阿拉善荒漠區主要灌木林碳氮含量的變化分析

烏云娜,蒙仕康,張鳳杰,霍光偉,2,雒文濤,2

（1.大連民族學院生命科學學院,遼寧 大連 116605；

2.遼寧師范大學生命科學學院,遼寧大連 116029）

阿拉善荒漠區主要灌木林碳氮含量的變化分析

烏云娜1,蒙仕康1,張鳳杰1,霍光偉1,2,雒文濤1,2

（1.大連民族學院生命科學學院,遼寧 大連 116605；

2.遼寧師范大學生命科學學院,遼寧大連 116029）

生物因素是促進土壤發生發展的最活躍因素,而植物在長期的適應環境條件的過程對土壤的特性產生重要的影響。梭梭、白刺、鹽爪爪是典型的荒漠區地帶性植被,其生長狀況在維護區域生態平衡和促進國民經濟發展中起著重要作用。利用半微量凱式法與 TOC儀法對阿拉善吉蘭泰荒漠地區梭梭林地主要植物種群和土壤樣品的碳氮含量進行了測定,并結合土壤水分含量,分析了該地區植物 -土壤功能體碳 /氮值的變化規律。結果表明:（1）阿拉善地區土壤含水量較低,在 0.51%～0.77%間波動；（2）梭梭等植物的碳、氮質量分數分別在 9.1～11.4m g·kg-1、2.20～2.2 6m g·kg-1；（3）土壤的碳、氮質量分數分別在 0.47～3.31m g·kg-1、5.57～7.71m g·kg-1,二者的比值在 1.6～2.5。通過上述研究以期為荒漠生態系統的適應性管理提供理論依據。

阿拉善；荒漠區；梭梭林地；灌叢；碳氮比

阿拉善地處亞洲大陸腹地,位于內蒙古自治區的最西端,屬于典型的大陸性干旱氣候區,是中國荒漠區的代表性區域,也是東部沙塵現象的主要發生源區,在生態安全戰略中具有極其重要的地位。受地理位置、氣候等因素的制約,該區植物種類稀少,結構單調,主要以旱生、超旱生灌木和半灌木荒漠植被為主[1]。灌木不僅為人們提供燃料和家畜飼草,同時也是防風固沙的主要植物,是防治沙漠入侵的最后屏障,在荒漠化治理中具有重要作用[2]。灌叢植物大量的根系分泌物以及根部的脫落物,均可增加土壤中碳、氮的含量；土壤養分增加的同時,也為根部微生物提供了豐富的營養,進而影響灌叢周圍微環境,改善根部土壤狀況。碳和氮作為有機物的基本組成元素,在生態系統中構成龐大、復雜的碳循環和氮循環體系。在這一體系中,碳 /氮值是一個重要指標,被看作全球氣候變化和營養元素遷移過程中的基礎因子,也是生態演變和全球氣候變化研究領域廣泛考慮的重要因子[3-4]。植物的碳/氮值可以體現植物的營養利用效率,是植物生命過程的重要維持者和調節者,同時也是枯枝落葉分解速率的調節因素之一。若碳 /氮值很大,則在其礦化作用的最初階段,微生物的同化量會超過礦化作用所提供的有效氮量,可能使植物缺氮的現象更為嚴重；若碳 /氮值很小,則在其礦化作用之始就能供應給植物所需的有效氮量[5]。目前,碳 /氮值的研究逐漸成為荒漠化發生發展的重要領域。本文以阿拉善吉蘭泰荒漠區梭梭林地中的典型植物灌叢作為研究對象,通過加強對該區特有荒漠植物的研究與保護,揭示土壤和荒漠灌叢植被碳氮含量的變化關系,以期為荒漠生態系統的適應性管理提供科學依據。

1 研究區概況

研究區地理位置 97°10′～106°53′E,37°24′～42°47′N。該區植被分布隸屬于阿拉善荒漠植物省,是亞洲中部荒漠亞區最東部的一個植物地理區域。年均降水量為 40～150mm,年均蒸發量為3 000～4 500mm,遠大于降雨量,日照時數 3 100～3 500 h,年平均氣溫為 8.4℃,≥10℃的有效積溫大于 3 000℃,年平均風速為 3.1m·s-1。獨特的地理位置、地貌和氣候條件導致該區域的荒漠植被具有較小的蓋度、較少的植物種屬和簡單的群落結構。植被組成主要以旱生、超旱生灌木、鹽生灌木、半灌木、矮灌木和矮半灌木為主。建群種以梭梭 （Haloxylon ammodend）、白刺 （Nitraria tangutorum）、鹽爪爪 （Kalidium foliatum）灌木為主。土壤類型主要以灰漠土、灰棕漠土、石膏灰棕漠土為主。

2 研究方法

2.1 野外調查與樣品采集

選擇梭梭林地的代表性植物灌叢——梭梭、白刺、鹽爪爪灌叢作為研究對象,采集植物的地上部分。在上述植被調查的同時,挖制相應的土壤剖面,觀測和記錄土壤剖面形態特征,采用 100 mL環刀分層獲取土壤樣品。采用中山式土壤硬度計測定土壤硬度,重復 5次,取平均值。采用烘干法獲得土壤含水量。

2.2 樣品處理與測定

將土壤樣品自然風干后,剔除明顯草根,分別過 100目篩。植物樣品自然風干后,磨碎,過 80目篩。在以后的實驗過程中,為了提高數據可靠性,每層土樣及植物樣品各測定 3次,取其平均值。土壤有機碳與全氮分別采用重鉻酸鉀法和半微量凱氏定氮法測定,植物有機碳與全氮含量分別采用重鉻酸鉀法和 TOC儀法測定。

2.3 計算公式

總碳或總氮含量 （m g·kg-1）=（C×D）/0.2,式中,C為從 TOC測定儀所測定濃度 （m g·L-1）,D為稀釋倍數 （本實驗中為 25倍）。

3 結果與分析

3.1 不同灌叢土壤剖面形態特征的差異 （見表 1）

表1 土壤剖面的形態特征

從表 1看出,3種灌叢的土壤剖面形態表現出各自特點,梭梭、白刺、鹽爪爪灌叢在 0～10 cm、11～25 cm土壤層的土壤明顯偏干,26～40 cm、41～60 cm的土壤層的土壤表現出一定濕度。梭梭灌叢只在 41～60 cm土壤層上有少量根分布,其他土壤層上均未見根的分布；白刺和鹽爪爪灌叢的大量根系集中分布在 11～25 cm土壤層,其他土壤層未見根或有少量根分布。3種灌叢在0～25 cm土壤層的總體硬度高于 26～60 cm土壤層,與土壤干濕變化呈現一致趨勢,均在 11～25 cm土壤層硬度達到最大,其中鹽爪爪灌叢的各層土壤硬度明顯小于梭梭和白刺灌叢。

3.2 不同灌叢土壤水分的變化 （見表 2）

表2 不同灌叢土壤水分的變化

從表 2看出,土壤含水量表現為鹽爪爪灌叢＞白刺灌叢 ＞梭梭灌叢,這與它們的生理生物學特性密切相關。梭梭屬于強旱生～鹽生植物,喜生于輕度鹽漬化、地下水位較高的固定和半固定沙地上,根系發達。白刺為潛水旱生植物,是荒漠草原到荒漠地帶沙地上的重要建群植物之一,擁有龐大根系吸取土壤水分。白刺群落常呈現環狀分布,同鹽爪爪群落以及其他鹽生植物群落有規則地排成同心圓式的生態系列的格局。鹽爪爪為鹽生半灌木,喜潮濕疏松的鹽土,既能耐旱,耐寒,抗鹽堿,防風固沙,遏制土地沙化,改良土壤,恢復植被,又能使周邊沙化草原得到保護,在維護生態平衡上起著不可比擬的作用。

因此,在鹽爪爪密集生長的灌叢中,土壤含水量顯著高于梭梭灌叢和白刺灌叢,梭梭灌叢的耐旱性較高,對生境水分需求相對偏低,故梭梭灌叢土壤含水量最低,而白刺群落與鹽爪爪群落具有伴生特性,土壤含水量居中。

3.3 不同灌叢土壤碳氮含量的變化 （見表 3）

從表 3看出,梭梭灌叢、白刺灌叢的各層土壤全碳的含量均沒有顯著性的變化,鹽爪爪灌叢在表層 0～10 cm土壤層上的含量比較高,隨著土壤深度的增加全碳含量下降,在 26～40 cm層上下降明顯,3個灌叢的各土壤層間的變化不明顯,但在 41～60 cm土壤層上,鹽爪爪灌叢的全碳含量明顯增加,并且鹽爪爪灌叢土壤整體的全碳的含量高于梭梭灌叢和白刺灌叢。各灌叢中全氮含量出現最高的分別為:梭梭灌叢 26～40 cm土壤層、白刺灌叢 11～25 cm土壤層、鹽爪爪灌叢 0～10 cm土壤層；梭梭灌叢表層 0～10 cm土壤的全氮含量顯著低于白刺灌叢和鹽爪爪灌叢,且白刺灌叢 ＞鹽爪爪灌叢；鹽爪爪灌叢的 11～25 cm、26～40 cm、41～60 cm的全氮含量明顯比梭梭灌叢和白刺灌叢低。

表3 不同灌叢土壤全碳、全氮質量分數及碳 /氮值

由碳 /氮值來看,梭梭灌叢中 0～10 cm、11～25 cm土壤層的碳 /氮值高于 26～40 cm和 41～60 cm土壤層；白刺灌叢表層 0～10 cm土壤的碳 /氮值最高,其他土壤層均低于表層,且彼此之間變化不大；鹽爪爪灌叢隨著土壤深度增加,土壤的碳/氮值呈逐級遞增趨勢。

3.4 不同灌木植物碳氮含量的變化 （見表 4）

表4 不同植物的全碳、全氮質量分數及碳 /氮值

從表 4看出,植物的全碳量表現為梭梭 ＜鹽爪爪 ＜白刺,植物的全氮量呈現梭梭 ＜白刺 ＜鹽爪爪趨勢,植物的碳 /氮值則為鹽爪爪 ＜梭梭 ＜白刺。結合表 3可以得出,植物體內的營養變化與土壤中的碳氮分布存在一定差異性,植物體內碳/氮值的變化趨勢與土壤中的碳/氮值表現出相逆性,即植物體內碳 /氮值高,則土壤中碳 /氮值低,相反植物體內碳 /氮值低,而土壤中碳 /氮值相應較高。

4 結 語

不同灌叢對阿拉善地區土壤養分富集的程度不盡一致。土壤含水量在 0.51%～0.77%間波動,土壤濕度較低,梭梭、白刺及鹽爪爪的耐干旱脅迫的適應性機制使得這些植物能夠在極端干旱條件下正常生長。梭梭等優勢植物的碳、氮質量分數分別在 9.1～11.4m g·kg-1、2.20～2.26m g·kg-1,土壤的碳、氮質量分數分別在 0.47～3.31 m g·kg-1、5.57～7.71 m g·kg-1,二者的比值在1.6～2.5,土壤中對植物的營養供應和植物對氮素營養的吸收達到動態平衡。在該研究區自然條件下,耐干旱、耐瘠薄物種可以正常生長,而其他物種均不宜生長。

本項研究中植物體內的營養變化與土壤中的碳氮分布存在一定差異性,即土壤碳氮含量都很低,而梭梭等植物的碳 /氮值較大,表明在如此惡劣的生境下梭梭等灌叢植物依然可以正常生長,說明它們是很好的抗逆植物種群,不僅調節生態水分平衡,還可以起到防風固沙的重要作用。研究荒漠化植物與土壤的全碳、全氮及碳 /氮值對了解荒漠區植物與土壤的關系有著重要的作用,也有利于加強荒漠生態系統的保護,不僅關系到區域生態 -生活 -生產承載力,同時對周邊地區也會產生積極的影響。為了進一步了解和掌握荒漠生態系統中養分循環的規律,有關荒漠化區域的植物與土壤的全碳、全氮及碳 /氮值的時間與空間動態有待于進一步深入研究。

[1]杜芳紅.阿拉善地區生態環境問題及探討[J].內蒙古環境保護,2005,17（3）:4-9.

[2]郭丁 ,裴世芳.阿拉善荒漠草地幾種灌木對土壤有效態養分的影響[J].中國沙漠,2009,29（1）:321-345.

[3]周冬琴,朱艷,楊杰,等.基于冠層高光譜參數的水稻葉片碳氮比監測[J].農業工程學報,2009,25（3）:135-141.

[4]施潤和,牛錚,莊大方.利用高光譜數據估測植物葉片碳氮比的可行性研究[J].遙感技術與應用,2003,18（2）:76-80.

[5]周志宇.阿拉善不同密度白沙蒿人工種群生長、繁殖與土壤水分的關系[J].生態學報,2004,24（5）:895-899.

（責任編輯 鄒永紅）

Research on Carbon and Nitrogen Content of Ma in Shrub Community in Alashan Area,China Wuyunna1,MENG Shi-kang1,ZHANG Feng-jie1,

HUO Guang-wei1,2,LUO Wen-tao1,2
（1.College of Life Science,Dalian Nationalities University,Dalian,Liaoning 116600,China；2.College of Life Science,Liaoning Normal University,Dalian,Liaoning 116600,China）

Alashan was typical region of desertification land of China.The biological factor was the most active one to boost soil developing and the plant had an important impact on characteristic property of soil.Haloxylon ammodend,Nitraria tangutorum and Kalidium foliatum were typical desert plants.They played an important role on maintaining regional ecological balance and promoting economic development.The soil biomass Carbon and Nitrogen of main shrub in Jilantai of Alashan were measured by Semimicro Kjeldahl and TOC and the law of the C/N ratio of plants.The developed results were shown as follows:（1）Soil water content was low,fluctuated between 0.43m g and 0.6m g.（2）The content of biomass Carbon and Nitrogen of main shrubs was 9.1-11.4m g/kg、2.20-2.26m g/kg.（3）The content of soil biomass Carbon was0.47-3.31m g/kg.The content of soilbio mass Nitrogen was5.57-7.71m g/kg and C/N ratio was1.6-2.5.The study was in order to provide a theoretical basis for ecological rehabilitation and reconstruction of desertification land.

Alashan；desertification land；Haloxylon ammodend shrub comm unity；C/N ratio

X171.1 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0005-03

2010-11- 03；

2010-11-10

國家自然科學基金資助項目 （30870423）；國家 973資助項目 （2009CB421308）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（DC10050101）。

烏云娜 （1968-）,女,蒙古族,內蒙古通遼人,教授,博士,主要從事環境生態學研究。