全 文 ：第 15 卷 第 5 期
Vol. 15 No. 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2007 年 9 月
Sep. 2007
文章编号: 1007-0435( 2007) 05-0449-05
青海果洛黄河源区高寒草甸 CO2 释放速率研究
孙步功1 , 龙瑞军2, 3* , 孔 郑1, 冯瑞章1
( 1.甘肃农业大学草业学院, 甘肃 兰州 730070; 2.中国科学院西北高原生物研究所, 青海 西宁 810001;
3. 兰州大学草地学院, 甘肃 兰州 730000)
摘要 : 以青海果洛黄河源区高寒退化草甸生态系统为对象 ,应用静态密闭箱-气相色谱法对高寒退化草甸生态系统
CO 2 释放进行了初步研究。结果表明: 所选 4种不同退化程度高寒草甸,即未退化草甸( A)、轻度退化草甸( B)、中
度退化草甸( C)和重度退化草甸( D) ,其 CO2 释放速率有明显的日变化特征,日最大排放速率在 15 00- 1700左
右出现,最低值出现于清晨 7 00- 9 00 左右, 释放白天大于夜晚; ( 2) CO2 释放速率具有明显的季节性变化特
征,生长期 CO2 释放速率明显高于枯黄期, 8 月为 CO2 释放高峰期, 1 月或 2 月为 CO2 释放低谷期; ( 3) CO2 释放速
率的日变化主要受地表温度和 5cm 地温制约,季节动态与 5cm 地温呈显著正相关关系( P< 0. 01) , 本研究为进一
步进行高寒退化草甸生态系统源江效应的准确估测提供科学依据。
关键词: CO2 释放速率; 高寒退化草甸系统; 日动态; 季节动态
中图分类号: Q948. 1 文献标识码: A
A Study on CO2 Emission Rate from Alpine Meadow in the Source Region
of Yellow River in Guo-luo, Qing-hai Province
SUN Bu-gong1 , LON G Ru-i jun2 , 3* , KONG Zheng1 , FENG Ru-i zhang1
( 1. Pratacul tu ral College, Gan su Agricultu ral University, Lan zhou, Gansu Province 730070, China;
2. Northw est Ins t itu te of Plateau Biology, CAS , Xining, Qinghai Province 810001, China;
3. College of Grassland Science, Lanzhou University, Lanzh ou , Gansu Provin ce 730000, China)
Abstract: The CO2 em ission rate f rom degraded alpine meadow in the source region of Yellow River in Guo-
luo , Qing-hai Prov ince was studied using stat ic chamber-GC method. The results indicate that CO 2 emis-
sion r ate from non-deg raded meadow , m inor degraded meadow , medium degr aded meadow , and heavily de-
g raded meadow show ed evident characterist ics o f daily variat ions, e. g. peaked at 15 00- 17 00 and
minim ized at 7 00- 9 00, w ith higher CO 2 emission rate at day time than at night. Furthermore, the
CO 2 emission also show ed a seasonal variat ion w ith higher emission rate during the plant grow ing seasons
than at the w ilting period. T he fast ig ium of CO2 em ission appear ed in August and low in Januar y and Feb-
r uary. In addit ion, the daily v ar iat ions of CO2 emission rate w er e rest ricted by so il temperatur e at 5cm
depth and soil surface temperature, and a signif icant corr elat ion was detected betw een the seasonal dynam-
ics of CO2 emission rate and soil temperature at 5cm depth ( P< 0. 01) .
Key words: CO2 emission r ate; Deg raded alpine meadow ecosy stem; Daily variat ion; Seasonal change
近年来由于温室气体排放增加而引起的全球气
候变暖已成为科学界最为关注的环境问题之
一[ 1~ 4] , 尤其是导致大气 CO 2 浓度进一步增加的各
种过程的研究倍受重视。草地占陆地生态系统总面
积的 16. 4% ,是陆地生态系统的重要类型, 其碳素
储量约占陆地生态系统碳储量的 15. 2% [ 5]。草地
是受人类活动影响最为严重的生态系统之一,对草
地生态系统碳循环及其影响因素的研究是认识全球
碳循环的关键内容之一 [ 6]。青藏高原作为欧亚大陆
最高最大的地理单元, 不仅对气候变化十分敏感,而
收稿日期: 2007-03-08;修回日期: 2007-07-25
基金项目: 国家 十五科技攻关计划项目( 2001BA606A- 02-03 ) ;中国科学院百人计划项目( 30371021)
作者简介: 孙步功( 1971-) ,男,甘肃通渭人, 副教授,博士研究生,从事草地生态研究, E-mail: su nbg@ g sau . edu. cn; * 通讯作者 Auth or
for correspondence, E-m ail : longr j@ gsau . edu. cn
草 地 学 报 第 15卷
且在亚洲气候乃至全球气候变化中扮演重要角色。
同时,它也是世界上低纬度永久冻土集中分布区, 由
于冻土热力敏感性大,随着全球 CO 2 浓度的增加和
青藏高原地区气温的不断升高, 冻土分布区温室效
应气体具有很大的排放潜力 [ 7~ 9]。其结果将进一步
加剧气候的温暖化效应。因而, 研究青藏高原土壤
温室气体排放特征,对于评价区域生物地球化学循
环及对全球变化的响应和反馈作用至关重要。
高寒草甸是广布于青藏高原的主要植被类型之
一,它在青藏高原生物地球化学循环有着极其重要
的作用。目前国内外在这方面的研究热点是植被碳
库的准确估算, 以及揭示 碳失汇现象。影响 CO 2
释放的关键因素是植被本身的生物学特征和环境因
子。近年来,针对高寒草甸 CO2 释放过程及释放速
率等已有大量的研究报道[ 10, 11] , 但研究没有将高寒
草甸作为一个不同退化阶段的复合体而进行。为弥
补这一缺陷,本研究于 2005年 4月 30日至 2006年
4月 28日,分别对青海果洛黄河源区未退化草甸、
轻度退化草甸、中度退化草甸和重度退化草甸 CO 2
释放进行观测研究, 为进一步进行高寒退化草甸生
态系统源汇效应的准确估测提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 实验区自然概况
实验区位于青海省南部果洛藏族自治州境内的
黄河支流大武河流域。研究区年均气温- 0. 6 ,极
端最低气温- 34. 9 , 最冷月 1月平均气温- 12.
9 ,最热月 7月平均气温 9. 1 , 0 的年积温为
1202. 6 , 5 的年积温为 865. 0 , 野生牧草生
长季为 120 d左右,年降水量513 mm ,多集中在 5-
9月, 雨热同季,专用 20 cm口径年水面蒸发量 1459
mm,年日照时数 2571 h, 无绝对无霜期。土壤类型
为高山草甸土,草地植被为高寒草甸。
1. 2 实验设计
根据草地退化程度选择 4个样地作为试验对象
(表 1)。每个样地设 3次重复。
表 1 4 种样地植被状况
T able 1 Soil and vegetation st atus of t he 4 types of sampling plots
样地类型
Sampling
plot types
草地类型
Grass land
types
编号
No.
海拔
Altitude
经纬度
Latitude and
longitude
土壤类型
Soil types
土壤容重
Soil bulk density
( g/ cm3)
土壤紧实度
Soil
tightness
植被状况
Conditions of vegetation
未退化草甸
Non-degr aded
meadow
嵩草草甸
K obre sia
meadow
A 3972m
N3431. 673
E10002. 064
高山草甸土
Alpine meadow soil
1 . 13 0. 015 4. 0
以嵩草属、禾本科为绝对优势物种,杂草较少、物种分布均匀,总盖
度达 80%~ 95%以上,基本无秃斑地。
K obr esia and Gramineae is the dominant species and ruderal is a few in
non-deg radedmeadow . Species dis tributing is wel-l balanced . Whole
coverage is over 80%~ 95% and bareness is few.
轻度退化草甸
M inor degraded
meadow
嵩草草甸
K obre sia
meadow
B 3732m
N3428. 921
E10013. 067
高山草甸土、
暗栗钙土
A lpine meadow soil、
Gray millet
calcium soil
1 . 08 0. 015 3. 5
以禾草为优势种,嵩草属植物较多,呈密丛状,物种分布不均匀, 总
盖度达 60%~ 75% ,草场秃斑地占 15%~ 20%。
Gr ass is the dominant species and Kobresia is secondary in minor de-
graded meadow . Species dis tribu ting is unsymmetrical and cespitose.
Whole coverage is 60%~ 75% and bareness is 15%~ 20% .
中度退化草甸
Medium degraded
meadow
嵩草草甸
K obre sia
meadow
C 3728m
N3428. 748
E10013. 159
高山草甸土、
灰钙土
A lpine meadow soil、
Gray calcium soil
1 . 04 0. 076 2. 0
以禾草为优势种,豆科、菊科植物较多, 嵩草属植物较少, 总盖度为
20%~ 30% ,裸露的秃斑地占 40%~ 60%。
Gr ass is the dominant species in medium degraded meadow, Legu-
minosae and Compositae is secondary and K obres ia is a few. Whole
coverage is 20%~ 30% and bareness is 40%~ 60% .
重度退化草甸
Heavily degraded
meadow
杂类草草地
Ruderal
meadow
D 3745m
N3427. 856
E10012. 524
高山草甸土、
灰钙土
A lpine meadow soil、
Gray calcium soil
0 . 98 0. 015 1. 0
植被构成以杂类草为主,禾草和莎草科植物偶见,毒草比例较大, 总
盖度为 40%~ 60% ,秃斑地面积占 30%~ 50%左右。
Ruderal is the dominant species and poison gr ass is secondary in heav-i
ly degraded meadow. Grass and Cyp eraceae is only a few. Whole cov-
erage is 40% ~ 60% and bareness is about 30%~ 50% .
1. 3 方法
气体测定采用静态密闭箱-气相色谱法进行。
采集箱由顶箱和底座组成, 箱体用进口 304K 薄不
锈钢板制作。其中, 顶箱( 40 cm 40 cm 40 cm)为
正五面体,箱顶壁安装有两个搅拌风扇、箱侧面安装
有电源插头、取气体样品接口、便携式温度计探头,并
配有 F46采气管线。底座( 40 cm 40 cm 10 cm)正
四面体,上端有密闭水槽。实验前将底座埋入土壤
中,四周以泥土压实,实验期间不再取出,以减小土壤
扰动对测定的影响。实验时底座密闭水槽内加水,以
450
第 5期 孙步功等:青海果洛黄河源区高寒草甸 CO 2 释放速率研究
使两箱连接间的气路密闭, 切断箱内外空气的自由
交换。用 100 mL 医用注射器在 3 m 远的距离处通
过取气接口取样, 间隔时间为 0、10、20、30 m in。
CO 2 采用 HP4890D气相色谱仪进行分析[ 12]。
在 CO2 取样前后, 用 JM 624 便携式数字测温
计分别测定0~ 5 cm 的平均地温、地表温度、箱内温
度和箱外大气温度。
1. 4 CO2通量计算
利用下式计算所测 CO2 通量
F= V
A
P
P 0
T 0
T
dC t
dt
式中, F 是被测气体排放通量, V 是箱内空气体
积, A 是箱子覆盖的面积, Ct是t 时刻箱内被测气体
的体积混合比浓度, T 是时间, 是标准状态下的被
测气体密度, T 0 和 P 0 分别为标准状况下的空气绝
对温度和气压, P 为采样地点的气压, T 为采样时的
绝对温度[ 12] 。
1. 5 数据处理
CO 2 释放速率日变化观测及统计: 在植物生长
季( 5- 9月)每月选择比较晴朗的天气 3次,在 9 00
至次日 7 00 测定 CO 2 释放速率的日变化, 观测
中,日间每 2h时测定 1次, 夜间 3h测定 1次,共 10
次。统计时将 5- 9月 15个观测日的 10个采样时
刻的 CO 2 释放速率值分别平均得到日变化。
CO 2 释放速率季节变化的观测与处理: 生长季
5- 9月每月测定 8次(每周二、四) , 非生长季 10月
至翌年 4月每月测定 4次(每周二) ,每次采样均在
900- 11 00 进行[ 12] , 将每月所得数据进行平均
即为每月平均释放速率。
2 结果与分析
2. 1 高寒草甸生长季 CO2释放速率日动态
青海果洛黄河源区生长季 4 种退化程度草甸
CO2 日释放速率的变化特征见图 1。植物生长季高
寒草甸 CO2 释放速率具有明显的单峰型日变化进
程。CO2 释放速率日最大值出现在 1500- 1700,
最小值出现在700前后; 700- 1500为 CO2 释
放速率上升时段, 1500至次日 7 00为 CO2 释放
速率下降时段。释放速率白天大于夜晚。生长季 A、
B、C 和 D 4 种草甸 CO2 释放速率最大值分别为
1005. 34、504. 21、308. 56和 457. 28 mg m- 2 h- 1 ;
最小值分别为 212. 93、187. 16、158. 21和 168. 12 mg
m- 2 h- 1。白天( 9 00- 1900) A、B、C 和D 4种
草甸 CO2 平均释放速率分别为 515. 10 73. 57、
443. 36 75. 1、146. 61 73. 73和106. 16 74. 37 mg
m
- 2 h- 1 ,夜晚( 20 00至次日 9 00)分别为 241.
76 83、195. 31 81. 1、188. 21 54. 02和 186. 16
54. 30 mg m- 2 h- 1。
由图 1还可看出, 4 种高寒草甸 CO2 释放速率
不仅具有单峰型日变化, 而且因植被退化程度的不
同释放速率不同, 生长季释放速率由大到小的顺序
为 A、B、D、C。这与植物活体现存量以及 5 cm 处地
温密切相关,活体呼吸产生的CO 2 是系统CO 2 释放
的重要组成部分。活体现存量较多时, 多以分解与
半分解的植物残体留存于土壤, 给土壤微生物活动
奠定了良好的外部条件, 同时为碳循环过程提供了
很好的物质基础。
图 1 生长季 4 种不同退化草地 CO2 释放速率日变化
F ig . 1 Daily va riations of CO2 emission r ate from the
4 sampling plots in g rowing seasons
2. 2 高寒草甸 CO2 释放速率季节动态
4种退化程度草甸CO2 释放季节动态见图2。
从图 2可以看出, 高寒草甸 CO2 释放速率具有
明显的季节动态, 且 4种草甸的变化趋势基本一致。
生长期 CO 2 释放速率明显高于枯黄期。2005 年 5
月至 2006年 4月, A、B、C 和 D 最高释放速率均出
现在 8月, 分别为 625. 21、593. 01、342. 08和 384. 28
mg m - 2 h- 1 ; 2006年最低排放速率出现在 1月、
2月、1月和 1月,分别为 99. 23、93. 20、94. 19和 93. 21
mg m- 2 h- 1。7、8月为 CO2 释放高峰期, 且释放
速率 A> B> D> C ( P< 0. 01)。非生长季( 10 月至
翌年 4月)释放速率 A、B草地略大于 C、D草地,且
C、D草地的释放速率差别不大。生长季( 5- 10月)
451
草 地 学 报 第 15卷
图 2 4 种退化草甸 CO2 释放季节动态
Fig. 2 The seasonal dynamics of CO2 emission r ate
from the 4 sampling plots
CO 2 释放速率 A、B明显大于 C、D,生长旺季( 6- 9
月)重度退化草甸释放速率高于中度退化草甸,主要
是因为重度退化草甸以杂类草为主,毒杂草所占比
例较大,虽然返青晚, 但生长旺季总盖度为 40% ~
60% ,且毒杂草高度大。而重度退化草甸以禾草为
优势种,虽返青早,但总盖度为 20% ~ 30% ,裸露的
秃斑地占 40%~ 60%。
2. 3 CO2 释放速率与地温的关系
2. 3. 1 生长季日动态与地温的关系 4 种不同退
化草甸 CO2 释放速率均具有从低到高再从高到低
的单峰型日变化进程, 与 5 cm 处地温昼夜变化(图
2)趋势一致。在植物生长季水热同期, 土壤水分充
足,湿度变化小,而昼夜温度变化大,所以 CO 2 释放
速率主要受地表和 5 cm 地温的影响。白天温度逐
渐升高时,植物与微生物呼吸代谢增强, CO 2 释放
速率也随之增加。夜晚土壤温度逐渐降低, CO2 释
放速率相应降低,这种昼夜间明显的气温差异使得
CO 2 释放速率出现显著的昼夜差异,表现为白天明
显高于夜间。
退化草甸生态系统 CO 2 释放速率日变化与
5 cm土壤温度日变化趋势相同(图 1和图 3)。气温
变化不能直接影响土壤微生物分解和植物根系呼吸
等过程,对 CO 2 释放的影响起到间接作用。空气是
太阳辐射热能向土壤较深层传热的载体, 太阳能以
热力传导作用给予土壤后, 从而引发土壤温度的变
化,进而导致土壤 CO2 释放速率的变化。温度是通
过生物新陈代谢速率而影响 CO 2 的释放。对于高
寒土壤,土壤微生物在 35 时的活性最高, 分解有
机物质能力最强[ 13] 。自然条件下, 在植物生长的 5
- 9月, 0~ 30 cm 土层地温变化在 4. 4~ 18. 5 ,远
低于土壤微生物最适温度 [ 14]。青藏高原土壤微生
物活动是在长期适应高寒、潮湿的环境下进行的,在
温度非常低时,微生物活动极其微弱,甚至停止, 当
温度稍微升高时, 微生物活动便会急剧加强[ 15] 。因
此,随着土壤温度的升高, 土壤生物活性随之增强。
CO 2的释放速率相应增加。植物根系的呼吸代谢
速率同样具有类似的变化特性。
图 3 生长季 4种退化草甸 5 cm地温日变化
Fig. 3 Daily var iations of so il t emperatur e at 5 cm depth
o f the 4 sampling plo ts in gr ow ing seasons
2. 3. 2 季节动态与地温的关系 高寒草甸生态系
统 CO 2 释放速率的季节变化特征与 5 cm 地温的季
节变化相一致。7、8两月温度达到年内最高, 11月
至翌年 2月, CO 2 释放速率降到最低时期。植物枯
黄后期和休眠期 ( 11 月至翌年 2月) A、B、C 和 D
CO 2 释放速率明显低于盛草期和枯黄初期( 9- 10
月) ,且变异较大。观测表明, A、B、C和D 4种草甸的
CO 2释放速率均表现为盛草期> 枯黄初期> 枯黄
后期和休眠期( P< 0. 01) , 且 A、B、C 和 D 间 CO2
释放速率表现为 A> B> D> C。枯黄后期和休眠期
A、B、C 和 D之间 CO2 释放速率的差异明显减小,
基本上以微弱的基础土壤呼吸为主。CO2 释放速
率季节动态与5 cm 地温呈显著正相关关系, A、B、C
和 D 4 种草地的相关系数分别为 0. 899、0. 9516、
0. 9393和 0. 9356( P< 0. 01)。图 4所示。
未退化草甸 CO 2释放速率最大,而中度退化草
甸和重度退化草甸都小。观测期未退化草甸 CO2
释放量为 2668. 452 207. 08 gm- 2 , 而轻度退化草
甸、中度退化草甸和重度退化草甸则分别为 2031.
681 173. 62 gm- 2、1413. 618 203. 19 gm- 2和
1446. 748 120. 29 gm- 2 , 未退化草甸 CO 2 释放量
明显高于中度退化草甸、重度退化草甸。究其原因
452
第 5期 孙步功等:青海果洛黄河源区高寒草甸 CO 2 释放速率研究
主要是植被的多重作用导致土壤微生物数量的不同
所致。土壤-植被系统 CO 2 释放速率的大小主要由
植物代谢和微生物活动的强弱所决定。土壤中约有
60%的 CO2 是在微生物分解土壤有机质的过程中
产生[ 16] 。未退化草甸地表覆盖度和地下根系较重
度退化草甸大, 根系呼吸活动强,并在土层中产生较
多的有机质和根系分泌物, 为土壤微生物活动提供
了能源,其次,未退化草甸郁闭度高能有效控制和减
少土层蒸发,导致土壤湿度增大,并有效改善土层结
构,使土层疏松多孔,利于 CO2 扩散, 导致近似未退
化草甸 CO2 释放速率高于重度退化草甸,而冬季植
物新陈代谢微弱,土壤微生物活动停止,覆盖度高可
能会降低 CO 2 的释放速率。如试验期 2005 年 11
月至翌年 2006年 2月, 重度退化草甸 CO 2 释放速
率略高于未退化草甸和中度退化草甸, 其原因可能
是由于重度退化草甸下垫面覆盖物较近似未退化草
甸少,能有效地吸收和利用太阳辐射,土壤导热性能
强,在较短的时间内表层土壤温度变化大,出现短暂
的冻融现象,进而使其 CO2 释放速率高于未退化草
甸和重度退化草甸。
图 4 4种退化草甸 CO2 释放速率季节变化与 5 cm
地温季节变化的关系
F ig . 4 The co rr elativ e analysis between seasonal dynamics
of CO2 emission rate and so il temperatur e at 5 cm
depth o f 4 sampling plots
3 结 论
3. 1 4种不同退化程度的高寒草甸 CO 2 释放有明
显的日变化特征,最大排放速率在 15 00- 17 00
左右出现,最低值出现于清晨 7 00- 9 00 左右。
生长季释放速率由大到小的顺序为 A、B、D、C。
3. 2 CO2 释放速率具有明显的季节性变化特征,
生长期 CO2 释放速率明显高于枯黄期, 8月为 CO 2
释放高峰期, 1月或 2 月为 CO 2 释放低谷期。生长
季( 5- 10月) CO 2 释放速率 A、B明显大于 C、D,生
长旺季( 6- 9月)重度退化草甸释放速率高于中度
退化草甸。
3. 3 CO 2 释放速率与温度密切相关。CO2 释放速
率日变化与 5 cm 土壤温度日变化趋势相同; CO2 释
放速率的季节变化特征与 5 cm 地温的季节变化相
一致,呈显著的正相关关系( P< 0. 01)。
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(责任编辑 梁艳萍)
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