草地管理对草原碳汇功能的影响

草地管理对草原碳汇功能的影响

人类活动，尤其是工业信息革命，导致温室内气体排放增加，导致气体浓度增加1.3，严重影响气候稳定性。如何降低CO2排放,降低空气中CO2浓度水平成为全人类共同的奋斗目标。分析全球CO2的排放和吸收,众多工业活动和农业生产被视为CO2净排放源,而森林和草原作为吸收固定平衡CO2等温室气体的主体陆地生态系统已经备受关注。为了维护地球生态系统的平衡,防止全球气候恶化,不仅要减少工农业温室气体排放,而且需要加强森林、草原等温室气体吸收主体功能,力求获得全球气体交换的平衡。森林被作为碳固定的主体已经被重视,发展碳汇林业已经写入我国十二五规划。草原作为我国最大的陆地生态系统,约占全国土地面积的40%,但草原碳汇重视不足,草原从业人员很少从草原碳汇的角度进行生产管理。随着碳贸易市场的逐步形成,草原作为重要的碳汇将具有很高的价值,可能将远高于草原生产所创造的价值。正如目前发达国家某些草原在水土保持、休闲娱乐等方面创造的价值已高于饲草生产。这种转变势必带来草原管理措施的转变。因此,了解和掌握草原管理措施对草原碳汇的影响至关重要。综述草原碳研究文献,剖析草原管理措施对草原碳固定和排放的影响,期望对我国草原管理实践提供参考。1草原碳汇和源转换的现状及问题世界草原约占全球陆地面积1/3,全球草原生态系统中碳的总贮量约为308Pg,其中约92%(282Pg)贮存在土壤中,地上生物量中的碳所占的比例不到10%(26Pg),草原土壤有机碳估计占全世界有机碳的10%~30%。我国草原植被碳储存约3.06Pg,草原土壤碳储存约41.03Pg,草原总碳储量约44.09Pg,与农业部《2010年全国草原监测报告》中草原总碳储量约42.73Pg值相似,大约占世界草原总碳储量的9%~16%。草原生态系统在植物固定CO2的同时,通过草原土壤呼吸、动植物呼吸等排放CO2,固定CO2量大于排放量,草原生态系统被称为“碳汇”,反之则为“碳源”。Piao等研究指出我国草原碳吸收大于碳排放,1980s~1990s每年固定(0.0076±0.002)PgC。青藏高原草原碳储量占全国草原总碳储量的50%左右,每年固定约55.9gC/m2。Liebig等根据44年草原土壤有机碳数据确定北美大平原草原为重要的碳汇,总的碳固持率为每年每公顷0.39~0.46MgC。采取合理的草原管理措施,可以增加土壤有机质含量,极大的提高草原的固碳能力,Wang等估计,到2020年,随着约1.5亿hm2草原围栏封育和0.3亿hm2人工草地建植计划的实施,我国草原每年可以固定0.24PgC,将远高于Piao等估计的每年固定(0.0076±0.002)PgC。草原碳会发生汇和源的转换,主要受温度、降雨等气候因子和草原管理措施影响。气候条件的改变或不良的草地管理将导致草原由碳汇转换为碳源。2草原降雨、高温和高温对草原生产力的影响草原碳汇功能发挥与植被生产力有关,植被生产力受全球气候变化的影响,任继周等研究指出我国草地的碳汇主体为植被生产力较高的高山草地、温带湿润草地、斯泰普草地和半荒漠草地,而植被生产力较低的冷荒漠尽管面积较大,但是草地固碳潜力较小。许多研究已经表明,随着空气CO2浓度增加,草原生产力水平和水分利用效率均有所提高,草原固碳能力增强。在水缺乏的荒漠草原和典型草原,生物量与降雨显著相关,降雨增多会提高草原生产力,增加草原碳固持能力;干旱胁迫降低了生长季内蒙古锡林河流域羊草草原生态系统生产力和碳累积量,使生态系统由碳汇变为碳源。在青藏高原高寒草地,也发现草地的固碳能力随着降水的增加而增加,而与温度关系不大。温度对不同草原类型生产力的影响不同。在温带湿润草原,升温延长了植物生长期,提高了草地生产力和碳储量。但在干旱和半干旱草原,因蒸发和干旱程度随温度升高而加剧,特别在降雨没有增加情况下,草原生产力和碳固持随着温度升高而下降。Li等也发现典型草原人工增温分别降低了地上和地下生物量10.3%和7.0%,不利于土壤有机质的积累。青藏高寒草甸和高寒草原冬季温度升高,导致春季花期推迟,使高寒草甸植物生长期缩短了3周、高寒草原植物生长期缩短了1个月,降低了草原净生产力和碳固持。此外,草原土壤有机碳的矿化速度受温度影响较大,相对于荒漠草原和干草原,温度对高寒草甸土壤有机碳的矿化速度影响更大,说明在全球气候不断升温的情况下,高寒草甸可能比荒漠草原和干草原释放更多的CO2。在全球气候变化情况下,草地碳汇功能的变化及其作用机制还需要进一步研究。以草原碳汇为目标的管理措施,必须综合考虑气候变化对碳固持的影响。3干旱地区土壤沙化的生态环境效应自然因素(降水)和人为因素(过度放牧)共同驱动了草地的退化。随着退化程度的加深,土壤有机碳的含量明显减少。有研究表明由于重度退化而造成的土壤(0~20cm)碳丢失量为3.80kg/m2,相当于50.87%的有机碳流失。Wang等估计中国北方草地从20世纪60年代到90年代在中度退化和重度退化草地共造成了接近1.24Pg的净碳损失。在干旱地区由于严酷的自然条件以及人类活动的干扰使土壤很容易发生沙化。土壤沙化往往会引发如侵蚀、盐渍化和板结等退化过程。干旱区土地退化和荒漠化的直接作用是促进了土壤有机碳和无机碳的矿化,增加了碳的排放;间接作用是通过减少地上生物量生产,导致土壤结构的恶化和土壤容重的增加。无机碳在干旱区土壤中的储存量超过土壤有机碳储量的2~5倍,因此干旱地区控制土壤无机碳的截留对碳汇功能的发挥具有重要意义。植被的退化与土壤盐渍化伴随发生。目前盐渍化土壤广泛分布在全世界100多个国家和地区,面积达10亿余hm2,占陆地总面积的30%左右。在吉林西部草地从羊草(Leymuschinensis)群落退化为盐碱地,40cm土壤有机碳密度47.72t/hm2减少至27.44t/hm2,减少了约42%。4采用该方法对牧场碳交换的影响4.1不同类型草地的土壤有机碳损失草原开垦对草原碳储存的影响很大,导致土壤中大量有机碳释放,使草原成为碳源。随着世界人口增长,粮食需求不断增加,世界范围内草地的开垦面积已达2.80×106hm2,草原生态系统碳净损失量约为10Pg。Wang等总结19篇文献后发现,草地开垦导致土壤有机碳含量年均下降2.3%~2.8%,造成我国草原碳储存损失30%~35%。草原开垦后,土壤有机碳的下降速率随开垦年限的增加而减少,在前20年,土壤有机碳迅速下降,之后下降速度逐渐降低。不同草原和土壤类型的土壤有机碳损失速度不同,我国灰褐土草原在开垦后42年里0~20cm耕作层土壤有机碳损失70%,褐灰钙草原则损失11%,开垦80年后损失为44%。草原开垦降低了草原生态系统的固碳能力,以围封26年草原为对照,开垦导致典型草原土壤及根系碳固持能力分别降低了37.9%和70.8%。草地开垦后土壤有机碳含量的快速下降,主要有五方面的原因。一是稀释作用,下层土壤有机碳含量比上层土壤低,草地开垦时的耕翻作用使上下层土壤相混合,降低土壤有机碳含量;二是土壤水蚀影响,在黄土高原地区,水蚀降低土壤有机碳的作用特别明显;三是风蚀作用,开垦增加了土壤的风蚀,显著降低表层土的土壤有机碳含量;四是耕翻使土壤有机质暴露在空气中,促进土壤呼吸,增加了土壤有机质的氧化分解;五是草地的多年生植被转变成农作物,向地下转运的光合产物相对减少,作物的地上部分全部收获,严重影响碳通过枯落物向地下的输送,而收获的籽实或秸秆,通过食物网或燃烧转化成CO2又排放到大气中。侵蚀作用和土壤有机质的氧化分解是土壤有机碳快速降低的主要途径,黄土高原黄绵土草地开垦5年后,0~20cm的土壤流失了90%,土壤有机质下降了77%。改善农田管理措施,可以降低土壤有机质的损失速率。在北美大草原,轮作体系和保护性耕作有效地阻止了土壤风蚀并降低了土壤有机碳的损失速率,1920年开垦的褐灰钙土在40年里下降了37%,1960年后的开垦地由于采取了轮作体系和保护性耕作,土壤有机碳只损失了11%。农田翻耕对土壤扰动大,采用免耕技术能降低土壤有机质的损失速率。4.2过度放牧能降低土壤理化性质的变化放牧对草原碳汇影响比较复杂。合理放牧管理估计每年增加土壤碳固持达每公顷0.1~0.3MgC,Pineiro等比较67组在不同国家和地区草原放牧试验结果发现,放牧草原土壤有机碳含量均大于未放牧草原,放牧以C4植物为主的矮草草原碳储量比未放牧草原高24%。在连续放牧草场,增加放牧强度将降低草原土壤有机碳含量。草甸草原土壤表层0~20cm土壤有机质和全氮含量在轻度放牧和中度放牧的情况下没有显著差异,但均显著高于重度放牧。高寒草甸重度放牧利用导致土壤碳流失。近40年来,过度放牧致使锡林河流域羊草草原土壤有机碳下降约12.4%,重度放牧导致该羊草草原每年碳净释放速率达每公顷0.106MgC。放牧对土壤有机碳的作用有3条途径:群落净生产力途径、土壤氮储存途径和枯落物的分解途径。在较高的放牧率下,动物的选择性采食改变地上植被的组成,降低地下净初级生产力和植物群落生产力,减少地下碳的输入和草地生态系统的固碳量。相对于不放牧利用的草地,合理放牧能加快草原植物地上部分的碳转换,促进土壤和植物间碳分配,一般根碳与土壤碳的比例增加。此外,放牧降低土壤中颗粒状有机物向土壤有机碳的转化,降低土壤碳的固持。对于过度放牧草地,只有20%~50%的地上净初级生物量以凋落物和家畜粪便的形式进入到土壤库中。过度放牧也导致土壤氮库存减少、C∶N增加,限制了碳的固持。过度放牧导致大量的地上植被被动物采食,降低了群落的盖度,增加了土壤表面的光照强度,可能加快土壤表层枯落物分解释放CO2的速率。4.3割草地土壤有机碳的积累与利用刈割对土壤有机质含量影响很大,高强度的刈割利用显著降低土壤有机质含量。高强度刈割利用2年后(刈割高度为2cm),草地0~10cm土壤有机质含量显著降低。Franzluebbers和Stuedemann监测12年美国佐治亚州人工草地利用方式对土壤有机碳的影响,发现割草地土壤有机碳显著低于放牧草地和未利用草地,仅有重牧草地的82%,每年每公顷碳损失达0.22Mg,但内蒙古自由放牧的情况下,割草地土壤有机碳比放牧地高59%,比围封不利用的草地低。其可能原因是我国内蒙古草地的刈割频度是一年一次,每年8月中旬刈割,利用强度比自由放牧地低,因此有机碳的积累比放牧地高;而美国佐治亚州人工草地生产力高,每月割草一次,刈割强度大,12年的刈割利用带走大量的土壤营养元素,利用强度比放牧草地大,故而割草地土壤有机碳低于放牧地。宁发等也发现,多年连续割草利用的草地土壤有机质、全N、全P、全K、速效P和速效K含量显著低于季节性封育草地,连续割草利用不利于土壤肥力的蓄积及草地的可持续利用。另外,单贵莲等研究指出,退化草地在围封恢复过程中若连续多年刈割利用,容易再次发生退化演替,导致草群矮化和土壤有机质等含量下降。割草利用导致土壤有机质减少的原因是:多年连续高强度刈割利用降低光合产物向地下转运,降低草地初级生产力,减少营养物质储存,不利于第二年草地返青;枯落物减少和大量N、C、P等物质以草产品的方式被带走,特别是氮的损失导致土壤氮亏缺,对割草地的初级生产力产生负反馈,不利于割草地碳固持。与轻度放牧地或不放牧利用相比,合理的刈割利用有利于植被更新,能增加土壤碳的库存。对割草地的管理,通过施肥等管理,及时返还草地损失的营养物质,增加草地净初级生产力,可有效提高其固碳能力。5重度退化草地的管理草原改良是草地持续管理的重要内容,改良措施主要包括重度退化草地的围封禁牧、补播改良,轻度和中度退化草地的浅耕翻、施肥、灌溉,以及开垦农田的撂荒管理和草地重建等。各种改良措施的正确运用是草原碳汇恢复的关键。5.1环境改善,减少草地碳汇围封禁牧是我国退化草地植被恢复的主要措施,全国重度退化草地如果全面实施围栏封育措施,固碳潜力每年达12.01TgC。Wang等根据我国205个退化草原样点观测数据估测,围栏封育后草原土壤有机碳平均每年增加6.3%。随着围封禁牧年限的增加,土壤有机质含量逐渐升高,羊草草地围封禁牧20年以后,土壤有机质含量可以达到稳定。围封禁牧草地增加碳汇的主要原因是封育促进了草原植被恢复,提高净初级生产力和光合产物向地下的转运量,同时改善恢复了地下生物和非生物环境。围封禁牧有效地改善退化草地地上植被的群落结构,显著提高地上生物量、地下生物量、立枯物和凋落物的量,碳汇功能增强。在风蚀较严重的阿拉善荒漠草原,采取封育措施后,草原植被逐渐恢复,输入土壤的凋落物增加,土壤风蚀减少,促进了土壤有机碳含量增加。围栏封育后,草原土壤微生物生物量C、N、P和土壤脲酶、磷酸单酯酶、脱氢酶、蛋白酶活性均大幅度提高,土壤微生物活性增强,同时草地土壤含盐量、pH值显著下降,土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷等养分含量也显著增加,改善了土壤生物环境,土壤养分含量的增加可促进碳的固持。5.2补播对土壤有机质的影响围封禁牧可以提高草地碳汇,但对重度退化草地采用围封禁牧的自然恢复需要时间较长,固碳效率较低。退化草地的封育恢复主要依靠土壤种子库的自然萌发,研究发现重度退化草地上优势种大多在土壤种子库中缺失或种子密度较低,通过补播关键种和缺失种,能够有效的促进退化草地的植被恢复和碳汇增强。Conant等总结前人研究结果估测,补播后草地每年每公顷可增加固碳0.75~3.04Mg,石锋等比较补播改良与围封禁牧对土壤有机质的影响,发现补播草地土壤有机碳的年增加量最大,达每公顷0.9Mg,围封禁牧草地土壤有机碳的年增加量只有每公顷0.48Mg。另外有研究表明,补播物种对土壤有机质的影响不同,如Wang等指出单播多年生禾草对土壤有机质影响不大,而同时补播豆科和禾本科牧草可显著增加土壤有机质含量。因此,补播改良是重度退化草地碳汇恢复的有效措施,补播牧草种类对固碳效率影响较大。5.3耕翻改善土壤理化性状对退化草原进行浅耕翻改良,在草地浅耕翻改良初期,土壤透气性增加导致土壤有机质分解加快,土壤N2O和CO2释放增加,不利于草地碳的固持。从长远来看,浅耕翻可有效地改善草地土壤物理性状,增加土壤团聚体结构的稳定系数,降低土壤容重,提高土壤保水能力,同时促进土壤中有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷等养分的快速积累,土壤物理性状的改良和养分含量的提高,将提高生物量并增加群落多样性,促进植被恢复,提高草地碳汇功能。川西北草地耕翻改良3年后,翻耕草地的有机质比天然放牧草地高58%。浅耕翻与补播等措施相结合效果更好,在改良的当年即显著提高草地生物量和牧草品质,0~10cm土壤有机质含量增加100%。5.4草地高效措施水分是干旱或半干旱地区草地生物量的第一限制因子。草地灌溉后净初级生产力增长迅速,增加草地碳的固持,Conant等指出草地灌溉每年每公顷可增加碳固定0.11Mg。O’Brien等研究发现土壤水分含量和植被是草地恢复过程中土壤有机质增加的主要驱动因子。退化草地灌溉后,植物种类数和丰富度增加,草地净初级生产力提高,促进植被恢复重建,灌溉也增加土壤水分,改善土壤物理结构,提高土壤养分的有效性,有利于草地碳固持。5.5施肥对草地碳汇的作用施肥对草原碳汇有着积极作用。Wang等综述我国草原施肥研究文献发现,施肥平均每年增加5%土壤有机碳,Conant等总结美国和欧洲草地施肥的研究结果,发现施肥平均每年增加2.2%土壤有机碳。大多数退化草地处于养分亏缺状态,有效养分含量较低,对退化草地合理施肥,可迅速增加植被植物多样性,促进草原生产力恢复,提高草原土壤有机碳水平。对于管理良好的草地,施肥可有效补充放牧或刈割利用带走的营养元素,平衡草地营养物循环,有利于土壤有机碳的增加。施肥对草地碳汇的作用与肥料种类有关。vanKessel等和郑海霞等发现施氮肥对土壤碳含量影响不大,原因可能是氮肥加快有机物质的矿质化过程,降低土壤有机质累积;但施用羊粪的草地土壤有机质比对照增加了28.4%。施用化肥只能补充某种或某几种土壤养分,长期的施用过量化肥还会造成土壤酸化,而施用有机肥可以增加多种土壤养分的含量及可利用性。对于退化草地,施用有机肥能够增加植物群落多样性,促进植被恢复,提高土壤有机碳增加了碳的固定,草地土壤碳增加一部分也来自于有机肥中的碳。5.6化学计量养分土壤有机质等养分的变化农田撂荒以后,能够增加土壤碳的固持。Wang等估计我国弃耕地每年每公顷固定碳1.28Mg,相当于土壤有机碳含量每年增加6.3%。黄土丘陵区农田弃耕后,群落地上生物量和全氮、全磷、全钾、NO3-N、NH4-N、速效钾、土壤有机质等土壤养分,都呈先减少趋势,10~15年后土壤有机质等养分增加。也有研究发现松嫩羊草草原土壤有机质含量随撂荒年限的增加而增加。其原因可能是:在干旱地区,撂荒演替初期,植被恢复较慢,净初级生产力低,植被盖度低,风蚀作用严重,不利于土壤碳的积累,当撂荒地逐渐恢复成原生植被时,土壤养分积累增加,土壤有机质含量逐渐增加;而在较湿润的羊草草原,农田撂荒后芦苇(Phragmitescommunis)等禾本科草类迅速生长,净初级生产力较高,有利于土壤碳的积累。5.7不同植被对土壤碳等碳的影响张平良等研究指出,在高寒地区,农田弃耕后种植老芒麦草(Elymussibiricus)和撂荒分别使0~30cm土壤有机碳含量分别增加了19.7%~22.4%和7.3%~10.6%,种植人工草地的固碳效率是撂荒地的1~2倍。农田弃耕以后,撂荒草地土壤有机质在10~15年内降低或缓慢上升,固碳效率低,建立人工草地能极大的提高固碳效率。人工草地固碳主要与草地建植年限和草地植被类型有关。在0~20cm的土层上,紫花苜蓿(Medicagosativa)人工草地建植年限越长,越有利于土壤碳的固定,种植年限与土壤有机碳含量呈显著正相关。Conant等估计农田转变成多年生禾草地后,平均每年的固碳量为1.01Mg/hm2。多年生牧草比一年生牧草对土壤有机质的贡献大,豆科牧草比禾本科牧草有更强的固碳能力,豆科和禾本科牧草混播固碳效率最高。其可能原因是豆科牧草主要是主根系植物,而禾本科牧草是具有较深的根系,豆科牧草将更多的光合产物转移到地下。另外,在养分含量较低的弃耕地,豆科牧草能固定氮提高磷的有效性,能获得更大的生物量,地上生物量与有机质呈极显著正相关,地上生物量越高,形成的有机质越多。农田种植灌木也能增加土壤有机碳,建植2年的柳枝稷(Panicumvirgatum)草地土壤碳没有明显变化,但建植10年的柳枝稷草地土壤有机碳比邻近的弃耕地高28%~45%。人工草地的建植也可能降低土壤有机碳含量,或对土壤有机碳没有影响。如加拿大开垦天然草原种植冰草(Agropyroncristatum)13年后,土壤碳储量和对照相比无显著变化。在高寒地区,开垦自然植被分别种植20多年一年生燕麦草(Avenasativa)和种植7年多年生禾草,0~30cm土壤有机碳含量分别比围栏草地降低了27.7%和8.5%,张法伟等也发现人工草地与围封样地相比较,显著地降低了土壤表层有机质含量。开垦加速了有机质的分解,不利于草地固碳;而且植物群落的多样性越高,草地固碳能力越强。开垦天然草地建植人工草地可能因草地群落结构单一而降低固碳效率,导致土壤有机质降低。6对草原的影响草原管理是调控草原各生产要素以获得最优的产品和为社会提供最优质服务,其基本内容为保护和改善土壤、植被状况,维持或增加草地畜产品产量,保障草原可持续发展。对于退化草地生态系统固碳主要应从增加地上植被光合固碳和稳定土壤结