放牧強度對草甸草原地下生物量及碳密度的影響

包爾吉干?安齊爾,韓國棟

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

1 前言

有些學者認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)的變化與人類的活動有著密切的關系〔2,3〕。其中以土地利用的變化而導致空氣二氧化碳濃度的增加尤為明顯〔4,5〕。但是,目前對于土地利用變化的研究多集中于森林的變化,而對于其它生態(tài)系統(tǒng),如草地、濕地的研究則相對較少。草地是世界上分布最廣泛的植被類型之一,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)過程,在陸地上最大的碳庫是森林,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。世界上中國是草地分布面積最廣的國家之一〔7〕,其中分布于北部的蒙古高原上的草原是中國草地的重要組成部分。近年來隨著人口及經(jīng)濟發(fā)展壓力的增加,草原正在強烈的受到人為干擾的影響,這些人為干擾勢必影響到草原作為碳庫的功能的發(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的作用,對于全球氣候變化具有重要的作用。草原作為一個碳庫,由4個分室組成: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,研究不同的放牧強度,對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依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗地點位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗浩勒圖高勒鎮(zhèn)。東經(jīng) 116°21′至 119°5′,北緯 43°57′至43°23′。氣候屬于大陸性半干旱氣候,春季干旱而多大風,夏季短促而多雷陣雨,秋季涼爽而凍霜早,冬季嚴寒而漫長。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。年平均風速4.3m/s,以西風和西北風為主,大風日數(shù)在60—90d,無霜期為106d。試驗地海拔在1 113～1 185m之間,地貌類型為低山丘陵區(qū),土壤類型為暗栗鈣土。

試驗地共出現(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。試驗地的草地類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 實驗設計

選擇植被類型、土壤、地形、家庭人口及所養(yǎng)牲畜種類及數(shù)量相似的3戶居民點作為研究對象,其以居住點中心的自由放牧的家庭牧場,3個家庭牧場看做3個重復樣地。首先,以定性的方法劃分放牧梯度等級,即每個重復樣地按離居民點的遠近及植物種類、產(chǎn)量的差異劃分3個放牧強度區(qū),即重度放牧區(qū)(HG)、中度放牧區(qū)(MG)和輕度放牧區(qū)(LG),另外再選擇認為干擾較少的圍封樣地或打草場作為對照(CK)。2009年的8月份在試驗地上按規(guī)定的方法進行調(diào)查和取樣工作。

2.2.2 測定內(nèi)容與方法

2.2.2.1 放牧強度的劃分

在每個重復樣地上,以牧戶為起點,向外拉一條樣線直到牧場邊界。在陽線上每隔20M做一個Daubenmire樣方,測植物枯落物的蓋度、植被的總蓋度、植被的生物量,以這3個指標對整個樣地進行聚類得到3個放牧強度的范圍,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定

采用隨機布點的方法在各試驗地(包括 LG、MG、HG、CK 4種類型)內(nèi)設置 1×1m2樣方 3塊,在每個樣方內(nèi),采用機械布點的方法確定3個取樣點,然后在每個取樣點用根鉆(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個取樣點共30個樣本,裝進孔隙度為70目的網(wǎng)袋用水進行沖洗,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定根系有機碳含量。

2.2.2.3 數(shù)據(jù)的計算方法

放牧梯度以3家牧戶作為3次重復。由于每個放牧梯度設置3個樣方,每個樣方內(nèi)有3個取樣點,因此每個放牧梯度的數(shù)據(jù)有9個樣點的數(shù)據(jù)做平均而得。

根系生物量的計算公式如下:

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)。

根系碳密度的計算公式如下:

RCD i=RBi×Ci

式中,RCDi為第i層根系有機碳密度(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層根系的有機碳含量(%)。

2.2.2.4 根系理化分析測定方法

最后對數(shù)據(jù)應用SAS V 8.0軟件進行統(tǒng)計分析。

3 結果與分析

3.1 放牧強度對地下生物量的影響

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

表1 不同放牧強度下各個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),隨著深度的增加會顯著的減少但是在60cm以后就沒有了顯著的差異。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題中具有代表意義。

3.2 放牧強度對根系碳密度的影響

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

圖2 不同放牧強度根系碳密度

圖3 不同放牧強度下0～100cm根系的碳密度

圖3是在用不同的放牧強度下在0～100cm的根系碳密度的數(shù)據(jù)進行乘冪函數(shù)計算得出的趨勢線圖。4個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,而后是對照,最后為輕度放牧。放牧強度對各層根系碳密度的顯著影響在10～70cm深度之間(F＜0.05)。該結果表明,除了輕度放牧,放牧強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),放牧強度越高淺層根系的碳流失越大。根系的營養(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,在一定的放牧強度下放牧可以增加土壤的有機質(zhì),但其僅限于表層土,對深層土沒有影響〔11〕,表層土壤有機質(zhì)變高的原因是,沒有放牧時,枯死的植物以立枯狀態(tài)保持很久,這不利于土壤有機質(zhì)的補充;而在放牧情況下牲畜加速了立枯進入土壤中分解成有機質(zhì)的過程,所以對表層土壤影響較大〔12〕。

3.3 根系碳密度與根系深度的關系

圖4 根系碳密度與根系深度的關系

根系的碳密度與根系深度呈明顯的乘冪函數(shù)關系,相關系數(shù)最小值為R2=0.9583已達到顯著水平(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,到后來無限接近x軸而不交叉。這說明,根系的碳密度與根系深度不是線性關系,隨著根系的加深碳密度會逐漸減少。而是在0～40cm的深度內(nèi)根系的碳密度會顯著的減少(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 結論

4.1 不同放牧強度對植物根系的生物量有明顯的影響。根系生物量會隨著放牧強度的增加而減少。

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

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

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照區(qū)。

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