模擬放牧對天山北坡草甸草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

孫 霞，丁 娓，賈宏濤，金俊香

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.干旱區(qū)土壤與植物生態(tài)過程實驗室自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

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模擬放牧對天山北坡草甸草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

孫 霞1,2，丁 娓1,2，賈宏濤1,2，金俊香1,2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.干旱區(qū)土壤與植物生態(tài)過程實驗室自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：為了揭示模擬放牧對天山北坡草甸草原有機碳儲量的影響，在2012-2013年采用刈割模擬放牧方式設置休牧、輕牧、中牧、重牧4個處理，研究了不同放牧強度下地上活體植物、凋落物、根系和土壤的有機碳儲量的變化。研究表明，隨著放牧強度的增大，地上植被生物量碳儲量、凋落物碳儲量和總碳儲量均表現(xiàn)為休牧>輕牧>中牧>重牧；根系碳儲量呈輕牧>休牧>中牧>重牧，與輕牧相比，中牧和重牧分別下降了42.25%和72.41%；土壤碳儲量表現(xiàn)為休牧>中牧>輕牧>重牧。隨著土壤深度的增加，根系碳儲量逐漸減?。煌寥烙袡C碳密度隨土壤深度增加則呈現(xiàn)不同的變化，總體呈現(xiàn)下降趨勢；根系和土壤碳儲量表層化趨勢顯著，0-20 cm土層約占總碳密度的40%。碳儲量的含量表現(xiàn)為土壤>根系>地上生物量，土壤有機碳密度最多，占85%以上；凋落物碳儲量最少。

關鍵詞：放牧強度；草甸草原；碳密度；碳儲量

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)已成為全球變化研究的焦點。草地生態(tài)系統(tǒng)是分布面積最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，占據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的16.4%，碳儲量為3.08×1014kg，約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的15.2%[1]。草地作為人類活動影響最為嚴重的區(qū)域和潛在碳匯，其碳素行為活躍，碳蓄積能力強。因此，草地生態(tài)系統(tǒng)對全球碳循環(huán)的研究具有重要意義。隨著人口的快速增長和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人為的干擾對草地的影響越來越大，勢必會影響到草原的碳庫功能[2]。放牧作為草地利用最主要的方式，是影響最大的人類活動。不合理的放牧，就可能使草原從碳庫轉變?yōu)樘荚矗珻O2排放量增加[3]。

目前，國內(nèi)外對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)[4-5]，對草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的關注不夠。近年來，中國對草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要是在青藏高原[6-8]和內(nèi)蒙古草原[9-11]兩大區(qū)域，其它地區(qū)如新疆[12]等草地僅有零星的研究。目前為止，草地碳庫的動態(tài)變化及草地碳儲量的估測還缺乏系統(tǒng)的理論及適用的模型，沒有統(tǒng)一的規(guī)律；影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的很多方面還不明確，例如人類活動對草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響。本研究通過模擬放牧研究放牧強度對天山北坡草甸草原碳儲量的影響，旨在為草地資源的合理利用提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗在新疆天山北坡謝家溝草地生態(tài)試驗站進行，距烏魯木齊市西南74 km，43°32′ N，87°25′ E，海拔1 620 m，為典型山地干旱草原春秋放牧場。平均年降水量362.4 mm，平均年蒸發(fā)量1 684 mm；年均氣溫3.3 ℃，無霜期120～140 d，土壤類型為山地栗鈣土。草地類型是以羊茅(Festucaovina)為主的草甸草原草地類，多年生叢生禾草為主，還有旱生與中旱生雜類草，主要有羊茅、短柱苔草(Carexturkestanica)、針茅(Stipacapillta)、冷蒿(Artemisiafrigida)、新疆亞菊(Ajaniafastigiata)、天山賴草(Leymustianshanicus)等[13]。

1.2試驗設計與方法

試驗于2012-2013年6-9月在謝家溝草地生態(tài)試驗站進行。設置對照不放牧(休牧)、輕度放牧、中度放牧、重度放牧共4個處理，采用定期刈割方式模擬放牧，放牧強度以草地利用率表示。其中，休牧處理齊地刈割樣方內(nèi)地上植被，稱取重量按草地利用率0對待；輕牧、中牧和重牧處理分別刈割休牧處理牧草總重量的30%、50%、70%，草地利用率分別按30%、50%、70%對待。各處理盡量選擇植被、環(huán)境相對一致的區(qū)域布設1 m×1 m樣方，3次重復。6-9月每月25日刈割一次，將樣方內(nèi)植被刈割后置于塑封袋中帶回實驗室稱取鮮重，置65 ℃烘箱中烘至恒重，粉碎后測定碳含量。按 0-5、5-10、10-20、20-30、30-50、50-70和70-100 cm共7個層次用直徑7 cm土鉆鉆取土樣，0-50 cm各層鉆取5鉆，50-100 cm各層鉆取3鉆，各層取土后組成混合樣裝入尼龍網(wǎng)袋中，于清水中漂洗，過篩后的根系置65 ℃烘箱中烘干至恒重，根系粉碎后測定碳含量。土壤容重采用環(huán)刀法測定，有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-濃硫酸外加熱法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理及計算方法

地上活體植物生物量碳儲量計算公式為[14-15]：

CB=CAB·BAB.

式中，CB為地上活體植物生物量有機碳儲量(g·m-2)；CAB為地上活體植物生物量有機碳含量(g·kg-1)；BAB為地上活體植物生物量(g·m-2)。

根系碳儲量計算公式為：

ROCi=BiCi[16];

CR=∑ROCi=∑BiCi.

式中，ROCi為i層根系有機碳儲量( g·m-2)；Bi為i層根系生物量( g·m-2)；Ci為i層根系有機碳含量(g·kg-1)；CR為根系總有機碳儲量( g·m-2)。

凋落物碳儲量的計算公式為[17]：

CL=M·C.

式中，CL是凋落物的有機碳儲量(g·m-2)；M是凋落物的質(zhì)量(g·m-2)；C是凋落物的有機碳含量(g·kg-1)。

土壤有機碳密度采用如下的計算方法[18-20]：

SOCi=CiDiEi(1-Gi)/100;

CS=∑SOCi=∑CiDiEi(1-Gi)/100.

式中，SOCi為i層土壤有機碳儲量(g·m-2)。Ci為第i層土壤有機碳含量(g·kg-1)；Di為第i層土壤容重(g·cm-3)，Ei為第i個土層的厚度(cm)；Gi為直徑大于2 mm的石礫所占體積百分比(%)；CS為土壤總碳儲量。由于土體內(nèi)石礫所占體積很少，故忽略不計。

草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積有機碳儲量(CT)計算公式[21-22]：

CT=CB+CR+CL+CS

1.4數(shù)據(jù)分析與處理

SPSS 16.0和Excel分析處理數(shù)據(jù)。采用兩年試驗數(shù)據(jù)的平均值，結果以平均值±標準誤的形式表示，不同處理之間采用LSD法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2結果與分析

2.1不同放牧強度草地植物有機碳儲量的變化

2.1.1不同放牧強度草地活體植物生物量碳儲量和凋落物碳儲量的變化總體來看，隨放牧強度的增大，活體植物生物量碳儲量呈下降趨勢，呈現(xiàn)出休牧>輕牧>中牧>重牧。6月，休牧處理的活體植物生物量碳儲量為412.34 g·m-2，輕牧、中牧和重牧處理的活體植物生物量碳儲量分別為340.41、254.64和167.32 g·m-2，與休牧相比，分別下降了17.44%、38.25%和59.42%，且差異顯著(P<0.05)。與6月相同，7、8和9月份不同刈割強度下草地活體植物生物量碳儲量均呈現(xiàn)休牧>輕牧>中牧>重牧的趨勢，且差異顯著(P<0.05) (表1)。

表1　各處理下草地活體植物生物量碳儲量(g·m-2)變化

注:不同小寫字母表示同一月份不同放牧強度間差異顯著(P<0.05),圖1同。

Note：Different lower case letters for the same mouth indicate significant difference among four grazing at 0.05 level. The same in Fig.1.

除重牧外草地活體植物生物量碳儲量呈現(xiàn)如下季節(jié)變化規(guī)律，即7月>8月>9月>6月。休牧處理下6、7、8和9月的活體植物生物量有機碳儲量分別為412.34、658.80、472.96和469.83 g·m-2；7、8和9月的活體植物生物量有機碳儲量分別較6月增加了59.77%、14.70%和13.94%。輕牧、中牧和重牧處理的碳儲量均呈現(xiàn)出7月最大，其次是8月，6月最小。

隨著放牧強度的增大，凋落物碳儲量逐漸下降(圖1)。各月份不同處理之間的凋落物碳儲量平均值分別為7.60、6.13、4.61和3.92 g·m-2，呈現(xiàn)出休牧>輕牧>中牧>重牧。6-8月，凋落物碳儲量各處理間差異顯著(P<0.05)；9月，中牧和重牧之間凋落物碳儲量差異不顯著(P>0.05)，但二者與休牧和輕牧差異顯著(P<0.05)。

2.1.2不同放牧強度草地植物根系碳儲量的變化各放牧強度下0-100 cm的草地植物根系碳儲量分別為939.49、1 405.81、812.38和388.47 g·m-2，呈現(xiàn)出輕牧>休牧>中牧>重牧(圖2)。與輕牧相比，中牧和重牧分別下降了42.21%和72.37%。休牧、輕牧、中牧和重牧處理下50-100 cm土層的根系碳儲量分別為24.50、32.17、17.18和12.34 g·m-2，輕牧和休牧顯著大于中牧和重牧(P<0.05)。

草地植物根系碳儲量隨著土壤深度的增加而減小(圖2)。不同放牧強度(休牧、輕牧、中牧和重牧)0-10 cm土層的根系碳儲量分別為737.79、1 057.66、637.94和313.59 g·m-2，分別占各放牧強度下根系總碳儲量的75%～81%；各處理0-20 cm土層的根系碳儲量超過總碳儲量的85%。隨著土層深度的增大，5-10 cm土層的碳儲量急劇下降；10-30 cm碳儲量下降明顯；30 cm土層深度以下,根系碳儲量下降幅度銳減。總體趨勢是隨土壤土層深度的增加根系碳儲量不斷減少且表層化趨勢顯著。

圖1　不同放牧強度下凋落物碳儲量的變化

圖2　不同放牧強度下根系碳儲量的變化

注：不同小寫字母表示相同土壤深度不同放牧強度間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letter in the same soil depth indicate significant difference among different grazing intensities at 0.05 level.

2.2不同放牧強度土壤有機碳及土壤有機碳密度的變化

土壤有機碳含量反映了土壤質(zhì)量和肥力的高低狀況，對草地生產(chǎn)力有著直接影響。隨著放牧強度的增大，土壤有機碳含量不斷減少，休牧、輕牧、中牧和重牧處理的土壤有機碳含量的平均值分別為14.46、14.16、12.57和11.66 g·kg-1。0-30 cm土層，除休牧外的各處理有機碳變化差異顯著；隨土壤深度增加中層土壤30-50 cm土層休牧與中牧與重牧差異顯著(P<0.05)；50-100 cm土層，各處理土壤有機碳變化在不同土層間無顯著差異(P>0.05)(表2)。土壤有機碳含量隨土壤深度的增加表現(xiàn)出一致的明顯下降趨勢，且表層積聚現(xiàn)象顯著。

土壤有機碳密度在不同深度表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度表現(xiàn)為升高-下降-升高-下降-升高的變化趨勢(表3)。各放牧強度0-100 cm有機碳密度平均值，休牧最大，其次是中牧和輕牧，重牧最低。各處理0-20 cm土層均占總碳密度的40%以上，這是由于土壤有機質(zhì)的主要來源是植物殘體，植物殘體首先是進入土壤表層，使得大量土壤有機碳儲存在土壤表層。有機碳密度垂直分布上的變化規(guī)律不盡相同，0-10 cm土層，休牧、輕牧和中牧之間土壤有機碳密度差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于重牧處理的土壤有機碳密度，30-50和70-100 cm土層，休牧和中牧顯著高于輕牧和重牧，但各自二者間差異不顯著。10-20 cm土壤有機碳密度最大，這主要是受到植物根系的影響，在這個土層，土壤中分布了大量的死根，通過腐爛、分解，給土壤提供了大量的碳。

2.3土壤-植被系統(tǒng)碳儲量

休牧、輕牧、中牧、重牧處理下的總碳儲量分別為17 854.79、16 708.40、16 267.11和13 167.63 g·m-2，呈遞減趨勢(表4)。地上植被碳儲量和凋落物碳儲量的變化趨勢和總碳儲量相同，均以休牧最大，其次是輕牧，重牧最小。根系碳儲量分別為939.49、1 405.81、812.38和388.47 g·m-2，呈輕牧>休牧>中牧>重牧，占總碳儲量的3%～10%。不同放牧處理的土壤碳儲量，休牧最大，其次是中牧，重牧最小，分別占總碳儲量的85%以上，在總碳儲量中所占比例最大。

表2　不同放牧強度下土壤有機碳含量(g·kg-1)的變化

注:同行不同大寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示同一處理不同土層間差異顯著(P<0.05),下同。

Note：Different capital letters within the same row indicate significant difference of the same soil depth among different treatments at 0.05 level, and different lower case letters within the same column indicate significant difference of the same treatment among different soil depth at 0.05 level. The same below.

表3　不同放牧強度下土壤有機碳密度(g·kg-1)的變化

表4　不同放牧強度下土壤-植被系統(tǒng)碳儲量(g·m-2)的變化

3討論與結論

不同放牧強度下，天山北坡草甸草原總碳儲量的變化表現(xiàn)為休牧>輕牧>中牧>重牧。包爾吉干·安齊爾[23]研究表明對羊草草甸草原的放牧有利于碳儲量的積累，總碳儲量對放牧強度的響應表現(xiàn)為輕牧>中牧>重牧>休牧。放牧對大針茅(Stipagrandis)草原總碳儲量的影響表現(xiàn)為休牧>重牧>中牧>輕牧[24]。這可能是因為草地類型不同，其對放牧的響應各不相同，此外，氣候、降水、溫度等因素也會對碳儲量的結果產(chǎn)生一定影響[25-26]。

隨著放牧強度的增大，地上碳儲量逐漸下降。這是由于刈割直接影響植物的正常生長，植物生物量急劇下降，直接導致地上生物量碳儲量的降低。此外，刈割會影響植物的光合作用，使植物光合作用減弱，進一步降低了地上生物量碳儲量。在典型草原[27]和阿壩牧區(qū)也得到了類似的研究結果[28]。但在大針茅草原，隨著放牧強度的增大，單位面積碳儲量逐漸減少，但輕度放牧使單位面積碳儲量增加[23]。

根系碳儲量表層化趨勢顯著，碳儲量隨土壤深度的增加逐漸減小。0-10 cm深度的根系碳儲量占總碳儲量的70%以上。隨著放牧強度的增加根系碳儲量逐漸下降，這是因為刈割會調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物對地上-地下的分配，輕度刈割使光合產(chǎn)物分配給地下部分的量增加，這是植物對放牧所產(chǎn)生的一種適應。但隨著放牧強度的增大，超過了植物自身調(diào)節(jié)的范圍，植物根系吸收了集中在土壤表層的大量養(yǎng)分和有機質(zhì)，而深層土壤結構愈發(fā)緊實,土壤溫度、養(yǎng)分含量等影響植物根系吸收的條件不斷降低, 故根系碳儲量會下降[24,28]。包爾吉干·安齊爾[23]在羊草草甸草原的研究也得到了相同結論。但在荒漠草原，根系碳儲量隨著放牧強度的增大而逐漸下降。這種差異有可能是草地類型及不同的土壤環(huán)境和氣候等不同導致。

土壤碳儲量隨土壤深度增加而降低，且表層化現(xiàn)象明顯。0-20 cm土層碳儲量約占總碳儲量的40%左右。土壤碳儲量隨著放牧強度的增加表現(xiàn)為休牧>中牧>輕牧>重牧。這與王向濤等[29]在高寒草甸上研究結果一致。中牧和輕牧間差異不大，這可能是由于土壤對逆境“脅迫反應”的一種自我調(diào)節(jié)作用；而重牧由于過度刈割使草地生物量快速下降，致使草地植物光合作用減弱，固碳能力降低，草地植被對土壤碳庫的碳輸入下降[30]，從而導致重牧處理下的土壤碳儲量下降。

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(責任編輯武艷培)

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0093

*收稿日期：2015-02-11接受日期：2015-09-23

基金項目：新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室開放課題(XJDX0209-2011-03)；土壤學自治區(qū)重點學科；自治區(qū)重點實驗室干旱區(qū)土壤與植物生態(tài)過程實驗室

通信作者：孫霞(1975-)，女，江蘇建湖人，副教授，博士，主要研究方向為土壤與植物營養(yǎng)。E-mail：sunxia1127@163.com

中圖分類號：S812.29

文獻標識碼：A

文章編號：1001-0629(2016)3-0377-08* 1

Corresponding author:Sun XiaE-mail：sunxia1127@163.com

Effect of simulated grazing on carbon storage of meadow grassland ecosystem in the north slope of Tianshan Mountain

Sun Xia1,2, Ding Wei1,2, Jia Hong-tao1,2, Jin Jun-xiang1,2

(1.College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China；2.Autonomous Region key laboratory, Xinjiang Laboratory of Soil and Plant Ecological Process in Arid Zone, Urumqi 830052, China)

Abstract:In order to evaluate the potential effects of grazing intensity on organic carbon storage in the north slope of Tianshan Mountain meadow grassland, organic carbon storage in plant biomass, litter, root and soil were analysis in the steppes with four simulated grazing intensities (no grazing, light grazing, moderate grazing, heavy grazing) in 2012-2013. The results showed that the organic carbon storage in total, plant biomass and litter decreased with the increase of intensity. The carbon storage in root decreased in the following order: light grazing > no grazing > moderate grazing > heavy grazing and moderate grazing decreased by 42.25% and heavy grazing decreased by 72.41% compared with light grazing. The carbon storage in soil decreased in the following order: no grazing > moderate grazing > light grazing > heavy grazing. With the increase of soil depth, the carbon storage in roots gradually reduced and the changes of organic carbon density in soil varied which had an overall decline trend. The organic carbon storage in root and soil surfaced significantly. The carbon storage in the 0-20 cm soil layer account for 40% of the total carbon and the carbon storage decreased in the following order: soil > root > ground biomass. The organic carbon storage in soil was highest which account for more than 85% whereas the carbon storage in litter was the least.

Key words:grazing intensity; meadow grassland; carbon density; carbon storage

孫霞,丁娓,賈宏濤,金俊香.模擬放牧對天山北坡草甸草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響.草業(yè)科學,2016,33(3)：377-384.

Sun X,Ding W,Jia H T,Jin J X.Effect of simulated grazing on carbon storage of meadow grassland ecosystem in the north slope of Tianshan Mountain.Pratacultural Science，2016,33(3)：377-384.