全 文 ：第 18 卷
第 1 期

Vol. 18
No. 1
草
地
学
报
ACTA AGRESTIA SINICA



2010 年
1 月

Jan.

2010
祁连山东段不同退化高寒草甸土壤有机碳密度研究
赵锦梅1, 2, 高
超1 , 张德罡1*
( 1. 甘肃农业大学草业学院, 甘肃 兰州
730070; 2. 甘肃农业大学林学院, 甘肃 兰州
730070)
摘要: 于 2008年在祁连山东段天祝地区选取轻度、中度和重度 3 个不同退化程度的高寒草地, 以土壤有机碳密度
为研究对象,探讨高寒草地在不同退化程度干扰下土壤有机碳密度的变化特征。结果表明: 随着高寒草地退化程
度的加重,土壤含水量降低, 容重和 pH 值增大; 土壤有机质和全氮有相似的变化趋势, 中度与轻度或重度退化草
地土壤有机质和全氮差异显著(P < 0. 05) ; 土壤有机碳密度在 0- 10 cm 土层显著高于其他土层( P< 0. 05) , 并随着
土层加深有显著的垂直变化趋势;不同退化程度草地在 0- 30 cm 土层总土壤有机碳密度表现为中度> 轻度> 重
度退化草地。
关键词:土壤有机碳密度; 高寒草地;不同退化程度
中图分类号: S153. 62



文献标识码: A




文章编号: 1007-0435( 2010) 01-0021-05
Study on the Soil Organic Carbon Density of Alpine Meadow with
Different Degradation Degrees in Eastern Qilian Mountains
ZHAO Jin-mei1, 2 , GAO Chao1 , ZHANG De-gang1*
( 1. Pratacul tu ral College, Gan su Agricultu ral University, Lan zhou, Gansu Province 730070, China;
2. College of Fores try, Gan su Agricultu ral Un iversity, Lan zhou, Gansu Province 730070, Chin a)
Abstract: Alpine g rassland degradat ion has an important impact on the carbon cycle of grassland ecosys-
tems. To invest ig ate the soil or ganic carbon density changes during dif ferent process of grassland deg rada-
t ion w il l have important theoret ical value to the evaluat ion of alpine grassland soil carbon sequest rat ion ca-
pacity and maintenance of climate change. The object ive was mainly to discuss the variat ion characterist ics
of so il or ganic car bon density under the interference of g rassland deg radation. Three dif ferent degradat ion
degrees, namely light , moder ate, and heavy , of alpine grasslands w ere cho sen in Tianzhu area located in
the eastern of Qilian M ountain in 2008. Resear ch results show that the so il water content decreased and
bulk density and pH value increased along w ith the increasing of degradat ion degree. Soil org anic mat ter
and total nitr ogen show ed sim ilar change tr end and significant differ ence ex isted betw een moderate and
light or heavy degradat ion degree ( P< 0. 05) . Soil org anic carbon density in 0- 10 cm soil layer w as signif-
icant higher than o ther so il lay er s and significant vert ical change t rend occurred along w ith the increasing of
soil depth. In 0- 30 cm soil layer of grasslands w ith dif ferent deg radation deg rees, the sequence o f total
org anic carbon density w as moder ate deg radat ion degree> light deg radat ion degree> heavy deg radat ion de-
g ree.
Key words: Soil organic carbon density; Alpine g rassland; Dif ferent degradat ion deg ree


有机碳在土壤中贮存的量约是大气储量的 2
倍、陆地植被储量的 3倍[ 1] 。土壤碳库的变化对大
气 CO2 浓度的改变和缓解全球气候变暖有着巨大
潜力,可视为大气 CO2 的重要源和汇[ 2] 。高寒草地
是我国陆地生态系统的重要组成部分, 对其有机碳
量的探讨已成为目前研究的重点之一[ 3]。高寒环境
对土壤有机碳的积累起着积极作用, 约 95%的碳储
存在高寒草地生态系统的土壤中, 约占全国土壤碳
储量的 49% [ 4] , 其土壤碳库在中国乃至全球土壤碳
库中都占有十分重要的地位 [ 5] , 高寒草地丰富的土
壤碳储量, 对我国和全球碳循环产生重要影响[ 6] ,
其功能的正常发挥对维持全球及区域性生态系统
收稿日期: 2009-04-21;修回日期: 2009- 07-08
基金项目:国际原子能机构项目( CPR/ 5/ 014)资助
作者简介:赵锦梅( 1978- ) ,女,甘肃天水人,博士研究生,讲师,研究方向为水土保持与荒漠化研究, E- mail : zhaojm@ gsau. edu. cn ; * 通讯
作者 Author for correspondence,E-mail: zhangdg@ gsau. edu. cn
草
地
学
报 第 18卷
平衡具有极其重要的作用。
高寒草地生态系统脆弱, 抗干扰能力差, 极易受
到人为等因素的干扰,造成草地退化,植被一旦遭受
破坏,靠其自然恢复不仅周期长, 而且非常困难 [ 7]。
近年来长期对草地不合理的利用已对高寒草地的生
态系统产生了巨大干扰, 草地退化现象日趋严重。
土壤退化是草地退化的核心问题[ 8]。土壤退化引起
的土壤碳流失, 破坏了草地生态系统的碳循环,从而
严重影响了高寒草地在维持全球碳平衡及区域性气
候变化和生态系统平衡功能的正常发挥。
本文以分布在祁连山东段的天祝地区高寒草地
为研究区域,主要针对高寒草地在不同退化程度干
扰时,对土壤有机碳密度的影响开展研究工作,以期
为我国高寒地区草地生态系统的碳密度及其分布特
征提供相关的数据依据。
1
材料与方法
1. 1
研究区概况
研究区位于祁连山东段的天祝金强河河谷
( 102
40
- 102
47
E, 37
11
- 37
14
N) , 海拔 2900
- 4300 m。该区气候寒冷潮湿, 年均温- 0. 1
, 月
均最低温- 18. 3
( 1月) , 最高温 12. 7
( 7月) ,

0
积温 1380
;年日照时数 2600 h;降雨多为地形
雨,集中于 7- 9月; 年均降水量 416 mm ,年均蒸发
量 1592 mm,为降水量的 3. 8倍;水热同期,气温变
化大, 无绝对无霜期, 仅分冷热两季。区内土层较
薄,厚约 40- 80 cm, 土壤从河漫滩, 阶地至高山依
次为亚高山草甸土, 亚高山黑钙土, 亚高山栗钙土,
亚高山灌丛草甸土,高山灌丛草甸土[ 9, 10] 。
1. 2
研究方法
1. 2. 1
样地选取
在金强河河谷第 1、2级阶地,海
拔 2930- 3200 m 的区域,根据草地退化 4级梯度标
准和空间退化梯度代替时间退化演替序列的方
法[ 1 1, 12] ,选取轻度退化( L ight degraded, LD)、中度
退化( M oder ate deg raded, MD)和重度退化( Heavy
deg raded, HD) 3 个退化程度的高寒草地 (表 1)。
LD位于围栏内,植被覆盖度高,受放牧和人为干扰
低,放牧率为 3. 05 头
hm- 2 , 草地具有较高生产
力,退化程度轻; MD 是冬季牧场, 草地放牧率为
6. 83 头
hm- 2 ,受放牧和人为干扰影响, 草地生产
力低, 属中度退化; HD 位于公路旁, 既是四季牧场
又是放牧家畜的牧道, 土壤状况较差, 植被盖度较
低,植物群衰落, 草地质量和生产能力下降,受放牧
干扰严重,放牧率为 10. 94头
hm- 2 ,属严重退化。
根据李光棣等[ 13] 1993年和胡自治等 [ 14] 1994年在此
范围内所做的调查研究, 在金强河第 1、2 级阶地的
植被型为线叶嵩 K obr esia cap i l li f ol ia ( Decne. )
Clarke草型草地,该区域草地经过 10多年的放牧利
用,产生了不同程度的退化,草地植物群落结构也发
生变化,草地型出现分化。
表 1
样地基本条件
Table 1
Basic conditions o f sampling sites
退化程度
Degradat ion
degree
地理坐标
Geographic coordinate
海拔( m)
Alt itu de
植被总盖度( % )
Vegetat ion
coverage
植被型
Vegetat ion type
放牧率
(头
hm- 2 )
Grazing rate
LD N37
12. 544
, E102
45. 866
2930 93. 5
线叶嵩草+ 龙胆型
K obresia cap il l if olia ( Decn e. )
Clarke+ Gent iana spp.
3. 05
MD N37
13. 375
, E102
42. 058
3050 89. 5
珠芽蓼+ 嵩草型
P oly gonum v iv ip arum
L. + K obresia spp. )
6. 83
HD N37
13. 970
, E102
40. 750
3070 87. 75 禾草+ 杂类草型
Gramin eous grasses+ Forbs
10. 94


注: LD-轻度退化; MD-中度退化; H D-重度退化,下同
Note: LD- Light degraded; MD- Moderate degraded; H D-H eavy degraded; s ame as below
1. 2. 2
样品采集及分析
分别于 2008 年 5月、7
月、9月和 11月中旬,用土钻采集 0- 10 cm、10- 20
cm、20- 30 cm 土层的土壤样品, 对同一退化程度草
地采集的相同土层土壤样品进行混合, 共组成混合
土样 36份, 同时测定土壤容重。将采集的土样用
塑料袋密封带回实验室,测定其含水量;土样风干后
过 0. 25 mm 分样筛, 用于土壤有机碳的测定。土壤
有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定[ 15] , 并根据下
22
第 1期 赵锦梅等:祁连山东段不同退化高寒草甸土壤有机碳密度研究
式计算各个样地的土壤有机碳密度。
S=
( C i
d i
D i )
式中, S 表示一定土层土壤中有机碳的总量, 即
有机碳密度( kg
m- 2 ) , Ci 为第 i 层土壤有机碳含
量( g
kg- 1 ) , d i 为第 i 层土壤容重( g
cm- 3 ) , D i
为第 i 个土层的厚度( m)。
统计分析和绘图在 SPSS 10. 0和 EXCEL 2003
软件下完成。
2
结果与分析
2. 1
土壤理化性质变化
不同退化程度高寒草地 0- 10 cm、10- 20 cm
和 20- 30 cm 土壤含水量均值为 17. 45%、16. 42%
和 15. 54%, 表现出显著的垂直变化规律(表 2) , 不
同退化程度草地土壤含水量随退化程度加重而减
小。不同退化草地间各土层含水量显著差异( P<
0. 05)。土壤 pH 值随着退化程度的增大和土壤深
度的增加逐渐升高, 在 0- 10 cm 土层 LD与 HD土
壤 pH 值差异显著( P< 0. 05) , 在其余土层不同退
化草地土壤 pH 值差异不显著。
表 2
不同退化程度高寒草地土壤理化性质变化特征
T able 2
Physical and chemical pr operties of so il in
differ ent deg raded g rasslands
退化程度
Degradation degree
LD MD HD
土壤含水量( % )
M oisture content
0- 10 cm 20. 04
0. 03a 17. 01
0. 02b 15. 31
0. 17c
10- 20 cm 19. 04
0. 20a 15. 95
0. 23b 14. 26
0. 22c
20- 30 cm 18. 02
0. 24a 15. 42
0. 19b 13. 18
0. 23c
pH 值
pH value
0- 10 cm 7. 20
0. 12a 7. 49
0. 09ab 7. 58
0. 08b
10- 20 cm 7. 26
0. 17a 7. 53
0. 15a 7. 61
0. 12a
20- 30 cm 7. 28
0. 16a 7. 70
0. 20a 7. 77
0. 15a
容重( g
cm - 3)
Bulk density
0- 10 cm 1. 27
0. 02b 1. 42
0. 03a 1. 43
0. 02a
10- 20 cm 1. 31
0. 01b 1. 43
0. 02a 1. 44
0. 04a
20- 30 cm 1. 35
0. 02b 1. 44
0. 03a 1. 47
0. 02a
有机质( g
kg- 1)
O rg anic matt er
0- 10 cm 133. 67
0. 64b180. 52
0. 68a 150. 98
0. 48b
10- 20 cm103. 07
0. 53b134. 38
0. 53a 128. 29
0. 74a
20- 30 cm 99. 11
0. 42b116. 92
0. 52a 108. 54
0. 54ab
全氮( g
kg- 1)
T o tal nitrog en
0- 10 cm 6. 07
0. 02b 6. 88
0. 03a 6. 05
0. 02b
10- 20 cm 5. 45
0. 02ab 5. 75
0. 01a 5. 13
0. 01b
20- 30 cm 4. 60
0. 02b 5. 03
0. 05a 4. 82
0. 01ab


土壤容重对草地退化具有敏感性, 可作为草地
退化的数量指标 [ 16]。由表 2可知,土壤容重随土层
深度显著增加, 这与其他研究[ 17, 18] 结果相一致。
HD、MD、LD的 0- 30 cm 土壤容重分别为 1. 45 g

cm- 3、1. 43 g
cm- 3和 1. 31 g
cm- 3 ,随退化程
度增加土壤容重逐渐增大。H D与 MD、LD的 0-
10 cm、10- 20 cm和 20- 30 cm 土层容重有显著差
异( P< 0. 05) , MD和 LD各土层容重无显著差异。
研究区 0- 10 cm 土壤有机质全氮含量分别介
于 203. 68 - 140. 99 g
kg- 1和 7. 23 - 5. 92 g

kg
- 1
; 10- 20 cm 分别介于 151. 15- 85. 38 g
kg- 1
和 5. 93 - 5. 15 g
kg- 1 ; 20 - 30 cm 分别介于
123. 17- 93. 22 g
kg- 1和 5. 06- 4. 85 g
kg- 1。
有机质和全氮在各土层的分布呈 0- 10 cm> 10-
20 cm> 20- 30 cm 的显著垂直变化趋势,不同土层
有机质和全氮差异显著( P< 0. 05)。在不同退化草
地之间, MD土壤有机质和全氮含量最大, LD次之,
HD最小, 且 MD 土壤有机质和全氮与 LD和 HD
显著差异( P< 0. 05)。
2. 2
不同土层土壤有机碳密度变化
0- 10 cm、10- 20 cm 和 20- 30 cm 土层草地
土壤有机碳密度均值分别为 1. 206 kg
m - 2、0. 964
kg
m- 2和 0. 878 kg
m- 2 , 有机碳密度均值在不
同土层呈 0- 10 cm> 10- 20 cm> 20- 30 cm 的垂
直变化趋势(图 1) , 0- 10 cm 与 10- 20 cm、20- 30
cm土层有机碳密度差异极显著( P< 0. 01) , 10- 20
cm 与 20- 30 cm 土层有机碳密度无显著差异。
图 1
不同土层土壤有机碳密度变化
F ig . 1
So il org anic carbon density in differ ent so il layer s
注:同一退化程度不同小写字母代表在 0. 05水平上差异显著,
不同大写字母代表在 0. 01水平上差异显著,下同
Note: Bars w ith diff erent sm all or capital let ters with in the
same degradat ion level are s ignifi cant ly dif feren t at the 0. 05 level or
ext reme-s ignifi can tly dif f erent at th e 0. 01 level, respectively; same
as below


不同退化程度草地 HD和 MD 在 0- 10 cm 土
壤有机碳密度极显著高于 10- 20 cm 和 20- 30 cm
土层( P< 0. 01) , 10- 20 cm 和 20- 30 cm 土层土壤
有机碳密度差异不显著; LD 0- 10 cm 土层土壤有
23
草
地
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报 第 18卷
机碳密度极显著高于 20- 30 cm 土层( P< 0. 01) ,
并与 10- 20 cm 土层土壤有机碳密度差异显著( P
< 0. 05) , 10- 20 cm 和 20- 30 cm 土层土壤有机碳
密度差异不显著。分析表明, 草地表层土壤有机碳
含量因受退化干扰影响大[ 19] ,但主要集中在土壤 0
- 20 cm 表层, 且其影响随土层加深而相应减
弱[ 20] , 因此无论不同退化程度草地其 0- 10 cm 有
机碳密度的高低,均随着土层深度的增加,表现为显
著下降变化趋势 [ 21]。
2. 3
不同退化程度草地土壤有机碳密度变化
对研究区不同退化程度草地土壤有机碳密度变
化分析结果表明(图 2) , 0- 30 cm 土层 HD、MD 和
LD土壤有机碳密度分别为 2. 778 kg
m- 2、3. 501
kg
m- 2和 2. 865 kg
m - 2。MD土壤有机碳密度
分别比 LD、HD高 20. 65%和 18. 17% ,土壤有机碳
密度表现为 MD> LD> HD。MD 分别与 LD、HD
土壤有机碳密度间为差异极显著( P< 0. 01)。草地
退化程度轻有利于土壤有机碳的积累, 而土壤有机
碳的积累易受到温度、海拔、放牧程度等多种因素的
综合影响而表现不同的变化趋势, 因此研究区 MD
高土壤有机碳密度就是在这种多种因素的综合影响
下表现出的。
图 2
不同退化程度高寒草地 0- 30 cm土壤有机碳密度
F ig . 2
So il org anic carbon density o f 0- 30 cm soil layer
in dif fer ent deg raded g rasslands
3
讨论
3. 1
不同退化程度对高寒草地土壤理化性质的影响
高寒草地退化不仅直接改变地表覆盖状况、草
地形态特征等, 还引起土壤退化。土壤退化首先改
变土壤紧实度, 并继而引发土壤水分等其他理化性
质的变化 [ 22, 23]。研究区草地退化主要是过度放牧
引起的,因此随草地退化程度提高,草地受到动物践
踏程度增加,使土壤孔隙分布的空间格局发生变化,
紧实度增加,毛管持水量下降,土壤总孔隙度减小,
蒸发量相对增大, 从而造成随着退化程度的增加,土
壤含水量降低,土壤容重逐渐增加[ 1 6, 24]。通常土壤
含水量低、土壤容重大,表明土壤存在着退化趋势,
且其值愈大, 土壤退化愈严重[ 25] 。研究区土壤 pH
值随退化程度加剧而由地表产生的水分蒸发量增
加,土壤湿度下降,其盐基离子的淋溶被削弱,甚至
会随水分蒸发而使盐基离子表现出表层累积的趋
势,使土壤的盐基饱和度提高并导致 pH 值上
升[ 2 6]。土壤有机质和全氮的相似分布变化情况,表
明土壤全氮含量和土壤有机质含量密切相关。
3. 2
不同退化程度对高寒草地不同土层土壤有机
碳密度的影响
高寒草甸、草原土壤根系含量随深度增加而根
系含量逐渐减少, 因此表层土壤中植物根系分布密
集以及植被凋落物在地表集聚的直接作用结果造成
研究区不同土层土壤有机碳密度的变化, 这与其他
地区有机碳密度的土层变化特征基本一致 [ 27, 28]。
3. 3
不同退化程度对高寒草地土壤有机碳密度的
影响
土壤有机碳主要来源于植物、动物、微生物及其
排泄物、部分分解产物 [ 29] , 因此处于高寒地区的冬
季牧场 MD草地,其维持高的土壤有机碳密度是由
于冬季放牧后余留的大量牲畜粪便和植物残体, 由
于土壤冻结,从而强烈地抑制着土壤微生物的生命
活动,致使大量土壤有机残体难以分解、转化而逐渐
积累的高寒草原土壤这一突出特征造成[ 23] , 同时
MD草地通过自我调节对逆境
胁迫反应
也是造成
其有机碳密度极显著高于其他退化草地的一个重要
原因[ 30]。但随退化程度的进一步加重, HD的这种
调节功能逐渐减弱, 相应的植物补偿作用增强[ 31] ,
植物对碳需求增强,同时对 HD过度放牧利用不仅
使草地植物固定碳素能力降低, 大大减少了草地植
被对土壤碳库的碳输入,而且促进了土壤呼吸作用,
加速了碳素从土壤向大气中的释放[ 4] ,从而 HD草
地的土壤有机碳密度下降。
4
结论
4. 1
高寒草地退化对土壤理化性质影响有显著的
一致性,土壤容重、pH 值随退化程度加重和土层深
度增加而增加, 土壤含水量则相应减少。土壤有机
质和全氮变化一致,二者密切相关。
24
第 1期 赵锦梅等:祁连山东段不同退化高寒草甸土壤有机碳密度研究
4. 2
无论草地退化程度如何,土壤有机碳密度均在
0- 10 cm 土层最大,并与其他土层差异显著。总体
上,土壤有机碳密度表现出依土层加深而显著的垂
直变化趋势。
4. 3
土壤有机碳密度表现为 MD> LD> HD。MD
由于冬季放牧和对逆境
胁迫反应
的自我调节等共
同作用,维持了较高的土壤有机碳密度;而HD由于
植物补偿作用增强和土壤退化等综合原因, 土壤碳
含量下降。
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李
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