全 文 ：内蒙古天然与放牧草原温室气体排放研究 3
王跃思1 3 3 　薛　敏1 　黄　耀1 　刘广仁1 　王明星1 　纪宝明2
(1 中国科学院大气物理研究所 ,LAPC ,北京 100029 ;2 中国科学院植物研究所 ,北京 100093)
【摘要】　采用静态箱2气相色谱法测定内蒙古典型草原温室气体排放. 结果表明 ,四类天然草原吸收 CH4 、
排放 N2O 和 CO2 各自有其相对固定的季节变化形式 ,四类草原和大气交换温室气体通量的变化形式基本
一致 ,受年度气候季节变化所控制 ,而土壤、植被类型、降雨量等天然因素和放牧强度等人为因素仅影响排
放强度. 与天然羊草草原相比 ,自由放牧降低了羊草草原对 CH4 的吸收和 N2O 排放 ,增加了 CO2 的排放.
关键词 　草原 　自由放牧 　吸收和排放 　
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 03 - 0372 - 05 　中图分类号 　S812 　文献标识码 　A
Greenhouse gases emission or uptake in Inner Mongolia natural and free2grazing grasslands. WAN G Yuesi1 ,
XU E Min1 , HUAN G Yao1 , L IU Guangren1 , WAN G Mingxing1 , GI Baoming2 (1 Institute of A t mospheric
Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083 , China ;2 Institute of Botany , Chinese Academy of Sci2
ences , Beijing 100093 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (3) :372～376.
GC2MS was used to measure the greenhouse emission of Inner Mongolia Grassland. The results showed that four
kinds of typical semi2arid grasslands in Inner Mongolia had their own special seasonal patterns as the source of at2
mospheric N2O and CO2 emission and the sink of atmopsheric CH4 ,which were controlled by seasonal weather
variation. Different soil and vegetation types and precipitation influenced the intensity of emission and upatake of
the gases. Compared with natural grassland ,free grazing decreased CH4 uptake and N2O emission ,but increased
CO2 emission.
Key words 　Grassland , Free grazing , Uptake and emission.
3 中国科学院知识创新工程重大资助项目 ( KZCX12SW201) .3 3 通讯联系人.
2000 - 10 - 12 收稿 ,2002 - 07 - 26 接受.
1 　引 　　言
最近几十年来 ,CO2 、CH4 和 N2O 作为大气中最
主要的 3 种温室气体 ,在大气中的浓度增长极其迅
速.目前 ,CO2 每年大约增加 0. 5 % ; CH4 和 N2O 则
分别以每年 1. 1 %和 0. 25 % 的速率增长. 大气中温
室气体浓度增加是导致全球变暖的主要原因之一 ,
并将在很大程度上影响区域乃至全球未来气候变化
趋势. 一般认为 ,非生物源温室气体产量增加和全球
汇的减少是大气温室气体持续增长的重要原
因[7 ,20 ] . 许多研究表明 ,氮肥的施用可引起农田生
态系统 N2O 排放大量增加[21 ,22 ] ;施用有机肥可增
加稻田排放 CH4 的产量[5 ,6 ,15 ] . Mosier 等[12 ] 1991
年分别对天然、施氮肥和耕种小麦的矮草草原土壤
从春季到秋季进行了 N2O 和 CH4 的田间监测 ,发现
施用氮肥和草地农耕降低了草地对 CH4 的吸收 ,加
速了 N2O 的产生. Steudlder[13 ]则发现施用氮肥可使
热带和温带森林土壤对大气 CH4 吸收减少.
我国天然草原草地面积为 3. 9 ×108hm2 ,占国
土面积 41. 4 %. 内蒙古草原是全球典型的中纬度半
干旱温带草地生态类型 ,在温带草原中具有代表性.
陈冠雄等[3 ,4 ]对我国内蒙古草原部分地区温室气体
N2O 和 CH4 排放做了初步观测实验 , 吕达仁等也
对内蒙古草原 N2O 排放进行了观测研究[10 ,14 ,16 ] .
但由于我国在温室气体研究方面起步较晚 ,且长期
定位实验观测研究有限 ,对内蒙古半干旱草原区域
排放温室气体的研究还显不足.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
实验区位于锡林河流域中国科学院植物研究所内蒙古
草原生态系统定位站 (以下简称“定位站”) 附近区域 (43°26′
～44°39′N ,115°32′～117°12′E) ,草地原始面貌保存较好 ,其
气候、植被、动物和土壤等在中国温带草原及整个欧亚大陆
草原区域均具明显代表性. 地形以低山丘陵为特征. 实验区
内最主要土壤类型为黑钙土和暗栗钙土 [2 ] . 实验区域属温带
大陆性季风气候. 四季分明 ,冬季严寒漫长 ,无霜期短 ,年平
均气温约为 1 ℃,气温年较差和日较差较大 ,日照充分. 降水
集中于 6～8 月 (占年降水 60 %～75 %) 并且年际变率极大
(平均比值 3. 8) . 年降水量由东南 (平均 350 mm) 向西北 (平
均 250 mm)递减 ,而温度 (及潜在蒸发量)则沿此方向递增.
应 用 生 态 学 报 　2003 年 3 月 　第 14 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2003 ,14 (3)∶372～376
表 1 　观测点草地类型的主要生境特征和土壤理化特性
Table 1 Environmental characters of experiment region in grasslands and soil physical2chemical characters
采样
地点
Site
海 　拔
Altitude
(m)
土壤类型
Soil type
钙积层中
CaCO3 CaCO3
in calcic
horizon ( %)
年降水
Annual
precipitation
(mm)
年气温
Annual
tempeature
( ℃)
有机质
Organic
matter
( %)
全 N
Total N
( %)
全 P
Total P
( %)
p H 吸湿水
Absorption
moisture
( %)
地上活体生物量
Over ground
biomass
(gDW·m - 2)
A ～1130 典型栗钙土 Chestnut soil 15 320 　 - < 3 0. 13 0. 070 7. 8 2. 0 -
B 1100～1300 暗栗钙土 Dark chestnut soil 13 350～450 - 0. 3～1 < 3 0. 260 - 6. 30 3. 8 -
C ～1300 暗栗钙土 Dark chestnut soil 0 350 - 0. 3～1 3. 36 0. 206 0. 080 6. 6 2. 1 163. 2
D 1300～1500 黑钙土 Chernozem 5. 4 450 - 1～4 4. 10 0. 2182 - 6. 37 3. 4 156. 9
E ～1300 暗栗钙土 Dark chestnut soil 0 350 - 0. 3～1 3. 00 0. 182 0. 080 7. 9 2. 3 -
A)大针茅草原 S tipa grandis grassland ;B)冷蒿2小禾草草原 A rtemisia f rigida2short bunchgrass steppe ;C)羊草草原 L eym us chinense grassland ;D) 草甸草原 Meadow
steppe ; E)放牧羊草草原 L eym us chinense grazing grassland. 下同 The same below.
本实验区选择草地类型包括 :羊草 ( Leym us chinense)草原、大
针茅 ( S tipa grandis) 草原、冷蒿 ( A rtemisia f rigida)2小禾草
草原、草甸草原 4 种 ,其中本文所述羊草草原和大针茅草原
为 10 余年围栏不放牧的保护性样本草地. 各观测点草地类
型和 0～20 cm 土壤理化特性及生境特征见表 1.
212 　研究方法
　　采用静态箱气相色谱法. 采样箱由有机玻璃板 (暗箱用
PVC 材料或用锡箔遮盖明箱)和不锈钢板制成 ,有大 (长 ×宽
×高 = 90 cm ×90 cm ×35 cm) 、中一 (65 cm ×65 cm ×70
cm) 、中二 (40 cm ×40 cm ×35 cm) 和小 (20 cm ×20 cm ×25
cm)型 4 种型号方形采样箱和一种圆形 (直径 20 cm , 高 25
cm ,PVC 材料)采样箱 ,用于不同类型草原 CO2 、N2O 和 CH4
的排放 (吸收)观测. 明箱和暗箱对比采样 ,用于研究温度和
太阳辐射对排放的影响. 通过对气相色谱进样、分析和检测
系统气路的改进 ,可在同一台仪器上完成所有 3 种温室气体
的分析和检测. 实验观测方法见文献 [17～19 ] .
　　1998 年春季开始 ,对羊草草原、大针茅草原、冷蒿2小禾
草草原和草甸草原进行了每周 1～2 次连续两年的实验观
测. 为获得较大的数据量 ,在相同区域设置 6 个采样点用 3
只采样箱分两组轮流采样 , 对观测结果取平均值 ,既可以减
少对采样点的扰动 ,也可降低了排放/ 吸收的空间变异给实
验结果带来的误差. 同时在 4 种草原进行每月一次 (非生长
季)或两次 (生长季) 连续 24 h (2 h1 次) 的日变化观测 ,用于
对周观测数据的校准. 本文研究采用的数据是基于 1998 年 4
月～2000 年 4 月两年相同 (或相近) 时间观测结果的小时、
日、旬、月平均值.
3 　结果与讨论
311 　天然草原对大气中主要温室气体吸收与排放
31111 吸收 CH4 　大气 CH4 主要源于天然湿地、稻
田、化石燃料开采和反刍动物肠胃发酵等 ,而汇则主
要是大气光化学氧化和土表微生物氧化. 由图 1 和
表 2 可以看出 ,内蒙古半干旱草原对大气 CH4 的主
要作用是吸收. 4 种类型天然草原吸收 CH4 的季节
变化形式相同 ,但吸收强度有所差别. 每年分别在 6
月、9 月和 11 月出现 3 个吸收峰值. 羊草和大针茅草
原最强吸收峰出现在 6 月份 ,而冷蒿2小禾草草原和
草甸草原 (线叶菊2贝加尔针茅) 最强吸收峰则出现
在 9 月份. 4 种类型草原 CH4 平均吸收峰值 (虚线)
随季节推移依次降低 , 6 月、9 月和 11 月分别为
66. 6、62. 3 和 56. 5μg·m - 2·h - 1 . 年平均吸收强度顺
序为大针茅 > 羊草 > 冷蒿2小禾草 > 草甸草原. 和
1995 年同期生长旺季观测值相比[3 ] ,羊草草原和大
针茅草原对 CH4 的吸收除有明显的季节变化外 ,同
时存在着较大的年际差异 ,而且不同类型草原对
CH4 吸收的年际差异各不相同. 但这种差异一般仅
体现在对吸收值大小的影响 ,而对吸收值的季节变
化形式影响不显著[5 ,12 ] .
图 1 　4 种类型草原排放温室气体季节变化
Fig. 1 Seasonal variation of greenhouse gases emission in four kinds of
grasslands.
A)羊草草原 Ley m us chinense grassland ;B) 大针茅草原 S tipa grandis
grassland; C) 冷蒿2小禾草草原 A rtemisia f rigida2short bunchgrass
steppe ;D)草甸草原 Meadow steppe ; E)平均 Average.
3733 期 　　　　　　　　　　　　　王跃思等 :内蒙古天然与放牧草原温室气体排放研究 　　　　　　　　
表 2 　4 种草原温室气体排放均值和变幅
Table 2 Average and variation of greenhouse gas emission in four kinds of grasslands
草原类型
Grassland
type
吸收 CH4
CH4 uptake (μg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
排放 N2O
N2O emission (μg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
排放 CO2
CO2 emission (mg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
C 165 1. 1 34. 5 29. 04 14. 4 0. 38 2. 8 2. 82 256 0. 9 37. 5 21. 96
B 173 0. 75 36. 3 28. 09 10. 4 - 0. 87 1. 5 1. 61 80 - 11 1. 2 4. 05
A 87 - 1. 4 33. 1 29. 00 24. 2 - 4. 4 1. 0 3. 57 372 1. 9 73. 8 68. 92
D 57 5. 7 27. 4 17. 56 5. 2 - 2. 9 0. 9 1. 26 20 - 51 - 4. 2 7. 25
31112 N2O 排放 　大气中 N2O 的源主要是海洋、热
带森林土壤、耕作土壤、草原、化石燃料燃烧和某些
工业生产过程 ,而汇则主要是平流层大气光化学氧
化和干燥土壤的吸收. 目前对 N2O 的源、汇和收支
平衡的认识还远不及对 CO2 和 CH4 的认识 ,温带草
原对大气 N2O 所起的作用目前仍不十分清楚. 由图
1 和表 2 可以看出 ,内蒙古半干旱草原与大气交换
N2O 有吸收和排放两种形式 ,但排放远远大于吸
收 ,净结果为向大气排放 N2O. 4 种类型天然草原排
放 N2O 的季节变化形式基本相同 ,但排放通量强度
有所差别. 每年分别在 3 月和 7 月出现两次吸收峰 ,
最强吸收峰一般出现在 7 月份. 冬季草原积雪在 3
月份春融引起的 N2O 爆发式排放有可能使其月平
均通量值跃居至全年最高 ,但不同的草原土壤类型、
植被和地下生物量 ,对土壤水分变化引起 N2O 排放
量增加的反应各不相同[1 ,8 ] . 4 类天然草原年平均排
放 N2O 强度顺序为 :羊草 > 大针茅 > 冷蒿2小禾草
> 草甸草原.
31113 CO2 吸收与排放 　大气 CO2 增加对全球温
室效应增强的贡献约占 70 %. 它的源主要是化石燃
料燃烧和土地利用与变化 ;而汇则主要是海洋和中
纬度森林的吸收[7 ] . 研究发现 ,不同类型的草原和
大气中 CO2 交换的结果不同 ,有的表现为吸收 ,有
的表现为排放. 过度放牧可使草原大大增加 CO2 的
排放量. 由图 1 和表 2 可以看出 ,羊草草原和冷蒿2
小禾草草原始终为大气 CO2 的源 ,而大针茅和草甸
草原则有时排放 CO2 ,有时又吸收 CO2 . 4 种类型天
然草原总平衡为大气 CO2 源 ,向大气中排放 CO2 强
度顺序为冷蒿2小禾草 > 羊草 > 大针茅 ,草甸草原为
大气 CO2 汇.
312 　放牧对羊草草原温室气体吸收/ 排放的影响
31211 对 CH4 的影响 　由图 2 和表 3 可以看出 ,自
由放牧降低了羊草草原对 CH4 的吸收 ,但没有改变
作为大气 CH4 汇的功能和吸收 CH4 的季节变化形
式.导致这种变化的原因可能是牲畜践踏导致土壤
的某些物理性质发生了变化 ,特别是表层土壤密度
加大 ,孔隙度减小 ,持水能力下降 ,容易形成可产生
CH4 的厌氧微区[8 ,11 ] . 放牧草原一年之中对 CH4 的
吸收峰值比天然草原提前或推迟的原因 ,正是土壤
持水能力的变化影响了土壤湿度变化过程 ,从而影
响了土壤对 CH4 吸收的变化过程. 草原土壤水分增
加除春季春融外 ,主要由降雨引起 ,当降雨使土壤湿
度达到吸收 CH4 最佳湿度时 ,就会出现吸收 CH4 峰
值.一般认为 ,含水量在 15 %～20 %之间为土壤吸
收 CH4 最佳湿度 ,此时土壤中的 CH4 氧化菌活性最
强 ,而土壤含水量在 28 %～35 %之间会减弱 CH4 的
氧化[11 ] . 显然 ,降雨首先使持水能力低的干燥放牧
草原土壤达到吸收 CH4 的最佳湿度范围. 这有可能
是放牧草原对大气 CH4 吸收峰值比天然草原提前
的原因 ;第 4 组峰值比放牧草原天然草原推迟的原
因 ,是由于湿度过大土壤 (实测超过了 20 %) 向低湿
度变化时 ,孔隙度较大的天然草原首先达到土壤吸
收 CH4 最佳湿度 ,因而吸收峰值出现在先. 观测还
发现土壤对 CH4 的吸收峰值并不一定是出现在土
壤湿度恒定时期 ,而往往出现在土壤湿度交替变化
期. 土壤湿度不断的交替变化 ,有利于草原土壤对大
气 CH4 的吸收.
3 1212 对N2 O的影响 　自由放牧降低了羊草草原
表 3 　天然羊草草原和放牧羊草草原温室气体排放率对比
Table 3 Comparison of greenhouse gas emission bet ween no grazing and grazing Leymus chinense grassland
草原类型
Grassland
type
吸收 CH4
CH4 uptake (μg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
排放 N2O
N2O emission (μg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
排放 CO2
CO2 emission (mg·m - 2·h - 1)
最大值
Maximum
最小值
Minimum
平均
Average
变幅
Variation
天然草原 165 1. 1 45. 1 34. 46 18. 3 0. 01 4. 1 3. 73 256 0. 9 41. 8 37. 27
No grazing grassland
放牧草原 138 0. 83 35. 1 24. 69 22. 6 0. 6 2. 8 2. 40 372 1. 91 372 82. 54
Grazing grassland
473 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 2 　禁牧羊草草原 ( Ⅰ)和放牧羊草草原 ( Ⅱ)排放温室气体对比
Fig. 2 Comparison of greenhouse gases emission between no grazing ( Ⅰ)
and grazing Ley m us chinense grassland( Ⅱ) .
排放 N2O ,但未改变作为大气 N2O 排放源的功能 ,也
基本没有改变排放 N2O 的季节变化形式 (图 2 ,表
3) . N2O 排放与土壤湿度变化关系密切. 农田 N2O
排放研究发现 ,在 > 5 ℃的土壤温度条件下 ,N2O 排
放通量随土壤湿度的增大而增高 ,当土壤含水量达
到 100 %时 ,N2O 排放通量值达到最高 ;然后 ,则随着
土壤含水量的继续加大 , N2O 排放量开始逐渐降
低[21 ,22 ] .观测表明 ,无论是天然草原还是放牧草原 ,
N2O 排放最高峰值总出现在降雨最多的 6～7 月或
春融的 3 月. 放牧行为不但影响了土壤的物理性质 ,
也明显影响了草原植物的地上和地下生物量 ,对地2
气间温室气体交换的一个直接影响是降低了 N2O 排
放[9 ,22 ] .
31213 对 CO2 的影响 　由图 2 和表 3 可以看出 ,自由
放牧增加了羊草草原向大气排放 CO2 的量 ,并且年
度排放范围有所增大. 土壤微生物、动物和植物 (包
括根) 呼吸排放 CO2 ,土壤温度升高有利于这种呼
吸 ,可促进 CO2 排放. 植物光合作用吸收 CO2 ,光照
时数增加和地上生物量增加均有利于吸收 CO2 . 图 2
中 ,放牧草原 CO2 排放 (虚线) 峰值出现在 7～8 月
(180～240 d) ,这一时期阳光照射时间长且充分 ,日
净辐射强度在 400～600 Wm2 ;也是草原年均温度和
湿度最高时期 ,高湿、高温使土壤中的微生物和地下
生物量呼吸加强 ,CO2 排放量增加 ;由于牲畜啃食 ,
自由放牧草原地上生物量远不及禁牧的天然草原 ,
致使植物使光合作用吸收 CO2 量大幅度降低 ,净结
果为 7～8 月自由放牧羊草草原排放 CO2 出现一年
之中的最强峰值. 由于天然羊草草原围栏禁牧 ,地上
生物量明显高于自由放牧草原 ,在同一时间段内 ,土
壤和植物呼吸排放 CO2 速率略大于植物光合作用吸
收 CO2 速率 ,净结果为在较低的排放速率下 ,CO2 排
放交换量并没有太大波动. 在土壤温度较低时 ,自由
放牧草原地表土壤容重较大 ,孔隙度小 ,持水和空气
能力低 ,不利于土壤和地下生物量的呼吸和地气间
微量气体交换 ,表现为从 12 月到翌年 5 月份 ,放牧
草原 CO2 排放低于天然草原.
4 　结 　　论
411 　内蒙古半干旱草原主要表现为大气 N2O 的源
和 CH4 的汇. 4 种类型天然草原吸收 CH4 排放 N2O
和季节变化形式基本相同 ,但交换通量强度有所差
别.自由放牧减少了羊草草原 CH4 的吸收和 N2O 的
排放 ,但不改变其作为大气排放汇、源的功能 ,也基
本不改变排放 CH4 、N2O 的季节变化形式.
412 　不同类型的草原 ,有的表现为大气 CO2 的源 ,
有的则表现为 CO2 的汇. 草甸草原表现为大气 CO2
弱汇. 放牧羊草草原比天然羊草草原 CO2 增加了排
放量 ,主要原因是地表生物量减少影响了植物光合
作用吸收 CO2 .
413 　草原排放或吸收温室气体有较大的年际波动 ,
而且不同类型草原吸收 CH4 和排放 N2O、CO2 的差
异各不相同 ,但年际差异一般也是改变排放或吸收
值的大小 ,而对季节变化形式无显著影响.
致谢 　得到中国科学院内蒙古草原生态系统定位站杨宗贵
和陈纪锁的帮助 ,陈佐忠、王庚辰、吕达人和韩兴国指导及张
文、骆冬梅、李香真、汪诗平和牛海山等的帮助 ,一并致谢.
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17 (1) :83～92
作者简介 　王跃思 ,男 ,1961 年 1 月出生 ,博士 ,研究员 ,主要
从事大气化学研究 ,发表论文 50 余篇. Tel :010282080530 , E2
mail :wys @dq. cern. ac. cn
673 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷