內蒙古灌叢化草地取樣位置對評估土壤碳氮貯量的影響

柴華，方江平，溫丁，李杰＊，何念鵬＊

（1．西藏大學農牧學院，西藏 林芝860000；2．中國科學院地理科學與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101）

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其微小的變化便會改變全球碳平衡格局［1－3］。陸地生態(tài)系統(tǒng)在合理的管理措施下具有巨大的碳固持潛力，其固碳效應是緩解或應對日益增加的大氣CO2濃度及其溫室效應的重要途徑［4］；因此，如何準確估算土壤碳貯量及其動態(tài)變化是全球變化研究的重要內容之一。

內蒙古草地面積為8666．7萬hm2，占全國草地面積的22%［5］；大量研究表明：在合理的管理措施下（例如封育和輕度放牧），內蒙古草地具有巨大的碳固持潛力［6－10］。1980年以來，過度放牧和不合理的土地利用方式已使內蒙古草地嚴重退化［11－12］；伴隨著草地的嚴重退化，出現(xiàn)了日趨嚴重的草地灌叢化現(xiàn)象［13］，大面積出現(xiàn)以小葉錦雞兒（Caraganamicrophylla）為優(yōu)勢灌叢植物的灌叢化草地［14－15］。趙獻英等［16］指出：當草地退化后，土壤沙化現(xiàn)象加劇、土壤滲透能力增加，通過改變土壤肥力和水分狀況而導致小葉錦雞兒增多。草地灌叢化會造成明顯的“沃島效應”（fertile island effects），使草地土壤養(yǎng)分的空間異質性明顯增強，即土壤養(yǎng)分以灌叢為中心由內向外逐漸減少的趨勢［17－19］。

在對內蒙古地區(qū)灌叢化草地碳貯量進行評估時，如何科學地設置采樣點已成為當前亟須解決的重要問題。本研究分析了錫林河流域3種不同程度的灌叢化草地（灌叢蓋度依次為2．94%，10．10%，24．42%），比較了不同取樣位置（灌叢內部、灌叢邊緣、灌叢外部）土壤碳含量及其貯量，定量化探討了采樣點設置對該類草地碳貯量估算的影響，以期為相關研究提供參考。

1 材料與方法

1．1 實驗樣地概況

錫林河流域位于內蒙古草原中東部，多年平均降水量為350．43mm，降水集中在7－9月且年際變化較大［20］，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候。錫林河流域的原生植被以羊草（Leymuschinensis）和大針茅（Stipa grandis）為優(yōu)勢種。由于長期過度放牧及不合理的土地利用方式，導致該地區(qū)草地大面積退化；在許多草地出現(xiàn)了小葉錦雞兒灌叢多度及蓋度的增加而導致的草地灌叢化現(xiàn)象，在局部地區(qū)小葉錦雞兒已成為優(yōu)勢種［14－15］。

1．2 野外取樣和測定

2009年8月上旬，在錫林河流域選取了3個退化程度不同的灌叢化草地，灌叢比例依次為2．94%（輕度灌叢化草地）、10．10%（中度灌叢化草地）和24．42%（重度灌叢化草地）。在每個灌叢化草地內，首先設立5個20m×20m樣地分別統(tǒng)計了樣地內灌叢數(shù)量和蓋度。隨后，在每個灌叢化草地選擇了3個具有代表性的灌叢（接近灌叢平均大?。?；分別在每個灌叢內部、灌叢邊緣（距灌叢0．5m）和灌叢外部（2m）設置2個取樣點（圖1）。在每個取樣點，采用土鉆分別采集0～10cm，10～30cm，30～50cm和50～100cm四層土壤樣品；即每個灌叢的3個部位、分4個層次收集土壤樣品；每個灌叢共取12個土壤樣品。采用比重計法［21］分析土壤粒級，按FAO制劃分土壤砂粒（0．05～2mm）、粉粒（0．002～0．05mm）、粘粒（＜0．002mm）。采用重鉻酸鉀－外加熱法測定土壤有機碳含量（GB9834－88），采用半微量凱氏定氮法測定土壤全氮含量（GB7173－87）。

圖1 灌叢化草地及其野外取樣設計Fig．1 Shrub grassland and sampling design of field experiment

1．3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用如下公式計算灌叢化草地不同部位的土壤有機碳貯量（soil organic carbon，SOC，g C／m2）和全氮貯量（soil total nitrogen，STN，g N／m2）［7］：

式中，Di，Bi，OMi，TNi和S分別是土層厚度（cm）、土壤容重（g／cm3）、土壤有機碳含量（%）、土壤全氮含量（%）和對應面積（m2），并且S＝1m2；i代表土壤的分層數(shù)，并且i＝1，2，3，4。

土壤容重（soil bulk density，BD，g／cm3）采用如下公式計算［22］：

式中，sand和clay分別為土壤機械組成中砂粒和粘粒的含量（%），OM為土壤有機質的含量（%），有機質含量采用土壤有機碳含量乘以系數(shù)1．724計算得出。

在計算過程中，首先分別計算了灌叢內部、灌叢邊緣和灌叢外部的土壤有機碳、全氮貯量，再按各個取樣部位的相對面積比例，計算整個草地的有機碳貯量（SOCt，g C／m2）和全氮貯量（STNt，g C／m2）（本研究擬定該方法獲得的數(shù)據(jù)為草地碳氮貯量的真實值）。公式如下：

式中，SOCli（g C／m2）、STNli（g C／m2）為通過式（1）計算得出灌叢草地不同部位的土壤有機碳、全氮貯量，Sli（%）為不同取樣位置對應的實際面積的比例，l代表取樣的不同位置，包含灌叢內部、灌叢邊緣、灌叢外部，i代表土壤的分層數(shù)，并且i＝1，2，3，4。

采用Excel 2003和SPSS 13．0進行數(shù)據(jù)處理，均值顯著性檢驗采用單因素方差分析（ANOVA），顯著性差異水平為P＜0．05。

2 結果與分析

2．1 灌叢分布概況

圖2 灌叢化草地各區(qū)域比例Fig．2 The proportion of different position in thicketization－grasslands

小葉錦雞兒灌叢呈斑塊狀分布，在輕度、中度和重度退化草地內灌叢所占面積比例依次為2．94%，10．10%，24．42%（圖2），且差異顯著（F＝21．44，P＜0．05）。在不同灌叢化草地中，灌叢內部、灌叢邊緣、灌叢外部所占的面積也差異顯著（P＜0．05）；其中，灌叢外部所占面積最大，在輕度、中度和重度退化草地中分別占89．06%，73．17%和47．04%。

2．2 土壤有機碳與全氮含量

表1給出了不同草地和不同采樣部位的土壤有機碳、全氮含量。在水平方向上，輕度和中度退化草地土壤有機碳、全氮含量表現(xiàn)為灌叢內部＞灌叢邊緣＞灌叢外部；而在重度退化草地，不同部位間土壤有機碳、全氮含量差異不明顯。另外，隨著土層深度的增加，輕度、中度和重度退化草地土壤有機碳、全氮含量呈降低趨勢。

表1 灌叢化草地不同取樣位置土壤有機碳與全氮含量Table 1 Changes in SOC and STN in different position of thicketization－grasslands %

2．3 土壤有機碳貯量與全氮貯量

如圖3所示，灌叢內部的土壤有機碳貯量均略高于灌叢邊緣和灌叢外部，這種差異隨土層深度的增加呈逐漸下降的趨勢。具體而言，在輕度和中度灌叢化草地，單位面積土壤有機碳貯量表現(xiàn)為灌叢內部＞灌叢邊緣＞灌叢外部，但數(shù)值間差異不顯著。在重度灌叢化草地，土壤有機碳貯量表現(xiàn)為灌叢內部＞灌叢外部＞灌叢邊緣，但數(shù)值間變異非常?。?246．53～3566．72g C／m2）。在輕度、中度和重度灌叢化草地，全氮貯量空間變化趨勢與碳貯量相同（圖4）。

圖3 灌叢化草地不同區(qū)域土壤有機碳貯量Fig．3 Changes in soil organic carbon storage in different position of thicketization－grasslands

圖4 灌叢化草地不同位置土壤全氮貯量Fig．4 Changes in soil nitrogen storage in different position of thicketization－grasslands

本研究利用灌叢內部、灌叢邊緣和灌叢外部的土壤有機碳與全氮貯量以及各處對應的面積比例，計算了灌叢化草地的土壤有機碳與全氮貯量；鑒于取樣點設置的科學性，本研究把該數(shù)值認定為草地有機碳與全氮貯量的真實值。與草地有機碳貯量的真實值相比，在輕度退化草地僅從灌叢內部、邊緣和外部取樣與草地土壤有機碳貯量差異表現(xiàn)為－0．89%～13．43%（表2）。在中度退化草地，僅從灌叢內部、邊緣和外部取樣與草地土壤有機碳貯量差異為－6．06%～27．62%。在重度退化草地，僅從灌叢內部、邊緣和外部取樣與草地土壤有機碳貯量差異表現(xiàn)為－3．76%～5．74%。從表2可以看出，在灌叢外部設置取樣點可以較精確地獲得土壤有機碳貯量的評估結果，其評估結果僅與草地有機碳貯量的真實值差異為－6．06%～－0．70%。

表2 灌叢化草地不同取樣位置土壤有機碳、全氮貯量與草地真實值差異Table 2 Differences between SOC and STN in different position of thicketization－grasslands and truth value %

3 討論

3．1 草地灌叢化及其土壤有機碳與全氮含量異質性

近年來，內蒙古草地灌叢化現(xiàn)象日益加劇［23－24］。其原因可以概括為以下兩點：一是由于草地灌叢化現(xiàn)象常出現(xiàn)在半濕潤和半干旱的森林－草原或草原－荒漠的過渡地帶［25］，這些地區(qū)降水變率較大，加劇了土壤的侵蝕，同屬這一地帶的美國西南部也出現(xiàn)了草地灌叢化現(xiàn)象［26］，二是內蒙古草原的過度放牧使草地植被覆蓋率逐漸降低以至于出現(xiàn)裸露地面，隨著土壤風蝕、水蝕作用加強，導致土壤水分和養(yǎng)分的流失，土壤出現(xiàn)沙化、礫石化現(xiàn)象，土壤逐漸退化。牧草生長受到抑制，而沙質土有利于灌木根系的生長，其強大的根系能夠在較大范圍內吸收水分和養(yǎng)分，灌木較強的抗旱性使其適宜在退化的草地中生長［27］，使草地出現(xiàn)灌叢化。小葉錦雞兒灌叢的生長改變了土壤的理化性質，根系不斷地從周圍土壤中汲取養(yǎng)分，影響土壤養(yǎng)分的空間分布與循環(huán)［28－30］，灌叢會截獲風蝕物質和自身的凋落物，通過沉積與分解被灌叢吸收，樹冠層還會截獲大氣塵埃中的有機物質，通過降雨和樹冠徑流進入土壤［31］，此外灌叢還會形成較周圍更加溫和的小氣候，成為動物的棲息地，它們的排泄物會增加土壤養(yǎng)分［32］，這一系列過程加大了土壤異質化程度，進而形成灌叢“沃島”。Schlesinger等［26，33］研究表明，灌叢多度的增加與灌叢“沃島”存在著正反饋作用。由此可以推測，該正反饋作用加劇內蒙古草地灌叢化。

隨著灌叢面積的增加，土壤有機碳含量呈遞減趨勢，這是由于灌叢蓋度的增加加劇了土壤的退化，導致了土壤有機碳與全氮含量的下降，也就是說，灌叢面積與土壤有機碳含量存在著負相關關系。輕度退化草地與中度退化草地的土壤有機碳含量以灌叢為中心在水平方向及垂直方向上均呈遞減趨勢。該結果與前期報道的相關結論相似［20，26，30，34－36］。植物通過改變其周圍的小環(huán)境，使土壤資源空間異質性增強，另外，小葉錦雞兒是豆科植物，具有生物固氮的作用［30，35］，進一步促進了灌叢“沃島”的形成。然而，在嚴重退化的草地，土壤碳氮含量空間分布無明顯趨勢，這可能與草地嚴重退化有關；當草地嚴重退化，土壤養(yǎng)分大量流失，導致整體碳氮含量較低。另外，小葉錦雞兒灌叢有益于草地的恢復，其樹冠層生長的刺增大動物的覓食難度，為樹冠層下方的植物提供庇護［37－38］，當草地恢復到一定階段后，其會因競爭而大量枯死［30］。在嚴重退化樣地，由于植物對土壤資源的競爭，使得土壤碳氮含量在空間分布上無明顯趨勢。

3．2 灌叢化草地土壤碳氮貯量估算

根據(jù)先前的推測，采樣點的設置會對灌叢化草地土壤有機碳貯量估算結果造成嚴重誤差。該假設主要基于如下事實：由于沃島效應的存在，灌叢內部土壤有機碳貯量和全氮貯量始終高于其他區(qū)域。研究者忽略灌叢“沃島效應”會使取樣出現(xiàn)嚴重誤差［30，39］，因此在灌叢化草地研究中涉及精確度時，正確的取樣方法應是根據(jù)灌叢比例確定采樣區(qū)域，或將采樣區(qū)域的土樣按比例進行混合。

根據(jù)本研究的定量化評估結果，僅取灌叢內部會造成5．74%～27．62%的誤差，僅在灌叢邊緣區(qū)取樣會造成－3．76%～9．81%，僅在灌叢外部取樣會造成－6．06%～－0．70%的誤差。據(jù)此可以推測，在目前錫林河流域的灌叢化草地，在灌叢外部取樣的設計方法（即傳統(tǒng)的采樣方法）對灌叢化草地土壤有機碳貯量的估算誤差非常小，其結果基本可以代表灌叢化草地土壤有機碳貯量。在輕度和中度退化草地，雖然土壤有機碳與全氮貯量表現(xiàn)為灌叢內部＞灌叢邊緣＞灌叢外部，但差異不顯著，由于灌叢外部的面積占絕對比例（73．17%～89．06%），因此，在灌叢外部取樣與草地真實值差異不大。在重度退化草地，雖然灌叢面積的比例不小（24．42%），但由于草地嚴重退化，各區(qū)域土壤有機碳與全氮貯量均較低，因此，在灌叢內部、灌叢邊緣、灌叢外部土壤有機碳貯量差異不大（3246．53～3566．72g C／m2）。上述2種可能的解釋，使得從灌叢外部取樣就能較準確地評估灌叢化草地土壤有機碳貯量；該結果一方面證明了前期的大量取樣（灌叢外取樣）所獲得數(shù)據(jù)的準確性，同時也為未來制定科學的取樣點提供了科學依據(jù)。

另外，灌叢冠幅的大小代表著其不同的發(fā)育階段，同時也代表了草地退化程度和沃島的發(fā)育階段，理論上隨著灌叢冠幅的增加土壤有機碳含量呈增加趨勢，且目前已有許多相關研究證實該結論［36，40－41］。本研究以草地退化程度為切入點分析了不同取樣位置土壤有機碳與全氮貯量的差異，但灌叢冠幅大小的不同必然導致土壤有機碳、全氮存在差異。本研究中在各退化草地選取具有代表性的灌叢（接近灌叢平均大?。?，并未對不同灌叢冠幅大小進行研究討論，理論上據(jù)灌叢冠幅大小的不同進行采樣，土壤有機碳與全氮貯量與草地真實值的差異存在一定的范圍，因此結果存在一定的不確定性，希望未來有更多的學者關注于此，為制定科學的取樣策略奠定基礎。

4 結論

灌叢化草地存在明顯的“沃島效應”，沿著灌叢中心向外，土壤有機碳與全氮貯量呈逐漸下降的趨勢。理論上，準確地評估灌叢化草地土壤有機碳貯量需要從不同部分取樣，再通過面積加權獲得其準確值。通過本研究的定量評估發(fā)現(xiàn)：雖然內蒙古地區(qū)灌叢化草地的有機碳含量存在顯著的空間異質性，在灌從內部的有機碳含量明顯高于外面的草地（即沃島效應），但由于灌叢面積與土壤有機碳含量在不同退化草地內存在密切的負相關關系，因而，僅從灌叢外部取樣就能較準確評估草地土壤有機碳貯量。該結果不僅證明了前期的大量取樣（灌叢外取樣）所獲得數(shù)據(jù)的準確性，同時也為未來科學地制定灌叢化草地取樣方案提供了科學依據(jù)。

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