不同放牧強(qiáng)度下短花針茅荒漠草原植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳組分儲(chǔ)量特征

王合云,董　智,,郭建英,李紅麗,,*,李錦榮,韓國棟,陳新闖

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰山森林生態(tài)站, 泰安　271018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特　010019 3 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特　010020

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不同放牧強(qiáng)度下短花針茅荒漠草原植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳組分儲(chǔ)量特征

王合云1,董智1,2,郭建英3,李紅麗1,2,*,李錦榮3,韓國棟2,陳新闖1

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,泰山森林生態(tài)站, 泰安271018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特010019 3 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特010020

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。以內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原不同放牧強(qiáng)度樣地為研究對(duì)象,通過分析地上植物、凋落物、根系、土壤中有機(jī)碳和土壤輕組有機(jī)碳,研究草原植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳組分儲(chǔ)量的變化特征,從碳儲(chǔ)量角度為合理利用草原提供指導(dǎo)。研究結(jié)果表明：(1)不同放牧強(qiáng)度荒漠草原地上植物碳儲(chǔ)量為11.98—44.51 g/m2,凋落物碳儲(chǔ)量10.43—36.12 g/m2,根系(0—40cm)碳儲(chǔ)量502.30—804.31 g/m2,且對(duì)照區(qū)(CK)均顯著高于中度放牧區(qū)(MG)、重度放牧區(qū)(HG)；(2)0—40cm土壤碳儲(chǔ)量為7817.43—9694.16 g/m2,其中輕度放牧區(qū)(LG)碳儲(chǔ)量為9694.16 g/m2,顯著高于CK、HG(P<0.05)；(3)植被—土壤系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量為8342.14—10494.80 g/m2,LG>MG>CK>HG,有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于土壤當(dāng)中,占比約90.54%—93.71%,適度放牧利用有利于發(fā)揮草地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能；(4)土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量為484.20—654.62 g/m2,LG儲(chǔ)量最高,表明適度放牧有助于草原土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和積累。

荒漠草原；放牧強(qiáng)度；碳儲(chǔ)量；土壤輕組有機(jī)碳

隨著全球變暖等環(huán)境問題日益突出,生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)成為人們研究的熱點(diǎn)[1-2]。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體類型,貯存的碳總量約為266.3 Pg,占陸地生態(tài)系統(tǒng)的12.7%,其中90%貯存在土壤中[3]。受氣候變化及長期不合理的人為活動(dòng)干擾,我國 90%的可利用草原處于不同程度的退化狀態(tài),其中20%以上是由于過度放牧造成的[4]。放牧導(dǎo)致的土地退化會(huì)使草地生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)生衰退,影響植被生產(chǎn)力及土壤有機(jī)質(zhì)的分解和積累速率,進(jìn)而影響土壤碳儲(chǔ)量和生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[5]。因此,開展放牧草地植被-土壤碳儲(chǔ)量的研究,不僅可以揭示放牧強(qiáng)度對(duì)草地植被-土壤碳儲(chǔ)量變化的影響,而且可以闡明放牧草地碳儲(chǔ)量各組分間的比例及其轉(zhuǎn)化關(guān)系,進(jìn)而從維護(hù)碳匯的角度制定可持續(xù)利用的放牧制度,開展草地生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理。

土壤有機(jī)碳是指示土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)[6],但放牧對(duì)草原土壤碳儲(chǔ)量的影響受草地類型、土壤性質(zhì)和放牧牲畜種類、強(qiáng)度以及研究方法等因素的不同,研究結(jié)果不盡一致。多數(shù)的研究均表明過度放牧?xí)@著降低草原土壤碳儲(chǔ)量[7-12]；Reeder等的研究表明適度放牧有助于草原土壤碳積累[13]；Keller認(rèn)為,放牧對(duì)有機(jī)碳沒有顯著影響[14]；Milchunas等對(duì)比了世界 236 個(gè)研究點(diǎn)的圍欄封育和放牧資料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)放牧和土壤有機(jī)碳之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系,有時(shí)呈正相關(guān),有時(shí)呈負(fù)相關(guān)[15]。然而,關(guān)于放牧條件下荒漠草原的土壤與植被有機(jī)碳的變化研究較少[10]?；哪菰莾?nèi)蒙古草原的重要組成部分,屬于草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的旱生化草原生態(tài)系統(tǒng),群落結(jié)構(gòu)較單一化,種群密度和群落結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變[16]。已有研究表明,在不同的放牧強(qiáng)度下或連續(xù)過度放牧下,荒漠草原草地植物種類組成改變,地表植被的生物量、生物多樣性和豐富度下降[17- 19]；土壤容重增加,孔隙度減小,入滲速率降低,土壤質(zhì)量退化[20- 24]。土地與植被的退化必然會(huì)引起草原有機(jī)碳含量的變化,那么,荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤、植物的有機(jī)碳含量是否存在顯著差異,二者的相互關(guān)系如何？有機(jī)碳含量在地上與地下間如何分配？加強(qiáng)這些問題的研究有助于揭示放牧對(duì)荒漠草原碳匯的影響機(jī)制。

隨著對(duì)土壤碳循環(huán)過程和有機(jī)質(zhì)各組分重要性認(rèn)識(shí)的加深及研究技術(shù)的不斷改進(jìn),土壤有機(jī)質(zhì)的內(nèi)涵變得更為廣泛,研究的重點(diǎn)更多地集中在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾和管理更為敏感的易變有機(jī)質(zhì)組分上[25]。輕組有機(jī)質(zhì)碳和氮含量高,周轉(zhuǎn)時(shí)間短,代表著易變土壤有機(jī)質(zhì)的主要部分,在碳和氮循環(huán)中具有顯著的作用,被認(rèn)為是土壤生物調(diào)節(jié)過程的重要基質(zhì)和土壤肥力的指標(biāo),具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性,是土壤碳動(dòng)態(tài)更精確的指示物,因此有關(guān)土壤輕組有機(jī)質(zhì)的研究倍受重視[26]。有鑒于此,本研究以內(nèi)蒙古中部的希拉穆仁短花針茅荒漠草原為研究對(duì)象,研究不同放牧強(qiáng)度下植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量及輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量,旨在對(duì)比不同放牧強(qiáng)度荒漠草原有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量的變化及其差異性；探討放牧強(qiáng)度對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量及輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響,確定放牧強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響,以期為科學(xué)保護(hù)草原,維持與提高草原生態(tài)生產(chǎn)功能的適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆仁鎮(zhèn),地貌屬陰山北麓低山丘陵草原區(qū)。地理坐標(biāo)在41°20′—42°40′N, 109°16′—111°25′E之間,地處中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)。年平均日照時(shí)數(shù)3100—3300 h,年平均氣溫3.4 ℃,≥ 10℃積溫1985 ℃,無霜期為85—125 d,年平均降雨量為281 mm,主要集中在7、8、9月份,年濕潤度為0.31,多年平均蒸發(fā)量2227.3 mm,是降水量的7.9倍。多年平均風(fēng)速5.2 m/s,年大風(fēng)日數(shù)為63 d,主要風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng)。主體土類是栗鈣土和棕鈣土。植被為以短花針茅(StipabrevifloraGriseb.)為主的荒漠草原植被,主要植物有短花針茅、羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa(Trin.) Keng) 、冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)、銀灰旋花(ConvolvulusammanniiDesr.)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.Sp.Pl.)、細(xì)葉韭(AlliumtenuissimumL.)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus(Willd) Novopokr)等,群落結(jié)構(gòu)簡單,草層低矮、稀疏。

1.2野外調(diào)查與樣地選擇

選取自由放牧6a的3塊草地為研究對(duì)象,參照李博草地退化分級(jí)方法,以牧戶為起點(diǎn),按距牧戶的距離、植被種類組成、群落特征等指標(biāo)向外輻射劃分出由重到輕的放牧梯度[27],各放牧梯度分別為重度放牧(HG)、中度放牧(MG)、輕度放牧(LG) 3個(gè)等級(jí),并選擇圍欄封育6a的草場為對(duì)照樣地(CK)。

表1　樣地基本情況描述

小寫字母表示不同放牧強(qiáng)度的差異性(P<0.05);CK: no grazing; HG: heavy grazing; MG: moderate grazing; LG: light grazing

2014年7月,在上述4類梯度樣地內(nèi),每類樣地以“S”形均勻設(shè)置10個(gè)1 m×1 m的樣方,總樣本量共計(jì)40個(gè),調(diào)查樣方內(nèi)植物群落組成與結(jié)構(gòu),記錄每種植物的種名、高度、密度、蓋度。群落的地上生物量采用刈割法測定,刈割后采集凋落物樣品,裝入袋中編號(hào),帶回實(shí)驗(yàn)室,在80℃恒溫箱烘干至恒重,計(jì)算其平均生物量和凋落物干重(g/m2)[28]。各放牧梯度及對(duì)照樣地的植物種類組成,群落高度、蓋度、密度和地上生物量等指標(biāo)如表1所示,各樣地植被高度、蓋度與生物量間差異顯著。

在刈割后的10個(gè)樣方內(nèi),采用直徑7 cm的土鉆,在每個(gè)樣方以對(duì)角線5點(diǎn)取樣法分層鉆取土柱,鉆取土層為0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm。將采集的土柱過100目篩沖洗后獲取地下根系,在80℃的恒溫箱烘干至恒重稱重,計(jì)算其平均地下生物量干重(g/m2)。土壤樣品亦在上述10個(gè)樣方處按0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm分層取樣500 g左右,帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過篩,測試相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定方法

(1)將植物有機(jī)干物質(zhì)中碳占的比重轉(zhuǎn)換為碳量,盡管不同的植被其轉(zhuǎn)換率不同,但由于獲取各種植被類型的轉(zhuǎn)換率十分有限,所以在本文中采用國際上通用的植物碳轉(zhuǎn)換率 0.45將生物量統(tǒng)一以碳(g/m2)的形式表示[29]。

(2)土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定,有機(jī)碳儲(chǔ)量采用公式(1)計(jì)算。

SOCi=Ci×Di×Hi×(1-Gi)×100

(1)

礫石含量Gi=(>2mm礫石干重/總土干重)×100%

(2)

(3)土壤輕組有機(jī)碳采用Janzen所描述的方法[30],利用1.8 g/cm3NaI重液獲得土壤輕組組分,提取出的輕組組分烘干后研細(xì)過60目篩,使用元素分析儀(Elementar Vario Macro Cube,德國)測定輕組有機(jī)碳含量。

土壤輕組組分比例=土壤輕組組分質(zhì)量/供試土樣質(zhì)量×100%

(3)

土壤輕組有機(jī)碳含量=土壤輕組組分有機(jī)碳含量×土壤輕組組分比例

(4)

土壤輕組有機(jī)碳分配比例=土壤輕組有機(jī)碳含量/土壤有機(jī)碳含量×100%

(5)

LFOCi=Zi×Di×Hi×(1-Gi)×100

(6)

式中,i代表不同土層；SOCi為i土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(g/m2)；LFOCi為i土層土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量(g/m2)；Ci為i土層土壤有機(jī)碳含量(%)；Zi為i土層土壤輕組有機(jī)碳含量(%)；Di為i土層土壤容重(g/cm3)；Hi為i土層厚度(cm)；Gi為i土層土壤礫石含量。

1.4數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel、SPSS 17.0軟件處理分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析不同放牧強(qiáng)度各變量的差異顯著性(α=0.05)。

圖1　地上植物和凋落物有機(jī)碳儲(chǔ)量Fig.1　Aboveground vegetation and litter organic carbon storage 小寫字母表示不同放牧強(qiáng)度的差異性(P<0.05)

2　結(jié)果與分析

2.1不同放牧強(qiáng)度植被有機(jī)碳儲(chǔ)量2.1.1不同放牧強(qiáng)度植被地上部分有機(jī)碳儲(chǔ)量

放牧顯著降低了群落植被的平均高度、蓋度與地上生物量,使得不同放牧強(qiáng)度地上植被高度與生物量干重不同(表1),導(dǎo)致地上植物有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著(圖1)。由圖可知,CK區(qū)最高,其大小依次為CK (44.51 g/m2)>LG (30.77 g/m2)>MG (19.83 g/m2)>HG (11.98 g/m2),放牧顯著降低了群落的地上植物有機(jī)碳儲(chǔ)量(P<0.05),除MG與HG之間差異不顯著外,其余放牧梯度間差異顯著。

對(duì)照區(qū)凋落物有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于放牧區(qū)(P<0.05)。隨著放牧強(qiáng)度的增加,凋落物有機(jī)碳儲(chǔ)量降低,但不同牧壓間差異不顯著(P>0.05)。

2.1.2不同放牧強(qiáng)度植物根系有機(jī)碳儲(chǔ)量

短花針茅荒漠草原植物地下部分(根系)有機(jī)碳儲(chǔ)量明顯高于地上部分有機(jī)碳儲(chǔ)量(表2),其比值為9.97—22.41；隨著土壤深度的增加,根系有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)減少的趨勢,均以0—10 cm到10—20 cm下降的量最多。從地下0—40 cm根系有機(jī)碳儲(chǔ)量來看,大小序列仍為CK (804.31 g/m2)>LG (748.44 g/m2)>MG (599.63 g/m2)>HG (502.30 g/m2),CK和LG差異不明顯,但顯著高于MG和HG (P<0.05)。0—10 cm根系有機(jī)碳儲(chǔ)量占到0—40 cm根系總有機(jī)碳儲(chǔ)量的50.18%—58.11%,0—20 cm根系有機(jī)碳儲(chǔ)量占到 0—40 cm 根系總有機(jī)碳儲(chǔ)量的73.83%—87.19%,因此根系總有機(jī)碳儲(chǔ)量在不同放牧強(qiáng)度間的變化主要受 0—20 cm 根系有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響,信息量可達(dá) 70%以上,0—20 cm根系有機(jī)碳儲(chǔ)量仍以CK最高,HG最低。

表2　根系有機(jī)碳儲(chǔ)量

小寫和大寫字母分別表示不同放牧強(qiáng)度和同一放牧強(qiáng)度不同土層深度的差異性(P<0.05),字母相同為不顯著

2.2不同放牧強(qiáng)度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

土壤有機(jī)碳含量隨放牧強(qiáng)度的增加呈先增加后減少趨勢,并在輕度或中度放牧樣地達(dá)到最大。不同放牧強(qiáng)度只對(duì)0—10 cm和10—20 cm土層有機(jī)碳含量影響差異顯著。土壤有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢,其中10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土層有機(jī)碳含量差異不顯著。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨著土層深度的增加而呈降低趨勢,且不同土層間差異顯著(P<0.05)(表3)。表層0—10 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最高,可以達(dá)到2247—2811 g/m2,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被有機(jī)碳儲(chǔ)量(524.71—884.94 g/m2)。從0—40 cm土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量來看,大小序列為LG (9694.16 g/m2)>MG (9389.86 g/m2)>CK (8473.74 g/m2)>HG (7817.43 g/m2),LG和MG相對(duì)于CK土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增加,增幅為14.40%、10.81%,表現(xiàn)出較強(qiáng)的固碳能力,HG相對(duì)于CK土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著減少,降幅為7.75%。由此可以看出,適度放牧有助于土壤有機(jī)碳的積累。

表3　土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量

小寫和大寫字母分別表示不同放牧強(qiáng)度和同一放牧強(qiáng)度不同土層深度的差異性(P<0.05),字母相同為不顯著

2.3不同放牧強(qiáng)度生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量

圖2　荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量Fig.2　Ecosystem organic carbon storage of desert steppe 小寫字母表示不同放牧強(qiáng)度的差異性(P<0.05)

由圖2可知,不同放牧強(qiáng)度荒漠草原植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量大小序列為LG (10494.80 g/m2)>MG (10027.98 g/m2)>CK (9358.68 g/m2)>HG (8342.14 g/m2)。輕度和中度放牧有助于生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量的積累,而重度放牧草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著降低。隨著放牧強(qiáng)度的增加,地上植物碳儲(chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量比例分別為0.48%、0.29%、0.20%、0.14%；凋落物碳儲(chǔ)量所占比例分別為0.39%、0.20%、0.19%、0.13%；根系碳儲(chǔ)量所占比例分別為8.59%、7.13%、5.98%、6.02%；土壤碳儲(chǔ)量所占比例分別為90.54%、92.37%、93.64%、93.71%。草原土壤的碳貯量占總碳貯量的90%以上,是草原碳儲(chǔ)量的主體部分,影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化。各樣地各部分所占生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量比例均表現(xiàn)為土壤>根系>地上植物>凋落物。

2.4不同放牧強(qiáng)度土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量

輕組有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力,對(duì)土壤肥力保持、碳收支具有重要意義。土壤輕組有機(jī)碳含量隨放牧強(qiáng)度呈先增加后減少趨勢,并在輕度或中度放牧強(qiáng)度達(dá)到最大。輕組有機(jī)碳含量沿土壤剖面均呈逐漸遞減的趨勢,且各土層之間差異顯著(P<0.05)。不同放牧強(qiáng)度樣地輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量呈先增加后減少的趨勢,其大小序列為LG (654.62 g/m2)>MG (560.62 g/m2)>CK (536.61 g/m2)>HG (484.20 g/m2),LG相對(duì)于CK輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增加,增幅為21.99%,MG、HG與CK之間輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量差異并不顯著,變化幅度為+4.47%、-9.77%。相對(duì)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量,土壤輕組有機(jī)碳對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)更敏感。0—10 cm層CK的輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的比例最高,MG次之,隨著土壤深度的增加,輕組有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量迅速下降,且輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量有機(jī)碳的比例由8.80%—9.72%下降到2.00%—3.10%。從0—40 cm輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量占土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量比例來看,LG比例最高,MG和HG比例較低,可見輕度放牧有助于土壤輕組有機(jī)碳的積累,隨著放牧強(qiáng)度的增大,不僅土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量下降,而且土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量在輕組中的分配比例也受到影響。

表4　輕組有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及其占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比例

小寫和大寫字母分別表示不同放牧強(qiáng)度和同一放牧強(qiáng)度不同土層深度的差異性(P<0.05),字母相同為不顯著

3　討論

3.1不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

植被通過光合作用將大氣中的 CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碳,是生態(tài)系統(tǒng)中主要的碳來源,不同干擾強(qiáng)度主要是通過家畜采食改變地上部分,降低植物地上生物量[31]；長期的連續(xù)的高強(qiáng)度放牧,使植物葉面積降低,草地初級(jí)生產(chǎn)固定碳素的能力下降,光合作用向地下的能量輸入減弱,導(dǎo)致植物地下根系的生產(chǎn)力和現(xiàn)存量降低[32]；草地生物量降低使凋落物的積累和輸入降低,減少了碳素由植物凋落物向土壤的輸入,降低土壤有機(jī)碳含量,使土壤碳儲(chǔ)量降低。過度放牧對(duì)土壤理化性質(zhì)的干擾將會(huì)加速土壤呼吸作用,引起土壤有機(jī)碳輸出,降低土壤碳來源和草原植被固碳能力,最終導(dǎo)致草原變成一個(gè)凈碳源[33]。而適度放牧有利于草原有機(jī)碳的蓄積,因?yàn)樗梢詼p少凋落物的積累,促進(jìn)其分解并加速碳向土壤的輸送[34],本研究與此結(jié)果一致。不同放牧強(qiáng)度草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量大小序列為LG (9694.16 g/m2)>MG (9389.86 g/m2)>CK (8473.74 g/m2)>HG (7817.43 g/m2)。特別地,不同放牧強(qiáng)度草地0—10 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均為最高,這一方面是由于地上植物的枯萎、凋落物沉積在土壤表層,促進(jìn)了表層土壤有機(jī)碳的輸入,另一方面歸因于草地地下生物量大部分集中于表層土壤中,隨著深度增加,數(shù)量急劇降低[35]。隨著放牧強(qiáng)度的增加,0—10 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例大體呈增加趨勢,分別為26.73%、27.73%、29.93%、28.74%。

3.2不同放牧強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

地上植物、凋落物、根系和土壤碳庫四部分共同組成草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫,不同放牧強(qiáng)度短花針茅荒漠草原各部分碳儲(chǔ)量所占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的比例存在差別,但各部分碳儲(chǔ)量分布比例是相似的。在生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量中,有機(jī)碳儲(chǔ)量從大到小依次為：土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(90.54%—93.71%)、根系有機(jī)碳儲(chǔ)量(5.98%—8.59%)、地上植物有機(jī)碳儲(chǔ)量(0.14%—0.48%)和凋落物有機(jī)碳儲(chǔ)量(0.13%—0.39%),由此可以看出,不同放牧強(qiáng)度短花針茅荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占居主導(dǎo)地位,這一結(jié)果與對(duì)典型草原和草甸草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究所得到的結(jié)果相似[36-37]。隨著放牧強(qiáng)度的增加,地上植物、凋落物、根系有機(jī)碳儲(chǔ)量所占生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量比例呈現(xiàn)降低趨勢,而土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例呈遞增趨勢。針茅草原地上植被碳儲(chǔ)量僅占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的2%—5%,其余大部分碳儲(chǔ)存在土壤當(dāng)中[38]。而本研究表明,在不同放牧強(qiáng)度各樣地地上植物和凋落物有機(jī)碳儲(chǔ)量之和只占到生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的0.27%—0.86%,遠(yuǎn)小于2%—5%,這可能與調(diào)查當(dāng)年降水量少于多年平均降水有關(guān),從氣象局獲得的數(shù)據(jù)分析,2014 年為極度干旱年份,前7個(gè)月降水量僅為143.6 mm,比近 30 年來降水量低16.02%(171.0 mm),水分的缺乏限制了綠色植物的生長,導(dǎo)致植被覆蓋率降低,生物量下降。不同放牧強(qiáng)度草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量大小序列為LG (10494.80 g/m2)>MG (10027.98 g/m2)>CK (9358.68 g/m2)>HG (8342.14 g/m2),輕度和中度放牧提高了生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳水平。導(dǎo)致這一變化的原因可能歸因于不同放牧強(qiáng)度下根冠比、凋落物分解及地上生物量的差異。一方面,放牧強(qiáng)度的加大導(dǎo)致植物地下生物量增加,使得植物根冠比率增加,不同強(qiáng)度植物根冠比為HG (41.94)>MG (30.24)>LG (24.33)>CK (18.07),增加了有機(jī)碳向地下的分配量；另一方面,動(dòng)物的踐踏使凋落物破碎并與土壤充分接觸,促進(jìn)凋落物的分解,有助于碳和養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移到土壤中[39]。而重度放牧促使草原植被葉面積和儲(chǔ)藏物質(zhì)嚴(yán)重減少,凈初級(jí)生產(chǎn)力降低,物質(zhì)的輸入小于輸出,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量降低。

3.3不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤輕組有機(jī)碳的影響

土壤輕組僅占土壤質(zhì)量的一小部分,而輕組碳濃度明顯高于全土碳濃度,因而土壤輕組碳分配比例較高。土壤輕組能夠在全土碳變化之前反映因管理措施等人為活動(dòng)或自然變化所引起的土壤的微小變化[40]。輕組有機(jī)碳組分較易于降解,并缺乏土壤礦物的保護(hù),所以其周轉(zhuǎn)速率較快,是促使物質(zhì)循環(huán)的腐生生物的有效的能量來源,有助于營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。許多研究者的研究結(jié)果表明輕組有機(jī)碳含量總體上隨土層加深而下降[41-42]。輕組有機(jī)碳的大小和組成主要取決于有機(jī)物的輸入和分解速率[43],由于土壤表層積累了較多的凋落物與細(xì)根,所以土壤表層與下層相比含有更多的輕組有機(jī)碳,并在土壤剖面呈逐漸遞減的趨勢,這與土壤總有機(jī)碳在土壤剖面的分布規(guī)律一致。武天云等研究表明,土壤輕組有機(jī)碳占有機(jī)碳總量的2%—18%[44]。謝錦升等研究結(jié)果表明,草地輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例為5%—48%[45]。本研究表明,不同放牧強(qiáng)度草地輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比例隨土層深度的加深由8.80%—9.72%下降到2.00%—3.10%。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在不同土層間下降的幅度分別為7.62%、6.94%、11.85%,輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量下降的幅度分別為22.18%、39.73%、54.70%。土壤輕組碳隨土壤深度下降的幅度大于全土碳。輕度放牧樣地相對(duì)于對(duì)照輕組有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及其占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比例顯著增加,有助于土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和積累。

4　結(jié)論

(1)不同放牧強(qiáng)度樣地各組成部分有機(jī)碳碳儲(chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量比例均表現(xiàn)為土壤>根系>地上植物>凋落物,土壤和根系有機(jī)碳儲(chǔ)量占短花針茅荒漠草原碳儲(chǔ)量主導(dǎo)地位,對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能有重要的作用。

(2)植被有機(jī)碳儲(chǔ)量具有短期效應(yīng),而土壤有機(jī)碳蓄積卻是相對(duì)緩慢的積累過程。隨放牧強(qiáng)度的增加,地上植物、凋落物、根系有機(jī)碳儲(chǔ)量均呈降低趨勢,而土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈先增加后減少趨勢,適度放牧有利于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的累積。

(3)隨放牧強(qiáng)度的增加,土壤輕組有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及其占土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比例均呈先增加后減少趨勢,在輕度放牧強(qiáng)度最高,適度放牧有助于土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和積累。

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Organic carbon storage properties inStipabrevifloradesert steppe vegetation soil systems under different grazing intensities

WANG Heyun1, DONG Zhi1,2, GUO Jianying3, LI Hongli1,2,*, LI Jinrong3, HAN Guodong2, CHEN Xinchuang1

1ForestryCollegeofShandongAgriculturalUniversity,ShandongProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandEcologicalRestoration,TaishanForestEcosystemResearchStation,Tai′an271018,China2CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China3GrasslandHydraulicResearchInstituteoftheMinistryofWaterResources,Hohhot010020,China

Grassland ecosystem, an important component of terrestrial ecosystem, plays an essential role in global carbon cycle and balance. TheStipabrevifloradesert steppe of Inner Mongolia is a transitional ecosystem from grassland to desert, which has infertile soil, weak stability, but high sensitivity to climate and environmental changes. Study on organic carbon storage of the steppe under different grazing intensities is very important for revealing the mechanism of grazing impact on carbon process of the desert steppe and can provide theoretical basis for reasonable conservation and utilization of grassland resources. According to the grassland plant species composition, community height, coverage, aboveground biomass, and density index, the steppe was divided into plots that were subjected to three grazing intensities, heavy grazing (HG), moderate grazing (MG), and light grazing (LG), and the experimental grassland which was fenced to exclude livestock grazing in 2008 was selected as the control sample (CK). The analyses of the aboveground biomass, litter, belowground biomass, soil organic carbon, and soil light fraction organic carbon were utilized to study the organic carbon storage properties inStipabrevifloradesert steppe vegetation soil systems under different grazing intensities. The results showed the following. The carbon storage was 11.98—44.51 g/m2in aboveground biomass, 10.43—36.12 g/m2in litter, and 502.30—804.31 g/m2in belowground biomass (0—40 cm); it was significantly higher in CK than in MG and HG. The carbon storage in the soil at a depth of 0—40 cm was 7817.43—9694.16 g/m2, and it was significantly higher in LG than in CK and HG. The total carbon storage in the vegetation-soil system was 8342.14—10494.80 g/m2under different grazing intensities; it was the largest in LG, followed by MG, CK, and HG. About 90.54%—93.71% of the total carbon was reserved in soil. Light and moderate grazing intensities increased organic carbon level of the ecosystem due to the increase in the root:shoot ratio. The grazing intensities of plant root:shoot ratios decreased from HD (41.94) to MD (30.24), LD (24.33), and CK (18.07), thereby increasing the allocation of carbon amount into the ground. Increased organic carbon content in the ecosystem may also be due to animals trampling and breaking the litter and thus promoting litter decomposition and carbon and nutrients release into the soil. However, heavy grazing severely reduced the grassland vegetation leaf area and storage material, decreased plant net primary production, lowered material input to levels below the output, and decreased the ecosystem carbon storage. Each component of the system accounted for the percentage of ecosystem organic carbon storage in the following order: soil > root > aboveground vegetation > litter in different grazing intensities. Organic carbon storage accumulation in the vegetation had a short-term effect, while its accumulation in the soil was relatively slow. With increasing grazing intensity, aboveground vegetation, litter, and root organic carbon storage showed a decreasing trend, while soil organic carbon storage first increased and then decreased; MG was beneficial to the accumulation of soil organic carbon storage. The soil light fraction organic carbon storage was 484.20—654.62 g/m2, and it was the highest in LG. With increasing grazing intensity, the soil light fraction organic carbon content, storage, and percentage of soil organic carbon storage first increased and then decreased, reaching the highest value in LG. MG intensity was beneficial to soil nutrient accumulation in the desert steppe.

desert steppe; grazing intensity; carbon storage; soil light fraction organic carbon

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301302)；教育部科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1259)

2015- 07- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

Corresponding author.E-mail: lhl@sdau.edu.cn

10.5846/stxb201507011399

王合云,董智,郭建英,李紅麗,李錦榮,韓國棟,陳新闖.不同放牧強(qiáng)度下短花針茅荒漠草原植被-土壤系統(tǒng)有機(jī)碳組分儲(chǔ)量特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4617- 4625.

Wang H Y, Dong Z, Guo J Y, Li H L, Li J R, Han G D, Chen X C.Organic carbon storage properties inStipabrevifloradesert steppe vegetation soil systems under different grazing intensities.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4617- 4625.