西鄂尔多斯地区5种天然荒漠优势灌丛含碳率的研究

党晓宏 ，高 永 ，蒙仲举 ，张 波 ，高君亮 ，梁 超 ，唐国栋 ，李晓燕

（1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400；3.中央与地方共建风沙物理重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018；4.内蒙古鄂尔多斯市环境保护局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；5.中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心，内蒙古 巴彦淖尔 015200）

西鄂尔多斯地区5种天然荒漠优势灌丛含碳率的研究

党晓宏1，2，高 永1，3，蒙仲举1，3，张 波4，高君亮5，梁 超1，唐国栋1，李晓燕1

（1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400；3.中央与地方共建风沙物理重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018；4.内蒙古鄂尔多斯市环境保护局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；5.中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心，内蒙古 巴彦淖尔 015200）

准确估算荒漠灌丛固碳能力及荒漠生态系统碳储量对整个陆地生态系统碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义。利用2014—2015年西鄂尔多斯地区5种天然优势荒漠灌丛（沙冬青、霸王、四合木、半日花和红砂）标准样地调查的基础上，通过野外采样法获得各标准灌丛各器官样品后在实验室利用Elementar vario MACRO CUBE元素自动分析仪测定灌丛各器官平均含碳率和平均加权含碳率。研究结果表明：西鄂尔多斯地区不同灌丛各器官平均含碳率高低分布具有一定的随机性，5种荒漠灌丛各器官含碳率的变化范围在29.78%～56.05%之间，平均含碳率变异系数在1.55%～6.99%之间，但均表现为地下部分平均含碳率高出地上部分；灌丛夏季各器官含碳率高于春季，且差异性达到了显著水平（P＜0.05）；同一灌丛种在不同季节的加权平均含碳率差异不显著，其差值除了半日花外，其它4种荒漠灌丛加权平均含碳率差值均在2%以内；最终研究确定了5种灌丛在夏季和春季加权平均含碳率分别为沙冬青44.25%和42.31%、霸王41.65%和40.32%、四合木42.39%和41.37%、半日花48.78%和44.35%、红砂39.25%和39.86%。

天然荒漠灌丛；碳汇；含碳率；不同季节；器官；西鄂尔多斯地区

荒漠生态系统中各组分的含碳率对荒漠生态系统碳储量研究具有极其重要的作用，同时也是准确计量荒漠地区植被碳储量的必要的因子之一。通常情况下，国内外诸多研究人员在进行区域尺度上森林或者草地植被碳储量估算时，常以森林植被平均含碳率0.50或0.45作为估算依据[1-5]，很少有研究是依据树种类型的不同或者器官的不同而采用具体的含碳率[6-8]来计算植被碳储量。但是经过大量研究认为，由于森林类型的差异或者树种的不同，其树种或同一树种器官间的含碳率差异显著[3,9-16]。如果在估算森林植被生物量碳储量时不考虑树种间含碳率差异，将会引起10%的偏差[17-18]。加之植物各器官含碳率分配的差异及其生物量分配格局的不同，故以各器官含碳率结合各器官生物量比例采用加权法求算出该树种的平均含碳率，这一结果与直接采用树种的平均含碳率计算结果存在一定距离，因此有必要对两者的差异性进行准确的分析。

灌丛是干旱、半干旱地区生态系统中最典型、最常见的植被类型，在我国仅灌丛分布面积高达2×108hm2[19]。荒漠地区灌丛是一种具有较强的抗旱性植物，在生态系统中能够发挥防风固沙、固持水土、改善区域小气候的作用，因此在本就脆弱的荒漠生态系统的生态保护、植被恢复、重建及生态修复中具有不可替代的作用。同时，在全球气候变暖的情景下，荒漠生态系统碳在全球碳循环中的地位和作用被国内外科学家和学者所关注[20]。全球荒漠地区的总面积约为2.8×107km2，总碳存储量约为1.0×108Mg[22]。研究表明，虽然北美的Sonoran沙漠面积仅占世界荒漠面积的1%左右，但其生物量却占世界荒漠生物量的4.4%，这就说明荒漠生态系统具有较强的碳汇集能力[21]。目前，中国的荒漠化土地面积有2.64×106km2，约占国土面积的27%，而且有进一步扩大的趋势[23]。准确认识荒漠灌丛的含碳率及碳素分配规律，对于认识我国西北荒漠地区植被在碳吸收和碳循环过程中的贡献能力具有重要意义，因此，为了减少干旱、半干旱荒漠地区植被碳储量估算的不确定性，非常有必要对荒漠地区主要植被类型及其各器官含碳率进行测定。

因此，本研究以西鄂尔多斯国家级自然保护区——伊克布拉格草原化荒漠区5种荒漠优势灌丛为研究对象，通过野外采样与室内分析相结合的方法，计算了5种典型荒漠灌丛各器官的生物量及其含碳率，分析了各器官组分含碳率的差异性特征，旨在准确把握我国西北荒漠地区植被碳储存能力，充分认识荒漠生态系统服务功能，为荒漠地区区域尺度上生态系统碳储量提供基础数据，同时为荒漠地区生态服务功能评价提供理论依据。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古鄂托克旗与杭锦旗巴拉贡镇交界的西鄂尔多斯国家级自然保护区（106°44′59.7″～ 107°43′12″ E，39°13′35″～40°10′50″ N），该保护区总面积为 555 849 hm2，位于海拔高度 1 000～2 100 m的鄂尔多斯高原西部，是一个古老残遗濒危物种的栖息地。保护区内波浪状的低山丘陵地貌，属于草原化荒漠地带类型，属于暖温带大陆性季风气候，干旱少雨，雨热同期，年均降水量仅为162.4～271.6 mm，年均潜在蒸发量 2 470.5～3 481.0 mm，无霜期129 d，年均风速约为3.2 m/s，最大风速24.2 m/s，主风向偏西北，具有高原寒暑剧变、昼夜温差大、日照时间长、太阳辐射强、风沙大等特点。试验区地下水埋深在15 m以上，因此保护区内植物所需水分主要来自于天然降水[24]，保护区地带性土壤为漠钙土，现已查明植物种类335种，其中特有的古老残遗濒危植物72种。植被类型种类贫乏，强旱生灌木占绝对优势，主要优势灌丛种为沙冬青Ammopiptanthus mogolicus、四合木Tetraena mongolica、 霸 王Zygophyllum xanthoxylum、 红砂Reaumuria songarica、半日花Helianthemum songaricum，而主要伴生植物有绵刺Potaninia mongolica、珍珠猪毛菜Salsola passerina、松叶猪毛菜Salsola laricifolia等，并伴生一定数量的强旱生多年生草本植物。

1.2 研究方法

1.2.1 样品的采集与处理

本研究在西鄂尔多斯国家自然保护区5种典型荒漠优势灌丛群落（沙冬青、四合木、霸王、红砂、半日花）中分别各设置5样区，共计25个样区，每个样区为25 m×25 m。对标准样区每株灌丛进行检尺，通过测试丛高（H, shrub height, cm）、冠幅（C, crown area, m2）和基径（D, basal diameter,mm）等指标后选取3～5株标准灌丛。为了探究不同季节5种灌丛各器官含碳率的差异性，本研究进行了2次采样，采样时间分别为夏季（2014年8月）和春季（2015年3月）。通过伐倒整个标准灌丛后分别采集枝条（分为d≥10 mm粗枝条和d＜10 mm细枝条）、叶片、根系（分为d≥20 mm的粗根和d＜20 mm的细根）等试验样品后，带回实验室进行样品处理：首先将采集回来的样品放入85℃ 的恒温箱中烘干至恒质量。基于干烧法测定植物含碳率所需要的样品用量较少，同时为了确保取样的全面性和均匀性，本研究按照四分法采取3次粉碎，然后将粉碎样品过200目筛后装瓶备用。在植物样品含碳率测定前需将样品再次放入85℃的恒温箱中烘干24 h，在各器官样品中等量称取3 g经充分混合后作为其分析样品。

1.2.2 样品分析

目前，植物样品含碳率的测定方法有湿烧法和干烧法。经研究发现，以重铬酸钾-硫酸氧化法为代表的湿烧法的测定误差一般为±2%～±4%[25]，而干烧法的测定误差≤±3%[26]，因此认为干烧法测定植物含碳率的分析精度高于湿烧法。故本研究中植物样品含碳率测定采用干烧法，具体采用Elementar Vario EL(Germany) 有机元素自动分析仪进行样品分析，每个样品测定3个重复，测定结果取其均值，误差为±0.4%。

1.3 数据处理

由于不同灌丛种其各营养器官含碳率存在一定差异，灌丛各器官生物量占单株总生物量的比例也不尽相同，因此以每种荒漠灌丛各器官含碳率的算术平均值作为该灌丛平均含碳率并不能反映该种灌丛的实际含碳率。只有根据各器官生物量权重计算该类灌丛平均含碳率，才能真实反映该类灌丛的平均含碳率和各器官在平均含碳率中的贡献大小。单株灌丛平均含碳率计算公式为：

式中：C为灌丛群落平均含碳率（%）；Ci为灌丛群落中第i块样地的生物量加权平均含碳率（%）；Wij为第i块标准样地的第j器官生物量（g）；Pij为第i块标准样地的第j器官含碳率（%）。在本研究中i=1,2,3；j=叶片、粗枝条、细枝条、粗根和细根。

采用SPSS11.0 软件进行单因素方差（one-way ANOVA）计算平均值和标准差，分析不同荒漠灌丛种同一器官之间、同一树种不同器官间，不同树种各器官平均含碳率间差异显著性分析，用Excel2003软件进行绘制图表。

表1 西鄂尔多斯地区5种荒漠优势灌丛各器官的碳含量†Table 1 Carbon concentrations of different organs in five desert shrub species %

2 结果与分析

2.1 不同季节5种灌丛各器官的含碳率

西鄂尔多斯地区5种优势荒漠灌丛各器官的含碳率见表1。

从两个季节5种灌丛平均含碳率来看，夏季灌丛各器官含碳率高于春季，且差异性达到了显著水平（P＜0.05），各灌丛平均含碳率在夏季表现为：红砂（49.60%）＞沙冬青（43.37%）＞霸王（42.21%）＞四合木（40.51%）＞半日花（37.43%）；春季为半日花（41.44%）＞红砂（41.28%）＞沙冬青（40.12%）＞四合木（40.05%）＞霸王（39.93%）。夏季5种灌丛各器官平均含碳率表现为粗根（44.45%）＞粗枝（44.02%）＞细枝（42.70%）＞细根（42.51%）＞叶片（39.44%）；春季表现为粗根（43.20%）＞粗枝（42.26%）＞细根（41.18%）＞细枝（41.09%）＞叶片（40.69%）。夏季5种灌丛叶片平均含碳率较春季高出1.25%，各器官含碳率在31.45%～56.05%之间，总体上看，粗枝条和细枝条含碳率间差异不显著（P＞0.05），而粗根和细根含碳率间差异显著（P＜0.05）。将灌丛各器官整体分为地上部分和地下部分，比较两者间的平均含碳率可以发现：地下部分平均含碳率均高出地上部分，其中春季5种灌丛地上和地下部分平均含碳率分别为42.05%和43.48%，地下部分平均含碳率比地上部分高出1.43%；夏季5种灌丛地上和地下部分的平均含碳率分别为41.35%和42.19%。

2.2 5种荒漠灌丛各器官含碳率总体特征和差异性分析

将5种荒漠灌丛每个样方内标准株各器官含碳率汇总后，采用多重比较分析（LSD）检验其含碳率的差异性，其检验结果表明：粗枝、粗根与细枝、叶片平均含碳率间差异显著（α=0.05），夏季粗枝平均含碳率分别较细枝和叶片高出1.75%和5.01%，春季粗枝平均含碳率较细枝和叶片分别高出2.11%和2.51%；而粗枝和粗根平均含碳率间差异不显著。从变异系数来看，各器官平均含碳率变异系数在1.55%～6.99%之间；同一季节各器官含碳率变异系数不一致，春季变异系数从大到小排序为粗枝、叶片、细枝、细根、粗根；夏季为叶片、细根、细枝、粗枝、粗根；同一灌丛种不同季节平均含碳率变异系数差别较大，其差别大小排序为细根、细枝、粗枝、粗根、叶片。

表2 灌丛各器官含碳率统计特征值†Table 2 Statistical characteristic value of carbon content rate in each organs of shrubs

2.3 5种荒漠灌丛的综合含碳率

按照生物量调查结果，计算出5种荒漠灌丛各器官生物量比例，按照灌丛平均含碳率与各器官生物量比重相乘获得5种荒漠灌丛生物量加权平均含碳率。从表3中可以看出：同一灌丛种在不同季节的加权平均含碳率差异不显著，其差值除了半日花外，其它4种荒漠灌丛加权平均含碳率差值均在2%以内。春季5种荒漠灌丛加权平均含碳率分布在39.25%～48.78%之间，而夏季加权平均含碳率分布在39.86%～44.35%之间，平均含碳率与加权平均含碳率的差异值在0.50%～2.91%之间。

表3 5种荒漠优势灌丛各器官生物量比重及加权平均含碳率Table 3 Weighted average carbon contents and organs’ biomass proportion of five desert shrubs

3 讨论与结论

目前，国际上植物生物量与碳的转换系数通常为为45%～55%[27]，木麻黄不同器官的含碳率为45.42%～51.78%[28]，湖南省17种树种含碳率的变化范围在43.1%～56.6%之间[29]，通辽市杨树人工林各器官含碳率的变化范围在35.96%～52.39%之间，而本研究认为西鄂尔多斯地区5种优势荒漠灌丛各器官含碳率的变化范围在29.78%～56.05%之间，这一结果均比上述研究各器官含碳率分布范围广。夏季5种灌丛各器官的平均含碳率大小顺序为C粗根＞C粗枝＞C细枝＞C细根＞C叶片，春季表现为C粗根＞C粗枝＞C细根＞C细枝＞C叶片，而与木麻黄不同器官的含碳率大小顺序C根＞C叶＞C枝[29]基本一致，而与墨西哥柏各器官含碳率顺序不同，即C叶＞C枝＞C干＞C根[30]。

不同种灌丛含碳率不同。同一地区不同灌丛种同一器官含碳率不同，不同灌丛各器官含碳率由高到低的排序也不尽相同，表明不同灌丛各器官含碳率高低分布具有一定的随机性，这可能与灌丛种的生物学和生态学特性有关。西鄂尔多斯地区5种荒漠优势灌丛夏季加权平均含碳率分别为：沙冬青，44.25%；霸王，41.65%；四合木，42.39%；半日花，48.78%；红砂，39.25%。春季：沙冬青，42.31%；霸王，40.32%；四合木，41.37%；半日花，44.35%；红砂，39.86%。各器官平均含碳率变异系数在1.55%～6.99%之间，与华北主要森林类型建群种各器官含碳率变异系数2.15%～7.48%[11]、宁夏贺兰山不同树种相同器官变异系数在4.87%～13.37%间[31]和鹫峰国家森林公园相同树种不同器官变异系数3.84%～6.22%[34]相比，这种变幅相对较低。也有研究认为：由于树种含碳率主要由树种与环境之间的相互作用决定的，气候条件和树种本身的生理结构决定树种的含碳率[14]。不同树种的新陈代谢和生长特征不同，具体不同种类的碳水混合物[15]，种内与种间碳含量也受到立地条件、林分特征、管护措施等影响[14]。

同一灌丛不同器官含碳率存在差异。本研究中，5种优势荒漠灌丛粗根的含碳率高于其它器官，但不同灌丛种粗根的含碳率也不同，变化范围在31.45%～56.05%之间。不同灌丛叶片的平均含碳率为31.71%～50.16%，粗枝的平均含碳率为34.25%～53.22%，细枝的平均含碳率为34.56%～50.39%，粗根的平均含碳率为31.45%～56.05%，细根的平均含碳率为29.78%～52.13%，这与牛姆林自然保护区的3种栲属树种各器官的含碳范围[33]均广；夏季灌丛各器官含碳率高于春季，且差异性达到了显著水平（P＜0.05），5种荒漠灌丛地下部分平均含碳率均高出地上部分。同一灌丛种在不同季节的加权平均含碳率差异不显著，其差值除了半日花外，其它4种荒漠灌丛加权平均含碳率差值均在2%以内；5种荒漠灌丛平均含碳率与加权平均含碳率的差异值在0.50%～2.91%之间，这与黄淮海平原10种典型树种平均加权含碳率比平均含碳率相差0.11%～1.73%[32]的差异值范围更大一些。

因此，为了更准确地估算荒漠地区的植被碳储量，应依据不同的灌丛类型采用具体的灌丛种的含碳率作为计量参数，以减少荒漠地区植被碳储量估算中的不确定性。本研究探讨了西鄂尔多斯地区5种主要的优势荒漠灌丛各器官，不同灌丛种加权平均含碳率，为准确估算我国西北荒漠地区生态系统碳储量提供可靠的地面验证数据，避免以往或大多数学者采用统一的含碳率估算植被碳储量的误差，提高了估算精度。

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Carbon content rates analysis of five natural desert shrub species in west Ordos region

DANG Xiaohong1,2, GAO Yong1,3, MENG Zhongju1,3, ZHANG Bo4, GAO Junliang5, LIANG Chao1, TANG Guodong1, LI Xiaoyan1
(1.Desert Science and Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, Inner Mongolia, China; 2.Inner Mongolia Hangjin Desert Ecological Position Research Station, Ordos 017400, Inner Mongolia, China; 3. Wind Erosion Key Laboratory of Central and Local Government, Hohhot 010018, Inner Mongolia, China; 4. Ordos Environmental Protection Bureau, Ordos 017000, Inner Mongolia, China; 5. Experimental Center of Desert Forestry, Chinese Academy of Forestry,Bayannur 015200, Inner Mongolia, China)

Accurately estimating the fixing carbon capacity desert shrub and carbon storage of desert ecosystem has great significance to study on carbon cycle of terrestrial ecosystem and its response to global climate change. This research measured the carbon content of each organ samples in five desert shrubs obtained by field sampling using automatic elemental analyzer (Elementar varioMACRO CUBE) made in Germany based on standard sample investigation to five desert shrubs (Ammopiptanthus mogolicus,Zygophyllum xanthoxylum,Tetraena mongolica,Helianthemum songaricum,Reaumuria songarica) in west Ordos region in 2014-2015.We calculated the average carbon content rate and weighted average carbon content rate. The results showed that the organs average carbon contents’distribution of five desert shrubs in west Ordos region was random. The change range of each organ was in 29.78%～56.05% and coefficient of variation of average carbon content was in 1.55%～6.99%, but the average carbon content of aboveground part of shrubs was higher than belowground parts. The average carbon content of five desert shrubs in summer was higher than in spring and the differences reached significant level (P＜0.05). The weighted average carbon content of above five desert shrubs in different seasons had no significant differences and the difference of weighted average carbon contents were less than 2%, exceptHelianthemum songaricum. At last, we determined the weighted average carbon content of five desert shrubs in summer season:Ammopiptanthus mogolicus44.25% and 42.31%,Zygophyllum xanthoxylum41.65% and 40.32%,Tetraena mongolica42.39% and 41.37%,Helianthemum songaricum48.78% and 44.35%,Reaumuria songarica39.25% and 39.86% .

natural desert shrub; carbon sequestration; different seasons; carbon rate; organs; west Ordos region

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.05.013 http: //qks.csuft.edu.cn

2016-01-04

引进国外先进林业科学技术项目“人工调控荒漠灌丛生态空间构型技术引进”（2015-4-22）；内蒙古自治区自然基金项目“珍稀植物沙冬青根部菌群生长的作用机制”（2015MS0301）

党晓宏，讲师，博士

高 永，教授，博士生导师； E-mail：13948815709@163.com

党晓宏，高 永，蒙仲举，等.西鄂尔多斯地区5种天然优势荒漠灌丛含碳率的研究[J].中南林业科技大学学报，2017,37(5): 74-79.

S714.2

A

1673-923X(2017)05-0074-06

[本文编校：谢荣秀]