王 博, 段玉璽, 王偉峰, 李曉晶, 劉宗奇

內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院, 呼和浩特 010010

生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量是碳氮長(zhǎng)期積累的結(jié)果,是植物碳氮、凋落物碳氮和土壤碳氮儲(chǔ)量的總和[1],其大小會(huì)因生態(tài)系統(tǒng)類型、區(qū)域環(huán)境條件以及人為活動(dòng)干預(yù)而變化,這是人們通過土地利用/覆被變化提高生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的理論基礎(chǔ)[2]。植物碳氮含量及儲(chǔ)量是植物參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要組分,是衡量植被動(dòng)態(tài)及其生態(tài)功能的主要參數(shù)[3-4]；土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),土壤氮儲(chǔ)量作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo),其含量和密度直接影響植物凈初級(jí)生產(chǎn)力[5]。由于生態(tài)系統(tǒng)碳和氮氧化物排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的直接或間接參與者,使得碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)一直處于氣候變化研究的核心[6]。因此,明確荒漠生態(tài)系統(tǒng)的碳氮固存現(xiàn)狀,對(duì)合理利用和管理荒漠、評(píng)價(jià)荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮固存潛力及生態(tài)服務(wù)功能具有重要作用。

我國(guó)是荒漠化最嚴(yán)重的國(guó)家之一,荒漠化面積占國(guó)土面積的34%。庫(kù)布齊沙漠是我國(guó)第七大沙漠,位于鄂爾多斯高原北部和黃河南岸的狹長(zhǎng)地帶,是我國(guó)北方主要的沙源地之一。對(duì)于荒漠生態(tài)系統(tǒng),李玉強(qiáng)等[7]對(duì)科爾沁沙地植被-土壤系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量進(jìn)行的研究表明以提高植被蓋度、促進(jìn)沙地固定和改善土壤質(zhì)地為目的的生態(tài)恢復(fù)和植被建設(shè),能夠增加該生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量,從植被恢復(fù)的角度可以認(rèn)為干旱、半干旱地區(qū)荒漠化土地有較高的碳氮固存潛力。但對(duì)于氣候、環(huán)境條件皆不相同的庫(kù)布齊沙漠,目前的研究多集中于土壤碳氮密度[8]、植被群落結(jié)構(gòu)[9]、生物多樣性、生物量和碳氮含量[10],尚缺乏對(duì)該區(qū)域荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的系統(tǒng)研究。因此,本研究依據(jù)人工建植方式、建植年代及植被蓋度,以空間代替時(shí)間,將沙地劃分為五個(gè)植被恢復(fù)階段,通過對(duì)植物、凋落物、土壤碳氮含量的測(cè)定,分析地上、地下部分碳氮儲(chǔ)量特征。旨在準(zhǔn)確評(píng)估庫(kù)布齊荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量現(xiàn)狀及不同植被恢復(fù)階段碳氮儲(chǔ)量的變化,闡明人工建植促進(jìn)植被恢復(fù)實(shí)現(xiàn)沙漠化逆轉(zhuǎn)對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)各組分碳氮固存的影響,為合理評(píng)價(jià)荒漠在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)的布爾陶亥治沙站(110°48′29.28″E,40°03′ 42.13″N),海拔1100—1300 m,屬庫(kù)布齊東段典型沙漠地貌類型。該區(qū)為溫帶大陸性氣候,季節(jié)變化明顯,干旱多風(fēng),晝夜溫差大。水熱同期,年均氣溫6.1—7.1℃,月均最高氣溫為7月達(dá)23.5℃,年均降水量240—360 mm,主要集中于7、8、9月,年均蒸發(fā)量2560 mm。年均日照時(shí)數(shù)3138 h,無(wú)霜期130—140 d,年均風(fēng)速3.3 m/s。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤以風(fēng)沙土為主,植被主要包括沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganakorshinskii)、楊柴(Hedysarummongolicum)、油蒿(Artemisiaordosica)等灌木,豬毛菜(Salsolacollina)、沙竹(Psammochloavillosa)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、狗尾草(Setariaviridis)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、灌木亞菊(Ajaniafruticulosa)等草本。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

根據(jù)不同植被恢復(fù)階段劃分樣地類型,恢復(fù)初期的流動(dòng)沙地(Md)為裸沙地,基本無(wú)地表覆被,風(fēng)蝕嚴(yán)重；恢復(fù)中期的半固定沙地(Sf)因天然落種而少量生長(zhǎng)先鋒灌木油蒿及其他一年生草本,風(fēng)蝕減弱；經(jīng)人工建植促進(jìn)植被進(jìn)一步恢復(fù),地表覆蓋度增大,形成恢復(fù)后期的固定沙地,基本無(wú)風(fēng)蝕,固定沙地根據(jù)不同建植方式和建群種又細(xì)分為3類：飛播后形成油蒿固定沙地(Ar)和檸條固定沙地(Ca),后者地表發(fā)育有藻類地衣混合結(jié)皮；沙柳固定沙地(Sa)為人工行帶式扦插沙柳枝條,促進(jìn)植被恢復(fù),形成沙柳優(yōu)勢(shì)群落,且成林后地表發(fā)育苔蘚結(jié)皮。3類固定沙地地形基本一致,均處于沙丘迎風(fēng)坡,氣候背景值和生長(zhǎng)環(huán)境基本相同。各類型樣地隨機(jī)布設(shè)3塊10 m×10 m灌木樣地及5塊1 m×1 m草本和凋落物樣方進(jìn)行植被特征調(diào)查,同時(shí)在每塊灌木樣地內(nèi)隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面,分層取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相關(guān)指標(biāo),各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本信息

Md：流動(dòng)沙地,mobile dune；Sf：半固定沙地,semifixed sand；Ar：油蒿固定沙地,Artemisiaordosicafixed sand；Ca：檸條固定沙地,Caraganakorshinskiifixed sand；Sa：沙柳固定沙地,Salixcheilophilafixed sand

2.2 植被層生物量及碳氮含量測(cè)定

每塊灌木樣地內(nèi)分植物種統(tǒng)計(jì)所有灌木株高、冠幅、基徑、分枝數(shù)等生長(zhǎng)參數(shù)并計(jì)算平均值,依此選擇標(biāo)準(zhǔn)株3株,采用全挖法獲取灌木地下根系,地上部分進(jìn)行莖葉分離,分別測(cè)定根、莖、葉總鮮重并取樣。草本樣方地上部分采取刈割法,地下部分全挖,分別測(cè)定鮮重并取樣。凋落物采用收獲法獲得樣方地表所有枯枝落葉,測(cè)定鮮重并取樣。植被層所有樣品均取200 g(不足200 g則按全部計(jì))帶回實(shí)驗(yàn)室,烘箱內(nèi)105℃殺青2 h,85℃烘干至恒重,由此計(jì)算樣本生物量。樣品經(jīng)烘干、粉碎、過篩后進(jìn)行有機(jī)碳、全氮含量測(cè)定,前者采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化外加熱法測(cè)定,后者采用凱式定氮法測(cè)定。

2.3 土壤層容重及碳氮含量測(cè)定

每個(gè)灌木樣地內(nèi)分6層(0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm)挖取3個(gè)土壤剖面,每一層采用環(huán)刀法測(cè)定原狀土容重,用以計(jì)算各層單位面積土壤質(zhì)量。對(duì)每一層混合取樣后帶回實(shí)驗(yàn)室陰干,粉碎、過篩后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量,測(cè)定方法同2.2。

2.4 碳氮儲(chǔ)量計(jì)算

(1)植被層碳氮儲(chǔ)量計(jì)算：

灌木(草本、凋落物)碳氮儲(chǔ)量=灌木(草本、凋落物)生物量×灌木(草本、凋落物)含碳率/含氮率

(2)土壤層碳氮儲(chǔ)量計(jì)算：

式中,SOC(N)為土壤層碳氮儲(chǔ)量(kg/hm2),C(N)i為第i土層有機(jī)碳或全氮含量(g/kg),Di為第i土層容重(g/cm3),Hi為第i土層厚度(cm),Gi為第i土層礫石體積含量(%)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及作圖采用Excel及Sigmaplot 12.5軟件進(jìn)行,并采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),選取最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物量分配格局

荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同恢復(fù)階段植被層生物量差異顯著(P<0.05),并隨植被恢復(fù)及覆蓋度增加明顯增大,如表2,各階段生物量分別為：流動(dòng)沙地(2.95 g/m2)<半固定沙地(63.13 g/m2)<油蒿固定沙地(300.08 g/m2)<檸條固定沙地(650.36 g/m2)<沙柳固定沙地(893.86 g/m2)。除流動(dòng)沙地地表沒有灌木生長(zhǎng)外,其他階段生物量均以灌木為主,且不同沙地灌木生物量差異顯著(P<0.05),占總生物量比例分別為：半固定沙地(51.56%)<油蒿固定沙地(83.79%)<檸條固定沙地(85.41%)<沙柳固定沙地(92.06%)。在不同恢復(fù)階段,灌木各器官生物量差異顯著且分配比例表現(xiàn)為：莖(49.86%—60.95%)>根(22.39%—31.80%)>葉(16.66%—18.55%),但因不同階段建群種不同,各器官分配比例隨植被恢復(fù)程度并無(wú)明顯變化規(guī)律。

表2 不同恢復(fù)階段植被層生物量分配特征

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

荒漠地區(qū)草本植物多為一年生且植株矮小、葉片退化,導(dǎo)致草本層在總生物量中占比較小,且呈現(xiàn)隨植被恢復(fù)而減小的趨勢(shì)：流動(dòng)沙地(100%)>半固定沙地(34.83%)>檸條固定沙地(6.18%)>油蒿固定沙地(5.24%)>沙柳固定沙地(0.11%)。不同恢復(fù)階段草本層生物量差異顯著(P<0.05),器官分配均為地上部分(72.20%—83.64%)>地下部分(16.36%—27.80%),但分配比例隨植被恢復(fù)無(wú)明顯變化規(guī)律。流動(dòng)沙地由于植被稀少且風(fēng)蝕嚴(yán)重,地表無(wú)凋落物積累,而其他沙地隨植被恢復(fù)地表凋落物生物量逐漸增大且差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為半固定沙地(8.59 g/m2)<油蒿固定沙地(32.92 g/m2)<檸條固定沙地(54.44 g/m2)<沙柳固定沙地(69.98 g/m2),但由于灌木生物量的顯著增加,導(dǎo)致凋落物在總生物量中的占比逐漸減小。

3.2 植被層碳氮儲(chǔ)量分配格局

3.2.1植被層碳氮含量

不同種類植物和同一植物的不同器官中碳氮含量不同。植被層含氮率總體表現(xiàn)為：灌木(1.38%)>凋落物(0.87%)>草本(0.75%),含碳率為灌木(46.72%)>草本(44.29%)>凋落物(43.28%)。灌木各器官含氮率特征為：葉(2.18%)>根(1.03%)>莖(0.92%),含碳率為莖(47.65%)>根(46.45%)>葉(46.06%)；草本各器官含氮率表現(xiàn)為地上部分(1.11%)>地下部分(0.39%),含碳率為地下部分(44.80%)>地上部分(43.78%)。不同恢復(fù)階段凋落物含氮率總體表現(xiàn)為：油蒿固定沙地(0.68%)<半固定沙地(0.81%)<檸條固定沙地(0.94%)<沙柳固定沙地(1.05%)；含碳率為：沙柳固定沙地(38.23%)<檸條固定沙地(42.88%)<半固定沙地(45.28%)<油蒿固定沙地(46.72%)。

3.2.2植被層碳氮儲(chǔ)量

荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被層碳氮儲(chǔ)量隨植被恢復(fù)不斷增大,各階段碳氮儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05)。如表3,植被層碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為：流動(dòng)沙地(12.55 kg C/hm2)<半固定沙地(294.37 kg C/hm2)<油蒿固定沙地(1431.78 kg C/hm2)<檸條固定沙地(2997.30 kg C/hm2)<沙柳固定沙地(4114.05 kg C/hm2),植被層氮儲(chǔ)量為：流動(dòng)沙地(0.37 kg N/hm2)<半固定沙地(6.63 kg N/hm2)<油蒿固定沙地(28.07 kg N/hm2)<沙柳固定沙地(67.43 kg N/hm2)<檸條固定沙地(99.46 kg N/hm2)。除流動(dòng)沙地?zé)o灌木生長(zhǎng)外,其余各階段沙地植被層碳氮儲(chǔ)量均以灌木為主,碳氮儲(chǔ)量平均分別占植被層的89.03%和88.02%。不同恢復(fù)階段灌木碳儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05),沙柳固定沙地(3842.04 kg C/hm2)>檸條固定沙地(2584.24 kg C/hm2)>油蒿固定沙地(1207.79 kg C/hm2)>半固定沙地 (155.84 kg C/hm2)；灌木氮儲(chǔ)量差異同樣顯著(P<0.05),檸條固定沙地(90.92 kg N/hm2)>沙柳固定沙地(59.99 kg N/hm2)>油蒿固定沙地(24.49 kg N/hm2)>半固定沙地 (4.42 kg N/hm2)。各階段灌木層各器官中碳儲(chǔ)量分配均以莖為主,平均占比為55.19%,根次之(27.55%),葉碳儲(chǔ)量最小(17.26%)；各器官氮儲(chǔ)量分配不盡相同,半固定及油蒿固定沙地為莖>葉>根,檸條固定沙地為莖>根>葉,沙柳固定沙地則為葉>莖>根。

草本層碳氮儲(chǔ)量在植被層中占比最小,分別僅為4.14%和3.36%,并有隨植被恢復(fù)占比減小的趨勢(shì),其中碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為：流動(dòng)沙地(100%)>半固定沙地(33.85%)>檸條固定沙地(5.99%)>油蒿固定沙地(4.90%)>沙柳固定沙地(0.11%)；氮儲(chǔ)量為：流動(dòng)沙地(100%)>半固定沙地(22.94%)>油蒿固定沙地(4.80%)>檸條固定沙地(3.47%)>沙柳固定沙地(0.12%)。各階段草本層各器官碳氮儲(chǔ)量分配均以地上部分為主,其碳儲(chǔ)量平均占草本層77.53%,氮儲(chǔ)量占89.96%。凋落物層碳氮儲(chǔ)量在植被層中占比略大于草本層,分別為7.84%和7.61%。在植被恢復(fù)過程中凋落物碳氮儲(chǔ)量逐漸增加,表現(xiàn)為沙柳固定沙地>檸條固定沙地>油蒿固定沙地>半固定沙地 。

3.3 土壤層碳氮儲(chǔ)量分配格局

3.3.1土壤層碳氮含量

不同植被恢復(fù)階段土壤有機(jī)碳和全氮含量差異顯著(P<0.05),且均隨植被恢復(fù)逐漸增加,其中有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：流動(dòng)沙地(0.24 g/kg)<半固定沙地(0.29 g/kg)<油蒿固定沙地(0.35 g/kg)<檸條固定沙地(0.48 g/kg)<沙柳固定沙地(1.17 g/kg)；全氮含量為：流動(dòng)沙地(0.02 g/kg)<半固定沙地(0.03 g/kg)<油蒿固定沙地(0.04 g/kg)<檸條固定沙地(0.06 g/kg)<沙柳固定沙地(0.07 g/kg)。土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量能夠產(chǎn)生顯著影響,如圖1,二者均隨深度增加呈減小趨勢(shì)。

圖1 不同恢復(fù)階段土壤全氮和有機(jī)碳含量Fig.1 Organic carbon and total N content of soil at different stages of recoveryMd：流動(dòng)沙地,mobile dune；Sf：半固定沙地,semifixed sand；Ar：油蒿固定沙地,Artemisia ordosicafixed sand；Ca：檸條固定沙地,Caragana korshinskiifixed sand；Sa：沙柳固定沙地,Salix cheilophilafixed sand

3.3.2土壤層碳氮儲(chǔ)量

荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同植被恢復(fù)階段土壤層碳氮儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05),如表4,土壤層碳氮儲(chǔ)量表現(xiàn)為：流動(dòng)沙地(3308.42 kg C/hm2、346.32 kg N/hm2)<半固定沙地(4077.10 kg C/hm2、429.32 kg N/hm2)<油蒿固定沙地(4664.71 kg C/hm2、485.70 kg N/hm2)<檸條固定沙地(6559.50 kg C/hm2、826.85 kg N/hm2)<沙柳固定沙地(15374.49 kg C/hm2、914.68 kg N/hm2)。土壤容重和碳氮含量均為影響其碳氮儲(chǔ)量的參數(shù),除流動(dòng)沙地容重隨土層加深而增大外,其他階段沙地容重與土層變化并無(wú)明顯規(guī)律,但因?yàn)橛袡C(jī)碳和全氮含量隨土層加深呈明顯減小的趨勢(shì),導(dǎo)致土壤碳氮儲(chǔ)量同樣隨土層加深而降低。對(duì)相同土層而言,0—20 cm土壤碳氮儲(chǔ)量分別占土壤層總碳氮儲(chǔ)量的28.67%—48.00%、34.81%—43.58%,而80—100 cm僅占7.91%—15.20%、7.75%—11.57%。同時(shí),0—10 cm土壤碳氮儲(chǔ)量又分別顯著高出10—20 cm 1.43和1.48倍(Md氮儲(chǔ)量和Sf碳儲(chǔ)量差異不顯著),土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出明顯的表層富集性,且隨植被恢復(fù)富集性顯著加強(qiáng)。

3.4 荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量分配格局

荒漠生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為42834 kg C/hm2,氮儲(chǔ)量為3204 kg N/hm2,且碳氮儲(chǔ)量在不同植被恢復(fù)階段分配存在較大差異(Ca與Sa氮儲(chǔ)量差異不顯著)。如圖2,生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量呈現(xiàn)隨植被恢復(fù)不斷增大的趨勢(shì),表現(xiàn)為流動(dòng)沙地(3320.97 kg C/hm2、346.69 kg N/hm2)<半固定沙地(4371.46 kg C/hm2、435.95 kg N/hm2)<油蒿固定沙地(6096.50 kg C/hm2、513.76 kg N/hm2)<檸條固定沙地(9556.80 kg C hm/hm2、926.31 kg N hm/hm2)<沙柳固定沙地(19488.54 kg C hm/hm2、982.11 kg N hm/hm2)。不同恢復(fù)階段各層碳氮儲(chǔ)量分配比例不同,流動(dòng)沙地為土壤層(99.62%、99.89%)>草本層(0.38%、0.11%),半固定沙地為土壤層(93.27%、98.48%)>灌木層(3.57%、1.01%)>草本層(2.28%、0.35%)>凋落物層(0.89%、0.16%),而油蒿、檸條和沙柳固定沙地均為土壤層>灌木層>凋落物層>草本層?？傮w來(lái)說,荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量隨植被恢復(fù)逐漸增大,處于植被演替初期的流動(dòng)沙地碳氮儲(chǔ)量?jī)H占整個(gè)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的7.75%和10.82%,而植被蓋度最大、生境最穩(wěn)定的沙柳固定沙地總碳氮儲(chǔ)量占比卻可達(dá)45.50%和30.64%；如圖2,土壤層是各恢復(fù)階段荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的主體,碳儲(chǔ)量占比為68.64%—99.62%,氮儲(chǔ)量占比為89.26%—99.89%。

圖2 不同恢復(fù)階段荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量分配特征Fig.2 Carbon and nitrogen storage allocation characteristics of desert ecosystems at different stages of recovery

4 討論

4.1 植被恢復(fù)對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)生物量的影響

干旱、半干旱地區(qū)的荒漠化土壤呈現(xiàn)高度粗?；蛦我换?較差的持水性和貧瘠的養(yǎng)分狀況限制了植物的生長(zhǎng),僅通過自然恢復(fù)力短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)沙漠化逆轉(zhuǎn)[11]。但通過人工植被的建立,可以有效促進(jìn)荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)進(jìn)程[12]。植被覆蓋度和生物量是衡量植物群落發(fā)展的量化參數(shù),可以客觀反映荒漠化土地的植被恢復(fù)程度[13]。本研究中不同植被恢復(fù)階段地表覆蓋度和生物量差異顯著,從流動(dòng)沙地到沙柳固定沙地,植被覆蓋度由2.7%增加到60.2%,總生物量由2.95 g/m2增長(zhǎng)到893.86 g/m2,表明人工建植促進(jìn)植被恢復(fù)可以顯著增加荒漠生態(tài)系統(tǒng)生物量,這與學(xué)者對(duì)科爾沁沙地的研究結(jié)果相同[7],毛烏素沙地通過飛播造林,在植被恢復(fù)過程中地上、地下生物量明顯增長(zhǎng)[14],騰格里沙漠流動(dòng)沙地封育后促進(jìn)植被演替,植被蓋度和生物量隨封育年限逐漸增加[15]。荒漠生態(tài)恢復(fù)的最終目的是建立具有生物多樣性、抗逆性強(qiáng)的近自然植物群落,首要任務(wù)是選擇合適的建群植物種和建植方式,保證演替的快速良性發(fā)展[16]。本研究中通過人工植苗形成的沙柳群落植被覆蓋度和生物量均顯著高于飛播形成的油蒿和檸條固定沙地,這是因?yàn)樯沉鳛閹?kù)布齊沙漠優(yōu)良的固沙樹種,具有生長(zhǎng)迅速、萌蘗力強(qiáng)、成活率高的特點(diǎn),人為栽植后可在較短時(shí)間形成枝葉茂密的沙柳林帶,并擴(kuò)展出發(fā)達(dá)的水平根系。另一方面,荒漠地表由于風(fēng)蝕強(qiáng)烈和極端干旱,阻礙飛播后種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng),導(dǎo)致短期內(nèi)無(wú)法形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的植物群落,減緩植被恢復(fù)進(jìn)程[14]。郝璐等[17]在荒漠草原的研究也表明飛播或自然恢復(fù)短期內(nèi)很難成林,人工植苗造林后的植被蓋度、高度和生物量均顯著高于前者,具有更強(qiáng)的物質(zhì)輸入和能量固定。由此可知,適地適樹并選擇合適的建植方式,對(duì)于荒漠生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù),地表植被蓋度和生物量的增加至關(guān)重要。同時(shí),本研究中庫(kù)布齊沙漠東段平均生物量為382.07 g/m2,與北美Chihuahuan荒漠生態(tài)系統(tǒng)相似(320 g/m2)[18],但低于Sonoran沙漠(640 g/m2)[19]和全球荒漠生態(tài)系統(tǒng)生物量的平均水平(700—800 g/m2)[20],較低的生物量和凈初級(jí)生產(chǎn)力充分表明該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,雖然已出現(xiàn)植被的正向演替,但很容易因氣候變化和人為干擾中斷演替甚至出現(xiàn)逆向演替[21],合理的土地利用和管理是防止沙漠化反復(fù)的重要措施。

4.2 植被恢復(fù)對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮的影響

在植被恢復(fù)進(jìn)程中,植物群落的發(fā)育和演替過程,實(shí)際上伴隨著植物自身對(duì)生境土壤的不斷適應(yīng)和改造過程,二者是荒漠生態(tài)系統(tǒng)中緊密聯(lián)系的兩個(gè)子系統(tǒng),通過相互促進(jìn)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)沙漠化逆轉(zhuǎn)[22]。流動(dòng)沙地土壤以松散易蝕、干旱貧瘠為特征,當(dāng)植被開始恢復(fù),植物生長(zhǎng)固定土壤的同時(shí)會(huì)改變其理化性質(zhì)并增加養(yǎng)分含量。土壤有機(jī)碳和全氮是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要參與者[23],二者含量主要取決于碳氮元素輸入和輸出,輸入來(lái)源主要是植物殘?bào)w的形成和分解[24]。在植被恢復(fù)過程中,植被蓋度和生物量增加的同時(shí)返還地表的凋落物也逐漸積累,為植物殘?bào)w的形成提供充足基材[25]。而且植物的生長(zhǎng)有效改善土壤水熱條件,為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供有利空間,提高生命活性,進(jìn)而加速對(duì)植物殘?bào)w的分解速率,利于碳氮元素回歸土壤[26]。同時(shí),風(fēng)蝕容易造成表層土壤碳氮流失,但隨植被恢復(fù),地表覆蓋程度增大和生物結(jié)皮的發(fā)育,可有效減弱風(fēng)沙流活動(dòng),從而起到保護(hù)土壤碳氮的作用[27]。本研究中,從流動(dòng)沙地到沙柳固定沙地,凋落物生物量由0增加到69.98 g/m2,土壤有機(jī)碳和全氮含量也因凋落物的累積顯著增加,前者由0.24 g/kg增至1.17 g/kg,后者由0.02 g/kg增致0.07 g/kg,充分說明植被恢復(fù)能夠有效提高荒漠土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)土壤形成發(fā)育,這與齊雁冰等[28]的研究結(jié)果一致,李嘗君等[29]在塔克拉瑪干沙漠的研究也得到相同結(jié)論。當(dāng)土壤水肥條件得到改善,又可為植物生長(zhǎng)提供更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使植被得以更好恢復(fù),這種植被-土壤的協(xié)同作用、相互影響的反饋關(guān)系,成為荒漠生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力[30]。研究發(fā)現(xiàn)土壤碳氮儲(chǔ)量隨土層加深而逐漸降低,0—20 cm碳儲(chǔ)量占土壤層總碳儲(chǔ)量的(34.81%—43.58%),Veldkamp[31]也提出荒漠土0—30 cm土層碳儲(chǔ)量占比達(dá)到39%—70%,表明荒漠土壤具有明顯的養(yǎng)分表層富集現(xiàn)象,這是因?yàn)橹参锱c土壤的交互作用主要發(fā)生在根際環(huán)境,而研究區(qū)中沙柳、油蒿等灌木根系70%生物量集中于0—30 cm土層,表層土體必然成為根系吸收養(yǎng)分和根系分泌物改造土壤質(zhì)地的主要場(chǎng)所[32]。

4.3 植被恢復(fù)對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的影響

土地利用方式變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量具有重要影響,尤其在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中,通過人工建植加速植被恢復(fù),可以有效提高地表植被覆蓋程度,且隨油蒿、檸條和沙柳等荒漠灌叢的生長(zhǎng),土壤資源聚集于灌叢下,形成水土氣生較好的“肥力島”[33],改變荒漠地貌類型,促使土壤沙漠化過程發(fā)生逆轉(zhuǎn),增加生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量。本研究中,從流動(dòng)沙地到沙柳固定沙地,生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量從3320.97 kg C hm/hm2增至19488.54 kg C hm/hm2,氮儲(chǔ)量從346.69 kg N hm/hm2增至982.11 kg N hm/hm2,表明在植被恢復(fù)過程中,荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量具有顯著增加的趨勢(shì),這與周欣等[34]的研究結(jié)果一致,而趙哈林等[35]則從植被退化的角度證明沙漠化會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量嚴(yán)重?fù)p失。植被層和土壤層是碳氮存儲(chǔ)的主體,植被恢復(fù)能夠顯著增加植被層和土壤層碳氮輸入,是影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的直接因素,同時(shí)植被恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的生物和生態(tài)過程,受到諸多環(huán)境因素影響,而這些因素也將成為影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的間接因素。本研究中,在人工植被建立后,氣候是驅(qū)動(dòng)植被向地帶性群落演替最重要的外在動(dòng)力[36],決定著庫(kù)布齊沙漠碳氮儲(chǔ)量的終值；植物的生存策略是植被恢復(fù)演替的內(nèi)在動(dòng)力,植物的繁殖方式、生長(zhǎng)規(guī)律、能量分配及植被-土壤協(xié)同作用決定了不同階段荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳氮固存的速率[37],這是分別以油蒿、檸條和沙柳為建群種的固定沙地碳氮儲(chǔ)量存在差異的主要原因。

5 結(jié)論

庫(kù)布齊東段荒漠生態(tài)系統(tǒng)在植被恢復(fù)過程中,碳氮儲(chǔ)量具有明顯的隨植被恢復(fù)而逐漸增加的趨勢(shì),不同恢復(fù)階段碳氮儲(chǔ)量差異顯著。從流動(dòng)沙地逐步演變到沙柳固定沙地的過程中,地表植被蓋度和生物多樣性逐漸增大,植被層生物量和碳氮儲(chǔ)量亦顯著增加,其中又以灌木層為主體,草本層和凋落物層占比較小,并且灌木及草本層生物量及碳儲(chǔ)量的垂直空間分布特征均為地上部分高于地下。在植被恢復(fù)過程中,植物的生長(zhǎng)及其變化影響土壤的形成和發(fā)展,改良土壤理化性質(zhì),從而增加土壤層碳氮儲(chǔ)量,且由于根系與土壤的交互影響及植物殘?bào)w的分解輸入,使得碳氮表層富集現(xiàn)象十分明顯?？傮w來(lái)說,荒漠生態(tài)系統(tǒng)通過人工建植促進(jìn)植被恢復(fù),可有效實(shí)現(xiàn)沙漠化逆轉(zhuǎn),增加各組分碳氮儲(chǔ)量,具有較好的碳氮固存潛力,是陸地碳氮循環(huán)中重要的“匯”。