不同干擾強度高原鼠兔對高寒草甸土壤溫室氣體通量變化的影響

李 婧 2, ，王蘇芹 2, ，談昭賢,4，曲家鵬 2,

（1.中國科學院西北高原生物研究所, 青海 西寧 810001；2.中國科學院大學, 北京 100049；3.青海省動物生態基因組學重點實驗室, 青海 西寧 810001；4.青海師范大學, 青海 西寧 810001）

溫室氣體排放導致的氣候變化已成為世界各國共同面對的嚴峻環境挑戰，是全球變化生態學研究的熱點問題[1]，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是最重要的3 種溫室氣體[2]，在2021 年均 創 下 了 濃 度 新 高，分 別 為415.7 mg·L-1、1 908 μg·L-1和334.5 μg·L-1[3]。溫室氣體變化受到多種因素影響，如化石燃料開采增加CH4排放、化石燃料燃燒增加CO2和N2O 排放，影響全球氣候變化[4]。同時，土壤溫室氣體通量變化與土壤微生物轉化土壤有機質密切相關[5]，受到土壤有機質含量、土壤濕度、土壤溫度、土壤pH 等多種因素影響。

青藏高原在調節區域生態系統平衡中發揮著重要作用，該生態系統結構簡單、功能脆弱[5]，對氣候變化的響應更為敏感[6]。高寒草甸是青藏高原的主要草地類型，占青藏高原草地總面積的53%[7]，土壤富含有機質，極具溫室氣體排放潛能，使之成為溫室氣體排放的重要來源[8]。牛、羊等大型食草動物的活動直接或間接影響著溫室氣體排放[9]。研究表明，食草動物的活動會提高土壤微生物活性加速碳循環，從而促進CO2排放[10]；家畜的排泄物限制氨氧化古菌生長，增加N2O 排放[11-12]；家畜的踩踏及其排泄物還可以改變土壤容重和碳氮含量，增加與CH4通量相關的土壤微生物豐度，加強高寒草地對CH4的吸收作用[13]。

小型穴居食草動物是造成草地擾動的主要因素之一[14]，它們通過刈割地上植物、掘洞及排泄等行為對溫室氣體通量產生影響[15]。高原鼠兔是青藏高原特有的小型穴居食草動物[16]，是高寒草甸生態系統的關鍵種[17]。Zhou 等[18]研究發現，與無高原鼠兔干擾區域相比，高原鼠兔掘洞使得洞穴處N2O 排放量增加，CH4吸收增加。也有研究表明，高原鼠兔通過選擇性采食改變植物地上、地下生物量，影響土壤有機質轉化[19-20]，排泄尿液和糞便改變土壤pH[21]，掘洞改變土壤的透氣性、溫度、濕度等，對土壤的碳、氮循環產生影響[22-24]。土壤濕度變化是驅動CH4吸收速率改變的重要因素[25]，土壤pH 會直接影響土壤CO2、CH4和N2O 通量[26]。孫飛達等[27]研究表明，高原鼠兔洞穴密度會對高寒草甸土壤理化性質產生廣泛影響，土壤理化性質的改變直接影響土壤微生物活性，調節土壤有機質轉化效率，間接影響土壤溫室氣體通量變化[28]。然而，不同干擾強度高原鼠兔是否影響高寒草甸土壤溫室氣體排放速率目前尚不清楚。本研究通過比較不同高原鼠兔密度下土壤溫室氣體通量差異，探究鼠兔干擾強度對高寒草甸溫室氣體通量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

樣地位于中國科學院海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站(海北站)附近。該站地處青藏高原東北隅，祁連山北支，冷龍嶺東段南麓的大通河河谷(37°29′～37°45′ N，101°12′～101°23′ E)。此處屬于典型的高原大陸性氣候，夏季受到東南季風的影響，因祁連山阻隔使當地降水略多，冬季受到西伯利亞高壓的影響，氣候寒冷干燥，降水較少。無明顯的四季之分，年平均氣溫-1.7 ℃，年均降水量約580 mm，其中80%分布于植物生長季的5月－9 月。試驗期為2021 年9 月。試驗樣地為高寒矮嵩草草甸，主要優勢植物有矮生嵩草(Kobresiahumilis)、異針茅(Stipa aliena)、麻花艽(Gentiana straminea)、美麗鳳毛菊(Saussurea superba)等。該地區海拔約3 200 m，高原鼠兔是樣地內唯一的小型穴居食草動物。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，樣地位于海北站以西約5 km 處。試驗樣地均設置在冬季牧場，以排除試驗期內放牧干擾。野外試驗設置3 個處理，4 次重復，共計12 個樣區，每個樣區面積為625 m2。根據高原鼠兔對高寒草甸植被及土壤理化性質的影響[27,29]，高原鼠兔3 個處理水平，高密度組(H)、低密度組(L)和對照組(CK) 的平均有效洞口數分別為1 587、667 和41 個。每個樣區中同時設置3 個50 cm ×50 cm 的調查樣方，樣方間隔約為20 m，12 個樣區共計36 個樣方。試驗期內共進行3 次樣品采集。

1.3 取樣方法及測定指標

調查每個樣方內的植被種類、總蓋度、分蓋度及高度。在植被樣方調查后刈割樣方內所有植物地上部分，帶回實驗室烘干稱重記為植物地上生物量(aboveground biomass，AGB)。在收割地上生物量后采集土壤樣本，每個樣方中采用“V”型取土樣3 鉆(0－10 cm)并混合，去除肉眼可見的石塊及昆蟲，將土壤樣品過2 mm 篩，土壤部分進行室內自然風干處理，用于理化性質測定。過篩后的根系經過漂洗、烘干后稱重記為植物地下生物量(belowground biomass，BGB)。

土 壤 全 磷 (total phosphorus， TP)和 速 效 磷(available phosphorus，AP)含量采用鉬銻抗分光度比色法測定，土壤全氮(total nitrogen，TN)含量采用凱氏定氮法測定，土壤硝態氮(NO3--N)含量采用雙波段紫外比色法測定；土壤銨態氮(NH4+-N)含量采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤含水量使用TDR便攜式土壤水分測定儀(美國，Spectrum，型號：6440FS)測定，土壤溫度使用便攜式數字溫度計(中國，今明，型號：JM624)測定，土壤pH 采用電位法(水土比2.5 ∶ 1)測定。以上測定方法參見文獻[30]。

采用靜態箱－氣相色譜法測定溫室氣體通量。箱體為50 cm × 50 cm × 50 cm，箱體外用白色塑料泡沫包裹，箱體頂部裝有直流風扇用于混合箱內氣體樣品。每天上午09:00－11:00、下午16:00－18:00進行氣體樣品采集，此時的通量能代表1 d 的平均通量[31]，分別采集蓋箱后0、10、20、30 min 時的氣體樣品，同時測量箱內溫度。高寒草甸生長季主要表現為土壤溫室氣體CO2、N2O 的源及CH4的匯，9 月份植物生長末期出現溫室氣體通量的峰值[32-33]。因此，本研究中土壤溫室氣體通量測定選擇在9 月份，每周測定1 次，共測定3 次。氣體樣品中CO2、CH4和N2O 的濃度采用島津GC-2014C 氣相色譜儀進行測定。CO2、CH4和N2O 的氣相色譜分析參考王躍思和王迎紅[34]的方法進行。

表1 不同處理間土壤理化性質差異Table 1 Differences in soil physicochemical properties between treatments

溫室氣體排放速率計算公式為：

式中：F為溫室氣體通量，為氣體濃度梯度隨時間線性回歸的斜率，M為每種氣體的分子質量，P為大氣壓力，T為采樣時的溫度，V0、T0、P0分別為標準條件下的氣體摩爾體積、絕對空氣溫度和大氣壓力，H為采樣時的密閉箱高度。

1.4 數據處理

經Shapiro-Wilk 檢驗，數據不符合正態分布，采用Kruskal-Wailis 檢驗比較處理間差異顯著性。使用“nlme”程序包篩選與溫室氣體通量相關的環境因素，模型選擇運用赤池信息量準則(akaike Information criterion，AIC)，AIC 值越小，代表模型擬合越好，模型之間AIC 值的差值(ΔAIC) ≤ 2 時，認為模型為最優模型[35]。使用“RandomForest”程序包進行隨機森林模型處理，進一步分析不同環境因素對溫室氣體通量影響的重要程度。所有統計分析均采用R 4.1.3 軟件進行。

2 結果

2.1 不同處理土壤溫室氣體排放速率

高密度組樣地CO2排放速率596.66 mg·(m2·h)-1，顯著低于對照組的695.45 mg·(m2·h)-1(P＜ 0.05) (圖1A)。高 密 度 組 樣 地CH4吸 收 速 率 約-43.46 mg·(m2·h)-1，顯 著 低 于 低 密 度 組 的4.92 mg·(m2·h)-1(P＜ 0.05)(圖1B)。高密度組、低密度組樣地的N2O 排放速率分別為8.03、-2.39 μg·(m2·h)-1，均顯著高于對照組的-16.69 μg·(m2·h)-1(P＜ 0.05) (圖1C)。

圖1 不同處理間CO2 排放速率、CH4 吸收速率和N2O 排放速率Figure 1 CO2 emission rate, CH4 uptake rate, and N2O emission rate among different treatments

2.2 影響溫室氣體通量的因素

植物地上生物量與高寒草甸土壤溫室氣體排放速率受到土壤理化性質的影響(表1)，高密度組樣地土壤水含量顯著高于對照組(P＜ 0.05)，土壤NH4+-N 含量顯著低于低密度組和(P＜ 0.05)。植物地上生物量受高原鼠兔平均有效洞口數影響，高密度組顯著低于低密度組和對照組(P＜ 0.05) (圖2A)，植物地下生物量在不同處理間無顯著差異(圖2B)。由模型選擇結果可知，高原鼠兔密度、植物地上生物量和土壤NO3--N、NH4+-N、pH 和含水量均影響溫室氣體排放速率。在影響溫室氣體排放速率的諸多因素中，高寒草甸CO2排放速率主要受到高原鼠兔密度、AGB、土壤pH 和含水量的影響(表2)。土壤NO3-N、NH4+-N、pH 和土壤含水量均影響高寒草甸CH4和N2O 排放速率(表3 和表4)。

表2 CO2 排放速率與環境因子關系模型選擇表Table 2 Model selection table for relationships between CO2 emission rate and environmental factors

表4 N2O 排放速率與環境因子關系模型選擇表Table 4 Model selection table for relationships between N2O emission rate and environmental factors

圖2 不同處理間植物地上生物量和植物地下生物量差異Figure 2 Differences in plant aboveground biomass and plant belowground biomass between treatments

隨機森林模型結果表明，土壤含水量、pH、AGB 和高原鼠兔密度是對溫室氣體通量影響最大的4 個因素。其中，土壤含水量對高寒草甸CO2排放的影響最大，重要性指標IncMSE 為13.14%(圖3A)。pH 對高寒草甸CO2排放的影響程度僅次于土壤含水量，其次為AGB 和高原鼠兔密度，重要性指標IncMSE 介于9.68%～12.97%。土壤NO3--N 是對高寒草甸CH4吸收速率影響最大的環境因素，IncMSE 為19.98%。其次是土壤NH4+-N，再次為土壤pH、高原鼠兔密度和土壤含水量，重要性指標IncMSE 介于13.38%～18.27% (圖3B)。高原鼠兔密度是高寒草甸N2O 排放速率的主要影響因素，其重要性指標IncMSE 為18.76%，其次為土壤pH、NO3--N、NH4+-N 和含水量，其重要性指標IncMSE 介于10.96%～14.40% (圖3C)。

圖3 采用隨機森林模型分析環境因素對CO2、CH4 和N2O 排放速率的相對重要性Figure 3 Random forest model to analyze the relative importance of environmental factors to CO2, CH4, and N2O emission rates

3 討論與結論

草地生態系統作為我國最大的陸地生態系統，其面積約占陸地總面積的43.7%[36]。草地生態系統溫室氣體排放速率直接影響大氣中溫室氣體含量[37]。已有研究表明，高寒草甸溫室氣體排放速率受地上植被－土壤微環境的耦合影響[38]。放牧是青藏高原草地生態系統的主要利用方式之一[39]，大型食草動物啃食牧草影響植物生產力，對草地的踩踏也會影響土壤的物理性質(如土壤容重、土壤含水量)[40]，其排泄物會改變土壤的化學成分[41]。植物的生產力與土壤環境因子關系密切[42]。植物生產力、土壤理化性質變化也會引起溫室氣體排放速率的改變[43]。除大型食草動物外，青藏高原棲息著多種小型食草動物，其中高原鼠兔作為青藏高原的關鍵種，因選擇性采食、挖掘洞穴對高寒草甸植物和土壤呼吸產生廣泛的干擾。高原鼠兔干擾強度的增加意味著選擇性采食及挖掘行為的加強[44]。已有研究表明，高原鼠兔采食、掘洞及排泄行為引起土壤溫度與濕度、植物生物量的變化，直接或間接影響溫室氣體排放速率[45]。本研究結果表明，不同干擾強度下，高寒草甸溫室氣體排放速率存在差異，CO2排放速率受到植物地上生物量、土壤pH 和含水量的影響，CH4吸收速率和N2O 排放速率受到土壤NO3--N、NH4+-N、pH 和含水量的影響。

3.1 不同高原鼠兔干擾強度對CO2 排放速率的影響

草地生態系統CO2排放量由植物呼吸和土壤呼吸兩部分組成，其中土壤呼吸包括植物根呼吸、根系微生物呼吸及土壤微生物對土壤中有機質的分解作用[46]。本研究結果表明，高寒草甸CO2排放速率隨著高原鼠兔干擾強度增加總體呈降低的趨勢，高密度組樣地CO2排放速率顯著低于對照組(P＜0.05)，這種差異主要受到土壤含水量和pH、植物地上生物量及高原鼠兔密度的影響。在影響CO2排放速率的這些因素中，植物及微生物受土壤含水量的影響最大。土壤含水量隨著高原鼠兔平均有效洞口數的增加發生明顯變化[27]。高原鼠兔能夠改變土壤理化性質及土壤好氧/厭氧環境，這些環境因素的改變直接影響土壤微生物活動，從而導致溫室氣體通量變化[47-48]。這與Zhao 等[45]的結論相一致，高原鼠兔挖掘洞穴直接影響土壤溫度和微生物量，間接影響土壤含水量。已有研究發現，高原鼠兔擾動會影響植物呼吸和土壤呼吸。鼠兔掘洞將深層土壤帶到地表并掩埋洞口附近植被，直接降低植物地上生物量[45,49-50]，CO2排放中植物呼吸部分減少。同時，掩埋的植被由微生物分解利用，增加土壤碳輸入，挖掘的洞穴使隧道表面土壤與空氣接觸面增大，土壤呼吸部分增強。高原鼠兔掘洞造成高寒草甸CO2排放減少或無顯著變化，造成這種差異的原因可能是高原鼠兔的干擾對植物呼吸和土壤呼吸具有相反的影響[51]。本研究中，隨著高原鼠兔干擾強度增加，高寒草甸退化加劇，植物地上生物量減少，植物呼吸減少量高于土壤呼吸增加量，可能是致使CO2排放整體下降的主要原因。

3.2 不同高原鼠兔干擾強度對CH4 排放速率的影響

高寒草甸通常是大氣CH4的匯[12]。在厭氧環境中，CH4的排放主要由甲烷菌產生后擴散進入大氣，而CH4的吸收主要發生在有氧環境中，大氣中CH4被土壤中的甲烷氧化菌氧化吸收，其通量取決于產生量與吸收量的平衡[52]。本研究中，高原鼠兔低干擾強度下CH4吸收速率無明顯變化，隨著干擾強度的增加，高寒草甸CH4匯的作用增強，高密度組樣地CH4吸收速率顯著高于低密度組(P＜ 0.05)，但與對照組無顯著差異(P＞ 0.05)。隨機森林分析結果表明，CH4吸收速率受到高原鼠兔密度、土壤NO3-N、NH4+-N、pH 和含水量的影響。高原鼠兔干擾強度的增加使得土壤通氣性發生變化，有利于CH4的吸收和氧化[18]，這與本研究中高密度組CH4吸收速率顯著高于低密度組的結果相一致。高寒草甸CH4的吸收與排放過程受到土壤微生物活性的影響。已有研究表明，NH4+對甲烷氧化菌有抑制作用[53]，抑制土壤對CH4的吸收能力[54]。高密度組土壤NH4+-N 含量顯著低于低密度組(P＜ 0.01)，在NH4+的抑制作用下，低密度組樣地CH4吸收速率明顯低于高密度組。同時，這可能與反硝化型甲烷厭氧菌的氧化作用有關[55]。Li 等[56]指出土壤pH 直接影響產甲烷菌和甲烷氧化菌的活性，間接改變了CH4吸收速率。Zhou 等[18]指出高原鼠兔會通過挖掘洞穴來改變土壤含水量，影響CH4吸收速率。有研究表明，干旱地區的土壤微生物活性受到抑制，一定程度上CH4的吸收隨著土壤含水量的升高而增加[57]。本研究中，雖然高密度組土壤水含量與低密度組無顯著差異，但總體上前者明顯高于后者且接近顯著性水平，導致高密度組樣地CH4的吸收速率顯著高于低密度組(P＜ 0.05)。

3.3 不同高原鼠兔干擾強度對N2O 排放速率的影響

草地土壤通常是N2O 的源，其通量變化受到硝化細菌、反硝化細菌活性的影響[12]。本研究中，高密度組樣地N2O 源的作用顯著強于對照組，同時低密度組樣地N2O的排放速率顯著高于對照組。由隨機森林分析結果可知，高寒草甸N2O 排放速率受到高原鼠兔密度、土壤pH、NO3--N、NH4+-N 和含水量的影響。研究結果表明，隨著高原鼠兔干擾強度的增加，高寒草甸土壤N2O 排放速率隨之增加，這與Zhou 等[18]的研究結果一致[18]，這可能是由于高原鼠兔干擾使得土壤透氣性改變，N2O 排放速率也隨之呈現出增加的趨勢。同時，關于在德國南部山地草地田鼠擾動的一項研究也指出，當田鼠擾動強度大時，該區域土壤氮周轉循環受到干擾，使得N2O 排放增加[15]。植物生長過程中吸收土壤中的氮素[56]，這可能導致生成N2O 的底物減少，影響N2O 的排放。高原鼠兔的選擇性取食和掘洞顯著降低了植物地上、地下生物量，因此隨著鼠兔干擾強度增加，植物對氮素的吸收減少，使N2O 排放呈增加的趨勢。已有研究證明，土壤pH 是土壤中N2O 的吸收與排放的主要因素[58]，土壤pH 的改變直接影響參與硝化、反硝化過程的酶活性產生。高原鼠兔干擾強度的增加使得土壤透氣性增加[39]，與N2O 排放密切相關的NO3--N、NH4+-N 可用性隨之增加，從而向大氣釋放更多N2O。高強度的高原鼠兔干擾會降低土壤含水量[59]，后者是影響N2O 排放速率的重要指標，這可能是因為硝化和反硝化細菌對土壤濕度非常敏感[60]，間接影響了N2O 的釋放速率。本研究中隨著高原鼠兔干擾強度的增加，高寒草甸由N2O 匯轉變為源。這可能是因為反硝化作用的增強消耗了更多的N2O 生成N2，當土壤中N2O 的還原量超過產生量時就會表現出土壤對N2O 的吸收[61]。

綜上所述，高原鼠兔不同干擾強度對高寒草甸CO2、CH4和N2O 的排放速率和吸收速率產生了顯著影響。高原鼠兔干擾強度的增加，使高寒草甸的CO2排放速率降低，CH4吸收速率增強，N2O 從匯轉變為弱源。在今后探究小型食草動物對草地溫室氣體通量的影響時應考慮其干擾強度的因素。