阿拉善荒漠区主要灌木林碳氮含量的变化分析

乌云娜,蒙仕康,张凤杰,霍光伟,2,雒文涛,2

（1.大连民族学院生命科学学院,辽宁 大连 116605；

2.辽宁师范大学生命科学学院,辽宁大连 116029）

阿拉善荒漠区主要灌木林碳氮含量的变化分析

乌云娜1,蒙仕康1,张凤杰1,霍光伟1,2,雒文涛1,2

（1.大连民族学院生命科学学院,辽宁 大连 116605；

2.辽宁师范大学生命科学学院,辽宁大连 116029）

生物因素是促进土壤发生发展的最活跃因素,而植物在长期的适应环境条件的过程对土壤的特性产生重要的影响。梭梭、白刺、盐爪爪是典型的荒漠区地带性植被,其生长状况在维护区域生态平衡和促进国民经济发展中起着重要作用。利用半微量凯式法与 TOC仪法对阿拉善吉兰泰荒漠地区梭梭林地主要植物种群和土壤样品的碳氮含量进行了测定,并结合土壤水分含量,分析了该地区植物 -土壤功能体碳 /氮值的变化规律。结果表明:（1）阿拉善地区土壤含水量较低,在 0.51%～0.77%间波动；（2）梭梭等植物的碳、氮质量分数分别在 9.1～11.4m g·kg-1、2.20～2.2 6m g·kg-1；（3）土壤的碳、氮质量分数分别在 0.47～3.31m g·kg-1、5.57～7.71m g·kg-1,二者的比值在 1.6～2.5。通过上述研究以期为荒漠生态系统的适应性管理提供理论依据。

阿拉善；荒漠区；梭梭林地；灌丛；碳氮比

阿拉善地处亚洲大陆腹地,位于内蒙古自治区的最西端,属于典型的大陆性干旱气候区,是中国荒漠区的代表性区域,也是东部沙尘现象的主要发生源区,在生态安全战略中具有极其重要的地位。受地理位置、气候等因素的制约,该区植物种类稀少,结构单调,主要以旱生、超旱生灌木和半灌木荒漠植被为主[1]。灌木不仅为人们提供燃料和家畜饲草,同时也是防风固沙的主要植物,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]。灌丛植物大量的根系分泌物以及根部的脱落物,均可增加土壤中碳、氮的含量；土壤养分增加的同时,也为根部微生物提供了丰富的营养,进而影响灌丛周围微环境,改善根部土壤状况。碳和氮作为有机物的基本组成元素,在生态系统中构成庞大、复杂的碳循环和氮循环体系。在这一体系中,碳 /氮值是一个重要指标,被看作全球气候变化和营养元素迁移过程中的基础因子,也是生态演变和全球气候变化研究领域广泛考虑的重要因子[3-4]。植物的碳/氮值可以体现植物的营养利用效率,是植物生命过程的重要维持者和调节者,同时也是枯枝落叶分解速率的调节因素之一。若碳 /氮值很大,则在其矿化作用的最初阶段,微生物的同化量会超过矿化作用所提供的有效氮量,可能使植物缺氮的现象更为严重；若碳 /氮值很小,则在其矿化作用之始就能供应给植物所需的有效氮量[5]。目前,碳 /氮值的研究逐渐成为荒漠化发生发展的重要领域。本文以阿拉善吉兰泰荒漠区梭梭林地中的典型植物灌丛作为研究对象,通过加强对该区特有荒漠植物的研究与保护,揭示土壤和荒漠灌丛植被碳氮含量的变化关系,以期为荒漠生态系统的适应性管理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区地理位置 97°10′～106°53′E,37°24′～42°47′N。该区植被分布隶属于阿拉善荒漠植物省,是亚洲中部荒漠亚区最东部的一个植物地理区域。年均降水量为 40～150mm,年均蒸发量为3 000～4 500mm,远大于降雨量,日照时数 3 100～3 500 h,年平均气温为 8.4℃,≥10℃的有效积温大于 3 000℃,年平均风速为 3.1m·s-1。独特的地理位置、地貌和气候条件导致该区域的荒漠植被具有较小的盖度、较少的植物种属和简单的群落结构。植被组成主要以旱生、超旱生灌木、盐生灌木、半灌木、矮灌木和矮半灌木为主。建群种以梭梭 （Haloxylon ammodend）、白刺 （Nitraria tangutorum）、盐爪爪 （Kalidium foliatum）灌木为主。土壤类型主要以灰漠土、灰棕漠土、石膏灰棕漠土为主。

2 研究方法

2.1 野外调查与样品采集

选择梭梭林地的代表性植物灌丛——梭梭、白刺、盐爪爪灌丛作为研究对象,采集植物的地上部分。在上述植被调查的同时,挖制相应的土壤剖面,观测和记录土壤剖面形态特征,采用 100 mL环刀分层获取土壤样品。采用中山式土壤硬度计测定土壤硬度,重复 5次,取平均值。采用烘干法获得土壤含水量。

2.2 样品处理与测定

将土壤样品自然风干后,剔除明显草根,分别过 100目筛。植物样品自然风干后,磨碎,过 80目筛。在以后的实验过程中,为了提高数据可靠性,每层土样及植物样品各测定 3次,取其平均值。土壤有机碳与全氮分别采用重铬酸钾法和半微量凯氏定氮法测定,植物有机碳与全氮含量分别采用重铬酸钾法和 TOC仪法测定。

2.3 计算公式

总碳或总氮含量 （m g·kg-1）=（C×D）/0.2,式中,C为从 TOC测定仪所测定浓度 （m g·L-1）,D为稀释倍数 （本实验中为 25倍）。

3 结果与分析

3.1 不同灌丛土壤剖面形态特征的差异 （见表 1）

表1 土壤剖面的形态特征

从表 1看出,3种灌丛的土壤剖面形态表现出各自特点,梭梭、白刺、盐爪爪灌丛在 0～10 cm、11～25 cm土壤层的土壤明显偏干,26～40 cm、41～60 cm的土壤层的土壤表现出一定湿度。梭梭灌丛只在 41～60 cm土壤层上有少量根分布,其他土壤层上均未见根的分布；白刺和盐爪爪灌丛的大量根系集中分布在 11～25 cm土壤层,其他土壤层未见根或有少量根分布。3种灌丛在0～25 cm土壤层的总体硬度高于 26～60 cm土壤层,与土壤干湿变化呈现一致趋势,均在 11～25 cm土壤层硬度达到最大,其中盐爪爪灌丛的各层土壤硬度明显小于梭梭和白刺灌丛。

3.2 不同灌丛土壤水分的变化 （见表 2）

表2 不同灌丛土壤水分的变化

从表 2看出,土壤含水量表现为盐爪爪灌丛＞白刺灌丛 ＞梭梭灌丛,这与它们的生理生物学特性密切相关。梭梭属于强旱生～盐生植物,喜生于轻度盐渍化、地下水位较高的固定和半固定沙地上,根系发达。白刺为潜水旱生植物,是荒漠草原到荒漠地带沙地上的重要建群植物之一,拥有庞大根系吸取土壤水分。白刺群落常呈现环状分布,同盐爪爪群落以及其他盐生植物群落有规则地排成同心圆式的生态系列的格局。盐爪爪为盐生半灌木,喜潮湿疏松的盐土,既能耐旱,耐寒,抗盐碱,防风固沙,遏制土地沙化,改良土壤,恢复植被,又能使周边沙化草原得到保护,在维护生态平衡上起着不可比拟的作用。

因此,在盐爪爪密集生长的灌丛中,土壤含水量显著高于梭梭灌丛和白刺灌丛,梭梭灌丛的耐旱性较高,对生境水分需求相对偏低,故梭梭灌丛土壤含水量最低,而白刺群落与盐爪爪群落具有伴生特性,土壤含水量居中。

3.3 不同灌丛土壤碳氮含量的变化 （见表 3）

从表 3看出,梭梭灌丛、白刺灌丛的各层土壤全碳的含量均没有显著性的变化,盐爪爪灌丛在表层 0～10 cm土壤层上的含量比较高,随着土壤深度的增加全碳含量下降,在 26～40 cm层上下降明显,3个灌丛的各土壤层间的变化不明显,但在 41～60 cm土壤层上,盐爪爪灌丛的全碳含量明显增加,并且盐爪爪灌丛土壤整体的全碳的含量高于梭梭灌丛和白刺灌丛。各灌丛中全氮含量出现最高的分别为:梭梭灌丛 26～40 cm土壤层、白刺灌丛 11～25 cm土壤层、盐爪爪灌丛 0～10 cm土壤层；梭梭灌丛表层 0～10 cm土壤的全氮含量显著低于白刺灌丛和盐爪爪灌丛,且白刺灌丛 ＞盐爪爪灌丛；盐爪爪灌丛的 11～25 cm、26～40 cm、41～60 cm的全氮含量明显比梭梭灌丛和白刺灌丛低。

表3 不同灌丛土壤全碳、全氮质量分数及碳 /氮值

由碳 /氮值来看,梭梭灌丛中 0～10 cm、11～25 cm土壤层的碳 /氮值高于 26～40 cm和 41～60 cm土壤层；白刺灌丛表层 0～10 cm土壤的碳 /氮值最高,其他土壤层均低于表层,且彼此之间变化不大；盐爪爪灌丛随着土壤深度增加,土壤的碳/氮值呈逐级递增趋势。

3.4 不同灌木植物碳氮含量的变化 （见表 4）

表4 不同植物的全碳、全氮质量分数及碳 /氮值

从表 4看出,植物的全碳量表现为梭梭 ＜盐爪爪 ＜白刺,植物的全氮量呈现梭梭 ＜白刺 ＜盐爪爪趋势,植物的碳 /氮值则为盐爪爪 ＜梭梭 ＜白刺。结合表 3可以得出,植物体内的营养变化与土壤中的碳氮分布存在一定差异性,植物体内碳/氮值的变化趋势与土壤中的碳/氮值表现出相逆性,即植物体内碳 /氮值高,则土壤中碳 /氮值低,相反植物体内碳 /氮值低,而土壤中碳 /氮值相应较高。

4 结 语

不同灌丛对阿拉善地区土壤养分富集的程度不尽一致。土壤含水量在 0.51%～0.77%间波动,土壤湿度较低,梭梭、白刺及盐爪爪的耐干旱胁迫的适应性机制使得这些植物能够在极端干旱条件下正常生长。梭梭等优势植物的碳、氮质量分数分别在 9.1～11.4m g·kg-1、2.20～2.26m g·kg-1,土壤的碳、氮质量分数分别在 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,土壤中对植物的营养供应和植物对氮素营养的吸收达到动态平衡。在该研究区自然条件下,耐干旱、耐瘠薄物种可以正常生长,而其他物种均不宜生长。

本项研究中植物体内的营养变化与土壤中的碳氮分布存在一定差异性,即土壤碳氮含量都很低,而梭梭等植物的碳 /氮值较大,表明在如此恶劣的生境下梭梭等灌丛植物依然可以正常生长,说明它们是很好的抗逆植物种群,不仅调节生态水分平衡,还可以起到防风固沙的重要作用。研究荒漠化植物与土壤的全碳、全氮及碳 /氮值对了解荒漠区植物与土壤的关系有着重要的作用,也有利于加强荒漠生态系统的保护,不仅关系到区域生态 -生活 -生产承载力,同时对周边地区也会产生积极的影响。为了进一步了解和掌握荒漠生态系统中养分循环的规律,有关荒漠化区域的植物与土壤的全碳、全氮及碳 /氮值的时间与空间动态有待于进一步深入研究。

[1]杜芳红.阿拉善地区生态环境问题及探讨[J].内蒙古环境保护,2005,17（3）:4-9.

[2]郭丁 ,裴世芳.阿拉善荒漠草地几种灌木对土壤有效态养分的影响[J].中国沙漠,2009,29（1）:321-345.

[3]周冬琴,朱艳,杨杰,等.基于冠层高光谱参数的水稻叶片碳氮比监测[J].农业工程学报,2009,25（3）:135-141.

[4]施润和,牛铮,庄大方.利用高光谱数据估测植物叶片碳氮比的可行性研究[J].遥感技术与应用,2003,18（2）:76-80.

[5]周志宇.阿拉善不同密度白沙蒿人工种群生长、繁殖与土壤水分的关系[J].生态学报,2004,24（5）:895-899.

（责任编辑 邹永红）

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">文献标志码:A

A

1009-315X（2011）01-0005-03

2010-11- 03；

2010-11-10

国家自然科学基金资助项目 （30870423）；国家 973资助项目 （2009CB421308）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DC10050101）。

乌云娜 （1968-）,女,蒙古族,内蒙古通辽人,教授,博士,主要从事环境生态学研究。