不同放牧梯度下呼倫貝爾草甸草原土壤碳氮變化及固碳效應(yīng)

閆瑞瑞，辛?xí)云剑?，王 旭，閆玉春，鄧 鈺，楊桂霞

(1.呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室/草地科學(xué)研究室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)，蘭州 730070)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其貯存的有機碳占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的2/3，約為植物碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍［1］，是全球碳循環(huán)非常重要的組成部分。在各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中，草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，全球草地面積3.4×109hm2，約占陸地面積的26%。中國草地的面積為 4×109hm2，約占世界草地面積的 11.8%，占中國國土面積的40%以上，是中國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)和氣候變化響應(yīng)中發(fā)揮重要作用［2-4］。

放牧是影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的重要因素，放牧強度和放牧方式合理與否，將直接影響我國北方草地在全球變化過程中所扮演的碳源/碳匯功能［5］。國內(nèi)外有關(guān)放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮貯量影響的研究很多［5-13］，但結(jié)果不相一致。Derner等［6］、Zhao等［7］研究均表明放牧減少了碳素向土壤的輸入，從而減少了土壤有機碳含量。李凌浩等［8-9］研究表明，近40年來，過度放牧致使內(nèi)蒙古錫林河流羊草草原表層(0—20cm)土壤的有機碳貯量下降了約12.4%。Li 等［10］、Cui等［11］、Elmore 等［12］和 Steffens等［13］認為長期過度放牧將顯著降低土壤碳氮貯量。有一些研究認為，放牧對土壤有機質(zhì)沒有影響［14-16］，如在澳大利亞東北部兩類半干旱草原的研究結(jié)果表明，重度放牧6—8 a后對土壤有機碳的總貯量沒有顯著影響，但兩類草原土壤微生物中的碳貯量分別降低了51%和24%。我國學(xué)者李香真和陳佐忠［17］研究也表明，內(nèi)蒙古草原放牧強度在短時期內(nèi)對典型草原植被下的栗鈣土有機碳含量沒有顯著影響。還有的研究認為放牧增加了草原土壤的碳含量［18-20］，如位于懷俄明的混合潘帕斯草原放牧12a和美國科羅拉多州小禾草草原放牧56a后，土壤碳含量都顯著提高。我國高永恒等［20］研究不同放牧強度下高山草甸的碳氮格局時得出，隨著放牧強度的增加，不同程度地增加了土壤有機碳氮的貯量。所以放牧和土壤碳氮之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，有時呈現(xiàn)正相關(guān)、有時呈負相關(guān)［14］。由于氣候因素、土壤特性、地形、植物群落組成、放牧歷史等導(dǎo)致土壤碳氮貯量對放牧的不同響應(yīng)［21］。因此，研究合理的放牧對草原土壤碳氮變化及固碳效應(yīng)的影響，不僅便于明確草地碳循環(huán)途徑及其在全球碳循環(huán)中的作用，而且有助于研究草地放牧系統(tǒng)對于氣候變化的響應(yīng)。

呼倫貝爾草甸草原是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，亦是重要的生態(tài)屏障，其功能的正常發(fā)揮對維持全球及區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng)平衡有極其重要的作用。草地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中占有非常重要的地位。放牧是呼倫貝爾草甸草原主要的利用方式，因此，本文以呼倫貝爾羊草草甸草原為研究對象，通過對定量化放牧強度下草地碳氮變化和固碳效應(yīng)進行研究，分析不同放牧利用強度對草地碳氮貯量的影響，進一步揭示草地碳氮貯量及固碳潛力對放牧強度的響應(yīng)機理，將對全球碳氮循環(huán)和氣候變化的研究具有重要的科學(xué)意義，同時也為正確管理和合理利用草地生態(tài)系統(tǒng)，使草地生態(tài)系統(tǒng)增加固碳減排功能提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾行政區(qū)境內(nèi)的謝爾塔拉種牛場場部東3 km，是大興安嶺西麓丘陵向蒙古高原的過渡區(qū)，北緯49°19'349″—49°20'173″、東經(jīng) 119°56'521″—119°57'854″，海拔666—680 m，屬溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降水量350—400 mm，降水期多集中在7—9月且變率較大。年均氣溫－5—－2℃，最高、最低氣溫分別為36.17℃和－48.5℃;≥10℃年積溫1580—1800℃，無霜期110 d左右。土壤為黑鈣土或栗鈣土。植被類型為羊草+雜類草草甸草原，主要物種有羊草(Leymus chinensis)、貝加爾針茅(Stipa baicalensis)、日蔭菅(Carex pediformis)、蓬子菜(Galium verum)、狹葉柴胡(Bupleurum scorzonerifolium)、線葉菊(Filifolium sibiricum)等，伴生種有斜莖黃芪(Astragalus adsuigens)、山野豌豆(Vicia amoena)、草地早熟禾(Poa pratensis)等。

1.2 試驗設(shè)計

放牧試驗設(shè)6個水平的放牧梯度處理(載畜率分別為 G0.00:0.00Au.cow/hm2、G0.23:0.23 Au.cow/hm2、G0.34:0.34 Au.cow/hm2、G0.46:0.46 Au.cow/hm2、G0.69:0.69 Au.cow/hm2、G0.92:0.92 Au.cow/hm2，其中以500 kg肉牛為一個標準家畜肉牛單位)，3個重復(fù)，試驗區(qū)圍成面積相等的15個放牧區(qū)和3個對照封育區(qū)，每個小區(qū)面積5 hm2，試驗區(qū)總面積90 hm2。在草地面積一定，放牧天數(shù)相同條件下，用250—300 kg的放牧肉牛頭數(shù)來控制不同放牧梯度的實施，6個放牧梯度肉牛頭數(shù)分別為0、2、3、4、6、8頭，總共肉牛數(shù)量為69頭。放牧試驗開始于2009年6月15日，隨后每年(2010—2011年)6月初開始放牧，并開展了定量放牧觀測，10月初終止放牧，為期120 d。整個放牧期放牧牛日夜均在放牧地里，肉牛飲水通過拉水供應(yīng)。試驗設(shè)計如圖1。不同放牧梯度土壤及植被的本底情況見表1。

表1 不同放牧樣地的植被和土壤本底狀況Table 1 Vegetationand soil conditions in different plots

圖1 肉牛不同放牧梯度試驗設(shè)計圖Fig.1 Design diagram of cattle different grazing gradients上行字母為“小區(qū)編號”，其中W為重復(fù)1(西面)，M為重復(fù)2(中間)，E為重復(fù)3(東面);下行數(shù)字和字母為“家畜載畜率”(肉牛當量)

1.3 研究內(nèi)容與方法

(1)土壤容重

用容積為100 cm3的土壤環(huán)刀于各放牧處理分別隨機取 0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm深度的土樣，并裝入小鋁盒，帶回室內(nèi)立即稱重，再將土樣放至105℃烘箱烘至恒重，測定土壤容重，重復(fù)3次。計算公式如下:

式中，W1為烘干土+鋁盒重量(g);W0為鋁盒重量(g);V為環(huán)刀容積。

(2)土壤養(yǎng)分

土壤取樣于2011年8月上旬進行，在各放牧處理分別隨機取 0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm深度的土樣，5次重復(fù)，其中各重復(fù)以土鉆分別取5個樣點，取回的土樣置于室內(nèi)風(fēng)干，混合均勻后，去除細根及雜質(zhì)，研磨后分別過1.00 mm和0.25 mm土壤篩，用四分法取土1 kg左右，帶回實驗室進行養(yǎng)分分析。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;土壤全氮采用半微量凱氏定氮法。

(3)土壤有機碳

根據(jù)監(jiān)測到的不同放牧梯度下的土壤有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)，計算出各處理小區(qū)土壤有機碳的數(shù)據(jù)，由于土壤有機質(zhì)碳含量大致范圍在55%—65%之間，因而國際上采用58%作為土壤有機質(zhì)碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)［22］，計算公式為:

(4)土壤有機碳貯量

本研究中不同放牧梯度不同土層土壤有機碳貯量的計算公式如下:式中，SOCD是不同放牧梯度不同土層土壤的有機碳貯量(t/hm2)，H是土層土壤的厚度(cm)，Bi是土層土壤的容重(g/cm3)，SOC是土壤有機碳含量(g/kg)。

土壤氮貯量

我們那是怕她來糾纏。姥姥說，我們不想認她，是怕麻煩。你媽大學(xué)畢業(yè)那年，生了你。你媽剛分配，挺著個大肚子怎么報到？那個年代，這可是嚴重的作風(fēng)問題。我們就跟你媽的單位請假，謊稱她在家里摔斷了腿，晚報到了幾個月。你媽在文城衛(wèi)生院躲了幾個月，直到生下你。碰巧楊小水也在那幾天生了孩子，我去幫著接生，就把你給了她……

式中，TND是不同放牧梯度不同土層土壤氮貯量(t/hm2)，H是土層土壤的厚度(cm)，Bi是土層土壤的容重(g/cm3)，TN是土壤全氮含量(g/kg)。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理方法

通過Excel2003及 SAS9.0統(tǒng)計軟件進行方差分析。用最小顯著性差異方法檢驗各處理間的差異顯著性(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧梯度下土壤碳氮含量變化

與土壤有機碳本底情況相比較，土壤有機碳含量變化呈現(xiàn)出隨著放牧梯度的增加而降低的趨勢，土壤表層0—10cm由大到小增量的排列順序為G0.00(7.42 g/kg)＞G0.34(5.35 g/kg)＞ G0.46(3.03 g/kg)＞ G0.23(2.76 g/kg)＞G0.69(1.21 g/kg)＞G0.92(－1.45 g/kg);10—20 cm 和 20—30 cm 呈現(xiàn)出不放牧和輕度放牧(低載畜率)增量較大，達 6.92—6.95 g/kg 和 5.04—8.05 g/kg，重度放牧增量(高載畜率)較低，分別為 2.59 g/kg 和 2.42 g/kg。

經(jīng)過3a連續(xù)放牧，不同放牧梯度下土壤有機碳含量見圖2，方差分析表明，0—10cm，10—20cm和20—30 cm 土壤有機碳含量載畜率 G0.00、G0.23、G0.34、G0.46 和 G0.69 相互之間無顯著差異(P ＞0.05)，但 0—10 cm 土層載畜率 G0.00、G0.23 和G0.34均顯著高于 G0.92(P ＜ 0.05);10—20cm 土層載畜率G0.23 顯著高于G0.92(P ＜ 0.05);20—30 cm土層載畜率 G0.34 顯著高于 G0.92(P ＜0.05);總之，隨放牧?xí)r間的延續(xù)，當載畜率超過G0.69時，不同土層土壤有機碳含量均開始顯著降低，載畜率為G0.92呈現(xiàn)為最低。0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土壤有機碳含量載畜率 G0.00分別是 G0.92的 1.16、1.09倍和 1.10 倍，載畜率 G0.34 分別是 G0.92 的1.15、1.05 倍和 1.20 倍，這表明對于草原生態(tài)系統(tǒng)來說，不同土層土壤有機碳含量對放牧梯度的響應(yīng)不同，隨著放牧梯度的增加，降低了草地的初級生產(chǎn)力和凋落物的積累，從而使進入土壤的有機碳減少。

圖2 土壤有機碳含量對放牧梯度的響應(yīng)Fig.2 Response of soil organic carbon content in grazing grasslands to increasing grazinggradient

土壤全氮含量由圖3表明，經(jīng)過3a的放牧試驗，0—10 cm 土層全氮含量 G0.00、G0.23 和 G0.34顯著高于 G0.92(P ＜ 0.05);10—20cm 土層 G0.00、G0.34 和 G0.46 顯著高于 G0.92(P ＜ 0.05);20—30 cm土層不放牧G0.00顯著高于其他放牧梯度(P＜0.05)。與土壤全氮本底相比較，不同土層土壤全氮有所下降，隨著放牧梯度的增加，減緩速度增加，高載畜率 G0.92 下降達最低，分別為 1.32、0.67、0.63 g/kg，重度放牧導(dǎo)致了土壤氮素含量的顯著降低，不放牧和輕度放牧減緩了土壤氮素含量的降低。

圖3 土壤全氮含量對放牧梯度的響應(yīng)Fig.3 Response of soil total nitrogen content in grazing grasslands to increasing grazing gradient

2.2 不同放牧梯度對土壤碳固持潛力的影響

不同放牧梯度下土壤碳貯量見圖4，10—20 cm土層的土壤碳貯量G0.23顯著高于G0.69和G0.92(P＜0.05)，20—30 cm 土層的土壤碳貯量 G0.34 顯著高于 G0.92(P＜0.05);土壤表層 0—10 cm 碳貯量盡管在不同放牧梯度之間無顯著性差異，但呈現(xiàn)出隨著放牧梯度的增加而逐漸降低的趨勢，在重度放牧 G0.69—G0.92 狀況下，0—10 cm 土層土壤碳貯量有所下降。

圖4 草地土壤碳貯量對放牧梯度的響應(yīng)Fig.4 Response of soil carbon storage in grazing grasslands to increasing grazing gradient

0—30 cm土層重度放牧草地顯著降低了土壤碳貯量和碳固持潛力，并轉(zhuǎn)化為碳流失(圖4)，隨著放牧梯度增加呈顯著的線性下降趨勢(0—30 cm:R2=0.7071，P＜0.05)，與不放牧 G0.00 草地相比(107.1 t/hm2)，輕度放牧草地土壤碳固持潛力約為108.61—109.67 t/hm2，中度放牧草地的土壤碳固持潛力約為107.06 t/hm2，重度放牧草地的土壤碳固持潛力約為 95.13—100.14t/hm2，輕度放牧利于提高草地的土壤碳貯量和土壤碳固持潛力，長期重度放牧降低草地的土壤碳貯量和土壤碳固持潛力。

2.3 不同放牧梯度對土壤氮固持潛力的影響

圖5 草地土壤氮貯量對放牧梯度的響應(yīng)Fig.5 Response of soil nitrogen storage in grazing grasslands to increasing grazing gradient

0—30 cm土層氮貯量隨著放牧梯度增加呈顯著的線性下降趨勢(0—30 cm:R2=0.8928，P＜0.05)(圖5)，隨放牧?xí)r間的延續(xù)，逐漸呈現(xiàn)出不放牧和輕度放牧＞中度放牧＞重度放牧，G0.00顯著高于G0.69和 G0.92(P ＜ 0.05)，G0.23、G0.34 和 G0.46 顯著高于 G0.92(P ＜ 0.05)，輕度放牧 G0.23、G0.34 和中度放牧 G0.46 之間差異不顯著(P＞0.05)。與不放牧G0.00 草地相比(9.22 t/hm2)，輕度放牧草地土壤氮固持潛力約為 8.37—8.65 t/hm2，下降 6%—9%;中度放牧草地的土壤氮固持潛力約為8.20 t/hm2，下降11%;重度放牧草地的土壤氮固持潛力約為6.74—7.35 t/hm2，下降20%—27%。隨著放牧?xí)r間的延續(xù)，土壤氮固持潛力隨著放牧梯度增加而呈逐漸降低的趨勢，且長期重度放牧顯著降低草地的土壤氮貯量和土壤氮固持潛力。

2.4 土壤碳氮垂直分布

不同放牧梯度下土壤碳氮含量和碳氮貯量具有明顯的垂直分布特征(表2)，隨著土壤深度的增加土壤有機碳含量、全氮含量、碳貯量和氮貯量均呈明顯的下降。不同放牧梯度土壤有機碳含量平均有42.26%左右分布在 0—10 cm 土層內(nèi)，有30.67%分布在 10—20 cm 土層內(nèi)，有 27.07%分布在 20—30 cm土層內(nèi);土壤全氮含量在0—10 cm、10—20 cm和20—30cm 土層分布分別為 44.39%、30.13% 和25.48%;土壤碳貯量分別為 39.60%、31.26% 和29.14%;土壤氮貯量分別為 41.57%、30.97% 和27.46%;

方差分析表明，不同放牧梯度土壤有機碳含量、全氮含量、碳貯量和氮貯量均呈現(xiàn)出0—10 cm土層顯著高于10—20和20—30 cm土層(P＜0.05)。其中，載畜率為 G0.23、G0.69 和 G0.92 土壤有機碳含量、G0.23、G0.46 和 G0.69 土壤全氮含量呈現(xiàn)出 10—20 cm土層顯著高于20—30 cm土層(P＜0.05);載畜率G0.92土壤碳貯量10—20 cm土層顯著高于20—30 cm土層(P＜0.05);其他情況下土壤有機碳含量、全氮含量、碳貯量和氮貯量10—20 cm土層與20—30 cm土層之間沒有顯著性差異(P＞0.05);總體來看，不同放牧梯度下0—30 cm土層土壤碳氮變化呈現(xiàn)出均在土壤表層較高，說明表層土壤是土壤碳氮變化的主要發(fā)生區(qū)，土壤碳氮固持潛力隨著土壤增加而逐漸降低。

表2 同一放牧梯度不同土層土壤碳氮含量及碳氮貯量變化Table 2 The change of soil carbon/nitrogen content and carbon/nitrogen storage of different soil layer in the same grazing gradient

3 結(jié)論與討論

從土壤的碳氮含量變化和土壤碳氮貯量的比較來看，放牧梯度對土壤的碳氮變化有明顯的影響。輕度放牧(低載畜率)提高草地的土壤碳貯量和土壤碳固持潛力，重度放牧(高載畜率)降低草地的土壤碳貯量和土壤碳固持潛力，可能因為重度放牧顯著降低草地生產(chǎn)力，降低土壤通透性和養(yǎng)分可利用，降低新的有機質(zhì)輸入［23］，嚴重破壞了土壤團聚體和地表結(jié)皮，提高了土壤有機質(zhì)分解速率［14，23］;這與一些研究結(jié)果認為長期過度放牧將顯著降低土壤碳氮貯量［10-13］，輕度或中度放牧對草地土壤的影響相對較小，利于草地干物質(zhì)生產(chǎn)、營養(yǎng)循環(huán)和碳氮貯存［10，24-26］相一致。放牧對草地土壤氮素養(yǎng)分循環(huán)主要受土壤碳的有效性的影響，重度放牧降低了土壤有機碳，減少碳向地下部分的分配，使微生物碳減少［27］，提高了土壤凈氮礦化［5］;同時，放牧草地通過動物采食，提高了凋落物分解速率，加之動物排泄物，使放牧草地對氮周轉(zhuǎn)速率加快［28］。但是，當放牧引起植物群落顯著變化時，又能抑制氮礦化和氮有效性［5］。在碳的垂直分布上，放牧有使土壤碳向表層集聚的趨勢［20，29-31］，導(dǎo)致土壤有機碳容易流失。隨著放牧?xí)r間的延續(xù)，連續(xù)重度放牧使呼倫貝爾草甸草原植物群落高度、密度、蓋度和生物量顯著降低［32］，導(dǎo)致土壤氮固持潛力隨著放牧梯度增加而呈逐漸降低，且長期重度放牧顯著降低了草地的土壤氮貯量。所以，放牧對土壤碳氮貯量的影響受放牧方式、土壤特性和植物群落組成多種因素的影響。不同放牧梯度下0—30 cm土層土壤碳氮變化呈現(xiàn)出均在土壤表層較高，隨著土壤深度的增加土壤有機碳含量、全氮含量、碳貯量和氮貯量均呈明顯的下降，說明表層土壤是土壤碳氮變化的主要發(fā)生區(qū)，土壤碳氮固持潛力隨著土層增加而逐漸降低。

輕度放牧有利于實現(xiàn)呼倫貝爾草甸草原土壤碳固持，隨著放牧梯度的增加，重度放牧導(dǎo)致草地土壤碳氮貯量下降，并轉(zhuǎn)化為碳流失［11，24，33］，結(jié)果與何念鵬等在研究內(nèi)蒙古典型草地土壤碳固持速率時得出輕度放牧?xí)r表現(xiàn)為碳固持，而重度放牧?xí)r表現(xiàn)為碳流失，隨著放牧強度的增加，草地具有從碳匯/碳源的轉(zhuǎn)化過程和閾值這一規(guī)律相吻合［5］。本文定量地揭示了不同放牧梯度對內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原土壤碳固持潛力的影響，呼倫貝爾羊草草甸草原土壤碳固持與碳流失的轉(zhuǎn)化閾值為0.46Au.cow/hm2(放牧?xí)r間6—10月)，研究從提高碳貯量角度為草地適應(yīng)性管理提供了重要的理論依據(jù)，內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原通過合理控制放牧梯度能夠達到增加草地土壤固碳潛力，實現(xiàn)碳增匯的目的。

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