科爾沁草地草地持續(xù)放牧和圍封恢復下土壤植物系統(tǒng)碳貯量的變化

科爾沁草地草地持續(xù)放牧和圍封恢復下土壤植物系統(tǒng)碳貯量的變化

放牧土地是地球生態(tài)系統(tǒng)土壤資源的重要組成部分，在碳循環(huán)和碳儲存中起著非常重要的作用。近年來，對牧場碳分布、碳儲量和牧場管理對碳循環(huán)及其生態(tài)過程的影響研究引起了土壤、環(huán)境、世界變化等研究領域的廣泛關注。由于牧場分布的普遍性和復雜性，關于牧場管理與碳儲存之間的關系沒有明確的定義，但根據(jù)最近的文獻，如果放牧對牧場生產(chǎn)力和植被覆蓋度沒有顯著影響，則可能不會導致土壤碳損失。在大多數(shù)情況下，由于放牧動物排水的輸入和碳交換率的提高，土壤碳的儲存會增加。然而，過度放牧會導致植被覆蓋和原始生產(chǎn)力的嚴重降低，這增加了侵蝕、采礦和碳輸入的損失，導致大量土壤碳損失，這一些會導致低地碳排放。沙地草地是中國北方干旱半干旱地區(qū)重要的土地資源,超過1.34×108hm2的沙地草地分布在北方的廣大地區(qū).由于沙地草地極其脆弱的環(huán)境特征,對人為干擾及氣候變化的反應敏感而維持自身穩(wěn)定的可塑性極小,在長期持續(xù)的過度放牧等因素作用下,其嚴重的退化/沙漠化已成為中國北方主要的生態(tài)環(huán)境問題,草地的沙漠化造成土壤碳的損失,也成為大氣CO2的源.位于中國北方半干旱地區(qū)的科爾沁沙地草地是長期過度放牧等引起環(huán)境惡化的一個典型區(qū)域.該區(qū)域持續(xù)放牧對草地生產(chǎn)力、植被、土壤以及周圍環(huán)境有極大的負面效應,是沙漠化發(fā)生發(fā)展的主要成因之一.目前,對退化沙地草地實行禁牧恢復是區(qū)域生態(tài)重建的一項重要舉措.研究沙地草地放牧和封育管理對碳截存的影響,以便深入了解草地土壤和大氣之間碳循環(huán)的生物學過程有重要的生態(tài)學意義,同時也有助于對退化生態(tài)系統(tǒng)恢復機制的理解.1學習方法1.1碳的排封恢復研究地點位于科爾沁沙地中南部內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗境內(nèi)(N42°55′,E120°42′),本區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候,年均溫6.4℃,年均降水量364.6mm,主要集中在6、7、8的3個月.年均蒸發(fā)量1972.8mm.年平均風速3.5m·s-1,大風日數(shù)20~60d.退化沙地草地的地表類型均為沙基質(zhì),土壤類型為風沙土,疏松的結(jié)構(gòu)極易遭受風蝕.研究樣地為典型的退化沙地草場,地表特征平緩開闊,在1992年開始作為中國科學院奈曼沙漠化研究站的放牧觀測場,進行了圍封處理.在圍封前由于長期放牧已發(fā)生輕度到中度的沙漠化,但植被類型,地表和土壤環(huán)境特征均一,植被以禾本科類和非禾本科草類為主,主要植物種有狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)、黃蒿(Artemisiascoparia)、扁蓿豆(Mellissitusruthenicus)、胡枝子(Lespedezadavurica)白草(Pennisetumcentrasiaticum)、蘆葦(Phragmitescommunis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)等一年生和多年生草本,以及少量的灌木和半灌木如小葉錦雞兒(Caragadamicrophylla)、冷蒿(Artemisiafrigida)等..在本項研究中,以圍封恢復時間為梯度,選擇3個類型取樣分析碳的分布和儲量:①圍封恢復10年的沙地草地(10EX);②圍封恢復5年的沙地草地(5EX);③持續(xù)放牧的沙地草地(CG).1.2樣方的分離、土壤理化性質(zhì)的測定在每個類型的樣地上,設置2條長150m相互平行的樣線,樣線間隔15m.沿每條樣線間隔10m設置15個1m2的樣方.在2002年8月上旬,在調(diào)查植被蓋度、種類組成、立枯和地表凋落物厚度后,分別剪下活體植株和立枯,并收集地表凋落物.在收獲后的樣方中,用土鉆取0~15cm深度土柱(直徑7.5cm)2個,帶回室內(nèi)過2mm篩,分離出的植物殘體用水篩洗后區(qū)分出活根和混入土壤的枯落物(含死根和無法區(qū)分的根毛),地上和地下部各組分在60℃下烘干,稱重.相鄰3個樣方的每一組分剪碎混勻后取部分研磨過0.1mm篩,以備碳的測定.每一樣方中的土壤風干后過0.1mm篩備用.另外在每個樣方中取環(huán)刀樣測定土壤容重.土壤和植物組分中有機碳的測定用重鉻酸鉀、硫酸氧化-外加熱法.2結(jié)果與分析2.1.2優(yōu)勢種.持續(xù)放牧對沙地草地最明顯也是最直接的影響是家畜啃食和踐踏后草層高度和地表蓋度降低、裸地率增加.持續(xù)放牧的草地地表蓋度僅為34.6%,圍封后,隨著枯落物的積累,裸地率降低,圍封恢復5年和10年,裸地率較持續(xù)放牧草地分別下降了2倍和3.4倍(表1).地表覆蓋隨恢復時間的增加,使風蝕作用降低,對土壤及其周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯的保護作用.圍封后,植物的種類組成發(fā)生了明顯的變化.在持續(xù)放牧下,黃蒿(Artemisiascoparia)和豬毛菜(Salsolacollina)成為明顯的優(yōu)勢種;在禁牧5年的恢復區(qū),主要的種有黃蒿,豬毛菜,胡枝子(Lespsdezadavurica)和狗尾草(Setarriaviridis)等,但優(yōu)勢種不明顯而斑塊狀分布特征明顯;在禁牧10年的恢復區(qū),黃蒿和蘆葦(Phragmithescommunis)占優(yōu)勢,伴生有多年生的糙隱子草(Cleisogenessquarrosa)和狗尾草,畫眉草(Echinopsgmelinii)和虎尾草(Chlorisvirgata)等一年生禾本科草類及豬毛菜和灰綠藜(Chenopodiumglaucum)等雜草.放牧和圍封也顯著影響著表層土壤的堅實度和容重.表2結(jié)果表明,盡管由于均一的沙質(zhì)結(jié)構(gòu),土壤容重值的變化在一個相對較窄的范圍(1.39~1.58g·cm-3),但各處理之間有顯著的差異.放牧區(qū)顯著高于5年恢復區(qū)和10年恢復區(qū).土壤容重的增加是草地生態(tài)系統(tǒng)退化的早期預警指標,因為容重的變化會進一步導致土壤水分入滲和保持,孔隙分布等影響植物生長的其它土壤性狀的改變.持續(xù)放牧下,由于放牧家畜踐踏,土壤的結(jié)持能力和抗風蝕能力減弱,沙化程度的增加,地下生物量減少是容重增加的主要原因.2.2植物系統(tǒng)組分碳含量的變化放牧和圍封顯著影響著沙質(zhì)草地地上和地下部生物量及枯枝落葉的積累.圖1的結(jié)果表明,混入土壤的凋落物量,放牧區(qū)略高于5年恢復區(qū),根系生物量、地上生物量現(xiàn)存量和立枯,持續(xù)放牧區(qū)低于5年恢復區(qū),統(tǒng)計分析無顯著性差異,但顯著低于10年恢復區(qū);積累的地表凋落物量,持續(xù)放牧區(qū)明顯低于5年恢復區(qū)和10年恢復區(qū).從總量分析,地上部現(xiàn)存量和枯落物總量放牧區(qū)僅為106.8g·m-2,5年恢復區(qū)增加了82.5%,10年恢復區(qū)增加了3.2倍;地下部總量10年恢復區(qū)顯著高于5年恢復區(qū)和放牧區(qū).地上和地下部生物量總量隨恢復時間的增加而顯著增加,10年恢復區(qū)(892.9g·m-2)和5年恢復區(qū)(394.7g·m-2)分別較放牧區(qū)增加300%和30.8%.植物系統(tǒng)各組分中碳的含量呈現(xiàn)不同的變化趨勢(表2).3個樣地之間立枯碳含量無明顯差異,地上部活體植株碳含量10年恢復區(qū)明顯低于5年恢復區(qū)和放牧區(qū),放牧區(qū)根系中也有明顯高的碳含量;但積累的地表凋落物和混入土壤的凋落物碳含量放牧區(qū)明顯低于恢復區(qū);特別是混入土壤的凋落物碳含量放牧區(qū)僅為恢復區(qū)的41.2%~44.6%.植物系統(tǒng)各組分中碳的貯量(g·m-2)與其生物量有相同的變化模式(圖2).在10年恢復區(qū)植物系統(tǒng)固存的碳平均為309g·m-2,其中地上部分134g·m-2,地下部分175g·m-2,分別比5年恢復區(qū)(總量:146g·m-2,地上:81g·m-2,地下:65g·m-2)和持續(xù)放牧區(qū)(總量:95g·m-2,地上:53g·m-2,地下:42g·m-2)增加2.1和3.3倍.5年恢復區(qū)和持續(xù)放牧區(qū)地下部分貯存的碳無顯著差異.2.3材料貯量的時空變化表層土壤(0~15cm)有機碳的含量隨恢復時間而增加(表2),10年恢復區(qū)和放牧區(qū)有顯著的差異(p=0.01),但5年恢復區(qū)和放牧區(qū)之間(p=0.114)以及5年恢復區(qū)和10年恢復區(qū)之間(p=0.072)并無顯著的統(tǒng)計學差異.5年恢復區(qū)和放牧區(qū)土壤有機碳含量有較高的空間變異性.0~15cm深度土壤有機碳的貯量(g·m-2)與其含量有相同的變化趨勢,只是由于容重的變化而縮小了各處理之間的差異(圖2).10年恢復區(qū)土壤有機碳貯量(584g·m-2)比5年恢復區(qū)(524g·m-2)和持續(xù)放牧區(qū)(493g·m-2)增加了11.5%和18.5%.3圍封對土壤-植物系統(tǒng)碳的的影響持續(xù)放牧對沙質(zhì)草地植被,土壤及周圍環(huán)境有極大的負面效應.持續(xù)放牧下草層高度的降低加速了風蝕,裸地率的顯著增加使表層土壤直接暴露于強烈的風蝕下,而土壤的風蝕又反饋于草地的初級生產(chǎn)力和凋落物的積累,導致草地生態(tài)系統(tǒng)的退化.在持續(xù)放牧下,家畜的采食不僅顯著降低了初級生產(chǎn)固定的碳和積累的凋落物碳,也顯著增加了凋落物的分解速率,進而影響有機質(zhì)的存量和碳動態(tài).家畜的踐踏有利于枯落物的物理破碎以及凋落物和表層土壤更好地融合,以及凋落物的分解和碳的周轉(zhuǎn).因而在放牧區(qū),地表凋落物和混入土壤的凋落物有相對較低的碳含量.放牧對沙質(zhì)草地土壤有機碳貯量的影響,一方面由于凋落物積累和輸入的顯著降低;另一方面由于植被破壞加速的土壤風蝕使大量的有機碳隨表層細顆粒的吹蝕而損失,因為草地系統(tǒng)中大部分有機碳集中分布在表層土壤中很易遭受風蝕的損失和再分布.禁牧圍封使植被得以恢復,凋落物的積累使地表蓋度增加,有效地保護土壤免遭風蝕的損失,也顯著作用于大氣碳的截存.從不同樣地土壤-植物系統(tǒng)碳貯量的差異分析,圍封10年的沙地草地,碳的截存量為30.5g·(m2·a)-1,而圍封5年的沙地草地,碳的截存量只有16.6g·(m2·a)-1,這主要是由于圍封5年的沙地草地較10年前圍封的沙地草地放牧導致的沙漠化更為嚴重,加之近幾年連續(xù)的干旱導致植被恢復較慢.從碳的分布分析,0~15cm表層土壤中分布的碳占土壤-植物系統(tǒng)碳的比例10年恢復區(qū)(65.3%)<5年恢復區(qū)(78.2%)<持續(xù)放牧區(qū)(83.9%).這表明,圍封導致了初級生產(chǎn)固定的碳和積累的凋落物碳的顯著增加,而土壤碳的積累相對很慢.圍封后土壤有機碳的增加,一方面是降低了風蝕的損失,以及植被對降塵和風吹蝕細粒組分的截獲;另一方面是凋落物碳輸入的增加.另外,植物種類組成的變化也影響土壤碳的截存,隨著圍封時間的增加,一年生和多年生的禾本科草類相應增加,禾本科草類具有更為致密的根系,能更好的誘導土壤有機質(zhì)的形成和積累.結(jié)果也表明,圍封后盡管有大量凋落物碳的輸入,但排除家畜放牧的長期圍封使植物碳向土壤碳的再循環(huán)受到限制,截存的大部分碳只是以凋落物的形式積存在土壤表面,對土壤有機碳庫恢復的貢獻相對較小.隨著圍封時間的增加,凋落物在地表的積累也影響土壤溫度和土壤水分,進而影響植物殘體和凋落物的分解速率,因此影響到碳和養(yǎng)分的循環(huán).因此,從系統(tǒng)中養(yǎng)分的生物化學循環(huán)和恢復生態(tài)學的角度出發(fā),對已退化的沙地草地應進一步研究無牧圍封恢復的時間尺度,實行合適的圍封輪牧體系可能更利于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復和維持.本項研究的結(jié)果也表明,10年恢復區(qū)和放牧區(qū)之間土壤,植物系統(tǒng)各組分碳有顯著差異,但5年恢復區(qū)和放牧區(qū)之間,土壤碳和地下部分碳并無顯著的統(tǒng)計學差異;同時,10年恢復區(qū)生物量以及植物系統(tǒng)固存的碳顯著高于5年恢復區(qū).這一方面是由于放牧導致的沙漠化使土壤生產(chǎn)力和土壤性狀產(chǎn)生高度的空間變異性,特別是持續(xù)放牧導致的風蝕坑和風蝕裸斑地,植被的自然恢復需要較長的時間;另一方面由于近年來持續(xù)的干旱導致退化沙地草地植被恢復很慢.因此碳截存潛力的大小也強烈的受到降雨分布的