不同管理方式對(duì)貴州典型暖性草地土壤有機(jī)碳的影響

胡慶賀　徐海峰　張習(xí)敏等

摘要：以貴州省龍里典型性暖性草原為對(duì)象，研究典型草地、不圍欄、割草管理、灌叢管理4種不同管理方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度的影響，結(jié)果表明，不同管理方式對(duì)典型暖性草地土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度具有明顯影響；不圍欄管理導(dǎo)致土壤碳密度顯著下降，同時(shí)在灌叢管理下地質(zhì)地貌條件的差異同樣對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響；對(duì)典型草地進(jìn)行圍欄可以提高土壤碳密度，促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累、固定，同時(shí)也有利于退化草地的恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：喀斯特地貌；暖性草地；土壤有機(jī)碳；管理方式

中圖分類號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0330-04

土壤碳庫研究及碳匯問題是近年來土壤碳循環(huán)與全球變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有機(jī)碳是土壤的重要組分[1]。土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）作為土壤微生物的重要能源及最主要的營養(yǎng)元素，對(duì)土壤性質(zhì)及養(yǎng)分供應(yīng)能力產(chǎn)生重要影響，同時(shí)對(duì)土壤中C、N、S、P等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)具有重要意義，土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量巨大，在全球碳循環(huán)中占有重要地位[2-5]。土壤有機(jī)碳作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵部分，其微小變化將對(duì)大氣碳平衡產(chǎn)生巨大影響。我國草地碳庫中土壤有機(jī)碳存在巨大的空間異質(zhì)性，85%以上的土壤有機(jī)碳分布在溫帶、高寒帶草地土壤中，所以開展溫帶暖性草叢土壤有機(jī)碳研究尤為重要。龍里草原燈芯草群落是典型的南方暖性草地，也是熱帶亞熱帶地區(qū)重要群落類型，我國暖性草地主要分布在貴州省、廣西壯族自治區(qū)、云南省。隨著我國退耕還草工程的開展，草地土壤有機(jī)碳的變化機(jī)制研究日益受到重視，國內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)碳分布特征開展了一些探索工作，但是主要集中在溫性草地土壤、荒漠土壤方面，關(guān)于喀斯特地區(qū)暖性草地土壤有機(jī)碳分布特征研究不多。貴州省喀斯特暖性草地是西南喀斯特草地的重要組成部分。本研究探討表層土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度在不同管理方式下的空間分異以及隨土層深度的垂直變化，旨在為典型暖性草地的有效管理提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

研究區(qū)位于黔中腹地龍里縣龍里草原鄉(xiāng)（26°21′3.56″N，106°53′26.16″E），海拔1 596 m，境內(nèi)中低山丘陵地貌，碳酸鹽巖廣布，以地帶性黃壤、黃紅壤為主，為黔中典型喀斯特高山臺(tái)地草原，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量為1 158.5 mm，最少年為859.3 mm，年均氣溫14.7 C，極端最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫-3 ℃，積溫4 274.0～4 574.6 ℃，立體氣候明顯，熱量充足，干濕二季分明。該區(qū)地帶性植被為亞熱帶暖性草叢草地，建群種為燈芯草（Juncus effusus）、水虱草（Fimbristylis miliacea）、酸模（Rumex acetosa）、雞腿堇菜（Viola acuminata）、藎草（Arthraxon hispidus）、朝天罐（Osbecgia opipara）等[6-7]。群落類型在西南地區(qū)具有廣泛代表性，是研究我國乃至世界暖性草叢土壤碳含量對(duì)碳源/碳匯功能影響的理想場(chǎng)地。

1.2 方法

2012年3月，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置4塊80 m×20 m長期性固定監(jiān)測(cè)樣地，3個(gè)圍欄管理：典型草地（typical-grassland，TG）、割草（刈割）管理（mowing-management，MM）、灌叢管理（bush-administration，BA），1個(gè)不圍欄（no-fence，NF）管理，其中典型草地、灌叢草地屬于不同演替序列，典型草地、割草（刈割）、不圍欄（放牧）采用不同的管理措施。2012年3—4月對(duì)樣地進(jìn)行試驗(yàn)布置，采樣時(shí)間為8月底9月初，采用固定深度法，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)1 m×1 m小樣方，用直徑5 cm土鉆取樣，取樣深度為20 cm，共分3層（0～5、5～10、10～20 cm），相同土層進(jìn)行3次重復(fù)取樣，混合均勻后裝入自封袋。每處理挖1個(gè)150 cm×50 cm×100 cm（長×寬×深）的土壤剖面，采用環(huán)刀法，50 cm深度上每隔5 cm分5層取土測(cè)定土壤密度，每層5個(gè)重復(fù)采樣。由于貴州地區(qū)特殊的喀斯特地貌，土層淺薄，石灰?guī)r廣布，采樣深度受限，只能取樣到 0～30 cm 土層。

1.2.1 樣品分析方法

將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干處理，用粉碎機(jī)打碎并保存，采用干燒法，使用元素分析儀（Elementar Analysensysteme GmbH）在CNSO模式下測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；采用烘干法測(cè)定土壤密度，在100 ℃恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量。

1.2.2 土壤有機(jī)碳密度計(jì)算方法

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量

2.1.1 不同管理方式下土壤有機(jī)碳剖面垂直分布特征

單位質(zhì)量土壤中有機(jī)碳含量即為土壤有機(jī)碳含量，代表有機(jī)碳在土壤中的比例，用g/kg表示。不同管理方式下草地會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳輸入、輸出產(chǎn)生影響，且土壤有機(jī)碳輸入、輸出變化又深刻影響土壤有機(jī)碳含量變化[11]。由圖1可知，不同管理方式下土壤有機(jī)碳含量總體呈自上而下逐漸降低的趨勢(shì)，不同管理方式下土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減少的程度不同。典型草地各土層土壤有機(jī)碳含量間均差異顯著；不圍欄管理、割草管理除10～20 cm與20～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量差異不明顯外，其他各層差異顯著（P<0.05）。灌叢管理各土層有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)顯著差異（P<0.05）。4種管理方式下，0～10 cm表層土壤有機(jī)碳含量都顯著高于其他土層。

如表1所示，典型草地、不圍欄、灌叢管理土壤有機(jī)碳含量與土層深度之間呈直線關(guān)系，且顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），說明隨土壤深度的增加有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，土壤有機(jī)碳含量在0～30 cm土層中的遞減速率依次是典型草地>灌叢管理>不圍欄。endprint

2.1.2 不同管理方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

從圖1可以看出，不同管理方式下土壤有機(jī)碳含量在同一土層分布也存在差異。0～10 cm土層有機(jī)碳含量為典型草地>不圍欄>割草管理>灌木管理，20～30 cm土層有機(jī)碳含量為典型草地>割草管理>不圍欄>灌木管理。0～10、10～20 cm土層4種管理方式下土壤有機(jī)碳含量均呈顯著性差異（P<0.05）；20～30 cm土層僅典型草地呈差異顯著（P<0.05），其他管理方式差異不明顯。

2.2 土壤有機(jī)碳密度（SOCD）

2.2.1 不同管理方式土壤有機(jī)碳密度剖面垂直分布特征

土壤有機(jī)碳密度通常是指單位面積一定深度土體中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，由于排除了面積因素的影響而以土體體積為基礎(chǔ)來計(jì)算，故土壤碳密度已成為評(píng)價(jià)、衡量土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的重要指標(biāo)[12-15]。由圖2可知，有機(jī)碳密度在土壤中的垂直變化趨勢(shì)與有機(jī)碳相似，這是由于不同管理方式下土壤密度差異較小，即土壤有機(jī)碳密度隨土層深度的增加而逐漸減小。4種管理方式下，0～10 cm表層土壤碳儲(chǔ)量占0～30 cm土層總碳儲(chǔ)量的40.43%，10～20 cm土層碳儲(chǔ)量占總量的70.52%，20～30 cm土層碳儲(chǔ)量占總量的29.50%。典型草地、不圍欄、灌叢管理下土壤有機(jī)碳密度與土層深度呈線性負(fù)相關(guān)，土壤有機(jī)碳密度隨土壤深度的遞減速率為灌叢管理>典型草地>不圍欄，割草管理下土壤有機(jī)碳密度同土壤深度呈二次冪函數(shù)相關(guān)。不圍欄處理下0～10 cm 土壤有機(jī)碳密度與10～20、20～30 cm土層之間呈顯著差異（P<0.05）。其他3種管理方式下各層土壤有機(jī)碳密度差異不顯著。

2.2.2 不同管理方式對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響

為了對(duì)不同土類、地域進(jìn)行比較，通常計(jì)算0～20、0～100 cm土層的土壤有機(jī)碳密度[16-17]。由于貴州省特殊的喀斯特地貌，土層淺薄，石灰?guī)r廣布，土層只能延深至30 cm，所以為了比較不同管理方式下土壤有機(jī)碳密度，本研究探討4種管理方式下 0～10、0～30 cm土層的土壤有機(jī)碳密度。由圖3可知，0～10 cm土層不同管理方式下的有機(jī)碳密度依次為：典型草地>灌叢管理>割草管理>不圍欄，分別為7.33、692、652、5.99 kg/m2。典型草地、不圍欄管理方式下有機(jī)碳密度之間存在顯著差異，其他管理方式之間差異不顯著。0～30 cm 土層有機(jī)碳密度依次為：典型草地>割草管理>不圍欄>灌木管理，分別為20.68，18.88，14.63、13.62 kg/m2。典型草地同其他管理方式之間存在顯著差異，割草與其他管理方式之間也存在顯著差異，不圍欄、灌叢管理之間不存在顯著差異。本研究結(jié)果表明，對(duì)典型草地進(jìn)行圍欄保護(hù)可以提高0～10、0～30 cm土壤有機(jī)碳密度；不圍欄下，由于放牧?xí)r牲畜踐踏、人為破壞，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度處于相對(duì)較低的水平；割草管理下，8月中下旬完成刈割，地上生物量、凋落物量減少，表層土壤有機(jī)碳密度相對(duì)較低，深層土壤有機(jī)碳密度相對(duì)較高。灌叢管理下由于土壤表層受灌木優(yōu)勢(shì)種、草本優(yōu)勢(shì)種的影響，地上生物量、凋落物量較大，土壤有機(jī)碳密度高于不圍欄、割草管理。灌叢管理下土壤深層礫石較多，土層淺薄，不利于植物根系發(fā)育生長，造成土壤有機(jī)碳密度明顯低于其他管理方式。

3 結(jié)論與討論

3.1 貴州省典型暖性草地土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度的變化情況

貴州省典型暖性草地土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減少，4種管理方式下有機(jī)碳含量差異顯著，主要表現(xiàn)在 0～20 cm 的表層土壤。因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳主要來源于植物根系及凋落物的分解，所以土壤有機(jī)碳含量分布規(guī)律與地上凋落物量、植物根系生物量、植物根系深度密切相關(guān)[18]。貴州省典型暖性草地凋落物主要集中在土壤表層，植被根系也主要分布在0～20 cm的表層土壤，隨著土層深度的增加，土壤含水量、土壤溫度、土壤質(zhì)地條件變差，植物根系量隨之減少，有機(jī)質(zhì)來源也隨之減少，因此有機(jī)碳含量隨土層深度增加而降低[19-23]。不同管理方式下土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度降低的趨勢(shì)不同，典型草地、不圍欄、灌叢管理下土壤有機(jī)碳含量同土層深度呈顯著負(fù)線性相關(guān)，割草管理下土壤有機(jī)碳含量同土層深度呈二次冪函數(shù)相關(guān)。由于刈割直接破壞草原植被，導(dǎo)致草地根系生物量及凋落物量明顯減少，0～20 cm土層有機(jī)碳含量變化很大，說明植被的干擾破壞對(duì)有機(jī)碳含量的影響主要集中在表層。

3.2 圍欄處理對(duì)典型草地土壤有機(jī)碳含量的影響

圍欄處理下的典型草地相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行封育，通過自然力的作用使退化草地的植被與土壤得到恢復(fù)與重建[24]。圍欄管理一方面避免了草地的人為刈割以及牲畜采食、踐踏，使植被蓋度、植物多樣性得到較快恢復(fù)，隨著凋落物的返還，增加了土壤碳貯量；另一方面，圍欄后的植被蓋度增加，植被對(duì)降塵、風(fēng)吹蝕土壤細(xì)粒組分截獲量增加[25-26]。本研究選用的是圍欄2年的次生草地，物種多樣性豐富，幼苗更新快，所以不管是土壤有機(jī)碳含量還是土壤有機(jī)碳密度均大于其他管理方式。

3.3 不圍欄處理對(duì)典型草地土壤有機(jī)碳含量的影響

不圍欄管理下草地受放牧影響嚴(yán)重，過度放牧是影響草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量的重要因素之一[27]。本研究表明，不圍欄管理下0～10 cm表層土壤碳儲(chǔ)量比典型草地、割草管理、灌叢管理低，可見不圍欄管理下放牧對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響主要集中在表層土壤。由于牲畜對(duì)草地采食量增加，導(dǎo)致植被蓋度、地上生物量下降，凋落物量減少，同時(shí)也造成植物根系得不到養(yǎng)分供應(yīng)，地下生物量也隨之減少，進(jìn)而造成土壤有機(jī)碳含量減少。尤其是在春冬2個(gè)非生長季，草地植被低矮稀少，蓋度小，加上風(fēng)蝕作用，加劇了土壤有機(jī)質(zhì)損失。

3.4 割草處理對(duì)典型草地土壤有機(jī)碳含量的影響

刈割是一種人為干擾栽培技術(shù)，也是草地利用管理的主要方式[28-30]。本試驗(yàn)刈割留茬3 cm，屬于重刈割，土壤有機(jī)碳密度同土壤深度呈二次冪函數(shù)相關(guān)，有機(jī)碳密度隨土層深度增加而緩慢減少，越往深層減少越慢，深層土壤根系相對(duì)不圍欄、灌叢管理發(fā)達(dá)，土壤有機(jī)碳密度相對(duì)較高。今后筆者將對(duì)割草管理下不同刈割強(qiáng)度土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度進(jìn)行深入研究，揭示貴州省典型暖性草地土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度的變化規(guī)律。endprint

3.5 灌叢處理對(duì)典型草地土壤有機(jī)碳含量的影響

灌叢管理下土壤有機(jī)碳密度與土層深度呈線性負(fù)相關(guān)，灌叢管理下土壤表層有機(jī)碳密度受灌木優(yōu)勢(shì)種、草本優(yōu)勢(shì)種的影響，地上生物量、凋落物量較大，有機(jī)碳密度高于不圍欄管理、割草管理。灌叢管理下深層土壤礫石較多，土層淺薄，不利于植物根系發(fā)育生長，造成土壤有機(jī)碳密度明顯低于其他管理方式。

貴州省典型暖性草地在不同管理方式下土壤有機(jī)碳含量、密度都隨著土層深度的增加而減少，管理方式不同其減少程度也不同。不圍欄管理、灌叢管理、典型草地的土壤有機(jī)碳含量與土層深度呈顯著負(fù)線性相關(guān)；割草管理下土壤有機(jī)碳含量與土層深度呈二次冪函數(shù)分布。0～30 cm各土層典型草地土壤有機(jī)碳含量均高于其他管理方式，0～20 cm土層不圍欄管理下土壤有機(jī)碳含量最低，20～30 cm土層灌叢管理下由于地質(zhì)原因，土層淺薄，礫石較多，土壤有機(jī)碳含量極低。不同管理方式下對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響集中在0～10、0～30 cm土層。由此可見，放牧導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度明顯下降，同時(shí)地質(zhì)地貌條件也對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響。圍欄管理下的典型草地有利于保持并提高土壤有機(jī)碳密度，特別是長期圍封對(duì)土壤有機(jī)碳的恢復(fù)積累都將起到積極的作用，因此從提高碳儲(chǔ)量角度看，應(yīng)該禁止貴州省典型草原過度放牧，鼓勵(lì)實(shí)行適當(dāng)?shù)牟菰芾泶胧?/p>

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