中国科学院植物研究所 博士学位论文 开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量的影响 姓名：马秀枝 申请学位级别：博士 专业：生态学 指导教师：蒋高明;汪诗平 20060601 摘要 开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量 的影响 马秀枝( 生态学) 指导教师：蒋高明研究员，汪诗平研究员，王艳芬教授 本文采用野外观测和室内测定相结合的方法．研究了内蒙古草原两种主要 的土地利用方式( 开垦和放牧) 对土壤碳库和温室气体通量的影响，结果如下： 1 ．内蒙古草甸草原开垦后3 0 年后，与天然草原相比，在休闲年份0 “ - 2 0c m 土壤有机碳和土壤微生物量碳含量均没有显著下降，但开垦导致土壤易分解碳 下降了2 4 ％土壤易氧化碳受季节性水热因子的驱动，表现出明显的季节变化 动态因此，土壤易分解碳的较土壤碳库的其他组分对开垦更敏感，是表征土 壤管理措施引起有机质变化的一个重要指标 草原开垦后，土壤一植物系统氧化大气甲烷的能力明显提高，农田和天然草 原C H 4 平均吸收通量分别是4 8 ．9 和2 9 ．O 岖Cm - 2h ．1 ，开垦后增加了1 ．7 倍开 垦没有改变C H 4 吸收通量“夏季高秋季低一的季节变化规律( 由降水决定) ： 开垦使N 2 0 的平均释放通量增加了4 7 ％，农田和天然草原N 2 0 平均吸收通量分 别是5 6 ．6 和3 8 ．6 喇I n ．2h ．1 ：开垦同时也增大了通量的变异幅度：但没有改变 N 2 0 季节变化规律，只是出现高峰的时间较天然草原推后约l O 天左右。
2 ．开垦后的农田土壤在模拟添加厩肥后，刺激了土壤微生物的呼吸代谢， 使C 0 2 的释放量增加了5 - 7 倍试验期间总体排放的c 0 2 中，约6 0 0 , 6 来源于羊 粪，4 0 ％来源于土壤两种土壤即羊草顶级草原土壤( 高碳高氮) 和冷蒿- , b 禾草退化草原土壤( 低碳低氮) ，在C 0 2 的释放总量和释放比例上都没有显著性 差异添加厩肥均造成两种土壤碳库的净碳损失，并且退化草原土壤( Z O ％) 的土壤净碳损失要大于羊草草原( 2 ．6 ％) 说明与开垦后的高C 土壤相比，在已 经退化草原的低C 土壤上施厩肥将趋向于土壤更大的净碳损失 3 ．自由放牧2 2 年后羊草草原0 ～1 0c m 土壤有机碳、微生物量碳和易分 解碳分别下降了1 4 ．1 ％、2 7 ．9 ％和2 2 ．0 ％；大针茅草原0 “ - - - ' 5c m 土壤有机碳和微 生物量碳分别下降了2 7 ．6 ％和3 8 ．2 ％两类草原土壤碳组分的季节变化受水热因 子的驱动，大针茅草原季节波动出现高峰的时间较羊草草原迟土壤微生物量 中国科学院博上学位论文：开幂和放牧对内蒙．^ ．单原十壤碳库和温室气体通{ i { = 的影响 碳在表征羊草草原和大针茅草原土壤碳素的动态变化时，要敏感于土壤总有机 碳．放牧对冷蒿．小禾草草原土壤各碳素组分影响不明显。
在表征放牧对冷蒿． 小禾草草原土壤的影响指示上，M B - C ／O r g - C 和L a b - C ／o r g - C 要比M B ．C 和 L a b - C 更加敏感这说明在研究放牧对草原土壤碳库影响时，不同的草原类型应 使用刁 棕钙土，且同一土壤类型的不同剖面层次上．土壤有机碳 含量也差异较大，表层0 “ 1 0e m 土壤有机碳含量大约是深层土壤( 8 0 “ - - 10 0c m ) 有 机碳含量的4 “ - - 1 0 倍 大气C 0 2 浓度的上升以间接的方式影响土壤碳循环由于不同研究者研究的 植物种类不同，准确模拟C 0 2 浓度实验的不确定性因素很多，室内培养试验的时 间不同等，目前研究的结论也存在一定差异，还存在很多争议( 苏永中和赵哈 林，2 0 0 2 ) 由人类活动引起的土地利用／覆盖变化是土壤碳库和碳循环最直接的影响 因子，其中最严重的干扰就是将自然植被转变为耕地草地开垦后会导致土壤 有机碳( S O C ) 的大量释放，损失掉原来土壤中碳素总量的3 0 - - - 5 0 ％( D a v i d s o n & A c k e m a n , 1 9 9 3 ) 。
一方面草地开垦为农田后，收获作物时会将大量地上部分移走， 从而大大减少了植被对草地土壤的归还量．同时农田的烧荒措施也使固定在植 被中的碳全部释放到大气中：另一方面，开垦使得土壤的温度和湿度条件也得 到了改善，在一定程度上促进了土壤的呼吸作用，加速了土壤有机质的分解 4 第‘‘章绪论 B o u w m a n ( 1 9 9 0 ) 指出，开垦几乎在所有的情况下都会造成自然生态系统S O C 含 量的降低，温带地区草地改为农田后S O C 损失2 0 - - - 4 0 ％，加拿大黑钙土开垦后 S O C 减少了5 0 ％以上( B o u w m a n , 1 9 9 0 ) ：我国内蒙古草甸草原植被下的黑钙土不 同层次土壤有机碳因农垦损失3 4 - - - 3 8 ％( 王艳芬等，1 9 9 8 ) 放牧是人类施加于草地生态系统最强大的影响因素，就影响规模而言，要 远远超过草地开垦在草地生态系统中，土壤是生物量生产最重要的基质，是 许多营养的储存库，是动植物分解和循环的场所，同时也是牧草和家畜的载体 放牧家畜主要通过采食、践踏影响土壤的物理结构( 如紧实度、渗透率等) ( D a k h a h & G i f f o r d , 1 9 8 0 ) ；同时通过采食活动及畜体对营养物质的转化和排泄 物的归还等影响草地营养物质的循环，导致草地土壤化学成分的变化，而草地 土壤的物理变化和化学变化之间又相互作用、相互影响( H a y n e s & W i l l i a m s ，1 9 9 3 ； K i z i ce ta 1 ．，2 0 0 0 ) 。
因此，研究放牧对土壤性质的影响，认识不合理放牧导致土 壤退化的过程和机理，对防止草原退化、保证草地畜牧业的可持续发展具有重 要的意义 据研究，过度放牧可使草地初级生产固定碳素的能力降低，家畜采食减少 了碳素由植物凋落物向土壤的输入，此外放牧还影响植物种类组成、净第一性 生产力、植物地上和地下的分配以及养分的循环( 王炜等，2 0 0 0 ：李永宏，1 9 9 2 ) 据李永宏( 1 9 9 2 ) 研究，内蒙古羊草草原因过度放牧初级生产力降低了6 0 ％ 放牧对草原土壤的物理性质的影响主要表现在对容重和渗透能力的影响一 般认为，随放牧压力的增强，牧畜对土壤的压实作用愈来愈强烈，土壤的容重 逐渐增加贾树海等( 1 9 9 6 ) 研究认为，放牧压力对土壤容重的影响仅限于0 ～ 1 0c m 的土壤，土壤容重随放牧压力的增加而增加；王仁忠( 1 9 9 6 ) 对松嫩平原 羊草样地的研究表明，重度和过度放牧比轻度放牧土壤容重分别增加4 7 ．4 ％和 6 4 ．9 ％随放牧强度的增大，动物践踏作用的增强，土壤空隙度减少，容重增加 ( 李香真和陈佐忠，1 9 9 8 ) 但在有机质含量很低的沙质土壤中，过牧使得有机 质含量更加降低，土壤的团粒结构减少，土壤结构遭到破坏，同时土壤容重也 增加( 贾树海等，1 9 9 9 ：F r a n z l u e b b e r se ta 1 ．，2 0 0 0 a ) 。
透水性和土壤饱和导水率是衡量土壤渗透能力的重要指标一般认为．草 地土壤状况越好，则土壤渗透率越大( R u s s e l le ta 1 ．，2 0 0 1 ) H i e m a u xe ta 1 ．( 1 9 9 9 ) 认为适牧能大大增加土壤的渗透率，过牧则导致渗透率的下降牛海山等( 1 9 9 9 ) 研究认为，土壤饱和导水率与土壤空隙状况密切相关随着放牧率的增大，土 5 中国科学院博_ ．L 学位论文：开曝和放牧对内蒙‘^ ．．爷原十壤碳库和温室气体通最的影响 壤饱和导水率显著下降土壤空隙度降低总之，随放牧率的增大，土壤空隙 度的下降以及大空隙的丧失，是造成土壤土壤饱和导水率下降的重要原因 ( D r e c c e r & L a v a d o ，19 9 3 ；P r o 伍t te ta 1 ．，l9 9 5 ) 有机质的动态转化过程十分复杂，受很多因素如温度、降水、植被、土壤 和管理措旌等的影响( B u r k ee ta 1 ．．1 9 9 7 ) 放牧管理是草原管理的重要措施， 但从已有的文献中很难得出放牧管理与土壤碳滞留量之间的关系，主要有以下 几种观点： ( 1 ) 有的学者认为，过度放牧由于其对土壤物理化学性质的干扰，将会加速土 壤的呼吸作用，造成土壤有机碳的损失( F r a n k e ta 1 ．，1 9 9 5 ；D e m e re ta 1 ．，1 9 9 7 ) ， 如李凌浩等( 1 9 9 8 ) 研究，近4 0 年来，过度放牧致使内蒙古锡林河流羊草草原表 层( 0 “ - 2 0 c m ) 土壤的有机碳贮量下降了约1 2 ．4 ％。
放牧生态系统中，牧畜的宰杀、 动物的呼吸以及肠胃的厌氧发酵，使草地生态系统的碳移出量增加( G r e e n ee ta 1 ．， 1 9 9 4 ) 重度放牧条件下，土壤的侵蚀( 如风蚀、水蚀) 也会降低土壤的有机 质( K o u t i k ae ta 1 ．，1 9 9 9 ) 在生态环境相对脆弱的干旱区和半干旱区，土壤有机 质本身较低，缓冲性能也低，放牧会使这种土壤有机质更加降低( H i e r n a u xe ta 1 ．， 1 9 9 9 ；X i ea n dW i t t i g ，2 0 0 4 ) ； ( 2 ) 有一些研究认为．放牧对土壤有机质没有影响 M i l c h u n a sa n dl a u r e n r i t h , 1 9 9 3 ；H o l t , 1 9 9 7 ；M i i c h u n a se ta 1 ．，1 9 9 8 ) ，如在澳大利亚东北部两类半干旱草原 的研究结果表明：重度放牧6 ～8 年后对S O C 的总贮量没有显著影响，但两类草 原土壤微生物中的碳贮量( a c t i v ec a r b o n ) 分别降低了5 1 ％和2 4 ％。
F r a n ke ta 1 ． ( 1 9 9 5 ) 利用¨C 技术研究了不同放牧率对土壤有机质的影响结果表明：与栏外 适牧样地相比，围封7 6 年后，土壤有机质轻微降低，而重度放牧土壤并没有降 低，主要是因为重牧后没有发生土壤侵蚀，而植物组成发生了很大变化，其中 C 4 植物所占的比例大大增加，由于这些C 4 植物具有较浅的根系分布特点和较高 的有机质生产能力：或者是因为食草动物排泄物的归还使土壤表层速效养分增 加，土壤的矿化作用加强；另外由于根系集中在表层，深层根系的分布量减少， 因此表层土壤有机质在特定阶段可维持在原来或更高水平 ( 3 ) 还有的研究认为放牧增加了草原土壤的碳含量( S c h u m a ne ta 1 ．．1 9 9 9 ； W e i i h o l de ta 1 ．，2 0 0 1 ) ，如位于怀俄明的混合潘帕斯草原放牧1 2 年和美国科罗拉 多州小禾草草原放牧5 6 年后，土壤碳含量都显著提高，认为一部分原因是由于 放牧使得草地植物根系年周转速率加快，植物．土壤系统的碳素重新分配 6 第’章绪论 ( R e e d e r & S c h u m a r h2 0 0 2 ) 。
放牧管理技术的运用增加了牧草产量，又增加了土 壤有机质潜在C 的沉积量( C o n a n te ta 1 ．，2 0 0 1 ) ．当放牧管理导致牧草产量降低 时，以土壤有机质形式沉积的碳量也增加，这是因为放牧使植物的组成发生变 化，使产草量降低，根冠比增大，因而C 向地下的分配量也增加( D o。