高寒草地生态系统土壤无机碳的含量特征

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无机碳是陆地生态系统中除有机碳外的第二大碳库,无机碳的变化会对全球碳收支产生重大影响。研究无机碳对于精确估算土壤碳库的储量,科学认识其动态及全面评估其对气候变化的影响意义重大。目前国内外生态学家围绕土壤有机碳的储量、分布、动态、影响因素及其对气候变化的作用进行了大量研究,但对无机碳研究极少,且报道主要集中在大尺度无机碳的储量、分布,对于小尺度内无机碳含量、储量及影响因素的研究极为缺乏。根据国内研究现状,本研究以高寒草甸无机碳的含量特征为主线,以位于青海省海南藏族自治州贵德县的拉脊山(36°21′N,101°27′E,海拔3389-3876m)和果洛藏族自治州的玛沁县军牧场山体(34°22′N,100°30′E,海拔4121-4268 m)两条具有代表性的山体样带及果洛藏族自治州玛沁县大武滩5种不同土地利用类型的高寒草地生态系统为研究对象,测定分析其植物群落特征(包括地上生物量、物种多样性等)、土壤理化性质(包括含水量、容重、pH、铵态氮、硝态氮、有机碳、全氮、全磷及其化学计量比等)和土壤无机碳的含量及储量特征在海拔梯度样带及不同土地利用类型草地中的变化,研究无机碳与植物群落特征、土壤理化性质的关系,找出土壤无机碳的影响因素。主要得到如下结果和结论:  (1)在贵德县拉脊山和玛沁县军牧场山体两条山体样带上,地上生物量与物种多样性随海拔的变化规律一致:随着海拔的升高,地上生物量线性降低;Shannon-Wiener指数、Simpson指数和物种丰富度都呈单峰曲线,在中间海拔最大,而Pielou指数随海拔的升高线性增加。结合目前针对青藏高原高寒草甸的研究数据,发现物种丰富度随海拔高度的变化均里单峰曲线,说明随着海拔的升高物种多样性先升高后降低可能是青藏高原物种多样性分布的普遍规律。地上生物量与物种多样性的关系在两条山体样带上表现一致:地上生物量随Shannon-Wiener指数、Simpson指数和Pielou指数的升高而线性降低,但与物种丰富度不相关。综合两条山体样带所有样方数据,发现地上生物量与Shannon-Wiener指数、Simpson指数不相关,而随物种丰富度的升高线性增加。结合目前在青藏高原的相关研究数据,发现地上生物量与物种丰富度呈S型曲线(logistic model);  (2)随着土层深度的加大,土壤含水量、硝态氮、铵态氮、全氮、全磷、有机碳及SOC∶STN、SOC∶ STP、STN∶ STP都显著降低,而土壤pH和容重则显著升高。在阳坡,随着海拔高度的增大,铵态氮、硝态氮主要表现先降低后升高的规律。在阴坡,铵态氮与阳坡规律一致,随着海拔的升高先降低后升高,而硝态氮则随海拔的升高线性升高;  (3)在阳坡,有机碳、全氮和全磷海拔变化一致:随着海拔的升高,有机碳、全氮、全磷、SOC∶ STP和STN∶STP均线性升高,而SOC∶STN随海拔的升高而线性降低。在阴坡,随海拔的升高,有机碳和全氮以二次函数形式下降,而全磷线性升高;碳氮磷化学计量比的变化规律一致:SOC∶STN、SOC∶STP和STN∶STP都随海拔的升高而降低。以上结果说明随着海拔的升高,阳坡土壤碳氮磷的升高速率存在如下关系:N>C>P,阴坡碳氮的下降速率存在如下关系:C>N。综合阴、阳坡面土壤碳氮磷及其化学计量比的变化特征,可以推测在高海拔地区土壤较容易缺磷,植物的生长可能更容易受到P元素的限制。  (4)天然高寒草甸生态系统的无机碳含量较低,平均值在0.10-0.36 g/kg之间。0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm和20-30 cm土层无机碳储量分别为73.45 kg C/ha、79.08 kg C/ha、162.31 kg C/ha和166.34 kg C/ha,0-30 cm平均为120.30 kg C/ha。无机碳的含量及储量在不同土地利用方式下不同,储量大小具体表现为人工建植草地>围栏封育地>自由放牧地>补播地>黑土滩型退化草地,其值分别为3381.28kg C/ha、739.27 kg C/ha、712.12 kg C/ha、647.64 kg C/ha和361.26 kg C/ha。  (5)在天然高寒草甸生态系统中,无机碳与土层深度、硝态氮、铵态氮、含水量、pH、容重、全氮、全磷、有机碳及SOC∶STN、SOC∶STP、STN∶STP均无相关关系。土地利用改变了土壤的理化性质,在不同土地利用样地无机碳变得与pH正相关,当pH<7时,SIC含量很低,基本保持不变,pH对SIC含量变化的解释率很小;当pH>7时,SIC随pH的增大指数增加,pH因素对SIC的变化可达79%; SIC与土壤容重呈现线性正相关关系,与土壤含水量呈现线性负相关关系。  (6)综合目前的研究结论,得出气候因素及土壤母质可能主要影响无机碳的区域分布(大尺度),而在同一生态系统中放牧等人类活动会提高土壤无机碳含量,人类活动可能是造成局域范围(小尺度)内无机碳含量差异的主要原因。
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