不同放牧条件下典型草原季节性冻土区温室气体排放对水热条件变化的响应

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全球气候变暖是当前人类面临的重大环境问题之一,而温室气体浓度的持续上升是造成全球变暖的主要原因。草原占陆地面积的40.5%,大气温室气体浓度受草原温室气体变化的直接影响,而土壤是草原生态系统温室气体重要的源与汇,因此研究草原土壤温室气体浓度分布规律、排放特征及其影响因素,对于准确理解和预测该生态系统温室气体排放规律及相关机制具有重要科学价值。本研究选取内蒙古锡林郭勒典型草原1979年以来禁牧样地UG79、1999年以来禁牧样地UG99、持续放牧样地CG作为研究区,采用土壤水热原位监测系统、静态暗箱和土壤剖面气体原位采集系统进行试验,分析长期禁牧(UG79)、短期禁牧(UG99)和放牧(CG)以及这三种放牧管理方式下冻融作用对土壤剖面温室气体浓度分布特征和地表温室气体排放量的影响,同时揭示土壤含水量和土壤温度这两个重要因子对温室气体产生与排放的影响机制。对认识不同放牧条件下温室气体产生与排放机制、准确评估草原生态系统温室气体排放量以及制定合理的草地管理措施具有重要的现实意义。主要研究结果如下:(1)内蒙古锡林郭勒典型草原土壤剖面CO2具有明显的时空分布规律。时间规律为冻结期浓度较低且基本保持不变,冻融期会有微弱升高,生长期浓度达到峰值。空间规律为不同放牧条件下表层土壤(0-10cm)剖面CO2浓度显著低于深层。放牧对土壤剖面CO2浓度的影响主要为显著降低其浓度,但未明显改变CO2浓度的垂直分布特征。此外,土壤剖面CO2浓度在降水较多年份要明显高于降水较少年份。同土壤剖面CO2浓度季节变化相异,冻融初期与雨后是土壤剖面N2O集中产生的时期,尤以冻融初期最为明显,此时期为内蒙古典型草原温室气体产生的关键时期。土壤剖面N2O浓度垂直分布规律与CO2相似,为表层低于深层,但不同的是各土层间差异较小。此外,不同年分间土壤剖面N2O浓度大小主要受天气影响,降雪或暴雨较多年份土壤剖面N2O浓度显著高于降雪或暴雨较少年份。受降雨和降雪影响,放牧对土壤剖面N2O浓度的影响在不同年份不同时期间差异较大,但整体表现为放牧使土壤剖面N2O浓度升高。(2)内蒙古锡林郭勒典型草原为大气CO2和N2O的“源”、CH4的“汇”,且CO2、N2O和CH4具有明显的季节排放规律。CO2为生长期排放最多,冻融期和冻结期排放较少,呈“单峰型”变化规律;N2O为春季解冻期与夏秋两季雨后排放明显,而冬季排放相对较低,呈“多峰型”;CH4的吸收主要发生在生长期。禁牧样地综合增温潜势略高于放牧样地,但未达到显著水平。(3)一定气候条件下(如冬季降雪较少),与自由放牧和长期禁牧相比,短期禁牧促进了锡林郭勒草原冻融期N2O的排放。尽管冻融期N2O同时受诸多因子的影响,但土壤含水量、土壤剖面N2O浓度和土壤微生物量是影响该区冻融期N2O排放的主要因子。(4)土壤水热状况对土壤剖面CO2、N2O和CH4浓度及其地表通量影响不同。研究区CO2的产生与排放受土壤含水量和温度显著影响,不同土层CO2浓度以及地表CO2通量与各对应土层温度和含水量均为极显著正相关(P<0.01)。而水热状况对N2O的影响却有所不同。各处理土壤温度与土壤剖面N2O浓度相关性较弱,这说明土壤温度对土壤剖面N2O浓度影响不显著。此外,土壤水分在禁牧样地一定土层与土壤剖面N2O浓度显著相关,禁牧能够促进一定土层土壤含水量对N2O的影响。同时,CG样地土壤表层温度与N2O通量极显著相关,这说明放牧能够促进温度对N2O排放的影响。同土壤含水量和温度对N2O和CO2的影响不同,土壤温度和含水量与CH4排放量较低的相关性说明该区土壤水热状况对CH4排放量无明显影响。综上分析,从温室气体减排的角度出发,应鼓励适度放牧。
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