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大量观测表明自然生态系统正在遭受区域变化,尤其是全球增温效应的影响。面积达10Mha的呼伦贝尔草原作为世界三大草原-欧亚草原的重要组成部分,正面临着人类活动干扰加剧以及气候变化的双重威胁,当地重要的畜牧业管理措施-放牧与刈割可能加速或削弱呼伦贝尔草原生态系统对气候变化的响应和反馈。本文的研究目的主要有以下两个方面:一方面了解不同天然草甸草原温室气体通量(生态系统呼吸、CH4和N2O交换通量)在不同时间尺度上的变化规律及其主要影响因子,另一方面评价放牧与刈割行为对该地区草原生态系统温室气体交换通量的影响。
本研究选取三种具有代表性的呼伦贝尔草甸草原类型(羊草草甸草原、贝加尔针茅草甸草原、羊草+中生性杂类草草甸草原),分别在羊草草甸草原和贝加尔针茅草甸草原设置放牧与封育对照处理样地,而在羊草+中生性杂类草草甸草原设置刈割与封育对照样地。自2011年8月开始对各样地生态系统呼吸、CH4、N2O气体交换通量以及土壤水分和温度进行一年半的连续观测,在长期观测的同时选取草原植被生长季节的主要物候期(开花期、结实期)进行生态系统呼吸CO2、CH4和N2O交换通量的日变化观测;并对中国不同草地类型的日变化观测进行了对比研究;分别在2011年与2012年的生长季对表层土壤的理化性质和观测样地地上生物量等相关环境因子进行了采集分析。研究结果表明:
(1)在日变化尺度上,呼伦贝尔草甸草原生态系统呼吸CO2排放的日变化规律明显,而CH4通量的日变化则没有明显的规律,就日均通量而言,该地区表现为CH4的吸收汇。放牧未改变CH4的日变化形式,不同物候期放牧行为对草地土壤CH4的吸收通量表现为不同的促进和抑制效果;刈割减弱了草地土壤对CH4的吸收,其减弱幅度达11.55%-60.62%。对于日均累积碳排放量,受制于各环境因子,地上、地下生物量以及土壤微生物等多种因素的交互影响,放牧和刈割行为对日均累计碳排放量的影响在不同物候期以及不同植被类型的草甸草原均存在差异。
(2)我国草地N2O通量的日变化规律明显,日变化形式呈多峰型,均表现为N2O排放源,日均通量的对比顺序是:贝加尔针茅草甸草原>羊草草甸草原>羊草典型草原>高寒草甸(42.82±15.96>29.17±13.03>4.91±2.12>0.89±0.67μg·m-2·h-1);10:00~14:00和夜间0:00左右所观测的N2O通量均可代表当日平均通量;夜间N2O的排放对整个日通量有重要贡献,其排放量占到全天排放总量的46%以上,草地夜间N2O的排放通量应该受到重视。统计分析显示:人类活动(放牧、刈割)对草地N2O通量没有显著性的影响。
(3)呼伦贝尔天然草甸草原生态系统呼吸、CH4吸收通量、N2O排放通量均具有夏季高、冬季弱、不同物候期变化各不相同的季节变化特征,其年平均通量分别为51.95±4.56mg·C·m-2h-1、28.40±7.27ug·N·m-2·h-1和-30.48±9.57ug·C·m-2h-1。但观测发现在呼伦贝尔天然草甸草原冬季存在较高的N2O吸收或排放现象。总体上呼伦贝尔天然草甸草原表现为N2O的排放源,CH4的吸收汇。统计分析显示:生态系统呼吸受土壤温度和水分的共同调控,而CH4通量的季节变化则主要与温度有关,由于影响N2O通量的因子较为复杂,仅在个别样地发现其与土壤温度、水分有关,而在其他多数样地的N2O通量的相关性分析均未发现有显著性。
(4)放牧与刈割并没有改变呼伦贝尔草甸草原生态系统呼吸、CH4、N2O通量的季节变化形式,但对其强度有显著的影响。在不同植被类型的草甸草原上放牧对温室气体年均通量的影响效果并不一致,而刈割行为则明显的减少了CO2和N2O的排放,促进了CH4的吸收能力。