3種高寒草甸土壤CO2通量及碳密度差異變化

魏巍　曹文俠　張小嬌

摘要：在祁連山東緣選擇珠芽蓼草甸（P）、針茅草地（S）、杜鵑灌叢草甸（R） 3種高寒草甸，利用LI8100A土壤CO2通量自動測定系統與室內分析相結合的研究方法，分析了土壤有機碳密度、碳通量的動態及其與環境因子的關系。結果表明：不同植被類型的土壤有機碳密度差異顯著，大小順序為R>S>P，隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低；土壤CO2 通量大小順序為S>P>R，樣地P、S呈單峰變化。峰值均出現于14∶00 ～ 15∶00；土壤CO2通量與近地面的空氣濕度、碳含量顯著負相關，與土壤溫度、近地大氣溫度顯著正相關，與土壤含水量無明顯相關性。

關鍵詞：高寒草甸；土壤呼吸；土壤有機碳；氣候因子；土壤溫度

CO2氣體引起的全球變暖已經成為當今世界亟待解決的環境問題。從1832年至今大氣中CO2含量提高了30%，造成大氣平均溫度上升0.7 ℃[1]。氣候的變化將對陸地生態系統結構與功能、動、植物生長繁殖與分布產生深遠的影響。應用可持續發展措施，應對氣候變化成為世界一個迫切而艱巨的任務。探究土壤的碳循環收支，是合理開發利用土地的重要前提[2]。土壤儲存著全球近2/3有機態碳[3-5]，而草原的陸地覆蓋面積為25%～50%，碳貯量高達7.61×1012 t[6]，由此可見，草原土壤對全球碳循環也有相當大的貢獻。高寒地區植被豐富，溫度較低，土壤有機質分解率低，由于長年累積，土壤碳儲量巨大。有研究顯示高寒草原1 m深度土壤碳儲量為7.4×109kg[7]。因此，對高寒草甸的研究更顯得刻不容緩。

土壤呼吸包括根系呼吸、微生物和動物、有機質的化學分解的過程，是陸地生態系統向大氣釋放CO2主要因素之一[8-10]。研究土壤CO2通量變化規律及影響因素，對探究氣候變暖的條件下，陸地生態系統碳循環有著極為重要意義。國內有關土壤CO2通量的研究長達30年，發表較多，但對高寒區土壤CO2通量的研究較少。為此，通過對東祁連山3種高寒草甸土壤CO2通量、碳密度及其關鍵影響因子的變化進行研究分析，揭示該區土壤呼吸的影響因素及對全球碳循環的作用，旨在為氣候變暖條件下高寒區碳交換的預測提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗區地處甘肅農業大學天祝高山草原試驗站，地理位置為N 37°11′，E 102°47′，平均海拔3 200 m，屬半干旱向干旱區過渡帶，是東亞季風到達的最遠端。地處亞洲大陸腹地，屬高原大陸性氣候，高海拔與長達9個月降雪期決定了其氣溫很低，年均溫0.1 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為18.3 ℃。每年5月下旬植物進入返青期，10上旬枯黃，生長季長達120～140 d?？諝庀鄬穸葹?1.4%，平均氣壓為6.97×105 Pa。草地土壤為亞高山草甸土，有機質含量豐富。但土層較薄顯微堿性。

受地形及光照時間的影響，陰陽坡植被分異明顯。陽坡以披堿草屬（Elymus）、針茅屬（Stipa）等為優勢植物，陰坡以嵩草（Kobresia spp.）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）等為優勢植物。而濕度較大的地區以灌木植被為主（表1）。

1.2 試驗設計

2012年8下旬，選擇3種高寒草甸為研究對象進行土壤CO2通量的測定。土壤碳通量采用自動測定系統LI8100A采集與儲存，要求測定必須在天氣晴朗、氣候條件穩定下進行。測定前一天在每個樣地類型中隨機選擇3個樣點，布設3個內徑20 cm、高10 cm測定環，安置測定環時清除環內植物及其掉落物。并采用LI8100A自帶的探頭進行表層土壤溫度與水分的同步測定。

日動態時間從8∶00～18∶00（由于夜間氣溫差異較小，土壤CO2通量變化不顯著，不予測定），每隔2 h測定1次，重復3次共需15 min，3次重復的平均值作為土壤CO2通量平均日動態。在測定土壤呼吸的同時，進行土壤樣品的采集。在3個類型草甸內隨機選取5點，用土鉆在每個樣點中10 cm 1層分4層取0～40 cm的土樣，5個重復混合裝袋，分別隨機取樣3次，挑除明顯的根系及石頭，并記錄石頭的重量，土樣帶回實驗室自然風干，研磨后過0.25 mm土壤篩，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法進行有機碳的測定。

1.3 數據處理

應用SPSS 16.0對所有數據進行統計分析，用單因素方差分析檢驗各樣點之間指標的顯著性。圖形采用Excel 2003軟件繪制完成。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型樣地土壤碳密度的變化

不同樣地碳密度有很大差異，珠芽蓼草甸（P）、針茅草地（S）和杜鵑灌叢草甸（R）碳密度分別為1.81～4.73、 3.51～5.10、5.04～6.09 kg/m2（表1）。相同深度碳密度的大小順序為R>S>P，3個樣地相同土層20～30和30～40 cm呈極顯著差異（P<0.01）。隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低，在P樣地中隨土層碳密度下降最大?？赡苡捎谠摌拥赝寥烙袡C質分解慢，只在根層累積。

2.2 不同植被類型樣地土壤CO2通量及其影響因子的變化

測試樣地土壤CO2通量的晝變化，P，S和R樣地分別為2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s），不同樣地土壤碳通量在相同測定時間差異顯著（P<0.01）。由于晝氣溫的變化較大，樣地P、S呈單峰變化，峰值均出現在14∶00～15∶00（圖1）。

3 討論與結論

氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件共同決定土壤碳密度的變化，由于生態地下過程的復雜性，其變化存在較大不確定性[11]。土壤碳儲量取決于植物凋零物和根系的供給與分解[12]。陶貞等[13]對高寒草甸研究表明，有機碳密度與土壤根系含量密切相關，并得出土壤有機碳含量是碳密度差異的主要原因。試驗結果顯示，不同植被類型草地碳密度存在顯著差異。究其緣由是草地植被類型、土壤條件決定的根系分解不同所致。常年溫度保持在較低的水平、有機碳分解緩慢是杜鵑灌叢草甸土壤有機碳高主要原因。下層土壤容重變大，及有機碳含量較小是下層土壤碳密度較低的主要決定因素。解憲麗等[11]對全國不同土壤估算顯示，高寒草甸100 cm土層碳密度為16.92 kg/m2 ，整體分析該區土壤碳密度大于解憲麗的估算結果。原因可能是高寒區植物通常有著較大的根莖比，其值為9.32 [14]，溫性草甸草原為5.26[15]，豐富的根量是土壤碳密度較高的條件之一。王建林等[16]對青藏高原草原碳密度的分布規律及影響因子分析表明，高寒草原植被碳密度受年均氣溫和年均降水量綜合影響。水分的作用大于氣溫，得出土壤碳密度與土壤含水率呈顯著相關，而與溫度沒有顯著相關性。

土壤CO2通量研究結果表明：針茅草地、珠芽蓼草甸土壤CO2通量表現出較大的日變化，呈單峰曲線，峰值均出現在14∶00～15∶00。這與朱清芳等[17]研究結果一致，而杜鵑灌叢草甸日變化保持相對穩定，主要是土壤溫度日變幅較小導致。在樣地和生態系統尺度上大量研究顯示土壤溫度與含水量是土壤CO2通量主要影響因子[18-21]，除土壤溫度、含水量以外，光照、氣溫、植被種類、地理位置等也影響著碳排放[22]。各種環境因子決定了土壤呼吸的閾值，過高或過低的環境因子都會制約土壤呼吸作用，且各種影響因子之間也存在相互作用、相互制約的關系。此次試驗中，土壤CO2通量與土壤碳密度、土壤溫度、大氣溫、濕度都存在顯著相關性。土壤溫度與大氣溫度、土壤含水量呈極顯著相關。綜上所述，不同類型草地土壤碳儲量、土壤呼吸有著很大差異，高寒草原的不合理的開發利用會導致土壤貧瘠化，大氣CO2含量的上升，其后果難以預測。

試驗結果表明：P，S和R樣地土壤CO2通量值分別為2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s）。不同樣地之間土壤CO2通量差異顯著，CO2通量與土壤溫度、碳含量及大氣溫、濕度有顯著相關性。

珠芽蓼草地（P）、針茅草地（S）和杜鵑灌草叢（R）碳密度分別為1.81～4.73，3.51～5.10和5.04～6.09 kg/m2，相同植被類型草地隨土壤深度的增加，土壤碳密度降低。

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