內(nèi)蒙古主要草地類型土壤有機(jī)碳密度對(duì)比

田政，吳秀芹?，謝芮，黃宇

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101，北京;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

土壤碳庫(kù)是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的碳貯蓄庫(kù)之一［1-2］，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化會(huì)引起土壤的肥力變化，進(jìn)而影響到植被的生長(zhǎng)情況。植被的生長(zhǎng)狀況不同會(huì)影響到土壤與大氣之間的碳素平衡［3］。土壤有機(jī)碳密度(soil organic carbon density)是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，土壤有機(jī)碳密度已成為評(píng)價(jià)和衡量土壤碳的一個(gè)極其重要的指標(biāo)［4］。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地碳循環(huán)及碳固持的一個(gè)重要組成部分［5-6］。中國(guó)草地總面積約4 億hm2，占世界草地面積的12.5%［7］，主要集中分布于西部和北部地區(qū)，其中，北方溫帶草原約占全部草地面積的78%，是我國(guó)草地的主體［8］。進(jìn)入21 世紀(jì)后，內(nèi)蒙古開(kāi)始大力保護(hù)草地資源，草地生態(tài)環(huán)境得到了較大恢復(fù)［9］，草地植被生長(zhǎng)狀況也有了較大改善。有實(shí)驗(yàn)［4］證明，通過(guò)采取恢復(fù)措施，改善土壤質(zhì)量，提高生物量生產(chǎn)來(lái)緩解溫室效應(yīng)是可行的;所以，改善草原土壤碳庫(kù)不僅能對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極的作用，而且還能維護(hù)碳循環(huán)的健康穩(wěn)定。

近年來(lái)，針對(duì)草原土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)研究，多是根據(jù)圍封年限的不同或是針對(duì)某幾種具體植物物種或作物進(jìn)行的比較分析。其中圍封作為草地恢復(fù)的主要手段之一，對(duì)提高土壤有機(jī)碳密度的作用十分明顯。敖伊敏等［10］發(fā)現(xiàn)，草地圍封14 年后植物和土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)達(dá)到最大值，其土壤碳儲(chǔ)量是自由放牧地的1.75 倍;王俊明等［11］通過(guò)研究退耕草地演替過(guò)程中的碳儲(chǔ)量變化發(fā)現(xiàn)，在0 ～150 cm 的不同土層中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量以0 ～15 cm 最高，但土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在草地植被演替過(guò)程中的變化隨時(shí)間而有所差別。同時(shí)，植被類型變化對(duì)土壤有機(jī)碳密度也會(huì)產(chǎn)生影響，且在植被的自然恢復(fù)過(guò)程中土壤有機(jī)碳密度明顯增加，但隨年限加長(zhǎng)而速率降低，如郭曼等［12］發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)0 ～23 a 期間，0 ～20 cm 土層土壤有機(jī)碳密度增加了85.23%，增加速率較快，增大到一定的范圍內(nèi)時(shí)，便逐漸趨于穩(wěn)定。也有研究表明，改良地上植被種類和播種方式也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生影響，如邰繼承等［13］對(duì)不同播種方式的紫花苜蓿(Medicago sativa)和無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)草地土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混播有利于土壤有機(jī)碳密度的穩(wěn)定。J.Koo［14］在研究Ghana 的土壤有機(jī)碳密度及碳潛力時(shí)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)耕作效率、調(diào)節(jié)作物種類可以顯著提高貧瘠土地的土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量。總體而言，已有研究關(guān)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究較多，而對(duì)于土壤有機(jī)碳密度本身的研究則相對(duì)較少，也缺乏在生物量層面及草地群落層面的分析;因此，筆者擬采用顯著性分析及回歸分析方法，對(duì)比內(nèi)蒙古中東部地區(qū)草甸草原、典型草原和荒漠草原等主要草地類型土壤有機(jī)碳密度，為正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估草原地區(qū)的土壤有機(jī)碳密度、草地防退化及草地植被恢復(fù)等工作提供參考。

1 采樣區(qū)概況

研究設(shè)置的采樣點(diǎn)主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)的草甸草原、典型草原、荒漠草原3 種草地類型中。內(nèi)蒙古草原是全球典型的中緯度半干旱溫帶草地生態(tài)類型，在溫帶草原中具有代表性［15］。區(qū)域內(nèi)包括半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)及干旱區(qū)3 個(gè)氣候區(qū)，年均溫在-5 ～9℃，年降水量為100 ～450 mm，蒸發(fā)量1 200 ～2 500 mm，日照豐富、水熱同季，降水量主要集中在夏季，從東向西逐漸減少［15］。草原類型主要可分為草甸草原、典型草原和荒漠草原3 種［16］。其中:東部主要分布著以羊草(Leymus chinensis)、大針茅(Stipa grandis)和貝加爾針茅(Stipa baicalensis)等為主的草甸草原和典型草原，土壤主要為暗栗鈣土和典型栗鈣土等;中部主要為典型草原，由于降水量減少，大針茅被克氏針茅(Stipa krylovii)取代，土壤主要為典型褐土和典型栗鈣土等;西部以荒漠草原為主，常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)種有無(wú)芒隱子草(Cleistogenes songorica)、短花針茅(Stipa breviflora)和蒙古韭(Allium mongolicum)等，土壤以灰漠土和風(fēng)沙土等類型為主［17］。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

草地類型:在內(nèi)蒙古草原進(jìn)行的植被調(diào)查及采樣工作全部集中完成于2012 年7 月10 日至20 日之間。在采樣區(qū)內(nèi)共采集65 個(gè)樣地，其中，草甸草原樣地21 個(gè)，典型草原樣地22 個(gè)，荒漠草原樣地22 個(gè)。具體采樣點(diǎn)位置如圖1 所示。

群落類型:采樣區(qū)內(nèi)群落類型較為多樣，但由于實(shí)際采樣條件限制，選取了幾種較為常見(jiàn)并有代表性的群落類型進(jìn)行對(duì)比分析。草甸草原和典型草原以中旱生禾草群落為主。草甸草原中最常見(jiàn)的有針茅(Stipa capillata)群落和羊草群落;披堿草(Elymus dahuricus)群落和無(wú)芒隱子草群落主要采集于典型草原區(qū);荒漠草原主要是以賴草(Aneurolepidium dasystachys)群落和長(zhǎng)芒草(Stipa bungeana)群落居多;艾蒿(Artemisia argyi)群落常見(jiàn)于退化草地中。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中位于80 ～100 g 和120 ～140 g 生物量區(qū)間的樣點(diǎn)相對(duì)集中，故以這2 個(gè)區(qū)間為限定區(qū)間，分析在所限定生物量級(jí)別下土壤有機(jī)碳密度的群落差異性。

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Locations of the sample sites

2.2 生物量及有機(jī)碳密度測(cè)定

在每個(gè)樣地選取能代表本區(qū)域的平行樣方3個(gè)，大小為1 m×1 m，采用刈割法收集每個(gè)樣方的地上生物量，在實(shí)驗(yàn)室65 ℃烘干至恒質(zhì)量。每個(gè)樣點(diǎn)3 個(gè)樣方的平均值即為該樣點(diǎn)的地上生物量。土壤樣本取自土壤表層以下20 cm 位置的土樣，每個(gè)樣點(diǎn)取3 個(gè)平行樣，分別測(cè)量每個(gè)平行樣的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，3 個(gè)平行樣取平均值即為該樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀硫酸外加熱法測(cè)定。土壤密度采用環(huán)刀法測(cè)定。土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式［18］為

式中:D 為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2;C 為土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg;H 為土層厚度，cm;γ 為土壤密度，g/cm2;δ 為直徑＞2 mm 的礫石體積分?jǐn)?shù)，%。

直徑＞2 mm 的礫石體積分?jǐn)?shù)主要依據(jù)內(nèi)蒙古同類研究中所采用的491 個(gè)土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)［17］確定，其平均值為9.36%。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

使用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，用單因素方差分析(ANOVA)法檢驗(yàn)不同草地類型在不同生物量級(jí)別上土壤有機(jī)碳密度差異，各組之間的多重比較采用Duncan 法［19］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同草地類型土壤有機(jī)碳密度對(duì)比

將21 個(gè)草甸草原、22 個(gè)典型草原和22 個(gè)荒漠草原樣品的土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2?？芍?，草甸草原土壤有機(jī)碳密度平均值最大，為29.54 kg/m2，其次為典型草原和荒漠草原，分別為18.93 和18.67 kg/m2。典型草原和荒漠草原的土壤有機(jī)碳密度相類似且平均差別不大，由顯著性檢驗(yàn)可知，草甸草原與這二者差異顯著(P ＜0.05)。

3.2 不同草地類型生物量的土壤有機(jī)碳密度對(duì)比

根據(jù)采樣的實(shí)測(cè)生物量分布和樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，并參考已有的草地生物量數(shù)量級(jí)變化梯度，將生物量級(jí)別分為每20 g 為一級(jí)，以保證合理的生物量梯度和大致均勻的樣點(diǎn)分布。土壤有機(jī)碳密度在不同草地類型地上生物量級(jí)別之間的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)果表明，在3 種草地類型中，土壤有機(jī)碳密度均隨著生物量的增加而增加。草甸草原土壤有機(jī)碳密度在地上生物量級(jí)別為80 ～100 g 與100 ～120 g的差異不顯著，而80 ～100 g 與大于120 g 的各組均差異顯著，地上生物量在100 ～180 g 之間的各組土壤有機(jī)碳密度無(wú)顯著差異。說(shuō)明在草甸草原，若地上生物量小于100 g，則土壤有機(jī)碳密度的下降會(huì)比較明顯，當(dāng)?shù)厣仙锪看笥?80 g 后又會(huì)有顯著增加。在生物量較低時(shí)，土壤有機(jī)碳密度會(huì)有明顯降低，在生物量較高的土壤中，土壤有機(jī)碳密度會(huì)明顯增加;而處于正常生物量范圍時(shí)，土壤有機(jī)碳密度會(huì)保持基本穩(wěn)定。說(shuō)明嚴(yán)重退化或草本長(zhǎng)勢(shì)較差會(huì)極大影響草甸草原土壤固碳能力;因此，加強(qiáng)草甸草原保護(hù)，維護(hù)草本群落質(zhì)量，防止草地過(guò)度退化可以提高草甸草原的土壤固碳能力。

表1 土壤有機(jī)碳密度在不同地上生物量級(jí)別之間的顯著性檢驗(yàn)Tab.1 Significance check of the SOC density of different aboveground biomass levels

典型草原土壤有機(jī)碳密度在地上生物量小于140 g 的各組之間無(wú)顯著差異，＞120 ～140 g 與＞140 ～160 g 之間差異不顯著。生物量＞120 ～140 g為典型草原土壤有機(jī)碳密度的一個(gè)閾值區(qū)間，地上生物量變低或變高其土壤有機(jī)碳密度會(huì)有顯著差異，而且低地上生物量之間差異不顯著，當(dāng)生物量較高時(shí)其土壤有機(jī)碳密度會(huì)有較大變化。說(shuō)明典型草原退化后或草地長(zhǎng)勢(shì)較差時(shí)，土壤有機(jī)碳密度也會(huì)逐步降低，而當(dāng)草本長(zhǎng)勢(shì)較好時(shí)土壤有機(jī)碳密度會(huì)有較大提高，所以，若保護(hù)典型草原的草本群落質(zhì)量在較好狀態(tài)時(shí)可以顯著提高典型草原的土壤固碳能力。

荒漠草原土壤有機(jī)碳在地上生物量40 ～60 g與＞60 ～80 g2 組之間差異不顯著，大于80 g 后的各組之間沒(méi)有顯著差異，而40 ～60 g 與大于80 g 的各組存在顯著差異。表明＞60 ～80 g 組為分界，地上生物量變低或變高其土壤有機(jī)碳密度會(huì)有顯著差異，而且地上生物量較高時(shí)差異不顯著。當(dāng)生物量較低時(shí)其土壤有機(jī)碳密度會(huì)有較大變化?？芍?，荒漠草原在嚴(yán)重退化后或植被長(zhǎng)勢(shì)較差時(shí)，土壤有機(jī)碳密度也會(huì)降低，當(dāng)長(zhǎng)勢(shì)較好或未退化時(shí)，土壤有機(jī)碳密度可以保持相對(duì)穩(wěn)定;所以，保持荒漠草原穩(wěn)定即可以保證土壤的固碳能力不削弱。

通過(guò)對(duì)3 類草地類型的回歸分析(表2)，發(fā)現(xiàn)各類型草地的地上生物量和土壤有機(jī)碳密度之間總體均呈正相關(guān)關(guān)系，其變化也符合顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果。其中草甸草原擬合效果最好，荒漠草原最差。由此也可看出，從草甸草原、典型草原到荒漠草原，土壤有機(jī)碳密度與地上生物量之間的相關(guān)關(guān)系逐步減弱。

表2 地上生物量和土壤有機(jī)碳密度回歸擬合分析Tab.2 Regression analysis between aboveground biomass and SOC density

3.3 不同群落類型土壤有機(jī)碳密度對(duì)比

土壤有機(jī)碳密度在不同群落間的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。可知，在＞80 ～100 g 生物量范圍內(nèi)，賴草群落和長(zhǎng)芒草群落無(wú)顯著差異，艾蒿群落、長(zhǎng)芒草群落之間無(wú)顯著差異。在＞120 ～140 g 生物量之間，針茅群落、羊草群落、無(wú)芒隱子草群落之間無(wú)顯著差異，羊草群落和披堿草群落無(wú)顯著差異?？傮w來(lái)看，雖然在相應(yīng)的生物量限定級(jí)別下群落間存在土壤有機(jī)碳密度的差異，但并未呈現(xiàn)出有規(guī)律的差異性，其中原因值得進(jìn)一步研究。

表3 土壤有機(jī)碳密度在不同植被群落間的顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Significance check of the SOC density of different plant communities

4 結(jié)論

1)草甸草原土壤有機(jī)碳密度平均值高于典型草原和荒漠草原;典型草原和荒漠草原的土壤有機(jī)碳密度大小相近;草甸草原土壤有機(jī)碳密度的變化范圍大于典型草原和荒漠草原，而典型草原和荒漠草原的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化范圍相近。

2)草甸草原地上生物量在＞100 ～180 g 之間時(shí)土壤有機(jī)碳密度保持基本穩(wěn)定，典型草原和荒漠草原地上生物量分別在低于120 ～140 g、60 ～80 g 時(shí)會(huì)顯著影響其土壤有機(jī)碳密度。當(dāng)草地退化到低于此閾值區(qū)間時(shí)，土壤有機(jī)碳密度會(huì)顯著降低。嚴(yán)重退化或草本長(zhǎng)勢(shì)較差會(huì)顯著影響草原土壤固碳能力，應(yīng)當(dāng)注重保護(hù)嚴(yán)重退化或草本長(zhǎng)勢(shì)較差的草地。

3)不同的群落類型在相應(yīng)的生物量區(qū)間下的差異性沒(méi)有明顯規(guī)律性。群落類型的變化對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響依據(jù)群落類型不同也存在差異，改變草地植被類型的方法不一定比保護(hù)現(xiàn)有草地植被、防止草地退化對(duì)提高土壤有機(jī)碳密度更有效，還是應(yīng)當(dāng)注重保護(hù)草原原生群落。

5 討論

土壤有機(jī)碳的變化是動(dòng)態(tài)而又復(fù)雜的過(guò)程。在這個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程中，圍封禁牧是提高內(nèi)蒙古地區(qū)溫帶草地土壤碳儲(chǔ)量的有效措施［20］。在草甸草原中，應(yīng)加強(qiáng)重度退化或長(zhǎng)勢(shì)極差的草地保護(hù)，使其群落結(jié)構(gòu)得以較好恢復(fù)，否則會(huì)使土壤固碳能力顯著下降。在典型草原中，草地退化會(huì)造成典型草原土壤有機(jī)碳密度逐步降低，所以，合理控制放牧，加強(qiáng)草原保護(hù)措施促進(jìn)草地恢復(fù)十分重要。在荒漠草原中，嚴(yán)重退化或長(zhǎng)勢(shì)較差的土壤其有機(jī)碳密度較低，因此，要加大保護(hù)力度，否則會(huì)極大影響土壤的固碳能力。總體來(lái)說(shuō)，不同草地類型均表現(xiàn)出生物量高時(shí)土壤有機(jī)碳密度也高，生物量低其土壤有機(jī)碳密度也降低的總體特征。有研究表明，禁牧2 年可以提高土壤碳密度及碳儲(chǔ)量至開(kāi)墾時(shí)水平的1.8倍，且還會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，而開(kāi)墾和放牧?xí)?dǎo)致典型草原土壤碳密度和總碳儲(chǔ)量明顯下降［21］。說(shuō)明草地恢復(fù)可以提高土壤固碳能力，與本研究的結(jié)論相符。本研究中，由于實(shí)際條件限制，對(duì)于群落類型間的差異性僅從所涉及的幾種類型進(jìn)行了分析，對(duì)更多其他群落類型的分析值得進(jìn)一步研究。史作民等［22］研究報(bào)道，內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)長(zhǎng)芒草、油蒿(Artemisia ordosica)、牛心草(Cynanchum komarovii)等主要植物群落類型的土壤碳在不同季節(jié)間存在顯著差異，但這些差異在群落間沒(méi)有明顯的規(guī)律性。這也在一定程度上與本研究結(jié)果相類似，但群落之間的差異性還需要進(jìn)一步補(bǔ)充更多群落類型進(jìn)行深入分析。

此外，土壤有機(jī)碳密度還與氣候條件、土壤類型及人為因素等諸多因素相關(guān)。目前已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，土地利用和土壤類型是影響省域尺度表層土壤有機(jī)碳密度空間分布的2 個(gè)重要影響因子［23］。對(duì)于土壤類型及垂直土層差異本研究暫未涉及，有待今后補(bǔ)充更多數(shù)據(jù)后在此方面深入探討。同時(shí)，草地的水土保持生態(tài)修復(fù)工作已經(jīng)對(duì)草原生態(tài)建設(shè)和水土保持工作起到了積極作用［24］。保護(hù)草地植被、增加土壤有機(jī)質(zhì)以及改善土壤結(jié)構(gòu)等可以保水保土、防止草原水土流失［25］，對(duì)草原區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和增強(qiáng)土壤固碳能力上也具有重要意義;因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)草地質(zhì)量進(jìn)行有針對(duì)性的保護(hù)，合理控制放牧，防止草地水土流失，進(jìn)而增強(qiáng)草地保持水土、涵養(yǎng)水源的能力，進(jìn)一步促進(jìn)草地碳循環(huán)和草原生態(tài)的良性發(fā)展。

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的戴爾阜研究員、趙東升博士和張清雨博士在前期采樣過(guò)程中提供了極大的幫助，在本文成文過(guò)程中提出了許多寶貴的意見(jiàn)，在此表示感謝。