三江源区不同退化高寒草甸土壤碳分布特征研究
2015-03-20刘育红魏卫东温小成李积兰
刘育红+魏卫东+温小成+李积兰
摘要：在青海省三江源区选择了甘德县青珍乡高寒草甸典型样区，划分了5种不同退化程度的样地（原生植被UD、轻度退化LD、中度退化MD、重度退化HD、极度退化ED），10 cm等深度采集表土（0～30 cm）土壤样品，分析土壤总碳、有机碳和无机碳含量变化。结果表明，研究区内高寒草甸土壤的表土总碳和有机碳含量出现极大的变异性，随退化程度的加剧而呈显著下降，有机碳含量的下降幅度更大。与原生植被相比，轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化样地0-30 cm 土壤总碳含量分别平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%，土壤有机碳含量分别平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%，随土层的加深和退化程度的加剧，无机碳的含量在迅速地增加。总的来看，表层土壤碳含量在生态系统退化情况下的变化最剧烈。随退化程度的加剧，高寒草甸土壤有机碳含量下降迅速，占总碳含量的比例由87.2%减少到11.6%，有机碳损失严重。
关键词：三江源区;高寒草甸;生态系统退化;土壤碳
中图分类号：S812.2;S153.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）02-0308-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.014
Distribution Characteristics of Soil Carbon on Different Degraded Degree Alpine Meadow in the Source Area of Three Major Rivers in China
LIU Yu-hong，WEI Wei-dong，WEN Xiao-cheng，LI Ji-lan
（College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining 810016， China）
Abstract： Typical areas of alpine meadow in the source area of the Yellow River， Yangtze River and Lancangjiang River at Qingzhen village， Gande county， Qinghai Province， China were selected. 5 different types of degraded degree sampling plots including undegradation， light degradation， moderate degradation， heavy degradation， extreme degradation were identified. Topsoil （0～30 cm） samples were collected using 10 cm depth interval sampling with a soil auger. Variation of soil total carbon， organic carbon and inorganic carbon contents were analyzed. Results showed that variable contents of soil total carbon and organic carbon were dramatically decreased with aggravation of degradation. Decline in content of organic carbon was more intense. Compared to primary vegetation， content of soil total carbon in topsoil was declined by 7.4%， 12.2%， 16.1% and 17.1% under slightly declined， moderately declined， seriously declined and severely declined degree， respectively. Content of soil organic carbon was declined by 21.7%， 39.7%， 67.4% and 79.6%. Content of soil inorganic carbon was increased with deepening of soil layer and aggravation of degradation. The change of content of topsoil carbon was dramatical in ecosystem degradation. The content of organic carbon in alpine meadow soil decreased rapidly with aggravation of degradation. Proportion of soil organic carbon in total carbon reduced from 87.2% to 11.6%， indicating that content of soil organic carbon losed severely.
Key words： source area of three major rivers of China; alpine meadow; ecosystem degradation; soil carbonendprint
土壤是陆地生态系统中碳存在的主要场所[1]，生态系统退化导致我国土壤碳库的损失达3.5 Pg[2，3]，土壤碳库功能快速丧失十分严重，成为我国生态系统稳定性与应对气候变化的严峻挑战。在陆地生态系统中，草地分布面积广，在全球陆地碳循环中发挥着极为重要的作用[4]，草地碳储量约占陆地生态系统总碳储量的15%[5]，其中约92%的碳储存在土壤中[6]。因此，研究陆地生态系统土壤碳的变化特点对于了解生态系统变化的土壤碳库效应及其对大气温室效应的影响具有重要科学价值。
三江源区地处青藏高原，气候严酷，地势高峻，自然条件恶劣。近几十年来，三江源区气候变化总体上呈现气温升高、降水减少、蒸发量增大的暖干化趋势，导致湖泊萎缩、冰川退缩、草地退化、土壤流失。这一现状产生的严峻后果之一即高寒草地碳汇能力下降，碳汇储量减少，从而加大了温室气体的排放压力。据文献资料报道，全球约有1 500 Gt碳以有机质形态储存于地球土壤中[7]，而青藏高原草地有机碳量达到3.35×1010 t，占全国土壤有机碳总量的23.44%，其中以高寒草甸土壤和高寒草原土壤有机碳积累量为主[8-10]。目前针对退化高寒草甸生态系统中土壤碳的分布特征及相互关系等的研究报道较少，本研究在对青海省三江源典型高寒草甸退化样区生态系统土壤碳的调查基础上，分析不同退化生态系统土壤碳的变化，为阐明生态系统退化对高寒草甸土壤碳库稳定性及其气候变化效应提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区自然地理概况
研究样地位于青海省三江源核心区的果洛州甘德县青珍乡，样地基本情况见表1，海拔4 025 m，东经100°12′18″，北纬34°08′54″。甘德县为高原大陆性半湿润气候[11]，无四季而只有冷季、暖季之分，冷季长达9个多月;年均温度-2 ℃，年均降水量520 mm，太阳辐射强，年日照时数2 313～2 607 h，牧草生长季150 d，无绝对无霜期;土壤类型为高寒草甸土（中国土壤发生分类制）[12]、湿润均腐土（中国土壤系统分类）[13]、寒冷软土（Cryoborolls 或 Halpoborolls，美国土壤系统分类制）[14]，土层薄、质地差、易侵蚀。研究样地属于高寒嵩草草甸，草地植物主要有高山嵩草（Kobresia pygmaea）、羊茅（Festuca ovina）、早熟禾（Poa sp.）、苔草（Carex sp.）、高山紫菀（Aster alpina）、高山唐松草（Thalictrum alpinum）、黄帚槖吾（Ligularia virgaurea）、兔耳草（Lagotisbrachystachya）、青藏棱子芹（Pleurospermum pulszkyi）、露蕊乌头（Aconitum gymnandrum）等。
1.2 不同退化程度样地选择
按照文献[15]的方法对试验样地高寒草地植物群落及退化状况进行调查，结合地表及水土流失状况、鼠害危害程度等指标综合判断将试验样地划分为未退化（Undegradation，UD）、轻度退化（Light Degradation，LD）、中度退化（Moderate Degradation，MD）、重度退化（Heavy Degradation，HD）、极度退化（Extreme Degradation，ED）共5种退化程度（表1）。土壤采样于2012年7月进行。
1.3 植物、土壤采样与样品分析
按“收割样方法”[16]采集植物地上部分生物量。在样地内按照不同退化程度分别随机设置10个1 m2的观测样方，进行植物群落的测定，主要包括植被覆盖度、地上生物量等。土壤样品采用剖面法分层采集，自上而下用移除法分别采集0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm这3 个深度的土样，样品盛于塑料自封袋，运回实验室。拣去植物残根和石砾等，自然风干后，磨碎过2 mm筛，土壤总碳采用EA4000元素分析仪测定。土样过0.15 mm筛后采用外加热重铬酸钾氧化-容量法进行土壤有机碳测定[17]，土壤无机碳含量为总碳含量减去有机碳含量。采集土样的同时，分土层利用水分测定仪测定土壤水分含量，并测定土壤温度等。
1.4 数据整理与统计分析
对地上生物量及土壤总碳、有机碳和无机碳含量进行分析统计，所有测定在Excel 2003上处理，对不同退化程度和不同土层间的差异采用SPSS 19.0软件统计分析。
2 结果与分析
2.1 同一土层不同退化程度高寒草甸土壤总碳、有机碳和无机碳含量
土壤总碳含量包括无机碳和有机碳含量。由表2可见，青珍样地5种退化程度下各层土壤总碳含量均随退化程度的加剧呈下降的趋势，即UD>LD>MD>HD>ED。10-20 cm和20-30 cm土层土壤总碳含量不同退化程度间均差异不显著（P>0.05），而0-10 cm土层土壤总碳含量UD与其余四种退化梯度间均差异极显著（P<0.01），LD分别与HD和ED间差异显著（P<0.05）。总的来看，0-30 cm土层土壤总碳含量各退化程度间均未达到差异极显著（P>0.01），但UD分别与HD和ED间差异显著（P<0.05）。结果表明，表层土壤总碳含量在生态系统退化下的变化最剧烈。不同退化程度高寒草甸土壤总碳主要分布在0-10 cm土层，且明显高于其他土层。与UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤总碳含量分别平均降低了7.4%、12.2%、16.1%和17.7%。0-10 cm土层总碳含量分别降低了16.3%、24.7%、28.8%和30.7%，10-20 cm土层分别降低了0.6%、4.1%、7.7%和8.5%，而20-30 cm土层分别降低了2.1%、3.0%、6.9%和9.0%。因此，退化下表层土壤总碳含量的下降速度大于深层土壤，说明生态系统退化对表层土壤的影响更为剧烈，降低了土壤碳库。结合研究样地植被群落构成看，高寒草甸草地以莎草科嵩草属植物为主，随着退化的加剧，植物优势种逐渐由禾草过渡演替为以杂类草为主，植被覆盖度降低又引起地表水蚀风蚀，进一步加剧了土壤的退化，严重影响了高寒草甸土壤总碳的含量。因此，三江源区高寒草甸湿地的保护对于稳定陆地生态系统碳库功能极其重要。endprint
土壤有机质中碳元素含量即为土壤有机碳。由表3可见，5种退化程度下土壤各层有机碳含量均随退化程度的加剧呈下降的趋势，即UD>LD>MD>HD>ED。并且，除了0-10 cm土层HD与ED间土壤有机碳含量差异显著（P<0.05）外，其余各土层包括0-30 cm土层的不同退化程度间均差异极显著（P<0.01），表层土壤有机碳含量在生态系统退化下的变化最剧烈。不同退化程度高寒草甸土壤有机碳主要分布在0-10 cm土层，且明显高于其他土层，与UD相比，LD、MD、HD和ED下0-30 cm土壤有机碳含量分别平均降低了21.7%、39.7%、67.4%和79.6%。0-10 cm土层有机碳含量分别降低了26.3%、44.4%、77.1%和85.7%，10-20 cm土层分别降低了19.0%、41.5%、65.1%和75.2%，而20-30 cm土层分别降低了7.8%、15.4%、30.5%和62.1%。因此，退化下表层土壤有机碳含量的下降幅度大于深层土壤，说明生态系统退化对表层土壤的影响更为剧烈，强烈地降低了土壤碳库。在高寒草甸草地，随着退化程度的加剧，土壤碳含量呈下降的变化趋势。土壤总碳含量由未退化时的52.06 g/kg 降低到极度退化时的42.86 g/kg，土壤有机碳含量由未退化时的31.55 g/kg 降低到极度退化时的6.45 g/kg。由于引起高寒草地退化的重要因素之一是过度放牧，因此，放牧强度超过高寒草地承载能力后，引起植被和土壤的退化，导致输入土壤的有机质减少，这一结果与李凌浩等[16]、王启兰等[18]的研究结果一致，即随着放牧压力的增大，土壤有机碳积累显著降低。
土壤无机碳主要指土壤风化成土过程中形成的发生性碳酸盐矿物态碳，是半湿润到干旱地区土壤的一个重要组成部分[19]，就量而言，土壤无机碳以CaCO3为主[20]。由表4可见，5种退化梯度下各层土壤无机碳含量均随退化程度的加剧呈上升的趋势，即UD
2.2 同一退化程度不同土层高寒草甸土壤总碳、有机碳和无机碳含量
由图1可见，同一退化程度不同土层间土壤总碳含量均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的变化趋势，除了UD土壤的0-10 cm土层分别与10-20 cm和20-30 cm土层差异显著（P<0.05）外，其余各退化程度不同土层间均无显著差异（P>0.05）;同一退化程度不同土层间土壤有机碳含量也均呈0-10 cm>10-20 cm>20-30 cm的变化趋势，并且各退化程度不同土层间均差异显著（P<0.05）;同一退化程度不同土层间土壤无机碳含量均呈0-10 cm<10-20 cm<20-30 cm的变化趋势。一般情况下，近表层土壤具有相对脱钙现象，随着土层的加深无机碳含量增加，至一定深度再下降[21]，UD土壤的各土层间均差异显著（P<0.05），LD和MD土壤的0-10 cm土层分别与10-20 cm和20-30 cm土层的无机碳含量差异显著（P<0.05），其余各退化程度不同土层间均无显著差异（P>0.05）。结果表明，随着退化程度的加剧，表层土壤总碳、有机碳含量下降速度以及无机碳含量增加速度比深层土壤要快。这是因为在高寒草甸恶劣环境条件下，土壤表层更易受到草甸退化导致的土层变薄、理化性状恶化、有机物来源减少、土壤侵蚀等的不利影响，使表层土壤的总碳和有机碳含量随退化程度的加剧而显著下降。另外，以嵩草属植物为建群种的高寒草甸草地，植物根系密集分布在0-10 cm土层，因此，草地退化使得0-10 cm土层较10-20 cm土层和20-30 cm土层地下生物量减少得更为显著，根际环境变化也更为明显，从而导致在不同深度土层引起的土壤总碳和有机碳含量的下降速度不同，且随着退化程度的加剧，表层土壤总碳和有机碳含量的下降速度更快（表2、表3），而当草地退化发生后，该土层土壤有机碳含量快速下降，进一步恶化了土壤养分供应，加剧了草地退化。
2.3 不同土层不同退化程度高寒草甸土壤总碳、有机碳和无机碳含量
土壤碳库包括土壤有机碳库和土壤无机碳库，前者是湿润、半湿润地区碳库的主要形式，而后者是干旱、半干旱地区土壤碳库的主要形式，土壤无机碳库一般比土壤有机碳库大2～5倍[22]。土壤无机碳与土壤有机碳密切相关[19]，体现在有机碳分解释放的 CO2与水作用后形成碳酸，碳酸与钙、镁离子结合为土壤碳酸盐。青珍样地不同退化程度不同土层的土壤中无机碳和有机碳占总碳的比例见表5。表5显示随土层的加深和退化程度的加剧，无机碳的含量都在迅速的增加，无机碳含量占总碳含量的比例变化由12.8%增加到88.4%，其中0-10 cm土层由12.8%增加到82.0%，10-20 cm土层由43.3%增加到84.6%，20-30 cm土层由72.2%增加到88.4%，说明无机碳主要分布在土壤的深层，并随退化而加剧。同时，随土层的加深和退化程度的加剧，有机碳的含量都在迅速地减少，有机碳含量占总碳含量的比例由87.2%减少到11.6%，其中0-10 cm土层由87.2%减少到18.0%，10-20 cm土层由56.7%减少到15.4%，20-30 cm土层由27.8%减少到11.6%，说明有机碳主要分布在土壤的表层，并随土壤退化而加剧减少。但总的来看，土壤总碳的含量随土层的加深和退化程度的加剧而减少。
3 结论
本研究表明，青珍乡高寒草甸生态系统发生了不同程度的退化，高寒草甸植物群落优势种呈嵩草—禾草—杂类草的逆向演替。随退化程度的加剧，土壤各层总碳和有机碳含量均呈下降的趋势，即UD>LD>MD>HD>ED，土壤总碳含量由未退化时的52.06 g/kg 降低到极度退化时的42.86 g/kg，土壤有机碳含量由未退化时的31.55 g/kg 降低到极度退化时的6.45 g/kg;0-30 cm土层土壤总碳含量在各退化程度间均未达到差异极显著（P>0.01），但UD分别与HD和ED间差异显著（P<0.05），0-30 cm土层土壤有机碳含量在各退化程度间均差异极显著（P<0.01），0-30 cm土层土壤无机碳含量在各退化程度间比较可知ED与UD和LD间差异极显著（P<0.01），HD与UD间差异极显著（P<0.01），HD与LD间差异显著（P<0.05）;随土层的加深，土壤总碳和有机碳的含量也在迅速下降，尤其是0-10 cm土层下降得最快。总的来看，表层土壤碳含量在生态系统退化下的变化最剧烈。随退化程度的加剧，高寒草甸土壤有机碳含量迅速下降，占总碳含量的比例由87.2%减少到11.6%，有机碳损失严重。
高寒草地在气候变化等自然因素和超载过牧等人为因素的共同扰动下，出现草地植物群落逆向演替和土壤退化现象，严重破坏了脆弱的高寒草地生态环境，并且其退化一旦出现，恢复与重建将是一个漫长的过程。因此，深入研究该区退化草甸土壤碳的分布变化规律，对人工调控与促进草地群落的正向演替，加快退化高寒草地的生态恢复与重建具有重要作用。
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