三江源區不同退化高寒草甸土壤碳分布特征研究
2015-03-20 13:34:08劉育紅魏衛東溫小成李積蘭
湖北農業科學 2015年2期
劉育紅+魏衛東+溫小成+李積蘭
摘要：在青海省三江源區選擇了甘德縣青珍鄉高寒草甸典型樣區，劃分了5種不同退化程度的樣地（原生植被UD、輕度退化LD、中度退化MD、重度退化HD、極度退化ED），10 cm等深度采集表土（0～30 cm）土壤樣品，分析土壤總碳、有機碳和無機碳含量變化。結果表明，研究區內高寒草甸土壤的表土總碳和有機碳含量出現極大的變異性，隨退化程度的加劇而呈顯著下降，有機碳含量的下降幅度更大。與原生植被相比，輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化樣地0-30 cm 土壤總碳含量分別平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%，土壤有機碳含量分別平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%，隨土層的加深和退化程度的加劇，無機碳的含量在迅速地增加。總的來看，表層土壤碳含量在生態系統退化情況下的變化最劇烈。隨退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機碳含量下降迅速，占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，有機碳損失嚴重。
關鍵詞：三江源區;高寒草甸;生態系統退化;土壤碳
中圖分類號：S812.2;S153.6 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0308-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.014
Distribution Characteristics of Soil Carbon on Different Degraded Degree Alpine Meadow in the Source Area of Three Major Rivers in China
LIU Yu-hong，WEI Wei-dong，WEN Xiao-cheng，LI Ji-lan
（College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining 810016， China）
Abstract： Typical areas of alpine meadow in the source area of the Yellow River， Yangtze River and Lancangjiang River at Qingzhen village， Gande county， Qinghai Province， China were selected. 5 different types of degraded degree sampling plots including undegradation， light degradation， moderate degradation， heavy degradation， extreme degradation were identified. Topsoil （0～30 cm） samples were collected using 10 cm depth interval sampling with a soil auger. Variation of soil total carbon， organic carbon and inorganic carbon contents were analyzed. Results showed that variable contents of soil total carbon and organic carbon were dramatically decreased with aggravation of degradation. Decline in content of organic carbon was more intense. Compared to primary vegetation， content of soil total carbon in topsoil was declined by 7.4%， 12.2%， 16.1% and 17.1% under slightly declined， moderately declined， seriously declined and severely declined degree， respectively. Content of soil organic carbon was declined by 21.7%， 39.7%， 67.4% and 79.6%. Content of soil inorganic carbon was increased with deepening of soil layer and aggravation of degradation. The change of content of topsoil carbon was dramatical in ecosystem degradation. The content of organic carbon in alpine meadow soil decreased rapidly with aggravation of degradation. Proportion of soil organic carbon in total carbon reduced from 87.2% to 11.6%， indicating that content of soil organic carbon losed severely.
Key words： source area of three major rivers of China; alpine meadow; ecosystem degradation; soil carbonendprint
土壤是陸地生態系統中碳存在的主要場所[1]，生態系統退化導致我國土壤碳庫的損失達3.5 Pg[2，3]，土壤碳庫功能快速喪失十分嚴重，成為我國生態系統穩定性與應對氣候變化的嚴峻挑戰。在陸地生態系統中，草地分布面積廣，在全球陸地碳循環中發揮著極為重要的作用[4]，草地碳儲量約占陸地生態系統總碳儲量的15%[5]，其中約92%的碳儲存在土壤中[6]。因此，研究陸地生態系統土壤碳的變化特點對于了解生態系統變化的土壤碳庫效應及其對大氣溫室效應的影響具有重要科學價值。
三江源區地處青藏高原，氣候嚴酷，地勢高峻，自然條件惡劣。近幾十年來，三江源區氣候變化總體上呈現氣溫升高、降水減少、蒸發量增大的暖干化趨勢，導致湖泊萎縮、冰川退縮、草地退化、土壤流失。這一現狀產生的嚴峻后果之一即高寒草地碳匯能力下降，碳匯儲量減少，從而加大了溫室氣體的排放壓力。據文獻資料報道，全球約有1 500 Gt碳以有機質形態儲存于地球土壤中[7]，而青藏高原草地有機碳量達到3.35×1010 t，占全國土壤有機碳總量的23.44%，其中以高寒草甸土壤和高寒草原土壤有機碳積累量為主[8-10]。目前針對退化高寒草甸生態系統中土壤碳的分布特征及相互關系等的研究報道較少，本研究在對青海省三江源典型高寒草甸退化樣區生態系統土壤碳的調查基礎上，分析不同退化生態系統土壤碳的變化，為闡明生態系統退化對高寒草甸土壤碳庫穩定性及其氣候變化效應提供科學依據。
1 ?材料與方法
1.1 ?研究區自然地理概況
研究樣地位于青海省三江源核心區的果洛州甘德縣青珍鄉，樣地基本情況見表1，海拔4 025 m，東經100°12′18″，北緯34°08′54″。甘德縣為高原大陸性半濕潤氣候[11]，無四季而只有冷季、暖季之分，冷季長達9個多月;年均溫度-2 ℃，年均降水量520 mm，太陽輻射強，年日照時數2 313～2 607 h，牧草生長季150 d，無絕對無霜期;土壤類型為高寒草甸土（中國土壤發生分類制）[12]、濕潤均腐土（中國土壤系統分類）[13]、寒冷軟土（Cryoborolls 或 Halpoborolls，美國土壤系統分類制）[14]，土層薄、質地差、易侵蝕。研究樣地屬于高寒嵩草草甸，草地植物主要有高山嵩草（Kobresia pygmaea）、羊茅（Festuca ovina）、早熟禾（Poa sp.）、苔草（Carex sp.）、高山紫菀（Aster alpina）、高山唐松草（Thalictrum alpinum）、黃帚槖吾（Ligularia virgaurea）、兔耳草（Lagotisbrachystachya）、青藏棱子芹（Pleurospermum pulszkyi）、露蕊烏頭（Aconitum gymnandrum）等。
1.2 ?不同退化程度樣地選擇
按照文獻[15]的方法對試驗樣地高寒草地植物群落及退化狀況進行調查，結合地表及水土流失狀況、鼠害危害程度等指標綜合判斷將試驗樣地劃分為未退化（Undegradation，UD）、輕度退化（Light Degradation，LD）、中度退化（Moderate Degradation，MD）、重度退化（Heavy Degradation，HD）、極度退化（Extreme Degradation，ED）共5種退化程度（表1）。土壤采樣于2012年7月進行。
1.3 ?植物、土壤采樣與樣品分析
按“收割樣方法”[16]采集植物地上部分生物量。在樣地內按照不同退化程度分別隨機設置10個1 m2的觀測樣方，進行植物群落的測定，主要包括植被覆蓋度、地上生物量等。土壤樣品采用剖面法分層采集，自上而下用移除法分別采集0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm這3 個深度的土樣，樣品盛于塑料自封袋，運回實驗室。揀去植物殘根和石礫等，自然風干后，磨碎過2 mm篩，土壤總碳采用EA4000元素分析儀測定。土樣過0.15 mm篩后采用外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法進行土壤有機碳測定[17]，土壤無機碳含量為總碳含量減去有機碳含量。采集土樣的同時，分土層利用水分測定儀測定土壤水分含量，并測定土壤溫度等。
1.4 ?數據整理與統計分析
對地上生物量及土壤總碳、有機碳和無機碳含量進行分析統計，所有測定在Excel 2003上處理，對不同退化程度和不同土層間的差異采用SPSS 19.0軟件統計分析。
2 ?結果與分析
2.1 ?同一土層不同退化程度高寒草甸土壤總碳、有機碳和無機碳含量
土壤總碳含量包括無機碳和有機碳含量。由表2可見，青珍樣地5種退化程度下各層土壤總碳含量均隨退化程度的加劇呈下降的趨勢，即UD>LD>MD>HD>ED。10-20 cm和20-30 cm土層土壤總碳含量不同退化程度間均差異不顯著（P>0.05），而0-10 cm土層土壤總碳含量UD與其余四種退化梯度間均差異極顯著（P<0.01），LD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05）。總的來看，0-30 cm土層土壤總碳含量各退化程度間均未達到差異極顯著（P>0.01），但UD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05）。結果表明，表層土壤總碳含量在生態系統退化下的變化最劇烈。不同退化程度高寒草甸土壤總碳主要分布在0-10 cm土層，且明顯高于其他土層。與UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤總碳含量分別平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%。0-10 cm土層總碳含量分別降低了16.3%、24.7%、28.8%和30.7%，10-20 cm土層分別降低了0.6%、4.1%、7.7%和8.5%，而20-30 cm土層分別降低了2.1%、3.0%、6.9%和9.0%。因此，退化下表層土壤總碳含量的下降速度大于深層土壤，說明生態系統退化對表層土壤的影響更為劇烈，降低了土壤碳庫。結合研究樣地植被群落構成看，高寒草甸草地以莎草科嵩草屬植物為主，隨著退化的加劇，植物優勢種逐漸由禾草過渡演替為以雜類草為主，植被覆蓋度降低又引起地表水蝕風蝕，進一步加劇了土壤的退化，嚴重影響了高寒草甸土壤總碳的含量。因此，三江源區高寒草甸濕地的保護對于穩定陸地生態系統碳庫功能極其重要。endprint
土壤有機質中碳元素含量即為土壤有機碳。由表3可見，5種退化程度下土壤各層有機碳含量均隨退化程度的加劇呈下降的趨勢，即UD>LD>MD>HD>ED。并且，除了0-10 cm土層HD與ED間土壤有機碳含量差異顯著（P<0.05）外，其余各土層包括0-30 cm土層的不同退化程度間均差異極顯著（P<0.01），表層土壤有機碳含量在生態系統退化下的變化最劇烈。不同退化程度高寒草甸土壤有機碳主要分布在0-10 cm土層，且明顯高于其他土層，與UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤有機碳含量分別平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%。0-10 cm土層有機碳含量分別降低了26.3%、44.4%、77.1%和85.7%，10-20 cm土層分別降低了19.0%、41.5%、65.1%和75.2%，而20-30 cm土層分別降低了7.8%、15.4%、30.5%和62.1%。因此，退化下表層土壤有機碳含量的下降幅度大于深層土壤，說明生態系統退化對表層土壤的影響更為劇烈，強烈地降低了土壤碳庫。在高寒草甸草地，隨著退化程度的加劇，土壤碳含量呈下降的變化趨勢。土壤總碳含量由未退化時的52.06 g/kg 降低到極度退化時的42.86 g/kg，土壤有機碳含量由未退化時的31.55 g/kg 降低到極度退化時的6.45 g/kg。由于引起高寒草地退化的重要因素之一是過度放牧，因此，放牧強度超過高寒草地承載能力后，引起植被和土壤的退化，導致輸入土壤的有機質減少，這一結果與李凌浩等[16]、王啟蘭等[18]的研究結果一致，即隨著放牧壓力的增大，土壤有機碳積累顯著降低。
土壤無機碳主要指土壤風化成土過程中形成的發生性碳酸鹽礦物態碳，是半濕潤到干旱地區土壤的一個重要組成部分[19]，就量而言，土壤無機碳以CaCO3為主[20]。由表4可見，5種退化梯度下各層土壤無機碳含量均隨退化程度的加劇呈上升的趨勢，即UD
2.2 ?同一退化程度不同土層高寒草甸土壤總碳、有機碳和無機碳含量
由圖1可見，同一退化程度不同土層間土壤總碳含量均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的變化趨勢，除了UD土壤的0-10 cm土層分別與10-20 cm和20-30 cm土層差異顯著（P<0.05）外，其余各退化程度不同土層間均無顯著差異（P>0.05）;同一退化程度不同土層間土壤有機碳含量也均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的變化趨勢，并且各退化程度不同土層間均差異顯著（P<0.05）;同一退化程度不同土層間土壤無機碳含量均呈0-10 cm<10-20 cm<20-30 cm的變化趨勢。一般情況下，近表層土壤具有相對脫鈣現象，隨著土層的加深無機碳含量增加，至一定深度再下降[21]，UD土壤的各土層間均差異顯著（P<0.05），LD和MD土壤的0-10 cm土層分別與10-20 cm和20-30 cm土層的無機碳含量差異顯著（P<0.05），其余各退化程度不同土層間均無顯著差異（P>0.05）。結果表明，隨著退化程度的加劇，表層土壤總碳、有機碳含量下降速度以及無機碳含量增加速度比深層土壤要快。這是因為在高寒草甸惡劣環境條件下，土壤表層更易受到草甸退化導致的土層變薄、理化性狀惡化、有機物來源減少、土壤侵蝕等的不利影響，使表層土壤的總碳和有機碳含量隨退化程度的加劇而顯著下降。另外，以嵩草屬植物為建群種的高寒草甸草地，植物根系密集分布在0-10 cm土層，因此，草地退化使得0-10 cm土層較10-20 cm土層和20-30 cm土層地下生物量減少得更為顯著，根際環境變化也更為明顯，從而導致在不同深度土層引起的土壤總碳和有機碳含量的下降速度不同，且隨著退化程度的加劇，表層土壤總碳和有機碳含量的下降速度更快（表2、表3），而當草地退化發生后，該土層土壤有機碳含量快速下降，進一步惡化了土壤養分供應，加劇了草地退化。
2.3 ?不同土層不同退化程度高寒草甸土壤總碳、有機碳和無機碳含量
土壤碳庫包括土壤有機碳庫和土壤無機碳庫，前者是濕潤、半濕潤地區碳庫的主要形式，而后者是干旱、半干旱地區土壤碳庫的主要形式，土壤無機碳庫一般比土壤有機碳庫大2～5倍[22]。土壤無機碳與土壤有機碳密切相關[19]，體現在有機碳分解釋放的 CO2與水作用后形成碳酸，碳酸與鈣、鎂離子結合為土壤碳酸鹽。青珍樣地不同退化程度不同土層的土壤中無機碳和有機碳占總碳的比例見表5。表5顯示隨土層的加深和退化程度的加劇，無機碳的含量都在迅速的增加，無機碳含量占總碳含量的比例變化由12.8%增加到88.4%，其中0-10 cm土層由12.8%增加到82.0%，10-20 cm土層由43.3%增加到84.6%，20-30 cm土層由72.2%增加到88.4%，說明無機碳主要分布在土壤的深層，并隨退化而加劇。同時，隨土層的加深和退化程度的加劇，有機碳的含量都在迅速地減少，有機碳含量占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，其中0-10 cm土層由87.2%減少到18.0%，10-20 cm土層由56.7%減少到15.4%，20-30 cm土層由27.8%減少到11.6%，說明有機碳主要分布在土壤的表層，并隨土壤退化而加劇減少。但總的來看，土壤總碳的含量隨土層的加深和退化程度的加劇而減少。
3 ?結論
本研究表明，青珍鄉高寒草甸生態系統發生了不同程度的退化，高寒草甸植物群落優勢種呈嵩草—禾草—雜類草的逆向演替。隨退化程度的加劇，土壤各層總碳和有機碳含量均呈下降的趨勢，即UD>LD>MD>HD>ED，土壤總碳含量由未退化時的52.06 g/kg 降低到極度退化時的42.86 g/kg，土壤有機碳含量由未退化時的31.55 g/kg 降低到極度退化時的6.45 g/kg;0-30 cm土層土壤總碳含量在各退化程度間均未達到差異極顯著（P>0.01），但UD分別與HD和ED間差異顯著（P<0.05），0-30 cm土層土壤有機碳含量在各退化程度間均差異極顯著（P<0.01），0-30 cm土層土壤無機碳含量在各退化程度間比較可知ED與UD和LD間差異極顯著（P<0.01），HD與UD間差異極顯著（P<0.01），HD與LD間差異顯著（P<0.05）;隨土層的加深，土壤總碳和有機碳的含量也在迅速下降，尤其是0-10 cm土層下降得最快?？偟膩砜?，表層土壤碳含量在生態系統退化下的變化最劇烈。隨退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機碳含量迅速下降，占總碳含量的比例由87.2%減少到11.6%，有機碳損失嚴重。
高寒草地在氣候變化等自然因素和超載過牧等人為因素的共同擾動下，出現草地植物群落逆向演替和土壤退化現象，嚴重破壞了脆弱的高寒草地生態環境，并且其退化一旦出現，恢復與重建將是一個漫長的過程。因此，深入研究該區退化草甸土壤碳的分布變化規律，對人工調控與促進草地群落的正向演替，加快退化高寒草地的生態恢復與重建具有重要作用。
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