青海省祁連縣高寒草甸草原土壤有機(jī)碳分布特征

李 碩，姜哲浩，張德罡，聶中南，陳建綱，胡新振，陳 璐，袁子茹，任 靈

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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青海省祁連縣高寒草甸草原土壤有機(jī)碳分布特征

李 碩，姜哲浩，張德罡，聶中南，陳建綱，胡新振，陳 璐，袁子茹，任 靈

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為了評(píng)價(jià)青海省祁連縣高寒草甸草原有機(jī)碳的分布特征，本研究以祁連縣海拔2 963-3 392 m范圍內(nèi)高寒草甸草原為研究對(duì)象，采用野外調(diào)查取樣結(jié)合室內(nèi)分析的方法，分析了祁連縣高寒草甸草原0-50 cm土層土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律。結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而顯著減少(P<0.01)，表現(xiàn)為0-10>10-20>20-30>30-40>40-50 cm；土壤有機(jī)碳密度和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量同土壤有機(jī)碳含量分布有相同的趨勢(shì)；土壤有機(jī)碳與地上生物量和植被蓋度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機(jī)碳含量隨著蓋度和地上生物量的增加而增加。土壤有機(jī)碳含量與土壤容重呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系；相反，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸減少，土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

祁連縣；高寒草甸草原；土壤有機(jī)碳；分布特征；相關(guān)性分析

土壤是影響植物群落物種組成和群落動(dòng)態(tài)的重要因子，土壤養(yǎng)分往往制約著生態(tài)系統(tǒng)的演替過(guò)程和對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)方式[1-3]。我國(guó)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)共含有約35.4 Pg的碳，約相當(dāng)于我國(guó)所有草地碳庫(kù)總量的26.4%[4-5]。因此，高寒草甸草原在水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)和碳素固定等方面起著不可替代的生態(tài)屏障作用[6]，對(duì)保護(hù)國(guó)家生態(tài)安全意義重大。然而，近幾十年來(lái)，高寒草甸草原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能過(guò)程發(fā)生了嚴(yán)重退化。高寒草甸草原分布面積不大，占全國(guó)草地總面積的1.75%。青藏高原各類(lèi)草地中以高寒草甸類(lèi)和高寒草原類(lèi)面積較大，其中，高寒草甸類(lèi)占45.4%，青海省高寒草甸類(lèi)草地占其草地總面積的78.1%[7]。

土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布受到氣候條件[8]、土地利用狀況[9]、生態(tài)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)特征[10-11]以及土壤環(huán)境因子[12-13]等多種因素的影響,且土壤碳主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在。研究表明,在較大空間尺度上，土壤有機(jī)質(zhì)可以作為土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的主要判斷指標(biāo)[14]。

本研究對(duì)祁連縣高寒草甸草原0-50 cm土層土壤有機(jī)碳進(jìn)行初步分析，旨在探討土壤有機(jī)碳分布特征，以期為研究區(qū)草地的可持續(xù)利用管理提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1樣地概況

青海省祁連縣地處祁連山中段腹地，境內(nèi)平均海拔3 169 m，縣城海拔2 787 m。海拔在4 000 m以上高山終年積雪，冰川廣布，山脈間形成一系列盆地和斷陷盆地，呈“四山夾四盆”之勢(shì)。祁連縣年平均氣溫1 ℃，年降水量420 mm左右，屬典型的高原大陸性氣候。由于青藏高原對(duì)大氣環(huán)流的特殊影響，使夏季來(lái)自東南季風(fēng)的濕潤(rùn)氣流得以北進(jìn)西伸，波及祁連縣；冬季受內(nèi)蒙古干冷空氣，西北寒冷氣流的影響，致使祁連縣冬季降溫幅度大，氣溫年較差較大。

以青海省祁連縣高寒草甸草原為研究對(duì)象，分別選取不同海拔高度下具有代表性的樣地10個(gè)。土壤類(lèi)型為亞高山草甸土，植物主要為紫花針茅(Stipapurpurea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、賴(lài)草(Leymussecalinus)和披堿草(Elymusdahuricus)等。分別用GPS確定樣地所在經(jīng)緯度、海拔高度(表1)。

1.2采樣方法

2014年9月中旬，分別在祁連縣海拔2 963-3 392 m范圍內(nèi)選取10個(gè)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，地上生物量采用齊地面刈割[15]混合后稱(chēng)其鮮重，帶回實(shí)驗(yàn)室后，置于65 ℃下烘干后稱(chēng)重[16],并在樣方內(nèi)采用針刺法測(cè)定植被蓋度。分別在不同樣地利用直徑為10 cm土鉆進(jìn)行分層(0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm)取樣，5次重復(fù)，對(duì)同一樣地采集的相同土層土壤樣品進(jìn)行混合, 共組成混合土樣50份，將采集的土樣用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定其含水量；土樣風(fēng)干后，去雜(根系、石頭)，過(guò)0.25 mm的分樣篩后供土壤有機(jī)碳的測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用碳氮聯(lián)合分析儀(耶拿Analytikjena Multi N/C 2100 s，德國(guó))測(cè)定[17]。每個(gè)樣地挖一個(gè)土壤剖面，采用環(huán)刀法(100 cm3)測(cè)定[18]各層土壤容重，分別在土層2.5-7.5、12.5-17.5、22.5-27.5、32.5-37.5和42.5-47.5 cm深度處采用環(huán)刀取樣。

表1　各樣地經(jīng)緯度和海拔

1.3計(jì)算方法

根據(jù)下式計(jì)算各個(gè)樣地的土壤有機(jī)碳密度[19]和土壤含水量[20]。

D=Ci×di×Di.

式中:D表示一定土層土壤中有機(jī)碳的總量，即有機(jī)碳密度(kg·m-2)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)，di為第i層土壤容重(g·cm-3)，Di為第i土層的厚度(m)。

土壤含水量=(土壤鮮重-土壤干重)/土壤鮮重×100%。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用GENSTAT 12.1[21]統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行顯著性比較。用Excel 2010應(yīng)用軟件處理測(cè)定數(shù)據(jù)，并制作圖表。土壤有機(jī)碳分別與土壤含水量、土壤容重和海拔高度進(jìn)行線性回歸分析。

2　結(jié)果與分析

2.1地上生物量和植被蓋度

由于放牧?xí)r間的影響，高寒草甸草原地上生物量差異較大。樣地2和8的地上生物量較大，為0.4 kg·m-2(表2)；樣地7的地上生物量最低，為0.1 kg·m-2。高寒草甸草原的植被蓋度較大，地面裸露的面積較小，表明高寒草甸草原承受雨水侵蝕和風(fēng)蝕的能力較強(qiáng)。植被蓋度最大為98.0%，最小為70.5%。

2.2土壤含水量、容重、土壤有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳密度

不同土層對(duì)土壤含水量的影響極顯著(P<0.01)(表3)。表現(xiàn)為0-10>10-20>20-30>30-40>40-50 cm，表明隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸下降，其含水量分別為29.56%、22.99%、21.50%、18. 54%和18.45%。0-20和40-50 cm土層之間，土壤容重差異顯著(P<0.05)。隨著土層深度的增加土壤容重逐漸增加，分別為1.23、1.27、1.32、1.32和1.39 g·cm-3。

表2　不同樣地地上生物量、植被蓋度比較

不同土層之間，土壤有機(jī)碳含量的差異極顯著(P<0.01)(表3)。有機(jī)碳含量次序?yàn)?-10>10-20>20-30>30-40>40-50 cm，分別為15.41、19.99、25.31、33.46和56.35 g·kg-1，表明土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而逐漸減少。

表3　不同土層土壤含水量、容重、土壤有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳密度比較

注：同列大、小寫(xiě)字母表示不同土層深度間差異極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01), * 表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital and lower case letters indicate signifficant difference among different soil layers at 0.01 and 0.05 level, respectively; ** and * showed significant differences between soil depths at 0.01 and 0.05 level, respectively.

不同土層對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響極顯著(P<0.01)(表3)。在0-10 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳密度最大，介于3.75～10.42 kg·m-2；10-20 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳密度次之，介于2.64～5.71 kg·m-2；40-50 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳密度最小，介于0.91～2.90 kg·m-2。表明高寒草甸草原土壤有機(jī)碳密度隨著土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，各土層平均有機(jī)碳密度分別為6.91、4.34、3.34、2.55和2.14 kg·m-2(表3)。

2.3不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

不同土層之間，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異極顯著(P<0.01)(圖1)。隨著土層深度的加深，不同土層土壤有機(jī)碳分布逐漸下降，0-10 cm有機(jī)碳分布占0-50 cm有機(jī)碳總儲(chǔ)量的37.46%，10-20 cm占0-50 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的22.30%，40-50 cm占0-50 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的10.10%。

圖1　不同土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比較

注：不同大寫(xiě)字母表示不同土層之間有機(jī)碳分布差異極顯著(P<0.01)。

Note: Different capital letters indicate significant difference among different soil depths at 0.01 level.

2.4土壤有機(jī)碳、土壤含水量和土壤容重間相關(guān)性

不同土層有機(jī)碳含量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)r為0.844 8。且隨著土壤含水量的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸增加。土壤含水量、土壤有機(jī)碳含量均與土壤容重呈極顯著線性(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)，即有機(jī)碳含量和土壤含水量隨著土壤容重的增加而逐漸減少。

2.5土壤有機(jī)碳、地上生物量和植被蓋度間相關(guān)性

地上生物量分別與土壤有機(jī)碳和植被蓋度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系(圖3)，r分別為0.264 8和0.799 9。同時(shí)，土壤有機(jī)碳和植被蓋度之間呈顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系，r為0.229 6。表明土壤有機(jī)碳隨著植被蓋度和地上生物量的增加而逐漸增加。

2.6土壤有機(jī)碳與海拔相關(guān)性

在海拔2 963-3 392 m內(nèi)，高寒草甸草原土壤有機(jī)碳含量與海拔無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖4)。這表明在海拔高度相差較小時(shí)，高寒草甸草原的土壤有機(jī)碳含量相對(duì)集中且變化不明顯。

3　討論

植物地上生物量反映了土地的生產(chǎn)能力，該研究表明，地上生物量為0.1～0.4 kg·m-2。與北美、歐洲及我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)等全球其它區(qū)域草地的地上生物量相比[22]，祁連縣高寒草甸草原地上生物量普遍低于全球水平。原因可能與我國(guó)北方溫帶草地降水量偏低的干旱氣候和該區(qū)長(zhǎng)期強(qiáng)烈的人為干擾有關(guān)[22]。

圖2　土壤有機(jī)碳、土壤含水量和土壤容重間相關(guān)性

土壤有機(jī)碳是表征土壤肥力和土壤中物質(zhì)和能量流動(dòng)的重要參數(shù)[23]。顧振寬等[24]研究表明，土壤有機(jī)碳含量大體隨著土層深度的增加而降低，而本研究結(jié)果表明祁連縣高寒草甸草原土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出隨著土層深度增加而逐漸減少的趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果相一致[24-28]。

趙錦梅等[29]研究無(wú)論草地退化程度如何，土壤有機(jī)碳密度均在0-10 cm土層最大，并與其它土層差異顯著。本研究表明，土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)表層土壤有機(jī)碳密度最大，且隨土層加深而逐漸下降的趨勢(shì)，有機(jī)碳含量依次為0-10>10-20>20-30>30-40>40-50 cm；這與其它地區(qū)土壤有機(jī)碳密度大體隨著土層的加深而降低的變化特征基本一致[30-31]。

圖3　土壤有機(jī)碳、地上生物量和植被蓋度間相關(guān)性

土壤有機(jī)碳、地上生物量和植被蓋度兩兩之間呈顯著線性關(guān)系。表明土壤有機(jī)碳隨著蓋度和地上生物量的增加而逐漸增加，這與傅華等[32]對(duì)阿拉善草地的研究結(jié)果相同。

圖4　土壤有機(jī)碳與海拔的關(guān)系

土壤水分變化可以調(diào)節(jié)植物根際代謝，對(duì)土壤有機(jī)碳的累積產(chǎn)生一定的影響，因此土壤含水率被認(rèn)為是與土壤有機(jī)碳含量相關(guān)的因素之一[33-34]?；貧w分析表明，0-50 cm土層的土壤有機(jī)碳與土壤含水量呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；0-50 cm土層土壤容重分別與土壤有機(jī)碳、土壤含水量呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即隨著土壤容重的增大，土壤有機(jī)碳及含水量在減?。贿@與楊勇等[35]在內(nèi)蒙古的研究結(jié)果一致。這說(shuō)明土壤各性狀指標(biāo)不是孤立作用，而是相互作用、聯(lián)系的有機(jī)整體。相比之下，海拔介于2 963-3 392 m時(shí)，高寒草甸草原的土壤有機(jī)碳含量與海拔線性關(guān)系不顯著(P>0.05)。

4　結(jié)論

隨著土層深度的增加，祁連縣高寒草甸草原土壤有機(jī)碳變異系數(shù)逐漸增加，土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳密度逐漸降低。

土壤有機(jī)碳和地上生物量、植被蓋度兩兩之間呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；相反，土壤有機(jī)碳含量和容重呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。在2 963-3 392 m海拔范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳含量與海拔高度無(wú)顯著相關(guān)性。

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(責(zé)任編輯茍燕妮)

Distribution characteristics of soil organic carbon in northern slope of alpine meadow steppe in Qilian mountains in Qilian County, Qinghai Province

Li Shuo, Jiang Zhe-hao, Zhang De-gang, Nie Zhong-nan, Chen Jian-gang Hu Xin-zhen, Chen Lu, Yuan Zi-ru, Ren Ling

(College of Grassland Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

In order to evaluate the distribution characteristics of soil organic carbon (SOC) in the alpine meadow and steppe of Qilian county, the combined methods of field sampling and laboratory analysis were employed to analyze the variation of SOC in alpine meadow and steppe of Qilian county in altitude between 2 963 and 3 392 m. The results showed that there was very significant difference (P<0.01) between the contents of SOC in different soil depths (0-10, 10-20, 20-30, 30-40 and 40-50 cm) which decreased with increasing soil depth. The density of SOC had same variations with the contents of SOC which also very significantly decreased with increasing soil depth. SOC had significant positive linear relationships (P<0.01) with both herbage production and vegetation coverage. The content of SOC increased with increasing of herbage production and vegetation coverage. There was significant negative linear relationship (P<0.01) between SOC and soil bulk density. Soil moisture decreased with increasing soil depth, therefore, the contents of SOC had significant positive linear relationships (P<0.01) with soil moisture.

Qilian county; alpine meadow steppe; soil organic carbon; distribution characters; correlation analysis

Zhang De-gangZhangdg@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0586

2015-10-26接受日期：2016-03-28

農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站“祁連山黑河流域草原固碳和應(yīng)對(duì)氣候變化”

李碩(1989-)，男，甘肅環(huán)縣人，在讀碩士生，研究方向?yàn)槟敛菰耘嗪筒莓a(chǎn)品加工。E-mail:lishuo858@foxmail.com

張德罡(1963-)，男，甘肅武威人,教授，博士，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)研究。E-mail:zhangdg@gsau.edu.cn

S812.2

A

1001-0629(2016)8-1469-07

李碩,姜哲浩,張德罡,聶中南,陳建綱,胡新振,陳璐,袁子茹,任靈.青海省祁連縣高寒草甸草原土壤有機(jī)碳分布特征.草業(yè)科學(xué),2016,33(8)：1469-1475.

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