人工修復(fù)退化草原碳儲量研究

陳 翔，王君芳，王召明，王曉龍

(內(nèi)蒙古和信園蒙草抗旱綠化股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

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人工修復(fù)退化草原碳儲量研究

陳 翔，王君芳，王召明，王曉龍

(內(nèi)蒙古和信園蒙草抗旱綠化股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

為揭示人工修復(fù)后草原碳儲量變化，本研究在內(nèi)蒙古呼和浩特大青山南麓退化草地人工修復(fù)草地進行，分別測定2012年、2013年和2014年草原碳儲量。結(jié)果表明，地上植被生物量、凋落物量和根系生物量隨著修復(fù)年限的延長而逐漸增加。未修復(fù)草地相比，植物群落和土壤有機碳儲量均隨修復(fù)年限的延長而增多。草原生態(tài)系統(tǒng)主要為土壤碳儲量，其次為地下碳儲量，最少為地上碳儲量。2012年、2013年和2014年，草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量總計為8萬噸、8.78萬噸和9.6萬噸。2013年碳儲量比2012年增加8.75%，2014年碳儲量比2013年增加10.26%。說明人工修復(fù)草原可增加草原生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。地上碳儲量2014年比2012年增加1226.88噸，地下碳儲量2014年比2012年增加1597.46噸，土壤碳儲量2014年比2012年增加1.6萬噸。因此，綜合現(xiàn)有指標(biāo)的測定數(shù)據(jù)，人工修復(fù)是一個非常好保護草地利用措施，在修復(fù)過程中草地是一個碳匯，應(yīng)該鼓勵持續(xù)進行。

碳儲量；人工修復(fù)；草原

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分,是連接大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈的紐帶；土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的儲庫,并且是其中非?；钴S的部分〔1〕。由于土壤圈的重要性和人類活動對土壤碳儲量的影響〔2-4〕,自20世紀(jì)50年代以來,國際上就有學(xué)者開始對全球土壤有機碳庫儲量進行估算〔5〕,土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫,其儲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〔6〕。碳循環(huán)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)循環(huán)的重要組成部分〔7〕，對于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡起著至關(guān)重要的作用。草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大的有機碳庫，而草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫約占總碳儲量的90%〔8〕。

近幾十年來，由于經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的迅速膨脹，人類對自然資源的需求也在不斷增加，致使礦物燃料大量燃燒，進而導(dǎo)致人類向大氣中排放的含C化合物越來越多，據(jù)資料顯示,大氣中二氧化碳濃度近150年內(nèi)增長了大約28%,已從十九世紀(jì)中期的285±5Fppmv上升到了二十一世紀(jì)末366ppmv〔9〕。人類對于草原的破壞程度日益嚴(yán)重，內(nèi)蒙古可利用草地面積為6359萬多公頃，目前退化草地面積已達(dá)3867萬公頃，占可利用草原的60%。素以水草豐美著稱的全國重點牧區(qū)呼倫貝爾草原和錫林郭勒草原，退化面積分別達(dá)23%和41%，鄂爾多斯草原的退化面積達(dá)68%以上〔10〕。

隨著天然草地的退化，人工草地、草地修復(fù)等建設(shè)手段已經(jīng)成為草原生態(tài)系統(tǒng)保護的重要技術(shù)手段。本研究區(qū)為內(nèi)蒙古和信園蒙草抗旱綠化股份有限公司在內(nèi)蒙古呼和浩特大青山南坡首次嘗試的人工修復(fù)退化草地項目。隨著人類活動對草地的影響越來越嚴(yán)重,這就使得人工草地研究顯得尤為重要和必須。人工草地不僅可以作為飼草料地為牲畜所利用,還可以凈化空氣、保護生態(tài)、美化環(huán)境，同時還能發(fā)揮它作為綠色植物本來的功能固定CO2,發(fā)揮其碳匯功能，為以后的項目實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼和浩特市大青山南坡，該地區(qū)屬典型的蒙古高原大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年溫差大，日溫差也大。其特點：春季干燥多風(fēng)，冷暖變化劇烈；夏季短暫、炎熱、少雨；秋季降溫迅速，常有霜凍；冬季漫長、嚴(yán)寒、少雪。全年光照充足,熱量資源較為豐富,平均氣溫約6.7℃。土壤主要為黃土及黃土狀物母質(zhì)、洪積物母質(zhì)、沖—洪積物母質(zhì)，主要為栗鈣土。土壤腐殖質(zhì)含量1%～10%，土壤pH值為6.5～7.5。

研究區(qū)主要草種為羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel)，披堿草(ElymusdahuricusTurcz)，冰草(Agropyroncristatum(Linn.)Gaertn)等，還有冷萬(Artemisia frigida Willd.Sp.Pl)、野豌豆( Vicia sepium Linn.)等

表1 樣地基本情況調(diào)查

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗樣地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市大青山南坡(N 40°55′08″，E 111°52′12″)，為1萬畝人工修復(fù)退化草原(萬畝草原)，在萬畝草原的西面、北面和南面分別選取3個點，在每個點的四個方向設(shè)置一條300m的樣線，每隔100m設(shè)置一個樣方，共36個樣方做地上植被調(diào)查，在每條樣線的末端即300m處，挖土壤剖面，深度100cm。

1.2.2 樣品采集與處理

(1)地上生物量測定方法

地上生物量測定方法,參見農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《草原資源與生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(NY/T1233-2006)。草本采取齊地面剪割,稱重。在每個樣地中隨機設(shè)置10個1m×1m的樣方。采用估測法確定植被總蓋度,將其地上部分齊地面刈割,稱取其鮮重并烘干獲得干重。

(2)根系測定

在每個樣方內(nèi),用內(nèi)徑7厘米的根鉆取地下根樣(0-100cm)。用水洗法將樣品洗凈后置于烘箱內(nèi)以65℃烘干至恒重,并稱取其干重,然后將樣品粉碎備用。

(3)土壤調(diào)查及采樣

采用根鉆法,在每個樣方內(nèi),用內(nèi)徑7厘米的根鉆取地下土樣(0-100cm),帶回實驗室陰干備用。

1.2.3 土壤碳(C)含量的測定

土壤碳的測定，采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.0軟件進行ANOVA方差統(tǒng)計分析。

生物量有機碳儲量計算公式為：

CBi=CABi·BABi+CUBi·BUbi

(1)

式中：CBi為生物量碳儲量，g·m-2；CABi為植物群落地上生物量有機碳含量，g·kg-1；BABi為地上植被的生物量，g·m-2；CUBi為植物群落地下生物量有機碳含量，g·kg-1；BUBi為地下植被的生物量，g·m-2；i表示年。

凋落物碳儲量計算公式：

CLi=Mi·Ci

(2)

式中：CLi是凋落物的有機碳儲量，g·m-2；Mi是凋落物質(zhì)量，g·m-2；Ci是凋落物有機碳含量，g·kg-1；i表示年。

土壤有機碳密度：單位面積一定深度的土層中有機碳的儲量。某一土層i的有機碳密度(SOCi/kg·m-2)的計算公式為：

SOCdensity=Cj·θj·Dj·(1-&j)/100

(3)

式中：Cj為第j層土壤有機碳含量，g·kg-1；θj為第j層土壤容重，g·cm-3；Dj為第j層土壤厚度，cm；&j為第j層中直徑大于2mm石礫所占的體積百分比，%，本文樣地&j為零。

草地生態(tài)系統(tǒng)有機碳碳儲量(CTi)計算公式：

CTi=CLi+CABi+CUBi+CSi

(4)

式中:CLi是凋落物的碳儲量，g·m-2；CABi是植物群落地上生物量有機碳儲量，g·m-2；CUBi是植物群落地下生物量有機碳儲量，g·m-2；CSi是土壤0～100cm有機碳儲量，g·m-2；i表示年a。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上碳儲量變化(包括凋落物)

由圖1可以看出，隨著恢復(fù)時間的增加，萬畝草原地上植被碳儲量逐漸增加，表現(xiàn)為2012>2013>2014。三年有機碳儲量具有顯著性差異(P<0.05)。2014年顯著大于2013年(P<0.05)，2013年顯著大于2012年(P<0.05)。2014年比2013年地上碳儲量增加44.86%。比2012年增加16.48倍。

由以上結(jié)果可知，人工修復(fù)可加速草地植被的更新和恢復(fù)，植物群落生物量作為生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機物總量，是整個生態(tài)系統(tǒng)運行的能量基礎(chǔ)和營養(yǎng)物質(zhì)來源。地上植被的恢復(fù)可進一步影響土壤系統(tǒng)，這有利于提高植被的碳匯能力減緩?fù)寥里L(fēng)蝕，有利于土壤有機碳的積累。

凋落物碳儲量雖然在整個草原生態(tài)系統(tǒng)所占的比例非常少，但是也是地上碳庫的不可忽視的一個部分。通過人工修復(fù)，草地植被得到自然更新與恢復(fù)，可以有效增加植被的碳截留，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的本來面目，從而發(fā)揮草地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能。

圖1 地上有機碳儲量

注：不同小寫字母代表顯著差異性(P<0.05)

2.2 地下根系碳儲量變化

2.2.1 三年地下根系生物量變化

由圖2可知，植物群落0～100cm地下生物量總量隨修復(fù)年限增加而增加，隨著深度的增加地下根系生物量隨著土層深度的增加而減少。2012年、2013年和2014年，0～40cm土層深度根系生物量占所有根系生物量的89.23%、93.58%和94.2%，說明植被地下生物量主要集中在0～40cm土層。隨著修復(fù)時間的增加，所占比重也越來越大。0～10cm土層根系量表現(xiàn)為2014年>2013年>2012年，分別占地下根系生物量的45.57%、70.30%和58.57%，說明地下根系主要集中在0～10cm土層，人工修復(fù)后，2013年，根系主要生長在0～10cm土層。

40～100cm土層三年的根系生物量沒有顯著差異(P>0.05)。在0～10cm土層根系生物量，2013和2014年沒有顯著性差異(P>0.05)，但是顯著大于2012年的根系生物量(P<0.05)。在10～20cm土層根系生物量，2014年顯著大于2013和2012年(P<0.05)。而在20～40cm，2012年底線根系生物量就大于2013年和2014年，說明在以前這可能是農(nóng)耕地，根系比草本植被要更深入土壤。

圖2 地下生物量

注：不同小寫字母代表顯著差異性(P<0.05)

2.2.2 三年地下根系生物量有機碳變化

由表2可知，對植物群落0～100cm地下生物量有機碳含量測定結(jié)果表明，地下生物量有機碳含量隨修復(fù)草地年限的延長而增加，各樣地地下生物量碳含量隨土壤深度的增加而降低；在各個土層深度上，地下生物量有機碳含量均表現(xiàn)為2014年>2013年>2012年。2014年生物量有機碳為406.62gC·m-2，比2013年增加了21.03%，比2012年增加了143.31%。表明人工修復(fù)草地顯著增加了地下生物量有機碳，2014年顯著高于2013年(P<0.05)，2013年顯著高于2012年(P<0.05)。

由表2可知，在0～10cm深度上，2012年、2013年和2014年地下生物量有機碳含量分別為76.15gC·m-2、199.58gC·m-2和238.17gC·m-2，分別占整個剖面地下生物量有機碳的45.57%、70.31%和58.57%。對于地下生物量而言，0～10cm土層根系是碳匯潛力的主要來源。在0～40cm，根系碳含量2012年、2013年和2014年分別為149.13gC·m-2、265.85gC·m-2和383.34gC·m-2。

可以看出，修復(fù)后根系有機碳含量顯著增加，植被根系主要集中在土體0～40cm深度內(nèi)，土深40cm以上的土壤枯落物和根系分解所產(chǎn)生的有機質(zhì)相對集中，尤其是在表層集中。表層土壤最具生物活性，表層土壤較下層土壤經(jīng)歷著更為劇烈的溫度和濕度變化，而且更容易受到分解物和根系分泌物的影響，相應(yīng)的有機碳含量明顯高于下層。

表2 植物群落0～100cm地下生物量有機碳儲量

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤碳儲量變化

2.3.1 土壤有機碳密度變化

由圖3可以看出，土壤有機碳密度隨著土層深度的增加而減少，草原實行修復(fù)后，各土層有機碳密度均高于2012年。在0～10cm土層，三年土壤有機碳密度具有顯著性差異(P<0.05)。在10～20cm土層，2014年顯著高于2012年土壤碳密度(P<0.05)，在20～30cm，2012年卻顯著高于2013和2014年(P<0.05)，30～100cm三年均無顯著差異(P>0.05)。說明隨著土層的深度增加，在深土層中，土壤有機碳密度基本無差異和修復(fù)年限并無相關(guān)性。隨著修復(fù)年限的增加也沒有增加土壤有機碳密度。

圖3 土壤有機碳密度

注：不同小寫字母代表顯著差異性(P<0.05)

2.3.2 土壤容重和有機碳變化

由表3可知，隨著休牧年限的延長，各樣地之間的土壤容重表現(xiàn)出明顯的差異：在0～100cm土層，2014年>2013年>2012年，2012年、2013年與2014年差異顯著(P<0.05)。隨著土層深度的增加，各樣地土壤容重均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在0～50cm土壤中，2014年修復(fù)的土壤顯著高于2012年未修復(fù)土壤(P<0.05)。隨著土層深度的增加，差異不顯著。

由表3可知，土壤有機碳含量隨土壤層次的加深而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。草原實行人工修復(fù)后，各土層有機碳含量均高于2012年。2012年在30～100cm土層土壤有機碳與其他修復(fù)年限差異均不顯著(P>0.05)。在0～100cm剖面尺度上，有機碳含量隨著修復(fù)年限的增加而增加。2013年和2014年在0～10cm土層差異不顯著(P>0.05)，但是顯著大于2012年(P<0.05)。2013年和2014年在10～30cm土層差異不顯著(P>0.05)，2014年顯著高于2012年P(guān)<0.05)。

表3 土壤有機碳儲量

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 草原有機碳儲量

由表4可以看出，草原生態(tài)系統(tǒng)主要為土壤碳儲量，其次為地下碳儲量，最少為地上碳儲量。2012年、2013年和2014年，草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量總計為8萬噸、8.78萬噸和9.6萬噸。2013年碳儲量比2012年增加8.75%，2014年碳儲量比2013年增加10.26%。說明經(jīng)人工修復(fù)后，草原生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量明顯增加。由表4可以看出，地上碳儲量2014年比2012年增加1226.88噸，地下碳儲量2014年比2012年增加1597.46噸，土壤碳儲量2014年比2012年增加1.6萬噸。

表4 有機碳儲量

3 結(jié)論

草原作為一個碳庫，由土壤、植物地上部分、地下根系和枯落物4個部分組成。生物量碳作為生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機物總量，是整個生態(tài)系統(tǒng)運行的能量基礎(chǔ)和營養(yǎng)物質(zhì)來源〔11〕。人工修復(fù)可以使草地植被得到有效的恢復(fù)與更新，有利于草地的可持續(xù)利用。隨著草地修復(fù)期限的延長，草原有機碳密度表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，表明在修復(fù)過程中草地系統(tǒng)是一個碳匯。人工修復(fù)草地對草地固碳過程和機理研究尚有待深入。不同區(qū)域、不同退化程度的草地，會因休牧季節(jié)、休牧年限影響系統(tǒng)有機碳的累積，因此需要開展長期、系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)試驗研究，為國家制定區(qū)域有針對性的人工修復(fù)草地提供科學(xué)依據(jù)。

〔1〕李艷.基于3S技術(shù)和Citygreen模型的城鎮(zhèn)綠地碳儲量估測〔D〕.上海:上海交通大學(xué),2008.

〔2〕張峰.中國草原碳庫儲量及溫室氣體排放量估算〔D〕.蘭州大學(xué),2013.

〔3〕劉留輝,邢世和,高承芳,等.國內(nèi)外土壤碳儲量研究進展和存在問題及展望〔J〕.土壤通報,2009,40(3):697-701.

〔4〕趙其國.土壤圈在全球變化中的意義與研究內(nèi)容〔M〕.地學(xué)前緣,1997,4(2):153-162.

〔5〕徐德應(yīng).人類經(jīng)營活動對森林土壤碳的影響〔J〕.世界林業(yè)研究,1994,5:26-31.

〔6〕汪業(yè)勖,趙士洞,牛頓.陸地土壤破循環(huán)的研究動態(tài)〔J〕.生態(tài)學(xué)雜志,1999,18(5):29-35.

〔7〕Marklein A R,Houlton B Z.2012 Nitrogen inputs accelerate phosphorus cycling rates across a wide variety of terrestrial ecosystems.New Phytologist,193(3):696-704.

〔8〕李凌浩,陳佐忠.草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其對全球變化的響應(yīng)〔J〕.植物學(xué)通報,1998,15⑵:14-22.

〔9〕Watson R T, Verardo D J. Land-use change and forestry 〔M〕. Cambridge University Press, 2000.

〔10〕張鵬永.發(fā)展人工草地勢在必行〔J〕.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2001,(4):16-18.

〔11〕王春梅,邵彬,王汝南.東北地區(qū)兩種主要造林樹種生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力〔J〕.生態(tài)學(xué)報,2010,30(7):1764-1772.

2015-03-20

周天榮(1989-)，女，蒙古族，內(nèi)蒙古呼倫貝爾市人，農(nóng)學(xué)研究生，主要從事天然牧草裹包青貯研究。

格根圖，碩士生導(dǎo)師，主要從事飼草料加工與貯藏科研工作。

S812

A

2095—5952(2015)02—0026—05