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The Rate of Carbon Dioxide Release from Alpine Scrubby Meadow Soil Under Different Grazing Intensity

放牧强度对高寒灌丛草甸土壤CO2释放速率的影响



全 文 :第 9 卷
V o l
.
9
第 3 期
N o
.
3
草 地 学 报
A C T 八 A G R E S T IA S IN IC A
2 0 0 1 年
S e P t
.
9 月
2 0 0 1
文章编号 : 1 0 0 7 一 0 4 3 5 (2 0 0 1 )0 3 一 0 1 8 3 一0 8
放牧强度对高寒灌丛草甸土壤
C O : 释放速率的影响 ‘
张金霞, 曹广民 , 周党卫 , 赵新全
(中国科学院西北 高原生物研究所 , 西宁 8 1。。01 )
摘要 : 在 中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站 , 研究放牧 强度对土壤 C 0 2 释放速率的影响及其 与环境条件 的
关 系 。 结果表明 , C O : 释 放速率具有 明显的 日变化规律 , 日最 大值在 12 : 0 一 14 : 。0h 出现 , 最低值出现于凌晨
6
,
0 0 一 8 , o o h 。 轻牧和重牧区 日释放速率分别为 7 . 2 7 4 士 5 . 5 7 7 9 · m 一 , · d 一和 6 . 9 7 7 士 4 . 9 4 7 9 · m z · d 一 ’ 。 e ():
释放速率具有明显的季节变化 , 最大值均出现在 7 月 , 而冬季则最低 。 C 0 2 释放速率的 日变化 主要受气温和地表温
度的制约 , 与气温和地表温度呈极显著的正相关(P < 。. 0 1 ) 。 C O Z 释放速率的季 节动态与气温和地温 (0 一 30 c n l )呈
极显著的正相关 (P < 0 . 01 ) 。 放牧使 C 0 2 释放速率降低 。
关扭词 : CO : 释放速率 ; 放牧强度 ; 高寒灌丛草甸
中圈分类号 : 5 8 1 2 . 8 文献标识码 : A
T h e R a te o f C a r b o n D io x id e R e le a s e fr o m A IPin e S c r u b by
M e a d o w 5 0 11 U n d e r D iffe r e n t G r a z in g In te n s ity
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痕量气体变化的研究已成为非常活跃的研究领
域 。 温室气体引起的全球气候变暖问题已成为科学
界最为关注的环境问题之一 〔‘一 3 1 。 陆地生态系统是
C ()2

N Z()

C H 、等温室气体主要的源和汇 [ ‘ , 5 } 。 由于
人类活动 , 大气中的许多温室气体浓度已发生 全球
尺度的变化 。 在过去的 20 年中 , 冻源已 由一个净汇
收稿 日期 : 2 0 0 0 0 8 一 2 4 ; 修 回日期 : 2 0 0 0 1 0 20
, 国家重点基础研究专项 (G 1 9 9 80 4 0 8 0 0) 资助 , 中国科学院知识创新工程项 目(K S( 汉2 1 07 )国家自然科学基金项 目( 3 0 7(J 14 7) 和中国科
学院海北高寒草甸生态系统定位站基金项 目
作者简介 : 张金妞 ( 1 9 4 1 ) . 女 , 研究员 , 长期从事草原生态物质循环研究工作 , 发表论文近 40 篇
18 4 草 地学 报 第 9卷
变成 一个净 源「6},为此 ,许多科 学家对温 室气体的 释1 .2试验 样地放规 律及影 响因子进 行r深人 研究[’,,川 。隶属于 地 ..1选 择广泛 分布于山 地阴坡和 偏阴坡不 同放
球第 三极的 青藏高原 是全球气 候变化 的“启动区 ”,牧 强度的 高寒灌丛 草甸为研 究对象, 植被以金 露梅近年 来倍受 人们重视 ,有许多 学者对其 气候变化 及( 尸otenila fruticos a)灌丛 主要建群 种,草本 以线
痕量 气体的 变化作了 大量的研 究报道[0, ’。1。 叶 篙草(K obresia‘ “对1晌li。 )、矮篙草 (Kobres 扭hu-广布于 青藏高原 高寒草 甸是陆地 生态系统 的m l、)、美 丽风毛菊 (Saus rea、“Peb a)、雪白 委陵一个 重要组 成部分,对 气与地 面之间 的能量平 衡、菜 尸ot州i lnv )等为主 。地表通 常具有较 厚的
水汽 交换以 及生物地 球化学循 环产生极 其重要的 作苔 鲜层和 枯枝落叶 层。用。 而气候变 化对高寒 草甸生态 系统的 结构、功能 及1 .2.放 牧强度设 轻牧区 和重牧区 样地面 积为
生产 力,以及 能量流 动和物质 循环也产 生极为重 要8 .02hmZ ,共设5个 试验小 区[12。在 轻牧区和 重牧影响 。为此笔 者有幸参 加国家重 点基础 研究“973 ”项区 进行CO Z释放速 率测定。 放牧家畜 为成年同 龄藏目, 研究青藏 高原现代 表生过程 与气候 变化机理 ,旨揭 羊。夏 秋季在金 露梅草场 , 时间5 个月
在为 高寒草 甸对大气 温室气体 的贡献作 用有一较 深(5 一9月 )。轻牧 区2.5 只羊/hm Z,牧草利 用率刻认 识。 3 0%,重度 放5. 3只羊/h ,,利用 率60%〔 ‘,]。
1 材料和 方法 1 .3c02 测定COZ 采用 CID一3OP S红外C O:分析 仪,气
1. 自然概 况 体 采集使 用特制的 玻璃纤维 增强塑料 制作的密 闭箱. .1试验 设置于 中国科学 院海北高 寒草甸生 态( 高30m m,内径 245m) 。测定时 将箱体底 座埋系统 定位站 (海北站 ),地处3 7O29’一3 7045‘N, 10。入 地下,剪 去箱体 内地表植 物,箱体 和座以 水密
12‘ 一1003 ‘E,海拔 325om。 属典型高 原大陆性 气封 。以闭 路系统A bsolute功 能进行气 体浓度 测定。候。 年温差 较小旧温 差较大。 夏季暂 短而凉爽 ,冬实 验设置 三个重复 ,以近地面 植物冠 层大气C O:的
季漫 长而寒 冷。年均 气温一19 C,月均 气温多o c者浓 度作本 底,测定箱 体10m in内土壤 c02的浓 度增仅有 5个月 ,簇一10 (,有3个jJ 。50年 代以来平 均值 。流速0 ·SIJ·m in‘。测定 时用374 .4mg ·kg一‘
气温 呈升高 趋势,而且 比全国及 全球升 温更明显 。近标 准气对 仪器进行 校准。该 仪器用碱 石灰进行 零点年来 以0.62 c/年 势升温[l ’1。年均降 水618m m,校 正,采 集气体 行严格的 脱水。C 02释放速 率计主要 集中于 5一9月 ,占年降 水量的 0%,植物 生算 式:
长季 水热同 期,有利于 牧草生长 。 _.,‘ ,,‘_ ,‘_ ,‘一 ·J一了‘ 州厂‘丫 ‘一’.之‘ 一“二 __ ⋯ F=l/A ·。V△c/ △t一两c/ △t1. .2高寒 灌丛草 甸具有适 应高寒气 候的生态 特性, 是青藏 原地带 性与山地 垂直地带 性主要 植式 中,F为 C()2释 放速率(m ol·mZ s’),p为 标准
被类 型,也是 主要的夏 秋牧场。 土壤类型 为暗沃寒 冻状 况下箱 体内的气 体密度, h,A,V分 别为箱 体高、雏形 土,有机 质含量 极为丰富 (189.st ·hmZ, o一底 面积和 积,△C /△t为箱 内COZ 浓度在测 定时
10 Cm),表层 和亚表 层为10. 绒一20. 0%。代换 量段 内的变 化率。高达 40.一 60.em ol·kg‘, 全N含量 为.4 一.8 写,为 2产生提 供了物质 基础。近 年来由于 过1 .4测定 内容与频 度
度放 牧及人 为活动的 影响,导致 草场退 化,严重影 响 每月 观测两次 ,日测定频 率为:10 :0、12 :0、了草 地生产 力提高 。植被盖度 由70% 降至40% 左2 4:0、1 6:0、1 5:0、2 :、2 :、4 :oh
右, 地上生物 量明显减 少。土壤 表层pH 分别为7 .7及 翌日4 ,0、6: o。、8:0 、10:o h。每次 测定(轻 牧),7.85 (重牧 )。轻牧区 容重和 比重 为C O:释放 量时,平行 测定气温 和O一3 0cm土层 的温0.5 69·em 3和1. 839·em 3,牧 区则 度 。每个 测定日采 集O一1 em、 一2c 、20~
0.9 439·em 3和2. 529·em 3。随着 放牧的加 重3 0em、3 ~40em 和40~5 0em的土 样,用烘 干法土壤 孔隙度 由69.7 %降至61 .84%。 测 定土壤 水分。同 时测定植 物地上和 地下生物 量。
第 3 期 张金妞等 : 放牧强度对高寒灌丛 草甸土城 C O : 释放速率的影响 1 8 5
.
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轻牧 ( L ig ht g r a z in g ) 重牧 ( H e a v ily g r a z in g )
释放 ( A ) 、气温 、地表温度 (B ) 、土坟沮度 ( C )和土坡水分 ( D )的季节动态
S e a s o n a l p a t t e r n s o f C〔) 2 e fflu x (A ) , a ir t e m P e r a t u r e a n d 5 0 11 s u r fa e e t e m p e r a t u r e ( B )
5 0 11 t e m p e r a t u r e (C )
, 5 0 11 m o is t u r e ( D ) , 一n a lp in e sh r u b m e a d o w u n d e r d iffe r e n t g r a z in g in t e n
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2 结果与分析
2
.
1 土坡 CO : 释放速率季节动态
2
.
1
.
1 在不同放牧强度下高寒灌丛草甸土壤 CO :
释放速率呈现明显的季节动态 。 两种放牧强度均以
7 月份在牧草生长旺季 C( ) 2 释放速率最高 , 分别为
18 6 草 地 学 报 第 9 卷
16
.
7 6 7 9
· n 飞 2 · d ’(轻牧 )(7 月 5 日)和 一6 . 8 9 4 9
·
m
“ · d ’(重牧 ) (7 月 7 日 ) , 最低值均 出现在冬
季 , 分别为 1 . 1 5 4 9 · m Z · d ’(轻牧 ) (l 月 2 3 日 )
和 0 . 9 4 7 9 · m Z · d ’(重牧 ) (2 )J 8 日 ) 。 轻牧区稍
高于重牧区 。 在植物生 长季 , 轻牧 区土壤 C O : 释放
通量为 H . 56 0 士 3 . 9 2 2 9 · m Z · d ’ , 而重牧 区为
1 0
.
0 4 6 士 3 . 9 5 5 9 · n l “ · d ’。 在 9 月牧草逐渐枯
黄 , 生长已基本停止 , C( ) , 释放速率则急剧下降 , 直
到冬季达最低值 (图 IA ) 。 全年平均值为 7 . 7 74 士
5
.
5 7 7 9
·
m
Z · d ’(轻 牧 )和 6 . 9 7 7 士 4 . 9 4 7 9 ·
m
Z ·
d
’(重牧 ) 。
2
.
1
.
2 高寒灌丛草甸土壤 C O : 释放速率的峰值 比
A la s k
a 冻原测 定的结果 4 . 9 一 5 . 9 9 · rn 一 ’ · d ’
高「’3 1。 气温和表土温度的季节变化趋势与土壤 C 0 2
释放的趋势相同 (图 IB ) , 最高温度均出现在 7 一 8
月 , 最低温度出现在 12 月和 1 月 。 气温和地表温度
分 别是 6 . 8 士 4 . Z C 和 9 . 4 士 5 . 1 ‘C (轻牧 ) , 6 . 9 士
4
.
3 C 和 10 . 1士 5 . I C (重牧 ) 。 10 。m 地温季节变化
曲线与表土温度相似 (图 IC ) 。 C O Z 释放 日均值的季
节变化和气温 、地温 (0 一 30 C m )之间呈极显著相关
关系 (表 1 ) 。 结果表明土壤 CO : 释放的季节动态受
气温和土层温度控制 。
表 l
T a b le
土坡 C O : 释放速率与气温和地温 的相关关系
T he e o r r e la t e d e o e ffie ie n t b e t w e e n s e a s o n a l
v a r ia t io n o f C()2 r e le a s e a n d a ir te m Pe r a tu r e a n d 5 0 11 te m Pe r a tu r e
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轻牧区
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重牧区
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2
.
2 土壤 c o : 释放速率 日变化 释放速率的 日变化均与气温和地表温度变化趋势相
2
.
2
.
1 高寒灌丛草甸土壤C( ): 释放速率随着每日时 似 (图 ZA , ZB , ZC ) 。 海北站地区昼夜温差较大 , C O Z
间的进程呈现出明显的 日变化 , 轻牧和重牧区的日变 释放速率随着白天气温的增高而增高 , 在夜晚则随
化曲线相似 , 最大值出现在 12 : 0 一 14 : 0 h , 最低 着气温的降低而降低 , 而 5 。m 土层在白天的温度较
值出现在凌晨 6 : 0 一 8 : o o h 。 C O : 释放速率在白天 表土低 (图 ZD ) , 15 c m 和 30 c m 土层的地温 , 日变
大于夜晚 。 8 月初的测定结果为 14 . 2 2 3 9 · m Z · d ’ 化幅度较小 , 曲线趋于平缓 。 轻牧与重牧区 的土壤
(轻牧 ) 和 12 . 3 3 1 9 · m Z · d ’ (重牧 ) , 比休耕地 以 ) 2 释放速率与气温和地表温度之间呈极显著正相
(Fal
o w )9
.
68 1 9
·
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Z · d ’的结果高 , 比大豆地 关关系 (表 2) , 而与土壤深层温度的相关则不显著 。
(s o yb e a n )e ()
2 释放 2 2 . 2 9 · n , 艺 · d ‘低川 。 冬季 l 月 2 3 日和 2 月 s 日土壤 C O Z 释放速率与气
2
.
2
.
2 在不同放牧强度下 , 高寒灌丛草甸土壤 CO Z 温和地表温度的相关关系均不显著 。
表 2 土坡 C O Z 释放速率 日变化与气温和地表温度的相关关系
T a b le 2 T he e o r r e !a tio n e o e ffie ie n t s b e tw e e n r a t e o f
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5 月 13 日
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7 月 20 日
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9 月 2 5 日
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翌年 2 月 8 日
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轻牧 (I ) l〕. 8 吕6 4 ” 0 . 93 13 ‘ . 0 . 88 0 7 白 . 一 0 . 0 2 6 9
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第 3 期 张金艘等 : 放牧强度对高寒灌丛草甸 上镶 C O : 释放速率的影响 18 7
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轻牧(万沙Uy gra ze d)
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重牧(he a川y 歹a ze d )
图 Z C ( ) , 释放 ( A )气温 ( B )地表温度 (C )及 s e m 地温 (D ) 日变化
Fig
.
2 D iu r n a l p a t t e r n s o f s ys r e m C ( )
, e fflu x ( A ) , a ir r e m p e r a r u r e ( B ) , 、0 11 s u r fa e e r e m p e r a tu r e ( C ) a n d 5 0 11
t e m p e r a t u r e ( 5 e m
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18 8 草 地 学 报 第 9 卷
2
.
2
.
3 地上部总生物量季节动态与土壤 C 0 2 释放
速率的相关不显著 。 地上总生物量不仅包括当年鲜
草重也包括立枯及凋落物重 。 土壤 CO : 释放速率与
植物鲜草重 呈极显著正相关 (轻牧区 r 一 0 . 8 8 2 0 , P
< 0
·
0 1 ;重牧区 r = 0 . 9 0 0 7 , p < 0 . 0 1 ) 。 CO Z 释放与
根系生物量差异不显著 。 高寒灌丛草甸属湿润土壤
水分状况 , 在植物生长季节 , 轻牧和重牧区 。一 10c m
土壤湿度分别为 5 5 . 5 3 士 1 5 . 7 5 % 、 5 5 . 7 0 士 1 6 . 6 1 %
(图 ID ) 。 土壤 CO : 释放速率与土壤水分相关分析
结果表明 , 仅在重牧区 , 二者呈极显著正相关 (r -
0
.
7 6 8 2
, n = 9 )
。 土壤 C ()2 释放速率的日变化 , 无论
是轻牧或重牧区均达到极显著差异水准 (表 3 ) 。
2
.
3 放牧强度对土坡 C O : 释放速率的影响
在 轻牧区 土壤 CO Z 释放强 度 比重牧区 大 (图
IA

ZA )
。 在轻牧区 , 土壤 CO : 释放速率为 7 . 7 4 士
5
.
5 7 7 9
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d
一 ’ , 重牧区则为 6 . 9 7 7 士 4 . 9 4 7 9 ·
m
一 “ ·
d
一 ‘。 放牧使 CO Z 释放速率降低 , 在两种放牧
强度条件下 , 土壤 CO : 释放速率之间差异显著 。 在
植 物生长季节(5 ~ 9 月 )C O : 释放速率差异显著 (P
< 。. 05 )( 表 4) 。 因为 冬季 长达 5 个 月 左右 , 土 壤
C O : 释放速率很小 , 两种放牧强度的土壤 C O : 释放
速率仅 1 . 0 9 · m 一 2 · d 一 ’(l 月 2 3 日)左右 。 因此 , 在
全年季节动态中 , 两种放牧强度的土壤 C O : 释放速
率差异不显著 。
表 3 土坟 CO : 释放速率 日变化方差分析
T a b le T he te s t o f v a r ia n e e a n a lys is o f d e il e ha n g e o f r a t e o f
CO Z r e le a s e fr o m a lp in e s e r u b b y m e ad o w 5 0 11
放牧强度
S to
e
k in g 一n te n s lt y
P

v a lu
e
F e r it
轻牧 “ )
I ig h t ly g
r a z in g
重牧 (H )
H e a v 一ly g r a z in g
10 7 18 0 7 9 7 4 3 7
.
0 1 6
.
67 8 3
.
ZE

2 2 2
.
3 50
10 14 7 5 7 9 2 2 5 0
.
7 1 8 0 1 2 1
.
12 E

2 3 2
.
3 50
T a b le
衰 4 放牧强度与土坟 C O : 释放速率方差分析
T he t e s t o f v a ria n e e a n a lys is o f r a t e o f C O
: r e le a s e fr o m a lp in e s e r u bb y m e a d o w 5 0 11
d u r in g th e pla n t g r o w in g Pe rio d u n d e r d iffe r e n t g r a ; in g in te n s ity
项 目
It e m
日期数据
I)
a t e
放牧强度
G r a z in g 一n t e n s zt y
误差
E r r o r
总计
T o t a !
A N ()V A
P

v a lu e F e r it
3 3 1
.
9 8 9 3 3
.
1 9 9 1 9
.
9 29 2
.
6 7 E
一 0 5 2
.
9 78
9
.
3 7 1
1 6
.
6 5 8
3 8 5
.
0 1 8
lO
l
l0
2 l
9
.
3 7 1
1
.
6 6 6
5 6 2 6 0
.
0 3 9 4

9 6 5
3 讨论
3
.
1 温度对土坡 C O : 释放的影响
土壤有机质的转化包括矿化和腐殖化作用 。 矿
化作用是有机质在微生物参与下的氧化过程 。 所有
影响微生物生命活动的因素都影响矿化过程 。 温度
是影响微生物数量及活性的主要因子 , 低 于 。℃微
生物学过程即停滞 , 当温度升到 。℃ 以上 ,微生物学
过程速率增加 。 温度不仅影响微生物的生物化学反
应速率 , 并且对环境的物理化学特性也有影响 。地表
温度随着气温的变化而变化 。 微生物的数量及活性
也正是表层和亚表层较高 ,受温度影响而波动 , 因而
C O
: 释放速率与温度呈高度相关 。 无论重牧和轻牧
区 , 土壤 C0 2 释放的 日变化和气温 、地 表温度均呈
高度相关关系 (表 2 ) 。 土壤 C O : 的释放主要是地表
的作用 , 土壤呼吸作用强度随着土层的加深而递减 。
而 CO : 释放的季节动态与气温 、地温 (0 一 30 c m )均
呈极显著相关关系(见表 1 ) 。 土壤表层吸收太阳辐
射能 , 逐渐向下层传递热量 , 受土壤热传导及热容量
的影响 , 土壤剖面温度最高值与最低值出现时间滞
后于表土 , 即下层温度变化不如表层剧烈 。温度的季
第 3 期 张金霞等 : 放牧强度对 高寒灌丛草甸 土壤 以 ) : 释放速率 的影响 1 8 9
节动态主要受土壤各层 日均温变化的影响 。 各层温
度的变化直接制约着微生物活性和生化反应速率 ,
故 C O , 释放的季节动态与气温和各土层温度呈高
度相关 。结果表明 , 热量条件在高寒地区是增强土壤
生命活动及提高反应速率的主要因素 。 因而在高寒
地区 , 热量条件对 CO : 释放速率较其他环境因素更
敏感 。 与有机氮矿化之研究结论一致 [l , 。
量 , 土壤动物和微生物类群的数量及活性 , 以及根系
生物量所制约 。 热量和水分条件是影响土壤生物学
过程及生物化学反应速度的主要环境因子 。 因此 , 土
壤 C 0 2 释放表现出对温度的强烈依赖性 。 放牧强度
增大 , 人为活动干扰致使土壤退化 , C( )2 释放速率明
显降低 。
参考文献
3
.
2 土坟徽生物对 C O : 释放的影响
高寒灌丛草甸覆被下的暗沃寒冻雏形土有机物
质含量极 为丰富 , O ~ 20 c m 土层 为 12 . 9 9 · k g ’ ,
腐殖质为 2 06 . 3 9 · k g ’ , 为土壤 C 0 2 的产生提供
了丰富的物质基础 。 海北站地区微生物总生物量 与
C O
, 释放速率有良好的相关性 , 各种微生物数量的
高峰期均出现在 7 ~ 9 月份阳 1 。 真菌生物量的季节
动态也是 7一 8 月达最高值 [l 6 1 。 与 C O Z 释放速率一
致 。 9 月随着气温和地温的降低微生物数量及活性
也相应减小 。 CO , 排放速率急剧下降 , 直到冬季 CO Z
释放最低 。 温度在 O C 以下 , 微生物活动几乎停止 。
海北站地区 n 月到翌年 3 月气温和地表温度均为
负值 , 土壤生化反应几乎停止 , 故土 壤 C( ) 2 释放也
是全年的低值域 。
B u r ro n l) 1
.
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30 : 3 8 1一 3 8 7
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八r e t一〔
3
.
3 水份对 C O : 释放的影响
土壤水分不仅影响生物体的有效水分 , 也影响
土壤通气状况及可溶性物质的本质和 数量 、渗透压
和 p H 等 。 海北站地区年均降水 6 18 . 4 m m , 且主要
分布于 5一 9 月 , 占总降水量的 80 . 。% 。 高寒灌丛被
极 下的暗沃寒 冻雏 形土水分含量 丰富 (34 . 4 % 一
7 5
.
0 %
,
0 一 10 c m ) , 因而并不 象温度对植物生长及
C 0
2 释放表现得非常敏感 。
3
.
4 不同放牧强度对 CO : 释放的影响
地上生物量随着放牧强度的增加而减少 , 优质
牧草相应减少 , 高原助 鼠的新土 丘数明显增加 L” { 。
放牧强度不同 , 草地退化程度各异 。 草地退化后 , 土
壤肥力降低 , 微生物数量和种类降低 。 草地退化使土
壤生化活性减小 , 从 而影 响土壤碳氮循环 代谢途
径阳〕。 退化草地的生物量及根系生物量都较低 。 因
而 , 在重牧情况下暗沃寒冻雏形土 CO : 释放速率比
轻牧区小 。
3
.
5 土壤 C O , 释放速率主要受土壤有机质的数
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(上接 1 7 5 页 )
样性存在于野生沙打旺材料内 , 而对沙打旺育成 品
种和地方材料来说 , 遗传多样性相对较多地存在于
沙打旺育成 品种或地方材料 中 , 分别为 90 . 5 %和
90
.
7%
。总之 , 沙打旺种质资源遗传变异的大小和遗
传结构除受繁育体系影响较大外 , 与材料的来源和
地理分布也有直接关系 , 而且人为定向选择压力的
影响比较明显 。
仁3〕
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3 18 ~ 3 7 0
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