荒漠草原含碳密度探索范文
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作者：寶力道徐文芳王忠武王靜韓國棟單位：內蒙古農業大學
研究的目的和意義
草地是陸地生態系統土地資源的一個重要組成部分，放牧是草地利用的主要傳統方式之一，不論何種類型的放牧草地，要使其維持原有的生產能力，確定適宜草場放牧利用強度（載畜率），不但關系到草原生態系統的可持續利用和發展，而且也影響其碳循環和碳截存的過程和特點。
在全球氣候變化成為國際上備受矚目的問題的同時，我國科學家也開始研究土地利用和覆被變化對土壤碳庫和碳循環的影響。近幾年來，放牧土地的碳分布，碳儲量以及放牧管理對碳循環及其生態過程的效應研究受到了土壤，環境，全球變化等研究領域的廣泛關注。過度放牧是造成草地退化的根本原因。過度放牧可使草地初級生產固定碳素的能力降低，并且，由于家畜的采食而減少了碳素由植物凋落物向土壤中的輸入；過度放牧通過促進草地土壤的呼吸作用從而加速碳素由土壤向大氣的釋放。而適度放牧可使草原凈初級生產力達到最高值，但年際間的變異較大，主要受降水及其它氣候條件的影響。
王艷芬等、李凌浩等研究了人類活動對錫林郭勒地區主要草原土壤有機碳的儲量隨草甸草原－典型草原－荒漠草原逐漸減少，每一個草原類型土壤有機碳含量沿土壤垂直剖面逐漸減低；土壤利用方式不同，土壤有機碳的分布也不同。被稱為“生態環境脆弱帶”的荒漠草原生態系統，其穩定性較差，自然和認為干擾的“生態沖擊”更易導致劇烈的波動，甚至成為＂受害生態系統＂，這就是人們常說的草地退化和草原消失。
為此，針對短花針茅荒漠草原群落進行不同放牧強度對主要植物種群地上碳儲量和地下碳儲量的比較研究的必要性不言而喻，其目的在于從碳儲量的角度定量的分析不同放牧強度對植被的影響，從而為適度放牧的決策和草地資源的可持續利用研究提供依據。為了掌握碳儲量，需要研究和測定地上生物量、地下生物量、植被地上含碳量、土壤含碳量。這些變量在不同放牧條件下的細微變化規律需要直接的證據加以證實。從過去的經驗看，在過度放牧狀況下，地上凈初級生產力中僅有20％－50％能夠以凋落物和糞便的形式歸還土壤，一旦草地土壤遭到開墾和過度放牧破壞，其腐殖質層中的有機碳就會迅速氧化而釋放出大量二氧化碳，草地就可能轉變成為碳源。經過40a的過度放牧，我國草地表層土壤10－20cm中碳的貯量已降低12．14％。如今，草地畜牧業已經成為我國許多地區的生產和經濟支柱。但過度放牧導致草地退化的趨勢加劇，而且以每年200萬hm2的速度增加。因此必須加強對草地生態系統不同發展階段（自然與退化生態系統）、不同利用方式及其對氣候變化響應的草地生態系統碳循環過程與機理的研究，加強草地生態系統管理。
地下碳截存對不同放牧強度的響應是一個較緩慢的過程，也可以說放牧在一定時間尺度內還不會影響到系統的地下碳截存。而地下根碳截存量主要取決于其根量的多少。有研究表明：在沙地、坡地及干旱環境條件下放牧容易導致土壤侵蝕，從而使有機碳含量較高的表層土壤流失而造成土壤碳損失。當放牧對草地生產力和植被蓋度無明顯影響，并且未引起土壤侵蝕時，不會造成土壤碳的損失，并且在大多數情況下會由于放牧家畜排泄物的輸入和碳周轉速率的提高而增加土壤的碳截存。針對草地生態系統碳貯量的研究，在確定植被及土壤的碳貯量，草地NPP及生物量的分布特征時，草地土壤呼吸被認為是草地碳循環中最主要的環節，是目前研究的重點。氣候及人類活動（開墾和放牧等）對草地生態系統碳循環的影響，二氧化碳增加對草地碳循環的可能影響等課題已有過多人研究。研究表明：土壤呼吸是全球碳循環中重要的流通途徑，土壤呼吸的變化將顯著影響大氣CO2的濃度。
控制土壤呼吸將能有效緩和大氣CO2的升高和溫室效應。隨著放牧率的增大，牧草地上植物現存量呈線性下降，但地上凈初級生產力以適度放牧最大，即存在超補償性生長。地上最大現存量和最大凈初級生產力隨著放牧率的增大而出現的日期有提前趨勢。二者隨著放牧年限的延長下降幅度較大，但降水可以緩和或加劇這些變化趨勢。輕度放牧能刺激牧草的生長，具有補償性或超補償性生長的特點。過度放牧通過促進草地土壤的呼吸作用從而加速碳素由土壤向大氣的釋放。而適度放牧可使草原凈初級生產力達到最高值，但年際間的變異較大，主要受降水及其它氣候條件的影響。在荒漠草原中，草地的放牧利用對草地的碳截存和碳循環作用和影響有很多細節有待詳細的一手數據來驗證。
試驗地自然概況及研究方法
1試驗地自然概況
本試驗地位于內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗荒漠半荒漠化草原試驗站。四子王旗位于陰山北麓，地處中溫帶大陸性季風氣候區，春季干旱多風，夏季炎熱，≥10℃的年積溫為2200℃－2500℃，年均降雨量280mm，濕潤度0．15－0．3，降水量主要集中在5月－8月，月平均溫度最高為6月、7月、8月3個月，年均氣溫21．5℃、24．0℃、23．5℃；無霜期175d，土壤以栗鈣土和棕鈣土為主。試驗地的草地類型為短花針茅（StipabrevifloraGriseb）＋冷蒿（Artemisiafrigida）＋無芒隱子草（Cleistogenessongorica）荒漠化半荒漠化草原，植被草層低矮且植被較稀疏，蓋度為17－20，種類組成較貧乏，建群種為短花針茅（StipabrevifloraGriseb），優勢種為冷蒿（Artemisiafrigida）、無忙隱子草（Cleistogenessongorica），主要伴生種有銀灰旋花（Convolvulusammannii）、阿爾泰狗娃花（Heteropappusaltaicus）、木地膚（Kochiaprostrata（L．）Schrad．）、羊草（Leymuschinensis）等。
2試驗研究方法
2．1試驗設計本項試驗采取野外長期觀測和實驗室樣品分析相結合的技術路線，通過野外定位觀測，研究不同放牧強度下荒漠半荒漠化草原土壤與植物根系中的碳密度的測定。旨在揭示不同載蓄率下，在輕度放牧、中度放牧、重度放牧對草原地下碳截存的影響、地上初級凈生產力的影響及其機理，同時也有助于理解草地生態系統退化和恢復的機制。試驗設計如下：實驗采用完全隨機區組設計，將圍欄放牧區劃分為3個區組，即3次重復，在每個區組中設4個處理，即4個不同的載畜率水平。4個不同的載畜率處理分別為對照（CK）、輕度載畜率（Lightstockingrate，LG）、中度載畜率（Moderatestockingrate，MG）和重度載畜率（Heavystockingrate，HG），不同重復小區內的4個處理完全隨機排列。設定不同的載畜率值分別為0（對照）、0．91（輕度放牧）、1．82（中度放牧）和2．71（重度放牧）羊單位／hm2／半年。
2．2試驗方法在4個處理中分別隨機選3個1m×1m的樣方，將地上部分齊地刈割，并用報紙包好。在每個樣方中選3個點取根樣，利用根鉆（直徑7cm）按照0cm－10cm、10cm－20cm、20cm－30cm、30cm－40cm、40cm－50cm、50cm－60cm、60cm－70cm、70cm－80cm、80cm－90cm、90cm－100cm分10層取樣，將樣品分層裝入尼龍網袋，與地上草樣一起帶回實驗室。取回的根樣用水洗法將其漂出，裝入信封。將根樣與草樣一起烘干（65℃）稱重，得到地上部分、地下部分生物量的值（g／m2）。將根樣與草樣分別粉碎并過150目的篩，然后用Macro元素分析儀測出含碳量（％）。根據室內試驗獲得的生物量和含碳量數據，通過公式（1，2，3）計算出植被碳密度（g／m2）的值。
2．3數據處理使用SAS9．0軟件及Excel對數據進行標準化、基本統計學分析處理。
結果與分析
1地上生物量及含碳量的變化分析由圖2可以看出隨著放牧強度增加，地上生物量呈遞減趨勢。在輕度放牧區地上生物量最高，其值略高于對照區，中度、重度放牧區地上生物量均明顯低于對照區。重度放牧區的地上生物量明顯低于對照區，只有對照區地上生物量的58．3％，而中度放牧地區與對照區相差不大，這有可能存在實驗的人為誤差，也可能是由于“中度干擾假說”造成的。根據生態學中經典的“中度干擾假說”，有人提出了放牧優化假設，認為草地植被生物量與放牧強度之間的關系是非線性的，即隨著放牧強度的增加，草地的生物量先增加，然后才隨放牧率的增加而下降。重度放牧區與輕度放牧區地上生物量差異顯著（P＜0．05）。實驗顯示的結果與這一假設相符。輕度放牧的影響作用是否由于“雖然家畜的采食會對植物的生長有一定的影響，但是家畜的糞便添加到土壤中可以為植物的生長提供肥料，有利于植物的生長，因此體現出輕度放牧區生物量高于對照區的特點”還有待商榷。至于中度與重度放牧區，有過多的家畜對植物進行采食、踐踏、減少光合面積等破壞活動，放牧強度大的處理，由于前期地上生物量較低，即地上葉面積指數過低，使草地初級生產固定碳素的能力降低，加上不斷的高強度采食而減少了碳素由植物凋落物向土壤中的輸入，因而影響了牧草的再生，而使這兩個區中的植被地上生物量低于對照區。
影響植被地上部分碳密度的另一因素就是植被的含碳量。植被地上部分的含碳量仍然呈現出輕度放牧區最高，而重度放牧區最低的特點。植被含碳量在各個區中雖然有變化，但是方差分析顯示4個區中含碳量值差異不顯著（P＞0．05）。中度放牧區地上植被的含碳量與輕度放牧區相比只下降了1．59％，而含碳量值最低的重度放牧區比輕度放牧區相比也只下降了13．82％。可見植被體內的含碳量的變化不是很顯著，放牧對其產生的影響并不大。
2植被地下生物量及含碳量的變化分析草地生物量的80％以上集中在地下，地下生物量是土壤有機碳庫的最主要輸入源，在草地生態系統碳循環中起著關鍵作用。地下碳截存對不同放牧強度的響應是一個較緩慢的過程，與地上生物量的變化存在一定的時滯，也就是說，放牧在即時影響地上生物量的同時，在一定時間尺度內還不會影響到系統的地下碳截存。而地下根碳截存量主要取決于其根量的多少。由圖3可以看出放牧會使植物地下生物量減小，各放牧區的地下生物量均低于對照區。輕度放牧區地下生物量是對照區的88．17％，與對照區的差異不顯著（P＞0．05），中度和重度放牧區的地下生物量相差不大，分別只占對照區地下生物量的79．90％和72．20％，這兩個區與對照區的差異顯著（P＜0．05）。可見放牧對植物地下生物量產生的影響與其對地上生物量的影響不同，該影響是間接的、長效的、復雜的。輕度放牧區地上生物量較對照區高，而地下則恰好相反，這是因為放牧使光合產物分配給地上部分的總量大于地下部分，以補償地上生物量因家畜采食而降低光合效率的負面效應，這是植物為抵抗采食而長期進化形成的生長機制，但是過大的放牧強度（中度和重度放牧）對植物產生的影響較嚴重，超出其自身調節能力的范圍，必將導致地上和地下生物量的共同下降。而地下部分的含碳量為輕度放牧區最高，其次為對照區，中度與重度放牧區最低。方差分析顯示這四個區中的含碳量值差異不顯著（P＞0．05）。與地上部分相比地下部分的含碳量更穩定，含碳量相差最大的兩個區才相差1．10％。
3總植被碳密度變化由圖4我們可以看出不同放牧強度下草地植被碳密度的變化情況，其中對照區的碳密度最高達到620．3g／m2，其次為輕度放牧條件下的碳密度為506．4g／m2，中度放牧條件下的碳密度為465．1g／m2，重度放牧植被碳密度最低401．4g／m2。與對照區相比較，輕度放牧區的碳密度減少了18％，中度放牧區碳密度減少了25％，重度放牧區碳密度減少了35％。可以看出，隨著放牧強度的增加，植被碳密度逐漸降低。輕度放牧有可能有利于植被的生長，而重度放牧有可能已經超出了植被自身的調節能力，而使植被碳密度降低。
討論與結論
1討論
1．1不同放牧強度對植被生物量的影響生物量是決定草地碳密度的因素之一，放牧主要通過影響草地的生物量來改變草地的碳密度。家畜的選擇采食和踐踏作用對群落的組成影響很大，對群落多樣性影響也很大。適度的采食與踐踏及適宜的采食周期，可以增加植物群落水平的多樣性，降低植物群落優勢種的競爭能力，并可創造一定的物理空隙，有助于光、水分和營養的更好利用。采食對植物群落多樣性的影響取決于采食強度、地段的地質演化特征及其氣候條件。適度放牧對草原生態系統沒有負面影響，或有積極的影響，而長期超載過牧則會使系統崩潰。
根據本實驗對短花針茅荒漠草原碳截存的研究，隨著放牧強度的增加，地上生物量總體呈遞減趨勢，但在輕度放牧條件下，植被生物量高于對照區。而地下生物量一般空間變化規律隨著土壤的深度逐漸減少。地下生物量隨不同載畜量的變化特點還有待進一步觀察研究。草場放牧必然會給草場帶來影響，如何進行放牧管理，目前世界上發達的國家都采用劃區輪牧，自由放牧對草場是有害的，主要表現在放牧強度不均勻，局部草場因過牧而退化，劃區輪牧恰恰能控制放牧強度。
1．2不同放牧強度對植被含碳量的影響決定植被生物量的另一因素是含碳量。放牧對草地植被的影響國內外學者已做了大量研究工作，取得了很多成果，但也存在許多問題。
不同的放牧強度對草地群落的結構有不同程度的破壞，過度放牧不僅造成草地層次結構不明顯，使優良牧草大幅度減少，毒害草不斷增加，而且也改變了草地土壤的理化性質，使營養物質損失；另一方面，大量積累的畜糞影響其取食，又造成草地資源的浪費，而適度放牧不但能促進牧草生長發育，提高牧草再生能力及營養價值，保持草地較高的利用率，而且保護了草地的植物多樣性，是維持群落穩定，防止草地退化，有利于草地持續利用的重要措施。通過本實驗研究，隨著放牧強度的增加，對地下含碳量的影響并不大，或者可以說放牧對地下碳截存的影響是一個較緩慢的過程，在一定時間尺度內還不會影響到系統的地下碳截存。
2結論
過度放牧對荒漠草地植被、土壤及周圍環境的負面影響極大。放牧對草地植被地上部分碳密度的影響，主要體現在生物量上，輕度放牧下草地地上生物量最大，其值高于對照區。中度和重度放牧使植被地上生物量減少，這兩個區中地上生物量的值均低于對照區。與生物量相比植被含碳量的值在放牧干擾下比較穩定，輕度放牧區比其它區略高。一般情況下，輕度放牧或中度放牧會增加種的多樣性；反映出放牧對草原群落的影響的公認結論：適當的放牧使群落資源豐富度和復雜程度增加，維持了草原植物群落的穩定，有利于提高群落的生產力。
相對于地上部分的變化，放牧對植被地下部分的影響機制比較復雜。各個放牧區地下部分的生物量均低于對照區，且該值隨著放牧強度的增加而減少。而含碳量的值仍然比較穩定，基本不受放牧干擾。綜合放牧對地上及地下部分碳密度的影響，草地植被總碳密度是對照區最高，且植被總碳密度值隨著放牧強度的增加而減小。放牧主要通過改變植被生物量來影響草地植被碳密度，含碳量的值比較穩定基本不受放牧干擾。