3种高寒草甸土壤CO2通量及碳密度差异变化

魏巍　曹文侠　张小娇

摘要：在祁连山东缘选择珠芽蓼草甸（P）、针茅草地（S）、杜鹃灌丛草甸（R） 3种高寒草甸，利用LI8100A土壤CO2通量自动测定系统与室内分析相结合的研究方法，分析了土壤有机碳密度、碳通量的动态及其与环境因子的关系。结果表明：不同植被类型的土壤有机碳密度差异显著，大小顺序为R>S>P，随土壤深度的增加，土壤碳密度降低；土壤CO2 通量大小顺序为S>P>R，样地P、S呈单峰变化。峰值均出现于14∶00 ～ 15∶00；土壤CO2通量与近地面的空气湿度、碳含量显著负相关，与土壤温度、近地大气温度显著正相关，与土壤含水量无明显相关性。

关键词：高寒草甸；土壤呼吸；土壤有机碳；气候因子；土壤温度

CO2气体引起的全球变暖已经成为当今世界亟待解决的环境问题。从1832年至今大气中CO2含量提高了30%，造成大气平均温度上升0.7 ℃[1]。气候的变化将对陆地生态系统结构与功能、动、植物生长繁殖与分布产生深远的影响。应用可持续发展措施，应对气候变化成为世界一个迫切而艰巨的任务。探究土壤的碳循环收支，是合理开发利用土地的重要前提[2]。土壤储存着全球近2/3有机态碳[3-5]，而草原的陆地覆盖面积为25%～50%，碳贮量高达7.61×1012 t[6]，由此可见，草原土壤对全球碳循环也有相当大的贡献。高寒地区植被丰富，温度较低，土壤有机质分解率低，由于长年累积，土壤碳储量巨大。有研究显示高寒草原1 m深度土壤碳储量为7.4×109kg[7]。因此，对高寒草甸的研究更显得刻不容缓。

土壤呼吸包括根系呼吸、微生物和动物、有机质的化学分解的过程，是陆地生态系统向大气释放CO2主要因素之一[8-10]。研究土壤CO2通量变化规律及影响因素，对探究气候变暖的条件下，陆地生态系统碳循环有着极为重要意义。国内有关土壤CO2通量的研究长达30年，发表较多，但对高寒区土壤CO2通量的研究较少。为此，通过对东祁连山3种高寒草甸土壤CO2通量、碳密度及其关键影响因子的变化进行研究分析，揭示该区土壤呼吸的影响因素及对全球碳循环的作用，旨在为气候变暖条件下高寒区碳交换的预测提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区地处甘肃农业大学天祝高山草原试验站，地理位置为N 37°11′，E 102°47′，平均海拔3 200 m，属半干旱向干旱区过渡带，是东亚季风到达的最远端。地处亚洲大陆腹地，属高原大陆性气候，高海拔与长达9个月降雪期决定了其气温很低，年均温0.1 ℃，最冷月（1月）平均气温为18.3 ℃。每年5月下旬植物进入返青期，10上旬枯黄，生长季长达120～140 d。空气相对湿度为51.4%，平均气压为6.97×105 Pa。草地土壤为亚高山草甸土，有机质含量丰富。但土层较薄显微碱性。

受地形及光照时间的影响，阴阳坡植被分异明显。阳坡以披碱草属（Elymus）、针茅属（Stipa）等为优势植物，阴坡以嵩草（Kobresia spp.）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）等为优势植物。而湿度较大的地区以灌木植被为主（表1）。

1.2 试验设计

2012年8下旬，选择3种高寒草甸为研究对象进行土壤CO2通量的测定。土壤碳通量采用自动测定系统LI8100A采集与储存，要求测定必须在天气晴朗、气候条件稳定下进行。测定前一天在每个样地类型中随机选择3个样点，布设3个内径20 cm、高10 cm测定环，安置测定环时清除环内植物及其掉落物。并采用LI8100A自带的探头进行表层土壤温度与水分的同步测定。

日动态时间从8∶00～18∶00（由于夜间气温差异较小，土壤CO2通量变化不显著，不予测定），每隔2 h测定1次，重复3次共需15 min，3次重复的平均值作为土壤CO2通量平均日动态。在测定土壤呼吸的同时，进行土壤样品的采集。在3个类型草甸内随机选取5点，用土钻在每个样点中10 cm 1层分4层取0～40 cm的土样，5个重复混合装袋，分别随机取样3次，挑除明显的根系及石头，并记录石头的重量，土样带回实验室自然风干，研磨后过0.25 mm土壤筛，采用重铬酸钾容量法—外加热法进行有机碳的测定。

1.3 数据处理

应用SPSS 16.0对所有数据进行统计分析，用单因素方差分析检验各样点之间指标的显著性。图形采用Excel 2003软件绘制完成。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型样地土壤碳密度的变化

不同样地碳密度有很大差异，珠芽蓼草甸（P）、针茅草地（S）和杜鹃灌丛草甸（R）碳密度分别为1.81～4.73、 3.51～5.10、5.04～6.09 kg/m2（表1）。相同深度碳密度的大小顺序为R>S>P，3个样地相同土层20～30和30～40 cm呈极显著差异（P<0.01）。随土壤深度的增加，土壤碳密度降低，在P样地中随土层碳密度下降最大。可能由于该样地土壤有机质分解慢，只在根层累积。

2.2 不同植被类型样地土壤CO2通量及其影响因子的变化

测试样地土壤CO2通量的昼变化，P，S和R样地分别为2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s），不同样地土壤碳通量在相同测定时间差异显著（P<0.01）。由于昼气温的变化较大，样地P、S呈单峰变化，峰值均出现在14∶00～15∶00（图1）。

3 讨论与结论

气候、植被、地形及土壤因素等自然条件共同决定土壤碳密度的变化，由于生态地下过程的复杂性，其变化存在较大不确定性[11]。土壤碳储量取决于植物凋零物和根系的供给与分解[12]。陶贞等[13]对高寒草甸研究表明，有机碳密度与土壤根系含量密切相关，并得出土壤有机碳含量是碳密度差异的主要原因。试验结果显示，不同植被类型草地碳密度存在显著差异。究其缘由是草地植被类型、土壤条件决定的根系分解不同所致。常年温度保持在较低的水平、有机碳分解缓慢是杜鹃灌丛草甸土壤有机碳高主要原因。下层土壤容重变大，及有机碳含量较小是下层土壤碳密度较低的主要决定因素。解宪丽等[11]对全国不同土壤估算显示，高寒草甸100 cm土层碳密度为16.92 kg/m2 ，整体分析该区土壤碳密度大于解宪丽的估算结果。原因可能是高寒区植物通常有着较大的根茎比，其值为9.32 [14]，温性草甸草原为5.26[15]，丰富的根量是土壤碳密度较高的条件之一。王建林等[16]对青藏高原草原碳密度的分布规律及影响因子分析表明，高寒草原植被碳密度受年均气温和年均降水量综合影响。水分的作用大于气温，得出土壤碳密度与土壤含水率呈显著相关，而与温度没有显著相关性。

土壤CO2通量研究结果表明：针茅草地、珠芽蓼草甸土壤CO2通量表现出较大的日变化，呈单峰曲线，峰值均出现在14∶00～15∶00。这与朱清芳等[17]研究结果一致，而杜鹃灌丛草甸日变化保持相对稳定，主要是土壤温度日变幅较小导致。在样地和生态系统尺度上大量研究显示土壤温度与含水量是土壤CO2通量主要影响因子[18-21]，除土壤温度、含水量以外，光照、气温、植被种类、地理位置等也影响着碳排放[22]。各种环境因子决定了土壤呼吸的阈值，过高或过低的环境因子都会制约土壤呼吸作用，且各种影响因子之间也存在相互作用、相互制约的关系。此次试验中，土壤CO2通量与土壤碳密度、土壤温度、大气温、湿度都存在显著相关性。土壤温度与大气温度、土壤含水量呈极显著相关。综上所述，不同类型草地土壤碳储量、土壤呼吸有着很大差异，高寒草原的不合理的开发利用会导致土壤贫瘠化，大气CO2含量的上升，其后果难以预测。

试验结果表明：P，S和R样地土壤CO2通量值分别为2.97～3.90，4.87～6.35和2.20～2.29 μmol/（m2·s）。不同样地之间土壤CO2通量差异显著，CO2通量与土壤温度、碳含量及大气温、湿度有显著相关性。

珠芽蓼草地（P）、针茅草地（S）和杜鹃灌草丛（R）碳密度分别为1.81～4.73，3.51～5.10和5.04～6.09 kg/m2，相同植被类型草地随土壤深度的增加，土壤碳密度降低。

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