那曲縣主要草地類型土壤有機碳特征分析

于寶政

(1.西藏農(nóng)牧學院 資源與環(huán)境學院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000)

【研究意義】那曲縣位于藏北地區(qū)的青藏高原腹地，是全球氣候變化的敏感區(qū)。高寒草原是藏北地區(qū)最大的生態(tài)系統(tǒng)，也是西藏和我國面積最大的草地類型[1]。然而,在人類活動日益增強的背景下,以草地沙漠化為主的各種草地退化過程正不斷加劇[2-4]。草原退化帶來的草地生產(chǎn)力下降、土壤結(jié)構(gòu)破壞和穩(wěn)定性降低，土壤有機碳穩(wěn)定性和含量下降、加劇了全球氣候變暖的進程[5-6]?！厩叭搜芯窟M展】目前，雖然對青藏高原草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)問題有一定的研究，但研究內(nèi)容主要集中在同一草地類型的不同退化程度草地土壤有機碳含量變化、高寒草原土壤有機碳空間分布等方面[7-8]，而針對不同自然草地類型有機碳含量的對比研究及其年度變化的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】本文擬通過對藏北草原主要草地類型土壤有機碳含量差異及其年度、年際變化研究，【擬解決的關鍵問題】以期揭示藏北草原主要草地類型土壤有機碳含量差異及其季節(jié)性變化特征。

表1 實驗樣地基本情況

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于西藏那曲地區(qū)那曲縣，地理位置：31°29′45″～31°38′38″N，91°03′57″～92°00′51″E，海拔4588～4622 m。該區(qū)域全年分冷(10月至翌年5月)、暖(6-9月)兩季，年均氣溫 -0.9 ℃，≥ 0 ℃ 年積溫 800～1100 ℃，全年無絕對無霜期；年降水量400 mm以上，年蒸發(fā)量1 810.6 mm，8 級以上大風日可達92 d。牧草生長期170 d以上。研究區(qū)域內(nèi)氣候及地形條件相對一致。

在研究區(qū)域內(nèi)選取3種代表性草地類型作為樣地，分別是：青藏苔草(C.moorcroftii)草地、紫花針茅(S.purpurea)草地、高山嵩草(K.pygmaea)草甸(表1)。

1.2 樣品采集

2013、2014年，分別于5月(春季，草地返青期)、8月(夏季，草類盛長期)、10月(秋冬季，枯草期)，對研究樣地按照隨機布點方式進行采樣，每個樣地采樣3次，作為該草地類型下的3個重復。每個采樣點去除植被地上部分后，沿土壤剖面(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25 cm)分5層采集土樣，裝入聚乙烯袋中貼上標簽后帶回實驗室。

1.3 樣品分析

土壤樣品風干后，過1 mm篩后磨細過0.25mm篩，測定土壤有機碳含量。

土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[9]。

1.4 統(tǒng)計分析

不同土層有機碳及不同類型草地土壤有機碳含量之間差異性采用Spss18.0軟件進行ANOVA分析，用Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型土壤有機碳含量狀況及其垂直分布特征

2.1.1 不同草地類型土壤有機碳含量狀況 對3種草地類型不同土層(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25 cm)有機碳含量進行分析，如圖1所示，土壤有機碳含量在各土層的含量均為：高山嵩草草甸>紫花針茅草地>青藏苔草草地。

高山嵩草草甸土壤有機碳含量與青藏苔草草地和紫花針茅草地土壤有機碳含量在各土層中均具有極顯著差異(P<0.01)。這主要因為高山嵩草草甸的土壤質(zhì)地優(yōu)于青藏苔草草地和紫花針茅草地、含水量也高于青藏苔草草地和紫花針茅草地，且高山嵩草草甸蓋度高于另外兩者，減小了風蝕作用的影響并增加了枯落物量[10]。

紫花針茅草地土壤有機碳含量雖然在各土層中均高于青藏苔草草地，但在(0～5，5～10，10～15 cm)土層中兩者無顯著差異，在15～20 cm土層中兩者有顯著差異(P<0.05)，在20～25 cm土層中兩者有極顯著差異(P<0.01)。這主要是由于植物殘體是土壤有機碳最重要的來源[11],而紫花針茅根系長于苔草，根系生長過程中的脫落物和分泌物可以在相對更深的土層中沉積和分解，為土壤有機碳提供了來源[12-13]。

圖1 不同草地類型土壤有機碳含量Fig.1 Contents of soil organic carbon in different grassland types

相同土層不同字母表示差異顯著性達 5 %(下同)圖2 青藏苔草草地土壤有機碳年度變化Fig.2 Annual variability of Guing-Tibetan sedge soil organic carbon

青藏苔草草地各土層中有機碳含量在3種草地類型中均是最低。這與該草地類型蓋度最低、以及土壤通透性最強、保蓄性最弱有關，另外與其土壤受風蝕作用最強也有一定關系。

2.1.2 各草地類型土壤有機碳垂直分布特征 青藏苔草草地土壤有機碳含量在各土層中無差異；這主要是由于青藏苔草草地土壤質(zhì)地為砂土造成的；砂土通透性強、保蓄性弱且有機物料分解速率低導致該草地土壤有機質(zhì)在各土層中含量均較低，即使有區(qū)別也不存在顯著差異[14]。

紫花針茅草地土壤有機碳含量在表層土壤0～5 cm中含量最低，與其余各層土壤有機碳含量有顯著差異(P<0.05)，土壤有機碳含量在(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)土層間不存在差異；這說明該草地土壤有一定的保水保肥能力，但表層受風蝕作用影響，形成粗質(zhì)地土壤，砂粒含量高，土壤有機碳含量低[15-17]。這種影響隨著土壤深度的增加而減弱，因此表層土壤有機碳含量最低。

高山嵩草草甸土壤有機碳含量明顯隨土層深度增加而下降，0～5 cm土層有機碳含量與(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)4層土樣中有機碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，5～10與10～15 cm土層有機碳含量不存在差異、與(15～20，20～25 cm)土層有機碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，10～15與15～20 cm土層有機碳含量不存在顯著差異、與20～25 cm土層中有機碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，15～20與20～25 cm土層有機碳含量不存在顯著差異；這說明草甸土壤有機碳含量與土層深度呈反比，這與其他一些干旱草原土壤有機碳垂直分布特征的研究結(jié)果一致[18]。

2.2 各草地類型土壤有機碳含量的年度變化

從圖2可以看出，青藏苔草草地土壤有機碳年度含量變化：2013年，在(0～5，5～10，10～15，0～25 cm)土層中不同季節(jié)有機碳含量無顯著差異；(15～20，20～25 cm)土層中有機碳含量在返青期與盛長期之間存在顯著差異(P<0.05)，返青期與枯草期之間、盛長期與枯草期之間均不存在顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期51.1 %、盛長期與枯草期-26.3 %。2014年，在(0～5，5～10，10～15 cm)土層中不同季節(jié)有機碳含量無顯著差異；(15～20，20～25，0～25 cm)土層中有機碳含量在返青期與盛長期之間存在顯著差異(P<0.05)，返青期與枯草期之間、盛長期與枯草期之間均不存在顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期-64.9 %、盛長期與枯草期75.9 %。

從圖3可以看出，紫花針茅草地土壤有機碳年度含量變化：2013年，各土層中有機碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期1.7 %、盛長期與枯草期-14.1 %。2014年，各土層中有機碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期-16.4 %、盛長期與枯草期9.1 %。

圖3 紫花針茅草地土壤有機碳年度變化Fig.3 Annual variability of Stipa purpurea soil organic carbon

圖4 高山嵩草草甸土壤有機碳年度變化Fig.4 Annual variability of Alpine-pygmaeus Kobresia soil organic carbon

從圖4可以看出，高山嵩草草甸土壤有機碳年度含量變化：2013年，各土層中有機碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期26.0 %、盛長期與枯草期-27.9 %。2014年，各土層中有機碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長期-7.5 %、盛長期與枯草期14.4 %。

綜合上述，在年度內(nèi)只有青藏苔草草地土壤有機碳含量有顯著差異。這可能是因為青藏苔草根系較淺，在盛長期(15～20，20～25 cm)土層中根系分布明顯增多，此季節(jié)的溫濕度也是土壤微生物生命活動相對活躍的時期，有利于微生物將土壤中有機殘體和根系分泌物向有機碳轉(zhuǎn)化，同時該草地類型土壤質(zhì)地為砂土，有機碳含量本來就低，因此土壤有機碳含量的波動會出現(xiàn)顯著差異[12-13]。

另外，3種草地類型土壤有機碳含量在季節(jié)間的變化一致體現(xiàn)出2013年先增后減、2014年先減后增的規(guī)律性。有研究表明：此幾種草地類型枯落物生物量隨季節(jié)變化呈“V”字型曲線；即返青期較高，盛長期最低，枯草期最大[19]。通過查閱氣象資料發(fā)現(xiàn)，2013年10月至2014年5月與往年同期相比氣溫偏高、降水多，這種溫濕變化導致微生物活動強于往年，由于微生物活動增強及其他影響因素，土壤中枯落物向有機碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量大于有機碳的損失量，導致土壤有機碳含量升高； 2014年5-8月間由于草地返青，枯落物量不足，且植被生長對有機碳的損耗增大，土壤中枯落物向有機碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量小于有機碳的損失量，導致2014年草地盛長期土壤有機碳處于較低水平；而2014年5-8月由于草地轉(zhuǎn)枯，土壤有機碳損耗量下降的同時枯落物量逐漸增大，土壤中枯落物向有機碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量大于有機碳的損失量，使土壤有機碳含量又逐漸上升。

2.3 各草地類型土壤有機碳含量的年際變化

如圖5所示，各草地類型的不同土層中有機碳含量在年際間均無顯著差異。土壤有機碳含量在2013與2014年際間變化率：青藏苔草草地為1.0 %、紫花針茅草地為-0.7 %、高山嵩草草甸為7.8 %。土壤有機碳的積累、分解、轉(zhuǎn)化都是較為緩慢的過程，一般來說短期內(nèi)變化沒有顯著差異，高山嵩草草甸土壤有機碳含量年際間變化率高于另外2種草地類型；主要是高山嵩草草甸土壤有機碳含量在各土層中均遠高于另外2種草地類型、土壤保蓄性強、微生物可用于轉(zhuǎn)化為有機碳的有機物質(zhì)含量高，因此其土壤有機碳含量年際間變化率高于另外2種草地類型。

圖5 3種草地類型土壤有機碳年際變化Fig.5 Interannual variability of soil organic carbon in different grassland types

3 結(jié) 論

土壤有機碳在各土層的含量均為高山嵩草草甸>紫花針茅草地>青藏苔草草地。這主要與不同草地類型的土壤質(zhì)地有關，有機碳含量表現(xiàn)為壤土>壤質(zhì)砂土>砂土。3種草地類型土壤有機碳垂直分布特征為：青藏苔草草地土壤有機碳含量在各土層間無顯著差異；紫花針茅草地土壤有機碳含量在0～5 cm土層最低，與其余各層土壤有機碳含量有顯著差異(P<0.05)，在(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)土層間不存在顯著差異；高山嵩草草甸土壤有機碳，0～5 cm土層有機碳含量與(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)4層土樣中有機碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)各土層與相鄰土層間無顯著差異，與其余土層有極顯著差異(P<0.01)。土壤有機碳的積累、分解、轉(zhuǎn)化都是較為緩慢的過程，一般來說短期內(nèi)變化沒有顯著差異，但是青藏苔草草地在(15～20，20～25 cm)土層中有機碳含量在返青期與盛長期之間有顯著差異(P<0.05)，2014年青藏苔草草地0～25 cm土層中有機碳含量在返青期與盛長期之間也有顯著差距，同時各草地類型的不同土層中有機碳含量在年際間均無顯著差異，這說明在某些特殊氣候條件下，由于土壤有機碳含量本來就很低，在植物的同一生長周期內(nèi)的不同生長階段間土壤有機碳含量變化會出現(xiàn)顯著差異，但是在不同生長周期間土壤有機碳含量又能保持相對穩(wěn)定。

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