荒漠草原表层土壤有机碳粒径组分及碳库管理指数特征.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 6 资助项目:宁 夏 重 点 研 发 计 划 项 目(2 0 2 1 B E G 0 2 0 0 5);国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(3 1 9 6 0 3 5 9);第 三 批 宁 夏 青 年 科 技 人 才 托 举 工 程 项 目(T J G C 2 0 1 8 0 6 8);宁夏高等学校一流学科建设(生态学)项
2、目(N X Y L X K 2 0 1 7 B 0 6)第一作者:张义凡(1 9 9 1),女,硕士生,主要从事生态恢复研究。E-m a i l:z h a n g y i f a nn w a f u.e d u.c n 通信作者:张义凡(1 9 9 1),女,硕士生,主要从事生态恢复研究。E-m a i l:z h a n g y i f a nn w a f u.e d u.c n荒漠草原表层土壤有机碳粒径组分及碳库管理指数特征张义凡1,2,陈 林2,3,张蚌蚌4,李学斌2,3(1.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点
3、实验室,银川7 5 0 0 2 1;3.宁夏大学生态环境学院,银川7 5 0 0 2 1;4.西北农林科技大学经济管理学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘要:以探讨荒漠草原表层土壤粒径分布分形、不同粒径有机碳含量、碳库管理指数特征及其关系为目的,通过野外调查选取宁夏回族自治区盐池县花马池镇荒漠草原柠条锦鸡儿(C a r a g a n ak o r s h i n s k i i)、黑沙蒿(A r t e m i s i ao r d o s i c a)、短花针茅(S t i p ab r e v i f l o r a)、蒙古冰草(A g r o p y r o nm o n g o
4、 l i c u m)4种典型植被作为研究对象,采集典型植被冠下和丛间2种生境下表层(05c m)土壤,分析不同植被表层土壤不同粒径有机碳含量、土壤碳库动态变化特征及其相关性。结果表明:(1)4种典型植被土壤粒径呈“单峰”型分布趋势,土壤颗粒主要集中分布于22 5 0m粒径,分形维数(D)为2.5 62.6 3,1 0 05 0 0m颗粒含量是植被间差异显著的主要原因。(2)4种典型植被冠下有机碳含量大于丛间有机碳含量,2 5 0m粗砂粒组分有机碳含量最高,不同粒径组分有机碳含量在灌丛和草本植被间差异显著(p2 5 0m w a st h eh i g h e s t,t h eo r g a
5、 n i cc a r b o nc o n t e n to fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z ec o m p o n e n t sv a r i e ds i g n i f i c a n t l yb e t w e e nt h es h r u ba n dh e r b a g ev e g e t a t i o n(p5 0,2mm粒径团聚体中;樊红柱等9对水稻土研究发现,土壤有机碳积累与 0.2 5mm团聚体含量存在相关性,活性较高的有机碳主要存在于粗颗粒中。目前,关于团聚体固碳机制的研究主要集中在土壤有机碳和团聚体稳定性对不
6、同土地利用方式1 0、不同植被覆盖类型1 1、不同土壤管理措施1 2的响应,而对荒漠草原生态系统土壤粒径分布结构对其影响的研究较少。由于宁夏地处干旱半干旱的农牧交错带,生态环境严酷,土壤贫瘠且基质不稳定,属于典型的旱生化荒漠草原,加之风沙危害和超载过牧等自然和人为因素作用,生态系统受到严重威胁。鉴于此,以宁夏东部荒漠草原退化程度不同的4种典型植被作为研究对象,探讨不同植被类型下土壤粒径分布分形特征对土壤有机碳库平衡性和稳定性的影响,以期为荒漠草原生态系统碳库管理和生态恢复重建策略提供参考。1 材料与方法1.1 研究区概况选取毛乌素沙地南缘、以盐池县为中心的宁夏中东部荒漠草原区(1 0 7 0
7、1 2 7 1 0 7 2 2 2 8 E,3 7 4 7 1 4 3 7 5 7 4 0 N)为研究区。该区为典型的农牧交错带,土壤贫瘠、植被种类少,生态系统脆弱。年均气温为7.9,1月(最冷)平均气温-8.8,0年积温为35 3 6.6,年日照时间28 6 3.1h,年均无霜期1 6 5天,年降水量2 3 03 5 0mm,6 5%以上降水主要集中在79月,年季降水变化率大,年蒸发量27 0 0mm,气候干旱少雨,以灰钙土、风沙土和盐碱土为主,土壤结构松散,肥力较低。1.2 采样点设置与样品采集2 0 1 5年8月中旬,在地处宁夏盐池县高沙窝镇的草原资源生态监测站附近,选取柠条锦鸡儿、黑沙
8、482水土保持学报 第3 7卷蒿、短花针茅和蒙古冰草4种典型植被作为研究对象,分别在草本植物(短花针茅和蒙古冰草)、半灌木(黑沙蒿)、灌木(柠条锦鸡儿)带设置1m1m,2m2m,5m5m样方,每种植被以“S”形多点采样法选取9个采样点,在植株根系生长部位(冠下)和2种植株之间裸露带(丛间)采取表层(05c m)土壤样品,并观测记录样地植被状况(表1)。将土壤样品自然风干过2mm筛,用于测定土壤S O C、AO C、TO C及土壤粒径结构。土壤P S D(以体积分数计)使用M a s t e r s i z e r30 0 0(英国)激光粒度仪进行测定,土壤粒径分级采用美国农业部(U S D A
9、)分类系统1 0,将粒径分为粗砂(2 5 0m)、细砂(5 02 5 0m)、粉黏粒(5 0m)3个等级,并进行不同粒径组分指标测定,各试验测定均设3次重复。表1 典型植被样地及植被特征植被类型植株形态特征高度/m基径/m冠幅面积/m2伴生物种柠条锦鸡儿1.2 30.1 51.0 80.2 13.3 90.6 5隐子草(C l e i s t o g e n e s)、猪毛蒿(A r t e m i s i as c o p a r i aW a l d s t)、胡枝子(L e s p e d e z ab i c o l o)黑沙蒿0.5 10.1 20.5 60.0 81.4 50.2
10、3牛心朴子(C y n a n c h u mk o m a r o v i i)、刺沙蓬(S a l s o l at r a g u sL i n n a e-u s)、白草(p e n n i s e t u mf l a c c i d u mG r i s e b a c h)短花针茅0.1 50.0 80.0 80.0 10.0 60.0 2胡枝子、猫 头 刺(O x y t r o p i sa c i p h y l l aL e d e b)、刺 沙 蓬、银 灰 旋 花(C o n v o l v u l u sa mm a n n i iD e s r)蒙古冰草0.4 30
11、.1 10.0 60.1 10.0 30.6 5猫头刺、牛心朴子、胡枝子 注:表中数据均为平均值标准差。下同。1.3 研究方法1.3.1 样品测定方法 土样总有机碳(TO C)采用K2C r2O7外加热法测定,活性有机碳采用3 3 3mm o l/LK2M n O4氧化比色法测定,非活性有机碳(C NA)含量采用总有机碳与活性有机碳差值计算得出。1.3.2 基于土壤P S D的分形维数计算 基于体积P S D数据,参考T y l e r等1 3方法,采用体积分形模型计算土壤体积分形维数(D),计算公式为:V(rRi)VT=(RiRm a x)3-D(1)式中:r为粒径(m);Ri为粒径划分中第
12、i级粒径(m);V(rRi)为粒径Ri的土壤颗粒体积(%);VT为土壤所有颗粒体积(%);Rm a x为土壤颗粒中最大粒径(m),本文中Rm a x=30 0 0m;D为分形维数(无量纲)。1.3.3 土壤碳库管理指数的计算 土壤碳库活度(a c t i v ed e g r e e,A)、碳 库 活 度 指 数(a c t i v ei n d e x,A I)及碳库管理指数(C PM I)计算公式为:A=AO C/NO C(2)A I=A/参考A(3)C P I=AO C(m g/g)/参考AO C(m g/g)(4)C PM I=C P I A I1 0 0(5)1.3.4 数据处理与制
13、图 采用S P S S2 2.0软件统计分析数据,采用E x c e l 2 0 1 0软件进行数据整理与绘图。2 结果与分析2.1 不同典型植被表层土壤粒径分布分形特征不同典型植被土壤粒径分布均表现为“单峰”型分布趋势(图1),粒径5 0 0m颗粒所占总体积比例较小,粒径5 0 0m颗粒在柠条锦鸡儿群落中未出现;土壤颗粒集中在粒径25 0,5 01 0 0m,二者所占比例达6 3.1 6%9 4.8 7%,0.0 1,12,5 0 010 0 0,10 0 020 0 0,20 0 030 0 0m颗粒总含量所占比例仅为1 5%;不同植被之间土壤粒径分布差异较大,最大差异表现为25 0,1
14、0 02 5 0,2 5 05 0 0m粒径的颗粒含量,黑沙蒿群落中粒径2 5 0 5 0 0m的颗粒含量为2.3%4.7%,相对土壤颗粒较大,而草本科蒙古冰草和短花针茅群落1 0 02 5 0m粒径分布极少,仅占总体积的1.6 0%3.1 4%。统计结果显示,同一典型植被下,0.0 1,5 0 010 0 0,10 0 020 0 0,20 0 030 0 0m土壤颗粒的标准差低于0.0 12,25 0,5 01 0 0m土壤颗粒的标准差,不同植被类型之间 0.0 1,1 2,5 0 0 10 0 0,10 0 0 20 0 0,20 0 030 0 0m的土壤颗粒因含量低,变幅小,标准差趋
15、于0,而25 0,5 01 0 0m土壤颗粒所占比例高,变幅大,标准差为0.1 37.9 1。由图2可知,4种典型植被土壤粒径分形维数(D)为2.5 62.6 3,同一植被分形维数均表现为丛间大于冠下,柠条锦鸡儿、黑沙蒿、短花针茅和蒙古冰草冠下和丛间分形维数差值分别为-0.0 2,-0.0 5,-0.0 4和-0.0 5;不同植被之间D差异显著(p短花针茅蒙古冰草黑沙蒿,丛间分形维数为短花针茅柠条锦鸡儿蒙古冰草黑沙蒿,黑沙蒿分形维数最小,冠下和丛间分别为2.5 6和2.6 0,与其他群落之间差异显著(p2 5 0m粗砂有机碳、活性有机碳和非活性有机碳含量较高,582第5期 张义凡等:荒漠草原表
16、层土壤有机碳粒径组分及碳库管理指数特征2 5 0m粒径有机碳分别为丛间各粒径有机碳的1.8 1,2.1 4,1.5 0倍,活性有机碳分别为1.8 4,2.6 8,1.4 7倍。对不同粒径有机碳分析可知,2 5 0m粗砂有机碳表现为柠条锦鸡儿短花针茅蒙古冰草黑沙蒿,柠条锦鸡儿有机碳含量高达1 4.1 8m g/g,分别比黑沙蒿、短花针茅和蒙古冰草群落增加8.7 3,3.4 2,6.1 5m g/g;丛间蒙古冰草群落含量最高,达9.5 1m g/g,比柠条锦鸡儿、黑沙蒿和短花针茅分别增加1.6 9,6.9 6,2.3 2 m g/g。5 02 5 0m的细砂中有机碳和活性有机碳含量差异不显著(p0
17、.0 5),且整体较小,柠条锦鸡儿冠下有机碳含量最高,蒙古冰草最低,丛间蒙古冰草有机碳含量最高,达到3.4 1m g/g,灌丛植被冠下活性有机碳含量较高,与草本植被之间差异显著(p0.0 5),丛间活性有机碳含量为0.6 00.7 4m g/g,差异较小且均不显著。5 0m的粉黏粒中,黑沙蒿冠下和丛间有机碳含量均最高,分别为1 8.3 1,1 2.9 0m g/g,比柠条锦鸡儿、短花针茅和蒙古冰草分别增加7.8 1,5.9 8,9.4 9和4.5 4,2.1 7,2.4 1m g/g,且差异显著(p0.0 5)。图1 不同典型植被土壤粒径的体积含量分布 注:图柱上方不同大写字母表示同一生境不同
18、植被类型间差异显著(p0.0 5);不同小写字母表示同一植被类型不同生境间差异显著(p丛间。不同植被间TO C含量差异较大,柠条锦鸡儿和短花针茅植被冠下土壤TO C含量分别为1 7.1 1,1 6.5 7m g/k g,与黑沙蒿和蒙古冰草之间的差异显著(p0.0 5),丛间短 花针茅TO C含量最 高(1 1.5 6m g/k g),与黑沙蒿(5.3 9m g/k g)之间差异显著(p0.0 5);4种典型植被土壤AO C分布特征与TO C相似,冠下AO C含量明显大于丛间,除蒙古冰草外,其他3种植被冠下和丛间AO C含量均差异显著(p0.0 5),黑 沙 蒿 群 落 冠 下 和 丛 间 含
19、量 最 小,分 别 为0.7 8,0.3 1m g/k g,与其他植被间差异显著(p丛间,草本植被则相反,不同植被间A表现为蒙古冰草黑沙蒿柠条锦鸡儿短花针茅,蒙古冰草植被丛间A最大(0.1 7),相比柠条锦鸡儿、黑沙蒿和短花针茅分别增加5 4.5 5%,2 3.5 3%,7 0.5 9%,灌木群落冠下与丛间的差异较大,柠条锦鸡儿和黑沙蒿冠下比丛间分别增加8 3.3 3%,1 1 6.6 7%。就碳库管理指数(C PM I)而言,除蒙古冰草外,其余典型植被冠下土壤C PM I相对较高,柠条锦鸡儿、黑沙蒿和短花针茅植被冠下C PM I比丛间分别增加1 9 9.4 5%,1 6 8.3 2%和2 2
20、.0 8%,但不同生境下变化趋势不同,冠下C PM I在不同群落间表现为柠条锦鸡儿蒙古冰草短花针茅黑沙蒿,丛间则表现为蒙古冰草短花针茅柠条锦鸡儿黑沙蒿,表明荒漠草原不同典型植被可显著改善土壤有机质状况和土壤碳库质量,在碳库循环机制中发挥着不同作用,可不同程度增强土壤碳汇功能。2.4 不同典型植被表层土壤粒径与有机碳库稳定性关系土壤有机碳碳库活度(A)、活度指数(A I)和碳库管理指数(C PM I)与AO C、不同粒径组分有机碳和分形维数(D)之间密切相关(表3)。土壤TO C与A和A I呈负相关,与碳库指数C P I和C PM I呈正相关,且与C P I相关系数达0.9 9 8,呈极显著相关
21、(p0.0 1);AO C与A和C PM I的 相 关 性 系 数 分 别 为682水土保持学报 第3 7卷0.6 5 6,0.9 9 7,达到显著或极显著水平(p0.0 5,p0.0 1);粗砂有机碳和细砂有机碳与各指数呈正相关,其中,粗砂有机碳含量与C P I和C PM I之间相关性显著(p0.0 5,p0.0 5),粉黏粒有机碳与A呈正相关,与C PM I呈负相关,D与A、C PM I均呈不显著负相关(p0.0 5)。表2 不同典型植被表层土壤不同粒径有机碳含量单位:m g/g土壤粒径/m植被类型生境有机碳活性有机碳非活性有机碳柠条锦鸡儿冠下1 4.1 83.0 3 A a2.6 10.
22、4 6 A B a1 1.5 72.9 7 A a丛间7.8 20.5 1 A B b1.4 20.4 5 A B a6.4 00.5 3 A B b黑沙蒿冠下5.4 50.6 3 B a1.5 00.8 0 B a3.9 51.1 6 B a2 5 0丛间2.5 51.9 3 B a0.5 60.3 7 B a1.9 91.6 3 B a短花针茅冠下1 0.7 60.3 7 A B a3.3 91.5 4 A a7.3 72.1 6 A b a丛间7.1 91.9 3 A b a2.3 00.6 9 A a4.8 92.2 3 A b a蒙古冰草冠下8.0 30.4 1 B a1.6 80.
23、4 3 B a6.3 50.3 7 B a丛间9.5 10.3 6 A a2.1 51.0 2 A a7.3 62.7 4 A a柠条锦鸡儿冠下4.7 20.6 9 A a0.9 20.1 6 A a3.8 10.5 4 A a丛间3.0 90.7 6 A b0.6 60.1 3 A b2.4 30.8 9 A b黑沙蒿冠下3.7 30.6 9 B a0.9 90.2 3 A a2.7 40.5 4 B a5 02 5 0丛间3.3 40.6 9 A a0.6 30.1 4 A b2.7 10.6 8 A a短花针茅冠下3.1 20.5 4 B a0.6 10.0 8 B a2.5 10.5
24、6 B a丛间2.9 50.4 3 A a0.7 40.0 7 A a2.2 10.4 1 A a蒙古冰草冠下2.7 80.3 6 B a0.5 40.0 6 B a2.2 40.3 2 B a丛间3.4 10.5 0 A a0.6 00.2 2 A a2.8 10.3 9 A a柠条锦鸡儿冠下1 0.5 00.0 9 C a1.2 20.1 1 C a9.2 80.1 0 B a丛间8.3 60.1 1 C b1.3 60.1 1 B a7.0 00.2 2 C b黑沙蒿冠下1 8.3 11.6 7 A a3.8 10.4 3 A a1 4.5 11.2 6 A a5 0丛间1 2.9 01
25、.0 1 A b2.1 90.1 7 A b1 0.7 10.8 5 A b短花针茅冠下1 2.5 11.4 9 B a2.7 50.0 2 B a9.7 61.5 1 B a丛间1 0.7 30.9 4 B a1.8 70.0 7 A b8.8 61.0 1 B a蒙古冰草冠下8.8 21.1 6 C a1.3 80.2 9 C b7.4 30.8 7 C a丛间1 0.4 91.0 9 B a2.0 80.3 7 A a8.4 11.2 4 B C a 注:同列不同大写字母表示同一生境不同植被类型间差异显著(p 0.0 5);同列不同小写字母表示同一植被类型不同生境间差异显著(p0.0 5
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