1 論文全文 第一章 前 言 由于人類活動(dòng)，大氣中溫室氣體濃度已發(fā)生 了 很大的變化，自工業(yè)革命以來，大氣中的二氧化碳 (甲烷 (氧化亞氮 (濃度分別上升了 36%、148%、 18%， 目前 分別達(dá)到 379319。 2009 年，哥本哈根聯(lián)合國氣候會(huì)議成功召開，將全球氣溫上升 幅度 控制在 2 度，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、降低排放成為共識(shí)。 草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型之一，面積約占陸地面積的25%2， 對全球氣候變化具有重要的影響 3 其 對全球及區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng) 的 碳 平衡有 著非常 重要的作用。 全球動(dòng)物排泄物 到 8%之間 ， 排放 為 世界已知 放總量的 7%5 目前 對于 草地 溫室氣體排放的研究主要集中于 土壤 溫室氣體的排放 及其 機(jī)理 ， 以及 宏觀尺度上草地溫室氣體濃度的估算 7 較少研究 牧場中 溫室氣體排放的 來源與各個(gè)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。 青藏高原 是 世界 最 獨(dú)特的地理單元之一， 高寒草甸占區(qū) 域 總 面積的 主要以放牧為主 11 對 全球升溫 更為敏感 15因 此， 研究青藏高原牧場溫室氣體排放的特征 ，有助于闡明青藏 高原典型牧場內(nèi)部各個(gè)組分對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，以期為牧場減排增匯、改進(jìn)放牧管理提供科學(xué)依據(jù)。 本論文主要涉及以下方面： （ 1） 通過靜態(tài)箱法和雙盆疊放法評估牧場草地和家畜 系統(tǒng)的溫室氣體排放特征 ； （ 2） 通過牧場調(diào)查并結(jié)合相關(guān)參數(shù)評估牧場 人居 系統(tǒng)溫室氣體排放特征 ； （ 3） 討論放牧率與溫室氣體排放之間的關(guān)系 。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)： （ 1）人 居 系統(tǒng)和自然系統(tǒng)相結(jié)合探討牧場 整體 的溫室氣體排放特征 ； （ 2） 提出雙盆疊放法，研究家畜糞的分解和溫室氣體排放途徑。 2 第二章 國內(nèi)外研究進(jìn)展 全球變化最引人注目的是大氣中溫 室氣體濃度的變化。 溫室氣體 （ 是指大氣中那些能夠吸收和重新排放出紅外輻射的自然的和人為的氣態(tài)成分 。 盡管相對于整個(gè)大氣中氣體含量來說溫室氣體含量很少，但是溫室氣體濃度的變化會(huì)顯著的影響整個(gè)地球氣候系統(tǒng)。 大氣中溫室氣體類型主要包括二氧化碳 ( 甲烷 ( 氧化亞氮 ( 氫氟化碳( 全氟化碳 ( 六氟化硫 ( 氯氟烴類化合物 ( 氫代氯氟烴類化合物 ( 臭氧 (03)、 水汽 (等。 這些溫室氣體 對太陽輻射的影響甚 微，但 可以部分的吸收地表釋放的 長波 輻射， 從而使得地球表面的溫度提高， 產(chǎn)生 溫室效應(yīng)，其效果可以使實(shí)際的地表溫度達(dá)到 15度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣中僅包含氧氣和氮?dú)獾牡乇頊囟?的 17。 由于不同溫室氣體成分 的變暖潛力差別很大 ， 以及溫室氣體在大氣中的濃度也有所差別，因此， 各成分 對全球變暖的貢獻(xiàn)率 區(qū)別明顯 。 對全球變暖的貢獻(xiàn)大約占 70；其次是 8。 大氣中溫室氣體的含量 甚微，因而容易受到人類活動(dòng)的影響 。 人類活動(dòng)對溫室氣體排放的影響主要 表現(xiàn) 在 兩個(gè)方面：一是化石燃料燃燒或生物質(zhì)燃燒等方式 直接向大氣排放溫室氣體而改變其濃度；二是 通過 改變溫室氣體的源與匯來改變其濃度，例如通過砍伐森林、改變土地利用方式等手段改變地球系統(tǒng)各圈層的理化性質(zhì)來影響溫室氣體的源與匯。盡管到目前為止，全球 氣候 變化還存在著爭議，但溫室氣體濃度的持續(xù)增加 以及全球氣候變化 已是不爭的事實(shí)。 究方法 目前，對溫室氣體排放通量的測量 方法 主要 包括箱法和微氣象學(xué)法 ，同時(shí) ， 超大箱長光程紅外色譜法以及同位素法 也在科學(xué)研究中得到應(yīng)用 。 箱法是指利用流量測定箱倒扣在研究區(qū)域表面，并通過一定的時(shí)間從箱內(nèi)收集的氣體來確定研究區(qū)域的排放通量 。流量測定箱都以與氣體不發(fā)生作用的材料制成，一般情況下，其體積的大小以及材料 性質(zhì) 會(huì)影響溫室氣體測定的值，但 影響的程度 不確定 19。近年來被普遍用于測定溫室氣體通量的 箱法是靜態(tài)箱法 20 相對應(yīng)的，箱法中還包括動(dòng)態(tài)箱法。箱法 操作簡單，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，且能同時(shí)完成對多種溫室氣體成分的 測定 ， 同時(shí)， 基3 于氣相色譜儀的測定技術(shù)具有精確度高的特點(diǎn) 23靜態(tài)箱法測定的流程一般包括：提前在采樣地將底座排入土中，在蓋上靜態(tài)箱 待 箱內(nèi)氣體 穩(wěn)定后 用注射器采集氣室內(nèi)的空氣 并 注入氣體儲(chǔ)存袋，在一段時(shí)間內(nèi)每隔幾分鐘采集一次，然后用氣相色譜儀等儀器測定氣體儲(chǔ)存袋中溫室氣體濃度的變化，并根據(jù)采樣時(shí)間的變化計(jì)算出溫室氣體排放的速率。動(dòng)態(tài)箱法進(jìn)一步可以劃分為密閉式動(dòng)態(tài)箱法和開放式動(dòng)態(tài)箱法。密閉式動(dòng)態(tài)箱法利用 外分析技術(shù)，將氣室與紅外線 析儀連接形成閉合回路，使空氣在回路循環(huán) ， 以 此 測定 度的變化。開放式動(dòng)態(tài)箱法則是通過測定箱體入口處和出口處氣體的濃度來確定溫室氣體排放的通量。 微氣象學(xué)法是根據(jù)微氣象學(xué)測量來推導(dǎo)地表氣體通量的方法。其成立的基本假設(shè)包括兩個(gè)方面：一是基于微氣象法；二是基于假設(shè)離開或到達(dá)表面的溫室氣體通量與 表面以上的作為基準(zhǔn)面的某一距離的垂直通量相等 25。微氣象學(xué)法可劃分為渦度相關(guān)法、通量梯度法、鮑文比法以及質(zhì)量平衡法。其中最常見的是渦度相關(guān)法 26，其基于微氣象學(xué)的基本原理測定溫室氣體的通量，適用于大范圍以及中長期的定位測定。 無論是箱法還是微氣象學(xué)法 都有利有弊 。箱法運(yùn)用 最大的缺陷在于不能應(yīng)用于長時(shí)間、大面積的測定 ；同時(shí)可能 由于存在人為的操作失誤而導(dǎo)致 測量 誤差，出現(xiàn)測量值偏離實(shí)際值，可靠性受到質(zhì)疑。微氣象學(xué)法雖然克服了箱法的根本缺陷，卻對試驗(yàn)地的要求很高。多種溫室氣體的同步、原位監(jiān)測將是未來土壤溫室氣 體監(jiān)測的發(fā)展趨勢。 超大箱長光程紅外色譜法與微氣象學(xué)法一樣，都能用于大面積的測量。與微氣象學(xué)法的通量梯度法相比，其具有比較優(yōu)勢 ： 一、這一實(shí)驗(yàn)方法要求的參數(shù)值較少，不需要測定風(fēng)速等參數(shù)值；二、能同時(shí)對不同的處理的田間式樣進(jìn)行測定，而不會(huì)相互干擾。其缺陷 也明顯 ，如帶有導(dǎo)光境系統(tǒng)的光譜儀對距離有一定的要求，同時(shí)這一實(shí)驗(yàn)方法對儀器的性能要求 高 。 近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，同位素法逐漸成為了科學(xué)研究的強(qiáng)有力工具。 同位素法 在反映 量季節(jié)變化和年際間變化的同時(shí)，還能夠揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)對碳素的吸收和排放， 并 能有效的確定 陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間某些成分的交換過程和交換量。但是這一方法對儀器 、 設(shè)備 和人員技術(shù) 要求 很 高 而 限制了其廣泛的應(yīng)用。 目前，在國內(nèi)科學(xué)研究中最常見的溫室氣體 測定 方法是靜態(tài)箱法，其具有一定的優(yōu)勢，卻也存在一些限制性因素。靜態(tài)箱法一般采用流量測定箱倒扣在研究區(qū)域，這就會(huì)形成密閉的箱內(nèi)空間，從而使得箱內(nèi)氣體的濃度、大氣壓力以及空氣的溫度異于箱外 27，同時(shí)，為了起到密閉的作用，通常要將流量測定箱插入土4 壤，這也會(huì)對研究區(qū)域 微環(huán)境 造成破壞。以上 的一系列因素都可能造成 測量 值與 實(shí)際 值偏離。 室氣體排放機(jī)理 大氣中 量的增加可能是導(dǎo)致全球氣候變化的最主要原因 28。不同 的土地利用方式是人類影響 放的重要 途徑，近年來， 對 放機(jī)理的研究主要集中于 對 土壤呼吸的研究。 大量的研究 結(jié)果 指出 在草地生態(tài)系統(tǒng)中 土壤呼吸主要包括三個(gè)組成部分，即根 呼吸 、根系微生物 呼吸 和微生物 呼吸 。其中根 呼吸 是土壤中唯一有自養(yǎng)有機(jī)體產(chǎn)生 途徑 29。在土壤呼吸中，根 呼吸 和根系微生物 呼吸 是根源吸收的主要途徑，分別占根源吸收的 48%和 52%30。 但 土壤呼吸中 排放在時(shí)間和空間上具有很大的變異性 ，其排放量 在 晝夜、季節(jié)以及不同類型的生態(tài)系統(tǒng)中均變化很大。 般認(rèn)為其 每分子 增溫的潛力是 很多研究表明 室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于 占溫室氣體對全球變暖貢獻(xiàn)總份額的 20%。而且 ，相對于其它溫室氣體成分， 大氣 中的 在大氣中的壽命約為 12年 31。 研究指出土壤中 多數(shù)的研究主要集中于 厭氧環(huán)境中 生 機(jī)理 ， 指出 息息相關(guān)。 謝軍飛等的研究指出 分解成單糖， 然后 由單糖 再 分解成酸，進(jìn)而 在此過程中 形成 了 32；碳水化合物一般包括有機(jī)物和不溶性有機(jī)物，在轉(zhuǎn)換的過程中可能由于其性質(zhì)不一樣而有區(qū)別，有研究指出對于 有機(jī)物的厭氧消化過程 ，其一般只存在兩個(gè)階段，分別為 產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷 兩個(gè)階段 ； 而對于不溶性有機(jī)物，一般認(rèn)為 除了產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)階段外，其 還存在 著 一個(gè)水解階段 33其釋放的過程一般包括水解、產(chǎn)酸以及 三個(gè)過程中 的 基本反應(yīng)如下： 2 土壤中 產(chǎn)生在不同的環(huán)境條件下可能會(huì)有多種途徑，一般 認(rèn)為 產(chǎn)生 包括 硝化作用和反硝化作用、 羥銨化學(xué)分解 以及 化學(xué)反硝 三個(gè)過程 35， 其中硝化作用和反硝化作用被認(rèn)為是產(chǎn)生 關(guān)鍵過程 36。 硝化作用一般指在通氣的條件下，氨和氨鹽 在微生物的作用下，被 硝化細(xì)菌氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽的過程， 并 在此過程中產(chǎn)生 平等的研究指出硝化作用包 括兩個(gè)步驟，即 分別在氨氧化菌和亞硝酸氧化菌的作用下將 氨氧化為亞硝酸 以及 亞硝酸氧化為硝酸， 從而完成 硝化 作用 37。 硝化的過程中 基本反應(yīng)如下： ( 2O 反硝化作用 一般發(fā)生 在通氣條件不好的 環(huán)境中 38， 指 反硝化細(xì)菌 或 化學(xué)還原劑的作用下 被 還原成 過程，其基本反應(yīng)如下： 響溫室氣體排放的因素 隨著溫室氣體濃度的增加，越來越嚴(yán)重的影響著人們的生活， 為了準(zhǔn)確的估算溫室氣體排放的通量，并在此基礎(chǔ)上采取適當(dāng)?shù)拇胧厥覛怏w排放以及由此帶來的全球變化控制在可控的范圍內(nèi)，必須 明確 溫室氣體排放的 影響 因素。 度 溫度是影響溫室氣體排放的重要因素之一 ，其在晝夜以及季節(jié)尺度上 的 變化都很 大 。大多數(shù) 對溫度和 放之間關(guān)系的研究 表明 兩者之間 存在著 明顯的相關(guān) 關(guān)系， 且在研究中一般都采用溫度這一因子的變化來解釋溫室氣體排放的日變化和季節(jié)變化 39， 但 兩者之間的 相關(guān) 關(guān)系 在不同的研究中得到的結(jié)論 并不一致， 表現(xiàn)出多樣性 40。在對溫室氣體排放對溫度的敏感度分析中 ， 常用 描述 兩者之間的敏感性， 溫度總體 與 間 呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系 41， 同時(shí)， 在季節(jié)的變化上， 一般表現(xiàn)為夏季的值要小于冬季。 溫度對于 土壤呼吸的研究 指出 ，當(dāng)土壤溫度在 溫度 與 反硝化量的平方根之間 呈 線性相關(guān)的 關(guān)系 。 在溫度對于排泄物 到的結(jié)論具有不確定性。 有研究指出當(dāng) 土壤的溫度較低時(shí)，土壤還可能表現(xiàn)出 現(xiàn) 吸收 ， 但很多研究的結(jié)果與這一結(jié)果不一致。 22。 而 243，但在 泄物中的硝化作用和反硝化作用的速率顯著的增加 44。我國的學(xué)者齊玉春等也證明了溫度與硝化作用和反硝化作用存在6 明顯關(guān)系，指出硝化作用中微生物活動(dòng)的適宜溫度范圍為 15反硝化為545。 溫 度對 放的影響 主要在于其影響土壤中微生物的活性，在溫度較低時(shí)， 透氣土壤中的 耗沒有停止 46；在溫度較高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)限制 放的因子。 在同一研究區(qū)域土壤產(chǎn)生 生物過程和非生物過程作用的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的變化而變化。除此之外， 在不同 的 條件 下 也會(huì)導(dǎo)致溫度的變化 與收的關(guān)系 出現(xiàn) 不一致，在栽培條件下，溫度與 吸收 的關(guān)系表 現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系 47 而在自然條件下，它們之間的關(guān)系則不明顯 49 在 對青藏高原 牧場 系統(tǒng) 家畜 排泄物 的研究中發(fā)現(xiàn) ，溫度對 排泄物 放的影響比較復(fù)雜 ： 在 青藏高原地區(qū)由于牧 民對糞便的處理多采用 堆肥 方式 ，因而導(dǎo)致在 固態(tài)排泄物氧氣充足的地方會(huì)抑制 放，但這些地方的發(fā)酵又為厭氧發(fā)酵的地方提供了較高的溫度，從而促使了厭氧發(fā)酵區(qū)域的 放。 在糞堆厭氧發(fā)酵過程中， 由產(chǎn)甲烷菌通過分解糞堆中的有機(jī)物而產(chǎn)生的，一定的溫度不僅影響到細(xì)菌的生長，更為產(chǎn)甲烷菌的正?；顒?dòng)提供了保障 52。 在 低溫情況下， 對溫度與 放的關(guān)系 研究 中 ，其結(jié)果卻存在不一致，一些研究報(bào)道了 放的速率與溫度之間呈指數(shù)關(guān)系 10， 但有一些研究結(jié)果則指出兩者之間的關(guān)系 表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系 53 分 水分 對土壤呼吸的影響 主要在于 其 影響土壤的理化性質(zhì)和土壤的透氣性 55。由于自然地理區(qū)域各自的特點(diǎn)，土壤 中的水分 對土壤呼吸的影響 也 表現(xiàn)出不同的特點(diǎn) 56，既存在正相關(guān)關(guān)系 57，也表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系 58。 一般情況下，水分通過對土壤中 微生物 生產(chǎn)和活動(dòng)的影響、對土壤孔隙中 水分 對土壤 響 土壤的透氣性、土壤離子活性以及土壤微生物來實(shí)現(xiàn)。 水分對排泄物 影響，主要表現(xiàn)在 糞便的濕度會(huì)影響排泄物的硝化和反硝化的作用。排泄物排放的 中反硝化的作用 ， 而反硝化作用更可能發(fā)生在氧氣濃度比較低的情況下。當(dāng)排泄物中水分比較大時(shí)，就會(huì)擠出氧氣的含量，降低氧氣的濃度， 促進(jìn)反硝化作用。 但是氧氣含量過高或過低都不利于 在氧氣供應(yīng)很充分時(shí)，排泄物中的硝化作用占主導(dǎo)，其最終的產(chǎn)物是 在氧氣供應(yīng)嚴(yán)重不不足時(shí)，排泄物在反硝化作用的主導(dǎo)下產(chǎn)出的最終產(chǎn)物是 兩者都會(huì)限制 排泄物在干濕交替的作用下 可能 會(huì)增大 水分 通過對土壤氣體擴(kuò)散速率和微生物活動(dòng)來影響 換 。 土壤水分和7 溫度明顯的 影響 土壤對甲烷的吸收 59。 水分 對 包括土壤中 濕潤的土壤條件下，由于土壤的氣體擴(kuò)散的速率減弱，導(dǎo)致 在 干燥的土壤中，相對于濕潤的土壤來說其吸收速率上升，但 因?yàn)?干燥的 土壤條件下，土壤的生物過程明顯減弱 ，因而吸收速率 存在一個(gè)極限值。 水分 主要通過影響糞便中的微生物活動(dòng)和糞堆的透氣性來影響 糞便 溫室氣體排放 60。 其中濕度對于排泄物 61，其 主要表現(xiàn) 為當(dāng)糞堆的濕度較大時(shí)，糞堆的透氣性較差，形成厭氧環(huán)境， 之亦然 62。 化性質(zhì) 土壤的理化性質(zhì)是土壤呼吸的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤中的碳、氮的含量明顯相關(guān)于 排放。土壤的有機(jī)質(zhì)中的易分解成分正相關(guān)于 排放 63，氮素通過光合作用影響微生物來影響 排放。 不同的 起著促進(jìn)或抑制 放 的作用 。在土壤中表現(xiàn)為，在酸性條件下 還原受到抑制 64，而在堿性條件下隨 下降 排放呈遞增趨勢 65。 對排泄物 放的影響機(jī)理很復(fù)雜，到目前 為止還沒有形成共識(shí)，但很多研究都表明當(dāng) 為 6 左右的時(shí)候 排放量比較大，而在 2O 的排放量很小，甚至?xí)淮嬖?排放。 要產(chǎn)生于厭氧壞境微生物 的 活動(dòng)，而 與厭氧微生物的生長和活動(dòng)之間存在著密切的關(guān)系。 在對 與 放的關(guān)系研究中， 研究指出 對土壤 排放影響很大，當(dāng) 為 ， 收量很大；但當(dāng)值為 ，沒有吸收 66。 在對排泄物的研究中發(fā)現(xiàn) ： 在堆肥過程中，當(dāng)糞堆的 為 6 時(shí)， 排放受到抑制，而 排放很大，當(dāng) 小于 ，沒有任何的氣體排放 67。 物 因素 對影響 草地生態(tài) 系統(tǒng)溫室氣體排放的生物因素 的研究 主要集中于草地的植被類型、草地上生息的動(dòng)物以及微生物。 植被對 土壤呼吸的影響主要通過自身根系以及對土壤微環(huán)境的影響來實(shí)現(xiàn) 68。不同類型的植被狀況的土壤呼吸強(qiáng)弱差別顯著， 根據(jù) 對 苔原、濕地、溫帶草原、荒漠灌叢草地以及熱帶草原這五種類型的土壤呼吸 研究 發(fā)現(xiàn)： 熱帶草原的土壤呼吸最強(qiáng)，而苔原與濕地最弱。植物對土壤 排放具有兩面性，一方面，植物的生長需要吸收 N， 成為 ； 另一方面，植物又能分泌出 促進(jìn)反硝化8 菌活性的分泌物 69。除此之外，不同的植被類型還能 通過 影響 土壤的理化性質(zhì)，從而影響 放。植 被 對于 影響，主要是 其作 為 放重要的源 而存在 70。 動(dòng)物影響草地生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放的研究表明， 小型動(dòng)物 主要通過挖掘影響土壤呼吸，而家畜等大型的采食動(dòng)物則通過采食、踐踏和排泄物來影響土壤呼吸 71。 目前，對于家畜生產(chǎn) 過程中 的溫室氣體排放的研究較多，而 對于小型動(dòng)物 與 土壤呼吸的 關(guān)系 的研究較少，且 對于動(dòng)物 的 研究 多集中 研究。 對放牧家畜的研究表明， 放牧對土壤碳 排放具有抑制作用 72。但眾多的研究結(jié)果表明大型動(dòng)物對土壤溫室氣體的排放的影響具有不確定性，受到 其它影響因子 的限制。 微生物是有機(jī)碳中最活躍的部分 73，其總量只有土壤總有機(jī)碳的 1%但卻是生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)的動(dòng)力，制約著有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化 74。同時(shí)微生物也是溫室氣體 放重要的生物源。張秀君的研究指出土壤微生物在厭氧 條件下 通過反硝化作用能將 原為 在好氧條件下 ， 甲烷氧化菌能將厭氧土壤產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行氧化 ， 成為土壤甲烷的匯 75。 類活動(dòng)的影響 人類活動(dòng)是最主要的影 響 草地生態(tài) 系統(tǒng)溫室氣體排放的因素 。人類活動(dòng) 通過影響 草地的植被組成 、 動(dòng)物的活動(dòng)以及 改變 草地的利用方式 等手段顯著的改變了草地生態(tài)系統(tǒng) 排放 。其中，植被類型 的改變會(huì) 通過 植被 根系以及土壤的環(huán)境因子來影響 溫室氣體排放 ；而動(dòng)物則通過采食、踐踏以及排泄物來影響溫室氣體的排放 76；對草地的利用方式主要包括放牧、開墾以及封育，這些利用方式都會(huì)對系統(tǒng)的溫室氣體排放產(chǎn)生影響 77。 的研究指出，土壤的 度在翻耕的作業(yè)方式下會(huì)變化劇烈，在翻耕后 1 分鐘內(nèi)土壤的表面濃度會(huì)增加 15%，要 回復(fù)正常則需要在 2 小時(shí)以上 78。 在加利福利亞的研究也表明了人類活動(dòng)的干擾會(huì)影響土壤的呼吸 79。放牧 通過影響生態(tài)系統(tǒng)群落的 植物的光合作用來改變土壤呼吸，過度的放牧?xí)档屯寥赖暮粑?、降低土壤的碳匯作用以及惡化土壤。 土壤作為 個(gè)重要的匯，顯著的受限于人類的活動(dòng) 80。 研究表明人們通過施加氮肥改變土壤性質(zhì)會(huì)明顯的抑制土壤作為 的功能的發(fā)揮 81。 研究也得到相似的結(jié)論 26。 很多研究表明，不同的土壤利用方式 下 功能 的 強(qiáng)弱不一致，相對于 森林和天然草原來說，將其開墾為農(nóng)田為降低土壤 的功能 82， 而以撂荒等方式恢復(fù)土壤 的功能需要非常長的時(shí)間 83。 9 人類活動(dòng)顯著的影響大氣中 濃度，施肥以及改變土壤的利用方式等都明顯的影響大氣中 度 的變化 84。 的研究指出人類施入農(nóng)田的N 是人們影響大氣中 濃度重要方式，占每年排放總量的 13% 85。在土壤的利用方式方面，農(nóng)田相對于 天 然草原其 排放量也明顯提高 83。 室氣體 排放的 估算 目前，對于人類活動(dòng)是引起溫室氣體排放 增加 的主要原因 的認(rèn)知 已經(jīng)成為共識(shí) ，對溫室氣體排放的估算是控制溫室氣體排放重要的基礎(chǔ) 。 對于大氣中 可靠的記錄源于夏威夷 觀測站 ， 其開始于 1958年， 已連續(xù)進(jìn)行了 40 多年； 而 對于大氣 978年；但 到目前為止， 限于技術(shù)的要求， 還沒有 對 自 20世紀(jì) 60年代以來 , 對 溫室氣體 的研究就集中于溫室氣體的 源與匯 以及與之相關(guān)的生態(tài)平衡， 特別是 對其中的 碳循環(huán) 的 研究 86 雖然這些研究大大促進(jìn)了對溫室氣體濃度的估算，但由于其參照標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 范圍的區(qū)別，使得很多結(jié)果具有不確定性。 對于溫室氣體排放量估算的廣泛關(guān)注始于 1992年的聯(lián)合國氣候變化框架公約。 為了將大氣中的溫室氣體的濃度穩(wěn)定在防止氣候系統(tǒng)受到危險(xiǎn)的 人 為 干擾的某一水平上，聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會(huì)（ 續(xù)發(fā)布來了四次全球氣候評估報(bào)告，逐步 的完善對各國溫室氣體排放 情況的估算 ，以幫助各國編制溫室氣體清單，使得各國能更好的制定減排措施和適應(yīng)氣候變化的措施。 為此， 同會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果 存在 較大誤差 88。 目前，國內(nèi)外有關(guān) 89。對大氣中 但由于 且 目前對各因子及 因子 之間的相互作用的認(rèn)識(shí)還不全面， 對其的研究結(jié)果卻并不一致 90對 大氣 中 研究限于認(rèn)知和技術(shù)的發(fā)展，不能 獲得對 源與匯準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí) ， 對 放量的 估算 仍然 是 關(guān)于溫室氣體排放的 前沿研究課題。 溫室氣體 的源與匯 對于溫室氣體的源與匯的解釋，聯(lián)合國氣候變化框架公約中給出了定義。簡單的講 ， 溫室氣體的源就是指溫室氣體向大氣 排放的過程或活動(dòng)；而溫室氣體的匯是指溫室氣體從大氣中清除的過程或 活動(dòng) 93。 在工業(yè)革命以前，由于人類的10 活動(dòng)能力有限，溫室氣體一直依存于 自 然界固有的源匯平衡。而隨著人們干擾強(qiáng)度的擴(kuò)大，如能源的大量開采和利用、土地利用方式的改變等 活動(dòng) 破壞了原有的平衡。 全球碳庫包括海洋、大氣、陸地生態(tài)系統(tǒng)以及地層中的碳庫。它們之間密切聯(lián)系，對任何一個(gè)庫輕微的干擾都會(huì)產(chǎn)生連帶的效應(yīng)。近年來，隨著人口的劇增、土 地利用方式的轉(zhuǎn)變 導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的變化，擾動(dòng)了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的穩(wěn)定， 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的變化，無疑會(huì)帶動(dòng)其它碳庫的變化，特別是大氣碳庫， 但其對碳源和碳匯的影響具有不確定性。 盡管對 產(chǎn) ，這兩個(gè)源排放的量約占到全球 0%以上 。 在排放 中，一般認(rèn)為 反芻動(dòng)物瘤胃排放的量最大 94。 在對 要的 匯在于大氣中的平流層， 5。 根據(jù) 壤是 其排放量的 90%。這其中，既包括農(nóng)業(yè)土壤排放的量，也有自然土壤排放的量。土壤排放的 素的轉(zhuǎn)化，包括硝化 、 反硝化以及非生物轉(zhuǎn)化的過程，都會(huì)伴有96除了土壤是 一重要的源在于海洋，其主要是伴隨著海水的涌升。除此之外，化石燃料的燃燒以及生物質(zhì)的燃燒也是 在 全球變化 過程 中主要表現(xiàn)出兩個(gè)作用：一是與 99二是作為全球變暖的源 101。 與 國內(nèi)外 已有的關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的研究 不同 ， 本文從溫室氣體排放的來源 以及 各個(gè)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)的角度出發(fā)研究牧場溫室氣體排放的特征，以 人文系統(tǒng)和自然系統(tǒng)耦合的角度闡述草地生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)界面的排放特征，并關(guān)注家 畜 系統(tǒng)對溫室氣體排放的貢獻(xiàn) ，具有理論和現(xiàn)實(shí)的意義。其理論意義主要表現(xiàn)在其能夠彌補(bǔ)以往研究的一些不足，包括系統(tǒng)耦合的研究、家畜生產(chǎn)的研究以及為該地區(qū)溫室氣體宏觀估算提供依據(jù)；其現(xiàn)實(shí)意義主要表現(xiàn)在能夠 了解該地區(qū)牧場各界面溫室氣體排放的特征，為溫室氣體減排提供依據(jù)，并有利于科學(xué)管理牧場的生產(chǎn)和生活。 11 第 三 章 材料 與方法 究地區(qū)概況 然概況 瑪曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州西南部，處于青海、甘肅、四川三省交界的地方，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 100469、北緯 33063。 海拔 3500m 左右，屬青藏高原東部邊緣地帶 。年均氣溫 ， 1 月平均氣溫 ， 7 ，年日照時(shí)數(shù)約 2580h，年平均霜日大于 270d，無絕對無霜期，只有冷暖季之分。年均降水量約為 620要集中在 59 月 。 土壤類型為亞高山草甸土 102 根據(jù)綜合順序分類法， 瑪曲地區(qū)屬 于 典型的高寒草甸，其草地物種以莎草科的嵩草屬（ 苔草屬和禾本科的針茅屬（ 羊茅屬（ 披堿草屬（ 早熟禾屬（ 為主。牧草一般 4 月中、下旬開始返青， 8 月中下旬開始枯黃。 會(huì)概況 瑪曲縣是青藏高原東部邊緣上一個(gè)典型的藏民族聚居地，同時(shí)也是一個(gè)多民族聚居的純 牧業(yè) 縣，是 甘肅省 主要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地之一。全縣總?cè)丝?多人，主要以藏族為主，占總?cè)丝跀?shù)的 88%?？倗撩娣e 方公里，其中天然 草地 占全縣土地總面積的 為 畝。被稱為 “亞洲第一天然優(yōu)質(zhì)牧場 ”，擁有 1400 多萬連片集中、草質(zhì)優(yōu)良、耐牧性強(qiáng)且舒展平坦 的天然草原。由于瑪曲牧業(yè)發(fā)展歷史悠久，放牧的家畜也聞名全國，其中最出名的要屬河曲馬、阿萬倉 牦牛 、 歐拉羊 以及 “ 河曲藏獒 ” ，并且瑪曲縣是它們的唯一故里，因而瑪曲縣常被稱為 “遠(yuǎn)古披毛犀牛 ”的故鄉(xiāng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2006 年，有 多只（頭） 歐拉羊、阿萬 倉牦牛以及 河曲馬 在瑪曲草原上生息著， 只（ 頭 ） ，其出欄比率為 在出欄的畜產(chǎn)品中直接供給為商品的比率達(dá)到 數(shù)量為 只 （ 頭 ） 左右。 瑪曲縣境內(nèi) 畜牧業(yè)資源十分豐富 ， 但近年來 ， 由于過度放牧以及濫伐亂挖，導(dǎo)致瑪曲進(jìn)入了草、畜、人三者之間的生存怪圈，形成了一個(gè)相互交織的 “ 死循環(huán) ” ，在短時(shí)間內(nèi)很難得到擺脫。其主要變化為：迫于人口迅速增 長以及對生活質(zhì)量要求提高的壓力，要求要大力利用天然資源，發(fā)展畜牧業(yè)、提高收入，導(dǎo)致草 地 承載量不斷加重，嚴(yán)重超出了草 地 的承載能力，導(dǎo)致草 地 退化，最終致使農(nóng)牧民收入減少、再度返貧。近年來，過度放牧越來越嚴(yán)重，瑪曲縣天然草地的無12 論是 牧草 產(chǎn)量、草層的高度還是植被的覆蓋度都嚴(yán)重退化，其中 牧草 的產(chǎn)量從1981 年至 2004 年的降幅達(dá) 1/4；草層高度也下降到 10 厘米以下，到目前為止植被的覆蓋也僅有 70%左右。高覆蓋度草地從 1986 年到 2000 年減少了 52中度覆蓋的草地也有所減少，低覆蓋的草地面積卻增加 （表 3104。 瑪曲 95%的牧民收入都來自畜牧，可瑪曲脆弱的生態(tài)，承擔(dān)不起沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，仍然難掩生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾。 表 3瑪曲縣 1986年和 2000年的土地 利用 986 000 土地類型 986 年 面積 986 (2000 年 面積 000 (面積 變化 (灌木林地 林地 高覆蓋度草地 覆蓋度草地 In 覆蓋度草地 地 壁 鹽堿地 澤地 巖石礫地 寒漠、苔原等其他未利用地 平地旱地 究方法 根據(jù)牧場系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 （圖 3， 牧場 主要包括草地子系統(tǒng)、家畜子系統(tǒng) （主要是家畜和 畜圈 ） 以及人居子系統(tǒng)，因此，為了完整的模擬 出牧場的溫室氣體排放本 文遵循以下的研究技術(shù)路線（圖 3 13 圖 3牧場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 場 草地子系統(tǒng) 家畜子系統(tǒng) 人居子系統(tǒng) 土 草 糞 斑 靜態(tài)箱 雙盆疊放 實(shí)驗(yàn)室 調(diào)查訪問 家 畜 畜 圈 廄 肥 生 活 其 它 圖 3技術(shù)路線圖 4 地子系統(tǒng)溫室氣體排放測定 草地子系統(tǒng)溫室氣體排放主要 分為 土 壤 和糞斑兩部分 ，采用靜態(tài)箱法測定，用 雙盆疊放法 測定畜 糞的分解 途徑 。 有糞 斑 和無糞 斑 草地 測定 ， 兩者為成對并排樣方。 測定前， 沿放牧地兩個(gè)對角線每 1m 測定 1 次，記錄有無糞斑，每類樣地共測定 1440點(diǎn)，計(jì)算糞斑占草地的面積比例； 同時(shí)，沿每放牧區(qū)對角線隨機(jī)設(shè)置 10 個(gè) 1m 1m 樣方，分別收集其中 畜 糞， 105 烘至恒量不變，稱量 ， 計(jì)算整個(gè)放牧區(qū)的 畜 糞總量和單位面積的糞量 ； 在每個(gè)放牧區(qū)設(shè)置 3 組 40 40 點(diǎn)，每組含相鄰的 2個(gè)樣點(diǎn)， 測定前 針對每 1 組樣點(diǎn)，先將其中一個(gè)樣點(diǎn)的 糞便 撿拾干凈，均勻分布到另一個(gè)樣點(diǎn)中， 并將地上部分齊地面刈割 移去 ， 形成有 糞和無 糞互為對照的 1組 樣 點(diǎn) 105。 畜子系統(tǒng)溫室氣體排放測定 家畜子系統(tǒng) 主要包括家畜、畜圈和廄肥三部分。家畜溫室氣體排放主要通過調(diào)查訪問 和稱重等方法獲取畜群動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用 關(guān)參數(shù) 測 算 。 畜圈和廄肥溫室氣體排放的測定采用靜態(tài)箱法 。每牧場選三個(gè)大小、高度接近的糞堆，每次測定前先根據(jù)糞堆形狀測定底邊長和高，取樣，算得 每堆糞的 面積，文中平均每個(gè)牧場堆肥面積為 堆的厚度在 右 ； 溫室氣體 在糞堆上部測定 ； 2011 年測定用的糞堆堆積的時(shí)間為 2010 年 7 月到 2011 年 4月， 2012 年測定用的糞堆堆積的時(shí)間為 2011 年 8 月到 2011 年 4 月；牧場堆積的糞便主要用于燃燒取能 。 每戶牧戶的畜圈中重復(fù)測定 3 次 ；文中平均每個(gè)牧場畜圈面積為 般包括 3 個(gè)畜圈，家畜所圈的畜圈一般根據(jù)放牧的便利性決定；測定用的畜圈中糞便的厚度在 10間 。其他同草地測定。 居子系統(tǒng)溫室氣體排放測定 人居子系統(tǒng)溫室氣體排放分為直接排放和間接排放， 直接排放主要為 生活 用能 （ 糞便燃燒 ）、 交通 用 能源 （油料，家畜挽力消耗等） ；間接排放包括生活用電、娛樂、教育和醫(yī)療等。 糞便燃燒 計(jì)算方法如下：直接排放量 = 糞便燃燒量 *糞便中碳含量 *糞便氧化率 *44/12106其中氧化率為 85%108； 交通耗能的計(jì)算公式為：排放量 = 消耗量 *消耗能源的凈發(fā)熱量 *消耗能源的排放因子 *能源的氧化率 *轉(zhuǎn)換系數(shù)，其參數(shù)為：凈發(fā)熱量為 J/4100 J109，柴油的氧化 率為 100%； 電力消費(fèi)的排放量 = 電力消耗量 *電力部門碳排放因子；其它間接能源消耗的排放量 = 其它間接能源消耗量 *其它間接能源消耗的排放因子 110；其中其它間接能源消費(fèi)的排放因子來源于 2008 年的中國投入產(chǎn)出表 。 15 定方法 態(tài)箱法 試驗(yàn) 隨機(jī) 選取 當(dāng)?shù)?3 戶典型的 牧場 進(jìn)行溫室氣體測定 ， 牧場 1、 2、 3 的放牧率分別為 UM/分別 測定了 廄肥、糞 斑 、 土壤 以及畜圈四個(gè) 組份的 溫室氣體排放 。 每個(gè) 組份 選擇三個(gè)點(diǎn) 測定 。 測定時(shí)間 分別在 草 地 的返青 期 （ 5 月） 、 旺盛期 （ 8 月） 和枯黃 期 （ 11 月） 20, 111每天的溫室氣體測定時(shí)間為 09:300 和 16:000，以模擬一天的溫室氣體排放的通量值 105。 靜態(tài)箱 為頂部和側(cè)面封閉的正方體，其長、寬、高都為 內(nèi)安裝有一個(gè) 12驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇用來混合箱內(nèi)氣體。在距離箱體頂部 10接三通閥，用于采取靜態(tài)箱中混勻的氣體，裝入 體儲(chǔ)存袋，帶回實(shí)驗(yàn)室測定溫室氣體通量。 氣體收集的具體方法如下： 在開始采樣的前一天，預(yù)先把靜態(tài)箱的底座埋入試驗(yàn)區(qū)， 試驗(yàn)開始 前先在堆體表面取一次氣體 , 然后蓋上采樣箱 ，連通電源，之后， 每 10分鐘 采集一次箱內(nèi)的氣體 ， 共 3次，同時(shí) 測量研究區(qū)域表面 下 5的溫度和箱內(nèi)空氣溫度 ， 試驗(yàn)結(jié)束后再把采樣箱掀開。在采集 試驗(yàn)區(qū)域 氣體的同時(shí)采集空氣中的氣體作為對照（一個(gè)時(shí)點(diǎn)只測一次）。氣體分析采用靜態(tài)箱 溫室氣體分析儀（手動(dòng)進(jìn)樣）法。當(dāng)天溫室氣體的排放速率的計(jì)算如下 ： F= V(dC/d t)273/(273+T)/m 43 式中： F 被測氣體排放速率， h) ； 被測氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度（ kgkg； V 取樣箱頂部空間的體積， dC/ 采樣箱內(nèi)被測氣體的濃度變化率； T 采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度 ， ; m 堆放牛糞的質(zhì)量， 層 盆疊 放 法 采用雙層盆疊放法（ of 研究 糞便 的分解（圖3 于 2012 年 5 月 收集 試驗(yàn)區(qū)域 糞 便 ，置于上層花盆 內(nèi)，每盆 100層花盆高 徑 底直徑 8.5 底部有直徑 1孔 5 個(gè)，以利于物質(zhì)下滲；盆底鋪 3 層 40尼龍紗布， 糞便 在紗布上。將盛有 糞便 的花盆置于下層花盆之上。下層花盆高 徑 體密封無洞；盆內(nèi)放置 8已知重量的干燥細(xì)砂，以收集上盆中下滲的液體。下層花盆外套 2 層塑料袋，以防止其它物質(zhì)進(jìn)入試驗(yàn)花盆以及花盆內(nèi)物質(zhì)的流失。每組花盆完全隨機(jī)區(qū)組排列，下層花盆埋于土中至盆沿，上層花盆的盆沿高出地面 46 能接收降水和降塵，防 止外界其它物質(zhì)流入。以細(xì)砂土替代 糞便 做空白對照。物質(zhì)沉降量為對照花盆中物質(zhì)的增加量。 圖 3雙層盆疊放法 3of 品收集與分析： 供試 花 盆于 2012 年 5 月 26 日埋入樣地。分別于埋樣當(dāng)日、2012 年 8 月 24 日、 2012 年 11 月 26 日和 2013 年 5 月 1 日 四 次取糞樣和細(xì)砂樣。其它，不定期收集塑料袋中的水樣，以防樣品逾出損失。 糞便 與細(xì)砂取樣時(shí)測定總重量后將 糞便 與細(xì)砂各分兩份，一份 105 烘至絕干測定干物質(zhì)，另一份自然風(fēng)干留存 備用。測定前，糞樣粉碎后測定成分。硫酸 重鉻酸鉀法測定有機(jī)碳含量， 000 流動(dòng)注射分析測定 全氮 含量。 數(shù)據(jù)分析： 糞便 的分解率（ of %）：%100) ，式中 S of g） 。 單位面積放牧地 糞便 的分解量（ of g100 F 。單位面積放牧地 糞便 的殘留量（ of g)1001( 。 糞 氮 的 分 解 量 （ of g：17 1001001 ，糞碳的釋放量（ 理計(jì)算。 單位面積放牧地糞氮的殘留量（ of g)1001(100100 11 ，糞碳的殘留量（ 理計(jì)算。 糞便 與 其中的碳、氮 平衡模式如下（圖 3 C 、 N 淋溶 L e ac h i n g o f C, N C 、 N 沉降 S e d i m e n t o f C, N C 、 N 排放 E x h au s t i o n o f C an d N C 、 N 歸還草地 R e tu o f C, N r an g e l a n d C 、 N 殘留草地 R e s i d u e o f C , N i n r an g e l a n d 圖 3糞便 C、 N 元素的轉(zhuǎn)移模式 3, N of 放牧期間單位面積氮沉降量（ , g