3種高寒草甸土壤CO2通量及碳密度差異變化

魏巍　曹文俠　張小嬌

摘要：在祁連山東緣選擇珠芽蓼草甸（P）、針茅草地（S）、杜鵑灌叢草甸（R） 3種高寒草甸，利用LI8100A土壤CO2通量自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)與室內(nèi)分析相結(jié)合的研究方法，分析了土壤有機(jī)碳密度、碳通量的動(dòng)態(tài)及其與環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明：不同植被類(lèi)型的土壤有機(jī)碳密度差異顯著，大小順序?yàn)镽>S>P，隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低；土壤CO2 通量大小順序?yàn)镾>P>R，樣地P、S呈單峰變化。峰值均出現(xiàn)于14∶00 ～ 15∶00；土壤CO2通量與近地面的空氣濕度、碳含量顯著負(fù)相關(guān)，與土壤溫度、近地大氣溫度顯著正相關(guān)，與土壤含水量無(wú)明顯相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：高寒草甸；土壤呼吸；土壤有機(jī)碳；氣候因子；土壤溫度

CO2氣體引起的全球變暖已經(jīng)成為當(dāng)今世界亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。從1832年至今大氣中CO2含量提高了30%，造成大氣平均溫度上升0.7 ℃[1]。氣候的變化將對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、動(dòng)、植物生長(zhǎng)繁殖與分布產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展措施，應(yīng)對(duì)氣候變化成為世界一個(gè)迫切而艱巨的任務(wù)。探究土壤的碳循環(huán)收支，是合理開(kāi)發(fā)利用土地的重要前提[2]。土壤儲(chǔ)存著全球近2/3有機(jī)態(tài)碳[3-5]，而草原的陸地覆蓋面積為25%～50%，碳貯量高達(dá)7.61×1012 t[6]，由此可見(jiàn)，草原土壤對(duì)全球碳循環(huán)也有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。高寒地區(qū)植被豐富，溫度較低，土壤有機(jī)質(zhì)分解率低，由于長(zhǎng)年累積，土壤碳儲(chǔ)量巨大。有研究顯示高寒草原1 m深度土壤碳儲(chǔ)量為7.4×109kg[7]。因此，對(duì)高寒草甸的研究更顯得刻不容緩。

土壤呼吸包括根系呼吸、微生物和動(dòng)物、有機(jī)質(zhì)的化學(xué)分解的過(guò)程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣釋放CO2主要因素之一[8-10]。研究土壤CO2通量變化規(guī)律及影響因素，對(duì)探究氣候變暖的條件下，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有著極為重要意義。國(guó)內(nèi)有關(guān)土壤CO2通量的研究長(zhǎng)達(dá)30年，發(fā)表較多，但對(duì)高寒區(qū)土壤CO2通量的研究較少。為此，通過(guò)對(duì)東祁連山3種高寒草甸土壤CO2通量、碳密度及其關(guān)鍵影響因子的變化進(jìn)行研究分析，揭示該區(qū)土壤呼吸的影響因素及對(duì)全球碳循環(huán)的作用，旨在為氣候變暖條件下高寒區(qū)碳交換的預(yù)測(cè)提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)地處甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)天祝高山草原試驗(yàn)站，地理位置為N 37°11′，E 102°47′，平均海拔3 200 m，屬半干旱向干旱區(qū)過(guò)渡帶，是東亞季風(fēng)到達(dá)的最遠(yuǎn)端。地處亞洲大陸腹地，屬高原大陸性氣候，高海拔與長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月降雪期決定了其氣溫很低，年均溫0.1 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為18.3 ℃。每年5月下旬植物進(jìn)入返青期，10上旬枯黃，生長(zhǎng)季長(zhǎng)達(dá)120～140 d?？諝庀鄬?duì)濕度為51.4%，平均氣壓為6.97×105 Pa。草地土壤為亞高山草甸土，有機(jī)質(zhì)含量豐富。但土層較薄顯微堿性。

受地形及光照時(shí)間的影響，陰陽(yáng)坡植被分異明顯。陽(yáng)坡以披堿草屬（Elymus）、針茅屬（Stipa）等為優(yōu)勢(shì)植物，陰坡以嵩草（Kobresia spp.）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）等為優(yōu)勢(shì)植物。而濕度較大的地區(qū)以灌木植被為主（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年8下旬，選擇3種高寒草甸為研究對(duì)象進(jìn)行土壤CO2通量的測(cè)定。土壤碳通量采用自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)LI8100A采集與儲(chǔ)存，要求測(cè)定必須在天氣晴朗、氣候條件穩(wěn)定下進(jìn)行。測(cè)定前一天在每個(gè)樣地類(lèi)型中隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，布設(shè)3個(gè)內(nèi)徑20 cm、高10 cm測(cè)定環(huán)，安置測(cè)定環(huán)時(shí)清除環(huán)內(nèi)植物及其掉落物。并采用LI8100A自帶的探頭進(jìn)行表層土壤溫度與水分的同步測(cè)定。

日動(dòng)態(tài)時(shí)間從8∶00～18∶00（由于夜間氣溫差異較小，土壤CO2通量變化不顯著，不予測(cè)定），每隔2 h測(cè)定1次，重復(fù)3次共需15 min，3次重復(fù)的平均值作為土壤CO2通量平均日動(dòng)態(tài)。在測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，進(jìn)行土壤樣品的采集。在3個(gè)類(lèi)型草甸內(nèi)隨機(jī)選取5點(diǎn)，用土鉆在每個(gè)樣點(diǎn)中10 cm 1層分4層取0～40 cm的土樣，5個(gè)重復(fù)混合裝袋，分別隨機(jī)取樣3次，挑除明顯的根系及石頭，并記錄石頭的重量，土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨后過(guò)0.25 mm土壤篩，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法進(jìn)行有機(jī)碳的測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 16.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析檢驗(yàn)各樣點(diǎn)之間指標(biāo)的顯著性。圖形采用Excel 2003軟件繪制完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類(lèi)型樣地土壤碳密度的變化

不同樣地碳密度有很大差異，珠芽蓼草甸（P）、針茅草地（S）和杜鵑灌叢草甸（R）碳密度分別為1.81～4.73、 3.51～5.10、5.04～6.09 kg/m2（表1）。相同深度碳密度的大小順序?yàn)镽>S>P，3個(gè)樣地相同土層20～30和30～40 cm呈極顯著差異（P<0.01）。隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低，在P樣地中隨土層碳密度下降最大?？赡苡捎谠摌拥赝寥烙袡C(jī)質(zhì)分解慢，只在根層累積。

2.2 不同植被類(lèi)型樣地土壤CO2通量及其影響因子的變化

測(cè)試樣地土壤CO2通量的晝變化，P，S和R樣地分別為2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s），不同樣地土壤碳通量在相同測(cè)定時(shí)間差異顯著（P<0.01）。由于晝氣溫的變化較大，樣地P、S呈單峰變化，峰值均出現(xiàn)在14∶00～15∶00（圖1）。

3 討論與結(jié)論

氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件共同決定土壤碳密度的變化，由于生態(tài)地下過(guò)程的復(fù)雜性，其變化存在較大不確定性[11]。土壤碳儲(chǔ)量取決于植物凋零物和根系的供給與分解[12]。陶貞等[13]對(duì)高寒草甸研究表明，有機(jī)碳密度與土壤根系含量密切相關(guān)，并得出土壤有機(jī)碳含量是碳密度差異的主要原因。試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同植被類(lèi)型草地碳密度存在顯著差異。究其緣由是草地植被類(lèi)型、土壤條件決定的根系分解不同所致。常年溫度保持在較低的水平、有機(jī)碳分解緩慢是杜鵑灌叢草甸土壤有機(jī)碳高主要原因。下層土壤容重變大，及有機(jī)碳含量較小是下層土壤碳密度較低的主要決定因素。解憲麗等[11]對(duì)全國(guó)不同土壤估算顯示，高寒草甸100 cm土層碳密度為16.92 kg/m2 ，整體分析該區(qū)土壤碳密度大于解憲麗的估算結(jié)果。原因可能是高寒區(qū)植物通常有著較大的根莖比，其值為9.32 [14]，溫性草甸草原為5.26[15]，豐富的根量是土壤碳密度較高的條件之一。王建林等[16]對(duì)青藏高原草原碳密度的分布規(guī)律及影響因子分析表明，高寒草原植被碳密度受年均氣溫和年均降水量綜合影響。水分的作用大于氣溫，得出土壤碳密度與土壤含水率呈顯著相關(guān)，而與溫度沒(méi)有顯著相關(guān)性。

土壤CO2通量研究結(jié)果表明：針茅草地、珠芽蓼草甸土壤CO2通量表現(xiàn)出較大的日變化，呈單峰曲線，峰值均出現(xiàn)在14∶00～15∶00。這與朱清芳等[17]研究結(jié)果一致，而杜鵑灌叢草甸日變化保持相對(duì)穩(wěn)定，主要是土壤溫度日變幅較小導(dǎo)致。在樣地和生態(tài)系統(tǒng)尺度上大量研究顯示土壤溫度與含水量是土壤CO2通量主要影響因子[18-21]，除土壤溫度、含水量以外，光照、氣溫、植被種類(lèi)、地理位置等也影響著碳排放[22]。各種環(huán)境因子決定了土壤呼吸的閾值，過(guò)高或過(guò)低的環(huán)境因子都會(huì)制約土壤呼吸作用，且各種影響因子之間也存在相互作用、相互制約的關(guān)系。此次試驗(yàn)中，土壤CO2通量與土壤碳密度、土壤溫度、大氣溫、濕度都存在顯著相關(guān)性。土壤溫度與大氣溫度、土壤含水量呈極顯著相關(guān)。綜上所述，不同類(lèi)型草地土壤碳儲(chǔ)量、土壤呼吸有著很大差異，高寒草原的不合理的開(kāi)發(fā)利用會(huì)導(dǎo)致土壤貧瘠化，大氣CO2含量的上升，其后果難以預(yù)測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：P，S和R樣地土壤CO2通量值分別為2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s）。不同樣地之間土壤CO2通量差異顯著，CO2通量與土壤溫度、碳含量及大氣溫、濕度有顯著相關(guān)性。

珠芽蓼草地（P）、針茅草地（S）和杜鵑灌草叢（R）碳密度分別為1.81～4.73，3.51～5.10和5.04～6.09 kg/m2，相同植被類(lèi)型草地隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低。

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