三江源區(qū)不同退化高寒草甸土壤碳分布特征研究
2015-03-20 13:34:08劉育紅魏衛(wèi)東溫小成李積蘭
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年2期
劉育紅+魏衛(wèi)東+溫小成+李積蘭
摘要：在青海省三江源區(qū)選擇了甘德縣青珍鄉(xiāng)高寒草甸典型樣區(qū)，劃分了5種不同退化程度的樣地（原生植被UD、輕度退化LD、中度退化MD、重度退化HD、極度退化ED），10 cm等深度采集表土（0～30 cm）土壤樣品，分析土壤總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量變化。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)高寒草甸土壤的表土總碳和有機(jī)碳含量出現(xiàn)極大的變異性，隨退化程度的加劇而呈顯著下降，有機(jī)碳含量的下降幅度更大。與原生植被相比，輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化樣地0-30 cm 土壤總碳含量分別平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%，土壤有機(jī)碳含量分別平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%，隨土層的加深和退化程度的加劇，無(wú)機(jī)碳的含量在迅速地增加?？偟膩?lái)看，表層土壤碳含量在生態(tài)系統(tǒng)退化情況下的變化最劇烈。隨退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機(jī)碳含量下降迅速，占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，有機(jī)碳損失嚴(yán)重。
關(guān)鍵詞：三江源區(qū);高寒草甸;生態(tài)系統(tǒng)退化;土壤碳
中圖分類號(hào)：S812.2;S153.6 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）02-0308-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.014
Distribution Characteristics of Soil Carbon on Different Degraded Degree Alpine Meadow in the Source Area of Three Major Rivers in China
LIU Yu-hong，WEI Wei-dong，WEN Xiao-cheng，LI Ji-lan
（College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining 810016， China）
Abstract： Typical areas of alpine meadow in the source area of the Yellow River， Yangtze River and Lancangjiang River at Qingzhen village， Gande county， Qinghai Province， China were selected. 5 different types of degraded degree sampling plots including undegradation， light degradation， moderate degradation， heavy degradation， extreme degradation were identified. Topsoil （0～30 cm） samples were collected using 10 cm depth interval sampling with a soil auger. Variation of soil total carbon， organic carbon and inorganic carbon contents were analyzed. Results showed that variable contents of soil total carbon and organic carbon were dramatically decreased with aggravation of degradation. Decline in content of organic carbon was more intense. Compared to primary vegetation， content of soil total carbon in topsoil was declined by 7.4%， 12.2%， 16.1% and 17.1% under slightly declined， moderately declined， seriously declined and severely declined degree， respectively. Content of soil organic carbon was declined by 21.7%， 39.7%， 67.4% and 79.6%. Content of soil inorganic carbon was increased with deepening of soil layer and aggravation of degradation. The change of content of topsoil carbon was dramatical in ecosystem degradation. The content of organic carbon in alpine meadow soil decreased rapidly with aggravation of degradation. Proportion of soil organic carbon in total carbon reduced from 87.2% to 11.6%， indicating that content of soil organic carbon losed severely.
Key words： source area of three major rivers of China; alpine meadow; ecosystem degradation; soil carbonendprint
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳存在的主要場(chǎng)所[1]，生態(tài)系統(tǒng)退化導(dǎo)致我國(guó)土壤碳庫(kù)的損失達(dá)3.5 Pg[2，3]，土壤碳庫(kù)功能快速喪失十分嚴(yán)重，成為我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與應(yīng)對(duì)氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，草地分布面積廣，在全球陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著極為重要的作用[4]，草地碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的15%[5]，其中約92%的碳儲(chǔ)存在土壤中[6]。因此，研究陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的變化特點(diǎn)對(duì)于了解生態(tài)系統(tǒng)變化的土壤碳庫(kù)效應(yīng)及其對(duì)大氣溫室效應(yīng)的影響具有重要科學(xué)價(jià)值。
三江源區(qū)地處青藏高原，氣候嚴(yán)酷，地勢(shì)高峻，自然條件惡劣。近幾十年來(lái)，三江源區(qū)氣候變化總體上呈現(xiàn)氣溫升高、降水減少、蒸發(fā)量增大的暖干化趨勢(shì)，導(dǎo)致湖泊萎縮、冰川退縮、草地退化、土壤流失。這一現(xiàn)狀產(chǎn)生的嚴(yán)峻后果之一即高寒草地碳匯能力下降，碳匯儲(chǔ)量減少，從而加大了溫室氣體的排放壓力。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道，全球約有1 500 Gt碳以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于地球土壤中[7]，而青藏高原草地有機(jī)碳量達(dá)到3.35×1010 t，占全國(guó)土壤有機(jī)碳總量的23.44%，其中以高寒草甸土壤和高寒草原土壤有機(jī)碳積累量為主[8-10]。目前針對(duì)退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳的分布特征及相互關(guān)系等的研究報(bào)道較少，本研究在對(duì)青海省三江源典型高寒草甸退化樣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的調(diào)查基礎(chǔ)上，分析不同退化生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的變化，為闡明生態(tài)系統(tǒng)退化對(duì)高寒草甸土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性及其氣候變化效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。
1 ?材料與方法
1.1 ?研究區(qū)自然地理概況
研究樣地位于青海省三江源核心區(qū)的果洛州甘德縣青珍鄉(xiāng)，樣地基本情況見(jiàn)表1，海拔4 025 m，東經(jīng)100°12′18″，北緯34°08′54″。甘德縣為高原大陸性半濕潤(rùn)氣候[11]，無(wú)四季而只有冷季、暖季之分，冷季長(zhǎng)達(dá)9個(gè)多月;年均溫度-2 ℃，年均降水量520 mm，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)2 313～2 607 h，牧草生長(zhǎng)季150 d，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期;土壤類型為高寒草甸土（中國(guó)土壤發(fā)生分類制）[12]、濕潤(rùn)均腐土（中國(guó)土壤系統(tǒng)分類）[13]、寒冷軟土（Cryoborolls 或 Halpoborolls，美國(guó)土壤系統(tǒng)分類制）[14]，土層薄、質(zhì)地差、易侵蝕。研究樣地屬于高寒嵩草草甸，草地植物主要有高山嵩草（Kobresia pygmaea）、羊茅（Festuca ovina）、早熟禾（Poa sp.）、苔草（Carex sp.）、高山紫菀（Aster alpina）、高山唐松草（Thalictrum alpinum）、黃帚槖吾（Ligularia virgaurea）、兔耳草（Lagotisbrachystachya）、青藏棱子芹（Pleurospermum pulszkyi）、露蕊烏頭（Aconitum gymnandrum）等。
1.2 ?不同退化程度樣地選擇
按照文獻(xiàn)[15]的方法對(duì)試驗(yàn)樣地高寒草地植物群落及退化狀況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合地表及水土流失狀況、鼠害危害程度等指標(biāo)綜合判斷將試驗(yàn)樣地劃分為未退化（Undegradation，UD）、輕度退化（Light Degradation，LD）、中度退化（Moderate Degradation，MD）、重度退化（Heavy Degradation，HD）、極度退化（Extreme Degradation，ED）共5種退化程度（表1）。土壤采樣于2012年7月進(jìn)行。
1.3 ?植物、土壤采樣與樣品分析
按“收割樣方法”[16]采集植物地上部分生物量。在樣地內(nèi)按照不同退化程度分別隨機(jī)設(shè)置10個(gè)1 m2的觀測(cè)樣方，進(jìn)行植物群落的測(cè)定，主要包括植被覆蓋度、地上生物量等。土壤樣品采用剖面法分層采集，自上而下用移除法分別采集0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm這3 個(gè)深度的土樣，樣品盛于塑料自封袋，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。揀去植物殘根和石礫等，自然風(fēng)干后，磨碎過(guò)2 mm篩，土壤總碳采用EA4000元素分析儀測(cè)定。土樣過(guò)0.15 mm篩后采用外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法進(jìn)行土壤有機(jī)碳測(cè)定[17]，土壤無(wú)機(jī)碳含量為總碳含量減去有機(jī)碳含量。采集土樣的同時(shí)，分土層利用水分測(cè)定儀測(cè)定土壤水分含量，并測(cè)定土壤溫度等。
1.4 ?數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析
對(duì)地上生物量及土壤總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，所有測(cè)定在Excel 2003上處理，對(duì)不同退化程度和不同土層間的差異采用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。
2 ?結(jié)果與分析
2.1 ?同一土層不同退化程度高寒草甸土壤總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量
土壤總碳含量包括無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳含量。由表2可見(jiàn)，青珍樣地5種退化程度下各層土壤總碳含量均隨退化程度的加劇呈下降的趨勢(shì)，即UD>LD>MD>HD>ED。10-20 cm和20-30 cm土層土壤總碳含量不同退化程度間均差異不顯著（P>0.05），而0-10 cm土層土壤總碳含量UD與其余四種退化梯度間均差異極顯著（P<0.01），LD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05）?？偟膩?lái)看，0-30 cm土層土壤總碳含量各退化程度間均未達(dá)到差異極顯著（P>0.01），但UD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05）。結(jié)果表明，表層土壤總碳含量在生態(tài)系統(tǒng)退化下的變化最劇烈。不同退化程度高寒草甸土壤總碳主要分布在0-10 cm土層，且明顯高于其他土層。與UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤總碳含量分別平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%。0-10 cm土層總碳含量分別降低了16.3%、24.7%、28.8%和30.7%，10-20 cm土層分別降低了0.6%、4.1%、7.7%和8.5%，而20-30 cm土層分別降低了2.1%、3.0%、6.9%和9.0%。因此，退化下表層土壤總碳含量的下降速度大于深層土壤，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)退化對(duì)表層土壤的影響更為劇烈，降低了土壤碳庫(kù)。結(jié)合研究樣地植被群落構(gòu)成看，高寒草甸草地以莎草科嵩草屬植物為主，隨著退化的加劇，植物優(yōu)勢(shì)種逐漸由禾草過(guò)渡演替為以雜類草為主，植被覆蓋度降低又引起地表水蝕風(fēng)蝕，進(jìn)一步加劇了土壤的退化，嚴(yán)重影響了高寒草甸土壤總碳的含量。因此，三江源區(qū)高寒草甸濕地的保護(hù)對(duì)于穩(wěn)定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)功能極其重要。endprint
土壤有機(jī)質(zhì)中碳元素含量即為土壤有機(jī)碳。由表3可見(jiàn)，5種退化程度下土壤各層有機(jī)碳含量均隨退化程度的加劇呈下降的趨勢(shì)，即UD>LD>MD>HD>ED。并且，除了0-10 cm土層HD與ED間土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05）外，其余各土層包括0-30 cm土層的不同退化程度間均差異極顯著（P<0.01），表層土壤有機(jī)碳含量在生態(tài)系統(tǒng)退化下的變化最劇烈。不同退化程度高寒草甸土壤有機(jī)碳主要分布在0-10 cm土層，且明顯高于其他土層，與UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤有機(jī)碳含量分別平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%。0-10 cm土層有機(jī)碳含量分別降低了26.3%、44.4%、77.1%和85.7%，10-20 cm土層分別降低了19.0%、41.5%、65.1%和75.2%，而20-30 cm土層分別降低了7.8%、15.4%、30.5%和62.1%。因此，退化下表層土壤有機(jī)碳含量的下降幅度大于深層土壤，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)退化對(duì)表層土壤的影響更為劇烈，強(qiáng)烈地降低了土壤碳庫(kù)。在高寒草甸草地，隨著退化程度的加劇，土壤碳含量呈下降的變化趨勢(shì)。土壤總碳含量由未退化時(shí)的52.06 g/kg 降低到極度退化時(shí)的42.86 g/kg，土壤有機(jī)碳含量由未退化時(shí)的31.55 g/kg 降低到極度退化時(shí)的6.45 g/kg。由于引起高寒草地退化的重要因素之一是過(guò)度放牧，因此，放牧強(qiáng)度超過(guò)高寒草地承載能力后，引起植被和土壤的退化，導(dǎo)致輸入土壤的有機(jī)質(zhì)減少，這一結(jié)果與李凌浩等[16]、王啟蘭等[18]的研究結(jié)果一致，即隨著放牧壓力的增大，土壤有機(jī)碳積累顯著降低。
土壤無(wú)機(jī)碳主要指土壤風(fēng)化成土過(guò)程中形成的發(fā)生性碳酸鹽礦物態(tài)碳，是半濕潤(rùn)到干旱地區(qū)土壤的一個(gè)重要組成部分[19]，就量而言，土壤無(wú)機(jī)碳以CaCO3為主[20]。由表4可見(jiàn)，5種退化梯度下各層土壤無(wú)機(jī)碳含量均隨退化程度的加劇呈上升的趨勢(shì)，即UD
2.2 ?同一退化程度不同土層高寒草甸土壤總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量
由圖1可見(jiàn)，同一退化程度不同土層間土壤總碳含量均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的變化趨勢(shì)，除了UD土壤的0-10 cm土層分別與10-20 cm和20-30 cm土層差異顯著（P<0.05）外，其余各退化程度不同土層間均無(wú)顯著差異（P>0.05）;同一退化程度不同土層間土壤有機(jī)碳含量也均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的變化趨勢(shì)，并且各退化程度不同土層間均差異顯著（P<0.05）;同一退化程度不同土層間土壤無(wú)機(jī)碳含量均呈0-10 cm<10-20 cm<20-30 cm的變化趨勢(shì)。一般情況下，近表層土壤具有相對(duì)脫鈣現(xiàn)象，隨著土層的加深無(wú)機(jī)碳含量增加，至一定深度再下降[21]，UD土壤的各土層間均差異顯著（P<0.05），LD和MD土壤的0-10 cm土層分別與10-20 cm和20-30 cm土層的無(wú)機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05），其余各退化程度不同土層間均無(wú)顯著差異（P>0.05）。結(jié)果表明，隨著退化程度的加劇，表層土壤總碳、有機(jī)碳含量下降速度以及無(wú)機(jī)碳含量增加速度比深層土壤要快。這是因?yàn)樵诟吆莸閻毫迎h(huán)境條件下，土壤表層更易受到草甸退化導(dǎo)致的土層變薄、理化性狀惡化、有機(jī)物來(lái)源減少、土壤侵蝕等的不利影響，使表層土壤的總碳和有機(jī)碳含量隨退化程度的加劇而顯著下降。另外，以嵩草屬植物為建群種的高寒草甸草地，植物根系密集分布在0-10 cm土層，因此，草地退化使得0-10 cm土層較10-20 cm土層和20-30 cm土層地下生物量減少得更為顯著，根際環(huán)境變化也更為明顯，從而導(dǎo)致在不同深度土層引起的土壤總碳和有機(jī)碳含量的下降速度不同，且隨著退化程度的加劇，表層土壤總碳和有機(jī)碳含量的下降速度更快（表2、表3），而當(dāng)草地退化發(fā)生后，該土層土壤有機(jī)碳含量快速下降，進(jìn)一步惡化了土壤養(yǎng)分供應(yīng)，加劇了草地退化。
2.3 ?不同土層不同退化程度高寒草甸土壤總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量
土壤碳庫(kù)包括土壤有機(jī)碳庫(kù)和土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)，前者是濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)碳庫(kù)的主要形式，而后者是干旱、半干旱地區(qū)土壤碳庫(kù)的主要形式，土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)一般比土壤有機(jī)碳庫(kù)大2～5倍[22]。土壤無(wú)機(jī)碳與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)[19]，體現(xiàn)在有機(jī)碳分解釋放的 CO2與水作用后形成碳酸，碳酸與鈣、鎂離子結(jié)合為土壤碳酸鹽。青珍樣地不同退化程度不同土層的土壤中無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳占總碳的比例見(jiàn)表5。表5顯示隨土層的加深和退化程度的加劇，無(wú)機(jī)碳的含量都在迅速的增加，無(wú)機(jī)碳含量占總碳含量的比例變化由12.8%增加到88.4%，其中0-10 cm土層由12.8%增加到82.0%，10-20 cm土層由43.3%增加到84.6%，20-30 cm土層由72.2%增加到88.4%，說(shuō)明無(wú)機(jī)碳主要分布在土壤的深層，并隨退化而加劇。同時(shí)，隨土層的加深和退化程度的加劇，有機(jī)碳的含量都在迅速地減少，有機(jī)碳含量占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，其中0-10 cm土層由87.2%減少到18.0%，10-20 cm土層由56.7%減少到15.4%，20-30 cm土層由27.8%減少到11.6%，說(shuō)明有機(jī)碳主要分布在土壤的表層，并隨土壤退化而加劇減少。但總的來(lái)看，土壤總碳的含量隨土層的加深和退化程度的加劇而減少。
3 ?結(jié)論
本研究表明，青珍鄉(xiāng)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化，高寒草甸植物群落優(yōu)勢(shì)種呈嵩草—禾草—雜類草的逆向演替。隨退化程度的加劇，土壤各層總碳和有機(jī)碳含量均呈下降的趨勢(shì)，即UD>LD>MD>HD>ED，土壤總碳含量由未退化時(shí)的52.06 g/kg 降低到極度退化時(shí)的42.86 g/kg，土壤有機(jī)碳含量由未退化時(shí)的31.55 g/kg 降低到極度退化時(shí)的6.45 g/kg;0-30 cm土層土壤總碳含量在各退化程度間均未達(dá)到差異極顯著（P>0.01），但UD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05），0-30 cm土層土壤有機(jī)碳含量在各退化程度間均差異極顯著（P<0.01），0-30 cm土層土壤無(wú)機(jī)碳含量在各退化程度間比較可知ED與UD和LD間差異極顯著（P<0.01），HD與UD間差異極顯著（P<0.01），HD與LD間差異顯著（P<0.05）;隨土層的加深，土壤總碳和有機(jī)碳的含量也在迅速下降，尤其是0-10 cm土層下降得最快?？偟膩?lái)看，表層土壤碳含量在生態(tài)系統(tǒng)退化下的變化最劇烈。隨退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機(jī)碳含量迅速下降，占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，有機(jī)碳損失嚴(yán)重。
高寒草地在氣候變化等自然因素和超載過(guò)牧等人為因素的共同擾動(dòng)下，出現(xiàn)草地植物群落逆向演替和土壤退化現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了脆弱的高寒草地生態(tài)環(huán)境，并且其退化一旦出現(xiàn)，恢復(fù)與重建將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。因此，深入研究該區(qū)退化草甸土壤碳的分布變化規(guī)律，對(duì)人工調(diào)控與促進(jìn)草地群落的正向演替，加快退化高寒草地的生態(tài)恢復(fù)與重建具有重要作用。
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