李文, 曹文俠, 師尚禮, 李小龍, 陳建剛, 徐長林

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070)

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放牧管理模式對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量特征的影響

李文, 曹文俠*, 師尚禮, 李小龍, 陳建剛, 徐長林

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070)

為探討不同放牧管理模式高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量特征的變化，對青藏高原東緣禁牧(NG)、全生長季休牧(RG)、傳統(tǒng)放牧(TG)和連續(xù)放牧(CG)4種放牧管理模式高寒草甸地上植被、地表凋落物、根系和土壤有機碳、氮儲量進(jìn)行測定和分析。結(jié)果表明，1)NG、RG和TG較CG顯著提高了土壤、根系、植被和凋落物有機碳、氮儲量。2)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳儲量所占比例最大(88.859%～98.242%)，其次為根系(1.563%～8.742%)，再次為植被(0.172%～1.430%)，最小為凋落物(0.022%～0.969%)；氮儲量所占比例最大的是土壤(97.331%～99.633%)，其次為根系(0.316%～2.071%)，再次為植被(0.047%～0.442%)，凋落物最小(0.003%～0.157%)。3)不同放牧管理模式土壤有機碳、氮儲量具有明顯的垂直分布特征，隨土壤深度的增加土壤有機碳、氮儲量明顯降低。為期4年不同放牧模式僅對0～40 cm土層土壤有機碳、氮儲量有影響。4)土壤有機碳、氮儲量主要分布在0～40 cm土層，同時，放牧有使有機碳、氮向深層轉(zhuǎn)移的趨勢。5)NG、RG和TG顯著提高了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量，而CG顯著降低了總有機碳、氮儲量，導(dǎo)致有機碳、氮的流失。禁牧和季節(jié)性休牧能有效增加青藏高原東緣高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量，實現(xiàn)碳、氮增匯的目的，是該區(qū)和類似區(qū)域草地放牧管理的重要模式。

高寒草甸；放牧管理；有機碳儲量；氮儲量

隨著含碳溫室氣體濃度的增加、溫室效應(yīng)和全球變暖的加劇，氣候變化已成為全球首要問題之一[1]。土壤有機碳庫是地球表層生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，全球約1550 Pg有機碳儲存于土壤中，約為大氣碳庫的2倍[2]；采用合理管理措施提高土壤碳貯量是緩解氣候變化的重要途徑[3]。草地作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，貯存著全球近1/4的有機碳，是非常重要的碳匯[4-6]，土壤碳返還大氣是目前全球碳增加的一個重要方面[7]。

青藏高原是世界上海拔最高、面積最大、形成最晚的高原，同時也擁有我國面積最大的天然草地。青藏高原草地面積約1.2×106km2，占其陸地面積的48%以上，該區(qū)氣候嚴(yán)酷、環(huán)境惡劣，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，對全球氣候變化反應(yīng)非常敏感[8]。由于氣溫低，凋落物和地下死根不易分解，生態(tài)系統(tǒng)同化的有機碳可長期儲存于地下根系和土壤中，我國高寒草地碳儲量約占全國草地生態(tài)系統(tǒng)的48.1%，其中95%的碳儲存在土壤中，約占全國土壤碳儲量的49%[9]。因此，青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡貢獻(xiàn)巨大，對維持區(qū)域乃至全球植被與大氣間的碳平衡也起著極為重要的作用。放牧是草地最主要的土地利用形式，但目前廣大牧區(qū)對草地的利用往往是整季，甚至全年連續(xù)放牧，這種不合理放牧模式加劇了草地的退化。草地退化亦將引起生態(tài)系統(tǒng)功能和碳收支格局的變化，進(jìn)而對局部乃至全球氣候變化造成影響[10]。合理放牧模式和放牧?xí)r期的確定對草地健康發(fā)展和可持續(xù)利用具有重要意義[1,11]。放牧也是影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的重要因素，放牧模式與放牧強度的合理與否，直接影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯功能[12]。胡向敏等[13]研究表明，圍欄封育和劃區(qū)輪牧促進(jìn)了短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量積累；Xiong等[14]研究表明，圍欄封育后高寒草甸土壤碳氮儲量顯著增加；何貴永等[15]的研究表明，青藏高原東緣高寒濕地有機碳含量表現(xiàn)為全年禁牧地>冬季放牧地>全年放牧地，且差異顯著。三江源區(qū)退化高山嵩草(Kobresiapygmaea)草甸圍封5年后，總有機碳儲量較自由放牧增加了36.54%，氮儲量增加了751.42 g/m2[16]；Sun等[17]研究表明，放牧降低了草地生產(chǎn)力，改變了植物群落物種組成，降低土壤有機碳儲量，放牧壓力增大致使高寒草甸土壤從碳匯逐漸變?yōu)樘荚?。但也有研究[18-19]表明，高寒草甸土壤碳、氮儲量隨放牧強度增大而增大。目前有關(guān)青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量的研究較多[14-20]，但主要圍繞圍欄封育和放牧強度展開，且研究結(jié)果不盡相同，而對不同放牧管理模式高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量的研究較少[15,20]，不同放牧模式高寒草甸植被層、凋落物層、根系層和土壤層碳、氮儲量變化尚不明確。因此，本研究以青藏高原東緣禁牧、全生長季休牧、傳統(tǒng)夏季休牧和連續(xù)放牧4種不同放牧管理模式草地為研究對象，定量描述不同放牧管理模式高寒草甸植被、凋落物、根系和土壤層有機碳、氮儲量變化特征和變化規(guī)律，從有機碳、氮儲量的角度探尋合理的放牧管理模式，并為青藏高原草地碳匯管理、天然草地退化及修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地選在青藏高原東部的天?？h金強河地區(qū)，位于N 36°31′-37°55′，E 102°07′-103°46′，海拔2960 m左右。氣候寒冷潮濕，晝夜溫差較大，日照強，雨熱同步。年均溫0.8 ℃，其中1和7月平均氣溫為-10.8和12.4 ℃；≥0 ℃和≥10 ℃的年積溫分別為1581和1026 ℃；年降水量424.5 mm(其中66%集中在7-9月)；年蒸發(fā)量1592 mm。無絕對無霜期，植物生長期達(dá)120～140 d。主體土壤類型為高寒草甸土。草地類型為高寒草甸，主要植物種有：冷地早熟禾(Poacrymophila)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、異針茅(Stipaaliena)、球花蒿(Artemisiasmithii)和醉馬草(Achnatheruminebrians)等。

1.2 試驗設(shè)計與取樣方法

試驗地為當(dāng)?shù)仃笈：筒匮蚶浼静輬?，試驗前對土壤狀況進(jìn)行測定，其中，0～10 cm土層土壤容重0.73 g/cm3，土壤有機質(zhì)138.45 g/kg，全氮4.31 g/kg，全磷0.65 g/kg。2010年6月選擇植被和土壤狀況接近一致的草地設(shè)置4個相鄰圍欄，建立禁牧(no grazing, NG)、全生長季休牧(grazing rest in growing stage, RG)、傳統(tǒng)放牧(traditional grazing, TG)和連續(xù)放牧(continued grazing, CG)樣地。其中，NG全年禁牧(面積7 hm2，放牧率為0)；RG每年在4月20日-9月20日間休牧，其余時間自由放牧[面積18 hm2，放牧率為4.86羊/(hm2·年)]；TG每年在6月20日-9月20日間休牧，其余時間自由放牧 [面積18 hm2，放牧率為6.08羊/(hm2·年)]；CG 全年連續(xù)放牧 [放牧率為 8.57羊/(hm2·年)]。各樣地植被特征見表 1。

表1 試驗地植被狀況

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。NG：禁牧；RG：全生長季休牧；TG：傳統(tǒng)放牧；CG：連續(xù)放牧。下同。

Note: The values with different small letters in the same column mean significant differences at 0.05 level. NG indicate no grazing; RG indicate grazing rest in growing stage; TG indicate traditional grazing; CG indicate continuous grazing. The same below.

2014年5月中旬，在各樣地對角線附近分別建立3塊50 m×50 m小樣地，各小樣地四角用木樁標(biāo)記。9月初在各小樣地沿對角線等距離設(shè)置10個1 m×1 m的樣方(整個樣地共30個樣方)，采用樣方法進(jìn)行植物群落特征調(diào)查，調(diào)查記錄樣方內(nèi)所有植物的高度、蓋度和密度，然后齊地面剪掉樣方內(nèi)所有植物。植物種高度測量用其自然高度，密度以自然株叢為基礎(chǔ)計數(shù)，并收集樣方內(nèi)的地表凋落物。隨后，在各刈割樣方內(nèi)用直徑10 cm的根鉆和直徑3.5 cm的土鉆分別進(jìn)行根生物量和土壤樣品采集(均采集0～80 cm土壤，分8層，每層10 cm)，并將相鄰2個點的土樣按層混合后作為1個重復(fù)，整個樣地重復(fù)15次。同時，在各樣地對角線上等距離選取20個點，采用土壤剖面環(huán)刀法測定對應(yīng)土層的土壤容重。根系與土壤的分離沖洗采用網(wǎng)袋法，所有地上植被、凋落物和根系樣品均在105 ℃殺青30 min，然后在65 ℃烘箱中烘至恒重，稱重并計算生物量，隨后，將地上植被、凋落物和根系粉碎、過篩，用于有機碳和全氮的測定。土壤樣品剔除根系、石塊等雜物后帶回實驗室，自然風(fēng)干、過篩后測土壤有機碳和全氮含量。所有樣品的有機碳測定均采用總有機碳分析儀(Multi N/C 2100s, Germany)，全氮測定均采用全自動凱氏定氮儀(K9860)。

1.3 計算公式

植被、凋落物和地下根系有機碳、氮儲量分別由其各組分生物量乘以相應(yīng)的碳含量得到。采用下列公式計算土壤有機碳儲量[21]：

Csi=Di×Bi×TCi×10

式中：Csi,Di,Bi,TCi和Cs分別為第i土層的土壤有機碳儲量(g/m2)、土層厚度(cm)、土壤容重(g/cm3)、土壤有機碳含量(g/kg)和單位面積土壤有機碳儲量(g/m2)，i代表土壤層數(shù)，且i=1, 2, 3, … 8。

采用下列公式計算土壤氮儲量：

Nsi=Di×Bi×TNi×10

式中：Nsi,TNi和Ns分別為第i土層的土壤氮儲量(g/m2)、土壤全氮含量(g/kg)和單位面積土壤氮儲量(g/m2)，i代表土壤層數(shù)，且i=1, 2, 3, … 8。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理，用SPSS 17.0對不同放牧管理模式樣地各土層有機碳、氮儲量，植被、凋落物、根系中有機碳、氮儲量，生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧管理模式土壤有機碳、氮含量的剖面分布

高寒草甸土壤有機碳、氮含量均隨土壤深度的增加呈逐漸降低的趨勢(圖1)。研究區(qū)土壤有機碳含量較高，其中，0～10 cm土層土壤有機碳含量NG (96.87 g/kg)>RG (86.83 g/kg)>TG (76.37 g/kg)>CG(61.24 g/kg)。方差分析結(jié)果顯示，為期4年不同放牧模式主要影響0～40 cm土壤有機碳、氮含量，而對其以下土壤有機碳、氮含量影響較小。

圖1 高寒草甸土壤有機碳、氮含量對放牧管理模式的響應(yīng)Fig.1 Response of soil organic carbon and soil nitrogen concentration to grazing management in alpine meadow

2.2 不同放牧模式對高寒草甸植被、凋落物和根系有機碳、氮儲量的影響

經(jīng)過4年不同模式放牧后，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)各有機碳、氮庫間差異明顯(表2)。植被有機碳儲量NG>RG>TG>CG，其中，NG, RG和TG比CG分別增加了10.32, 6.56和4.25倍；凋落物有機碳儲量NG, RG和TG顯著高于CG，但RG和TG間無顯著差異，NG分別比RG, TG和CG增加了11.66, 16.76和56.46倍；根系碳儲量變化同凋落物，其中，NG, RG和TG比CG分別增加了6.61, 4.91和4.32倍。植被氮儲量NG>RG>TG>CG，NG, RG和TG氮儲量比CG增加了4.31～9.96倍；凋落物氮儲量NG, RG和TG顯著高于CG，NG, RG和TG比CG分別增加了60.50, 4.16和2.33倍；根系氮儲量NG>RG>TG>CG，NG, RG和TG比CG分別增加了6.70, 4.93和4.28倍。短期禁牧和季節(jié)休牧顯著提高了高寒草甸植被、凋落物和根系層有機碳、氮儲量。

2.3 不同放牧模式對高寒草甸土壤有機碳、氮儲量特征的影響

經(jīng)過4年不同放牧管理模式后，各樣地0～80 cm土層土壤有機碳儲量垂直分布如圖2A所示。土壤有機碳儲量隨土壤深度增加呈快速下降趨勢，0～40 cm土層中，各層間差異明顯，而其以下土層間無顯著差異。0～10 cm和10～20 cm土層土壤碳儲量均為NG>RG>TG>CG，其中，0～10 cm土層NG, RG和TG比CG分別提高28.4%, 20.1%和14.4%，10～20 cm土層NG, RG和TG比CG分別提高34.4%, 27.5%和16.1%；20～30 cm土層NG顯著高于RG, TG和CG，但TG和CG間無顯著差異；30～40 cm土層土壤碳儲量NG顯著高于RG, TG和CG，而RG, TG和CG間均無顯著差異；40 cm以下土層土壤碳儲量各樣地間無顯著差異。說明為期4年不同放牧模式主要影響0～40 cm土壤有機碳儲量。NG, RG, TG和CG樣地0～40 cm土層有機碳儲量占總土壤有機碳儲量的比例分別為70.0%, 67.9%, 67.5%和66.0%，說明高寒草甸土壤有機碳主要分布在0～40 cm土層，同時放牧有使土壤有機碳向深處轉(zhuǎn)移的趨勢。將各土層的有機碳儲量加和可得土壤總有機碳儲量(圖2B)，0～80 cm土層土壤總有機碳儲量NG, RG和TG顯著高于CG，但RG和TG間無顯著差異，其中，NG, RG和TG比CG分別增加了23.1%, 14.5%和8.3%。說明短期禁牧和季節(jié)性休牧有利于高寒草甸土壤有機碳儲量的提高，而連續(xù)放牧顯著降低了土壤碳儲量。

表2 高寒草甸植被、凋落物和根系有機碳、氮儲量

圖2 高寒草甸土壤有機碳儲量對放牧管理模式的響應(yīng)Fig.2 Response of soil organic carbon storage to grazing management regime in alpine meadow 不同小寫字母表示不同處理同一土層間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一處理不同土層間存在顯著差異(P<0.05)。豎杠代表標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。Different small letters indicate the significant differences (P<0.05) between the same soil layers in different treatments; the different capital letters indicate the significant differences (P<0.05) between different soil layers in the same treatments. Bars represent standard errors of means. The same below.

為期4年不同放牧模式也使高寒草甸土壤氮儲量垂直分布發(fā)生明顯變化(圖3A)。NG, RG和TG土壤氮儲量在0～40 cm土層中隨土壤深度的增加顯著降低，而其以下土層間無顯著差異；CG土壤氮儲量隨土層深度的增加呈先升后降的變化趨勢，在10～20 cm土層最大，0～10 cm土層最低。0～10 cm和10～20 cm土層土壤氮儲量均為NG> RG>TG >CG；20～30 cm土層NG, RG和TG土壤氮儲量顯著高于CG，而NG和RG間無顯著差異(P>0.05)；30～40 cm土層NG和RG顯著高于TG和CG，但NG和RG及TG和CG間均無顯著差異；40 cm以下土層，各樣地土壤氮儲量無顯著差異。說明為期4年不同模式放牧主要影響高寒草甸0～40 cm土層土壤氮儲量，而對其以下土層土壤氮儲量無顯著影響。NG, RG, TG和CG樣地0～40 cm土層氮儲量占總土壤氮儲量的比例分別為56.7%, 55.5%, 53.7%和50.8%，說明高寒草甸土壤氮主要分布在0～40 cm土層，同時放牧有使土壤氮向深處轉(zhuǎn)移的趨勢。將各土層的氮儲量加和可得土壤總氮儲量(圖3B)，0～80 cm土層土壤總氮儲量NG, RG和TG顯著高于CG，但RG和TG間無顯著差異，其中，NG, RG和TG比CG分別增加了15.2%, 11.6%和8.5%。說明短期禁牧和季節(jié)性休牧有利于提高高寒草甸土壤氮儲量，而連續(xù)放牧顯著降低了土壤氮儲量。

圖3 高寒草甸土壤氮儲量對放牧管理模式的響應(yīng)Fig.3 Response of soil nitrogen storage to grazing management regime in alpine meadow

2.4 不同放牧模式對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量的影響

圖4 高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量Fig.4 The total organic carbon and nitrogen storage in alpine meadow ecosystem

如圖4所示，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量NG(18915.9 g/m2)顯著高于RG(17116.7 g/m2), TG(16079.9 g/m2)和CG(13898.8 g/m2)，而RG和TG間無顯著差異，但RG比TG增加了6.2%；總氮儲量NG(2384.85 g/m2), RG(2295.78 g/m2)，TG(2226.76 g/m2)顯著高于CG(2023.30 g/m2)，而RG和TG間無顯著差異，但RG比TG增加了3.1%。各有機碳、氮庫(地上植被、凋落物、根系和土壤)占生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量的比例如表3所示，不同放牧管理模式高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量組成中，均以土壤層中所占比例最高，其次為根系，植被層和凋落物層最低。植被、凋落物和根系有機碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的比例NG、RG和TG顯著高于CG；各氮庫占總氮儲量的比例變化同有機碳。高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳氮儲量主要由地下部分組成，禁牧和季節(jié)性休牧顯著提高了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量，而連續(xù)放牧顯著降低了土壤有機碳、氮儲量，轉(zhuǎn)變成碳、氮的流失。

表3 植被、凋落物、根系和土壤占總有機碳、氮儲量的比例

3 討論

草地生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮庫由植被、凋落物、根系和土壤有機碳、氮庫組成。不同放牧模式高寒草甸各有機碳、氮庫儲量占生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量的比例差異明顯(表3)。其中，有機碳儲量所占比例最大的是土壤(88.8593%～98.2423%)，其次為根系(1.5629%～8.7419%)，再次為植被(0.1719%～1.4297%)，最小為凋落物(0.0223%～0.9690%)；氮儲量占比例最大的是土壤(97.3305%～99.6333%)，其次為根系(0.3163%～2.0714%)，再次為植被(0.0474%～0.4416%)，凋落物最小(0.0030%～0.1565%)。由此可見，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量中土壤有機碳、氮儲量占主導(dǎo)地位，這與高寒草甸和荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量研究結(jié)果一致[13-14,18]。受氣候、地形、植物群落組成、土壤特性和放牧歷史等影響，土壤有機碳、氮儲量對放牧的響應(yīng)不同[22]。從目前的研究結(jié)果來看，放牧對土壤有機碳儲量的影響有3種：放牧減少了土壤有機碳儲量[23-26]；放牧對土壤有機碳儲量無顯著影響[27-30]；放牧增加了土壤有機碳儲量[31-33]。受土壤碳有效性的影響，土壤氮素循環(huán)對放牧的響應(yīng)也存在較大爭議[12,34]。連續(xù)放牧草地由于放牧?xí)r間長、放牧壓力大，植物得不到及時再生與恢復(fù)生長，群落地上、地下生物量得不到積累，群落蓋度、高度和凋落物極低，地表土壤裸露嚴(yán)重，土壤溫度較高，土壤有機質(zhì)大量分解，加之風(fēng)蝕與水蝕作用，所以連續(xù)放牧草地土壤有機碳、氮流失嚴(yán)重、積累不足。禁牧和季節(jié)性休牧使高寒草甸群落地上與地下生物量增加，草群高度、蓋度增大，地表凋落物生物量積累，土壤保水性增強，也使土壤容重和緊實度顯著降低[35-36]。本研究表明，經(jīng)過4年的不同放牧管理模式后，禁牧和季節(jié)性休牧草地土壤有機碳、氮儲量均顯著高于連續(xù)放牧草地，其中，禁牧、全生長季休牧和傳統(tǒng)夏季休牧高寒草甸土壤有機碳儲量比連續(xù)放牧分別增加了23.1%, 14.5%和8.3%，氮儲量分別增加了15.2%, 11.6%和8.5%。

不同放牧管理模式高寒草甸0～40 cm土層土壤有機碳、氮儲量差異顯著，而40 cm以下土層無顯著差異，說明為期4年不同模式放牧主要影響0～40 cm土層土壤有機碳、氮儲量，而對其以下土壤碳、氮儲量無顯著影響。這與Fan等[16]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，禁牧、全生長季休牧和傳統(tǒng)放牧草地土壤氮儲量隨土壤深度增加顯著降低，而連續(xù)放牧草地土壤氮儲量隨土壤深度增加呈先升后降的變化趨勢，其中，在20～30 cm土層最大，在0～10 cm土層最低。這與連續(xù)放牧草地植被稀疏，地表裸露，土壤表層有機質(zhì)分解快，加之風(fēng)蝕與水蝕有關(guān)。連續(xù)放牧使得根系向20～30 cm土層轉(zhuǎn)移[36]，這些根系死亡后使得該層土壤氮含量顯著升高。

經(jīng)過4年不同模式放牧后，禁牧、全生長季休牧和傳統(tǒng)放牧草地生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量均顯著高于連續(xù)放牧草地，但全生長季休牧和傳統(tǒng)放牧草地間無顯著差異。說明短期禁牧和季節(jié)休牧有助于青藏高原東緣高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量的積累。禁牧、全生長季休牧和傳統(tǒng)放牧高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量比連續(xù)放牧分別增加了36.1%, 23.2%和15.7%，氮儲量分別增加了17.9%, 13.5%和10.0%，這與三江源區(qū)退化高寒草甸封育5年后，生態(tài)系統(tǒng)總有機碳、氮儲量較自由放牧顯著提高的結(jié)果基本一致[16]。這主要是由土壤有機碳、氮儲量變化引起的。退化草地的固碳潛力十分巨大，Chang等[37]研究表明，完善青藏高原退化高寒草甸的管理后，可促進(jìn)其0.022～0.059 Pg C/年的碳匯。本試驗地在試驗前屬于輕度退化高寒草甸，實施禁牧和季節(jié)休牧后，植被和土壤狀況得到極大的改善，使土壤有機碳、氮含量極大提高。同時，本研究區(qū)高寒草甸的最佳封育年限為4年[38]，而本試驗中的禁牧草地也封育了4年，也可能是在該最佳的封育年限，高寒草甸的固碳、氮潛能得到最大限度發(fā)揮。但在更長時間尺度上，禁牧和季節(jié)性休牧是否還能進(jìn)一步提升高寒草甸有機碳、氮貯量，仍有待進(jìn)一步研究。陶貞等[21]研究表明，海北高寒草甸土壤有機碳儲量在22.12～30.75 kg C/m2間，均值為26.86 kg C/m2，本研究區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳儲量也十分巨大，介于13.90～18.92 kg C/m2間，均值為16.41 kg C/m2。因此，重視并充分發(fā)揮該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，將對區(qū)域乃至全球氣候變化產(chǎn)生非常重要的意義。

4 結(jié)論

本研究定量地揭示了不同放牧管理模式高寒草甸土壤有機碳、氮儲量特征的變化，研究從提高碳、氮儲量的角度為該區(qū)高寒草甸適應(yīng)性管理提供了重要的理論依據(jù)。從有機碳、氮儲量的角度來看，對于高寒草甸，禁牧更有利于其生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量積累，其次為全生長季休牧，再次為傳統(tǒng)放牧，連續(xù)放牧最差。禁牧和季節(jié)性休牧能有效增加青藏高原東緣高寒草甸有機碳、氮儲量，實現(xiàn)碳、氮增匯的目的，是該區(qū)和類似區(qū)域草地放牧管理的重要模式。

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Changes in organic carbon and nitrogen storage in alpine meadows under different grazing management regimes

LI Wen, CAO Wen-Xia*, SHI Shang-Li, LI Xiao-Long, CHEN Jian-Gang, XU Chang-Lin

GrasslandScienceCollegeofGansuAgriculturalUniversity,GrasslandEcosystemKeyLaboratoryofMinistryofEducation,Si-no-U.S.ResearchCentersforSustainableGrasslandandLivestockManagement,Lanzhou730070,China

A study has been undertaken to investigate changes in organic carbon and nitrogen storage under different grazing regimes in the alpine meadow ecosystem of the eastern margin of the Qinghai-Tibetan plateau. Organic carbon and nitrogen storage was measured in above-ground biomass, litter, roots and the 0-80 cm soil layer (divided 8 layers, and each layer was 10 cm) at four sites that represent different grazing management regions: non-grazing (NG), grazing rest during the growing stage (RG), traditional grazing (TG) and continuous grazing (CG). The results indicated that organic carbon and nitrogen in the 0-80 cm soil layer, roots, above-ground tissue and litter were significantly higher in NG, RG and TG than in CG. In general, the proportion of organic carbon in the alpine meadow ecosystem was the largest in soils (88.859%-98.242%), followed by roots (1.563%-8.742%), vegetation (0.172%-1.430%) and litter (0.022%-0.969%); similarly, the proportion of nitrogen was the largest in soils (97.331%-99.633%), followed by roots (0.316%-2.071%), vegetation (0.047%-0.442%) and litter (0.003%-0.157%). There were obvious differences in the vertical distributions of soil organic carbon and nitrogen storage under the four grazing regimes, with these differences mainly affecting the 0-40 cm layer and with no significant effect on deeper layers. Organic carbon and nitrogen storage was mainly distributed in the 0-40 cm layer, with grazing tending to move this storage to deeper layers. NG, RG and TG significantly increased storage in the alpine meadow ecosystem, while CG significantly reduced storage and was associated with a loss of carbon and nitrogen. Non-grazing and seasonal rest grazing can thus contribute to achieving carbon and nitrogen sinks on the eastern margin of the Qinghai-Tibetan Plateau and are important grazing management regimes for this and similar areas.

alpine meadow; grazing management; organic carbon storage; nitrogen storage

10.11686/cyxb2015215

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-04-23；改回日期：2015-06-10

國家自然科學(xué)基金(31360569)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-35)，甘肅省退牧還草科技支撐項目和青藏高原打草場建設(shè)項目資助。

李文(1987-)，男，甘肅會寧人，在讀博士。E-mail: 670410113@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail：caowx@gsau.edu.cn

李文, 曹文俠, 師尚禮, 李小龍, 陳建剛, 徐長林. 放牧管理模式對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有機碳、氮儲量特征的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(11): 25-33.

LI Wen, CAO Wen-Xia, SHI Shang-Li, LI Xiao-Long, CHEN Jian-Gang, XU Chang-Lin. Changes in organic carbon and nitrogen storage in alpine meadows under different grazing management regimes. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(11): 25-33.