草地生态系统中,有将近 2/3 的碳是固定在土壤中的,且土壤碳主要以有机质的形式存在,集中分布在 0 ~20cm 土层中。荒漠草原是内蒙古草原的重要组成部分,属于草原区向荒漠区过渡的旱生化草原生态系统。到目前为止,许多学者开展了荒漠草原地下生态系统的研究,主要集中在地下生物量动态、土壤微生物、不同放牧强度下土壤有机碳特征、土壤有机碳季节变化、土壤养分和酶活性变化等方面,鲜有生长季土壤有机碳月动态及影响因素的研究报道。文中选取内蒙古苏尼特右旗小针茅荒漠草原,通过野外调查、采样、分析,获得了小针茅草原 5 ~9 月生长季地上、地下生物量、土壤有机碳含量及土壤含水量数据。通过分析 5 ~9 月生长季土壤有机碳月动态,探讨了生物量、气温、降水及土壤含水量与土壤有机碳的相关关系。旨在揭示草地生长季土壤有机碳的动态变化及影响因素,为荒漠草原地下碳库动态的研究提供参考依据。
1、 研究区概况
研究区位于内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗,地处北纬 41°55' ~43°39'、东经 111°8' ~114°16'。该区气候为中温带半干旱大陆性气候。春季干旱风大,夏季干热而短促,秋季晴天多,凉爽,冬季严寒而漫长,四季温差大。年平均日照时数约为 3231. 8 h,平均温度 4. 3℃,无霜期 135 d,常年盛行偏西风,年平均风速约为 4 ~6m/s,年八级以上大风天为 50 ~80 天。风多且大,风灾时发,沙尘天气严重,频发。该区由于受到东南山地的阻挡,季风只能到达南部山丘地带因此降水量很少,越往北越趋于干旱,南部低山丘陵区年降雨量为 250mm,中部高原下降到 200mm,到二连一带仅有 150mm,南北相差很大。降水在一年之中分配很不均匀,春季降水极少,大部分集中在 7 ~8 月份,约占全年的 50% ~60%,降水年际变化十分显著,降水的年变化率也很大。年降水量平均为170 mm 左右,蒸发量平均为2384 mm,是降水量的14 倍。整个地区在大部分年份都要受到不同程度的干旱威胁。植被地带属于中温型草原带,具有典型的干草原向荒漠过渡的地带性植被特征。
试验地选择在苏尼特右旗中西部的荒漠草原,位于赛汉塔拉镇和额仁淖尔苏木,主要草地类型为小针茅 + 无芒隐子草草地和狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地,植被稀疏低矮,盖度 20% ~40%,植物种类组成较贫乏,植物群落由 20 多种植物组成。建群种为强旱生的小针茅(Stipa klemenzii) ,优势种为无芒隐子草(Cleistogenes songorica) ,主要伴生种有冷蒿(Artemisia frigid Willd) 、多根葱(Allium polyrhizum) 、中间锦鸡儿(Caragana Leguminosae) 、狭叶锦鸡儿(Caragana stenophylla) 等。
2、 研究方法
2. 1 样地设置
2012 年 5 ~ 9 月生长季,每个月对苏尼特右旗小针茅荒漠草原进行定点的样地样方调查,选择小针茅+ 无芒隐子草和狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草两种具有代表性的主要草地类型,小针茅 + 无芒隐子草草地设置了 4 个样地,每个样地 3 个 1m ×1m 样方,狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地设置了 3 个样地,每个样地设置 3 个 10m ×10m 的大样方,每个大样方内设置 3 个 1m ×1m 的小样方。记录样地特征及周边环境信息,主要包括经纬度、海拔高度、地貌、土壤质地、草地类型、主要植被、放牧情况等。测定样方内的植被盖度、高度、地上生物量、地下生物量、土壤有机碳及土壤含水量。
2. 2 取样及测定方法
2. 2. 1 生物量取样方法
对草本及矮小灌木植物样方地上生物量,采用直接收割法。将样方内全部植物齐地面剪割后装入纸袋,带回实验室 65℃烘干至恒重,用电子天平称量干重。对灌木和高大草本植物样方地上生物量,采用标准株丛法测定。
在获取地上生物量之后,在地上部收割后的样方内,采用根钻法分层获取地下生物量,每个样方内钻取 4 个点的地下根系,分层取样(每 10cm 一层) ,取样深度为 30cm。文中采用的根钻直径为 7cm,高度为30cm,每 10cm 为一层分层采集根系土壤样品。每份样品为直径 7cm,高 10cm 的土柱。将采集的地下根系土壤样品放入过滤筛中用清水冲洗,直至根系与土壤完全分离,挑出非草根。将处理好的地下根系在65℃ 烘干至恒重并用电子天平称量干重。将每个样方中各钻的根系生物量分层进行平均,然后折算为 g /m2单位,即为该样方各层地下生物量,各层生物量的总和即为该样方的总地下生物量。
2. 2. 2 土壤有机碳取样及测定方法
采用土钻法,每个样方内随机选取 4 个点,分层取 0 ~30cm 土样,将每层同一深度的样品全部合并装入一个样品袋中带回实验室进行预处理,挑出石砾、植物根系和动物残体等杂物,自然风干后碾压成粉末并充分混合,过 0. 25mm 孔径筛,取少量样品测定土壤有机碳含量。土壤有机碳的测定采用重铬酸钾氧化- 外加热法。
2. 2. 3 土壤含水率取样方法
在选取的样地上去除地表植被,各采样点均采集 3 个平行样品作为对照,使用土壤剖面法,用环刀分层采集 0 ~30cm 深度土壤样品。将土样密封于土壤盒中带回实验室测定并计算土壤容重和含水量。
3、 研究结果与分析
3. 1 小针茅草原生长季 0 - 30cm 土层深度土壤有机碳月动态
2012 年 5 ~ 9 月生长季小针茅草原两种草地型土壤有机碳月动态均表现为双峰型变化曲线,但变化趋势不尽相同。小针茅无芒隐子草草地生长季土壤有机碳含量在 5 月份最高,为 5. 71g/kg,之后降低,到8 月份达到最低,为 5. 09g / kg,9 月份又略有增加。狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地型生长季土壤有机碳含量在 5 ~7 月为逐渐增加的趋势,8 月份迅速降低,达到最低值,为 3. 58g/kg,9 月份又增加(图1) ,小针茅荒漠草原 5 ~ 9 月生长季各月土壤有机碳含量差异不显著。
3. 2 小针茅草原生长季 0 - 30cm 各层土壤有机碳月动态及垂直分布
2012 年 5 ~ 9 月生长季小针茅草原两种草地型 0 ~ 30cm 土层深度各层土壤有机碳月动态变化趋势与总土壤有机碳变化趋势基本一致,小针茅 + 无芒隐子草草地型各月土壤有机碳含量均大于狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地型。0 ~ 10cm 土层深度土壤有机碳含量低于 10 ~20cm 和 20 ~30cm 土层深度土壤有机碳含量。且各层土壤有机碳含量的最低值均出现在 8 月份(图 2) 。
3. 3 小针茅草原土壤有机碳含量的影响因素分析
3. 3. 1 小针茅草原土壤有机碳含量与地下生物量的关系
2012 年 5 ~ 9 月生长季小针茅荒漠草原 0 ~ 30cm 土层深度地下生物量月动态不同于土壤有机碳动态变化。在生长初期,地下部分生长发育缓慢,致使前期地下生物量较低,而后随着气温升高、降水增多,土壤温度亦随之升高,加快根系的生长发育,地下生物量增高明显。到 7、8 月,水热条件配合协调,光合作用积累大量物质供地下部分生长,达到一年中的峰值(图 3) 。而小针茅荒漠草原两种草地型的土壤有机碳含量月变化不同(图 1) ,土壤有机碳含量在 8 月份最低,与地下生物量的月变化没有直接的量变关系。
小针茅荒漠草原各样方地下生物量与土壤有机碳的相关分析结果表明(图4) ,2012 年5 ~9 月生长季各月,小针茅荒漠草原0 ~30cm 土层地下生物量和土壤有机碳含量均呈极显著正相关关系,相关系数在 0. 704 -0. 733 之间,p <0. 001。说明小针茅草原生长季各月土壤有机碳含量与地下生物量呈显著正相关关系。
3. 3. 2 土壤有机碳与气温和降水的关系
2012 年苏尼特右旗小针茅荒漠草原 5 ~ 9 月生长季 0 - 30cm平均土壤有机碳含量与月降水量之间可以用二次方程来模拟(图5a) ,相关系数 R 达到 0. 86。其中 6 ~ 9 月土壤有机碳含量与月降水量之间呈显著正相关关系,相关系数 R 达到 0. 77(p <0. 1) 。生长季 0 -30cm 平均土壤有机碳含量与月气温之间没有显著相关性(图 5b) 。
3. 3. 3 土壤有机碳与土壤含水量的关系
小针茅草原土壤有机碳与土壤含水量呈极显著正相关(图6) 。0 ~ 10cm 土壤有机碳含量与土壤含水量呈极显著正相关关系(R =0. 92,P <0. 01) ,0 ~30cm 土壤平均有机碳含量与 0 ~10cm 土壤含水量也呈极显著正相关关系(R =0. 99,P < 0. 001) ,说明表层土壤有机碳含量受土壤含水量影响较大。
小针茅荒漠草原 0 ~10cm 土壤含水量多集中在 2% ~6%之间,且植物根系主要分布在 0 ~30cm 土层中,水分条件是根系生物量的重要制约因素,而根系中的有机物质又是土壤有机碳的重要来源,因此,在 0~ 30cm 表层土壤中,土壤有机碳含量与土壤含水量呈极显著正相关。
4、 讨论
4. 1 小针茅草原生长季土壤有机碳含量月动态
土壤有机碳包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质。关于草地生长季土壤有机碳月动态的研究鲜有报道,仅有关于土壤有机碳季节动态的零星报道,高雪峰的研究表明,内蒙古荒漠草原土壤有机碳含量表现为春季最高,春季到秋季逐渐降低,秋季达最低值,秋季到冬季又逐渐增加。本研究中,小针茅 + 无芒隐子草草地 5 ~9 月生长季 0 ~30cm 土壤有机碳含量月动态表现为 5 月份最高,之后逐渐降低,到 9 月份略又增加,与高雪峰的研究结果基本一致,而狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地土壤有机碳月动态变化则不同,表现为"N"型变化规律。
4. 2 影响小针茅荒漠草原土壤有机碳的因素
土壤中的有机碳含量是进入土壤的植物残体量以及在土壤微生物作用下分解损失的平衡结果,以往的研究表明,草地生态系统土壤有机碳的主要来源是残根,受植被类型以及温度、水分等气候因素的综合影响,通常随降水量的增加而增加,降水量相同的情况下,土壤有机碳含量与温度呈负相关关系。
王淑平的研究认为土壤有机碳含量与降水量之间具有显著的正相关关系,而温度对土壤有机碳的影响则比较复杂,在适宜的温度条件下有助于土壤有机碳的积累,不适宜的温度会影响土壤有机碳的积累,起到相反的作用。傅华的研究表明,阿拉善草地表层土壤有机碳含量与降雨、温度、植被盖度、草地生产力、土壤含水量均呈正相关关系,但影响土壤有机碳的关键因素随土壤深度不同而有所不同。何志斌的研究表明,祁连山青海云杉林斑表层土壤有机碳含量与土壤容重呈正相关关系。王建林对念青唐古拉山高寒草原表层土壤有机碳的研究表明,土壤有机碳密度与地上生物量、10 ~20cm 土层地下生物量、20 ~30cm 土壤含水量呈显著正相关。刘伟的研究表明,黄土高原天然草地 0 ~40cm 土壤有机碳与土壤含水量之间呈极显著正相关,与年降水量没有关系,与年均温呈显著负相关。本研究中,小针茅荒漠草原5 ~ 9 月生长季各月土壤有机碳含量与地下生物量呈显著正相关关系,0 ~ 30cm 土壤有机碳与土壤含水量呈极显著正相关,与前人研究结果一致。小针茅荒漠草原 6 ~9 月 0 ~30cm 平均土壤有机碳含量与月降水量呈正相关,与月气温之间没有显著相关性,与王淑平的研究结果基本一致。
5、 结论
(1) 小针茅荒漠草原两种草地型 5 ~9 月生长季土壤有机碳月动态均表现为双峰型变化曲线,最低值均出现在 8 月份,但变化趋势不尽相同。小针茅 + 无芒隐子草草地型各月土壤有机碳含量均大于狭叶锦鸡儿 - 小针茅 + 无芒隐子草草地型。
(2) 小针茅荒漠草原5 ~9 月生长季各月土壤有机碳含量差异不显著。0 -10cm 土层深度土壤有机碳含量低于 10 -20cm 和 20 -30cm 土层深度土壤有机碳含量。
(3) 小针茅荒漠草原 5 ~9 月生长季土壤有机碳含量月变化与地下生物量的月变化没有直接的量变关系。各月土壤有机碳含量与地下生物量呈显著正相关关系。
(4) 小针茅荒漠草原 6 ~9 月 0 ~30cm 平均土壤有机碳含量与月降水量之间呈显著正相关关系,与月气温之间没有显著相关性。
(5) 小针茅草原 0 ~30cm 土壤有机碳与土壤含水量呈极显著正相关。说明表层土壤有机碳含量受土壤含水量影响较大。
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