全 文 ：第 18 卷 第 2 期
Vol. 18 No. 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 3 月
Mar . 2010
不同天然草地开垦年限下土壤特性对 CH4 吸收的影响
赵江红1, 焦 燕1* , 徐 柱2 , 那日苏2
( 1.内蒙古师范大学化学与环境科学学院 , 呼和浩特 010022; 2.中国农业科学院草原研究所, 呼和浩特 010022)
摘要: 通过培养实验, 称取过 2 mm 筛的风干土样 50 g 于 300 mL 的培养瓶中, 调节含水量至 25% (W /W )后密封,
在( 25 ? 1) e 条件下恒温培养一周, 探讨内蒙古锡盟太仆寺旗典型草原天然草地转变为农田后, 在相同的水分温度
条件下,不同开垦年限( 5、10、50 年)农田的土壤特性对 CH 4 吸收的影响。结果表明: 天然草地转变为农田后降低
了土壤吸收 CH4 的能力, 开垦年限对 CH4 吸收有显著影响( F= 20. 998, P < 0. 001) , CH4 的吸收量随开垦年限的
增加而逐渐降低, 4 个样地土壤 CH 4 的吸收量按大小顺序为:天然草地> 开垦 5年的农田> 开垦 10 年的农田> 开
垦 50 年的农田, 以天然草地为对照,开垦 5 年、10 年、50年后农田土壤 CH4 的吸收量分别降低了 17. 1% 、44. 1%、
50. 1% ; CH4 的累积吸收量随土壤有机碳、全氮含量和微生物生物量碳、氮的降低而降低,单因子相关分析表明, 土
壤有机碳含量、全氮含量、土壤微生物量碳、氮是影响土壤 CH 4 吸收的主要因子。
关键词:天然草地; 开垦年限; 土壤性质; CH4 吸收
中图分类号: S151. 9 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 02-0148-06
Effects of Soil Properties on CH4 absorption Under Different
Cultivation Years of Grassland Reclamation
ZHAO Jiang-hong
1
, JIAO Yan
1*
, XU Zhu
2
, NA R-i su
2
( 1. C ol lege of C hemist ry and Environmental S cien ces , Inner Mongolia Normal University, Huhhot , Inner Mongolia
Autonomous Region 010022, C hina; 2. Inst itute of Grassland Sciences, Chinese Academy of
Agricultural Sciences, Huhhot , Inn er Mongolia Au tonom ou s Region 010022, China)
Abstract: T he ef fects of reclamat ion years( 5, 10, 50 years) on CH 4 absorption o f the cr opland converted
from natural grassland w ere studied using a laboratory incubat ion method in T aipusi County of the Inner
Mongolia Autonomous Reg ion. The CH 4 uptake w as reduced signif icant ly after grassland w as changed into
cropland. Reclamat ion years inf luence significant ly so il CH 4 abso rpt ion( F= 20. 998, P< 0. 001) , the lon-
ger the reclamat ion years, the less the absorption. Soil CH 4 uptake w as the highest in grassland and the
low est in 50 years cropland. With natural g rassland as contro l, soil CH 4 uptake of f ive years cr opland, ten
year s cropland, fif ty y ears cropland decr eased by 17. 1% , 44. 1% , and 50. 1%, respectively . Cumulat ive
CH 4 uptake decreased with soil o rganic carbon ( SOC) , to tal nit rog en ( T N ) , micr obial biomass carbon
( BC ) and m icrobial biomass nit ro gen ( BN ) . Co rrelat ion analy sis indicated that the main inf luencing factors
of so il CH 4 absorption w ere SOC, T N, BC and BN .
Key words: Natur al grassland; Reclamat ion years; Soil pr opert ies; CH 4 uptake
20世纪中期以来,温室气体的研究成为全球气
候变化研究的热点, 其中, 大气 CH 4 是一种寿命较
长的气体,在大气中的寿命约为 12年,每分子 CH 4
温室增温潜力是 CO 2 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]。许多研究发现, 农牧业生产活动是造成大
气温室气体变化的重要原因,诸如大面积天然草地
被垦殖为农田, 土地利用方式发生了剧烈变化, 对
CH 4 吸收产生了深刻影响。国内外相关研究表
明[ 2 ~ 6] ,草地农垦降低了草地对 CH 4 的吸收; 在我
收稿日期: 2009-10-10;修回日期: 2010- 01-04
基金项目: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;国家重点实验室开
放课题( LAPC- KF-2008-3)资助
作者简介:赵江红( 1980- ) ,女,河南三门峡人,硕士研究生,研究方向为环境生态学, E-mail: jianghong-308@ 163. com; * 通讯作者 Au-
thor for correspondence, E-mail: jiaoyan@ imnu . edu. cn
第 2期 赵江红等:不同天然草地开垦年限下土壤特性对 CH4 吸收的影响
国内蒙古典型草原及其农耕地的研究中, 李玉娥
等[ 7]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 [ 8]发现农垦不会减少天然草原
对 CH 4 的吸收; 而李明峰[ 9] 、王艳芬[ 10]、马秀枝 [ 11]
等的野外实地观测则表明, 天然草地开垦为农田后
CH 4 吸收能力有所增强。
因此,在我国内蒙古典型草原,天然草地转变为
农田后对土壤 CH 4 吸收影响的研究还存在不一致
的结论。这就需要加强对土地利用方式转变后影响
CH 4 吸收的机理研究,进一步探明天然草地土地利
用方式的变化对 CH 4 吸收的影响机理。但目前相
关研究工作较少,且主要集中于土壤温度[ 12~ 15]和水
分含量 [ 7, 16~ 18] 对 CH 4 吸收的影响, 而土壤特性对
CH 4 吸收的影响研究尚不多见。
野外观测受到各种因素的影响,为探讨其机理,
本研究通过培养实验在温度水分相同的条件下天然
草地农垦后,不同开垦年限下土壤特性对 CH 4 吸收
的影响。本研究在位于锡林河流域的内蒙古锡盟太
卜寺旗的典型草原采集样品, 研究不同开垦年限下
土壤特性对 CH 4 吸收的影响,为寻找草地土壤温室
气体减排技术提供科学依据。
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, 地处东经 114b51c- 115b40c, 北纬 41b35c
- 42b10c,是农牧结合、以农为主的经济类型区[ 19] ,
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 e ,
冷热差异较大,年降雨量大体变化在 300 mm~ 500
mm之间[ 19] 。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
主要是典型草原, 代表群系为羊草草原和大针茅草
原,建群种为羊草 ( L eymus chinesnis ) 和克氏针茅
( S tipa k ry lovii ) [ 20]。
1. 2 研究样地的选择
本研究根据邻近样地相比较的方法, 选取天然
草地(看作开垦年限为零年的耕地)、开垦年限为 5
年, 10 年和 50 年农田样地各 3块 (每块约为 667
m2 )作为研究对象。样地植被等调查信息见表 1。
表 1 研究样地相关信息
Table 1 Information for the investig ated land use dynamics and histor y o f the sample sites
样地代码
Code
植被类型
Vegetation type
样地历史
H istory of sam ple sites
农垦年限(年)
Reclamat ion years
天然草地
G
羊草
L ey mus chinesnis
未干扰的天然草地
Undisturbed natural g ras sland
0
2002年开垦为农田
F5
土豆
Potato
2006年, 2007年种植土豆。每年春季耕翻,种植前施入 N, P, K 混合肥,每年
施肥一次。
Potatoes w ere planted in 2006 and 2007 . N, P, K mixed fert iliz er w as fert iliz ed
once a year b efore every spring plow ing
5
1997年开垦为农田
F10
土豆,莜麦
Potato, Oat
土豆莜麦轮作, 2006年种植莜麦, 2007 年种植土豆。每年春季耕翻种植前施
入 N, P, K 混合肥,每年施肥一次
Oat w as plan ted in 2006, and potatoes w ere planted in 2007 . N, P, K mix ed
fert iliz er w as fert iliz ed once a year befor e every spring plowin g
10
1956年开垦为农田
F50
土豆
Potato
2006年, 2007年种植土豆,春季耕翻,种植前施入 N, P, K混合肥,每年施肥一
次。
Potatoes w ere planted in 2006 and 2007 . N, P, K mixed fert iliz er w as fert iliz ed
once a year b efore every spring plow ing
50 ? 2
注: G 表示天然草地; F 表示耕地; F 的下标数字代表开垦年限;表中所列时间通过在当地调研和查阅太仆寺旗志[20]获得
Note: G is natural grassland, F is croplan d. S ubscript number repres ents th e number of cult ivat ion years, reclamat ion years in the table
w ere got f rom local res earches and quoted f rom th e chorography of Taipusi County
1. 3 土样的采集与制备
土样于 2008年 8 月 1日在内蒙古锡林郭勒盟
太仆寺旗进行采集。研究样区选在平坦地形按照邻
近原则进行布置。样地分别选取天然草地( G)和不
同开垦年限( F 5、F 10、F50年, F 代表耕地,下标数字代
表年限)的农田,每一开垦年限下的 3块样地作为 3
个重复,每个样地 / S0形选取 10 个点,用内径为 4
cm 的土钻选取为 0- 15 cm 的土层样, 最后将每个
样地中的土样混合使之成为一个混合样本,装密封
袋迅速带回实验室, 每个土样的一部分风干过筛用
于土壤有机碳、全氮、土壤质地等测定, 另一部分放
入 4 e 冰箱保存,供土壤微生物及其他指标测定。
149
草 地 学 报 第 18卷
1. 3 试验方法
1. 3. 1 土壤理化性质的测定 土壤有机碳( SOC)
采用重铬酸钾容量法测定 [ 21] ; 土壤全氮( TN )采用
浓硫酸消煮- 半微量开氏法[ 21] ;土壤铵态氮( NH +4-
N)采用氯化钾浸提- 靛酚蓝比色法[ 21] ; 硝态氮
( NO -3-N)采用酚二磺酸比色法 [ 21] ; 土壤颗粒分析
采用比重计法测定, 按照我国土壤质地分类标准
分类[ 21] 。
水溶性碳 ( DOC) : 称取 20 g 新鲜土样于 200
mL 三角瓶中,加去离子水 60 mL,在 25 e 条件下震
荡 30 m in(震荡频率 200次/ m in)后, 过滤, 吸取滤
液 10 mL, 置于离心管中,在常温2 @ 105 r/ m in条件
下离心 10 min 后, 用 T OC-V CPH测定水溶性碳的
含量。
天然草地( G)和不同开垦年限( F 5、F10、F 50年)
土壤理化性质的测定结果列于表 2。
表 2 供试土壤理化性质
Table 2 Proper ties of tested so il
样地代码
Code
有机碳
SOC
g # kg- 1
全氮 T N
g # k g- 1
铵态氮
NH +4-N
g # kg- 1
硝态氮
NO-3- N
g # kg- 1
水溶性碳
DOC
mg # L- 1
机械组成 S oil tex tu re ( % )
1- 0. 05 mm 0. 05- 0. 01 mm < 0. 001 mm
G 23. 41 0. 24 0. 57 12. 68 21. 25 40. 30 36. 79 9. 25
F5 15. 52 0. 18 1. 35 6. 76 23. 06 56. 53 20. 48 7. 99
F10 13. 05 0. 13 0. 48 17. 84 12. 89 62. 84 16. 04 8. 64
F50 8. 63 0. 09 1. 02 19. 01 15. 78 61. 05 16. 31 7. 95
注: G 表示天然草地; F 表示耕地; F 的下标数字代表开垦年限
Note: G is natural grassland, F is cr opland. Sub script number represents the num ber of cu lt ivat ion years
1. 3. 2 土壤微生物的测定 土壤微生物生物量碳
( BC )和氮( BN )采用氯仿熏蒸浸提法[ 22] ; 土壤细菌培
养采用牛肉膏蛋白胨培养基, 土壤细菌数量采用稀
释涂布平板法计数。土壤微生物生物量的测定结果
见表 3。
表 3 供试土壤微生物生物量
Table 3 Microbial biomass o f tested soil
样地代码
Code
微生物量碳 BC
mg/ kg
微生物量氮 BN
mg/ kg
土壤细菌数量
Number of bacteria
@ 108 个/ g
G 848. 28 102. 89 0. 9204
F5 457. 51 65. 37 )
F10 438. 37 49. 76 118. 9322
F50 261. 34 44. 84 0. 3034
注: G 代表天然草地, F 代表耕地, F 的下标数字代表农垦年
限。 ) 表示 F5 土壤细菌数量由于冰箱问题,土壤失鲜,未能测得
Note: G is natural grassland, F is croplan d. S ubscript number
represents th e number of cult ivat ion year s.
) Rep resents that the n umber of soil bacteria of F5 did not
m easured b ecause of ref rigerator problem
1. 3. 3 CH 4 的培养实验 称取过 2 mm 孔筛的风
干土 50 g (相当于烘干土重) , 装入体积为 300 mL
的培养瓶中, 加入一定量水分, 预培养 1- 2 d, 以便
激活土壤微生物。然后用去离子水调节土壤含水量
至 25% ( W/W ) , 加塞密封, 向培养瓶中注入 0. 1
mL 的纯甲烷(根据预试验, 培养一周,土壤最大耗
甲烷量确定) ,使瓶内甲烷浓度为( 340 ? 37)Ll/ L ,置
入培养箱内, 在( 25 ? 1) e 条件下恒温培养 163 小
时,所有处理均设 3 次重复。培养阶段气体样品的
采集,前 2次分别在培养后的 21 h、43 h 各取样一
次,之后为每隔 24 h取样一次。抽气时用连接三通
的 20 mL 注射器抽气约 16 mL。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
的 Ag ilent 6820气相色谱仪分析其中 CH 4 的浓度。
1. 4 分析计算方法
采用 Microso ft EXCEL 2003 整理试验数据,
SYSTAT 10软件进行 ANOVA 分析处理。
2 结果与分析
2. 1 不同农垦年限下土壤 CH4的吸收特征
由图 1可见, G、F5、F50土壤 CH 4的吸收规律基
本一致,呈现先升高后逐渐降低的变化趋势, CH 4
的吸收峰值分别出现在培养后的 43 h和 67 h,分别
为- 0. 01493 mg. kg- 1 . h- 1、- 0. 00821 mg. kg- 1 .
h- 1、- 0. 00678 mg . kg- 1 . h- 1 ; 而 F10在培养的前 91
小时内,吸收量变化不明显,之后表现为降低趋势。
2. 2 不同开垦年限下土壤 CH4累积吸收量的变化
天然草地转变为农田后, 不同开垦年限的土壤
CH 4 的累积吸收量间存在极显著差异( F= 20. 998
, P< 0. 001)。天然草地转变为农田后降低了土壤
对 CH 4 的吸收能力,并随开垦年限的增加土壤吸收
150
第 2期 赵江红等:不同天然草地开垦年限下土壤特性对 CH4 吸收的影响
CH 4 的量逐渐降低, 其大小顺序表现为: G > F 5 >
F10> F50 (图 2)。天然草地、开垦 5 年、10 年、50 年
的农田土壤在培养 163 h 后 CH 4 累积吸收量分别
为- 1. 3476 mg # kg - 1、- 1. 1168 mg # kg - 1、
- 0. 7529 mg # kg- 1、- 0. 6730 mg # kg- 1。以天然
草地为对照, 开垦 5 年、10 年、50 年后的土壤 CH 4
吸收量分别降低了 17. 1%、44. 1%、50. 1%。
在温度水分相同的条件下,天然草地转化为农
田后不同开垦年限下土壤 CH 4 的累积吸收量与土
壤有机碳含量( r= 0. 9473* , P< 0. 05) , 和土壤全氮
含量呈显著正相关( r= 0. 9841* , P< 0. 05) (图3, 图
4) ,而与其他理化性质没有明显相关关系。这说明
随着开垦年限的增加, CH 4 的吸收量随土壤有机
碳、全氮的降低而减少, 决定系数( r)的数值说明土
壤理化性质中的全氮、有机碳含量是土壤吸收 CH 4
的主要影响因素。
2. 4 不同农垦年限下土壤微生物生物量与 CH4 吸
收的关系
天然草地转变为农田后不同开垦年限下土壤
CH 4 的累积吸收量与土壤微生物生物量碳 ( r =
0. 8953* , P< 0. 05)、氮( r= 0. 9513* , P< 0. 05)存
在显著正相关关系(图 5, 图 6) , 与土壤细菌数量没
有显著相关性( r= 0. 3989, P> 0. 05)。这表明, 天
然草地转变为农田后, 随着开垦年限的增加, CH 4
的吸收量随着土壤微生物生物量碳、氮的降低而减
少,决定系数( r)的数值说明土壤微生物量中微生物
量碳、氮是影响土壤 CH 4吸收的主要因子。
151
草 地 学 报 第 18卷
3 讨论
本研究结果表明,天然草地转化为农田后,降低
了土壤对 CH 4 的吸收潜力,这与李玉娥[ 7] 和国外的
有关研究结果 [ 2~ 6] 基本一致, 而与李明峰 [ 9]、王艳
芬[ 10]、马秀枝 [ 11]等的野外实地观测结果不一致。目
前,在内蒙古典型草原, 天然草地转变为农田后, 农
垦对 CH 4 吸收的影响研究还不尽一致,主要可能在
于研究样地的气候, 土壤特性等不同造成。一般认
为土壤对 CH 4 的氧化吸收受土壤水分[ 7, 16~ 18]、温
度[ 12~ 15]等环境因素的影响,本研究在水分温度相同
的情况下,探讨土壤特性对 CH 4 吸收的影响, 结果
表明,天然草地转化为农田后, 土壤对 CH 4 的吸收
量存在显著差异,并随开垦年限的增加而降低,主要
是因为不同开垦年限下土壤的理化性质、微生物量
的不同而造成的。土壤有机碳、全氮、微生物量碳、
氮含量是影响土壤 CH 4 吸收的主要因素。周存
宇[ 2 3]、Le M er [ 24] 和徐星凯等[ 25]的相关研究表明,土
壤理化性质、甲烷氧化微生物等是影响土壤吸收
CH 4 的主要因子。而本研究结果表明, 土壤有机
碳、全氮含量随开垦年限的增加而逐渐降低,农垦 5
年、10年、50年后,土壤有机碳含量分别比天然草地
减少了 33. 7%、44. 3%、63. 1%, 全氮含量分别比天
然草地减少了 25. 0%、45. 8%、62. 5%。并且,土壤
微生物生物量碳氮含量随开垦年限的增加而逐渐降
低,以天然草地为对照,农垦 5年、10年、50年后,土
壤微生物生物量碳含量分别减少了 46. 1%、
48. 3%、69. 2%, 微生物生物量氮含量分别减少了
36. 5%、51. 6%、56. 4%。由此可知,随开垦年限的
增加,土壤中微生物数量依次减少,适合其代谢的有
机质、全氮含量也依次降低, 结果使土壤氧化吸收
CH 4 的能力随开垦年限的增加而逐渐降低。另外,
土壤中硝态氮和氨氮对 CH 4 吸收有抑制作
用[ 2 6~ 28] ,抑制的程度随硝态氮和氨氮含量的增加而
增大[ 29]。在 4个样地中, G、F10、F 50硝态氮含量随
农垦年限的增加而增加,而 F5 的铵氮含量最高, 可
推测随农垦年限的增加, 土壤中甲烷氧化微生物的
活性受限程度依次增强, 结果导致甲烷吸收量随农
垦年限增加而逐渐降低。在以上几种因素作用下,
使得 4种土壤的甲烷吸收量表现为: 天然草地> 农
垦 5年> 农垦 10年> 农垦 50年。但由于本研究选
取研究样点有限, 有必要选择更多不同年限开垦的
土壤,增加更多样点,进一步阐明不同农垦年限下土
壤特性对 CH 4 的影响。有关文献报道土壤 CH 4 氧
化是在甲烷氧化菌介入下的复杂生物学过程[ 30, 31] ,
到目前为止,对参与甲烷氧化作用的微生物种类及
其生理生态特性知之甚少 [ 31] , 有关草地土壤吸收
CH4 这方面的研究更少,有待于进一步研究。
4 结论
4. 1 天然草地转变为农田后降低了土壤吸收 CH 4
的能力,开垦年限对 CH 4 吸收有显著影响, 随着农
垦年限的增加而降低。
4. 2 CH 4 的累积吸收量随土壤有机碳含量、全氮
含量、微生物生物量碳、微生物生物量氮的降低而降
低,与土壤其他性质没有相关性,说明土壤有机碳含
量、全氮含量、土壤微生物量碳、氮是影响土壤 CH 4
吸收量的主要因子。
152
第 2期 赵江红等:不同天然草地开垦年限下土壤特性对 CH4 吸收的影响
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(责任编辑 李 扬)
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