內(nèi)蒙古錫林郭勒草原植物碳含量及熱值的相關(guān)性

內(nèi)蒙古錫林郭勒草原植物碳含量及熱值的相關(guān)性

草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)分布廣泛的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，占生態(tài)系統(tǒng)總面積的16.4%。廣闊的分布范圍在很大程度上保證了草地在全球碳交換和平衡中的重要作用。掌握草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律對陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)的研究都具有重要的意義。植物碳含量是植物碳貯量的一種度量,反映綠色植物在光合作用中固定貯存碳元素的能力,任何一類有機(jī)質(zhì)均由碳元素構(gòu)成骨架,碳元素含量是反映物質(zhì)組分的一個(gè)綜合指標(biāo)。目前,學(xué)術(shù)界對植被碳含量的研究主要集中在與全球變化密切相關(guān)的碳儲量以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面,以及森林生態(tài)系統(tǒng)貯碳量的研究,如范月君等研究了氣候變暖對草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響,任繼周等采用綜合順序分類法(CSCS)分析了1950-2000年和2001-2050年期間的草原類型演替及碳匯動(dòng)態(tài)。國外大多研究熱帶雨林及暖溫帶森林植物,國內(nèi)大多數(shù)研究集中在亞熱帶及暖溫帶森林植物,但是此類研究大多與土壤有機(jī)碳含量有關(guān),較少涉及植物地上部分的碳含量。由于全球草地生態(tài)系統(tǒng)中約80%的生物量碳儲存在地下,因此對草地生態(tài)系統(tǒng)地上植被碳含量的研究相對較少,迄今只有少數(shù)研究如王俊明和張興昌研究了退耕草地演替過程中的碳儲量變化,發(fā)現(xiàn)地上部分生物碳儲量呈階梯式上升趨勢,而對基于不同分類群的碳含量研究尚未見報(bào)道。熱值是指單位重量干物質(zhì)在完全燃燒后所釋放出來的熱量值,是植物能量代謝水平的一種度量,反映綠色植物在光合作用中轉(zhuǎn)化日光能的能力,是植物綜合生長狀態(tài)的一種體現(xiàn)。植物碳含量和熱值的相關(guān)性研究,國內(nèi)學(xué)者主要對喬木做了相應(yīng)研究,如江麗媛等在研究6個(gè)樹齡栓皮櫟(Quercusvariabilis)時(shí)發(fā)現(xiàn),整體上植物熱值與碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系;鄭朝暉等在研究俄羅斯楊(Populusrusskii)時(shí)也得出類似的結(jié)論。研究認(rèn)為,有機(jī)物由碳元素構(gòu)成骨架,碳元素含量決定有機(jī)物含量,因此由有機(jī)物構(gòu)成的植物體中碳含量與熱值必然存在相關(guān)關(guān)系。然而,目前學(xué)術(shù)界尚缺少對草地生態(tài)系統(tǒng)碳含量和熱值相關(guān)關(guān)系的研究。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇內(nèi)蒙古錫林郭勒草原不同氣候區(qū)(草甸草原、典型草原、荒漠草原)3種草原類型,分析內(nèi)蒙古草原中67種植物碳含量的特征,以及碳含量與熱值的相關(guān)關(guān)系,旨在為科學(xué)利用、開發(fā)和保護(hù)內(nèi)蒙古草原資源,了解草原生態(tài)系統(tǒng)貯碳量,提高草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化效率,科學(xué)估算草原植物碳貯量提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1不同類型草地植被在植物區(qū)系中的地位本實(shí)驗(yàn)選取內(nèi)蒙古錫林郭勒盟境內(nèi)不同氣候區(qū)3種草原類型作為研究樣地。研究樣地的選取是根據(jù)干燥度的不同而確定的。草甸草原處于草原向森林的過渡地段,是草原群落中較濕潤的類型;典型草原具有典型的半干旱氣候特征,是最基本的一個(gè)草原類型;荒漠草原是草原植被中最旱生的類型。草甸草原實(shí)驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗浩勒圖高勒鎮(zhèn)。氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?年平均降水量350mm左右,多集中在7、8兩個(gè)月份。試驗(yàn)地內(nèi)主要以多年生草本為主,有極少量的灌木、小半灌木及一、二年生的草本植物。實(shí)驗(yàn)區(qū)草地類型為低山丘陵羊草草甸草原,中旱生的羊草為建群種,其他主要次優(yōu)勢植物種有黃囊苔草(Carexkorshinskyi)、麻花頭(Serratulacentauroides)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、羽茅(Achnatherumsibiricum)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)等。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤類型為暗栗鈣土。典型草原實(shí)驗(yàn)區(qū)位于錫林河流域中游地區(qū)白音錫勒牧場的羊草典型草原區(qū)。氣候?qū)儆跍貛О敫珊挡菰瓪夂?年平均降水量346.1mm,年蒸發(fā)量為1600~1800mm。試驗(yàn)區(qū)主要以多年生草本為主,建群種為羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis),其他主要次優(yōu)勢植物種主要有羽茅和黃囊苔草等。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤類型為暗栗鈣土?；哪菰瓕?shí)驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗賽罕塔拉鎮(zhèn)。蘇尼特右旗年平均降水量為177.2mm,蒸發(fā)量2500mm。降水量分布不均,自南向北、由東向西遞減,多數(shù)年份受到不同程度的干旱威脅。實(shí)驗(yàn)區(qū)植被在植物區(qū)系組成中以亞洲中部荒漠草原植物種占主導(dǎo)地位。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種,主要伴生種有冷蒿(Artemisiafrigida)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、草麻黃(Ephedrasinica)等,偶見狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤類型為淡栗鈣土。1.2樣本與研究方法1.2.1植物群落和有機(jī)碳的測定在草甸草原、典型草原、荒漠草原實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別選取圍封保護(hù)的樣地及圍欄外放牧退化樣地各一塊,樣品采集于2008年7-8月群落地上生物量高峰期進(jìn)行。在3類草原圍欄內(nèi)外樣地隨機(jī)選取10個(gè)0.5m×0.5m觀測樣方,分種記錄植株平均高度、株叢數(shù),并齊地面分種剪下地上部分后在65℃烘箱中烘干至恒重,稱量其干重,稱重后的樣品同一樣地的每3~4個(gè)樣方合并在一起,粉碎后分種保留,即共6個(gè)樣地,每個(gè)樣地3個(gè)重復(fù),共獲得67種草原植物的233個(gè)樣品(表1)。有機(jī)碳含量使用德國Elementar公司生產(chǎn)LiquiTOC總有機(jī)碳測定儀進(jìn)行測定。把過100目(0.149mm)分樣篩的樣品混合均勻,用精度為0.0001g的電子天平稱取植物樣品10mg,放入測樣用的小石英杯中,并加入0.8%的鹽酸0.5mL反應(yīng)0.5h以除去無機(jī)碳,然后放入烘箱內(nèi)將鹽酸溶液烘干,取出烘干的盛有樣品的小石英杯,按照LiquiTOC分析儀的操作流程放入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行測定。1.2.2參考文獻(xiàn)中植物熱值分布情況本項(xiàng)研究主要進(jìn)行了碳含量的測定和分析,植物熱值數(shù)據(jù)則來源于課題組在前期研究中關(guān)于該區(qū)域的草原植物熱值研究結(jié)果,在前期研究中課題組對內(nèi)蒙古境內(nèi)不同氣候區(qū)的3種草原類型(和本研究屬同一區(qū)域)的熱值進(jìn)行了分析,并針對內(nèi)蒙古錫林河流域草原植物種群和功能群熱值進(jìn)行了研究,本研究的67種植物熱值數(shù)據(jù)主要來源于參考文獻(xiàn)中的表2,有少數(shù)幾個(gè)植物在文獻(xiàn)中沒有相關(guān)熱值數(shù)據(jù),其熱值數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)的表2。1.3數(shù)據(jù)分析用MicrosoftExcel2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理、作圖,用SPSS19作統(tǒng)計(jì)分析并作圖。2結(jié)果與分析2.1碳含量分析2.1.1不同品種的雜草豬毛菜的碳含量從內(nèi)蒙古草原不同樣地采集而來的67種草原植物,分屬于23個(gè)科,其主要物種和分類群的碳含量見表1。經(jīng)過頻數(shù)分析可以得出,所有物種的碳含量平均值是(52.17±2.01)%。其中,一年生雜草豬毛菜的碳含量為(43.79±1.37)%,是調(diào)查的所有物種中最小的;接著,從星毛委陵菜的碳含量46.92%到草蕓香的碳含量為(52.33±0.44)%,再到多年生雜草展枝唐松草的碳含量(57.12±4.58)%,為最大值,呈現(xiàn)正態(tài)分布(圖1)。2.1.2不同生活型功能組之間的碳含量分析2.1.3水分生態(tài)類型與碳含量的關(guān)系水分通常被認(rèn)為是內(nèi)蒙古錫林郭勒草原植物生長的關(guān)鍵限制因子,基于植物的水分生態(tài)類型,將67個(gè)物種分成5個(gè)功能群:旱生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物和濕中生植物。旱生植物(28種)和中旱生植物(22種)種類較多,濕中生植物種類較少,僅有2種。基于水分生態(tài)類型的碳含量(%)平均值的順序?yàn)?旱中生植物(50.01±4.36)<中生植物(51.80±1.92)<濕中生植物(51.96±0.78)<旱生植物(52.34±1.90)<中旱生植物(52.54±1.53)。研究結(jié)果表明,不同水分生態(tài)功能群之間的碳含量無顯著性差異(P>0.05);旱中生植物功能群的平均碳含量略低于其他組,其他功能群的碳含量基本一致(圖3)。不同小寫字母表示均值之間差異顯著(P<0.05);條形內(nèi)的數(shù)字代表包含的物種數(shù),下同。Differentsmalllettersindicatesignificantdifferenceatthe0.05level;Thenumberinthebarrepresentsthenumberofspecies,thesamebelow.2.1.4植物碳含量的基因型分布采集到的67個(gè)物種的碳含量分屬于23科,其中禾本科植物種數(shù)最多(10種),百合科其次(9種),川續(xù)斷科和大戟科等10個(gè)科只有1種。所有種碳含量的平均值為(52.17±2.01)%。選取植物種數(shù)大于等于4種的6個(gè)科進(jìn)行比較(圖4),其碳含量(%)的平均值大小順序?yàn)?藜科(48.43±2.65)<薔薇科(50.98±2.29)<百合科(51.73±1.22)<菊科(52.45±0.92)<禾本科(53.05±1.15)<豆科(53.44±0.49)。豆科和禾本科具有較高的碳含量;藜科的碳含量最低,明顯低于其他科,并和其他科之間差異顯著(P<0.05)。薔薇科、百合科和菊科之間沒有顯著性差異(P>0.05),百合科、菊科、禾本科和豆科之間也沒有顯著性差異(P>0.05)。2.2含量均值的比較內(nèi)蒙古3種草原類型67種植物熱值與碳含量的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,熱值和碳含量均值分別為(17.09±1.29)kJ/g和(52.17±2.01)%。熱值與碳含量的Pearson相關(guān)系數(shù)是r=0.520,顯著性(雙側(cè))P<0.01,表明植物熱值與碳含量在0.01水平上呈顯著正相關(guān)關(guān)系。3草原生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究綠色植物通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锉旧淼挠袡C(jī)碳,是草地生態(tài)系統(tǒng)碳的主要來源。研究表明,中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為44.09Pg,約占世界草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的8%左右,約占我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的16.7%。學(xué)術(shù)界對于植被碳含量的研究,主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)中,對草地生態(tài)系統(tǒng)植被碳含量的研究相對較少。一方面由于草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量不如森林大,同時(shí)地上部分由于放牧、農(nóng)墾等人為活動(dòng)造成了影響,另一方面全球草地生態(tài)系統(tǒng)中約80%的生物量碳儲存在地下,導(dǎo)致研究土壤碳含量多于研究地上植被碳含量,如丁越巋等通過對比分析毛烏素沙地9種主要植被類型樣地中的土壤有機(jī)碳含量和密度及其在土壤剖面上的分布差異,研究了不同植被類型對毛烏素沙地土壤有機(jī)碳的影響。但是植物作為全球碳循環(huán)的軸心,植被碳庫也影響著土壤碳庫。在高偉前期的研究中發(fā)現(xiàn),3類草原(和本研究屬同一草原)中碳元素在植物體內(nèi)含量相對穩(wěn)定,不易隨利用狀況、生態(tài)梯度的改變而變化。他認(rèn)為,碳元素作為植物體內(nèi)含量最多的元素,其主要作用作為構(gòu)建支撐植物體的骨架,它的來源主要是綠色植物通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橹参矬w有機(jī)碳,從而植物體內(nèi)的碳含量相對穩(wěn)定。在前期研究中,鮑雅靜和李政海對草原植物熱值進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明,研究區(qū)出現(xiàn)的60個(gè)植物種平均熱值為(17.29±0.91)kJ/g;生活型功能群中,灌木的熱值最高,多年生禾草顯著高于一二年生植物(P<0.05),半灌木和多年生雜草介于二者之間;水分生態(tài)類型功能群之間在熱值上沒有明顯差異;不同科之間熱值有顯著差異,禾本科、豆科、菊科植物熱值較高,藜科植物平均熱值最低。其結(jié)果與碳含量的分析結(jié)果基本上趨于一致,因此,在此基礎(chǔ)上本研究進(jìn)一步探討了碳含量和熱值之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,碳含量與熱值之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。研究表明,任何一類有機(jī)質(zhì)都是由碳素構(gòu)成骨架,官麗莉等研究發(fā)現(xiàn),在一般植物中,碳素和氧素占干重的很大部分,所以碳素含量越高,熱值可能越高。而鮑雅靜等研究認(rèn)為,碳含量的高低決定了植物物質(zhì)中有機(jī)物的總含量,即碳含量越高,植物物質(zhì)中有機(jī)物的含量越高,這又往往決定了植物具有較高的熱值。江麗媛等研究顯示,可以根據(jù)碳含量高低來估計(jì)熱值高低,從而為生物質(zhì)能源的利用提供一定的理論依據(jù)。筆者認(rèn)為,碳作為能源物質(zhì),植物的碳含量在一定程度上也就代表了植物能量的多少。植物碳含量與熱值具有相關(guān)性,主要是植物燃燒時(shí),碳放出熱量,因而熱量的多少與碳含量有一定相關(guān)關(guān)系。本研究的結(jié)果表明,熱值與碳含量存在著正相關(guān)。它表明,植物的碳含量越高,熱值也相應(yīng)地較高;或是碳含量可以反映熱值的高低,可以作為研究碳含量與熱值時(shí)初步衡量方法或原則,為下一步草原生態(tài)系統(tǒng)碳密度的估測奠定基礎(chǔ),為草原植物資源的選擇、開發(fā)和利用,提高草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化效率,探索新的草原生態(tài)系統(tǒng)碳密度估測方法,科學(xué)估測草原生態(tài)系統(tǒng)的貯碳量提供理論依據(jù)。67個(gè)物種基于生活型可以分成4個(gè)功能群:半灌木、多年生雜草