草地植被低矮稀疏化對土壤溫度的影響

宋彥濤，烏云娜，張鳳杰，霍光偉，程永睿，巴德瑪嘎日布

(1.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116605;

2.新巴爾虎右旗草原工作站，內(nèi)蒙古 新巴爾虎右旗 021300)

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草地植被低矮稀疏化對土壤溫度的影響

宋彥濤1，烏云娜1，張鳳杰1，霍光偉1，程永睿1，巴德瑪嘎日布2

(1.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116605;

2.新巴爾虎右旗草原工作站，內(nèi)蒙古 新巴爾虎右旗 021300)

摘要：土壤溫度在草地生態(tài)系統(tǒng)過程中具有重要作用，人類活動導(dǎo)致草地植被低矮稀疏化，從而引起土壤溫度的變化。利用枯落物和立枯物模擬植被的低矮稀疏化過程，并測定不同土層中溫度的變化，結(jié)果顯示：在植物生長季，隨著土壤深度的增加，不同枯落物和立枯物處理方式對土壤溫度的影響逐漸減??；隨著枯落物量減少和立枯物高度、密度的降低，各土層溫度都顯著增加；枯落物量每減少100 g·m-2，0～25 cm土層的溫度升高0.28 ℃；當(dāng)立枯物密度最大時，立枯物高度每降低10 cm，0～25 cm土層的溫度升高0.81 ℃；不同立枯物處理下，土壤溫度的日變化動態(tài)呈雙峰型，5 cm土層溫度比15 cm土層溫度對植被低矮稀疏響應(yīng)更敏感。

關(guān)鍵詞：土壤溫度；低矮稀疏；氣候變化；立枯物

Effect of Grassland Vegetation Shortness and Sparseness

人類活動導(dǎo)致了植被覆蓋的變化[1]。在地球上的不同地區(qū)，人類活動不僅導(dǎo)致了植被類型的變化，而且消耗了大量的初級生產(chǎn)，強烈地影響著地球上的生態(tài)系統(tǒng)[2]。在一些地區(qū)，即使植被類型沒有發(fā)生變化，但至少葉面積指數(shù)呈現(xiàn)大量減少的現(xiàn)象[3]。這導(dǎo)致自然植被的蓋度越來越少，地球上有40 %的草地存在低矮稀疏化現(xiàn)象[1]。例如中國東北的松嫩草地，過度放牧使很大比例的草地裸露，枯落物減少，草地變得低矮稀疏[4]。人類在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的其他活動，如砍伐森林、城市化過程，也有類似的結(jié)果[1,5]。自然植被的低矮稀疏化現(xiàn)象幾乎存在于所有的景觀中，然而卻很難進(jìn)行精確的研究[6]。

土壤溫度是決定土壤生物化學(xué)反應(yīng)的一個重要因子，如伴隨著CO2釋放，氮礦化對土壤溫度有著強烈的依賴，同時土壤溫度也是植物和土壤生物生長的驅(qū)動因子，如植物根系生長和種子發(fā)芽[7]。在全球變化的背景下，土壤增溫對生物地球化學(xué)循環(huán)的正負(fù)反饋有著長期的潛在影響，并與地表的能量平衡直接相關(guān)[8]，因而研究植被低矮稀疏化過程中土壤溫度的變化規(guī)律具有重要的意義。本研究利用不同量的枯落物和不同高度、密度的立枯物模擬植被低矮稀疏化過程中不同層土壤溫度的變化。

1材料與方法

1.1　實驗地概況

研究地點位于中國科學(xué)院長嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站(44°33′N, 123°31′E，海拔145 m)。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候：春季干旱多風(fēng)且降水稀少；夏季降水集中，冬季降雪較少，年均溫4.9 ℃，≥10℃積溫2 920 ℃，無霜期140~160 d，年日照時數(shù)2 800 h。年降水量300~500 mm，集中在6-9月，這個時期降水量占總降水量的70 %，年蒸發(fā)量1 600 mm。該地區(qū)地勢平坦，海拔140~160 m，以低地平原為主，有帶狀固定沙丘分布。地帶性土壤為黑鈣土，pH值為7.5~9。

1.2　方法

實驗采用完全隨機(jī)設(shè)計，時間為兩個植物生長季(5-9月)。每年返青前清理地表，以實驗地周圍的風(fēng)干枯草均勻平鋪于地表模擬枯落物，每平方米0，200，600，1 000 g，小區(qū)面積1.5 m×1.5 m，共4個處理；以蘆葦莖固定于地表模擬立枯物，4個高度(10，30，50，60 cm)和3個密度(蘆葦莖間距：5，15，25 cm)，裸地為對照(CK)，設(shè)60 cm*5 cm(高度*間距)、50 cm*5 cm、30 cm*10 cm、10 cm*25 cm和CK 5個處理，小區(qū)面積1.2 m×1.2 m。

用曲管地溫計測量地下5，10，15，20，25 cm層的溫度，從5-9月每半個月測量一次，每次記錄當(dāng)天8：00、14：00，20：00點的溫度。為了研究溫度的日變化動態(tài)，在第二年用NYZ-Ⅲ型多點溫度自動觀測儀(長春氣象儀器研究所，2007年)從8月5日到9月11日連續(xù)觀測立枯物處理5 cm和15 cm層的土壤溫度，每小時記錄一次。

1.3　 數(shù)據(jù)分析

曲管地溫計測量的數(shù)據(jù)：一天三個時間段的平均值計為當(dāng)天的溫度，整個生長季觀測天數(shù)的平均值作為生長季的溫度，最終結(jié)果為兩年的平均值。NYZ-Ⅲ型多點溫度自動觀測儀測量的數(shù)據(jù)：計算每天24 h、38 d的平均值。數(shù)據(jù)用SPSS 13.0 (2004, SPSS Inc., USA)進(jìn)行統(tǒng)計計算和線性回歸分析，0.05水平顯著性檢驗。

2結(jié)果與分析

2.1　枯落物和立枯物處理土壤各層溫度的變化

不同枯落物處理對土壤各層溫度的影響有相同的趨勢，即隨著土壤深度的增加，溫度逐漸降低，枯落物量越大，不同土層間的溫差越小(如圖1(a))。1 000 g·m-2處理5 cm層和25 cm層土壤溫度分別為23.7℃和21.2℃，相差2.5℃，而對照5 cm層和25 cm層土壤溫度分別為28.5℃和22.8℃，相差5.7℃。對每層的土壤溫度來說，隨著枯落物的減少，溫度逐漸升高，并且土層越深，升高的幅度越小。對照比1 000，600，200 g·m-2處理的5 cm層土壤溫度分別高4.8，4.2，2.5℃。地表0～25 cm層的平均值，對照比1000，600，200 g·m-2分別高2.7，2.4，1.2℃。5，10，15，20，25 cm層每減少100 g枯落物，溫度分別升高0.44，0.26，0.24，0.18，0.28℃，但10 cm層溫度的增溫趨勢不顯著。

(a)枯落物

(b)立枯物

注：直線為趨勢線，平均為0～25 cm層的平均值，a為回歸系數(shù)，*表示在0.1水平上顯著，**表示在0.05水平上顯著，***表示在0.01水平上顯著。

立枯物處理的土壤各層的溫度隨深度的變化與枯落物相似，即隨著深度的增加，各處理的土壤溫度逐漸降低?？梢苑譃槊黠@的三層，5 cm為一層，10~15 cm為一層，20~25 cm為一層，地表以下25 cm內(nèi)的平均值與10~15 cm層相當(dāng)(如圖1(b))。立枯物越高、密度越大，5 cm層到25 cm層的溫度變化越小，隨著低矮稀疏化過程，變化范圍逐漸增大。60cm*5cm處理的變化范圍為23.8℃～21.0℃，而對照的變化范圍為29.2℃～23.4℃。隨著立枯物高度的降低、密度的減少，各層溫度都有顯著的增加趨勢，并且距地表越近，增加趨勢越大。

相同密度不同高度的情況下，隨著高度的降低土壤各層的溫度逐漸升高。間距為5 cm的立枯物隨高度的降低各層土壤溫度都有顯著的升高趨勢(見表1)，高度每降低10 cm，5，10，15，20，25 cm層的溫度分別升高1.24,0.93,0.77,0.60,0.53℃，地表以下25 cm內(nèi)平均溫度的回歸方程為：Y=0.8131x+ 21.7 (P = 0.018，R2= 0.913)。間距為15 cm和25 cm的立枯物隨高度降低，各層土壤溫度有上升的趨勢，但不顯著。相同高度不同密度的情況下，雖然隨著密度的降低各層土壤溫度有上升的趨勢，但不顯著。

表1　不同立枯物高度，間距為5 cm的立枯物處理下

注：平均為25 cm層內(nèi)各層溫度的平均值，*表示在0.1水平上顯著，**表示在0.05水平上顯著，***表示在0.01水平上顯著。

2.2　立枯物處理土壤溫度的日變化

立枯物處理土壤溫度的日變化曲線呈雙峰型：一個最高值和一個最低值，15 cm層土壤溫度的日變化曲線相對平緩(如圖2)。5 cm層土壤溫度在14：00時達(dá)到日最高溫，日最低溫出現(xiàn)在早晨5：00時，且隨著立枯物高度和密度的降低，日變化曲線的峰值逐漸突出，60 cm*5 cm和50 cm*5 cm處理的日最高溫要明顯的低于其他三個處理，對照比60 cm*5 cm處理的最高溫高6.6℃，各處理的日最低溫相差不大(如圖2(a))；15 cm層土壤溫度則有很大的滯后性，一天內(nèi)日最高溫、最低溫出現(xiàn)的時間分別為17：00～18：00時和8：00時，且立枯物高度越高，密度越大，日最高溫出現(xiàn)的時間越晚，60 cm*5 cm和50 cm*5 cm日最高溫出現(xiàn)在18：00時(如圖2(b))。

圖2　立枯物處理土壤溫度的日變化曲線

3討論

草地學(xué)家們強調(diào)枯落物在維持草地健康和生態(tài)系統(tǒng)功能方面起著重要作用[8]，但刈割和放牧幾乎消耗了所有的植物生產(chǎn)，枯落物的積累接近零。本實驗調(diào)查的割草場的枯落物為20～30 g·m-2，然而相對于枯落物最佳積累量500～600 g·m-2[9-10]來說，割草場基本上全部利用了植物生產(chǎn)。地表至25 cm層的土壤溫度在生長季模擬枯落物從1000 g·m-2到0 g·m-2增加了2.69℃，回歸的結(jié)果顯示，隨枯落物減少，溫度升高的幅度為0.28℃每100 g。隨著立枯物高度和密度的降低，土壤溫度有更明顯的升溫趨勢。因此，枯落物和立枯物的減少對土壤溫度有顯著的影響，而土壤溫度對草地生態(tài)系統(tǒng)又有潛在的復(fù)雜影響[11]。

由于超載放牧、過度刈割、藥用植物和燃料植物的無節(jié)制利用，松嫩草地已出現(xiàn)嚴(yán)重退化[4, 12]。松嫩草地的初級生產(chǎn)在20世紀(jì)50年代為400 g·m-2左右，目前由于重度放牧和其他的一些因素，草地的初級生產(chǎn)在一些保護(hù)區(qū)內(nèi)大約有300 g·m-2，然而80 %的地區(qū)草地生產(chǎn)力不足200 g·m-2，有的地方甚至為裸地，沒有植物生產(chǎn)[13]，退化明顯的表現(xiàn)為高度和密度的降低及蓋度的減少。在20世紀(jì)50年代早期、60年代和90年代，實驗研究區(qū)域羊草群落的高度分別為80，60，40 cm，這期間對應(yīng)夏季的植被蓋度分別為 85 %，70 %～80 %和 60 %～70 %。而且，退化嚴(yán)重的地區(qū)植被平均高度僅為10～15 cm，蓋度僅為10 %～20 %[12-13]。這種情況下，植被類型沒有改變，草地仍然是草地，但是群落的高度和密度降低了，即可概括為草地群落低矮稀疏化。草地植被蓋度減少，降低了植被對其覆蓋地表的遮陰作用，因而增加了土壤溫度。實驗研究顯示了植被高度和密度的減少會顯著增加土壤溫度，這可能有助于長期土壤溫度的升高。土壤溫度升高，會增加土壤蒸發(fā)，影響植物對水分的利用，反過來限制退化草地的恢復(fù)[11, 14]。有研究表明，內(nèi)蒙羊草草原放牧降低了群落的高度和密度，增加了土壤溫度，減少了土壤濕度，因而降低了草地生產(chǎn)力[15]。本實驗結(jié)果表明，植被的低矮稀疏化對土壤溫度有很大的影響，并且土壤溫度變化將會影響土壤的生物化學(xué)過程和養(yǎng)分循環(huán)。

4結(jié)語

人類過度利用草原導(dǎo)致植被變矮，密度變稀，枯落物量變少，會顯著增加土壤溫度，從而改變不同土壤層溫度動態(tài)和地氣溫差不對稱格局，影響草地生態(tài)系統(tǒng)自然的發(fā)展過程。本文研究表明了在全球氣候變化過程中生態(tài)系統(tǒng)過程發(fā)生的變化，可為有效減緩全球氣候變化和提高草地管理提供新思路和基本依據(jù)。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

on Soil Temperature in Shallow Layers

SONG Yan-tao1, Wuyunna1, ZHANG Feng-jie1, HUO Guang-wei1,

CHENG Yong-rui1, Bademagaribu2

(1.College of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;

2.Grassland Station of New Barag Right Banner, New Barag Right Banner Inner Mongolia 021300, China)

Abstract:Soil temperature is an important factor in determining process of grassland ecosystem. Human activities make the sward become shortness and sparseness, and it results in changing of soil temperature. This study setting up an experiment that different amount of plant litter and standing litter effecting on soil temperatures was aimed to simulate soil temperature response to vegetation shortness and sparseness in Songnen grassland, Northeast China. Results showed that the effect of plant litter and standing litter treatments on soil temperature reduced gradually as soil layers increased in the growing season. Soil temperature at every layer increased significantly as the amount of litter and the height and density of standing litter decreased. Soil temperature at 0-25 cm layer increased 0.28 ℃ with plant litter decreasing 100 g·m-2. Soil temperature at 0-25 cm layer increased 0.81 ℃ with standing litter height decreasing 10cm when the standing litter density was maximum. The soil temperature daily dynamics responding to stand litter treatments were bimodal, and mean daily 5cm soil temperatures were more fluctuating compared with 15 cm soil temperatures.

Key words:soil temperature; shortness and sparseness; climate change; standing litter

中圖分類號：Q948.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-1383(2016)01-0007-04

作者簡介：宋彥濤(1982-)，男，河南許昌人，講師，博士，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

基金項目：國家自然科學(xué) (31470504，31500366)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC201501070101，DC201501070402)；人力資源和社會保障部2015年度留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)資助項目。

收稿日期：2015-09-30；最后修回日期：2015-11-09