青海4种草地类型的土壤植硅体碳含量研究.pdf

年第期青海师范大学学报（自然科学版）（）基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究项目（）；年第一批中央林草生态保护恢复资金自然资源调查监测项目；三江源国家公园联合基金项目（）收稿日期：作者简介：德却拉姆（），女，青海共和人，硕士生 研究方向：植物生态学通信作者：王文颖（），女，青海湟源人，博士，教授研究方向：生态学领域研究青海种草地类型的土壤植硅体碳含量研究德却拉姆，靳磊，王文颖，（青海师范大学 生命科学学院，青海 西宁 ；青藏高原生物多样性形成机制与综合利用省级重点实验室，青海 西宁 ）摘要：植硅体碳作为一种长期稳定的固碳机制，在陆地生态系统生物地球化学碳汇中发挥着重要的作用目前对植硅体碳汇机制的研究多集中于森林生态系统，对青藏高原高寒草地中植硅体固碳效应的研究较少因此，本研究以青海高寒草地为研究对象，研究不同类型高寒草地土壤植硅体及植硅体碳积累，揭示该区域不同高寒草地生态系统植硅体固碳现状，阐明高寒草地植硅体固碳的影响机制，为未来陆地生态系统硅碳耦合生物地球化学循环及其固碳潜力研究提供科学参考研究结果如下：（）土壤植硅体碳含量（）在高寒草甸中含量最高（），在温性草原中最低（），高寒草原土壤植硅体碳含量为 ，沼泽草甸土壤植硅体碳含量为 土壤植硅体碳储量（）的变化规律为高寒草甸（）高寒草原（）温性草原（）沼泽草甸（）（）温性草原植硅体碳含量与土壤 值呈显著负相关，与总氮和硝态氮含量呈显著正相关高寒草原植硅体含量与总氮含量呈显著正相关，植硅体碳含量与土壤 呈显著负相关，与总碳、总氮含量呈显著正相关 沼泽草甸植硅体碳含量与总碳、总氮、铵态氮以及速效磷含量呈显著正相关；高寒草甸植硅体碳含量与总碳、总氮、硝态氮、铵态氮、速效磷含量呈极显著正相关关键词：高寒草地；植硅体；植硅体碳中图分类号：文献标识码：文章编号：（）世纪工业革命以来，人口数量激增，人类生存需求与生态环境的矛盾日益锐化，大气中二氧化碳含量和全球温度急剧上升，引发一系列环境问题碳汇机制被认为是减缓气候变暖的有效措施，因此找出一种稳定的碳汇机制也成为学者广泛关注的重点，硅（）在土壤中含量仅次于氧，对植物的生长发育有重要意义某些高等植物在生长过程中通过根系吸收单硅酸，经维管束运送，最终在植物体内形成难溶非晶态二氧化硅，即植物硅酸体，也被称为植硅体（），硅化过程中植物会吸收一部分有机碳，被称为植硅体碳（，）由于植硅体耐高温、抗氧化的特性，使其状态稳定且不易分解，直到植物死亡分解后，植物体内的植硅体碳会成为不参与大气循环、土壤稳定的碳库土壤植硅体碳在土壤总有机碳中占比很低，约为 ，但它比其他形式的土壤有机碳更为稳定且长久储存于土壤中 植硅体碳也已被各类研究证明为目前最为有效的大气 封存方式，是目前有效减缓全球变暖趋势的方式之一土壤中存在约 万亿吨碳，是陆地生态系统最大的碳库 陆地生态系统的碳循环是全球碳循环过程中的重要一环草地生态系统由于其面积广阔、植物众多和较高的地上净初级生产力的特性，在全球陆地生态系统植硅体碳汇研究中具有重要意义 我国草地面积约为 ，约占我国国土面积的 我国草地类型主要包括典型草地、草甸草地、荒漠草地、高寒草地、高寒草甸和其他草地等几种主要类型 等 人 对 内 蒙 古 典 型 草 原 植 物 地 上、地 下 部 分 植 硅 体 碳 汇 研 究 发 现 地 下 部 分 植 硅 体 碳 含 量（）显著高于地上部分（）等人对内蒙古草甸草原中退化草地研究表明，适度施用氮肥可增加植硅体碳含量 黄丽丽 在不同退化程度高寒草甸的研究表明，轻度退化高寒草甸植硅体碳含量和储量最高，并且禾本科和莎草科植物中植硅体数量最高 潘文杰 在三种不同类型草地（典型草地、草甸草地和草甸）的研究发现，草甸草地和草甸土壤植硅体碳储量显著高于典型草地 由于不同地区、不DOI:10.16229/ki.issn1001-7542.2023.01.011第期德却拉姆，等：青海种草地类型的土壤植硅体碳含量研究同的地理环境、不同气候条件、不同的植被对硅的需求不同，导致不同类型草地的植硅体和植硅体碳储量也具有显著差异 等初步估算了中国草地与世界草地地上植硅体产生通量，结果表明中国草地植硅体产生通量远低于世界草地，是因为近几十年过度放牧导致我国草地退化，植被覆盖率降低，植被多样性减少，导致地上净初级生产力降低，造成我国草地植硅体碳产生通量较低青藏高原地理位置独特，被誉为“世界第三极”，是我国生态安全屏障区，也是气候变化的敏感区，高寒草地是青藏高原的主要植被类型，不同的高寒草地植被组成具有较大差异 目前我国对土壤植硅体分布特征和植硅体碳汇潜力的研究较多关注草原生态系统，、森林生态系统、湿地生态系统，但针对高寒草地生态系统植硅体固碳效应及其潜力方面的研究较少仍处于初级阶段，需进行更多更深入的研究 因此本研究选取青藏高原不同类型高寒草地生态系统植硅体和植硅体碳进行研究，这对于评估我国乃至全球草地生态系统植硅体固碳潜力具有重要意义材料与方法实验区概况本研究选择青海省主要分布的温性草原、沼泽草甸、高寒草原和高寒草甸四种植被类型 在每个典型植被类型区设置个重复样地，每个重复样地面积为 ，共计 个样地其中温性草原样地设在青海省共和县，东经 ，北纬 ，海拔 米，优势种分别为芨芨草（）、早熟禾（），植被总盖度为 沼泽草甸样地设置在青海省玛沁县，东经 ，北纬 ，海拔 米，优势种为西藏嵩草（）及蕨麻（），植被总盖度为 高寒草甸样地设置在青海省玛沁县，东经 ，东经 ，海拔 米，优势种为高山嵩草（）和垂穗披碱草（），植被总盖度为 高寒草原样地在青海省玛多县，东经 ，北纬 ，海拔 米，优势种为紫花针茅（），植被总盖度为 样品采集于 年月在每种植被类型选取个 样地，所有样地都设在冬季牧场，且彼此间尽可能紧挨着，这样使它们有相近的地形、植被及土壤类型每一个样地按照随机布点的方式采集钻土样混合成个土样除去土壤表面的枯枝落叶后，沿土壤剖面采集 、土层原状土样，装入聚乙烯袋中贴上标签后带回实验室 分析方法收集到的土壤样品将土壤样品置于通风阴凉处风干，去除根系和砾石，研磨并过孔径 和 筛网，用于理化性质测定 土壤容重采用环刀法测定；土壤 值采用土水（质量比）浸提电位法测定；土壤总碳（，）、土壤全氮（，）含量采用元素分析仪（）测定；土壤、土壤速效磷（，）含量采用连续流动分析仪（，）测 定；土 壤 全 磷（，）采 用 （体积法）消煮后，利用连续流动分析仪进行测定土壤样品提取植硅体，用 的双氧水将土壤中的有机质全部氧化去除，然后利用六偏磷酸钠将土壤颗粒进行 分 散，去 除 土 壤 中 的 黏 土 颗 粒，最 后 利 用 重 液 悬 浮 法 提 取 土 壤 样 品 中 的 植 硅 体（，）将从土壤样品中提取的植硅体利用 氧化法进行检测，进而确保植硅体表层的有机质被完全消解 最后将提取的植硅体放在烘箱内烘干后（，），利用元素分析仪测定植硅体中的碳含量植硅体含量（）植硅体重量（）样品干重（）（）植硅体碳含量（）植硅体中碳含量（）样品干重（）（）土壤植硅体储量（）（土壤植硅体含量）.（）土壤植硅体碳储量（）（土壤植硅体碳含量）.（）其中：（，）代表土壤剖面层（，），表示土壤青海师范大学学报（自然科学版）年剖面中各土层的厚度（），表示各土层的容重（），是将单位从 转化为 数据分析数据处理与分析使用 和 软件完成，在 水平下进行 多重比较，并运用语言的统计模块探究分析土壤理化性质与植硅体碳含量间相关性，使用 作图结果与分析青海不同高寒草地类型土壤基本理化特征不同草地类型的土壤 值、总碳、总氮含量特征由图可知，温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均 值分别为 、和 土壤 总体均表现为温性草原高寒草原高寒草甸沼泽草甸 温性草原、沼泽草甸和高寒草甸各层土壤间差异不显著（）高寒草原土壤 值随着土层深度的增加先降低后升高，与 、土层土壤 值差异显著（），其他各层土壤 值差异不显著（）温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均总碳含量分别为 、和 土壤总碳含量均表现为沼泽草甸高寒草甸温性草原高寒草原温性草原和高寒草原的土壤总碳含量随着土层深度的增加均呈现出先增长后降低的趋势且差异不显著（）沼泽草甸和高寒草甸土壤总碳含量随着土层深度的增加呈现下降趋势温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均总氮含量分别为 、和 土壤总氮含量均表现为沼泽草甸高寒草甸温性草原高寒草原温性草原 土壤总氮与 、和 土壤总氮差异显著沼泽草甸 和 土壤总氮含量显著高于其余土层的总氮含量（）高寒草甸 土壤总氮含量显著高于其他土层总氮含量高寒草原各土层间差异不显著（）图不同草地类型土壤、总碳、总氮含量的变化注：图表中的字母和数字为 多重比较结果，同列数据后不同字母表示同一深度土层不同草地类型之间差异达显著水平（），不同数字表示同一草地类型不同深度土层之间差异达显著水平（）不同草地类型的土壤铵态氮、硝态氮、速效磷含量特征由图可知，温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均铵态氮含量分别为、和 土壤铵态氮含量总体表现为沼泽草甸高寒草甸高寒草原温性草原 温性草原 土层土壤铵态氮显著高于 土壤铵态氮含量（），其余各层之间土壤铵态氮含量差异不显著（）沼泽草甸 土层土壤铵态氮含量显著高于其他土层（），而其他土层间差异不显著（）高寒草甸 土层土壤铵态氮含量显著高于 、和 土壤铵态氮含量（），其余各层之间土壤铵态氮含量差异不显著（）高寒草原各土层间土壤铵态氮第期德却拉姆，等：青海种草地类型的土壤植硅体碳含量研究含量差异不显著（）温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均硝态氮含量分别为 、和 土壤硝态氮含量均表现为沼泽草甸高寒草甸温性草原高寒草原高寒草原 和 土层土壤硝态氮含量显著高于其他土层（）沼泽草甸 土层间土壤硝态氮含量差异不显著（），且均显著高于 土层土壤硝态氮含量（）高寒草甸 土层土壤硝态氮显著高于其他土层（），其余各层之间土壤硝态氮含量差异不显著（）温性草原各土层之间土壤硝态氮含量差异不显著（）温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤平均速效磷含量分别为 、和 在 和 土层中，土壤速效磷含量表现为沼泽草甸高寒草甸高寒草原温性草原 高寒草原 和 土层土壤速效磷含量显著高于 土层土壤速效磷含量（），其余各层之间土壤速效磷含量差异不显著（）沼泽草甸 土层土壤速效磷含量显著高于 和 土层土壤速效磷含量（）高寒草甸中 土层土壤速效磷含量显著高于其他土层（），其余各层之间土壤速效磷含量差异不显著（）温性草原各土层之间土壤速效磷含量差异不显著（）图不同草地类型土壤铵态氮、硝态氮和速效磷含量的变化注：图表中的字母和数字为 多重比较结果，同列数据后不同字母表示同一深度土层不同草地类型之间差异达显著水平（），不同数字表示同一草地类型不同深度土层之间差异达显著水平（）不同草地类型的土壤植硅体和植硅体碳含量特征由图所示，在 土层中，温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤植硅体平均含量分别为 、和 土层中，沼泽草甸土壤植硅体和温性草原土壤植硅体无显著差异（），均显著高于其他两种草地土壤植硅体含量（），沼泽草甸、温性草原和高寒草甸土壤植硅体含量无显著差异（），均显著高于高寒草原土壤植硅体含量（）其他土层间，沼泽草甸的土壤植硅体含量均显著高于其他三类草地（）温性草原和沼泽草甸土壤植硅体含量均在 土层达到最高；高寒草原土壤植硅体含量在 土层最高；高寒草甸土壤植硅体含量在 土层最高；其中温性草原和高寒草甸土壤植硅体含量随土层深度的增加先增加后降低在 土层中，温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒 草 甸 土 壤植硅体碳平均含 量分别为 、和 土壤植硅体碳含量表现为表现为沼泽草甸最高，其余土层均为高寒草甸土壤植硅体碳含量最高同一类草地不同土层间土壤植硅体碳含量也存在差异性，温性草原和高寒草甸土壤植硅体碳含量均在 土层达到最高；高寒草原土壤植硅体碳含量在 土层达到最高；沼泽草甸土壤植硅体碳含量在 土层达到最高；其中温性草原土壤植硅体碳含量随土壤深度增加而降低；高寒草原土壤植硅体碳含量随着土层深度的增加先增加后降低青海师范大学学报（自然科学版）年图不同草地类型土壤植硅体和植硅体碳含量的变化注：图表中的字母和数字为 多重比较结果，同列数据后不同字母表示同一深度土层不同草地类型之间差异达显著水平（），不同数字表示同一草地类型不同深度土层之间差异达显著水平（）不同草地类型土壤植硅体和植硅体碳储量由表可知，土层中，不同类型草地土壤植硅体储量的变化表现为温性草原高寒草甸高寒草原沼泽草甸，草地类型之间土壤植硅体储量差异显著（）土层中，不同类型草地土壤植硅体碳储量的变化规律表现为高寒草甸高寒草原温性草原沼泽草甸，高寒草原与温性草原植硅体碳储量差异不显著（），高寒草甸植硅体碳储量显著高于其他类型草地的植硅体碳储量，而沼泽草甸显著低于各草地类型土壤植硅体碳储量（）表不同草地类型土壤植硅体储量和土壤植硅体碳储量草地类型土壤植硅体储量（）土壤植硅体碳储量（）温性草原 高寒草原 沼泽草甸 高寒草甸 不同草地类型土壤理化性质与植硅体碳含量相关性分析由图可知，温性草原中植硅体碳含量与土壤 值存在显著负相关关系（）高寒草原中植硅体碳含量与土壤 存在极显著负相关关系（）但沼泽草甸和高寒草甸土壤 与植硅体碳含量不存在显著相关性温性草原中植硅体碳含量与土壤总氮存在极显著正相关关系（），土壤硝态氮含量与植硅体碳含量存在显著正相关关系（）；高寒草原中植硅体含量、植硅体碳含量与土壤总氮含量存在显著正相关关系（），土壤总碳含量与植硅体碳含量存在显著正相关（）；沼泽草甸植硅体碳含量与土壤总碳、总氮和速效磷含量存在极显著正相关关系（），土壤铵态氮含量与植硅体碳含量存在显著正相关关系（）；高寒草甸中植硅体碳含量与土壤总氮、总氮、铵态氮、硝态氮和速效磷含量均存在极显著正相关关系（）四类草地土壤中植硅体含量与土壤碳氮磷、速效磷和 均不存在显著相关性第期德却拉姆，等：青海种草地类型的土壤植硅体碳含量研究图不同类型草地土壤理化性质与植硅体碳含量的相关性分析注：（）温性草原；（）高寒草原；（）沼泽草甸；（）高寒草甸讨论土壤中植硅体的来源是植物死亡凋落后，植硅体随着植物腐烂分解后被释放到土壤中 地表植硅体碳的输入与土壤中植硅体碳输出，二者的差值决定了植硅体碳在土壤中的积累本研究中，不同植被类型下土壤植硅体碳含量及储量具有显著性差异，造成这种差异的主要原因为：地表物种组成、土壤理化性质和气候条件的不同土壤理化性质对土壤植硅体碳含量的影响土壤理化性质，如土壤水分、土壤 和土壤养分等因子对土壤植硅体的稳定性和分布特征具有显著影响，进而影响土壤中植硅体碳产生通量，本研究表明，温性草原和高寒草甸土壤植硅体碳含量与土壤 呈现显著性负相关，而沼泽草甸和高寒草甸中土壤植硅体碳含量与土壤 无显著性关系 研究表明，土壤 含量较高的土壤中植硅体越容易溶解 因此，四类样地中沼泽草甸土壤植硅体碳更加稳定此外本研究发现，土壤植硅体碳含量与各种氮含量呈现显著性相关关系，由于高寒生态系统近年来出现不同程度的退化，因此基于近年来氮沉降以及在青藏高原施加氮肥，可以有效增加青藏高原高寒生态系统植硅体碳储量，这对于进一步增强土壤长期稳定固碳具有重要作用 不同草地类型对土壤植硅体碳的影响不同的植物对植硅体的吸收和积累的能力也不同，其中禾本科、莎草科和木贼科的植硅体含量最高，这青海师范大学学报（自然科学版）年类植物被称为“喜硅植物”，本研究中四个样地的植被物种组成差异显著温性草原优势种为芨芨草和早熟禾，两种植物的盖度达；高寒草原植被优势种为紫花针茅，盖度达；高寒草甸优势种为垂穗披碱草和高山嵩草，两种植物盖度达；沼泽草甸优势种为西藏嵩草，植物盖度达 因此，不同植被类型的物种组成对土壤植硅体碳含量有显著影响本研究发现青藏高原不同植被类型下土壤植硅体碳储量均显著高于内蒙古草原，造成这种现状的主要原因是由于青藏高原年均温显著低于内蒙古草原，进而导致土壤微生物活性等降低，土壤植硅体溶解速率较低，因此土壤植硅体碳在青藏高原可以更好的保存 同时与中国北方森林生态系统研究对比下，青藏高原要高于森林生态系统，这主要是由于青藏高原温度低，有利于土壤植硅体碳保存，同时青藏高原地表植被主要是禾本科的植物，植硅体碳归还通量较高，这进一步导致青藏高原草地生态系统植硅体碳储量高于中国北方森林生态系统 气候条件对土壤植硅体碳的影响气候条件对土壤植硅体碳稳定性影响前期研究表明，增温和降水增加均降低土壤植硅体的稳定性，进而影响土壤植硅体碳的储量 有研究证实当土壤含水量上升时，使得土壤植硅体更易溶解，导致其稳定性下降 本研究中不同类型草地所处区域的气候具有明显差异，高寒草原和沼泽草甸所处区域年平均降水量最高，其次是高寒草甸所处区域，温性草原所处区域年平均降水量最低同时沼泽草甸的土壤水分含量高于其他草地的土壤水分含量因此相较于温性草原、高寒草原和高寒草甸，沼泽草甸中土壤植硅体的稳定性可能更易受土壤水分的影响结论青海四种草地类型中，土壤 层植硅体碳平均含量依次为高寒草甸（）沼泽草甸（）高寒草原（）温性草原（）温性草原、高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸土壤 层的植硅体碳储量分别是 、温性草原和高寒草原植硅体碳含量与土壤 值存在负相关关系（），但沼泽草甸和高寒草甸土壤 与植硅体碳含量不存在显著相关性四种类型高寒草地整体上均表现出土壤植硅体碳含量与土壤碳、氮含量存在显著正相关关系参考文献：，（）：，：郭梅娥，介冬梅，葛勇，等长白山区湿地表土植硅体特征及其环境意义古地理学报，（）：，：殷婕，盛茂银，王霖娇中国陆地生态系统植硅体碳汇潜力估算研究进展贵州师范大学学报（自然科学版），（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（），：王绍强，周成虎，李克让，等中国土壤有机碳库及空间分布特征分析地理学报，（）：，：第期德却拉姆，等：青海种草地类型的土壤植硅体碳含量研究 ，（）：沈海花，朱言坤，赵霞，等中国草地资源的现状分析科学通报，（）：，：，：，（）：黄丽丽高寒草甸植硅体的分布特征与固碳潜力的研究西宁：青海大学，潘文杰 中国北方草地土壤植硅体碳累积及其影响因素研究 杭州：浙江农林大学，刘丽君，黄张婷，孟赐福，等中国不同生态系统土壤硅的研究进展土壤学报，（）：傅伯杰，欧阳志云，施鹏，等 青藏高原生态安全屏障状况与保护对策 中国科学院院刊，（）：张骞，杨晓渊，郭婧，等青藏高寒区退化草地生态恢复：退化现状，恢复措施，效应与展望生态学报，（）：陈念康，介冬梅，李德晖，等松嫩草原典型群落植硅体固碳与植硅体类型关系研究微体古生物学报，（）：钟立祥，介冬梅，李德晖，等松嫩草原典型群落植硅体碳汇生态学杂志，（）：朱浩宇，陆畅，高明，等缙云山种林分土壤植硅体碳分布特征土壤学报，（）：王方怡，游惠明，洪志猛，等湿地生态系统植硅体及其封存有机碳研究进展 生态与农村环境学报，（）：，（）：许子娟，左昕昕，范百龄，等 植硅体圈闭碳地球化学研究进展 地球科学进展，（）：，（）：杨石磊，宋照亮，郝倩，等草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响：以北方农牧交错带草地为例第四纪研究，（）：，？，（）：，（）：，（）：，（，；，）：，：（），（）（），（），青海师范大学学报（自然科学版）年 ，（）（）（）（）（）（），：；