内蒙古主要草地类型土壤有机碳密度对比

田政，吴秀芹†，谢芮，黄宇

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.中国科学院地理科学与资源研究所，100101，北京;3.中国科学院大学，100049，北京)

土壤碳库是地球陆地生态系统中最为重要的碳贮蓄库之一［1-2］，土壤有机碳质量分数的变化会引起土壤的肥力变化，进而影响到植被的生长情况。植被的生长状况不同会影响到土壤与大气之间的碳素平衡［3］。土壤有机碳密度(soil organic carbon density)是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量，土壤有机碳密度已成为评价和衡量土壤碳的一个极其重要的指标［4］。草地生态系统是陆地碳循环及碳固持的一个重要组成部分［5-6］。中国草地总面积约4 亿hm2，占世界草地面积的12.5%［7］，主要集中分布于西部和北部地区，其中，北方温带草原约占全部草地面积的78%，是我国草地的主体［8］。进入21 世纪后，内蒙古开始大力保护草地资源，草地生态环境得到了较大恢复［9］，草地植被生长状况也有了较大改善。有实验［4］证明，通过采取恢复措施，改善土壤质量，提高生物量生产来缓解温室效应是可行的;所以，改善草原土壤碳库不仅能对区域生态环境产生积极的作用，而且还能维护碳循环的健康稳定。

近年来，针对草原土壤有机碳密度的相关研究，多是根据围封年限的不同或是针对某几种具体植物物种或作物进行的比较分析。其中围封作为草地恢复的主要手段之一，对提高土壤有机碳密度的作用十分明显。敖伊敏等［10］发现，草地围封14 年后植物和土壤各项理化性质达到最大值，其土壤碳储量是自由放牧地的1.75 倍;王俊明等［11］通过研究退耕草地演替过程中的碳储量变化发现，在0 ～150 cm 的不同土层中，土壤有机碳储量以0 ～15 cm 最高，但土壤有机碳储量在草地植被演替过程中的变化随时间而有所差别。同时，植被类型变化对土壤有机碳密度也会产生影响，且在植被的自然恢复过程中土壤有机碳密度明显增加，但随年限加长而速率降低，如郭曼等［12］发现植被恢复0 ～23 a 期间，0 ～20 cm 土层土壤有机碳密度增加了85.23%，增加速率较快，增大到一定的范围内时，便逐渐趋于稳定。也有研究表明，改良地上植被种类和播种方式也会对土壤有机碳密度产生影响，如邰继承等［13］对不同播种方式的紫花苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)草地土壤有机碳密度进行了研究，发现混播有利于土壤有机碳密度的稳定。J.Koo［14］在研究Ghana 的土壤有机碳密度及碳潜力时，发现改进耕作效率、调节作物种类可以显著提高贫瘠土地的土壤有机碳密度和储量。总体而言，已有研究关于土壤有机碳储量的研究较多，而对于土壤有机碳密度本身的研究则相对较少，也缺乏在生物量层面及草地群落层面的分析;因此，笔者拟采用显著性分析及回归分析方法，对比内蒙古中东部地区草甸草原、典型草原和荒漠草原等主要草地类型土壤有机碳密度，为正确认识和评估草原地区的土壤有机碳密度、草地防退化及草地植被恢复等工作提供参考。

1 采样区概况

研究设置的采样点主要集中在内蒙古自治区的草甸草原、典型草原、荒漠草原3 种草地类型中。内蒙古草原是全球典型的中纬度半干旱温带草地生态类型，在温带草原中具有代表性［15］。区域内包括半湿润区、半干旱区及干旱区3 个气候区，年均温在-5 ～9℃，年降水量为100 ～450 mm，蒸发量1 200 ～2 500 mm，日照丰富、水热同季，降水量主要集中在夏季，从东向西逐渐减少［15］。草原类型主要可分为草甸草原、典型草原和荒漠草原3 种［16］。其中:东部主要分布着以羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)和贝加尔针茅(Stipa baicalensis)等为主的草甸草原和典型草原，土壤主要为暗栗钙土和典型栗钙土等;中部主要为典型草原，由于降水量减少，大针茅被克氏针茅(Stipa krylovii)取代，土壤主要为典型褐土和典型栗钙土等;西部以荒漠草原为主，常见优势种有无芒隐子草(Cleistogenes songorica)、短花针茅(Stipa breviflora)和蒙古韭(Allium mongolicum)等，土壤以灰漠土和风沙土等类型为主［17］。

2 研究方法

2.1 样地选择

草地类型:在内蒙古草原进行的植被调查及采样工作全部集中完成于2012 年7 月10 日至20 日之间。在采样区内共采集65 个样地，其中，草甸草原样地21 个，典型草原样地22 个，荒漠草原样地22 个。具体采样点位置如图1 所示。

群落类型:采样区内群落类型较为多样，但由于实际采样条件限制，选取了几种较为常见并有代表性的群落类型进行对比分析。草甸草原和典型草原以中旱生禾草群落为主。草甸草原中最常见的有针茅(Stipa capillata)群落和羊草群落;披碱草(Elymus dahuricus)群落和无芒隐子草群落主要采集于典型草原区;荒漠草原主要是以赖草(Aneurolepidium dasystachys)群落和长芒草(Stipa bungeana)群落居多;艾蒿(Artemisia argyi)群落常见于退化草地中。实测数据中位于80 ～100 g 和120 ～140 g 生物量区间的样点相对集中，故以这2 个区间为限定区间，分析在所限定生物量级别下土壤有机碳密度的群落差异性。

图1 采样点位置Fig.1 Locations of the sample sites

2.2 生物量及有机碳密度测定

在每个样地选取能代表本区域的平行样方3个，大小为1 m×1 m，采用刈割法收集每个样方的地上生物量，在实验室65 ℃烘干至恒质量。每个样点3 个样方的平均值即为该样点的地上生物量。土壤样本取自土壤表层以下20 cm 位置的土样，每个样点取3 个平行样，分别测量每个平行样的有机碳质量分数，3 个平行样取平均值即为该样点的土壤有机碳质量分数。土壤有机碳质量分数采用重铬酸钾硫酸外加热法测定。土壤密度采用环刀法测定。土壤有机碳密度计算公式［18］为

式中:D 为土壤有机碳密度，kg/m2;C 为土壤有机碳的质量分数，g/kg;H 为土层厚度，cm;γ 为土壤密度，g/cm2;δ 为直径＞2 mm 的砾石体积分数，%。

直径＞2 mm 的砾石体积分数主要依据内蒙古同类研究中所采用的491 个土壤样点数据［17］确定，其平均值为9.36%。

2.3 数据处理方法

使用Excel 和SPSS 软件进行数据处理。其中，用单因素方差分析(ANOVA)法检验不同草地类型在不同生物量级别上土壤有机碳密度差异，各组之间的多重比较采用Duncan 法［19］。

3 结果与分析

3.1 不同草地类型土壤有机碳密度对比

将21 个草甸草原、22 个典型草原和22 个荒漠草原样品的土壤有机碳密度进行对比，结果见图2。可知，草甸草原土壤有机碳密度平均值最大，为29.54 kg/m2，其次为典型草原和荒漠草原，分别为18.93 和18.67 kg/m2。典型草原和荒漠草原的土壤有机碳密度相类似且平均差别不大，由显著性检验可知，草甸草原与这二者差异显著(P ＜0.05)。

3.2 不同草地类型生物量的土壤有机碳密度对比

根据采样的实测生物量分布和样点个数，并参考已有的草地生物量数量级变化梯度，将生物量级别分为每20 g 为一级，以保证合理的生物量梯度和大致均匀的样点分布。土壤有机碳密度在不同草地类型地上生物量级别之间的显著性检验结果见表1。

结果表明，在3 种草地类型中，土壤有机碳密度均随着生物量的增加而增加。草甸草原土壤有机碳密度在地上生物量级别为80 ～100 g 与100 ～120 g的差异不显著，而80 ～100 g 与大于120 g 的各组均差异显著，地上生物量在100 ～180 g 之间的各组土壤有机碳密度无显著差异。说明在草甸草原，若地上生物量小于100 g，则土壤有机碳密度的下降会比较明显，当地上生物量大于180 g 后又会有显著增加。在生物量较低时，土壤有机碳密度会有明显降低，在生物量较高的土壤中，土壤有机碳密度会明显增加;而处于正常生物量范围时，土壤有机碳密度会保持基本稳定。说明严重退化或草本长势较差会极大影响草甸草原土壤固碳能力;因此，加强草甸草原保护，维护草本群落质量，防止草地过度退化可以提高草甸草原的土壤固碳能力。

表1 土壤有机碳密度在不同地上生物量级别之间的显著性检验Tab.1 Significance check of the SOC density of different aboveground biomass levels

典型草原土壤有机碳密度在地上生物量小于140 g 的各组之间无显著差异，＞120 ～140 g 与＞140 ～160 g 之间差异不显著。生物量＞120 ～140 g为典型草原土壤有机碳密度的一个阈值区间，地上生物量变低或变高其土壤有机碳密度会有显著差异，而且低地上生物量之间差异不显著，当生物量较高时其土壤有机碳密度会有较大变化。说明典型草原退化后或草地长势较差时，土壤有机碳密度也会逐步降低，而当草本长势较好时土壤有机碳密度会有较大提高，所以，若保护典型草原的草本群落质量在较好状态时可以显著提高典型草原的土壤固碳能力。

荒漠草原土壤有机碳在地上生物量40 ～60 g与＞60 ～80 g2 组之间差异不显著，大于80 g 后的各组之间没有显著差异，而40 ～60 g 与大于80 g 的各组存在显著差异。表明＞60 ～80 g 组为分界，地上生物量变低或变高其土壤有机碳密度会有显著差异，而且地上生物量较高时差异不显著。当生物量较低时其土壤有机碳密度会有较大变化。可知，荒漠草原在严重退化后或植被长势较差时，土壤有机碳密度也会降低，当长势较好或未退化时，土壤有机碳密度可以保持相对稳定;所以，保持荒漠草原稳定即可以保证土壤的固碳能力不削弱。

通过对3 类草地类型的回归分析(表2)，发现各类型草地的地上生物量和土壤有机碳密度之间总体均呈正相关关系，其变化也符合显著性检验的结果。其中草甸草原拟合效果最好，荒漠草原最差。由此也可看出，从草甸草原、典型草原到荒漠草原，土壤有机碳密度与地上生物量之间的相关关系逐步减弱。

表2 地上生物量和土壤有机碳密度回归拟合分析Tab.2 Regression analysis between aboveground biomass and SOC density

3.3 不同群落类型土壤有机碳密度对比

土壤有机碳密度在不同群落间的显著性检验结果见表3。可知，在＞80 ～100 g 生物量范围内，赖草群落和长芒草群落无显著差异，艾蒿群落、长芒草群落之间无显著差异。在＞120 ～140 g 生物量之间，针茅群落、羊草群落、无芒隐子草群落之间无显著差异，羊草群落和披碱草群落无显著差异。总体来看，虽然在相应的生物量限定级别下群落间存在土壤有机碳密度的差异，但并未呈现出有规律的差异性，其中原因值得进一步研究。

表3 土壤有机碳密度在不同植被群落间的显著性检验Tab.3 Significance check of the SOC density of different plant communities

4 结论

1)草甸草原土壤有机碳密度平均值高于典型草原和荒漠草原;典型草原和荒漠草原的土壤有机碳密度大小相近;草甸草原土壤有机碳密度的变化范围大于典型草原和荒漠草原，而典型草原和荒漠草原的土壤有机碳储量变化范围相近。

2)草甸草原地上生物量在＞100 ～180 g 之间时土壤有机碳密度保持基本稳定，典型草原和荒漠草原地上生物量分别在低于120 ～140 g、60 ～80 g 时会显著影响其土壤有机碳密度。当草地退化到低于此阈值区间时，土壤有机碳密度会显著降低。严重退化或草本长势较差会显著影响草原土壤固碳能力，应当注重保护严重退化或草本长势较差的草地。

3)不同的群落类型在相应的生物量区间下的差异性没有明显规律性。群落类型的变化对土壤有机碳密度的影响依据群落类型不同也存在差异，改变草地植被类型的方法不一定比保护现有草地植被、防止草地退化对提高土壤有机碳密度更有效，还是应当注重保护草原原生群落。

5 讨论

土壤有机碳的变化是动态而又复杂的过程。在这个动态的变化过程中，围封禁牧是提高内蒙古地区温带草地土壤碳储量的有效措施［20］。在草甸草原中，应加强重度退化或长势极差的草地保护，使其群落结构得以较好恢复，否则会使土壤固碳能力显著下降。在典型草原中，草地退化会造成典型草原土壤有机碳密度逐步降低，所以，合理控制放牧，加强草原保护措施促进草地恢复十分重要。在荒漠草原中，严重退化或长势较差的土壤其有机碳密度较低，因此，要加大保护力度，否则会极大影响土壤的固碳能力。总体来说，不同草地类型均表现出生物量高时土壤有机碳密度也高，生物量低其土壤有机碳密度也降低的总体特征。有研究表明，禁牧2 年可以提高土壤碳密度及碳储量至开垦时水平的1.8倍，且还会随着时间的增长而增加，而开垦和放牧会导致典型草原土壤碳密度和总碳储量明显下降［21］。说明草地恢复可以提高土壤固碳能力，与本研究的结论相符。本研究中，由于实际条件限制，对于群落类型间的差异性仅从所涉及的几种类型进行了分析，对更多其他群落类型的分析值得进一步研究。史作民等［22］研究报道，内蒙古鄂尔多斯地区长芒草、油蒿(Artemisia ordosica)、牛心草(Cynanchum komarovii)等主要植物群落类型的土壤碳在不同季节间存在显著差异，但这些差异在群落间没有明显的规律性。这也在一定程度上与本研究结果相类似，但群落之间的差异性还需要进一步补充更多群落类型进行深入分析。

此外，土壤有机碳密度还与气候条件、土壤类型及人为因素等诸多因素相关。目前已有学者发现，土地利用和土壤类型是影响省域尺度表层土壤有机碳密度空间分布的2 个重要影响因子［23］。对于土壤类型及垂直土层差异本研究暂未涉及，有待今后补充更多数据后在此方面深入探讨。同时，草地的水土保持生态修复工作已经对草原生态建设和水土保持工作起到了积极作用［24］。保护草地植被、增加土壤有机质以及改善土壤结构等可以保水保土、防止草原水土流失［25］，对草原区的生态恢复和增强土壤固碳能力上也具有重要意义;因此，应当对草地质量进行有针对性的保护，合理控制放牧，防止草地水土流失，进而增强草地保持水土、涵养水源的能力，进一步促进草地碳循环和草原生态的良性发展。

中国科学院地理科学与资源研究所的戴尔阜研究员、赵东升博士和张清雨博士在前期采样过程中提供了极大的帮助，在本文成文过程中提出了许多宝贵的意见，在此表示感谢。