放牧强度对草甸草原地下生物量及碳密度的影响

包尔吉干◦安齐尔,韩国栋

(内蒙古农业大学生态环境学院,内蒙古 呼和浩特 010018)

1 前言

有些学者认为土地利用的变化是大气中二氧化碳浓度升高的原因之一,它的贡献率约为26%(1990～ 2000 年)〔1〕。研究表明 ,全球气候以及碳循环的变化与人类的活动有着密切的关系〔2,3〕。其中以土地利用的变化而导致空气二氧化碳浓度的增加尤为明显〔4,5〕。但是,目前对于土地利用变化的研究多集中于森林的变化,而对于其它生态系统,如草地、湿地的研究则相对较少。草地是世界上分布最广泛的植被类型之一,是陆地生态系统的重要组成部分,大气中二氧化碳有相当大的一部分被草地植被所固持。草地生态系统参与了陆地生态系统的全球碳循环过程,在陆地上最大的碳库是森林,其次就是草地〔6〕,因此,草地生态系统在全球碳循环中也占有非常重要的地位。世界上中国是草地分布面积最广的国家之一〔7〕,其中分布于北部的蒙古高原上的草原是中国草地的重要组成部分。近年来随着人口及经济发展压力的增加,草原正在强烈的受到人为干扰的影响,这些人为干扰势必影响到草原作为碳库的功能的发挥〔8,9〕。尽管草地生态系统单位面积生物量的碳储量不及森林,但草地植被的地下部分分解较缓慢,二氧化碳库的作用明显。因此,草地生态系统在全球碳平衡中仍然有明显的库的作用,对于全球气候变化具有重要的作用。草原作为一个碳库,由4个分室组成:土壤、植物地上部分、地下根系和枯落物,其中根系的研究是较薄弱的部分。本文试图从根系碳密度的变化入手,研究不同的放牧强度,对草甸草原植物根系的生物量及碳密度的影响,为草原的合理利用提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验地点位于内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗浩勒图高勒镇。东经 116°21′至 119°5′,北纬 43°57′至43°23′。气候属于大陆性半干旱气候,春季干旱而多大风,夏季短促而多雷阵雨,秋季凉爽而冻霜早,冬季严寒而漫长。年平均气温1℃,极端最高气温37℃,极端最低气温-37.5℃,年平均降水量为350mm左右,多集中于7、8月份。年平均风速4.3m/s,以西风和西北风为主,大风日数在60—90d,无霜期为106d。试验地海拔在1 113～1 185m之间,地貌类型为低山丘陵区,土壤类型为暗栗钙土。

试验地共出现种子植物126种,分属31科,91属,以多年生草本植物为主,伴有少量的小半灌木、灌木及1、2年生的植物。试验地的草地类型为低山丘陵羊草草甸草原,中旱生的根茎禾草羊草(Leymus chinensis)为建群种,其他主要的次优势种为:贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、苔草(Carex pediformis)、羽茅(Achnartherum sibiricum)、糙隐子草(Cleistogenes sguarrosa)、麻花头(Serratula centauroides)等。

2.2 研究方法

2.2.1 实验设计

选择植被类型、土壤、地形、家庭人口及所养牲畜种类及数量相似的3户居民点作为研究对象,其以居住点中心的自由放牧的家庭牧场,3个家庭牧场看做3个重复样地。首先,以定性的方法划分放牧梯度等级,即每个重复样地按离居民点的远近及植物种类、产量的差异划分3个放牧强度区,即重度放牧区(HG)、中度放牧区(MG)和轻度放牧区(LG),另外再选择认为干扰较少的围封样地或打草场作为对照(CK)。2009年的8月份在试验地上按规定的方法进行调查和取样工作。

2.2.2 测定内容与方法

2.2.2.1 放牧强度的划分

在每个重复样地上,以牧户为起点,向外拉一条样线直到牧场边界。在阳线上每隔20M做一个Daubenmire样方,测植物枯落物的盖度、植被的总盖度、植被的生物量,以这3个指标对整个样地进行聚类得到3个放牧强度的范围,HG草地的区域位于0～240m;MG草地区域位于240～760m;LG草地区域位于760～1200m〔10〕。

2.2.2.2 地下根系碳贮量的测定

采用随机布点的方法在各试验地(包括 LG、MG、HG、CK 4种类型)内设置 1×1m2样方 3块,在每个样方内,采用机械布点的方法确定3个取样点,然后在每个取样点用根钻(根钻内径为7cm)分层取土(0～10cm,10～20cm,20～30cm,30～40cm,40～50cm,50～60cm,60～70cm,70～80cm,80～90cm,90～100cm),把 3个取样点共30个样本,装进孔隙度为70目的网袋用水进行冲洗,待彻底冲洗干净之后晾干倒入装有清水的盆里用100目的土壤筛捞出根系,在85℃下烘至恒重。采集的根系样品磨样粉碎用元素分析仪测定根系有机碳含量。

2.2.2.3 数据的计算方法

放牧梯度以3家牧户作为3次重复。由于每个放牧梯度设置3个样方,每个样方内有3个取样点,因此每个放牧梯度的数据有9个样点的数据做平均而得。

根系生物量的计算公式如下:

RBi=Wi/π(D/2)2104

式中,RBi为第i层的每平方米根系的生物量(单位为g/m2);wi为第i层的每钻的根系重量(单位为g);D为根钻的内径(7cm)。

根系碳密度的计算公式如下:

RCD i=RBi×Ci

式中,RCDi为第i层根系有机碳密度(g/m2),RBi为第i层的每平方米根系的生物量(单位为g/m2)Ci为第i层根系的有机碳含量(%)。

2.2.2.4 根系理化分析测定方法

最后对数据应用SAS V 8.0软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 放牧强度对地下生物量的影响

不同的放牧强度对植物根系生物量具有一定的影响。从表1可以看出,植物根系在各个深度及总体上生物量的大小依次是轻度放牧＞对照＞中度放牧＞重度放牧。根系与植物有着直接的关系,根系的增长将直接导致植物的生长,有利于增加草原的地上部分的生产量。

表1 不同放牧强度下各个深度的植物根系生物量

图1 不同深度根系生物量

显著水平(F=256.03,P＜0.0001)

图1我们可以看出根系的生物量在0～50cm之内,随着深度的增加会显著的减少但是在60cm以后就没有了显著的差异。而且0～50cm的根系生物量占总根系生物量的82.13%,因此0～50cm的根系在研究根系生物量的问题中具有代表意义。

3.2 放牧强度对根系碳密度的影响

图2是不同放牧强度下0～100cm根系的碳密度的平均值,就图中我们可以看出对照和轻度放牧根系碳密度显著高于中度放牧和重度放牧草地,差异达到了极显著水平(F=48.07,P＜0.0001)。对照与轻度放牧,中度与重度放牧之间没有显著差异(P＞0.05)。方差分析没有显著差异的原因是重复之间的误差较大导致的,这也是放牧干扰的特点即“不均匀性”但是总体来看,随着放牧强度的增加根系碳密度在减少。轻度放牧的碳密度最高,其次对照,而后是中度放牧,重度放牧的碳密度最低。这说明放牧强度的增加明显降低了植物根系的碳密度。但是比起围栏草场的对照区,轻度放牧的植物根系碳密度高于对照区。因此适当的放牧有利于增加植物根系的碳密度。

图2 不同放牧强度根系碳密度

图3 不同放牧强度下0～100cm根系的碳密度

图3是在用不同的放牧强度下在0～100cm的根系碳密度的数据进行乘幂函数计算得出的趋势线图。4个不同的处理植物的根系碳密度随着根系深度的增加均呈现成幂函数关系(图3,图4)。从上图可以看出轻度放牧(L)始终是最上面的,其次是对照区(CK),再者是中度放牧区(M),最后是重度放牧区(H)。而且曲线的曲率由大到小分别是H＞M＞CK＞L,因此前几层根系深度的碳密度重度放牧的下降速率最快,然后是中度,而后是对照,最后为轻度放牧。放牧强度对各层根系碳密度的显著影响在10～70cm深度之间(F＜0.05)。该结果表明,除了轻度放牧,放牧强度的增加减少了植物根系碳的摄入量。尤其是浅层深度的根系(0～50cm的根系),放牧强度越高浅层根系的碳流失越大。根系的营养成分取自于土壤,因此根系的碳密度含量的变化也直接体现了土壤的碳密度的变化。有研究表明,在一定的放牧强度下放牧可以增加土壤的有机质,但其仅限于表层土,对深层土没有影响〔11〕,表层土壤有机质变高的原因是,没有放牧时,枯死的植物以立枯状态保持很久,这不利于土壤有机质的补充;而在放牧情况下牲畜加速了立枯进入土壤中分解成有机质的过程,所以对表层土壤影响较大〔12〕。

3.3 根系碳密度与根系深度的关系

图4 根系碳密度与根系深度的关系

根系的碳密度与根系深度呈明显的乘幂函数关系,相关系数最小值为R2=0.9583已达到显著水平(图3,4),随着根系深度的增加根系的碳密度不断的减少。但是在前4层减少的速率较高而后减少速率逐渐变小,到后来无限接近x轴而不交叉。这说明,根系的碳密度与根系深度不是线性关系,随着根系的加深碳密度会逐渐减少。而是在0～40cm的深度内根系的碳密度会显著的减少(F=214.24,P＜0.0001),然后减少的速率逐渐变小到90～100cm时变化基本很小。因此根系的碳密度的变化基本在0～60cm的深度之间。

4 结论

4.1 不同放牧强度对植物根系的生物量有明显的影响。根系生物量会随着放牧强度的增加而减少。

4.2 根系的碳密度与根系深度呈显著的幂函数关系。随根系深度的加深,根系碳密度会逐渐减少,但减少的速率会逐渐变慢无限接近于零。

4.3 根系的碳密度随着放牧强度的增加会有显著的减少。放牧强度越高根系0～50cm深度的根系碳密度减少的速率会越快。

4.4 轻度放牧条件下根系的生物量、碳密度是最高的。显著大于中度和重度放牧草地并且要好于对照区。

〔1〕 Rodle H.Acom parison of the contribution o f varous gasses to the greenhouse effect〔J〕.Science,1990,(248):1217-1219.

〔2〕W atson R T,Verardo D J.Land-use change and forestry〔M〕.Cambridge University Press,2000.

〔3〕Canadell JG,Mooney H A,Ecosystem metabolism and g lobal carbon cycle〔J〕.Tree,1999,14(6):249.

〔4〕W atson R T,Verardo D J.Land-use change and forestry〔M〕.Cambridge University Press,2000.

〔5〕Canade l JG,M ooney H A,BaldocchiD D,et a l.Carbon Metabo lism of the Terrestrial biosphere:Amu ltitechnique app roach for im proved understanding 〔J〕.Ecosystem s,2000,(3):115-130.

〔6〕W atson R T,Verardo D J.Land-use change and forestry〔M〕.Cambridge University Press,2000.

〔7〕李克让.全球气候变化及其影响的研究进展和未来展望〔J〕.地理学报,1996,5 l(增刊):1-14.

〔8〕陶波等.陆地生态系统碳循环研究进展〔J〕.地理研究,20(5):564-566.

〔9〕W atson R T,Verardo D J.Land-use change and forestry〔M〕.Cambridge University Press,2000.

〔10〕王明军.不同放牧强度对羊草草甸草原生态系统健康的影响研究〔D〕.呼和浩特:内蒙古农业大学学报,2008,63.

〔11〕李树会,张东为.美国有关放牧对土壤性质影响的研究〔J〕.水土保持科技情报,2003,(1):8-9.[Li Shuhui,ZH ANG Dongw ei.Study on the impacts of grazing on the characteristics o f soil in America.Scientific and Technical In formation o f Soil and Water Conservation,2003,(1):8-9.

〔12〕许中旗,李文华.人为干扰对典型草原土壤碳密度及生态系统碳贮量的影响〔J〕.自然资源学报,2009,(4):624.