不同植被类型对毛乌素沙地土壤有机碳的影响

不同植被类型对毛乌素沙地土壤有机碳的影响

土壤碳储量是土壤生态系统中最大的有机碳储量。土壤碳储量约为陆地生态系统植被碳储量的2.5~3.0倍,为大气碳库的2~3倍。由于土壤有机碳库的库容巨大,其微小变化就将影响大气CO2的浓度,因而在全球碳循环过程中起着重要的作用。土壤有机碳会受到自然因子及人为干扰等诸多因素的影响。植被类型不同,生境条件及其植物自身的生理活动特点也不同,形成了不同的土壤有机质的输入和输出方式,进而影响土壤有机碳储量的变化。在过去的几个世纪中,土地利用和植被变化改变了陆地面积的1/3~1/2,使得土壤有机碳发生显著变化。目前研究较多的是森林、草地、湿地和农田以及它们之间的转换对土壤有机碳的影响,而对沙地植被类型与土壤有机碳的关系研究较少。毛乌素沙地位于鄂尔多斯高原的中南部,是鄂尔多斯高原的主体部分。毛乌素沙地的特殊之处在于它是草原气候条件下的沙地,处于荒漠草原-草原-森林草原的过渡地带,是以草地放牧业为主的牧、林、农交错地区,属于典型的生态脆弱区。风大沙多一直影响着当地居民的生产生活,为了改善环境,多年来当地先后实施了一系列生态恢复与植被建设工程,具体措施有沙地人工造林、飞播造林种草、封沙育林育草、退耕还林还草、四旁植树和建设完善的绿洲防护体系等。在植被建设和植被变化过程中,土壤有机碳库如何变化,不同的植被类型对土壤有机碳有何影响,目前相关的研究报道较少。因此,选择毛乌素沙地现有的主要植被类型,研究土壤有机碳含量、分布特点及差异,旨在全面地阐明在毛乌素沙地这一特殊生境中,植被类型对土壤有机碳的影响,探讨毛乌素沙地生态恢复和植被建设对增加土壤固碳的效果。1材料和方法1.1研究区地貌背景及年降水量毛乌素沙地处于北纬37°20′~39°20′,东经107°20′~111°30′,总面积约40000km2,位于内蒙古的鄂尔多斯、陕北榆林地区与宁夏东南盐池地区的三角地带。海拔1000~1600m,由西北向东南降低。乌审旗是毛乌素沙地的腹地,位于东经108°17′36″~109°40′22″,北纬37°38′54″~39°23′50″,具有毛乌素沙地典型的地理、气候和植被特征,研究样地位于乌审旗北部的图克乡境内。该地区海拔1300~1400m,属温带大陆性半干旱气候,干旱多风,蒸发强烈,日照充足,无霜期短;年平均气温为7.1℃,7月平均气温22℃,1月平均气温-9.4℃,年平均日照时数2956.6h,无霜期平均为140~150d,年平均降水量为355.1mm,约70%左右集中于7-9月,年蒸发量约为年降水量的7倍。土壤为风沙土,地貌有固定、半固定和流动沙丘以及低地。1.2学习方法1.2.1不同立地条件下天然植被类型的选择选取毛乌素沙地的主要植被类型,包括固定沙地油蒿(Artemisiaordosica)群落、半固定沙地油蒿群落、流动沙地、沙柳(Salixpsammophila)群落、中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)群落、旱柳(Salixmatsudana)群落、芨芨草(Achnatherumsplendens)群落、马蔺(Irislacteavar.chinensis)群落和农田。在每种群落中选择具有代表性的地段作为样地。固定沙地油蒿群落、半固定沙地油蒿群落、流动沙地、沙柳群落、中间锦鸡儿群落属于沙丘上发育的植被类型,且彼此相邻;芨芨草群落、马蔺群落和农田属低地植被类型;旱柳群落样地发育于伏沙较厚的低地上。1.2.2土壤样品的采集2009年8月下旬在各个植被类型样地内,采用土钻法,按“S”形取土壤样品,取样深度为0~80cm,每10cm一层。每层均为5点混合样,各3个重复。同时挖取土壤剖面,用环刀法测定每层土壤容重,各3个重复。土壤样品自然风干后,剔除植物根系等杂物,过2mm筛;采用四分法取适量土壤样品,用RetschRM100球磨仪磨碎,并过0.15mm筛。土壤有机碳采用liquiTOC(德国产)测定。1.3数据统计分析利用软件SPSS16.0和MicrosoftExcel2003进行试验数据的统计分析和绘图。有机碳密度(kg/m2)的计算式为:有机碳密度=有机碳含量×土壤容重×土层厚度,80cm土层有机碳密度为各层有机碳密度之和。2结果与分析2.1沙柳、马柳、草群落土壤有机碳含量自然条件下,植被是土壤有机碳的重要来源。植被类型不同,土壤有机碳的输入输出方式不同,有机碳含量也就不同。各植被类型0~80cm平均土壤有机碳含量为:马蔺群落>芨芨草群落>旱柳群落>固定沙地油蒿群落>沙柳群落>半固定沙地油蒿群落>农田>中间锦鸡儿群落>流动沙地。在所有植被类型中,流动沙地的土壤有机碳含量最低。中间锦鸡儿群落和农田的平均土壤有机碳含量分别比流动沙地的高27%和42%。在沙丘上发育的植被类型中,固定沙地油蒿群落的平均土壤有机碳含量最高,达流动沙地的3.48倍。半固定沙地油蒿群落的平均土壤有机碳含量显著高于流动沙地,为后者的2.05倍,介于固定沙地油蒿群落和流动沙地之间。沙柳群落的平均土壤有机碳含量与半固定沙地油蒿群落无显著差异,为流动沙地的2.58倍。马蔺群落和芨芨草群落均发育在滩地伏沙地上,它们的平均土壤有机碳含量显著高于其他群落类型,分别为流动沙地的18.01和7.30倍。旱柳群落样地与马蔺群落样地相邻,但伏沙较厚,旱柳群落的平均土壤有机碳含量也较高,为流动沙地的5.42倍(表1)。可见,低地植物群落的土壤有机碳含量较高,在沙丘上建设和发展稳定的油蒿群落和沙柳群落,有助于土壤固碳。2.2不同植被类型土壤有机碳含量的垂直分布格局不同植被类型的土壤有机碳垂直分布格局各异(图1)。随着土层加深,固定沙地油蒿群落、中间锦鸡儿群落、旱柳群落、芨芨草群落和马蔺群落的有机碳含量均有显著的积累,且除了中间锦鸡儿群落,其他群落类型的有机碳含量最大值均出现在60~80cm土层内。农田的土壤有机碳含量也随土层加深而增加,但并非有机碳在深层积累,总体上讲,在各个土层内农田的有机碳含量均较低,由于0~30cm土层受人为干扰较大而使其有机碳含量降得更低。半固定沙地油蒿群落、流动沙地、沙柳群落的土壤有机碳含量随土层加深逐渐减少,且最大值均出现在表层(0~10cm),可见地表凋落物对其有机碳积累的贡献较大。不同植被覆盖类型形成其各异的土壤微环境,微生物活性及植物根系分布和活动特点也存在差别,进而影响有机碳的周转,形成各自独特的有机碳含量垂直分布格局。不同植被类型相同土层的土壤有机碳含量比较表明,在0~30cm各土层内,半固定沙地油蒿群落与固定沙地油蒿群落的有机碳含量无显著差异,但二者显著高于流动沙地的有机碳含量,平均分别为后者的2.16和2.44倍;在60~80cm各个土层内,半固定沙地油蒿群落与流动沙地的有机碳含量无显著差异,但二者显著低于固定沙地油蒿群落的有机碳含量,分别平均比后者低62.50%和80.61%。在30~60cm土层内三者变化无规律。总体上体现出半固定沙地油蒿群落的土壤有机碳含量垂直分布格局为固定沙地油蒿群落和流动沙地的中间方式。中间锦鸡儿群落和农田的土壤有机碳含量在各个土层内均无显著差异,除了在30~40cm土层内二者显著高于流动沙地的有机碳含量外,在其他各个土层内二者与流动沙地的有机碳含量均无显著差异,说明中间锦鸡儿群落和农田的土壤有机碳含量较低。这3种植被类型的土壤有机碳含量垂直分布格局不同,而在多个土层内表现为相似,可见这3种植被类型的土壤有机碳含量随土层加深的变幅较小。在40~80cm各个土层内,沙柳群落与流动沙地的有机碳含量均无显著差异,而40cm以上土层是沙柳群落有机碳的集中分布层。在0~40cm各个土层内,沙柳群落的有机碳含量均显著高于流动沙地的有机碳含量,且在该土层范围内,前者平均为后者的3.64倍。旱柳群落的有机碳主要集中于50~80cm土层内。在50~80cm各个土层内,旱柳群落的有机碳含量均显著高于除芨芨草群落、马蔺群落外其他所有群落的有机碳含量。在该土层范围内,旱柳群落的平均有机碳含量高达流动沙地的11.87倍。在50cm以上土层范围内,旱柳群落的有机碳含量较低,但高于流动沙地。芨芨草群落的土壤有机碳含量很高。在0~80cm各个土层内,其有机碳含量均显著高于流动沙地,且平均为后者的7.31倍。在研究的所有植被类型中,马蔺群落的土壤有机碳含量最高,除了在40~50cm土层内与芨芨草群落有机碳含量无显著差异外,在其他各个土层内,均显著高于其他所有群落的有机碳含量。综合上述结果,不同植被类型土壤有机碳含量的垂直分布格局及其在同一土层内的分布既表现出差异性,也表现出某些相似性。这可能是不同植被类型的凋落物量、根系分布及活动特点以及不同植被形成的特定群落微环境综合作用的结果。2.3不同群落土壤有机碳密度的差异各植被类型的土壤有机碳密度大小由其各自的土壤有机碳含量和土壤容重(表2)共同决定。各个植被类型80cm深度的土壤有机碳密度为:马蔺群落>芨芨草群落>旱柳群落>固定沙地油蒿群落>机碳密度分别比流动沙地高44%和24%,但三者无显著差异。流动沙地、半固定沙地油蒿群落和固定沙地油蒿群落的土壤有机碳密度存在显著差异,且固定沙地油蒿群落和半固定沙地油蒿群落的土壤有机碳密度分别为流动沙地的3.38倍和2.03倍。沙柳群落与半固定沙地油蒿群落的土壤有机碳密度无显著差异,且为流动沙地的2.19倍。旱柳群落的土壤有机碳密度与其他所有群落均存在显著差异,且为流动沙地的5.22倍。芨芨草群落的土壤有机碳密度很高,仅次于马蔺群落,为流动沙地的7.86倍。马蔺群落的土壤有机碳密度最高,显著高于其他所有群落,为流动沙地的17.74倍。其中农田和芨芨草群落的土壤有机碳密度较土壤有机碳含量变化幅度大,其他群落的土壤有机碳密度均较其平均土壤有机碳含量的变化幅度小,这是由于农田和芨芨草群落较流动沙地的平均土壤容重大(表2)。虽然沙柳群落的平均土壤容重也比流动沙地的大,但其随土层加深逐渐增大(表2),而这种变化趋势大致和有机碳含量的变化趋势相反,二者综合作用使得沙柳群落的土壤有机碳密度较平均土壤有机碳含量变化幅度小。2.4土层厚度对土壤有机碳密度的影响有机碳密度在土壤剖面上的分布格局取决于有机碳含量和土壤容重的垂直分布格局。各植被类型土壤有机碳密度和土壤有机碳含量的垂直分布格局既表现出相似性,也存在某些差异(图2)。固定沙地油蒿群落、旱柳群落、马蔺群落和农田的土壤有机碳密度均随土层加深而增大。事实上,对于农田来讲,各土层有机碳密度均较低,可能由于0~30cm土层直接受人为干扰而使其土壤有机碳密度更低,并非有机碳密度在土层深处增加。半固定沙地油蒿群落、流动沙地、沙柳群落的土壤有机碳密度均随土层加深而减小。随着土层加深,中间锦鸡儿群落和芨芨草群落的土壤有机碳密度分别呈“降-升-降”和“升-降-升”的变化趋势。不同植被类型相同土层的有机碳密度比较显示,固定沙地油蒿群落、半固定沙地油蒿群落和流动沙地的土壤有机碳密度与土壤有机碳含量相似,呈过渡变化,半固定沙地油蒿群落的土壤有机碳密度体现为其他二者的中间类型。中间锦鸡儿群落、农田和流动沙地的土壤有机碳密度在0~80cm各个土层内均无显著差异,可见中间锦鸡儿群落和农田的土壤有机碳密度较低。在0~40cm各个土层内,沙柳群落的土壤有机碳密度显著高于流动沙地。而在40cm以下各个土层内,沙柳群落与中间锦鸡儿群落、农田和流动沙地的土壤有机碳密度均无显著差异。在0~30cm各个土层内,旱柳群落与固定沙地油蒿群落的土壤有机碳密度无显著差异;在50~80cm各个土层内旱柳群落土壤有机碳密度显著高于除芨芨草群落和马蔺群落外其他所有群落的土壤有机碳密度。芨芨草群落的土壤有机碳密度随土层加深的变化规律和其他群落未体现出相似性。在0~80cm各个土层内,芨芨草群落的有机碳密度均显著高于流动沙地,平均为后者的7.87倍。总体上,马蔺群落的土壤有机碳密度最高,除了在40~50cm土层显著低于芨芨草群落的有机碳密度外,在其他各个土层显著高于其余所有群落的有机碳密度。方差分析表明,中间锦鸡儿群落、旱柳群落和马蔺群落的土壤有机碳密度较土壤有机碳含量在土壤剖面上的变化幅度小(图1,图2),这是土壤有机碳含量和土壤容重的垂直分布格局共同作用的结果。3农田土壤有机碳的分布格局土壤碳固定是缓解温室效应加剧的有效方法之一,已成为陆地生态系统碳循环研究的热点问题。研究区内各植被类型0~80cm土层的有机碳密度和平均土壤有机碳含量大小关系为:马蔺群落>芨芨草群落>旱柳群落>固定沙地油蒿群落>沙柳群落>半固定沙地油蒿群落>农田>中间锦鸡儿群落>流动沙地。草地群落土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入,其大小取决于凋落物输入量和土壤有机质的分解释放量。流动沙地由于植被覆盖度很低,由植被输入土壤的有机质极少,因此其土壤有机碳含量/密度最低。样方调查表明,中间锦鸡儿种植密度较小,且灌丛下草本层也欠发达,地表凋落物易被风移走,导致其土壤有机碳密度和平均土壤有机碳含量较低。固定沙地油蒿群落已经发展稳定,植被盖度大,土壤环境得到较好的改善,适宜微生物活动,另外调查发现地表凋落物也较多,且有较多的油蒿枯死,大大增加了土壤有机质的输入量。半固定沙地油蒿群落虽然发展较稳定,但与固定沙地油蒿群落相比,植被盖度较低,凋落物量较少且易移动,土壤环境较差,因此其土壤有机碳含量/密度也表现为固定沙地和流动沙地的中间类型。大量的沙柳落叶和落枝是沙柳群落土壤有机质重要来源,庞大的沙柳根系也可通过根际沉降和根系死亡向土壤输送有机质,但草本层的平均盖度较低,这些因素综合作用,使得沙柳群落的土壤有机碳密度平均土壤有机碳含量水平与半固定沙地油蒿群落相近。农田的土壤有机碳含量/密度一般较低,一方面由于收获农作物时地上部分被大量移走,大大减少了植被对土壤的归还量;另一方面,机械耕作使土壤温度和湿度得到改善,为好氧微生物的活动创造了条件,在一定程度上促进了土壤呼吸作用,加速了土壤有机质的分解。但由于研究区内农田发育在低地上,因此其有机碳含量/密度较中间锦鸡儿群落高。马蔺群落和芨芨草群落均发育在滩地伏沙地上,挖取土壤剖面时发现,芨芨草群落和马蔺群落在60~80cm土层内会出现富含有机质的泥炭层,极大地提高了其平均土壤有机碳含量和有机碳密度。旱柳群落的土壤有机碳密度和平均土壤有机碳含量也较高,这与旱柳庞大的根系密切相关,另外由于当地牧民多砍伐旱柳枝条,所以地表枯枝落叶较多,这大大增加了输入土壤的有机质量。土壤有机碳的垂直分布格局受凋落物量、淋溶作用、植物根系分布及活动特征和微生物活动等多种因素的影响。不同植被类型的土壤有机碳在土壤剖面上的垂直分布格局不同,因此认为植被类型可能是影响土壤有机碳垂直分布格局的主要因素。而土壤有机碳在土壤剖面上垂直分布格局的差异又会影响到土壤有机碳动态,比如浅层土壤有机碳受大气与降水的影响强烈,其中土壤表层0~30cm可直接受大气变化影响,且对土地利用变化和森林砍伐极为敏感。研究结果表明,不同植被类型土壤有机碳垂直分布格局各异,其中某些植被类型的土壤有机碳随土层加深的变化趋势相似,但变化幅度不同。其中半固定沙地油蒿群落、流动沙地、沙柳群落和中间锦鸡儿群落的0~30cm土层的土壤有机碳含量均高于30~80cm土层的土壤有机碳含量。固定沙地油蒿群落、旱柳群落、芨芨草群落和马蔺群落的土壤有机碳虽然在深层土壤分布较多,但在0~30cm土层的平均有机碳含量也较高。农田的土壤有机碳虽然在土壤深层分布较多,0~30cm土层范围内分布较少,但由于其整体的有机碳含量较低,推测0~30cm土层因受人为干扰强烈而使其有机碳含量更低。因此,对于毛乌素沙地这样一个典型的生态脆弱区来讲,应当尽量减少人为干扰,保护浅层土壤有机碳库,加强植被建设与保护,增加土壤固碳。植被类型对土壤有机碳储量的影响比较复杂,目前大量的研究致力于森林、草地和农田及其相互转化对土壤有机碳的影响,而沙地植被对土壤有机碳的影响研究相对较少。刘树林等研究表明,浑善达克沙地流动沙丘与非沙漠化土地相比,表层0~10cm土壤有机碳和全氮含量显著下降。对科尔沁沙地的研究表明,在沙地沙漠化过程中,100cm深度土壤有机碳、氮含量均衰减,相反,随着流动沙丘植被的逐渐恢复,表层(0~5cm)土壤有机碳显著增加。科尔沁退化沙质草地经过封育后,0~15cm土层的有机碳含量增加。蒋德明等研究表明,在科尔沁沙地植被恢复过程中,0~30cm土层的有机质含量变化为11年生小叶锦鸡儿(C.microphylla)群落>6年生小叶锦鸡儿群落>流动沙丘。在毛乌素沙地西南缘的盐池县沙边子及位于腾格里沙漠东南缘的沙坡头地区的研究也表明,不同地区或同一地区不同区域的沙漠化土地中,随着植被盖度的增加及恢复程度的增强,土壤有机质有相应的增加。可见,在流动沙丘上发展植被会增加土壤有机碳,相反,随着沙漠化加剧,土壤有机碳含量减少。研究区内各个植被类型0~80cm深度的土壤有机碳密度与平均土壤有机碳含量的大小关系均为