不同利用方式對鄂爾多斯典型草原植物群落與土壤碳儲量的影響

蘇楞高娃

(呼和浩特民族學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

不同利用方式對鄂爾多斯典型草原植物群落與土壤碳儲量的影響

蘇楞高娃

(呼和浩特民族學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

本文以鄂爾多斯溫性典型草原植物群落與土壤為研究對象，選取當(dāng)?shù)剌^為常見的3種草地管理方式，即全年禁牧、冷季放牧及全年放牧的草地設(shè)置實驗樣地，探討不同管理方式對草地植物群落特征和植被-土壤碳儲量的影響。結(jié)果表明：⑴不同管理方式下，鄂爾多斯典型草原植被蓋度、高度、生物量、物種數(shù)均表現(xiàn)為：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)，根冠比為：冷季放牧>全年禁牧>全年放牧(p<0.05)；⑵植物碳儲量為：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；⑶土壤碳儲量為：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧(p>0.05)；⑷植被-土壤總碳儲量為：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧(p>0.05)，植被-土壤總碳量中土壤碳儲量的比重在3中管理方式下均占96%以上，遠(yuǎn)大于植被碳儲量比重。

典型草原；管理方式；碳儲量

1 引言

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，其生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮對于維持全球及區(qū)域平衡具有極其重要的作用。然而草地生態(tài)系統(tǒng)作為人們賴以生存和發(fā)展的重要自然資源，極易受到人類活動的影響，人類活動改變著其原有的分布、結(jié)構(gòu)和功能〔1〕。人類對草地的利用和管理方式通常直接影響地表的植被覆蓋狀況和群落組成等群落特征，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解速率以及整個生態(tài)系統(tǒng)功能的興旺和衰退。草地利用和管理方式變化造成的草地生態(tài)系統(tǒng)的改變往往具體表現(xiàn)為群落物種結(jié)構(gòu)組成、生物多樣性水平和生產(chǎn)力水平變化、系統(tǒng)碳積蓄能力等生態(tài)系統(tǒng)要素及功能的改變〔2〕。因此，在全球變化背景下，研究不同利用和管理方式對溫性荒漠草原群落及植被—土壤系統(tǒng)碳儲量的影響，對我們深入地掌握草地生態(tài)系統(tǒng)退化機(jī)理，科學(xué)保護(hù)、合理利用和有效恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。本文分析了不同利用方式對鄂爾多斯典型草原群落及碳儲量的影響，以期為該地區(qū)草地資源的合理利用提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

該區(qū)屬半干旱草原氣候，冬寒夏炎，年溫差日較大。本區(qū)多年平均氣溫6.2℃，日最高氣溫38℃，日最低氣溫-31.4℃，多年平均降水348.3mm，降水多集中在7、8、9月，多年平均蒸發(fā)量2506.3mm，以5-7月份為最大，年平均風(fēng)速3.6m/s,最大風(fēng)速可達(dá)22m/s。鄂爾多斯地處于草原、荒漠及其過渡地帶，主要植被類型是以沙生、旱生半灌木為主的干草原和荒漠草原。從東向西北，境內(nèi)植被依次可劃分為典型草原、荒漠草原和草原化荒漠。鄂爾多斯典型草原主要植被是以小半灌木蒿類為主的群落，在高亢、向陽的生境上保存有小片的長芒草草原群落，在沙丘間的低濕灘地上有草甸、鹽生草甸、沼澤草甸、中生灌木等植被類型。鄂爾多斯土壤主要以風(fēng)沙土、棕鈣土、栗鈣土為主。面積最大的土類是風(fēng)沙土，占鄂爾多斯土壤總面積的48.9%。占第二位的是棕鈣土，主要分布在鄂爾多斯的西半部，占鄂爾多斯土壤面積的18.8%。栗鈣土主要分布在鄂爾多斯的東部，占鄂爾多斯土壤總面積的11.8%，在鄂爾多斯各類土壤中占第三位。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地及樣方的布設(shè)

野外調(diào)查工作于2011年9月在鄂爾多斯進(jìn)行，共調(diào)查了15個樣地，樣地詳細(xì)信息見表1。在樣地內(nèi)依據(jù)典型性原則，選擇能夠代表整個樣地草原植被、地形及土壤等特征的地段，按一定方向設(shè)置100m樣線，每隔10m布設(shè)一個1m×1m的樣方，其中5個樣方(不分種樣方)測定群落特征數(shù)據(jù)及取植物、土壤樣品，5個樣方(分種樣方)測定植物生物多樣性數(shù)據(jù)。

表1 鄂爾多斯溫性典型草原樣地信息表

2.2.2 采樣方法

(1)群落高度：測定樣方植物平均自然高度；

(2)群落蓋度：樣方內(nèi)植物投影面積為樣方總蓋度(目測法估測)；

(3)樣方內(nèi)植物種數(shù)：每個樣方內(nèi)總植物種數(shù)；

(4)植物地上生物量樣品取樣方法：用收獲法，將樣線上5個不分種樣方內(nèi)植物地面以上的所有植物用剪刀齊地面刈割，裝進(jìn)信封，稱鮮重，用鉛筆做好標(biāo)記。帶回實驗室65℃烘干，稱量干重記錄后備用于碳含量測定；

(5)植物地下生物量取樣方法：用土鉆法，在取過地上生物量的樣方內(nèi)，用7cm根鉆取根系，采集0-100cm土樣，將樣品裝在尼龍紗袋中，并用塑料標(biāo)簽寫好樣方號，進(jìn)行漂洗后裝進(jìn)信封并標(biāo)記好，65℃烘至恒重，稱重記錄后備用于碳含量測定；

(6)土壤樣品取樣方法：用土鉆法，在取過地上生物量的樣方內(nèi)將樣方土壤表層的殘留物和雜質(zhì)清理干凈，然后用5cm直徑土鉆分0-5-10-20-30-50-70-100cm共7層依次取樣，裝進(jìn)自封袋帶回實驗室自然風(fēng)干，備用于碳含量測定；

(7)土壤容重取樣：土壤容重指的是單位容積原裝土壤(包括土粒及粒間孔隙)干土的質(zhì)量，通常以g/cm3表示。本實驗采用環(huán)刀法，挖出一個長寬高為1.5m×0.5m×1m(長×寬×深)的取樣坑，樣方土壤表面的植物殘留物和雜質(zhì)清理干凈，用環(huán)刀按照0-5-10-20-30-50-70-100cm的深度從上至下取樣，每層取5個重復(fù)。環(huán)刀規(guī)格為高度5cm，體積一般為100cm3。

2.2.3 室內(nèi)分析

2.2.3.1 樣品分析

測定植物及土壤樣品的碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法(GB7857-87)。

2.2.3.2 數(shù)據(jù)分析

(1)植物單位面積碳儲量：

根據(jù)室內(nèi)實驗獲得含碳量數(shù)據(jù)的和生物量，通過公式(3，4，5)計算出植物單位面積碳儲量(g/m2)的值。

AVC=Cag×Bag

(3)

AVC—地上部單位面積碳儲量，Cag—地上部分含碳量，Bag—地上部分生物量

UVC=Cug×Bug

(4)

UVC—地下部單位面積碳儲量，Cug—地下部分含碳量，Bug—地下部分生物量

TVC=AVC+UVC

(5)

TVC—植物總單位面積碳儲量

(2)土壤單位面積碳儲量：

根據(jù)室內(nèi)試驗獲得的土壤容重和含碳量數(shù)據(jù)，通過公式(6，7)計算出土壤單位面積碳儲量(g/m2)的值。

SOCi=Hi×Di×Ci

(6)

SOCi—i層土壤單位面積碳儲量，Hi—i層土層高度，Di—i層土壤容重，Ci—i層土壤含碳量

TSC=∑SOCi

(7)

TSC—土壤總單位面積碳儲量

數(shù)據(jù)分析用Excel2003和SAS9.0進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化基本統(tǒng)計分析以及單因素方差分析。

3 結(jié)果分析

3.1 不同利用方式對草地植物群落的影響

不同管理方式對鄂爾多斯典型草原群落的影響顯著，3種管理方式中全年禁牧使放牧、人類活動無法對植被造成干擾，因此全年禁牧草地群落特征指標(biāo)顯著優(yōu)于放牧草地(冷季放牧和全年放牧)群落特征指標(biāo)。具體表現(xiàn)為：蓋度：全年禁牧>全年放牧>冷季放牧(p<0.05)；高度為：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；物種總數(shù)表現(xiàn)為全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；總生物量排序為：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；全年放牧草地蓋度與地上生物量顯著高于冷季放牧草地(p<0.05)，但地下生物量反之(p<0.05)；3種管理方式下的全年放牧、冷季放牧、全年禁牧草地根冠比分別為11.63、23.8、18.1，不同管理方式下根冠比差異顯著(詳見表2)。

表2 不同利用方式對鄂爾多斯溫性典型草原群落的影響

3.2 不同利用方式對草地碳儲量的影響

3.2.1 不同利用方式對草地植被碳儲量的影響

不同管理方式對鄂爾多斯典型草原植被碳儲量的影響顯著。植被地上部分碳儲量、地下根系碳儲量和植被總碳儲量在3種管理方式中均呈顯著差異(p<0.05)，表現(xiàn)為：全年禁牧草地植被碳儲量最大，冷季放牧草地的次之，全年放牧草地的最小(詳見表3)。

表3 不同利用方式對鄂爾多斯溫性典型草原植被碳儲量的影響

3.2.2 不同利用方式對草地土壤碳儲量的影響

由表3分析，鄂爾多斯典型草原全年放牧、冷季放牧和全年禁牧3種利用方式下的土壤單位面積碳儲量分別為3668.3g/m2、3932.3g/m2、3149.4g/m2，冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但無顯著差異(p>0.05)。

表4 不同利用方式對鄂爾多斯溫性典型草原土壤碳儲量的影響

3.2.3 不同利用方式對草地植被-土壤總碳儲量的影響

本研究結(jié)果顯示，在全年放牧、冷季放牧、全年禁牧3種草地管理方式下，鄂爾多斯典型草原的植被-土壤總碳儲量分別為3701.1g/m2、4015.2g/m2、3268.6g/m2(詳見表5)，冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但無顯著差異(p>0.05)；3種管理方式下的土壤碳儲量均占植被-土壤總碳儲量的96%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被碳儲量。

表5 不同利用方式對鄂爾多斯溫性典型草原植被-土壤總碳儲量的影響

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 不同利用方式對植被群落的影響

草地植被變化是草地對放牧干擾最直接的響應(yīng)，放牧不僅可以直接改變草地植物的形態(tài)特征，而且還可以改變草地群落的組成、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力〔3〕。本研究結(jié)果顯示，鄂爾多斯溫性典型草原全年禁牧草地群落蓋度、高度、地上地下生物量及物種數(shù)顯著高于放牧草地的(冷季放牧和全年放牧)，放牧降低了草地植被蓋度、高度、生物量和物種多樣性等指標(biāo)。

根冠比是植物體光合作用產(chǎn)物分配的重要體現(xiàn)，被眾多陸地生態(tài)系統(tǒng)模型作為計算光合產(chǎn)物向植物地下部分分配的依據(jù)〔4〕。許多研究表明，植物在不同環(huán)境條件下的資源分配格局反映了植物生長對環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律和資源分配對策〔5-8〕，放牧能夠改變牧草各器官之間固有的物質(zhì)與能量分配模式〔9〕。本文中，3種利用方式下根冠比為冷季放牧>全年禁牧>全年放牧。全年放牧草地根冠比最低是由于家畜的采食踏，導(dǎo)致植物光合面積驟減，影響了植物的正常發(fā)育，供給地下根系的營養(yǎng)物質(zhì)減少，使得地下根量在整個生長季增加較少，即放牧過度造成地下生物量下降造成。這與黃德青等對祁連山北坡天然草地地下生物量研究結(jié)果一致〔10〕。而冷季放牧草地雖然牲畜采食和踐踏，導(dǎo)致其地上生物量受損，但冷季放牧草地較全年放牧草地，牲畜對草地的壓力較輕，地下生物量受放牧影響較少，故具有較高的群落根冠比。

4.1.2 不同利用方式對草地-土壤碳儲量的影響

草地為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，草地在全球碳循環(huán)中具有舉足輕重的作用。草地碳儲量占全球陸地總碳儲量25.6%，僅次于森林碳儲量〔11〕，草地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量是溫室氣體CO2的主要源與匯。然而草地生態(tài)系統(tǒng)碳積蓄和釋放過程極為復(fù)雜，草地碳儲量與溫度、濕度等諸多因素有關(guān)。當(dāng)草地利用和管理方式不同，導(dǎo)致植被覆蓋度、生物量等不同，土壤溫度及結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化，與之對應(yīng)的土壤CO2積蓄與釋放量產(chǎn)生變化，最終影響到土壤有機(jī)碳儲量的分布。

本研究結(jié)果顯示，在不同管理方式下鄂爾多斯溫性典型草原的植被碳儲量為全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(P<0.05)，而其土壤單位面積碳儲量在不同利用方式下：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但差異不大。放牧樣地的總碳儲量高于禁牧樣地，但放牧對土壤碳儲量的影響不顯著，這與Kellerd的研究結(jié)果一致〔12〕。

相關(guān)研究表明，土壤碳的輸入主要是通過植物的輸入，因此植物可以很大程度上影響土壤有機(jī)碳〔13〕。本文中在不同利用方式下植被碳儲量雖然表現(xiàn)為全年禁牧>冷季放牧>全年放牧，但土壤碳儲量卻變現(xiàn)為冷季放牧>全年放牧>全年禁牧的趨勢，出現(xiàn)該情況可能與下列原因有關(guān)：

(1)放牧草地生態(tài)系統(tǒng)中牲畜通過直接或間接影響土壤呼吸量，改變著草地土壤的碳儲量。踐踏影響草地土壤的物理結(jié)構(gòu)，如緊實度、滲透率等，降低土壤中CO2濃度的流通，導(dǎo)致土壤呼吸強(qiáng)度減弱；家畜的排泄改變了土壤表層的養(yǎng)份，土壤微生物和根系的代謝活動出現(xiàn)不同程度的改變，從而對土壤呼吸產(chǎn)生作用〔14〕。另外，土壤中的有機(jī)碳絕大部分是凋落物、植物根系等經(jīng)微生物分解形成，大小主要受枯枝落葉層輸入量和分解速率決定〔15〕。冷季放牧草地和全年放牧草地土壤結(jié)構(gòu)較緊密，不利于有機(jī)碳的分解，并且放牧草地家畜的踐踏有利于枯落物的物理破碎，并使凋落物和表層土壤更好地攪拌融合，有助于提高凋落物分解速率和碳周轉(zhuǎn)速率可能造成放牧草地土壤碳儲量大于禁牧草地土壤碳儲量的趨勢。

(2)相關(guān)研究表明，土壤碳儲量在不同退化階段各不相同，在輕度退化階段達(dá)到最大，之后隨退化程度加劇出現(xiàn)先增加后減小的趨勢〔13〕。本研究經(jīng)群落重要值分析發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯典型草原在不同利用方式下的退化程度結(jié)果為：全年放牧樣地的退化等級2.0，退化最嚴(yán)重，其次是冷季放牧3.0，全年禁牧樣地的退化等級為4.0。本研究中土壤單位面積碳儲量在不同利用方式下：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧。即放牧地土壤碳儲量高于禁牧地可能與草地退化程度有關(guān)。

表6 不同利用方式下的退化程度

4.2 結(jié)論

4.2.1 放牧導(dǎo)致鄂爾多斯典型草原植物群落高度、蓋度、生物量、物種數(shù)等的減少。2種放牧利用方式中冷季放牧雖然明顯減少草地地上生物量，但對地下生物量的影響較少。全年禁牧在提高草地群落高度、蓋度、生物量、物種數(shù)上具有明顯優(yōu)勢。

4.2.2 地上植物有機(jī)碳儲量對鄂爾多斯典型草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響相對較小，土壤和根系有機(jī)碳儲量占主導(dǎo)地位，對草原生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能有重要的作用。

4.2.3 放牧對鄂爾多斯典型草原植被碳儲量的影響顯著，但對土壤碳儲量和植被-土壤總碳儲量的影響不顯著。

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Q948.15

A

2095—5952(2016)04—0049—07

2016-08-20

蘇楞高娃(1982-)，女，蒙古族，碩士研究生，主要從事草地生態(tài)學(xué)工作。