不同利用方式对鄂尔多斯典型草原植物群落与土壤碳储量的影响

苏楞高娃

(呼和浩特民族学院，内蒙古呼和浩特 010051)

不同利用方式对鄂尔多斯典型草原植物群落与土壤碳储量的影响

苏楞高娃

(呼和浩特民族学院，内蒙古呼和浩特 010051)

本文以鄂尔多斯温性典型草原植物群落与土壤为研究对象，选取当地较为常见的3种草地管理方式，即全年禁牧、冷季放牧及全年放牧的草地设置实验样地，探讨不同管理方式对草地植物群落特征和植被-土壤碳储量的影响。结果表明：⑴不同管理方式下，鄂尔多斯典型草原植被盖度、高度、生物量、物种数均表现为：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)，根冠比为：冷季放牧>全年禁牧>全年放牧(p<0.05)；⑵植物碳储量为：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；⑶土壤碳储量为：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧(p>0.05)；⑷植被-土壤总碳储量为：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧(p>0.05)，植被-土壤总碳量中土壤碳储量的比重在3中管理方式下均占96%以上，远大于植被碳储量比重。

典型草原；管理方式；碳储量

1 引言

草地生态系统作为陆地最重要的生态系统之一，其生态服务功能的发挥对于维持全球及区域平衡具有极其重要的作用。然而草地生态系统作为人们赖以生存和发展的重要自然资源，极易受到人类活动的影响，人类活动改变着其原有的分布、结构和功能〔1〕。人类对草地的利用和管理方式通常直接影响地表的植被覆盖状况和群落组成等群落特征，进而影响土壤有机质的积累和分解速率以及整个生态系统功能的兴旺和衰退。草地利用和管理方式变化造成的草地生态系统的改变往往具体表现为群落物种结构组成、生物多样性水平和生产力水平变化、系统碳积蓄能力等生态系统要素及功能的改变〔2〕。因此，在全球变化背景下，研究不同利用和管理方式对温性荒漠草原群落及植被—土壤系统碳储量的影响，对我们深入地掌握草地生态系统退化机理，科学保护、合理利用和有效恢复草地生态系统具有重要意义。本文分析了不同利用方式对鄂尔多斯典型草原群落及碳储量的影响，以期为该地区草地资源的合理利用提供依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

该区属半干旱草原气候，冬寒夏炎，年温差日较大。本区多年平均气温6.2℃，日最高气温38℃，日最低气温-31.4℃，多年平均降水348.3mm，降水多集中在7、8、9月，多年平均蒸发量2506.3mm，以5-7月份为最大，年平均风速3.6m/s,最大风速可达22m/s。鄂尔多斯地处于草原、荒漠及其过渡地带，主要植被类型是以沙生、旱生半灌木为主的干草原和荒漠草原。从东向西北，境内植被依次可划分为典型草原、荒漠草原和草原化荒漠。鄂尔多斯典型草原主要植被是以小半灌木蒿类为主的群落，在高亢、向阳的生境上保存有小片的长芒草草原群落，在沙丘间的低湿滩地上有草甸、盐生草甸、沼泽草甸、中生灌木等植被类型。鄂尔多斯土壤主要以风沙土、棕钙土、栗钙土为主。面积最大的土类是风沙土，占鄂尔多斯土壤总面积的48.9%。占第二位的是棕钙土，主要分布在鄂尔多斯的西半部，占鄂尔多斯土壤面积的18.8%。栗钙土主要分布在鄂尔多斯的东部，占鄂尔多斯土壤总面积的11.8%，在鄂尔多斯各类土壤中占第三位。

2.2 研究方法

2.2.1 样地及样方的布设

野外调查工作于2011年9月在鄂尔多斯进行，共调查了15个样地，样地详细信息见表1。在样地内依据典型性原则，选择能够代表整个样地草原植被、地形及土壤等特征的地段，按一定方向设置100m样线，每隔10m布设一个1m×1m的样方，其中5个样方(不分种样方)测定群落特征数据及取植物、土壤样品，5个样方(分种样方)测定植物生物多样性数据。

表1 鄂尔多斯温性典型草原样地信息表

2.2.2 采样方法

(1)群落高度：测定样方植物平均自然高度；

(2)群落盖度：样方内植物投影面积为样方总盖度(目测法估测)；

(3)样方内植物种数：每个样方内总植物种数；

(4)植物地上生物量样品取样方法：用收获法，将样线上5个不分种样方内植物地面以上的所有植物用剪刀齐地面刈割，装进信封，称鲜重，用铅笔做好标记。带回实验室65℃烘干，称量干重记录后备用于碳含量测定；

(5)植物地下生物量取样方法：用土钻法，在取过地上生物量的样方内，用7cm根钻取根系，采集0-100cm土样，将样品装在尼龙纱袋中，并用塑料标签写好样方号，进行漂洗后装进信封并标记好，65℃烘至恒重，称重记录后备用于碳含量测定；

(6)土壤样品取样方法：用土钻法，在取过地上生物量的样方内将样方土壤表层的残留物和杂质清理干净，然后用5cm直径土钻分0-5-10-20-30-50-70-100cm共7层依次取样，装进自封袋带回实验室自然风干，备用于碳含量测定；

(7)土壤容重取样：土壤容重指的是单位容积原装土壤(包括土粒及粒间孔隙)干土的质量，通常以g/cm3表示。本实验采用环刀法，挖出一个长宽高为1.5m×0.5m×1m(长×宽×深)的取样坑，样方土壤表面的植物残留物和杂质清理干净，用环刀按照0-5-10-20-30-50-70-100cm的深度从上至下取样，每层取5个重复。环刀规格为高度5cm，体积一般为100cm3。

2.2.3 室内分析

2.2.3.1 样品分析

测定植物及土壤样品的碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法(GB7857-87)。

2.2.3.2 数据分析

(1)植物单位面积碳储量：

根据室内实验获得含碳量数据的和生物量，通过公式(3，4，5)计算出植物单位面积碳储量(g/m2)的值。

AVC=Cag×Bag

(3)

AVC—地上部单位面积碳储量，Cag—地上部分含碳量，Bag—地上部分生物量

UVC=Cug×Bug

(4)

UVC—地下部单位面积碳储量，Cug—地下部分含碳量，Bug—地下部分生物量

TVC=AVC+UVC

(5)

TVC—植物总单位面积碳储量

(2)土壤单位面积碳储量：

根据室内试验获得的土壤容重和含碳量数据，通过公式(6，7)计算出土壤单位面积碳储量(g/m2)的值。

SOCi=Hi×Di×Ci

(6)

SOCi—i层土壤单位面积碳储量，Hi—i层土层高度，Di—i层土壤容重，Ci—i层土壤含碳量

TSC=∑SOCi

(7)

TSC—土壤总单位面积碳储量

数据分析用Excel2003和SAS9.0进行标准化基本统计分析以及单因素方差分析。

3 结果分析

3.1 不同利用方式对草地植物群落的影响

不同管理方式对鄂尔多斯典型草原群落的影响显著，3种管理方式中全年禁牧使放牧、人类活动无法对植被造成干扰，因此全年禁牧草地群落特征指标显著优于放牧草地(冷季放牧和全年放牧)群落特征指标。具体表现为：盖度：全年禁牧>全年放牧>冷季放牧(p<0.05)；高度为：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；物种总数表现为全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；总生物量排序为：全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(p<0.05)；全年放牧草地盖度与地上生物量显著高于冷季放牧草地(p<0.05)，但地下生物量反之(p<0.05)；3种管理方式下的全年放牧、冷季放牧、全年禁牧草地根冠比分别为11.63、23.8、18.1，不同管理方式下根冠比差异显著(详见表2)。

表2 不同利用方式对鄂尔多斯温性典型草原群落的影响

3.2 不同利用方式对草地碳储量的影响

3.2.1 不同利用方式对草地植被碳储量的影响

不同管理方式对鄂尔多斯典型草原植被碳储量的影响显著。植被地上部分碳储量、地下根系碳储量和植被总碳储量在3种管理方式中均呈显著差异(p<0.05)，表现为：全年禁牧草地植被碳储量最大，冷季放牧草地的次之，全年放牧草地的最小(详见表3)。

表3 不同利用方式对鄂尔多斯温性典型草原植被碳储量的影响

3.2.2 不同利用方式对草地土壤碳储量的影响

由表3分析，鄂尔多斯典型草原全年放牧、冷季放牧和全年禁牧3种利用方式下的土壤单位面积碳储量分别为3668.3g/m2、3932.3g/m2、3149.4g/m2，冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但无显著差异(p>0.05)。

表4 不同利用方式对鄂尔多斯温性典型草原土壤碳储量的影响

3.2.3 不同利用方式对草地植被-土壤总碳储量的影响

本研究结果显示，在全年放牧、冷季放牧、全年禁牧3种草地管理方式下，鄂尔多斯典型草原的植被-土壤总碳储量分别为3701.1g/m2、4015.2g/m2、3268.6g/m2(详见表5)，冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但无显著差异(p>0.05)；3种管理方式下的土壤碳储量均占植被-土壤总碳储量的96%以上，远远大于植被碳储量。

表5 不同利用方式对鄂尔多斯温性典型草原植被-土壤总碳储量的影响

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 不同利用方式对植被群落的影响

草地植被变化是草地对放牧干扰最直接的响应，放牧不仅可以直接改变草地植物的形态特征，而且还可以改变草地群落的组成、结构和生产力〔3〕。本研究结果显示，鄂尔多斯温性典型草原全年禁牧草地群落盖度、高度、地上地下生物量及物种数显著高于放牧草地的(冷季放牧和全年放牧)，放牧降低了草地植被盖度、高度、生物量和物种多样性等指标。

根冠比是植物体光合作用产物分配的重要体现，被众多陆地生态系统模型作为计算光合产物向植物地下部分分配的依据〔4〕。许多研究表明，植物在不同环境条件下的资源分配格局反映了植物生长对环境的响应规律和资源分配对策〔5-8〕，放牧能够改变牧草各器官之间固有的物质与能量分配模式〔9〕。本文中，3种利用方式下根冠比为冷季放牧>全年禁牧>全年放牧。全年放牧草地根冠比最低是由于家畜的采食踏，导致植物光合面积骤减，影响了植物的正常发育，供给地下根系的营养物质减少，使得地下根量在整个生长季增加较少，即放牧过度造成地下生物量下降造成。这与黄德青等对祁连山北坡天然草地地下生物量研究结果一致〔10〕。而冷季放牧草地虽然牲畜采食和践踏，导致其地上生物量受损，但冷季放牧草地较全年放牧草地，牲畜对草地的压力较轻，地下生物量受放牧影响较少，故具有较高的群落根冠比。

4.1.2 不同利用方式对草地-土壤碳储量的影响

草地为陆地生态系统的主体，草地在全球碳循环中具有举足轻重的作用。草地碳储量占全球陆地总碳储量25.6%，仅次于森林碳储量〔11〕，草地生态系统中碳储量是温室气体CO2的主要源与汇。然而草地生态系统碳积蓄和释放过程极为复杂，草地碳储量与温度、湿度等诸多因素有关。当草地利用和管理方式不同，导致植被覆盖度、生物量等不同，土壤温度及结构随之发生变化，与之对应的土壤CO2积蓄与释放量产生变化，最终影响到土壤有机碳储量的分布。

本研究结果显示，在不同管理方式下鄂尔多斯温性典型草原的植被碳储量为全年禁牧>冷季放牧>全年放牧(P<0.05)，而其土壤单位面积碳储量在不同利用方式下：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧，但差异不大。放牧样地的总碳储量高于禁牧样地，但放牧对土壤碳储量的影响不显著，这与Kellerd的研究结果一致〔12〕。

相关研究表明，土壤碳的输入主要是通过植物的输入，因此植物可以很大程度上影响土壤有机碳〔13〕。本文中在不同利用方式下植被碳储量虽然表现为全年禁牧>冷季放牧>全年放牧，但土壤碳储量却变现为冷季放牧>全年放牧>全年禁牧的趋势，出现该情况可能与下列原因有关：

(1)放牧草地生态系统中牲畜通过直接或间接影响土壤呼吸量，改变着草地土壤的碳储量。践踏影响草地土壤的物理结构，如紧实度、渗透率等，降低土壤中CO2浓度的流通，导致土壤呼吸强度减弱；家畜的排泄改变了土壤表层的养份，土壤微生物和根系的代谢活动出现不同程度的改变，从而对土壤呼吸产生作用〔14〕。另外，土壤中的有机碳绝大部分是凋落物、植物根系等经微生物分解形成，大小主要受枯枝落叶层输入量和分解速率决定〔15〕。冷季放牧草地和全年放牧草地土壤结构较紧密，不利于有机碳的分解，并且放牧草地家畜的践踏有利于枯落物的物理破碎，并使凋落物和表层土壤更好地搅拌融合，有助于提高凋落物分解速率和碳周转速率可能造成放牧草地土壤碳储量大于禁牧草地土壤碳储量的趋势。

(2)相关研究表明，土壤碳储量在不同退化阶段各不相同，在轻度退化阶段达到最大，之后随退化程度加剧出现先增加后减小的趋势〔13〕。本研究经群落重要值分析发现，鄂尔多斯典型草原在不同利用方式下的退化程度结果为：全年放牧样地的退化等级2.0，退化最严重，其次是冷季放牧3.0，全年禁牧样地的退化等级为4.0。本研究中土壤单位面积碳储量在不同利用方式下：冷季放牧>全年放牧>全年禁牧。即放牧地土壤碳储量高于禁牧地可能与草地退化程度有关。

表6 不同利用方式下的退化程度

4.2 结论

4.2.1 放牧导致鄂尔多斯典型草原植物群落高度、盖度、生物量、物种数等的减少。2种放牧利用方式中冷季放牧虽然明显减少草地地上生物量，但对地下生物量的影响较少。全年禁牧在提高草地群落高度、盖度、生物量、物种数上具有明显优势。

4.2.2 地上植物有机碳储量对鄂尔多斯典型草原生态系统碳储量的影响相对较小，土壤和根系有机碳储量占主导地位，对草原生态系统碳汇功能有重要的作用。

4.2.3 放牧对鄂尔多斯典型草原植被碳储量的影响显著，但对土壤碳储量和植被-土壤总碳储量的影响不显著。

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Q948.15

A

2095—5952(2016)04—0049—07

2016-08-20

苏楞高娃(1982-)，女，蒙古族，硕士研究生，主要从事草地生态学工作。