包爾吉干?安齊爾,韓國(guó)棟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 前言

有些學(xué)者認(rèn)為土地利用的變化是大氣中二氧化碳濃度升高的原因之一,它的貢獻(xiàn)率約為26%(1990～ 2000 年)〔1〕。研究表明 ,全球氣候以及碳循環(huán)的變化與人類(lèi)的活動(dòng)有著密切的關(guān)系〔2,3〕。其中以土地利用的變化而導(dǎo)致空氣二氧化碳濃度的增加尤為明顯〔4,5〕。但是,目前對(duì)于土地利用變化的研究多集中于森林的變化,而對(duì)于其它生態(tài)系統(tǒng),如草地、濕地的研究則相對(duì)較少。草地是世界上分布最廣泛的植被類(lèi)型之一,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,大氣中二氧化碳有相當(dāng)大的一部分被草地植被所固持。草地生態(tài)系統(tǒng)參與了陸地生態(tài)系統(tǒng)的全球碳循環(huán)過(guò)程,在陸地上最大的碳庫(kù)是森林,其次就是草地〔6〕,因此,草地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中也占有非常重要的地位。世界上中國(guó)是草地分布面積最廣的國(guó)家之一〔7〕,其中分布于北部的蒙古高原上的草原是中國(guó)草地的重要組成部分。近年來(lái)隨著人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力的增加,草原正在強(qiáng)烈的受到人為干擾的影響,這些人為干擾勢(shì)必影響到草原作為碳庫(kù)的功能的發(fā)揮〔8,9〕。盡管草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生物量的碳儲(chǔ)量不及森林,但草地植被的地下部分分解較緩慢,二氧化碳庫(kù)的作用明顯。因此,草地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡中仍然有明顯的庫(kù)的作用,對(duì)于全球氣候變化具有重要的作用。草原作為一個(gè)碳庫(kù),由4個(gè)分室組成:土壤、植物地上部分、地下根系和枯落物,其中根系的研究是較薄弱的部分。本文試圖從根系碳密度的變化入手,研究不同的放牧強(qiáng)度,對(duì)草甸草原植物根系的生物量及碳密度的影響,為草原的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗浩勒?qǐng)D高勒鎮(zhèn)。東經(jīng) 116°21′至 119°5′,北緯 43°57′至43°23′。氣候?qū)儆诖箨懶园敫珊禋夂?春季干旱而多大風(fēng),夏季短促而多雷陣雨,秋季涼爽而凍霜早,冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。年平均氣溫1℃,極端最高氣溫37℃,極端最低氣溫-37.5℃,年平均降水量為350mm左右,多集中于7、8月份。年平均風(fēng)速4.3m/s,以西風(fēng)和西北風(fēng)為主,大風(fēng)日數(shù)在60—90d,無(wú)霜期為106d。試驗(yàn)地海拔在1 113～1 185m之間,地貌類(lèi)型為低山丘陵區(qū),土壤類(lèi)型為暗栗鈣土。

試驗(yàn)地共出現(xiàn)種子植物126種,分屬31科,91屬,以多年生草本植物為主,伴有少量的小半灌木、灌木及1、2年生的植物。試驗(yàn)地的草地類(lèi)型為低山丘陵羊草草甸草原,中旱生的根莖禾草羊草(Leymus chinensis)為建群種,其他主要的次優(yōu)勢(shì)種為:貝加爾針茅(Stipa baicalensis)、苔草(Carex pediformis)、羽茅(Achnartherum sibiricum)、糙隱子草(Cleistogenes sguarrosa)、麻花頭(Serratula centauroides)等。

2.2 研究方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇植被類(lèi)型、土壤、地形、家庭人口及所養(yǎng)牲畜種類(lèi)及數(shù)量相似的3戶(hù)居民點(diǎn)作為研究對(duì)象,其以居住點(diǎn)中心的自由放牧的家庭牧場(chǎng),3個(gè)家庭牧場(chǎng)看做3個(gè)重復(fù)樣地。首先,以定性的方法劃分放牧梯度等級(jí),即每個(gè)重復(fù)樣地按離居民點(diǎn)的遠(yuǎn)近及植物種類(lèi)、產(chǎn)量的差異劃分3個(gè)放牧強(qiáng)度區(qū),即重度放牧區(qū)(HG)、中度放牧區(qū)(MG)和輕度放牧區(qū)(LG),另外再選擇認(rèn)為干擾較少的圍封樣地或打草場(chǎng)作為對(duì)照(CK)。2009年的8月份在試驗(yàn)地上按規(guī)定的方法進(jìn)行調(diào)查和取樣工作。

2.2.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

2.2.2.1 放牧強(qiáng)度的劃分

在每個(gè)重復(fù)樣地上,以牧戶(hù)為起點(diǎn),向外拉一條樣線(xiàn)直到牧場(chǎng)邊界。在陽(yáng)線(xiàn)上每隔20M做一個(gè)Daubenmire樣方,測(cè)植物枯落物的蓋度、植被的總蓋度、植被的生物量,以這3個(gè)指標(biāo)對(duì)整個(gè)樣地進(jìn)行聚類(lèi)得到3個(gè)放牧強(qiáng)度的范圍,HG草地的區(qū)域位于0～240m;MG草地區(qū)域位于240～760m;LG草地區(qū)域位于760～1200m〔10〕。

2.2.2.2 地下根系碳貯量的測(cè)定

采用隨機(jī)布點(diǎn)的方法在各試驗(yàn)地(包括 LG、MG、HG、CK 4種類(lèi)型)內(nèi)設(shè)置 1×1m2樣方 3塊,在每個(gè)樣方內(nèi),采用機(jī)械布點(diǎn)的方法確定3個(gè)取樣點(diǎn),然后在每個(gè)取樣點(diǎn)用根鉆(根鉆內(nèi)徑為7cm)分層取土(0～10cm,10～20cm,20～30cm,30～40cm,40～50cm,50～60cm,60～70cm,70～80cm,80～90cm,90～100cm),把 3個(gè)取樣點(diǎn)共30個(gè)樣本,裝進(jìn)孔隙度為70目的網(wǎng)袋用水進(jìn)行沖洗,待徹底沖洗干凈之后晾干倒入裝有清水的盆里用100目的土壤篩撈出根系,在85℃下烘至恒重。采集的根系樣品磨樣粉碎用元素分析儀測(cè)定根系有機(jī)碳含量。

2.2.2.3 數(shù)據(jù)的計(jì)算方法

放牧梯度以3家牧戶(hù)作為3次重復(fù)。由于每個(gè)放牧梯度設(shè)置3個(gè)樣方,每個(gè)樣方內(nèi)有3個(gè)取樣點(diǎn),因此每個(gè)放牧梯度的數(shù)據(jù)有9個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)做平均而得。

根系生物量的計(jì)算公式如下:

RBi=Wi/π(D/2)2104

式中,RBi為第i層的每平方米根系的生物量(單位為g/m2);wi為第i層的每鉆的根系重量(單位為g);D為根鉆的內(nèi)徑(7cm)。

根系碳密度的計(jì)算公式如下:

RCD i=RBi×Ci

式中,RCDi為第i層根系有機(jī)碳密度(g/m2),RBi為第i層的每平方米根系的生物量(單位為g/m2)Ci為第i層根系的有機(jī)碳含量(%)。

2.2.2.4 根系理化分析測(cè)定方法

最后對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用SAS V 8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 放牧強(qiáng)度對(duì)地下生物量的影響

不同的放牧強(qiáng)度對(duì)植物根系生物量具有一定的影響。從表1可以看出,植物根系在各個(gè)深度及總體上生物量的大小依次是輕度放牧＞對(duì)照＞中度放牧＞重度放牧。根系與植物有著直接的關(guān)系,根系的增長(zhǎng)將直接導(dǎo)致植物的生長(zhǎng),有利于增加草原的地上部分的生產(chǎn)量。

表1 不同放牧強(qiáng)度下各個(gè)深度的植物根系生物量

圖1 不同深度根系生物量

顯著水平(F=256.03,P＜0.0001)

圖1我們可以看出根系的生物量在0～50cm之內(nèi),隨著深度的增加會(huì)顯著的減少但是在60cm以后就沒(méi)有了顯著的差異。而且0～50cm的根系生物量占總根系生物量的82.13%,因此0～50cm的根系在研究根系生物量的問(wèn)題中具有代表意義。

3.2 放牧強(qiáng)度對(duì)根系碳密度的影響

圖2是不同放牧強(qiáng)度下0～100cm根系的碳密度的平均值,就圖中我們可以看出對(duì)照和輕度放牧根系碳密度顯著高于中度放牧和重度放牧草地,差異達(dá)到了極顯著水平(F=48.07,P＜0.0001)。對(duì)照與輕度放牧,中度與重度放牧之間沒(méi)有顯著差異(P＞0.05)。方差分析沒(méi)有顯著差異的原因是重復(fù)之間的誤差較大導(dǎo)致的,這也是放牧干擾的特點(diǎn)即“不均勻性”但是總體來(lái)看,隨著放牧強(qiáng)度的增加根系碳密度在減少。輕度放牧的碳密度最高,其次對(duì)照,而后是中度放牧,重度放牧的碳密度最低。這說(shuō)明放牧強(qiáng)度的增加明顯降低了植物根系的碳密度。但是比起圍欄草場(chǎng)的對(duì)照區(qū),輕度放牧的植物根系碳密度高于對(duì)照區(qū)。因此適當(dāng)?shù)姆拍劣欣谠黾又参锔档奶济芏取?/p>

圖2 不同放牧強(qiáng)度根系碳密度

圖3 不同放牧強(qiáng)度下0～100cm根系的碳密度

圖3是在用不同的放牧強(qiáng)度下在0～100cm的根系碳密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行乘冪函數(shù)計(jì)算得出的趨勢(shì)線(xiàn)圖。4個(gè)不同的處理植物的根系碳密度隨著根系深度的增加均呈現(xiàn)成冪函數(shù)關(guān)系(圖3,圖4)。從上圖可以看出輕度放牧(L)始終是最上面的,其次是對(duì)照區(qū)(CK),再者是中度放牧區(qū)(M),最后是重度放牧區(qū)(H)。而且曲線(xiàn)的曲率由大到小分別是H＞M＞CK＞L,因此前幾層根系深度的碳密度重度放牧的下降速率最快,然后是中度,而后是對(duì)照,最后為輕度放牧。放牧強(qiáng)度對(duì)各層根系碳密度的顯著影響在10～70cm深度之間(F＜0.05)。該結(jié)果表明,除了輕度放牧,放牧強(qiáng)度的增加減少了植物根系碳的攝入量。尤其是淺層深度的根系(0～50cm的根系),放牧強(qiáng)度越高淺層根系的碳流失越大。根系的營(yíng)養(yǎng)成分取自于土壤,因此根系的碳密度含量的變化也直接體現(xiàn)了土壤的碳密度的變化。有研究表明,在一定的放牧強(qiáng)度下放牧可以增加土壤的有機(jī)質(zhì),但其僅限于表層土,對(duì)深層土沒(méi)有影響〔11〕,表層土壤有機(jī)質(zhì)變高的原因是,沒(méi)有放牧?xí)r,枯死的植物以立枯狀態(tài)保持很久,這不利于土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充;而在放牧情況下牲畜加速了立枯進(jìn)入土壤中分解成有機(jī)質(zhì)的過(guò)程,所以對(duì)表層土壤影響較大〔12〕。

3.3 根系碳密度與根系深度的關(guān)系

圖4 根系碳密度與根系深度的關(guān)系

根系的碳密度與根系深度呈明顯的乘冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)最小值為R2=0.9583已達(dá)到顯著水平(圖3,4),隨著根系深度的增加根系的碳密度不斷的減少。但是在前4層減少的速率較高而后減少速率逐漸變小,到后來(lái)無(wú)限接近x軸而不交叉。這說(shuō)明,根系的碳密度與根系深度不是線(xiàn)性關(guān)系,隨著根系的加深碳密度會(huì)逐漸減少。而是在0～40cm的深度內(nèi)根系的碳密度會(huì)顯著的減少(F=214.24,P＜0.0001),然后減少的速率逐漸變小到90～100cm時(shí)變化基本很小。因此根系的碳密度的變化基本在0～60cm的深度之間。

4 結(jié)論

4.1 不同放牧強(qiáng)度對(duì)植物根系的生物量有明顯的影響。根系生物量會(huì)隨著放牧強(qiáng)度的增加而減少。

4.2 根系的碳密度與根系深度呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。隨根系深度的加深,根系碳密度會(huì)逐漸減少,但減少的速率會(huì)逐漸變慢無(wú)限接近于零。

4.3 根系的碳密度隨著放牧強(qiáng)度的增加會(huì)有顯著的減少。放牧強(qiáng)度越高根系0～50cm深度的根系碳密度減少的速率會(huì)越快。

4.4 輕度放牧條件下根系的生物量、碳密度是最高的。顯著大于中度和重度放牧草地并且要好于對(duì)照區(qū)。

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