人工修复退化草原碳储量研究

陈 翔，王君芳，王召明，王晓龙

(内蒙古和信园蒙草抗旱绿化股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010030)



人工修复退化草原碳储量研究

陈 翔，王君芳，王召明，王晓龙

(内蒙古和信园蒙草抗旱绿化股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010030)

为揭示人工修复后草原碳储量变化，本研究在内蒙古呼和浩特大青山南麓退化草地人工修复草地进行，分别测定2012年、2013年和2014年草原碳储量。结果表明，地上植被生物量、凋落物量和根系生物量随着修复年限的延长而逐渐增加。未修复草地相比，植物群落和土壤有机碳储量均随修复年限的延长而增多。草原生态系统主要为土壤碳储量，其次为地下碳储量，最少为地上碳储量。2012年、2013年和2014年，草原生态系统碳储量总计为8万吨、8.78万吨和9.6万吨。2013年碳储量比2012年增加8.75%，2014年碳储量比2013年增加10.26%。说明人工修复草原可增加草原生态系统的碳储量。地上碳储量2014年比2012年增加1226.88吨，地下碳储量2014年比2012年增加1597.46吨，土壤碳储量2014年比2012年增加1.6万吨。因此，综合现有指标的测定数据，人工修复是一个非常好保护草地利用措施，在修复过程中草地是一个碳汇，应该鼓励持续进行。

碳储量；人工修复；草原

土壤是陆地生态系统的核心组成部分,是连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带；土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的储库,并且是其中非常活跃的部分〔1〕。由于土壤圈的重要性和人类活动对土壤碳储量的影响〔2-4〕,自20世纪50年代以来,国际上就有学者开始对全球土壤有机碳库储量进行估算〔5〕,土壤是陆地生态系统中最大的碳库,其储存的有机碳占整个陆地生态系统碳库的2/3,约为植物碳库的3倍、大气碳库的2倍〔6〕。碳循环作为陆地生态系统化学循环的重要组成部分〔7〕，对于生态系统的稳定平衡起着至关重要的作用。草原是陆地生态系统中面积最大的有机碳库，而草地生态系统的土壤碳库约占总碳储量的90%〔8〕。

近几十年来，由于经济的飞速发展和人口的迅速膨胀，人类对自然资源的需求也在不断增加，致使矿物燃料大量燃烧，进而导致人类向大气中排放的含C化合物越来越多，据资料显示,大气中二氧化碳浓度近150年内增长了大约28%,已从十九世纪中期的285±5Fppmv上升到了二十一世纪末366ppmv〔9〕。人类对于草原的破坏程度日益严重，内蒙古可利用草地面积为6359万多公顷，目前退化草地面积已达3867万公顷，占可利用草原的60%。素以水草丰美著称的全国重点牧区呼伦贝尔草原和锡林郭勒草原，退化面积分别达23%和41%，鄂尔多斯草原的退化面积达68%以上〔10〕。

随着天然草地的退化，人工草地、草地修复等建设手段已经成为草原生态系统保护的重要技术手段。本研究区为内蒙古和信园蒙草抗旱绿化股份有限公司在内蒙古呼和浩特大青山南坡首次尝试的人工修复退化草地项目。随着人类活动对草地的影响越来越严重,这就使得人工草地研究显得尤为重要和必须。人工草地不仅可以作为饲草料地为牲畜所利用,还可以净化空气、保护生态、美化环境，同时还能发挥它作为绿色植物本来的功能固定CO2,发挥其碳汇功能，为以后的项目实施提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古呼和浩特市大青山南坡，该地区属典型的蒙古高原大陆性气候，四季气候变化明显，年温差大，日温差也大。其特点：春季干燥多风，冷暖变化剧烈；夏季短暂、炎热、少雨；秋季降温迅速，常有霜冻；冬季漫长、严寒、少雪。全年光照充足,热量资源较为丰富,平均气温约6.7℃。土壤主要为黄土及黄土状物母质、洪积物母质、冲—洪积物母质，主要为栗钙土。土壤腐殖质含量1%～10%，土壤pH值为6.5～7.5。

研究区主要草种为羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel)，披碱草(ElymusdahuricusTurcz)，冰草(Agropyroncristatum(Linn.)Gaertn)等，还有冷萬(Artemisia frigida Willd.Sp.Pl)、野豌豆( Vicia sepium Linn.)等

表1 样地基本情况调查

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

试验样地位于内蒙古呼和浩特市大青山南坡(N 40°55′08″，E 111°52′12″)，为1万亩人工修复退化草原(万亩草原)，在万亩草原的西面、北面和南面分别选取3个点，在每个点的四个方向设置一条300m的样线，每隔100m设置一个样方，共36个样方做地上植被调查，在每条样线的末端即300m处，挖土壤剖面，深度100cm。

1.2.2 样品采集与处理

(1)地上生物量测定方法

地上生物量测定方法,参见农业部行业标准《草原资源与生态监测技术规程》(NY/T1233-2006)。草本采取齐地面剪割,称重。在每个样地中随机设置10个1m×1m的样方。采用估测法确定植被总盖度,将其地上部分齐地面刈割,称取其鲜重并烘干获得干重。

(2)根系测定

在每个样方内,用内径7厘米的根钻取地下根样(0-100cm)。用水洗法将样品洗净后置于烘箱内以65℃烘干至恒重,并称取其干重,然后将样品粉碎备用。

(3)土壤调查及采样

采用根钻法,在每个样方内,用内径7厘米的根钻取地下土样(0-100cm),带回实验室阴干备用。

1.2.3 土壤碳(C)含量的测定

土壤碳的测定，采用重铬酸钾容量法-外加热法。

1.2.4 数据处理

利用SPSS17.0软件进行ANOVA方差统计分析。

生物量有机碳储量计算公式为：

CBi=CABi·BABi+CUBi·BUbi

(1)

式中：CBi为生物量碳储量，g·m-2；CABi为植物群落地上生物量有机碳含量，g·kg-1；BABi为地上植被的生物量，g·m-2；CUBi为植物群落地下生物量有机碳含量，g·kg-1；BUBi为地下植被的生物量，g·m-2；i表示年。

凋落物碳储量计算公式：

CLi=Mi·Ci

(2)

式中：CLi是凋落物的有机碳储量，g·m-2；Mi是凋落物质量，g·m-2；Ci是凋落物有机碳含量，g·kg-1；i表示年。

土壤有机碳密度：单位面积一定深度的土层中有机碳的储量。某一土层i的有机碳密度(SOCi/kg·m-2)的计算公式为：

SOCdensity=Cj·θj·Dj·(1-&j)/100

(3)

式中：Cj为第j层土壤有机碳含量，g·kg-1；θj为第j层土壤容重，g·cm-3；Dj为第j层土壤厚度，cm；&j为第j层中直径大于2mm石砾所占的体积百分比，%，本文样地&j为零。

草地生态系统有机碳碳储量(CTi)计算公式：

CTi=CLi+CABi+CUBi+CSi

(4)

式中:CLi是凋落物的碳储量，g·m-2；CABi是植物群落地上生物量有机碳储量，g·m-2；CUBi是植物群落地下生物量有机碳储量，g·m-2；CSi是土壤0～100cm有机碳储量，g·m-2；i表示年a。

2 结果与分析

2.1 地上碳储量变化(包括凋落物)

由图1可以看出，随着恢复时间的增加，万亩草原地上植被碳储量逐渐增加，表现为2012>2013>2014。三年有机碳储量具有显著性差异(P<0.05)。2014年显著大于2013年(P<0.05)，2013年显著大于2012年(P<0.05)。2014年比2013年地上碳储量增加44.86%。比2012年增加16.48倍。

由以上结果可知，人工修复可加速草地植被的更新和恢复，植物群落生物量作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源。地上植被的恢复可进一步影响土壤系统，这有利于提高植被的碳汇能力减缓土壤风蚀，有利于土壤有机碳的积累。

凋落物碳储量虽然在整个草原生态系统所占的比例非常少，但是也是地上碳库的不可忽视的一个部分。通过人工修复，草地植被得到自然更新与恢复，可以有效增加植被的碳截留，恢复生态系统的本来面目，从而发挥草地生态系统的生态功能。

图1 地上有机碳储量

注：不同小写字母代表显著差异性(P<0.05)

2.2 地下根系碳储量变化

2.2.1 三年地下根系生物量变化

由图2可知，植物群落0～100cm地下生物量总量随修复年限增加而增加，随着深度的增加地下根系生物量随着土层深度的增加而减少。2012年、2013年和2014年，0～40cm土层深度根系生物量占所有根系生物量的89.23%、93.58%和94.2%，说明植被地下生物量主要集中在0～40cm土层。随着修复时间的增加，所占比重也越来越大。0～10cm土层根系量表现为2014年>2013年>2012年，分别占地下根系生物量的45.57%、70.30%和58.57%，说明地下根系主要集中在0～10cm土层，人工修复后，2013年，根系主要生长在0～10cm土层。

40～100cm土层三年的根系生物量没有显著差异(P>0.05)。在0～10cm土层根系生物量，2013和2014年没有显著性差异(P>0.05)，但是显著大于2012年的根系生物量(P<0.05)。在10～20cm土层根系生物量，2014年显著大于2013和2012年(P<0.05)。而在20～40cm，2012年底线根系生物量就大于2013年和2014年，说明在以前这可能是农耕地，根系比草本植被要更深入土壤。

图2 地下生物量

注：不同小写字母代表显著差异性(P<0.05)

2.2.2 三年地下根系生物量有机碳变化

由表2可知，对植物群落0～100cm地下生物量有机碳含量测定结果表明，地下生物量有机碳含量随修复草地年限的延长而增加，各样地地下生物量碳含量随土壤深度的增加而降低；在各个土层深度上，地下生物量有机碳含量均表现为2014年>2013年>2012年。2014年生物量有机碳为406.62gC·m-2，比2013年增加了21.03%，比2012年增加了143.31%。表明人工修复草地显著增加了地下生物量有机碳，2014年显著高于2013年(P<0.05)，2013年显著高于2012年(P<0.05)。

由表2可知，在0～10cm深度上，2012年、2013年和2014年地下生物量有机碳含量分别为76.15gC·m-2、199.58gC·m-2和238.17gC·m-2，分别占整个剖面地下生物量有机碳的45.57%、70.31%和58.57%。对于地下生物量而言，0～10cm土层根系是碳汇潜力的主要来源。在0～40cm，根系碳含量2012年、2013年和2014年分别为149.13gC·m-2、265.85gC·m-2和383.34gC·m-2。

可以看出，修复后根系有机碳含量显著增加，植被根系主要集中在土体0～40cm深度内，土深40cm以上的土壤枯落物和根系分解所产生的有机质相对集中，尤其是在表层集中。表层土壤最具生物活性，表层土壤较下层土壤经历着更为剧烈的温度和湿度变化，而且更容易受到分解物和根系分泌物的影响，相应的有机碳含量明显高于下层。

表2 植物群落0～100cm地下生物量有机碳储量

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 土壤碳储量变化

2.3.1 土壤有机碳密度变化

由图3可以看出，土壤有机碳密度随着土层深度的增加而减少，草原实行修复后，各土层有机碳密度均高于2012年。在0～10cm土层，三年土壤有机碳密度具有显著性差异(P<0.05)。在10～20cm土层，2014年显著高于2012年土壤碳密度(P<0.05)，在20～30cm，2012年却显著高于2013和2014年(P<0.05)，30～100cm三年均无显著差异(P>0.05)。说明随着土层的深度增加，在深土层中，土壤有机碳密度基本无差异和修复年限并无相关性。随着修复年限的增加也没有增加土壤有机碳密度。

图3 土壤有机碳密度

注：不同小写字母代表显著差异性(P<0.05)

2.3.2 土壤容重和有机碳变化

由表3可知，随着休牧年限的延长，各样地之间的土壤容重表现出明显的差异：在0～100cm土层，2014年>2013年>2012年，2012年、2013年与2014年差异显著(P<0.05)。随着土层深度的增加，各样地土壤容重均呈现逐渐增大的趋势。在0～50cm土壤中，2014年修复的土壤显著高于2012年未修复土壤(P<0.05)。随着土层深度的增加，差异不显著。

由表3可知，土壤有机碳含量随土壤层次的加深而呈现逐渐降低的趋势。草原实行人工修复后，各土层有机碳含量均高于2012年。2012年在30～100cm土层土壤有机碳与其他修复年限差异均不显著(P>0.05)。在0～100cm剖面尺度上，有机碳含量随着修复年限的增加而增加。2013年和2014年在0～10cm土层差异不显著(P>0.05)，但是显著大于2012年(P<0.05)。2013年和2014年在10～30cm土层差异不显著(P>0.05)，2014年显著高于2012年P<0.05)。

表3 土壤有机碳储量

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

2.4 草原有机碳储量

由表4可以看出，草原生态系统主要为土壤碳储量，其次为地下碳储量，最少为地上碳储量。2012年、2013年和2014年，草原生态系统碳储量总计为8万吨、8.78万吨和9.6万吨。2013年碳储量比2012年增加8.75%，2014年碳储量比2013年增加10.26%。说明经人工修复后，草原生态系统的碳储量明显增加。由表4可以看出，地上碳储量2014年比2012年增加1226.88吨，地下碳储量2014年比2012年增加1597.46吨，土壤碳储量2014年比2012年增加1.6万吨。

表4 有机碳储量

3 结论

草原作为一个碳库，由土壤、植物地上部分、地下根系和枯落物4个部分组成。生物量碳作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源〔11〕。人工修复可以使草地植被得到有效的恢复与更新，有利于草地的可持续利用。随着草地修复期限的延长，草原有机碳密度表现为显著的增加趋势，表明在修复过程中草地系统是一个碳汇。人工修复草地对草地固碳过程和机理研究尚有待深入。不同区域、不同退化程度的草地，会因休牧季节、休牧年限影响系统有机碳的累积，因此需要开展长期、系统的联网试验研究，为国家制定区域有针对性的人工修复草地提供科学依据。

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2015-03-20

周天荣(1989-)，女，蒙古族，内蒙古呼伦贝尔市人，农学研究生，主要从事天然牧草裹包青贮研究。

格根图，硕士生导师，主要从事饲草料加工与贮藏科研工作。

S812

A

2095—5952(2015)02—0026—05