青藏高原高寒草甸放牧系统温室气体排放

摘要

青藏高原是我国重要的畜牧业生产基地，牦牛和藏系绵羊是其主要放牧家畜；家畜放牧系统温室气体(Greenhouse gas，GHG)排放对区域乃至全球温室气体排放清单不容忽视。本研究的试验区域位于青藏高原东缘高寒草甸，1) 2012-2013年期间研究了高寒草甸牦牛放牧系统温室气体排放，探索放牧系统中主要温室气体排放源 GHG 排放动态，评估牦牛放牧家庭牧场年度温室气体排放潜能(Global warming potential，GWP)；2)通过构建放牧梯度、不同剂量的氮素添加控制试验，2012-2014年期间连续观测了高寒草甸土壤-大气界面温室气体通量，分析放牧强度和氮素添加对高寒草甸生态系统温室气体交换通量的影响，同时观测植被特征变化和相关土壤理化性质，探讨高寒草甸温室气体通量的主要驱动因子；3) 2016-2017 年期间，重点研究了放牧和氮素添加条件下高寒草甸放牧生态系统非生长季GHG排放及年度贡献率。主要得出以下结论： （1）青藏高原高寒草甸牦牛放牧系统中，畜圏和粪堆具有较高的CH4和N2O排放通量，尤其牦牛畜圏是重要的N2O 排放源。青藏高原典型牦牛放牧家庭牧场年度总温室气体排放潜能(GWP)为334.2 t CO2-eq.(平均放牧强度1.05 yaks ha-1)。牦牛放牧家庭牧场返青季和生长旺季可以抵消部分系统GWP，但是非生长季是巨大的碳排放源。高寒草甸牦牛放牧系统中CH4和N2O对年度GWP的贡献率分别为21.1%和44.8%，因此，在评估青藏高原高寒草甸放牧系统GHG排放清单用于国家或区域土地利用政策以及评估全球GHG排放清单时，CH4和N2O的贡献不能忽略。 （2）青藏高原高寒草甸土壤与生态系统呼吸季节变化模式一致，CO2通量值生长旺季>返青季>非生长季，生态系统呼吸 CO2通量值大于土壤呼吸。放牧和氮素添加均促进高寒草甸土壤和生态系统呼吸作用，但是两者的交互作用抑制放牧或者氮素添加对呼吸作用的促进，并且放牧强度越大，抑制作用越强。高寒草甸土壤和生态系统在返青季、生长旺季和非生长季均吸收CH4，是CH4的汇；无论生长季还是非生长季，放牧可以降低 CH4吸收，氮素添加可以促进 CH4吸收，但是两者均未改变高寒草甸土壤和生态系统作为CH4汇的功能。高寒草甸土壤和生态系统全年均排放 N2O，为 N2O的排放源；氮素添加、放牧与氮素添加的交互作用均显著促进N2O排放。 氮素添加促进高寒草甸地上生物量增加，氮素添加水平越高，促进作用越强；轻牧(LSR)促进地上生物量增加，重牧(HSR)降低地上生物量；氮素添加与放牧的交互作用弱化了重牧引起的地上生物量的降低。放牧和氮素添加对高寒草甸地下生物量(0-30cm)的影响在年际间变化较大，既有促进又有抑制。连读多年氮素添加提高了高寒草甸根冠比。放牧、氮素添加以及两者交互作用对高寒草甸0-5和5-10cm 土层土壤微生物生物量碳、氮(SMBC&N)的影响差异均不显著(P>0.05)；土壤0-5cm深度SMBC&N含量均高于5-10cm。高寒草甸土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量变化随着土层深度的增加逐渐降低。放牧和氮素添加对高寒草甸土壤表层(即 0-5 和 5-10cm 土层深度)SOC 和 TN 含量影响较大，土层 10-20 和 20-30cm深度SOC和TN含量相对稳定，受放牧和氮素添加的影响较小，即放牧和氮素添加对高寒草甸SOC和TN含量的影响随着土层深度增加逐渐减弱。地上生物量(AGB)是高寒草甸生态系统呼吸、土壤呼吸以及生态系统CH4吸收的主要控制因子；5-10cm 土壤微生物生物量氮(SMBN10)是生态系统 N2O 排放通量的控制因子，同时5-10cm土壤全氮(TN10)是生态系统和土壤N2O排放通量的控制因子；0-5cm土壤微生物生物量碳(SMNC5)、5-10cm土壤全氮(TN10)和地上生物量(AGB)等因子控制着土壤CH4吸收通量。结构方程模型分析发现，土壤表层温度是CO2通量最重要的预测因子，植被因子和土壤因子分别是CH4通量和N2O通量重要的预测因子。 （3）青藏高原高寒草甸生态系统非生长季CO2累积排放量对全年CO2排放的贡献较小；高寒草甸非生长季吸收CH4，是CH4的汇；非生长季CH4累积吸收通量和N2O累积排放通量对全年累积通量的贡献分别为45.5%和44.4%，均高于CO2，对全年总排放通量十分重要。融冻和冻融期间，CO2、CH4和N2O累积通量占非生长季累积通量的比重较大，分别为 56.6%、60.4%和 43.6%。观测期间，放牧均未对CO2、CH4和N2O排放通量产生显著影响，但是氮素添加可以显著促进高寒草甸生态系统N2O排放，并且氮素添加水平越高，其促进作用越强。

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Abstract

第一章 绪论

1.1 草地生态系统主要温室气体排放机理及影响因素

1.1.1 草地生态系统

1.1.2 主要温室气体排放机理

1.1.3 温室气体排放影响因素

1.2 放牧对草地生态系统的影响

1.2.1 温室气体

1.2.2 植被

1.2.3 土壤

1.2.4 放牧家畜

1.3 外源氮素输入对草地生态系统的影响

1.3.1 温室气体

1.3.2 植被

1.3.3 土壤

1.4 研究的目的意义、主要内容和技术路线

1.4.1 目的意义

1.4.2 主要内容

1.4.3 技术路线

第二章 青藏高原牦牛放牧系统温室气体排放

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1研究区域概况

2.2.2试验设计

2.2.3 温室气体排放测定

2.2.4 土壤和堆肥理化性质测定

2.2.5 数据清单补充

2.2.6 温室气体增温潜能（GWP）评估

2.2.7统计分析

2.3研究结果

2.3.1 GHG排放通量

2.3.2 理化性质变化

2.3.3 GHG通量与环境因子之间的关系

2.3.4 全球温室气体潜能(GWP)评估

2.4讨论

2.5小结

第三章 青藏高原藏羊轮牧系统温室气体排放及对放牧和外源氮输入的响应

3.1 引言

3.2材料与方法

3.2.1 研究区域概况

3.2.2 试验设计及处理

3.2.3 试验方法

3.2.4 数据分析

3.3 研究结果

3.3.1高寒草甸温室气体排放对放牧强度和外源氮素添加的响应

3.3.4 温室气体排放与土壤、植被的关系

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 放牧和氮素添加对高寒草甸非生长季温室气体排放的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 研究区域概况

4.2.2 试验设计

4.2.3 温室气体测定

4.2.3 统计分析

4.3 研究结果

4.3.1 环境因子

4.3.2 温室气体通量排放动态及其对放牧和氮素添加的响应

4.3.3 不同时期累积温室气体通量、贡献率及其对放牧和氮素添加的响应

4.3.4 温室气体通量与环境因子关系

4.4 讨论

4.5 小结

第五章 主要研究结论，创新点及不足之处

参考文献

在学期间的研究成果

致 谢