内蒙古典型区草地不同利用方式对土壤碳库的影响

徐进才，张 宇，高和平，靳晓雯

（1.内蒙古土地调查规划院，内蒙古 呼和浩特 010021；2.南京农业大学公共管理学院，江苏 南京 210095）

草地是碳汇的用地类型，其面积约占陆地总面积的25%，碳储量约为266.3 Pg，占陆地生态系统总碳储量的12.7%[1-3]，其中中国草地生态系统碳素总贮量为44.09 Pg[4]。在陆地生态系统碳循环研究中，草地生态系统是全球变暖反应最明显的生态系统之一，因此，草地成为重要的研究内容。草地生态系统碳循环有其独特的生物地球化学循环过程和作用，主要表现为：碳储量绝大部分集中于土壤中，地上生物量中仅为10%，且地上部分受到放牧、农垦等的影响，碳循环不仅速度快，而且向大气排放CO2的作用明显；作为主要碳贮存库的地下部分，由于草地所处的特殊地理位置和气候条件，导致其地下部分分解普遍较慢，草地作为碳汇用地的作用更为明显。从利用方式上来看，草地开垦为农田后会损失掉原来土壤中碳总量的30%—50%[5]。有研究表明，草场开垦60年后可使土壤的碳含量降低18%—35%[6]；割草会使草地生态系统碳平均每年减少近1%[7]，而农田向草场的转化则明显增加对大气碳的固定[8]，使土壤中有机碳每年以0.54 mg/hm2增加[9]。此外，过度放牧可以促使草地土壤的呼吸作用，从而加速碳从土壤向大气中的释放。

内蒙古自治区草地资源土壤碳含量及其变化的研究一直是学者关注的重点，主要源于内蒙古草地资源特殊的地理位置、气候条件以及典型的草地类型。研究主要集中在草原土壤的碳含量及其与温室气体通量的相关性[10-11]、不同草原区土壤质地对土壤碳密度（SOCD）的影响[12]等方面。上述研究主要是从自然科学的角度研究碳循环的总体情况，测定土壤有机碳的供给、积累、分解与输送的各个过程。从管理科学视角下的研究主要集中于草地碳汇管理的具体对策[14-16]，而从土地利用管理角度分析不同利用方式下草地资源碳循环的研究较少,如对内蒙古锡林河流域羊草草原的研究表明，过度放牧使草地表层土壤（0—20 cm）中碳的贮量降低了12.4%，但这种变化不如草地开垦的影响迅速与剧烈，其效应出现的时间阈值至少在20年以上[13]。因此，本文从内蒙古锡林郭勒盟地区中典型草原及荒漠草原选取样区，从土地利用管理的角度分析草地不同利用方式下土壤碳储量的变化，并提出科学的草地利用措施，为草地的合理利用提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒盟位于内蒙古自治区中部，地处东经115°13′—117°06′，北纬43°02′—44°52′。属中温带半干旱、干旱大陆性季风气候，春季干旱多风，冬季寒冷漫长，夏季温热短促。年平均气温在1—2℃，无霜期110—130天，年平均降雨量295 mm，由东南向西北递减。降雨多集中在7、8、9三个月内。

本文选择内蒙古锡林郭勒草原毛登牧场作为研究区，该牧场始建于1958年，于1991年由原北京生产建设兵团五师三十二团转制归属锡林浩特市，牧场地处锡林浩特市东部，距锡林浩特市36 km，全场总面积585 km2，其中可利用草场面积310 km2。为研究不同利用方式下草地土壤碳截存的状况，在研究区内选择3类不同利用方式的样地。其一是围封样地，没有放牧干扰的试验地；其二是长期放牧样地，已经出现了草地退化、沙化的情况；其三是已经开垦为耕地的样地，且开垦过程中未采用施肥措施。

1.2 取样及实验方法

在每块样地上根据随机分布的原则布置5个样点，取1×1 m2草本样方之后，在植物样方内用土钻取土样，利用对角线法在样方内取土3—5钻大约1 kg左右，利用土钻法分层（0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm和40—50 cm）取样，将同层的土样混合均匀并去除植物根系和石块，风干后过筛，室内测定土壤粒级、容重以及养分有机碳（SOC）。土壤有机质测定方法为外加热，重铬酸钾氧化—容量法。数据分析则通过SPSS13.0软件采用单因素方差分析（ANOVA）检验3个样地在各项特征指标上的差异。用最小显著性差异方法（LSD）检验各样地间的差异显著性（p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式的土壤特征

表1 3类样地土壤理化特征Tab.1 Physical and chemical characteristics of the three categories of soil

从土壤理化特性来看，3类样地存在较大的差异。从土壤粒级分布来看，20 cm以上土层中，围封、放牧、开垦3种利用类型土壤粒级分布变化不显著，自由放牧未对土壤的粒级分布产生显著影响。而3类样地在20 cm以下土壤表层粒级分布上表现出显著差异，开垦样地相对于围封和放牧样地表现为土壤粘粉粒含量显著减少，而砂粒含量显著增加，这主要是由于开垦引起表层粘粒风蚀所致。

开垦与放牧还显著影响了土壤容重，经测定在0—10 cm土层中，放牧样地和开垦样地的土壤容重均显著高于围封样地，而且放牧样地土壤容重显著低于开垦样地；在10—20 cm土层中，开垦样地土壤容重依然显著高于围封样地，而放牧样地则表现为与其他2类样地间差异均不明显；而3类样地在20 cm以上土层中土壤容重差异均不显著。可见，开垦和放牧对土壤容重的影响主要集中于地表，且开垦对土壤容重的影响更为剧烈。

从土壤有机碳来看，围封样地有机碳含量显著高于放牧及开垦样地，特别是在地表20 cm以下土层中，差异非常明显。与其他学者[17]研究成果不同之处在于放牧样地的土壤碳含量显著低于围封样地，可能的原因主要有两个方面：一是由于实验样地选择的不同，存在地域上的差异；二是在选择放牧用地时，本文研究选择了放牧强度较高的地区，植被破坏严重，已经开始出现土地沙化现象。总体来看，放牧特别是过度放牧与开垦均会造成土壤有机碳含量的下降。

2.2 不同土地利用方式对土壤碳截存的影响

土壤粒级和土壤容重均会影响土壤有机碳的储量。有研究表明，土壤母质表现出了对土壤有机碳的决定作用，土壤有机碳随着土壤中粘粒、细粉砂和粉砂含量的增加而增加，随着砂粒含量的增加而降低[12]。而土壤容重的变化会进一步影响土壤水分的入渗和保持、孔隙分布等土壤性状，这一过程最终影响土壤有机碳含量，因此，土壤容重的增加是草地生态系统退化的早期预警指标。笔者认为，土壤粒级与土壤容重的变化很大程度上取决于人类活动的干扰程度，因此，不同草地利用方式会对草原区土壤碳储量产生深远影响。由表1可见，不同利用方式下，草地碳截存量存在显著差异，特别是围封样地与放牧、开垦样地间的差异表现的更为明显。

有关过度放牧对草地土壤有机碳贮量影响等方面问题的研究较少，主要成果[18]表现为3个方面：一是过度放牧使得天然牧场植物有机体回归土壤的量减少，影响了有机碳的输入；二是过度放牧使得草地植被覆盖度大幅降低，裸露的地表风蚀严重，土壤粒级增加；三是过度放牧情况下，家畜对草场的踩踏严重，增加了土壤容重。上述3个方面共同作用，使得土壤有机碳储量下降明显。

草地开垦是影响草地碳储量的又一主要因素[13]，因为开垦使土壤中的有机质充分暴露在空气中，土壤温度和湿度条件得到改善，从而极大地促进了土壤呼吸作用，加速了土壤有机质的分解；开垦还会加速土壤风蚀，土壤表层有机碳含量较高的细颗粒被吹蚀后导致土壤有机碳的大量损失。本研究中，草地的开垦也确实显著降低了土壤有机碳含量，在表层（0—10 cm）土壤围封样地为33.24g·kg-1，开垦样地仅为21.61 g·kg-1，降低了近1/3，这也与草地开垦为农田后会损失掉原来土壤中碳总量的30%—50%的研究结论相符[5]。

3 基于碳减排的内蒙古草地利用策略

内蒙古自治区草地面积广阔，是国内最大的畜牧业生产基地。多年来，为践行国家保护草原生态政策，实现草地资源可持续利用，自治区努力调整畜牧业生产结构，在全区草原全面推行以草定畜、季节休牧、划区轮牧的科学饲养方式，同时大力倡导退耕还林还草工程，取得了不错的效果，但距草地资源科学合理利用的目标仍有一定的距离。本文从碳循环视角来研究草地利用方式，旨在实现草地利用过程中的低碳排放，突出草地资源的碳汇效应。结合前文典型区域的实验结果，本文提出如下基于碳减排的草地利用策略。

3.1 建立科学合理的放牧制度

从碳循环的角度来看，合理的放牧制度能够减少放牧过程中牲畜对草场的破坏，从而有效缓解草地资源的退化，增加草地碳汇能力。禁牧、休牧、划区轮牧是目前在草原牧区主要推广的科学利用草原的经营管理制度。以上3项放牧制度中，划区轮牧制度是最为适应内蒙古地区实际的，因为其既符合内蒙古草地资源利用的特点，又能够有效减少因牲畜踩踏、草地退化等引起碳排放。此外，笔者认为，在划区轮牧的过程中应充分考虑内蒙古地区气候特点，根据不同草原类型的物质特点详细划分季节带，以不同大小、不同形式的轮牧分区或地段轮牧来实现划区轮牧计划；还需要注意牧场的轮换，避免连年在同一时期，以同样的方式利用同一牧场，这样可以有效减少牲畜对牧草的破坏，降低土壤容重。

3.2 退耕还草，加强人工草地建设

退耕还草，加强人工草地建设，是发展畜牧业的重要举措，为禁牧、休牧和舍饲养畜提供物质保障，实现“禁牧不禁养”的目标。从降低草地碳排放的角度来看，退耕还草、人工草地建设能够增加天然草地面积，有效缓解天然草地的放牧压力，降低天然草地的退化几率，从而增加草地的碳汇功能。因此，应加大退耕还草力度，加强人工草地建设。着力解决人工草地单产水平低的技术问题，研究制定和修订不同牧草种植、生产、加工、利用技术规程，加强人工草地标准化建设技术应用与推广。同时，应实行人工草地数字化管理，结合国家实施的牧草良种补贴项目，利用“3S”技术准确获取人工草地空间及属性数据，建立人工草地资源数据库，逐步摸清人工草地资源现状，初步形成草原牧区人工草地数字化管理技术模式，实现人工草地资源的信息化、数字化管理。

3.3 科学合理的编制草地规划

通过编制科学合理的草地开发利用规划，将低碳理念植入草地利用的行为中。通过对草地资源的调查，作出现状描述、潜力分析及各种利用可能性的预测，借助规划手段进行草地利用分区，特别是科学计算草地资源承载力，防止过度放牧等滥用草地资源的现象，严格限制草地开垦等引起碳排放的草地利用方式。

4 小结

（1）内蒙古典型地区草地不同利用方式对碳排放的影响较为显著，围封样地有机碳含量显著高于放牧及开垦样地，特别是在地表20 cm以下土层中，差异非常明显。（2）过度放牧显著减少了地下碳截存量。草地的开垦也确实显著降低了土壤有机碳含量，其对碳储量的影响与过度放牧相当。（3）从各土层土壤有机碳的变化幅度来看，表层（0—10 cm）土壤有机碳变化幅度最大，围封样地为33.24 g·kg-1，开垦样地仅为22.95 g·kg-1，降低了近1/3。（4）过度放牧与草地的开垦显著降低了土壤有机碳含量，因此应通过建立合理的放牧制度，退耕还草、加强人工草地建设，科学的编制草地规划等措施来降低草地利用对土壤碳库的影响，增强草地的碳汇能力。

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