全 文 ：第20卷　第6期
　Vol.20　 No.6
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SINICA
　　　　　2012年 11月
　 Nov.　　2012
典型草原不同围封年限对CH4吸收的影响
雒晓艳,焦　燕∗
(内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特　010022)
摘要:选取内蒙古典型草原不同围封年限(0,8,11,14,21,25年)土壤为研究对象,采用室内培养的方法,调节含水
量至25%(W/W),并注入纯CH4(使瓶内初始CH4 浓度分别为2.24,340,7000μL·L-1)后密封,在(25±1)℃条
件下恒温培养,研究不同围封年限土壤对CH4 吸收能力的影响。结果表明:与自由放牧草地相比,重度退化草地
采取生长季围封恢复措施后,围封年限对CH4 吸收有显著影响(F=11.1134,P<0.01),草地围封8年时土壤吸收
CH4 的能力达到最大,而在14年时吸收能力最小。针对不同初始外源CH4 浓度而言,CH4 的累积吸收量随CH4
初始浓度的升高而升高,在低、中初始CH4 浓度下CH4 的累积吸收量与土壤有机碳含量成负相关(R=0.9292,
P<0.01;R=0.7502,P<0.05),表明土壤有机碳和外源CH4 浓度是影响土壤CH4 吸收的重要因子。
关键词:典型草原;围封年限;CH4 吸收
中图分类号:S151.9;S812　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1007-0435(2012)06-1051-08
EffectsofFencingDurationonCH4UptakeinTypicalSteppe
LUOXiao-yan,JIAOYan∗
(ColegeofChemistryandEnvironmentalSciences,InnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot,InnerMongolia010022,China)
Abstract:AtypicalsteppewasselectedintheInnerMongoliaastheresearchobject.Usingalaboratoryin-
cubationmethod,50gdriedsoilsamplewasputin300mLflask,adjustingcontentto25% (W/W)with
water.TheflasksweresealedafterinjectingpureCH4(CH4initialconcentrationinthebottlearerespec-
tively2.24,340and7000μL·L-1)andculturedat(25±1)℃.ThechangesofCH4uptakeindifferent
fencingyears(0,8,11,14,21and25years)werestudied.Resultsshowedthatappropriatefencingdura-
tionincreasedthecapacityofCH4uptakecomparedwithfreegrazedgrassland.Fencedyearssignificantly
influencetheCH4absorptionofsoil(F=11.1134,P<0.01).ThecapacityofCH4absorptionreachedthe
maximumafterfencedfor8yearsandreachedtheminimumafterfencedfor14years.CumulativeCH4up-
takeincreasedwithsoilorganiccarbondecreasingandinitialCH4concentrationincreasing.Cumulative
CH4uptakeandsoilorganiccarboncontentwasnegativelycorrelatedattheinitialCH4concentrationof
2.24and340μL·L-1(R=0.9292,P<0.01;R=0.7502,P<0.05).Itindicatedthatthemaininfluen-
cingfactorsofCH4uptakeweresoilorganiccarbonandCH4concentration.
Keywords:Typicalsteppe;Fencingduration;CH4uptake
　　温室气体排放导致全球气候变化是当前科研工
作者面对的焦点环境问题之一。甲烷(CH4)作为一
种重要的温室气体,在大气中的寿命约为12年,每
分子CH4 温室增温潜力是CO2 的21倍,对温室效
应的贡献仅次于CO2,占温室气体对全球变暖贡献
总份额的20%[1]。
土壤是CH4 重要的源和汇,透气、好氧土壤是
当前已知的唯一净生物学CH4 汇,在有氧环境下,
CH4 将被氧化成CO2 或被其他微生物吸收,好氧土
壤每年大约吸收30TgCH4,相当于大气CH4 汇总
量的6%,尽管这个数值相对很小,然而,如果缺少
这部分吸收,将导致大气中CH4 浓度以目前1.5倍
的速度增长[2],据估计,大气中70%的CH4 来源于
农业活动及土地利用方式的转变等过程[3]。好氧土
壤每年可以从大气中吸收20~60Tg的CH4,使土
壤等自然环境向大气释放的CH4减少约700Tg[4]。
收稿日期:2012-07-05;修回日期:2012-10-25
基金项目:国家自然科学基金项目(41165010);国家重点基础研究发展计划973项目(2007CB106806);中央级公益性科研院所基本科研
业务费专项基金项目;国家重点实验室开放课题(LAPC-KF-2008-3)资助
作者简介:雒晓艳(1987-),女,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向为环境生态学,E-mail:luoxiaoyan216@163.com;∗通信作者 Author
forcorrespondence,E-mail:jiaoyan@imnu.edu.cn
草　地　学　报 第20卷
近年来,各国科学家对透气性良好的土壤研究表明,
土壤中好气微生物消耗大气中的CH4 是陆地生态
系统中最大的CH4 汇[5],在中亚热带土壤[6]、农田
土壤[7]、森林土壤[8]、草地[9]和沙漠[10]中都观测到
了土壤吸收CH4。
目前,关于草地生态系统CH4 吸收的研究主要
集中在放牧和农垦等人类活动的影响,而围封对
CH4 吸收的影响研究较少。近年来,草地出现不同
程度退化,对退化草地保护最基本的方法是围封禁
牧,使其能够自然恢复[11]。由于其投资少、见效快,
已成为当前退化草地恢复与重建的重要措施之一,
并为世界各国所广泛采用[12]。吕世海等[13]的研究
表明,沙化草地围封后,随着围封年限的增加,群落
结构逐渐趋于合理,物种丰富度、多样性和群落均匀
性不断增大。文海燕等[14]的研究表明,围封7年和
11年的草地,土壤各性状有较大的改善,耕层土壤
<0.1mm细颗粒组分较放牧草地分别提高26.5%
和80.3%,有机碳分别增加73.8%和98.0%;草地
围封可以明显改善草地土壤物理性状,提高了土壤
含水量、土壤总空隙度、显著降低了土壤容重[15];草
地土壤有机质、全氮均显著高于放牧地[16];围封不
仅可以有效地恢复植被,而且也能改善土壤养分,减
少土壤侵蚀。然而,围封作为一种草地管理手段,如
果利用不当也会对草地产生一些负面影响[17]。
综上所述,国内外学者对围封草地恢复措施的
研究较多,但主要集中在围封草地土壤理化性状改
变方面,然而,围封改变土壤理化性状的同时必然会
影响土壤甲烷的吸收。已有研究表明:土壤水分、有
机碳、温度等[1]影响甲烷吸收。因此,本研究选取内
蒙古典型草原生长季不同围封年限的天然草地为研
究对象,选取自由放牧草地作为对照,通过培养试验
研究了不同初始外源CH4 浓度下,围封年限对CH4
吸收的影响,揭示围封年限对CH4 吸收的影响,为
温室气体排放清单的准确估算、草地资源的合理利
用及有效管理提供数据支撑和科学依据。
1　研究区域与方法
1.1　研究地概况
研究区域位于内蒙古锡林郭勒盟南部太仆寺旗典
型草原,地处N41°35′~42°10′,E114°51′~115°49′之
间,气候类型为中温带半干旱大陆性气候,冬季寒冷
干燥,夏季温暖湿润。年平均气温1.6℃,无霜期
138d,年平均降水407mm,主要集中在6-8月,雨
热同期明显,年平均日照2937.4h。土壤为淡栗钙
土。草原类型为干旱及半干旱典型草原,以羊草
(Leymuschinensis)、克氏针茅(Stipakrylovii)为
优势种,伴生种有糙隐子草(Cleistogenessquarro-
sa)、菭 草 (Koeleriacristata)、冷 蒿 (Artemisia
frigida)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、根茎冰
草(Agropyronmichnoi)、寸草苔(Carexduriuscu-
la)、扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)、麻花头(Ser-
ratulacentauroides)、茵陈蒿(Artemisiacapillar-
ies)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、阿尔泰狗娃
花(Heteropappusaltaicus)、矮韭(Alliumanisopo-
dium)、猪毛菜(Salsolacollina)、歧花鸢尾(Irisdi-
chotoma)等[18]。
1.2　土样的采集
研究样区确定时,为了避免地形等因素的影响,
研究样区位置选在平坦地形,依照邻近原则进行设
置。同一围封年限下的样地设置3块样地作为3个
重复,依据S形采样,设10个采样点。应用土钻法
采样,取样深度为0~20cm,土样风干,过2mm
筛,备用。
1.3　CH4 的培养试验
选择3个CH4 浓度样品进行培养,具体步骤如
下:称取过2mm孔筛的风干土50g,放入300mL
培养瓶中,加入一定量的水分,预培养4~7d,然后
用去离子水调节土壤水分含量为25%(W/W),加
塞密封,然后向培养瓶中分别注入一定体积(0,0.1,
2mL)的纯 CH4,使瓶内初始 CH4 浓度分别为
(2.24±0.27)μL·L-1、(340±37)μL·L-1和
(7000±407)μL·L-1。然后放入培养箱内,在(25
±1)℃条件下恒温培养,所有处理均设3次重复,根
据瓶内CH4浓度变化情况每隔一定时间用连接三通
的20mL注射器抽气约16mL,抽气完毕后放回培养
箱内,重新培养至下一次测定。样品采用改装过的
Agilent6820气相色谱仪分析CH4的浓度[19]。
1.4　样品的测定方法
土壤容重测定采用环刀法,土壤组分有机碳含
量测定采用重铬酸钾氧化-外加热法,土壤全氮含量
测定采用半微量凯氏法[20]。不同围封年限土壤理
化性质的测定结果如表2所示。
2501
第6期 雒晓艳等:典型草原不同围封年限对CH4吸收的影响
表1　样地概况
Table1　Descriptionofexperimentalsites
样地
Samplesites
围封年限
Encloseyears
地理位置
Location
海拔
Altitude/m
优势种　　
Vegetationtype　　
管理方式
Managementmethod
自由放牧
(F0)
0
E115°07′54″
N41°45′56″
1388
星毛萎陵菜Potentillaacaulis
冷蒿Artemisiafrigida
糙隐子草Cleistogenessquarrosa
连续多年放牧利用,现已
达重度退化
02年围封
(F8)
7~8
E115°11′50″
N41°41′53″
1413
羊草Leymuschinensis
米氏冰草Agropyronmichnoi
冷蒿Artemisiafrigida
糙隐子草Cleistogenessquarrosa
矮韭Alliumanisopodium
生长季围封恢复草地,围
封前放牧利用至重度退化
阶段,围封后4-9月禁
牧,9月中下旬打草1次,
10月初至次年3月底轻度
放牧利用
99年围封
(F11)
10~11
E115°12′00″
N41°45′46″
1402
羊草Leymuschinensis
克氏针茅Stipakrylovii
冷蒿Artemisiafrigida
96年围封
(F14)
13~14
E115°13′31″
N41°49′51″
1423
羊草Leymuschinensis
克氏针茅Stipakrylovii
89年围封
(F21)
20~21
E115°10′40″
N41°43′29″
1381
羊草Leymuschinensis
冷蒿Artemisiafrigida
克氏针茅Stipakrylovii
糙隐子草Cleistogenessquarrosa
85年围封
(F25)
24~25
E115°08′12″
N41°45′58″
1390
羊草Leymuschinensis
麻花头Serratulacentauroides
糙隐子草Cleistogenessquarrosa
　　注:F表示草地;F的下标数字表示围封年限;下同
Note:F:grassland;Subscriptnumberisthenumberofenclosureyears,thesameasbelow
表2　供试土壤理化性质
Table2　Propertiesoftestedsoil
样地代码
Code
有机碳/%
Soilorganiccarbon
全氮/g·kg-1
TotalN
容重/g·cm-3
Bulkdensity
F0 1.68 0.11 2.09
F8 1.88 0.12 1.61
F11 2.05 0.14 1.46
F14 3.34 0.20 1.21
F21 2.20 0.15 1.61
F25 2.26 0.09 1.68
1.5　数据分析
采用Excel2003进行数据处理并绘图,通过
SPSS13.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)。
2　结果与分析
2.1　不同围封年限下土壤CH4 氧化动态
　　图1~图3所示为土壤培养期间随着培养时间的
延续不同围封年限土壤在低浓度(2.24μL·L-1)、
中浓度(340μL·L-1)和高浓度(7000μL·L-1)CH4
下各自的CH4 浓度变化动态。3种不同起始CH4
浓度条件下,不同围封年限CH4 的浓度变化动态趋
势一致,CH4 浓度随着培养时间的延长逐渐下降,
但不同围封年限的土壤CH4 吸收速率不同,14年
的CH4 浓度随培养时间的延长而衰减的动态最为
平缓。同一初始CH4 浓度下不同围封年限的CH4
吸收速率差异显著(P<0.01),围封年限为8年的
土壤CH4 吸收速率最高,在低、中、高外源CH4 浓
度下分别为 -0.000095,-0.01561,-0.21506
mg·kg-1·h-1,其次是围封21年的土壤,土壤
CH4 吸收速率分别为 -0.000071,-0.01491,
-0.19576mg·kg-1·h-1,围封年限为14年的土
壤吸收速率最低,土壤 CH4 吸收速率分别为
-0.000018,-0.01183,-011522mg·kg-1·h-1
(表3)。不同初始CH4 浓度下,各围封年限土壤较
高初始CH4 浓度的CH4 吸收速率常数极显著的高
于较低初始CH4 浓度的CH4 吸收速率常数(P<
0.01),表明草地土壤中微生物对CH4 的氧化能力,
在高初始CH4 浓度下更能被激发进而表现出来。
3501
草　地　学　报 第20卷
图1　初始CH4 浓度为2.24μL·L-1时CH4 浓度随培养时间的变化曲线
Fig.1　TimecourseofCH4concentrationattheduringincubationattheinitialCH4concentrationof2.24μL·L-1
图2　初始CH4 浓度为340μL·L-1时CH4 浓度随培养时间的变化曲线
Fig.2　TimecourseofCH4concentrationattheduringincubationattheinitialCH4concentrationof340μL·L-1
图3　初始CH4 浓度为7000μL·L-1时CH4 浓度随培养时间的变化曲线
Fig.3　TimecourseofCH4concentrationattheduringincubationattheinitialCH4concentrationof7000μL·L-1
表3　不同围封年限土壤CH4 的吸收速率
Table3　CH4uptakeratesofsoilindifferentfencingyears
浓度/μL·L-1
Concentrations
平均吸收率Averageuptakerate/mg·kg-1·h-1
F0 F8 F11 F14 F21 F25
2.24±0.27 -0.000069b -0.000095a -0.000069ab -0.000018d -0.000071ab -0.000064b
340.00±37 -0.01295ab -0.01561a -0.01267b -0.01183c -0.01491ab -0.01418ab
7000.00±407 -0.14596c -0.21506a -0.17512ab -0.11522c -0.19576a -0.13103bc
　　注:同行不同小写字母表示围封年限间差异显著(P<0.01),下同
Note:Differentsmallettersinsamerowindicatesignificantdifferencebetweendifferentencloseyearsatthe0.01level,thesameasbelow
4501
第6期 雒晓艳等:典型草原不同围封年限对CH4吸收的影响
2.2　不同围封年限下土壤CH4 累积吸收量的变化
　　自由放牧草地采用生长季围封措施后,3个外
源CH4 浓度下不同围封年限土壤CH4 的累积吸收
量间均存在显著差异(F=11.1134,P<0.01)(图4
~图6)。随着围封年限的增加,土壤对CH4 的积
累吸收量呈“M”式的变化趋势,即从0~14年先增
加后降低,在14年时降到最低,从14~25年又呈现
出先增加后降低的趋势,所以土壤对CH4 的最大积
累吸收量出现在围封8年时,且这种趋势在低CH4
浓度时表现的更加明显。天然草地围封后,适当的
围封年限能增加土壤对CH4 的吸收能力,在低、中
初始CH4 浓度时,不合理的围封年限则会降低土壤
对CH4 的吸收能力。与自由放牧地相比,在低初始
CH4 浓度时F8,F11和F21土壤的CH4 累积吸收量
增加1.34%,0.28%和0.15%,F14和 F25土壤的
CH4 累积吸收量减少4.53%和0.13%,中初始
CH4 浓度时F8,F11,F21和F25土壤的CH4 累积吸收
量增加9.85%,5.07%,5.27%和1.85%,F14土壤
的CH4 累积吸收量减少11.46%,高初始CH4 浓度
时则分别增加18.53%,11.98%,0.92%,16.70%
和2.12%。同一围封年限不同初始CH4 浓度下,
随着CH4 浓度的增加,土壤对CH4 的积累吸收量
显著增加,表明外源CH4 浓度是影响土壤CH4 吸
收的重要影响因素。
2.3　不同围封年限下土壤有机碳含量与CH4 吸收
的关系
　　在温度水分相同的条件下,天然草地围封后不
同围封年限,低、中水平初始CH4 浓度条件下,土壤
CH4 的累积吸收量与土壤有机碳含量均成负相关
关系(图7,图8),通过线性回归分析可以发现,低初
始CH4 浓度下土壤有机碳含量与CH4 积累吸收量
极显著相关 (R=0.9292,P<0.01),中初始
CH4浓度下土壤有机碳含量与CH4积累吸收量显著
图4　初始CH4 浓度为2.24μL·L-1时土壤CH4 积累吸收量
Fig.4　CumulativeCH4uptakeofsoilattheinitialCH4concentrationof2.24μL·L-1
图5　初始CH4 浓度为340μL·L-1时土壤CH4 积累吸收量
Fig.5　CumulativeCH4uptakeofsoilattheinitialCH4concentrationof340μL·L-1
5501
草　地　学　报 第20卷
图6　初始CH4 浓度为7000μL·L-1时土壤CH4 积累吸收量
Fig.6　CumulativeCH4uptakeofsoilattheinitialCH4concentrationof7000μL·L-1
图7　初始CH4 浓度为2.24μL·L-1时CH4 积累吸收量与土壤有机碳的相关性
Fig.7　CorrelationbetweencumulativeCH4uptakeandsoilorganiccarbonattheinitialCH4concentrationof2.24μL·L-1
注(Note):∗∗:P<0.01;∗:P<0.05,下同(thesameasbelow)
图8　初始CH4 浓度为340μL·L-1时CH4 积累吸收量与土壤有机碳的相关性
Fig.8　CorrelationbetweencumulativeCH4uptakeandsoilorganiccarbonattheinitialCH4concentrationof340μL·L-1
相关(R=0.7502,P<0.05),表明土壤有机碳含量
是土壤吸收CH4 的重要因素。而高初始CH4 浓度
下土壤有机碳含量与土壤CH4 的累积吸收量相关
性不显著(R=0.3409,P>0.05)。本研究表明随
CH4 初始浓度的变化,相关性降低,可能由于CH4
初始浓度的变化导致CH4 氧化菌对环境要素的敏
感度改变。
3　讨论
不同初始CH4 浓度下草地围封年限对CH4 吸
收有显著影响(F=11.1134,P<0.01)。草地围封
6501
第6期 雒晓艳等:典型草原不同围封年限对CH4吸收的影响
图9　初始CH4 浓度为7000μL·L-1时CH4 积累吸收量与土壤有机碳的相关性
Fig.9　CorrelationbetweencumulativeCH4uptakeandsoilorganiccarbonattheinitialCH4concentrationof7000μL·L-1
至8年时土壤吸收CH4 的能力达到最大,而在14
年时吸收能力最小。与自由放牧草地相比,重度退
化草地采取生长季围封恢复措施后,适当的围封年
限能增加土壤吸收CH4 的能力。一般认为土壤对
CH4的氧化吸收受土壤物理特性和环境等因素影
响[21],本研究表明在低、中初始CH4 浓度条件下,
土壤有机碳含量显著影响CH4 吸收。围封8年、11
年、14年、21年、25年后,土壤有机碳含量分别比天
然草地增加了11.96%,21.59%,98.57%,30.84%
和34.20%,由此可知,随围封年限的增加,土壤中
有机碳含量在围封14年时达到最大。周存宇
等[22]、LeMer等[23]和徐星凯等[24]的相关研究表
明,土壤理化性质、CH4 氧化微生物等是影响土壤
吸收CH4 的主要因子。由于样地和环境条件的不
同,土壤有机碳含量对土壤CH4 吸收的影响研究结
果各异。赵江红等[25]对天然草地转变为农田后的
土壤研究表明CH4 的累积吸收量与土壤有机碳存
在显著正相关关系,而耿远波等[26]对草原土壤温室
气体通量与土壤C含量的相关性研究表明,CH4 通
量与土壤表层有机碳没有显著相关性。Singh等[27]
的研究表明土壤吸收大气CH4 与土壤C之间为负
相关关系,与本研究结果一致。
本研究不同围封年限的土壤,有机碳和全氮含
量在围封14年达到最大值,之后随着围封年限的延
长,有机碳和全氮含量有下降的趋势[28]。其可能原
因为,过度放牧条件下,地表植被减少,使土壤有机
碳的来源减少,草地围封后生物得到了恢复,土壤的
固碳能力随之增加,14年达到较好的恢复效果,14
年以后因连年刈割容易造成草地生物量下降,草地
退化,引起土壤有机碳含量减少[29]。围封是通过排
除家畜的践踏、采食及排便等干扰,从而使其群落向
着一定方向演替[30]。文海燕等[14]对退化沙质草地
的研究表明,围封降低了人为干扰,植被恢复减少风
蚀,随着大量枯落物的归还及植被对风蚀物和降尘
的截获效应,土壤容重降低,土壤结构改善,土壤养
分含量明显增加,酶活性也显著增强。有研究表明,
随着围封时间的延长,土壤pH 值和速效钾含量逐
渐降低,土壤有机质、全氮、速效磷、全磷和全钾含量
逐渐增大[31]。
本研究表明,土壤有机碳与CH4 积累吸收量成
负相关,并随着初始CH4 浓度的升高,相关性逐渐
减小。原因可能是当外源CH4 浓度较高时,土壤中
微生物生命活动需要的碳源可能主要来自于外源
CH4,使得土壤有机碳对微生物活动的影响不明显。
土壤CH4 氧化是CH4 氧化菌以CH4 为唯一的碳
源和能源进行的复杂生物学过程,目前,关于土壤
CH4 氧化菌的研究主要包括菌种的类型和生态分
布[32-33],但对微生物参与CH4 氧化作用的生理生态
特性研究较少[34-35],有待于进一步研究。
在高中低3个初始CH4 浓度下,各围封年限土
壤的吸收速率常数和积累吸收量均随着CH4 浓度
的增加而显著增加,这与郑聚峰等[4]的研究一致。
Megraw等[36]首次报道土壤氧化CH4 的初速率与
CH4 浓度呈典型的米氏动力学曲线关系,增加CH4
浓度使土壤氧化CH4 速率增加的倍数与CH4 浓度
增加的倍数相同。Chan等[37]的研究发现,空气
CH4 浓度升高时,土壤CH4 吸收也随之增加。颜
晓元等[38]通过对内源CH4 氧化的研究认为,无论
是土壤本身产生或是外源加入,当CH4 浓度比较高
时土壤氧化CH4 的速率较大。
4　结论
4.1　不同初始CH4 浓度下,重度退化草地采取围
7501
草　地　学　报 第20卷
封措施后,适当的围封年限能增加土壤对CH4 的吸
收能力。围封年限对CH4 吸收有显著影响,随着围
封年限的增加,土壤对CH4 的积累吸收量呈“M”式
的变化趋势,草地围封至8年时土壤吸收CH4 的能
力达到最大,而在14年时吸收能力最小。
4.2　外源CH4 浓度是影响土壤CH4 吸收的重要
因子,不同围封年限下CH4 的累积吸收量随初始
CH4 浓度的升高而增加。在低、中初始CH4 浓度
下,土壤有机碳含量高的土壤其CH4 积累吸收量
低;随初始CH4 浓度的升高,CH4 的积累吸收量与
土壤有机碳相关性降低。
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(责任编辑　李美娟)
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