于寶政

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000)

【研究意義】那曲縣位于藏北地區(qū)的青藏高原腹地，是全球氣候變化的敏感區(qū)。高寒草原是藏北地區(qū)最大的生態(tài)系統(tǒng)，也是西藏和我國(guó)面積最大的草地類型[1]。然而,在人類活動(dòng)日益增強(qiáng)的背景下,以草地沙漠化為主的各種草地退化過程正不斷加劇[2-4]。草原退化帶來的草地生產(chǎn)力下降、土壤結(jié)構(gòu)破壞和穩(wěn)定性降低，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和含量下降、加劇了全球氣候變暖的進(jìn)程[5-6]。【前人研究進(jìn)展】目前，雖然對(duì)青藏高原草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)問題有一定的研究，但研究?jī)?nèi)容主要集中在同一草地類型的不同退化程度草地土壤有機(jī)碳含量變化、高寒草原土壤有機(jī)碳空間分布等方面[7-8]，而針對(duì)不同自然草地類型有機(jī)碳含量的對(duì)比研究及其年度變化的研究較少。【本研究切入點(diǎn)】本文擬通過對(duì)藏北草原主要草地類型土壤有機(jī)碳含量差異及其年度、年際變化研究，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期揭示藏北草原主要草地類型土壤有機(jī)碳含量差異及其季節(jié)性變化特征。

表1 實(shí)驗(yàn)樣地基本情況

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于西藏那曲地區(qū)那曲縣，地理位置：31°29′45″～31°38′38″N，91°03′57″～92°00′51″E，海拔4588～4622 m。該區(qū)域全年分冷(10月至翌年5月)、暖(6-9月)兩季，年均氣溫 -0.9 ℃，≥ 0 ℃ 年積溫 800～1100 ℃，全年無絕對(duì)無霜期；年降水量400 mm以上，年蒸發(fā)量1 810.6 mm，8 級(jí)以上大風(fēng)日可達(dá)92 d。牧草生長(zhǎng)期170 d以上。研究區(qū)域內(nèi)氣候及地形條件相對(duì)一致。

在研究區(qū)域內(nèi)選取3種代表性草地類型作為樣地，分別是：青藏苔草(C.moorcroftii)草地、紫花針茅(S.purpurea)草地、高山嵩草(K.pygmaea)草甸(表1)。

1.2 樣品采集

2013、2014年，分別于5月(春季，草地返青期)、8月(夏季，草類盛長(zhǎng)期)、10月(秋冬季，枯草期)，對(duì)研究樣地按照隨機(jī)布點(diǎn)方式進(jìn)行采樣，每個(gè)樣地采樣3次，作為該草地類型下的3個(gè)重復(fù)。每個(gè)采樣點(diǎn)去除植被地上部分后，沿土壤剖面(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25 cm)分5層采集土樣，裝入聚乙烯袋中貼上標(biāo)簽后帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 樣品分析

土壤樣品風(fēng)干后，過1 mm篩后磨細(xì)過0.25mm篩，測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[9]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

不同土層有機(jī)碳及不同類型草地土壤有機(jī)碳含量之間差異性采用Spss18.0軟件進(jìn)行ANOVA分析，用Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型土壤有機(jī)碳含量狀況及其垂直分布特征

2.1.1 不同草地類型土壤有機(jī)碳含量狀況 對(duì)3種草地類型不同土層(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25 cm)有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，如圖1所示，土壤有機(jī)碳含量在各土層的含量均為：高山嵩草草甸>紫花針茅草地>青藏苔草草地。

高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳含量與青藏苔草草地和紫花針茅草地土壤有機(jī)碳含量在各土層中均具有極顯著差異(P<0.01)。這主要因?yàn)楦呱结圆莶莸榈耐寥蕾|(zhì)地優(yōu)于青藏苔草草地和紫花針茅草地、含水量也高于青藏苔草草地和紫花針茅草地，且高山嵩草草甸蓋度高于另外兩者，減小了風(fēng)蝕作用的影響并增加了枯落物量[10]。

紫花針茅草地土壤有機(jī)碳含量雖然在各土層中均高于青藏苔草草地，但在(0～5，5～10，10～15 cm)土層中兩者無顯著差異，在15～20 cm土層中兩者有顯著差異(P<0.05)，在20～25 cm土層中兩者有極顯著差異(P<0.01)。這主要是由于植物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳最重要的來源[11],而紫花針茅根系長(zhǎng)于苔草，根系生長(zhǎng)過程中的脫落物和分泌物可以在相對(duì)更深的土層中沉積和分解，為土壤有機(jī)碳提供了來源[12-13]。

圖1 不同草地類型土壤有機(jī)碳含量Fig.1 Contents of soil organic carbon in different grassland types

相同土層不同字母表示差異顯著性達(dá) 5 %(下同)圖2 青藏苔草草地土壤有機(jī)碳年度變化Fig.2 Annual variability of Guing-Tibetan sedge soil organic carbon

青藏苔草草地各土層中有機(jī)碳含量在3種草地類型中均是最低。這與該草地類型蓋度最低、以及土壤通透性最強(qiáng)、保蓄性最弱有關(guān)，另外與其土壤受風(fēng)蝕作用最強(qiáng)也有一定關(guān)系。

2.1.2 各草地類型土壤有機(jī)碳垂直分布特征 青藏苔草草地土壤有機(jī)碳含量在各土層中無差異；這主要是由于青藏苔草草地土壤質(zhì)地為砂土造成的；砂土通透性強(qiáng)、保蓄性弱且有機(jī)物料分解速率低導(dǎo)致該草地土壤有機(jī)質(zhì)在各土層中含量均較低，即使有區(qū)別也不存在顯著差異[14]。

紫花針茅草地土壤有機(jī)碳含量在表層土壤0～5 cm中含量最低，與其余各層土壤有機(jī)碳含量有顯著差異(P<0.05)，土壤有機(jī)碳含量在(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)土層間不存在差異；這說明該草地土壤有一定的保水保肥能力，但表層受風(fēng)蝕作用影響，形成粗質(zhì)地土壤，砂粒含量高，土壤有機(jī)碳含量低[15-17]。這種影響隨著土壤深度的增加而減弱，因此表層土壤有機(jī)碳含量最低。

高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳含量明顯隨土層深度增加而下降，0～5 cm土層有機(jī)碳含量與(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)4層土樣中有機(jī)碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，5～10與10～15 cm土層有機(jī)碳含量不存在差異、與(15～20，20～25 cm)土層有機(jī)碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，10～15與15～20 cm土層有機(jī)碳含量不存在顯著差異、與20～25 cm土層中有機(jī)碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，15～20與20～25 cm土層有機(jī)碳含量不存在顯著差異；這說明草甸土壤有機(jī)碳含量與土層深度呈反比，這與其他一些干旱草原土壤有機(jī)碳垂直分布特征的研究結(jié)果一致[18]。

2.2 各草地類型土壤有機(jī)碳含量的年度變化

從圖2可以看出，青藏苔草草地土壤有機(jī)碳年度含量變化：2013年，在(0～5，5～10，10～15，0～25 cm)土層中不同季節(jié)有機(jī)碳含量無顯著差異；(15～20，20～25 cm)土層中有機(jī)碳含量在返青期與盛長(zhǎng)期之間存在顯著差異(P<0.05)，返青期與枯草期之間、盛長(zhǎng)期與枯草期之間均不存在顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期51.1 %、盛長(zhǎng)期與枯草期-26.3 %。2014年，在(0～5，5～10，10～15 cm)土層中不同季節(jié)有機(jī)碳含量無顯著差異；(15～20，20～25，0～25 cm)土層中有機(jī)碳含量在返青期與盛長(zhǎng)期之間存在顯著差異(P<0.05)，返青期與枯草期之間、盛長(zhǎng)期與枯草期之間均不存在顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期-64.9 %、盛長(zhǎng)期與枯草期75.9 %。

從圖3可以看出，紫花針茅草地土壤有機(jī)碳年度含量變化：2013年，各土層中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期1.7 %、盛長(zhǎng)期與枯草期-14.1 %。2014年，各土層中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期-16.4 %、盛長(zhǎng)期與枯草期9.1 %。

圖3 紫花針茅草地土壤有機(jī)碳年度變化Fig.3 Annual variability of Stipa purpurea soil organic carbon

圖4 高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳年度變化Fig.4 Annual variability of Alpine-pygmaeus Kobresia soil organic carbon

從圖4可以看出，高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳年度含量變化：2013年，各土層中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期26.0 %、盛長(zhǎng)期與枯草期-27.9 %。2014年，各土層中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)間均無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量年度內(nèi)季節(jié)間變化率為返青期與盛長(zhǎng)期-7.5 %、盛長(zhǎng)期與枯草期14.4 %。

綜合上述，在年度內(nèi)只有青藏苔草草地土壤有機(jī)碳含量有顯著差異。這可能是因?yàn)榍嗖靥Σ莞递^淺，在盛長(zhǎng)期(15～20，20～25 cm)土層中根系分布明顯增多，此季節(jié)的溫濕度也是土壤微生物生命活動(dòng)相對(duì)活躍的時(shí)期，有利于微生物將土壤中有機(jī)殘?bào)w和根系分泌物向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，同時(shí)該草地類型土壤質(zhì)地為砂土，有機(jī)碳含量本來就低，因此土壤有機(jī)碳含量的波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)顯著差異[12-13]。

另外，3種草地類型土壤有機(jī)碳含量在季節(jié)間的變化一致體現(xiàn)出2013年先增后減、2014年先減后增的規(guī)律性。有研究表明：此幾種草地類型枯落物生物量隨季節(jié)變化呈“V”字型曲線；即返青期較高，盛長(zhǎng)期最低，枯草期最大[19]。通過查閱氣象資料發(fā)現(xiàn)，2013年10月至2014年5月與往年同期相比氣溫偏高、降水多，這種溫濕變化導(dǎo)致微生物活動(dòng)強(qiáng)于往年，由于微生物活動(dòng)增強(qiáng)及其他影響因素，土壤中枯落物向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量大于有機(jī)碳的損失量，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量升高； 2014年5-8月間由于草地返青，枯落物量不足，且植被生長(zhǎng)對(duì)有機(jī)碳的損耗增大，土壤中枯落物向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量小于有機(jī)碳的損失量，導(dǎo)致2014年草地盛長(zhǎng)期土壤有機(jī)碳處于較低水平；而2014年5-8月由于草地轉(zhuǎn)枯，土壤有機(jī)碳損耗量下降的同時(shí)枯落物量逐漸增大，土壤中枯落物向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量大于有機(jī)碳的損失量，使土壤有機(jī)碳含量又逐漸上升。

2.3 各草地類型土壤有機(jī)碳含量的年際變化

如圖5所示，各草地類型的不同土層中有機(jī)碳含量在年際間均無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量在2013與2014年際間變化率：青藏苔草草地為1.0 %、紫花針茅草地為-0.7 %、高山嵩草草甸為7.8 %。土壤有機(jī)碳的積累、分解、轉(zhuǎn)化都是較為緩慢的過程，一般來說短期內(nèi)變化沒有顯著差異，高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳含量年際間變化率高于另外2種草地類型；主要是高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳含量在各土層中均遠(yuǎn)高于另外2種草地類型、土壤保蓄性強(qiáng)、微生物可用于轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的有機(jī)物質(zhì)含量高，因此其土壤有機(jī)碳含量年際間變化率高于另外2種草地類型。

圖5 3種草地類型土壤有機(jī)碳年際變化Fig.5 Interannual variability of soil organic carbon in different grassland types

3 結(jié) 論

土壤有機(jī)碳在各土層的含量均為高山嵩草草甸>紫花針茅草地>青藏苔草草地。這主要與不同草地類型的土壤質(zhì)地有關(guān)，有機(jī)碳含量表現(xiàn)為壤土>壤質(zhì)砂土>砂土。3種草地類型土壤有機(jī)碳垂直分布特征為：青藏苔草草地土壤有機(jī)碳含量在各土層間無顯著差異；紫花針茅草地土壤有機(jī)碳含量在0～5 cm土層最低，與其余各層土壤有機(jī)碳含量有顯著差異(P<0.05)，在(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)土層間不存在顯著差異；高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳，0～5 cm土層有機(jī)碳含量與(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)4層土樣中有機(jī)碳含量均具有極顯著差異(P<0.01)，(5～10，10～15，15～20，20～25 cm)各土層與相鄰?fù)翆娱g無顯著差異，與其余土層有極顯著差異(P<0.01)。土壤有機(jī)碳的積累、分解、轉(zhuǎn)化都是較為緩慢的過程，一般來說短期內(nèi)變化沒有顯著差異，但是青藏苔草草地在(15～20，20～25 cm)土層中有機(jī)碳含量在返青期與盛長(zhǎng)期之間有顯著差異(P<0.05)，2014年青藏苔草草地0～25 cm土層中有機(jī)碳含量在返青期與盛長(zhǎng)期之間也有顯著差距，同時(shí)各草地類型的不同土層中有機(jī)碳含量在年際間均無顯著差異，這說明在某些特殊氣候條件下，由于土壤有機(jī)碳含量本來就很低，在植物的同一生長(zhǎng)周期內(nèi)的不同生長(zhǎng)階段間土壤有機(jī)碳含量變化會(huì)出現(xiàn)顯著差異，但是在不同生長(zhǎng)周期間土壤有機(jī)碳含量又能保持相對(duì)穩(wěn)定。

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