全 文 ：我国北方草原沙漠化过程中土壤碳、氮
变化规律研究*
刘颖茹1, 2 杨 持1* * 朱志梅1 刘美玲1
( 1 内蒙古大学生态与环境科学系,呼和浩特 010021; 2中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)
=摘要> 对内蒙古锡林郭勒盟多伦县境内 75 个样点土壤质地、全碳、全氮的测定和地上植被状况分析结
果表明, 草原沙漠化过程不同阶段的变化体现在土壤氮、碳、粘粒含量的有规律变化, 土壤氮、碳含量减少、
质地变粗;土壤氮、碳含量与粘粒含量间呈显著相关性, 氮含量与粘粒含量间的相关系数( 01 901)分别大于
碳、氮含量间的相关系数( 01 627)和碳含量与粘粒含量间的相关系数( 01 642) . 土壤中粘粒含量显著减少,
土壤中氮元素的衰减比碳元素明显;沙质草原沙漠化不同阶段的 C/ N 比呈现增加的趋势.
关键词 草原 沙漠化 土壤碳、氮衰减
文章编号 1001- 9332(2004) 09- 1604- 03 中图分类号 Q9481 11; S8121 2 文献标识码 A
Soil C and N dynamics during desertification of grassland in Nor thern China. LIU Yingru1, 2, YANGChi1, ZHU
Zhimei1, LIU Meiling1 ( 1Ecology and Environment Depar tment of Inner Mongolia Univer sity, H uhehaote
010021, China ; 2 I nstitute of Geographic Sciences and Natur al Resear ch, Chinese Academy of Sciences, Beij ing
100101, China ) . 2Chin . J . Appl. Ecol . , 2004, 15( 9) : 1604~ 1606.
This paper invest igated the aboveground vegetations and the soil t exture and total C and N at 75 sites of Duolun
Count y in Xilinguole League of Inner Mongolia. T he results showed that different t ypes of vegetation community
could be used to describe different stages of desertification process. During desertificat ion, the community types
were changed in the ser ies of Leymus chinensis+ Cleistogenes squar rosa y Ar temisia f r igida y Ar temisia in2
tr amongolia y Cor ispermum staunyonii , Chenopodium bryoniaefolium y drift sand, and a regular change of
soil clay and total C and N contents could also be found. The soil C/ N ratio was increased with differ ent stages of
grassland desertificat ion, which could be expressed in the series of 81 11 y 13196y 121 36 y 281 17.
Key words Grassland, Desertification, Soil C and N degradation.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( G2000048704) .
* * 通讯联系人. E2mail: Yangchi@mail. imu. edu. cn
2003- 07- 28收稿, 2004- 01- 09接受.
1 引 言
沙漠化在我国的面积不断扩大,对人民的生产、
生活以及社会经济发展都造成了严重的危害, 成为
危及我国广大干旱、半干旱地区社会经济发展的重
要因素[8, 9, 12, 13] .
内蒙古自治区多伦县位于北京的北方, 距北京
的直线距离仅 175 km,是起源于蒙古国南部的沙尘
暴向南运动的必经之地. 从多伦县植被的退化情况
来看, 中度、重度退化草地占 50%以上;沙质、石质
土壤占 50%以上, 潜在沙漠化土地的面积占有相当
大的比例, 而且实际情况更为严重. 多伦县北部约
1/ 3的面积均为浑善达克沙地所占据,其沙质草原
所占比例远大于 50%, 构成了多伦县严重的潜在沙
漠化隐患.
草原退化过程的每一个阶段都对应着相应的群
落类型[4, 7, 14] .对于沙地来说, 其沙漠化过程是由固
定沙丘到半固定沙丘再到流动沙丘.每一阶段沙地
环境的变化与群落类型的演变是相一致和相对应
的[ 2, 3, 10, 11, 15] .有关沙质草原的沙漠化问题已有报
道[ 1, 5, 6, 14] ,但不同的沙漠化阶段与群落类型的对应
关系如何? 不同的沙漠化阶段与沙漠化过程中土壤
C、N 含量衰减和土壤质地有何对应关系? 本文拟
在探讨这种对应关系的基础上,分析土壤 C、N 的变
化规律.
2 研究地区与研究方法
21 1 研究地区概况
研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟南部多伦县 ( 115b
51c~ 116b54cE, 41b46c~ 42b36cN) , 南北长 110 km, 东西宽 70
km,总面积 3 89117 km2. 冬季严寒而漫长, 春季干旱多大
风, 夏季温和多雷阵雨, 秋凉霜雪早. 年平均气温 11 6 e . 最
暖月( 7 月)平均气温 1817 e ,最冷月( 1 月)平均气温 - 1813
e , 气温年较差 37 e ,极端最高气温 351 4 e , 极端最低气温
应 用 生 态 学 报 2004 年 9 月 第 15 卷 第 9 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Sep. 2004, 15( 9)B1604~ 1606
- 391 8 e . 初霜平均在 9 月 6 日, 终霜平均在 5 月 26 日, 平
均无霜期 100 d. 年降水量为 3851 5 mm,夏季雨量集中,平均
为 2581 4 mm,占年降水量的 671 0% ,冬季降水最少, 为 141 1
mm, 占年降水量的 31 7% .年蒸发量平均为 1 7481 0 mm, 是
年降水量的 41 5 倍.
全县境内属栗钙土区, 土壤类型主要分为灰褐土、黑钙
土、栗钙土、草甸土和风沙土.土壤养分状况是缺 P , 少 N, K
有余.有机质含量一般为 2% ~ 4% ,平均 3102% .
研究区湿润度为 01 54, 属半干旱向半湿润过渡地带中
温型草原植被带.
212 研究方法
2001 年 8月 ,根据 1984年多伦县草原普查资料记载的
经纬度,利用 GPS定位,在多伦县境内随机布局 34 个样点,
每个样点测定 3 个 1 m@1 m样方,共测定了 102个样方.
在 2001 年 34个样点资料分析的基础上,初步认定沙漠
化过程随着土壤 C、N 含量的衰减所对应的群落类型. 2002
年依据优势种选择了 12 个明显有冷蒿( Ar temisia f r igida )
的类型; 褐沙蒿 ( Ar temisia intr amongolia ) 类型; 虫实
( Cor ispermum staunyonii )、刺穗藜 ( Chenopodium bryoniae2
f olium )类型和裸沙类型的地段. 在前 3个类型中各调查2 个
1 m@1 m样方, 由于个别地段的类型不全, 实际调查了 41
个样点.统计两年的全部样点资料为 75 个, 183 个样方.
在每一样点用土钻取 0~ 20 cm 的土样, 每个样点取 3
钻,混合装袋, 共 75 个土样. 风干后 ,经过处理,于北京师范
大学分析测试中心用 Elementar 元素分析仪(美国生产)进行
土壤 C、N 含量的分析测定;由内蒙古林业科学研究院分析
土壤的机械组成.
213 根据土壤 C、N 含量及土壤颗粒组成进行 PCA 排序.
3 结果与分析
311 土壤 C、N 含量及土壤颗粒组成的 PCA排序
采用 PCA 排序把 75个样点划分为 5类, 再与
地上的群落类型相对应, 即可看到羊草+ 隐子草阶
段( Leymus chinensis + Cleistogenes squar rosa ) 、冷
蒿( Artemisia f r igida )阶段、褐沙蒿 ( Ar temisia in2
tramongol ia )阶段、虫实( Cor ispermum staunyonii )、
刺穗藜 ( Chenopodium bryoniaef olium )等一年生植
物阶段、裸沙阶段.把这 5个阶段看作是沙漠化潜在
阶段、轻度阶段、中度阶段、重度阶段、极度阶段.
由表 1可以看出类型间有明显差异,所以依据
不同地点的 N、C、粘粒含量的组合把样地划分到不
同的类型中,进而表征出该样地所处的沙漠化阶段.
在沙漠化过程划分不同阶段的基础上, 采用方
差分析、相关分析对野外调查所得到的样方数据(包
括植被盖度、物种数、每个植物种的个体数、干重等)
和土壤 C、N 含量以及土壤颗粒组成数据进行分析,
从土壤学及生态学两个方面分析多伦县草原沙漠化
过程中 C、N的衰减规律.
表 1 类型间的多重比较
Table 1 Mult iple comparisons about the three factors
组别
Group
N(% )
平均值差
Mean
error
标准差
Standard
error
C(% )
平均值差
Mean
error
标准差
Standard
error
粘粒含量 Clay content(% )
平均值差
Mean
error
标准差
Standar d
error
Ñ , Ò 01 0876* 01 0177 01 2826 01 2518 716757* 119149
Ó 01 0973* 01 0189 01 7174* 01 2385 1010430* 117838
Ô 01 1307* 01 0169 01 5283 01 2654 1013424* 117464
Õ 01 1535* 01 0159 11 0550* 01 2168 1116273* 117052
Ò , Ó 01 0097 01 0129 01 4348 01 1739 213673 110664
Ô 01 0431* 01 0098 01 2458 01 2093 216667 110026
Õ 01 0659* 01 0081 01 7724* 01 1427 319516 019290
Ó , Ô 01 0334 01 0118 - 01 1891 01 1932 012993 017212
Õ 01 0562* 01 0104 01 3376 01 1178 115842 016149
Ô , Õ 01 0228* 01 0061 01 5267 01 1657 112849 014959
* P< 01 05.
312 全 N、全 C、粘粒含量间的相互关系
由表 2可见, 3个因素间有强的正相关关系.而
且 N含量与粘粒含量间的相关系数分别大于 C、N
含量间的相关系数和 C含量与粘粒含量间的相关
系数.可见三者间虽有着同增同减性, 但 N 与粘粒
含量间的关系要密切于 C、N 间的关系. 因此, 土壤
中的粘粒含量的显著减少将导致土壤中 N 明显衰
减.
表 2 因素间的相关分析
Table 2 Cor relation analysis between the factor s
N(% )
C(% ) 粘粒
Clay content
( % )
C(% )
粘粒
Clay content
( % )
Pearson相关系数
Pearson correlation coefficient 01627
* * 01901* * 01642* *
* * P< 0101.
313 沙漠化不同阶段的土壤 N、C变化规律
草原沙漠化过程的每一个阶段变化都体现在土
壤 N、C含量和粘粒含量有规律的变化上,反映在土
壤 N、C含量的减少、质地变粗. 按照这 5个阶段对
其进行方差分析, 结果见表 3. 由表 3可见, 3个因素
在 5个类型间的差异极为显著, 表明土壤全 C含
量、全 N 含量以及粘粒含量在 5 个类型中差异显
著.
土壤中有机质的 C/ N比是一个重要的指标.若
C/N 比值很大, 则在其矿化作用的最初阶段, 微生
物的同化量会超过矿化作用所提供的有效 N 量,可
能使植物缺 N 的现象更为严重;若 C/ N 比值很小,
则在其矿化作用之始就能供应给植物所需的有效 N
量.因此, C/ N比对植物的生长至关重要.
沙质草原沙漠化不同阶段的 C/ N 比呈现增加
的趋势, 按阶段顺序是: 8111 y 131 96 y 12136 y
16059 期 刘颖茹等:我国北方草原沙漠化过程中土壤碳、氮变化规律研究
表 3 3个因素的方差分析
Table 3 Var iance analysis of these three factors
平方和
Sum of
square
自由度
Degree of
freedom
方差
Variance
F 概 率
Probability
N (% ) A 01 184 4 01046 231000 < 01 01
B 01 111 70 01002
C(% ) A 81 659 4 21165 61984 < 01 01
B 211668 70 01310
粘粒( % ) A 12521895 4 3131224 211063 < 01 01
Clay content B 10401963 70 141871
A:组间Between group;B:组内 Within group.
19196 y 281171在相同的 N 含量条件下, C/ N 比小
则更能有效地为植物提供养分.随着沙化的进程, 土
壤 N、C含量显著下降,而 C/ N 比不断上升,说明在
土壤质地变粗的过程中, N 含量的减少比 C含量的
减少更明显;也可能使植物缺 N 的现象更为严重.
4 讨 论
草原退化总是伴随着土壤物理性状、养分含量
和腐殖质特征的变化[15] . 沙质草原的沙漠化是草原
退化的表现形式之一, 主要是由于人为活动加剧造
成的.与一般的草原退化一样,它们都经历了植被退
化和土壤退化两种过程. 土壤退化和植被退化是密
切相关并相互影响的过程, 植被的退化会导致土地
的裸露,给风蚀和水蚀提供了前提条件;土地的风蚀
破坏了植被的生存条件, 促进了植被的退化. 由于土
壤退化和植被退化的研究总是密切相关的,因此, 不
同的沙漠化程度和群落类型有一定的对应关系, 不
同沙漠化过程也必然和土壤中 C、N 含量衰减和土
壤质地的变化有着一定的对应关系.
5 结 论
草原的沙漠化过程, 每一个阶段有其相对应的
群落类型.土地退化过程可以用羊草+ 隐子草阶段
y冷蒿阶段y沙蒿阶段y 虫实等一年生植物阶段 y
裸沙阶段来描述. 阶段变化体现在土壤 N、C、粘粒
含量的有规律变化, 反映出土壤 N、C含量减少、质
地变粗.
土壤的 N、C含量、质地是反映土壤性质的重要
指标. 土壤的 N、C含量与粘粒含量间有显著的相关
性.随着沙漠化的发展, 植被盖度下降, 植物种类减
少,土壤中有机质的积累过程减弱,细小颗粒物被风
带走,导致土壤贫瘠化. N 含量与粘粒含量间的相关
系数 ( 01901) 分别大于 C、N 含量间的相关系数
(01627 ) 和 C 含量与粘粒含量间的相关系数
( 01642) . 因此, 土壤中粘粒含量的显著减少, 土壤中
N 元素的衰减要明显于 C元素.
土壤中 C/ N比的大小可以体现出 N 供应的情
况. C/ N 比值大, 则微生物在矿化有机质过程中会
产生 N 营养不足的现象. 随着沙化的进程, C、N 的
绝对值减少, C/ N 比却逐渐增大. 这在总 N 含量已
很少的情况下, 加重了 N 量的缺乏, 加剧了土壤的
贫瘠.沙质草原沙漠化不同阶段的 C/ N比呈现增加
的趋势.
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作者简介 刘颖茹, 女, 1976 年生,博士生, 主要从事草地生
态学和生态修复方面的研究, 发表论文 3 篇.
1606 应 用 生 态 学 报 15 卷