內蒙古典型區草地不同利用方式對土壤碳庫的影響

徐進才，張 宇，高和平，靳曉雯

（1.內蒙古土地調查規劃院，內蒙古 呼和浩特 010021；2.南京農業大學公共管理學院，江蘇 南京 210095）

草地是碳匯的用地類型，其面積約占陸地總面積的25%，碳儲量約為266.3 Pg，占陸地生態系統總碳儲量的12.7%[1-3]，其中中國草地生態系統碳素總貯量為44.09 Pg[4]。在陸地生態系統碳循環研究中，草地生態系統是全球變暖反應最明顯的生態系統之一，因此，草地成為重要的研究內容。草地生態系統碳循環有其獨特的生物地球化學循環過程和作用，主要表現為：碳儲量絕大部分集中于土壤中，地上生物量中僅為10%，且地上部分受到放牧、農墾等的影響，碳循環不僅速度快，而且向大氣排放CO2的作用明顯；作為主要碳貯存庫的地下部分，由于草地所處的特殊地理位置和氣候條件，導致其地下部分分解普遍較慢，草地作為碳匯用地的作用更為明顯。從利用方式上來看，草地開墾為農田后會損失掉原來土壤中碳總量的30%—50%[5]。有研究表明，草場開墾60年后可使土壤的碳含量降低18%—35%[6]；割草會使草地生態系統碳平均每年減少近1%[7]，而農田向草場的轉化則明顯增加對大氣碳的固定[8]，使土壤中有機碳每年以0.54 mg/hm2增加[9]。此外，過度放牧可以促使草地土壤的呼吸作用，從而加速碳從土壤向大氣中的釋放。

內蒙古自治區草地資源土壤碳含量及其變化的研究一直是學者關注的重點，主要源于內蒙古草地資源特殊的地理位置、氣候條件以及典型的草地類型。研究主要集中在草原土壤的碳含量及其與溫室氣體通量的相關性[10-11]、不同草原區土壤質地對土壤碳密度（SOCD）的影響[12]等方面。上述研究主要是從自然科學的角度研究碳循環的總體情況，測定土壤有機碳的供給、積累、分解與輸送的各個過程。從管理科學視角下的研究主要集中于草地碳匯管理的具體對策[14-16]，而從土地利用管理角度分析不同利用方式下草地資源碳循環的研究較少,如對內蒙古錫林河流域羊草草原的研究表明，過度放牧使草地表層土壤（0—20 cm）中碳的貯量降低了12.4%，但這種變化不如草地開墾的影響迅速與劇烈，其效應出現的時間閾值至少在20年以上[13]。因此，本文從內蒙古錫林郭勒盟地區中典型草原及荒漠草原選取樣區，從土地利用管理的角度分析草地不同利用方式下土壤碳儲量的變化，并提出科學的草地利用措施，為草地的合理利用提供參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒盟位于內蒙古自治區中部，地處東經115°13′—117°06′，北緯43°02′—44°52′。屬中溫帶半干旱、干旱大陸性季風氣候，春季干旱多風，冬季寒冷漫長，夏季溫熱短促。年平均氣溫在1—2℃，無霜期110—130天，年平均降雨量295 mm，由東南向西北遞減。降雨多集中在7、8、9三個月內。

本文選擇內蒙古錫林郭勒草原毛登牧場作為研究區，該牧場始建于1958年，于1991年由原北京生產建設兵團五師三十二團轉制歸屬錫林浩特市，牧場地處錫林浩特市東部，距錫林浩特市36 km，全場總面積585 km2，其中可利用草場面積310 km2。為研究不同利用方式下草地土壤碳截存的狀況，在研究區內選擇3類不同利用方式的樣地。其一是圍封樣地，沒有放牧干擾的試驗地；其二是長期放牧樣地，已經出現了草地退化、沙化的情況；其三是已經開墾為耕地的樣地，且開墾過程中未采用施肥措施。

1.2 取樣及實驗方法

在每塊樣地上根據隨機分布的原則布置5個樣點，取1×1 m2草本樣方之后，在植物樣方內用土鉆取土樣，利用對角線法在樣方內取土3—5鉆大約1 kg左右，利用土鉆法分層（0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm和40—50 cm）取樣，將同層的土樣混合均勻并去除植物根系和石塊，風干后過篩，室內測定土壤粒級、容重以及養分有機碳（SOC）。土壤有機質測定方法為外加熱，重鉻酸鉀氧化—容量法。數據分析則通過SPSS13.0軟件采用單因素方差分析（ANOVA）檢驗3個樣地在各項特征指標上的差異。用最小顯著性差異方法（LSD）檢驗各樣地間的差異顯著性（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式的土壤特征

表1 3類樣地土壤理化特征Tab.1 Physical and chemical characteristics of the three categories of soil

從土壤理化特性來看，3類樣地存在較大的差異。從土壤粒級分布來看，20 cm以上土層中，圍封、放牧、開墾3種利用類型土壤粒級分布變化不顯著，自由放牧未對土壤的粒級分布產生顯著影響。而3類樣地在20 cm以下土壤表層粒級分布上表現出顯著差異，開墾樣地相對于圍封和放牧樣地表現為土壤粘粉粒含量顯著減少，而砂粒含量顯著增加，這主要是由于開墾引起表層粘粒風蝕所致。

開墾與放牧還顯著影響了土壤容重，經測定在0—10 cm土層中，放牧樣地和開墾樣地的土壤容重均顯著高于圍封樣地，而且放牧樣地土壤容重顯著低于開墾樣地；在10—20 cm土層中，開墾樣地土壤容重依然顯著高于圍封樣地，而放牧樣地則表現為與其他2類樣地間差異均不明顯；而3類樣地在20 cm以上土層中土壤容重差異均不顯著。可見，開墾和放牧對土壤容重的影響主要集中于地表，且開墾對土壤容重的影響更為劇烈。

從土壤有機碳來看，圍封樣地有機碳含量顯著高于放牧及開墾樣地，特別是在地表20 cm以下土層中，差異非常明顯。與其他學者[17]研究成果不同之處在于放牧樣地的土壤碳含量顯著低于圍封樣地，可能的原因主要有兩個方面：一是由于實驗樣地選擇的不同，存在地域上的差異；二是在選擇放牧用地時，本文研究選擇了放牧強度較高的地區，植被破壞嚴重，已經開始出現土地沙化現象?？傮w來看，放牧特別是過度放牧與開墾均會造成土壤有機碳含量的下降。

2.2 不同土地利用方式對土壤碳截存的影響

土壤粒級和土壤容重均會影響土壤有機碳的儲量。有研究表明，土壤母質表現出了對土壤有機碳的決定作用，土壤有機碳隨著土壤中粘粒、細粉砂和粉砂含量的增加而增加，隨著砂粒含量的增加而降低[12]。而土壤容重的變化會進一步影響土壤水分的入滲和保持、孔隙分布等土壤性狀，這一過程最終影響土壤有機碳含量，因此，土壤容重的增加是草地生態系統退化的早期預警指標。筆者認為，土壤粒級與土壤容重的變化很大程度上取決于人類活動的干擾程度，因此，不同草地利用方式會對草原區土壤碳儲量產生深遠影響。由表1可見，不同利用方式下，草地碳截存量存在顯著差異，特別是圍封樣地與放牧、開墾樣地間的差異表現的更為明顯。

有關過度放牧對草地土壤有機碳貯量影響等方面問題的研究較少，主要成果[18]表現為3個方面：一是過度放牧使得天然牧場植物有機體回歸土壤的量減少，影響了有機碳的輸入；二是過度放牧使得草地植被覆蓋度大幅降低，裸露的地表風蝕嚴重，土壤粒級增加；三是過度放牧情況下，家畜對草場的踩踏嚴重，增加了土壤容重。上述3個方面共同作用，使得土壤有機碳儲量下降明顯。

草地開墾是影響草地碳儲量的又一主要因素[13]，因為開墾使土壤中的有機質充分暴露在空氣中，土壤溫度和濕度條件得到改善，從而極大地促進了土壤呼吸作用，加速了土壤有機質的分解；開墾還會加速土壤風蝕，土壤表層有機碳含量較高的細顆粒被吹蝕后導致土壤有機碳的大量損失。本研究中，草地的開墾也確實顯著降低了土壤有機碳含量，在表層（0—10 cm）土壤圍封樣地為33.24g·kg-1，開墾樣地僅為21.61 g·kg-1，降低了近1/3，這也與草地開墾為農田后會損失掉原來土壤中碳總量的30%—50%的研究結論相符[5]。

3 基于碳減排的內蒙古草地利用策略

內蒙古自治區草地面積廣闊，是國內最大的畜牧業生產基地。多年來，為踐行國家保護草原生態政策，實現草地資源可持續利用，自治區努力調整畜牧業生產結構，在全區草原全面推行以草定畜、季節休牧、劃區輪牧的科學飼養方式，同時大力倡導退耕還林還草工程，取得了不錯的效果，但距草地資源科學合理利用的目標仍有一定的距離。本文從碳循環視角來研究草地利用方式，旨在實現草地利用過程中的低碳排放，突出草地資源的碳匯效應。結合前文典型區域的實驗結果，本文提出如下基于碳減排的草地利用策略。

3.1 建立科學合理的放牧制度

從碳循環的角度來看，合理的放牧制度能夠減少放牧過程中牲畜對草場的破壞，從而有效緩解草地資源的退化，增加草地碳匯能力。禁牧、休牧、劃區輪牧是目前在草原牧區主要推廣的科學利用草原的經營管理制度。以上3項放牧制度中，劃區輪牧制度是最為適應內蒙古地區實際的，因為其既符合內蒙古草地資源利用的特點，又能夠有效減少因牲畜踩踏、草地退化等引起碳排放。此外，筆者認為，在劃區輪牧的過程中應充分考慮內蒙古地區氣候特點，根據不同草原類型的物質特點詳細劃分季節帶，以不同大小、不同形式的輪牧分區或地段輪牧來實現劃區輪牧計劃；還需要注意牧場的輪換，避免連年在同一時期，以同樣的方式利用同一牧場，這樣可以有效減少牲畜對牧草的破壞，降低土壤容重。

3.2 退耕還草，加強人工草地建設

退耕還草，加強人工草地建設，是發展畜牧業的重要舉措，為禁牧、休牧和舍飼養畜提供物質保障，實現“禁牧不禁養”的目標。從降低草地碳排放的角度來看，退耕還草、人工草地建設能夠增加天然草地面積，有效緩解天然草地的放牧壓力，降低天然草地的退化幾率，從而增加草地的碳匯功能。因此，應加大退耕還草力度，加強人工草地建設。著力解決人工草地單產水平低的技術問題，研究制定和修訂不同牧草種植、生產、加工、利用技術規程，加強人工草地標準化建設技術應用與推廣。同時，應實行人工草地數字化管理，結合國家實施的牧草良種補貼項目，利用“3S”技術準確獲取人工草地空間及屬性數據，建立人工草地資源數據庫，逐步摸清人工草地資源現狀，初步形成草原牧區人工草地數字化管理技術模式，實現人工草地資源的信息化、數字化管理。

3.3 科學合理的編制草地規劃

通過編制科學合理的草地開發利用規劃，將低碳理念植入草地利用的行為中。通過對草地資源的調查，作出現狀描述、潛力分析及各種利用可能性的預測，借助規劃手段進行草地利用分區，特別是科學計算草地資源承載力，防止過度放牧等濫用草地資源的現象，嚴格限制草地開墾等引起碳排放的草地利用方式。

4 小結

（1）內蒙古典型地區草地不同利用方式對碳排放的影響較為顯著，圍封樣地有機碳含量顯著高于放牧及開墾樣地，特別是在地表20 cm以下土層中，差異非常明顯。（2）過度放牧顯著減少了地下碳截存量。草地的開墾也確實顯著降低了土壤有機碳含量，其對碳儲量的影響與過度放牧相當。（3）從各土層土壤有機碳的變化幅度來看，表層（0—10 cm）土壤有機碳變化幅度最大，圍封樣地為33.24 g·kg-1，開墾樣地僅為22.95 g·kg-1，降低了近1/3。（4）過度放牧與草地的開墾顯著降低了土壤有機碳含量，因此應通過建立合理的放牧制度，退耕還草、加強人工草地建設，科學的編制草地規劃等措施來降低草地利用對土壤碳庫的影響，增強草地的碳匯能力。

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