草地生態系統中,有將近 2/3 的碳是固定在土壤中的,且土壤碳主要以有機質的形式存在,集中分布在 0 ~20cm 土層中?；哪菰莾让晒挪菰闹匾M成部分,屬于草原區向荒漠區過渡的旱生化草原生態系統。到目前為止,許多學者開展了荒漠草原地下生態系統的研究,主要集中在地下生物量動態、土壤微生物、不同放牧強度下土壤有機碳特征、土壤有機碳季節變化、土壤養分和酶活性變化等方面,鮮有生長季土壤有機碳月動態及影響因素的研究報道。文中選取內蒙古蘇尼特右旗小針茅荒漠草原,通過野外調查、采樣、分析,獲得了小針茅草原 5 ~9 月生長季地上、地下生物量、土壤有機碳含量及土壤含水量數據。通過分析 5 ~9 月生長季土壤有機碳月動態,探討了生物量、氣溫、降水及土壤含水量與土壤有機碳的相關關系。旨在揭示草地生長季土壤有機碳的動態變化及影響因素,為荒漠草原地下碳庫動態的研究提供參考依據。
1、 研究區概況
研究區位于內蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗,地處北緯 41°55' ~43°39'、東經 111°8' ~114°16'。該區氣候為中溫帶半干旱大陸性氣候。春季干旱風大,夏季干熱而短促,秋季晴天多,涼爽,冬季嚴寒而漫長,四季溫差大。年平均日照時數約為 3231. 8 h,平均溫度 4. 3℃,無霜期 135 d,常年盛行偏西風,年平均風速約為 4 ~6m/s,年八級以上大風天為 50 ~80 天。風多且大,風災時發,沙塵天氣嚴重,頻發。該區由于受到東南山地的阻擋,季風只能到達南部山丘地帶因此降水量很少,越往北越趨于干旱,南部低山丘陵區年降雨量為 250mm,中部高原下降到 200mm,到二連一帶僅有 150mm,南北相差很大。降水在一年之中分配很不均勻,春季降水極少,大部分集中在 7 ~8 月份,約占全年的 50% ~60%,降水年際變化十分顯著,降水的年變化率也很大。年降水量平均為170 mm 左右,蒸發量平均為2384 mm,是降水量的14 倍。整個地區在大部分年份都要受到不同程度的干旱威脅。植被地帶屬于中溫型草原帶,具有典型的干草原向荒漠過渡的地帶性植被特征。
試驗地選擇在蘇尼特右旗中西部的荒漠草原,位于賽漢塔拉鎮和額仁淖爾蘇木,主要草地類型為小針茅 + 無芒隱子草草地和狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地,植被稀疏低矮,蓋度 20% ~40%,植物種類組成較貧乏,植物群落由 20 多種植物組成。建群種為強旱生的小針茅\\(Stipa klemenzii\\) ,優勢種為無芒隱子草\\(Cleistogenes songorica\\) ,主要伴生種有冷蒿\\(Artemisia frigid Willd\\) 、多根蔥\\(Allium polyrhizum\\) 、中間錦雞兒\\(Caragana Leguminosae\\) 、狹葉錦雞兒\\(Caragana stenophylla\\) 等。
2、 研究方法
2. 1 樣地設置
2012 年 5 ~ 9 月生長季,每個月對蘇尼特右旗小針茅荒漠草原進行定點的樣地樣方調查,選擇小針茅+ 無芒隱子草和狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草兩種具有代表性的主要草地類型,小針茅 + 無芒隱子草草地設置了 4 個樣地,每個樣地 3 個 1m ×1m 樣方,狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地設置了 3 個樣地,每個樣地設置 3 個 10m ×10m 的大樣方,每個大樣方內設置 3 個 1m ×1m 的小樣方。記錄樣地特征及周邊環境信息,主要包括經緯度、海拔高度、地貌、土壤質地、草地類型、主要植被、放牧情況等。測定樣方內的植被蓋度、高度、地上生物量、地下生物量、土壤有機碳及土壤含水量。
2. 2 取樣及測定方法
2. 2. 1 生物量取樣方法
對草本及矮小灌木植物樣方地上生物量,采用直接收割法。將樣方內全部植物齊地面剪割后裝入紙袋,帶回實驗室 65℃烘干至恒重,用電子天平稱量干重。對灌木和高大草本植物樣方地上生物量,采用標準株叢法測定。
在獲取地上生物量之后,在地上部收割后的樣方內,采用根鉆法分層獲取地下生物量,每個樣方內鉆取 4 個點的地下根系,分層取樣\\(每 10cm 一層\\) ,取樣深度為 30cm。文中采用的根鉆直徑為 7cm,高度為30cm,每 10cm 為一層分層采集根系土壤樣品。每份樣品為直徑 7cm,高 10cm 的土柱。將采集的地下根系土壤樣品放入過濾篩中用清水沖洗,直至根系與土壤完全分離,挑出非草根。將處理好的地下根系在65℃ 烘干至恒重并用電子天平稱量干重。將每個樣方中各鉆的根系生物量分層進行平均,然后折算為 g /m2單位,即為該樣方各層地下生物量,各層生物量的總和即為該樣方的總地下生物量。
2. 2. 2 土壤有機碳取樣及測定方法
采用土鉆法,每個樣方內隨機選取 4 個點,分層取 0 ~30cm 土樣,將每層同一深度的樣品全部合并裝入一個樣品袋中帶回實驗室進行預處理,挑出石礫、植物根系和動物殘體等雜物,自然風干后碾壓成粉末并充分混合,過 0. 25mm 孔徑篩,取少量樣品測定土壤有機碳含量。土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀氧化- 外加熱法。
2. 2. 3 土壤含水率取樣方法
在選取的樣地上去除地表植被,各采樣點均采集 3 個平行樣品作為對照,使用土壤剖面法,用環刀分層采集 0 ~30cm 深度土壤樣品。將土樣密封于土壤盒中帶回實驗室測定并計算土壤容重和含水量。
3、 研究結果與分析
3. 1 小針茅草原生長季 0 - 30cm 土層深度土壤有機碳月動態
2012 年 5 ~ 9 月生長季小針茅草原兩種草地型土壤有機碳月動態均表現為雙峰型變化曲線,但變化趨勢不盡相同。小針茅無芒隱子草草地生長季土壤有機碳含量在 5 月份最高,為 5. 71g/kg,之后降低,到8 月份達到最低,為 5. 09g / kg,9 月份又略有增加。狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地型生長季土壤有機碳含量在 5 ~7 月為逐漸增加的趨勢,8 月份迅速降低,達到最低值,為 3. 58g/kg,9 月份又增加\\(圖1\\) ,小針茅荒漠草原 5 ~ 9 月生長季各月土壤有機碳含量差異不顯著。
3. 2 小針茅草原生長季 0 - 30cm 各層土壤有機碳月動態及垂直分布
2012 年 5 ~ 9 月生長季小針茅草原兩種草地型 0 ~ 30cm 土層深度各層土壤有機碳月動態變化趨勢與總土壤有機碳變化趨勢基本一致,小針茅 + 無芒隱子草草地型各月土壤有機碳含量均大于狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地型。0 ~ 10cm 土層深度土壤有機碳含量低于 10 ~20cm 和 20 ~30cm 土層深度土壤有機碳含量。且各層土壤有機碳含量的最低值均出現在 8 月份\\(圖 2\\) 。
3. 3 小針茅草原土壤有機碳含量的影響因素分析
3. 3. 1 小針茅草原土壤有機碳含量與地下生物量的關系
2012 年 5 ~ 9 月生長季小針茅荒漠草原 0 ~ 30cm 土層深度地下生物量月動態不同于土壤有機碳動態變化。在生長初期,地下部分生長發育緩慢,致使前期地下生物量較低,而后隨著氣溫升高、降水增多,土壤溫度亦隨之升高,加快根系的生長發育,地下生物量增高明顯。到 7、8 月,水熱條件配合協調,光合作用積累大量物質供地下部分生長,達到一年中的峰值\\(圖 3\\) 。而小針茅荒漠草原兩種草地型的土壤有機碳含量月變化不同\\(圖 1\\) ,土壤有機碳含量在 8 月份最低,與地下生物量的月變化沒有直接的量變關系。
小針茅荒漠草原各樣方地下生物量與土壤有機碳的相關分析結果表明\\(圖4\\) ,2012 年5 ~9 月生長季各月,小針茅荒漠草原0 ~30cm 土層地下生物量和土壤有機碳含量均呈極顯著正相關關系,相關系數在 0. 704 -0. 733 之間,p <0. 001。說明小針茅草原生長季各月土壤有機碳含量與地下生物量呈顯著正相關關系。
3. 3. 2 土壤有機碳與氣溫和降水的關系
2012 年蘇尼特右旗小針茅荒漠草原 5 ~ 9 月生長季 0 - 30cm平均土壤有機碳含量與月降水量之間可以用二次方程來模擬\\(圖5a\\) ,相關系數 R 達到 0. 86。其中 6 ~ 9 月土壤有機碳含量與月降水量之間呈顯著正相關關系,相關系數 R 達到 0. 77\\(p <0. 1\\) 。生長季 0 -30cm 平均土壤有機碳含量與月氣溫之間沒有顯著相關性\\(圖 5b\\) 。
3. 3. 3 土壤有機碳與土壤含水量的關系
小針茅草原土壤有機碳與土壤含水量呈極顯著正相關\\(圖6\\) 。0 ~ 10cm 土壤有機碳含量與土壤含水量呈極顯著正相關關系\\(R =0. 92,P <0. 01\\) ,0 ~30cm 土壤平均有機碳含量與 0 ~10cm 土壤含水量也呈極顯著正相關關系\\(R =0. 99,P < 0. 001\\) ,說明表層土壤有機碳含量受土壤含水量影響較大。
小針茅荒漠草原 0 ~10cm 土壤含水量多集中在 2% ~6%之間,且植物根系主要分布在 0 ~30cm 土層中,水分條件是根系生物量的重要制約因素,而根系中的有機物質又是土壤有機碳的重要來源,因此,在 0~ 30cm 表層土壤中,土壤有機碳含量與土壤含水量呈極顯著正相關。
4、 討論
4. 1 小針茅草原生長季土壤有機碳含量月動態
土壤有機碳包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產物和土壤腐殖質。關于草地生長季土壤有機碳月動態的研究鮮有報道,僅有關于土壤有機碳季節動態的零星報道,高雪峰的研究表明,內蒙古荒漠草原土壤有機碳含量表現為春季最高,春季到秋季逐漸降低,秋季達最低值,秋季到冬季又逐漸增加。本研究中,小針茅 + 無芒隱子草草地 5 ~9 月生長季 0 ~30cm 土壤有機碳含量月動態表現為 5 月份最高,之后逐漸降低,到 9 月份略又增加,與高雪峰的研究結果基本一致,而狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地土壤有機碳月動態變化則不同,表現為"N"型變化規律。
4. 2 影響小針茅荒漠草原土壤有機碳的因素
土壤中的有機碳含量是進入土壤的植物殘體量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結果,以往的研究表明,草地生態系統土壤有機碳的主要來源是殘根,受植被類型以及溫度、水分等氣候因素的綜合影響,通常隨降水量的增加而增加,降水量相同的情況下,土壤有機碳含量與溫度呈負相關關系。
王淑平的研究認為土壤有機碳含量與降水量之間具有顯著的正相關關系,而溫度對土壤有機碳的影響則比較復雜,在適宜的溫度條件下有助于土壤有機碳的積累,不適宜的溫度會影響土壤有機碳的積累,起到相反的作用。傅華的研究表明,阿拉善草地表層土壤有機碳含量與降雨、溫度、植被蓋度、草地生產力、土壤含水量均呈正相關關系,但影響土壤有機碳的關鍵因素隨土壤深度不同而有所不同。何志斌的研究表明,祁連山青海云杉林斑表層土壤有機碳含量與土壤容重呈正相關關系。王建林對念青唐古拉山高寒草原表層土壤有機碳的研究表明,土壤有機碳密度與地上生物量、10 ~20cm 土層地下生物量、20 ~30cm 土壤含水量呈顯著正相關。劉偉的研究表明,黃土高原天然草地 0 ~40cm 土壤有機碳與土壤含水量之間呈極顯著正相關,與年降水量沒有關系,與年均溫呈顯著負相關。本研究中,小針茅荒漠草原5 ~ 9 月生長季各月土壤有機碳含量與地下生物量呈顯著正相關關系,0 ~ 30cm 土壤有機碳與土壤含水量呈極顯著正相關,與前人研究結果一致。小針茅荒漠草原 6 ~9 月 0 ~30cm 平均土壤有機碳含量與月降水量呈正相關,與月氣溫之間沒有顯著相關性,與王淑平的研究結果基本一致。
5、 結論
\\(1\\) 小針茅荒漠草原兩種草地型 5 ~9 月生長季土壤有機碳月動態均表現為雙峰型變化曲線,最低值均出現在 8 月份,但變化趨勢不盡相同。小針茅 + 無芒隱子草草地型各月土壤有機碳含量均大于狹葉錦雞兒 - 小針茅 + 無芒隱子草草地型。
\\(2\\) 小針茅荒漠草原5 ~9 月生長季各月土壤有機碳含量差異不顯著。0 -10cm 土層深度土壤有機碳含量低于 10 -20cm 和 20 -30cm 土層深度土壤有機碳含量。
\\(3\\) 小針茅荒漠草原 5 ~9 月生長季土壤有機碳含量月變化與地下生物量的月變化沒有直接的量變關系。各月土壤有機碳含量與地下生物量呈顯著正相關關系。
\\(4\\) 小針茅荒漠草原 6 ~9 月 0 ~30cm 平均土壤有機碳含量與月降水量之間呈顯著正相關關系,與月氣溫之間沒有顯著相關性。
\\(5\\) 小針茅草原 0 ~30cm 土壤有機碳與土壤含水量呈極顯著正相關。說明表層土壤有機碳含量受土壤含水量影響較大。
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