全 文 ：第 4 期
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4
地 学
A G R E S T IA
报
S IN IC A
19 9 8
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年 12 月
1 9 9 8
内蒙古草原 N ZO 和 C H ; 排放通量及其
季节变化特征研究 ’
王庚辰 ‘ 杜容 ’ 王艳芬“ 刘广仁 王跃思 ‘
陈佐忠 2 吕达仁 ‘
(‘中国科学院大气物理研究所 , 北京 1 0 0 0 2 9)
(
’ 中国科学院植物研究所 , 北京 1 0 0 0 9 3 )
摘要 : 1 9 9 8 年 5一 12 月 , 作者在内蒙古半干旱草原用静态箱法进行原位 N 2 0 和 C H ; 排放
通量观测 , 分析 N ZO 、C H ‘ 排放量及其季节变化和相关过程 , 定量估计草原 N ZO 和 C H 4 收支在
人类活动下的变化 。 重点讨论了内蒙古草原典型群落羊草 、大针茅和退化草原 N 2 0 和 C H 。 的排
放通量及其季节变化特征 。
关钮词 : 内蒙古草原 ; 温室气体 ; N ZO ; C H ;
1 前言
在当前人类活动影响加剧和大气中重要温室气体浓度不断增加的情况下 , 温室气体源
汇 问题就显得尤为重要 , 因而客观认识陆地生态系统在全球碳 、氮等循环中的作用 已成为解
决当前生物地球化学循环研究中的不确定性问题的关键科学问题之一 (I G B P /I C su , 1 9 94 ;
A n d r e a e
,
1 9 8 9 )
。
温带草原是北半球陆地生态系统的重要组成部分 , 其中内蒙古草原属中纬度半干旱草
原地带 , 在欧亚 、北美 、南美大陆具有相当的地域代表性 。 由于其所处的地理和气候环境条
件 , 内蒙古草原具有相对较高的生产力 (且地下生产力大于地上 ) , 对气候变化较为敏感 , 因
此在内蒙古草原开展温室气体特征研究对于评价温带草原生物地球化学循环对全球变化的
响应和反馈作用具有重要科学和实际意义 (吕达仁等 , 1 9 92 ) 。
另一方面 , 人类活动造成的土地利用 、气候环境和物种结构等变化将会直接改变陆地生
态系统的生物地球化学循环 。内蒙古草原近几十年来受到人类活动(如放牧 、开荒等 )的较大
影响 , 已出现草原退化和荒漠化现象 , 因此在内蒙古开展本项研究可直接为定量评价人类活
动对温带草原生态系统温室气体收支的影响提供科学依据 。 1 9 9 8 年 5一 12 月参加 内蒙古草
原土壤一植被一大气相互作用研究项 目(I MG R A S S ) , 对典型草原群落的 N 20 和 C H ; 通量
用静态箱法进行了系统地现场测量 , 并讨论了初步结果 。
2 试区背景情况
2. 1 试脸样地的选择
羊草忆‘) m u : ch i, en si : )和大针茅 (St t’P a g ra n di : )草原是试验区两个重要地带性草原群
, 国家自然科学基金重大项目N o . 4 9 7 9 0 0 20 资助 。
第 4 期 王庚辰等 : 内蒙古草原 N ZO 和 CH . 排放通量及其季节变化特征研究
落 。对其进行长期研究是认识内蒙古半干早草原生态系统主要结构 、功能以及能流和物质循
环过程的基础 (姜恕 , 1 98 8) 。 羊草 、大针茅及放牧样地是本项目中研究温室气体排放和碳氮
循环特征及其在人类活动下变化的重点基地 。 为了对 N ZO 和 CH ; 排放及相应过程进行研
究 , 有必要对羊草和大针茅样地的植被和土壤特征作一简单对比 。
2
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2 群落结构和分布
羊草与大针茅草原属温带典型草原 (干草原 St eP p e )亚型 ,但在生态序列上的位置和群
落结构特点不同 。 两者在区内的分布规律 , 一是垂直分界 , 以海拔 1 2 0 0 米为界 , 低处以大针
茅为主 , 高处则为羊草所代替 。 土壤从栗钙土向暗栗钙土过渡 。 二是在大针茅群落为主的地
带 , 随着中小地形的变化 , 与羊草群落呈复合相间分布 。 在海拔 1 1 0 0 米左右地带 , 大针茅群
落多见于小地形突起地段 , 而在碟型或浅沟洼地 , 即使地面只有数十厘米的降低 , 羊草群落
则重复出现 。 在丘陵阴坡或丘间洼地侧 出现同样的复合关系 。 据比较生态学观测 , 地势的升
高意味着气候趋向冷佩 , 局部低洼地形将出现流水或积水 , 阴坡辐射较弱 , 利于保持土壤水
分 。 羊草多分布在上述地形 。
2. 3 群落生物全
羊草群气的总现存量约为 758 9 / m , (干重 ) , 相当于大针茅的 ‘· “倍 。 羊草群落高于大
针茅地上部生物量 , 二者相差 1 . 1 倍 。 羊草地下部生物量为大针茅的 1 . 8 倍以上 。 羊草群落
的根量占总生物量的 81 %左右砂而大针茅群落只占 73 %左右 。
上述特点与群落结构和生境条件有密切关系 , 对两种群落 N ZO 和 CH ; 排放通量将产生
直接影响 (姜恕等 , 1 9 5 5 ) 。
2
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4 土峨徽生物生物蚤
羊草和大针茅群落土壤微生物年度总生物量 (0 一 70 。m 土层 )及其分布特点因菌群和
样地而变异 , 其中以放线菌为优势菌群 ,其次是细菌 , 真菌较少 。羊草群落微生物总生物量在
1 9 5 1 年为 1 0 6 9 . 1 9 9 / m , , 大针茅群落为 9 1 1 . 2 7 9 / m , , 前者比后者多 一 1 7 倍 , 而 1 9 5 2 年羊
草为 1 1 38 . 01 9 / m , , 大针茅为 9 85 . 14 9 / m Z , 前者 比后者多 1 . 巧 倍 , 可见羊草群落的生产力
高于大针茅 。
2
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5 土峨徽生物生物贡与植物群落生物贵的关系
2
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5
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1 1 9 8 1 年 7 月至 1 9 8 2 年 n 月植物群落根系生物量分析结果表明 , 微生物生物量的
土层垂直分布与植被群落根系生物量垂直分布趋势相同 。 研究指出 (廖仰南 , 1 9 85 ;姜想等 ,
1 9 8 5 )
:羊草和大针茅群落地下根系生物量集中分布于土壤表层 (0 一 1 0 , o ~ 2 0c m ) , 结果与
土壤微生物生物量的土层垂直分和呈正相关关系 。
2
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5
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2 羊草和大针茅草原土壤微生物生物量分布与其相应土层的土壤养分的分布趋势类
同 。 土壤肥力与土壤微生物生物量分布紧密相关 , 因此 , 土壤微生物 (细菌 、放线菌 、真菌 )总
生物量可作为土壤肥力指标之一 。
2
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6 土峨养分和 土峨特水贡
羊草和大针茅样地的土壤有机质 、全氮和全磷及速效钾和土壤持水量以表土层含量较
高 , 随着土层的加深而逐层减少 , 羊草样地的土壤养分高于大针茅 。
2
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, 试脸方法
迄 今为止 , 在大气温室气体生物源试验研究方面还存在着较多的不确定性 (王庚辰
草 地 学 报 1 9 9 8 年
1 9 7 )
, 一则由于陆地生态系统温室气体排放 、交换的固有特点所至 (如排放过程复杂 、时空
分布不均匀 、生物源或汇面积大 、强度低以及输送 、交换过程复杂等 ) , 另一方面则在于测量
技术本身的不完善和科学局限性 , 因此导致这类测量结果的准确性低和代表性差 , 导致对同
一类型陆地生态系统温室气体排放测量结果之间的较大差异 。
相对而言 , 对草原生态系统温室气体排放研究较少 , 与农 田和其它 自然生态系统相比 ,
从温室气体排放的角度 , 试验方法的选择应考虑到 内蒙古草原的如下特点 : 其一 、草原是
CH
4 的弱汇 , 是 N ZO 的源 , 但人类活动对这种源与汇特征有较明显的影响 ;其二 、草原具有
较大水平尺度的均匀下垫面 ;其三 、内蒙古草原属温带草原 , 地下生物量超过地上生物量 。
考虑上述条件 ,本试验选择静态箱法作为测量不同草原群落 、农 田 、放牧区等样地 温室
气体排放的基本方法 。 同时考虑到箱法本身的科学局限性以及在使用中的技术问题 。
3 材料与方法
3
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1 自然概况
试验 区位于 内蒙古锡林河流域 , 属温带 内蒙古典型草原栗钙土亚 区 。 属半干旱草原气
候 , 冬季寒冷干燥 , 夏季温和湿润 。 年均气温一 0 . 4 C , 1 月和 7 月平均气温为一23 ℃和 17 . 9 ℃ ,
年均降水量 35 0 m m 左右 , 主要集中在 6一 8 月 。 地势为东南高 (海拔 1 4 0 0 ~ 1 5 0 0 m ) 、西北低
(1 0 0 ~ 1 1 0 0 m )
。
3
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2 羊草样地位于锡林河南岸的低丘宽谷地带 , 海拔 1 2 5 o m 。 大针茅样地位于羊草样地以
西 20 k m 处的一级玄武岩台地 , 海拔 1 1 3 om 左右 。
3
.
3 在具体试验方案中采用较大尺寸的箱体 (分别为 6 0 x 6 0 x 4 0 m m 和 4 0 x 4 0 x
2 50 m m 两种 ) , 缩小箱内外环境状况的差异以改善箱 内外气体的渗漏性 。 每个样地设三个
点 , 每个点每周采样一次 , 每次在规定时间段 内重复采 9 个样 、观测时间持续一年 , 以改善箱
法测量结果的代表性 。
3
.
4 所采样 品 在实验室采用 G C / E C D 和 G C /FI D (分别为带俘获探测器和氢离子化探
测器的气相色谱仪 )进行分析 、处理 以分别获得 N ZO 和 CH ‘ 的通量值 。 在气体采样过程中 ,
同时进行箱 内外温度测量和土壤 、植被采样以及相应的边界层气象要素观测 , 以便对所获资
料进行分析 , 对相应过程进行研究 。
3
.
5 研究草原生态系统温室气体排放的土壤微生物过程 , 在选定的温室气体排放测量位点
(Si t e )进行土壤采样 , 采样时间和频率与温室气体排放测量同步 , 即每个样点每周采一次土
样 。 微生物培养和生物量测定在专门实验室进行 。
4 结果与分析
对 内蒙古草原典型羊草 、大针茅群落以及放牧草原的 N ZO 、 C H 、通量观测结果见图 1 ~
3
, 图 1 、 2 、 3 分别为羊草 、放牧草原 、大针茅草原 N ZO 和 C H 4 通量值及其季节变化特征 。
4
.
1 研究结果表明 , 草原生态系统作为整体是 N ZO 的源 (最大通量可达 50 拼g N ZO m 一, · h 一‘)
和 CH ‘ 的汇 (最大通量达 2 50 拌g CH ‘ m 一 Zh 一‘)的通量产生影响 , 尤其是对 N ZO 排放通量具有
明显影响 , 但并未改变草原作为 N ZO 源和作为 C H ‘汇的性质 。
第 4 期 王庚辰等 : 内蒙古草原 N 2 0 和 C H ; 排放通量及其季节变化特征研究 30 9
4
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2 放牧草原 N 20 和 CH ‘通量季节变化明显 , 其中夏季最大 ,冬季最小 , 春 、秋居中 。 从表
1 的数据可以看出 , 三个草原样地 N ZO 、C H ‘通量的季节变化特征 。 N 20 排放通量 比 CH ‘ 吸
收通量的季节变化幅度大得多 ,其中夏季的变化最明显 。
4
.
3 内蒙古草原的典型群落羊草和大针茅草原 , 其 N ZO 和 CH ‘通量的差异明显 , 图 1 、图 3
以及表 1 的结果表明 , 两种草原群落 N oO 、CH ; 通量的季节变化特征基本相 同 , 就 N oo 排放
通量而言 , 羊草草原约为大针茅草原的二倍 , 而 C H 4 吸收通量值却基本上是相同的 。
60
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图 l 羊草草原 N : O 和 C H ; 通工季节变化
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图 2 放牧草原 N : O 和 C H 。通工季节变化
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2 T h e s e a s o n a l v a r i a t io n o f N ZO a n d C H 。 a r e r e le a s e d b y g r a z e d s t e p p e
草 地 学 报 1 9 9 8 年
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图 3 大针茅革原 N : 0 和 C H . 通t 季节变化
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季节
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羊草
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放牧草原
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3
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1 应当指 出 , 内蒙半干旱温带草原的 N 20 、CH ; 通量研究尚处在初始阶段 。 草原生态
系统的 N ZO 、CH ; 通量取决于大气环境条件 (主要是气温 、降水量等 ) 、群落的生物量 (地上 、
地下 )以及土壤性质 (结构 、含水量等 ) 、土壤微生物过程等 , 上述因子的差异及其变化决定着
草原 N ZO 、CH ‘通量值的大小及其季节变化特征 。 1 9 9 8 年是内蒙古草原地区气象条件变化
较特殊的一 年 (非正常年份 ) , 年降水量的变化幅度较大 , 从正 常年份的年降水量均值
34 om m 增至 5 5 om m , 该变化导致了决定 N ZO 、CH ‘ 通量值的主要因子如土壤含水量 、生物
量以及土壤微生物活动的较大变化 ,进而导致 N ZO 、CH ; 通量的变化 。 表 2 给出非正常年份
与 1 9 9 5 年 (正常年份 )N ZO 通量观测结果 (杜睿等 , 1 9 9 7) 的比较 (观测期均为 5~ 10 月 )
衰 Z N :o 通 t 的年际变化 (。g N : o m 一二 · h 一 ’)
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年份
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33
第 4 期 王庚辰等 : 内蒙古草原 N ZO 和 CH ‘排放通量及其季节变化特征研究 3 1 1
4. 3. 2 与 1 9 9 5 年相比 , 1 9 9 8 年由于气象条件的变化致使羊草和大针茅群落的 N ZO 排放通
量均呈明显增加 , 其最大值的变化更为显著 。观测到的最大值的差异表明在环境条件变化较
大的情况下 , 草原 N ZO 排放将会出现较大的变化 。该结果为进一步分析草原 N ZO 、CH ‘ 通量
变化及其对气温 、土壤湿度以及土壤微生物活动等主要因子变化的敏感性提供了基础资料 。
参 考 文 献
l
2
3
4
5
6
7
8
王庚辰 , 19 97 . 陆地生态系统温室气体排放 (吸收 )测量方法简评 . 气候与环境研究 , 2 (3 ) : 251 ~ 2 63
吕达仁 、王庚辰 、陈佐忠 、 陈发祖 、陈家宜 , 1 9 92 . 关于在内蒙古温带半干旱草原地区进行“地表一植被一
大气相互作用 ”研究的若干间题 . 植物生态系统与大气相互作用研究 1 9 9 2 年会议论文集 , 1~ 2
杜睿、陈冠雄 、 吕达仁 、王庚辰 , 19 97 . 内蒙古草原生态系统一大气间 N ZO 和 C H ; 排放通量研究的初步
结果 . 气候与环境研究 , 2 (3) : 26 4 ~ 2 7 2
姜恕 , 19 88 . 草原生态系统试验地的设置及其植被背景 . 草原生态系统研究 , 北京 : 科学出版社 , 3 : 1 ~
1 2
姜恕 、戚秋慧 、孔德珍 , 1 9 85 年 . 羊草草原群落和大针茅草原群落生物量的初步 比较研究 . 草原生态系统
研究 , 北京 :科学出版社 , 1 : 12 ~ 23
廖仰南 、张桂枝 , 1 985 . 内蒙古草原土壤微生物研究 . 草原生态系统研究 , 北京 :科学出版社 , 1 : 181 ~
1 9 4
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