4吸收的关键控制因子时,它和土壤水分含量有明显相关关系.可能的原因是研究样地的缺水导致土壤水分含量掩盖了土壤温度对CH4吸收影响的重要性,这种情况下土壤温度对草地和不同开垦年限农田土壤CH4吸收的差异的影响并未表现出来. 3.2.2 NH4+-N,SOC,MBC含量 NH4+-N含量是影响甲烷氧化能力的关键因素,本研究发现CH4吸收被土壤NH4+-N抑制.Chan等[31]的培养实验研究发现,明显的负相关关系存在于土壤NH4+-N 含量和CH4吸收量之间.因此,草地和不同开垦年限土壤 NH4+-N含量的差异解释了不同土壤CH4吸收量的差异.本研究中草地转变为农田后随开垦年限的延长,NH4+-N含量增加,主要由于长期施肥对土壤氮素矿化的促进作用明显[32].CH4、氧气及结合态氮的浓度是环境中Ⅰ型和Ⅱ型甲烷氧化菌分布的决定性因素[33],因此NH4+-N含量被作为影响甲烷氧化能力的关键因素.土壤NH4+-N含量对CH4吸收的影响研究结果不一致,一些研究表明,氮的矿化对CH4吸收有抑制作用[21],而另外一些研究表明无机氮含量并不影响CH4吸收[34].长期施肥可以通过改变土壤全氮和有机质含量等土壤性质,改变甲烷氧化菌群落结构,进而影响土壤甲烷氧化速率[35],无机氮持续施用一定时期(至少7年)可引起土壤CH4汇的衰竭[36].Mosier等[37]报道,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%.本研究也证明从草地开垦为农田后5～年,随着开垦时间的延长,施肥时间增加,CH4的吸收量减少.对于 NH4+抑制 CH4,酶基质竞争是学术界主流观点.认为由于NH4+和CH4具有相似的分子结构,竞争甲烷氧化菌酶系统相同的位点或降低甲烷氧化酶活性,从而起到抑制CH4氧化的作用.本研究中不同土壤(G, C5, C10和C50土壤)的CH4吸收与土壤SOC含量(P>0.05),土壤砂砾含量(P>0.05),土壤MBC含量(P>0.05),土壤容重(P>0.05)无明显相关关系.可能由于草地转变为农田后,土壤水分含量(图 3)和 NH4+-N含量(图4)是导致草地土壤 CH4吸收比农田土壤低的主要原因.土壤水分含量和 NH4+-N含量对土壤CH4吸收的影响的重要性掩盖了有机碳含量和土壤容重等的影响.

值得思考的是,本研究中农田土壤 MBC含量(不包括草地土壤)和 CH4吸收存在明显的正相关关系(R2=0.8830, P<0.01) (图5,数据来源于表2,图2).意味着MBC并不是影响草地和农田两种土地利用方式下CH4吸收差异的重要因素,但针对农业管理措施相同的农田土壤,MBC成为了农田土壤 CH4吸收的主要的影响因素.MBC含量是土壤微生物群体的数量和活性的指标.本研究发现,草地土壤的MBC含量最高,草地转变为农田后,随着开垦年限的延长 MBC含量降低(表 2).MBC含量对农业管理措施和环境因素很敏感[38].与草地土壤相比,农田土壤犁地和化肥的使用会导致土壤微生物代谢和组成发生变化,一般,农田土壤的微生物群落数量低于草地等未受干扰的土壤.此外,MBC 含量代表了土壤有机质的活性部分,本研究中有机碳含量高的土壤,微生物碳含量也较高(表 2),随开垦年限的增加,土壤有机碳含量降低,从而土壤MBC含量降低. 土壤MBC含量对CH4吸收的影响主要和土壤的生物过程有关.一个可能的原因是低 MBC含量意味着土壤中甲烷氧化菌数量较少,这将消耗较少的CH4.土壤MBC含量对CH4吸收影响的研究还较少,其机理有待进一步研究.

4 结论

4.1 研究区域土地利用变化和农田开垦年限对CH4吸收产生显著影响.天然草地转变为农田后促进CH4吸收,并随开垦年限的延长CH4吸收降低.CH4吸收顺序为开垦5年的农田土壤>开垦10年的农田土壤>开垦50年的农田土壤>草地土壤.逐步回归分析表明,不同土壤间CH4吸收的变异性有91.1%可由NH4+-N含量和水分含量构成的线性方程得以解释.

4.2 草地转变为农田后,垦殖年限对 CH4吸收的影响及决定这种影响差异的关键土壤参数,为基于土壤特性的 CH4估算模型建立和应用提供依据.但土地利用变化后,各种自然和人为因素对CH4吸收通量的影响还不是很清楚, 还需要在更长的时间尺度上和更多的研究区域进行更为深入的研究.

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致谢：本实验的现场采样工作由中国农业科学研究院草原研究所内蒙古草原观测站的所有老师协助完成,在此表示感谢.

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,内蒙古巴彦诺尔市人,副教授,博士,主要研究方向温室气体与全球变化.发表论文40余篇.

2013-09-28

国家自然科学基金项目(41165010,41375144);2013内蒙古高等学校“青年科技英才”计划

* 责任作者, 副教授, jiaoyan@imnu.edu.cn