草地植被低矮稀疏化对土壤温度的影响

宋彦涛，乌云娜，张凤杰，霍光伟，程永睿，巴德玛嘎日布

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605;

2.新巴尔虎右旗草原工作站，内蒙古 新巴尔虎右旗 021300)



草地植被低矮稀疏化对土壤温度的影响

宋彦涛1，乌云娜1，张凤杰1，霍光伟1，程永睿1，巴德玛嘎日布2

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605;

2.新巴尔虎右旗草原工作站，内蒙古 新巴尔虎右旗 021300)

摘要：土壤温度在草地生态系统过程中具有重要作用，人类活动导致草地植被低矮稀疏化，从而引起土壤温度的变化。利用枯落物和立枯物模拟植被的低矮稀疏化过程，并测定不同土层中温度的变化，结果显示：在植物生长季，随着土壤深度的增加，不同枯落物和立枯物处理方式对土壤温度的影响逐渐减小；随着枯落物量减少和立枯物高度、密度的降低，各土层温度都显著增加；枯落物量每减少100 g·m-2，0～25 cm土层的温度升高0.28 ℃；当立枯物密度最大时，立枯物高度每降低10 cm，0～25 cm土层的温度升高0.81 ℃；不同立枯物处理下，土壤温度的日变化动态呈双峰型，5 cm土层温度比15 cm土层温度对植被低矮稀疏响应更敏感。

关键词：土壤温度；低矮稀疏；气候变化；立枯物

Effect of Grassland Vegetation Shortness and Sparseness

人类活动导致了植被覆盖的变化[1]。在地球上的不同地区，人类活动不仅导致了植被类型的变化，而且消耗了大量的初级生产，强烈地影响着地球上的生态系统[2]。在一些地区，即使植被类型没有发生变化，但至少叶面积指数呈现大量减少的现象[3]。这导致自然植被的盖度越来越少，地球上有40 %的草地存在低矮稀疏化现象[1]。例如中国东北的松嫩草地，过度放牧使很大比例的草地裸露，枯落物减少，草地变得低矮稀疏[4]。人类在陆地生态系统中的其他活动，如砍伐森林、城市化过程，也有类似的结果[1,5]。自然植被的低矮稀疏化现象几乎存在于所有的景观中，然而却很难进行精确的研究[6]。

土壤温度是决定土壤生物化学反应的一个重要因子，如伴随着CO2释放，氮矿化对土壤温度有着强烈的依赖，同时土壤温度也是植物和土壤生物生长的驱动因子，如植物根系生长和种子发芽[7]。在全球变化的背景下，土壤增温对生物地球化学循环的正负反馈有着长期的潜在影响，并与地表的能量平衡直接相关[8]，因而研究植被低矮稀疏化过程中土壤温度的变化规律具有重要的意义。本研究利用不同量的枯落物和不同高度、密度的立枯物模拟植被低矮稀疏化过程中不同层土壤温度的变化。

1材料与方法

1.1　实验地概况

研究地点位于中国科学院长岭草地农牧生态研究站(44°33′N, 123°31′E，海拔145 m)。该区属于温带大陆性季风气候：春季干旱多风且降水稀少；夏季降水集中，冬季降雪较少，年均温4.9 ℃，≥10℃积温2 920 ℃，无霜期140~160 d，年日照时数2 800 h。年降水量300~500 mm，集中在6-9月，这个时期降水量占总降水量的70 %，年蒸发量1 600 mm。该地区地势平坦，海拔140~160 m，以低地平原为主，有带状固定沙丘分布。地带性土壤为黑钙土，pH值为7.5~9。

1.2　方法

实验采用完全随机设计，时间为两个植物生长季(5-9月)。每年返青前清理地表，以实验地周围的风干枯草均匀平铺于地表模拟枯落物，每平方米0，200，600，1 000 g，小区面积1.5 m×1.5 m，共4个处理；以芦苇茎固定于地表模拟立枯物，4个高度(10，30，50，60 cm)和3个密度(芦苇茎间距：5，15，25 cm)，裸地为对照(CK)，设60 cm*5 cm(高度*间距)、50 cm*5 cm、30 cm*10 cm、10 cm*25 cm和CK 5个处理，小区面积1.2 m×1.2 m。

用曲管地温计测量地下5，10，15，20，25 cm层的温度，从5-9月每半个月测量一次，每次记录当天8：00、14：00，20：00点的温度。为了研究温度的日变化动态，在第二年用NYZ-Ⅲ型多点温度自动观测仪(长春气象仪器研究所，2007年)从8月5日到9月11日连续观测立枯物处理5 cm和15 cm层的土壤温度，每小时记录一次。

1.3　 数据分析

曲管地温计测量的数据：一天三个时间段的平均值计为当天的温度，整个生长季观测天数的平均值作为生长季的温度，最终结果为两年的平均值。NYZ-Ⅲ型多点温度自动观测仪测量的数据：计算每天24 h、38 d的平均值。数据用SPSS 13.0 (2004, SPSS Inc., USA)进行统计计算和线性回归分析，0.05水平显著性检验。

2结果与分析

2.1　枯落物和立枯物处理土壤各层温度的变化

不同枯落物处理对土壤各层温度的影响有相同的趋势，即随着土壤深度的增加，温度逐渐降低，枯落物量越大，不同土层间的温差越小(如图1(a))。1 000 g·m-2处理5 cm层和25 cm层土壤温度分别为23.7℃和21.2℃，相差2.5℃，而对照5 cm层和25 cm层土壤温度分别为28.5℃和22.8℃，相差5.7℃。对每层的土壤温度来说，随着枯落物的减少，温度逐渐升高，并且土层越深，升高的幅度越小。对照比1 000，600，200 g·m-2处理的5 cm层土壤温度分别高4.8，4.2，2.5℃。地表0～25 cm层的平均值，对照比1000，600，200 g·m-2分别高2.7，2.4，1.2℃。5，10，15，20，25 cm层每减少100 g枯落物，温度分别升高0.44，0.26，0.24，0.18，0.28℃，但10 cm层温度的增温趋势不显著。

(a)枯落物

(b)立枯物

注：直线为趋势线，平均为0～25 cm层的平均值，a为回归系数，*表示在0.1水平上显著，**表示在0.05水平上显著，***表示在0.01水平上显著。

立枯物处理的土壤各层的温度随深度的变化与枯落物相似，即随着深度的增加，各处理的土壤温度逐渐降低。可以分为明显的三层，5 cm为一层，10~15 cm为一层，20~25 cm为一层，地表以下25 cm内的平均值与10~15 cm层相当(如图1(b))。立枯物越高、密度越大，5 cm层到25 cm层的温度变化越小，随着低矮稀疏化过程，变化范围逐渐增大。60cm*5cm处理的变化范围为23.8℃～21.0℃，而对照的变化范围为29.2℃～23.4℃。随着立枯物高度的降低、密度的减少，各层温度都有显著的增加趋势，并且距地表越近，增加趋势越大。

相同密度不同高度的情况下，随着高度的降低土壤各层的温度逐渐升高。间距为5 cm的立枯物随高度的降低各层土壤温度都有显著的升高趋势(见表1)，高度每降低10 cm，5，10，15，20，25 cm层的温度分别升高1.24,0.93,0.77,0.60,0.53℃，地表以下25 cm内平均温度的回归方程为：Y=0.8131x+ 21.7 (P = 0.018，R2= 0.913)。间距为15 cm和25 cm的立枯物随高度降低，各层土壤温度有上升的趋势，但不显著。相同高度不同密度的情况下，虽然随着密度的降低各层土壤温度有上升的趋势，但不显著。

表1　不同立枯物高度，间距为5 cm的立枯物处理下

注：平均为25 cm层内各层温度的平均值，*表示在0.1水平上显著，**表示在0.05水平上显著，***表示在0.01水平上显著。

2.2　立枯物处理土壤温度的日变化

立枯物处理土壤温度的日变化曲线呈双峰型：一个最高值和一个最低值，15 cm层土壤温度的日变化曲线相对平缓(如图2)。5 cm层土壤温度在14：00时达到日最高温，日最低温出现在早晨5：00时，且随着立枯物高度和密度的降低，日变化曲线的峰值逐渐突出，60 cm*5 cm和50 cm*5 cm处理的日最高温要明显的低于其他三个处理，对照比60 cm*5 cm处理的最高温高6.6℃，各处理的日最低温相差不大(如图2(a))；15 cm层土壤温度则有很大的滞后性，一天内日最高温、最低温出现的时间分别为17：00～18：00时和8：00时，且立枯物高度越高，密度越大，日最高温出现的时间越晚，60 cm*5 cm和50 cm*5 cm日最高温出现在18：00时(如图2(b))。

图2　立枯物处理土壤温度的日变化曲线

3讨论

草地学家们强调枯落物在维持草地健康和生态系统功能方面起着重要作用[8]，但刈割和放牧几乎消耗了所有的植物生产，枯落物的积累接近零。本实验调查的割草场的枯落物为20～30 g·m-2，然而相对于枯落物最佳积累量500～600 g·m-2[9-10]来说，割草场基本上全部利用了植物生产。地表至25 cm层的土壤温度在生长季模拟枯落物从1000 g·m-2到0 g·m-2增加了2.69℃，回归的结果显示，随枯落物减少，温度升高的幅度为0.28℃每100 g。随着立枯物高度和密度的降低，土壤温度有更明显的升温趋势。因此，枯落物和立枯物的减少对土壤温度有显著的影响，而土壤温度对草地生态系统又有潜在的复杂影响[11]。

由于超载放牧、过度刈割、药用植物和燃料植物的无节制利用，松嫩草地已出现严重退化[4, 12]。松嫩草地的初级生产在20世纪50年代为400 g·m-2左右，目前由于重度放牧和其他的一些因素，草地的初级生产在一些保护区内大约有300 g·m-2，然而80 %的地区草地生产力不足200 g·m-2，有的地方甚至为裸地，没有植物生产[13]，退化明显的表现为高度和密度的降低及盖度的减少。在20世纪50年代早期、60年代和90年代，实验研究区域羊草群落的高度分别为80，60，40 cm，这期间对应夏季的植被盖度分别为 85 %，70 %～80 %和 60 %～70 %。而且，退化严重的地区植被平均高度仅为10～15 cm，盖度仅为10 %～20 %[12-13]。这种情况下，植被类型没有改变，草地仍然是草地，但是群落的高度和密度降低了，即可概括为草地群落低矮稀疏化。草地植被盖度减少，降低了植被对其覆盖地表的遮阴作用，因而增加了土壤温度。实验研究显示了植被高度和密度的减少会显著增加土壤温度，这可能有助于长期土壤温度的升高。土壤温度升高，会增加土壤蒸发，影响植物对水分的利用，反过来限制退化草地的恢复[11, 14]。有研究表明，内蒙羊草草原放牧降低了群落的高度和密度，增加了土壤温度，减少了土壤湿度，因而降低了草地生产力[15]。本实验结果表明，植被的低矮稀疏化对土壤温度有很大的影响，并且土壤温度变化将会影响土壤的生物化学过程和养分循环。

4结语

人类过度利用草原导致植被变矮，密度变稀，枯落物量变少，会显著增加土壤温度，从而改变不同土壤层温度动态和地气温差不对称格局，影响草地生态系统自然的发展过程。本文研究表明了在全球气候变化过程中生态系统过程发生的变化，可为有效减缓全球气候变化和提高草地管理提供新思路和基本依据。

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(责任编辑邹永红)

on Soil Temperature in Shallow Layers

SONG Yan-tao1, Wuyunna1, ZHANG Feng-jie1, HUO Guang-wei1,

CHENG Yong-rui1, Bademagaribu2

(1.College of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;

2.Grassland Station of New Barag Right Banner, New Barag Right Banner Inner Mongolia 021300, China)

Abstract:Soil temperature is an important factor in determining process of grassland ecosystem. Human activities make the sward become shortness and sparseness, and it results in changing of soil temperature. This study setting up an experiment that different amount of plant litter and standing litter effecting on soil temperatures was aimed to simulate soil temperature response to vegetation shortness and sparseness in Songnen grassland, Northeast China. Results showed that the effect of plant litter and standing litter treatments on soil temperature reduced gradually as soil layers increased in the growing season. Soil temperature at every layer increased significantly as the amount of litter and the height and density of standing litter decreased. Soil temperature at 0-25 cm layer increased 0.28 ℃ with plant litter decreasing 100 g·m-2. Soil temperature at 0-25 cm layer increased 0.81 ℃ with standing litter height decreasing 10cm when the standing litter density was maximum. The soil temperature daily dynamics responding to stand litter treatments were bimodal, and mean daily 5cm soil temperatures were more fluctuating compared with 15 cm soil temperatures.

Key words:soil temperature; shortness and sparseness; climate change; standing litter

中图分类号：Q948.15

文献标志码：A

文章编号：2096-1383(2016)01-0007-04

作者简介：宋彦涛(1982-)，男，河南许昌人，讲师，博士，主要从事环境生态学研究。

基金项目：国家自然科学 (31470504，31500366)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201501070101，DC201501070402)；人力资源和社会保障部2015年度留学人员科技活动择优资助项目。

收稿日期：2015-09-30；最后修回日期：2015-11-09