全 文 ：第21卷 第5期
Vol.21 No.5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2013年 9月
Sep. 2013
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2013.05.004
北疆温性荒漠类草地生物量空间分布及影响因素
门学慧,盛建东*,贾宏涛,王德旺
(新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052)
摘要:温性荒漠类草地是新疆的主要草地类型,在维持我国西部干旱区生态系统稳定中发挥着重要作用。2011-
2012年对北疆地区的温性荒漠类草地82个样地的生物量进行大范围调查,分析了荒漠类草地及其亚类的草本、灌
木、凋落物量、地上生物量以及地下生物量的密度,探讨了地上生物量与海拔的关系。结果表明:北疆温性荒漠类
草地平均草本生物量为70.68g·m-2,灌木生物量为35.28g·m-2,凋落物量为25.29g·m-2,地上生物量为
129.33g·m-2,地下生物量为475.65g·m-2,总生物量为604.98g·m-2。天山北坡自西向东受气候影响,温性
荒漠类草地生物量逐渐减少;北疆温性荒漠类草地主要分布在海拔400~1200m之间,在此区间草本生物量随海
拔增加而显著增加(P<0.01),灌木生物量随海拔增加而显著减少(P<0.01)。研究结果对北疆草地资源持续管
理有借鉴意义。
关键词:北疆;温性荒漠类;草地;生物量
中图分类号:S812;S718.556 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2013)05-0861-08
SpatialDistributionandInfluencingFactorsofTemperate
DesertGrasslandBiomassinNorthernXinjiang
MENXue-hui,SHENGJian-dong*,JIAHong-tao,WANGDe-wang
(ColegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)
Abstract:TemperatedesertgrasslandisoneofthemaingrasslandtypesinXinjiang,whichplaysanimpor-
tantroleinmaintainingecosystemstabilityofwesternaridregion.Thedensitiesofherbaceous,shrubs,
litter,abovegroundandundergroundbiomassinthe82plotsoftemperatedesertgrasslandsinnorthern
Xinjiangweresurveyedfrom2011to2012.Therelationshipbetweenabovegroundbiomassandaltitude
wasanalyzed.Resultsshowedthattheaveragebiomassofherbaceousplantwas70.68g·m-2,shrubbio-
masswas35.28g·m-2,litteramountwas25.29g·m-2,abovegroundbiomasswas129.33g·m-2,un-
dergroundbiomasswas475.65g·m-2,andtotalbiomasswas604.98g·m-2inthetemperaturedesert
grasslandofnorthernXinjiang.Affectedbyclimate,thetemperatedesertgrasslandbiomassgradualyre-
ducedinthenorthernslopofTianshanMountainfromwesttoeast;andmainlydistributedbetween400~
1200maltitude.Herbaceousbiomassincreasedsignificantly(P<0.01)withtheincreaseofaltitude,while
shrubbiomassreducedsignificantly(P<0.01)withtheincreaseofaltitude.Insummary,thisstudyhas
academicsignificancefortheongoingmanagementofgrasslandresourcesinthenorthernXinjiang.
Keywords:NorthernXinjiang;Thetemperatedesert;Grassland;Biomass
草地是全球分布最广的生态系统类型之一,在
全球碳循环和气候调节中起着重要作用[1]。生物量
是土壤有机碳库的最主要输入源,在草地生态系统
碳循环中起着关键作用[2]。目前,国内学者基于全
球生物量数据库[3-4]、草地资源清查资料[5-6]、遥感模
型[7]以及样地调查数据[8-9]估算了我国草地生物量
的大小,并给出了其空间分布格局。近年来,国内学
者开展了大量对中国草地碳储量的研究[10],但关于
新疆温性荒漠类草地的植被碳储量的研究相对较
少。温性荒漠类草地地上生物量的确定,可以为温
性荒漠草地碳储量的研究提供基础数据。
新疆荒漠生态系统总面积为6.55×105km2,占
收稿日期:2013-03-20;修回日期:2013-04-23
基金项目:中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”(XDA05050400)资助
作者简介:门学慧(1984-),女,山东烟台人,硕士研究生,研究方向为草地生态学,E-mail:menxuehui@163.com;*通信作者 Authorfor
correspondence,E-mail:sjd_2004@126.com
草 地 学 报 第21卷
新疆总面积的40.1%。温性荒漠类草地是新疆地
带性草地类型,占全疆草地面积的37.3%,分属平
原和山地2种地貌类型。平原荒漠在北疆分布在准
噶尔盆地中部及山前洪积-冲积平原、伊犁谷地、博
乐谷地、塔城盆地。山地荒漠除阿尔泰山外,均为各
山地草地垂直基带。温性荒漠类草地植被生长稀
疏,以盐柴类和蒿类半灌木,短命植物以及类短命植
物等为主[11]。国内学者采用各种方法估算了我国
温带草地的地上生产力。朴世龙等[7]、Ni[8]、马文红
等[9]、安尼瓦尔等[12]分别用草地调查资料或遥感数
据,估算的北方温性草地地上生物量分别为34.2,
45.56,77.2,77.56,83.32g·m-2,估算结果有差
异,原因与采样区域、采样点数以及人为干扰等因素
有关。本研究对北疆进行大面积实地调查采样,分
析估算新疆温性荒漠类草地生物量,为新疆草地生
物量的估算提供有效数据。
温带草地大部分生物量分布在地下,地下生物
量在草地生态系统碳循环中起着重要作用[14]。由
于根系采样的困难,使得对地下生物量的研究多数
利用根冠比(RBS)和地上生物量来估算地下生物
量。但是作为陆地生态系统碳循环模型中重要参数
的地下-地上生物量比(R/S)存在很大不确定性[15]。
邓蕾等[16]对陕西省草地生物量进行调查,其地下生
物量是地上生物量的1.1~6.3倍。马文红等[14]估
算内蒙古温带性荒漠草原地下生物量为301.00
g·m-2。新疆气候干燥,降水少,根系发达,与其他
研究区域气候及环境均不同,本研究对北疆的温性
荒漠类草地的地下生物量进行调查估算。对北疆温
性荒漠类草地进行了大范围的取样调查,根据实测
的海拔高度和草本生物量、灌木生物量、凋落物量以
及地下生物量数据,通过空间插值方法分析北疆温
性荒漠类草地生物量空间分布特征,旨在为新疆草
地生物量分布以及中国草地生态系统碳储量的研究
提供基本参数。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究区域位于 N43°23′~49°10′,E79°57′~
91°32′,包括准噶尔盆地中部及山前洪积-冲积平原、
伊犁谷地、博乐谷地、塔城盆地、北塔山地区以及天
山北坡。光热资源丰富、冷热变化剧烈、干燥少雨、
风大沙多,是明显的温带荒漠气候,年均温9.8~13.
9℃,年降水量100~500mm,≥10℃年积温3500~
4500℃[11]。根据新疆草地类型分布图,选取不同海
拔的温性荒漠类草地82个样地进行调查(图1)。
图1 温性荒漠类草地样地分布示意图
Fig.1 Thesamplingsitesoftemperatedesertgrassland
1.2 野外采样
于2011年和2012年的7-9月,对所布设样地
进行实地采样,共调查82个样地。在所设样地周
围,选取具有广泛代表性、地带性的温性荒漠类草地
设置样地。在每处样地,选择100m×100m区域
进行取样调查,在其对角线上设置一条100m 样
268
第5期 门学慧等:北疆温性荒漠类草地生物量空间分布及影响因素
线,在样线上设5个1m×1m草本样方,若样地内
有灌木,在样线上设置5个面积为5m×5m的灌
木样方。调查每个小样方内出现的物种及其高度、
盖度,并记录样地经纬度、海拔、坡度、坡向和土地利
用程度等信息。将5个小样方内植物地上部分齐地
面刈割,除去粘附的土壤、砾石等杂质后全部装入信
封带回实验室分析。
在5个取过地上生物量的样方内,用7cm根
钻,分成0~5,5~10,10~20,20~30,30~50,
50~70,70~100cm共7层,取样前将样方土壤表
面的残留物和杂质清理干净。取好的样品,按层分
装在孔径为0.3~0.4mm的尼龙网袋,带回实验室
测定地下生物量。
1.3 室内分析
将样方内植物地上部分装入信封,及时称量鲜
重并记录,在105℃杀青30min,然后65℃烘干至恒
重。将装有根系的网袋带回室内漂洗,漂洗获得的
根系在65℃烘至恒重。
1.4 数据处理与分析
将5个样方草本、灌木、凋落物生物量求平均得
到该样地的地上生物量。根系按层计算平均值,换
算成1m×1m样方深度1m内的地下生物量。海
拔高度均以集思宝G190(合众思壮)GPS实测数据
为准;采用SPSS17.0进行数据的统计分析,采用
ArcGIS软件进行图层叠加及插值分析。
2 结果与分析
2.1 温性荒漠类草地生物量
对野外调查获取的草地生物量数据,用SPSS
17.0进行描述性分析(表1)。地上生物量包括草本
生物量、灌木生物量以及凋落物量,在以往草地生物
量的研究中,大多数学者仅考虑地下、地上活体生物
量[12-14],忽略了凋落物的生物量,因而使得草地生物
量碳库的值减小。北疆温性荒漠类草地地上生物量
为129.33g·m-2,地下生物量为475.65g·m-2,
地下生物量显著高于地上生物量(P<0.05),地上
地下总生物量为604.98g·m-2。变异系数(C.V.)
反映的是相对变异,即随机变量的离散程度。一般
认为,变异系数<0.1为弱变异,在0.1~1.0之间
为中等变异,>1.0为强变异[17]。据此标准草本生
物量和地上生物量为中等变异,灌木、凋落物、地下
生物量和总生物量均为强变异,这与不同样地所处
的海拔、地势、气候特征以及利用强度有关。
表1 北疆温性荒漠生物量组成
Table1 BiomasscompositionoftemperatedesertgrasslandinnorthernXinjiang g·m-2
统计指标
Statisiticalindicator
样地数量
Samplesize
极小值
Minimum
极大值
Maximum
均值
Mean
标准差
Standarddeviation
变异系数
C.V.
海拔 Altitude 82 230 1332 780.44 260.66 0.33
草本生物量 Herbaceousbiomass 73 3.44 306.75 70.68 66.55 0.94
灌木生物量Shrubbiomass 42 0.87 258.46 35.28 59.20 1.68
凋落物量Litteramount 73 0.39 304.50 25.29 45.87 1.81
地上生物量Abovegroundbiomass 82 28.18 592.02 129.33 88.65 0.69
地下生物量Belowgroundbiomass 72 45.60 1971.10 475.65 444.45 0.93
总生物量Totalbiomass 82 35.52 2189.26 604.98 472.60 0.78
2.2 地理位置对生物量影响
2.2.1 海拔对生物量影响统计特征 温性荒漠类
是新疆的地带性草地类型,分属平原和山地2种地貌
类型[11]。平原荒漠海拔多在35~735m,山地荒漠海
拔在天山北坡1200m,准噶尔西部山地和北塔山地
区在1700m。故依据天山北坡山地垂直带分布特
征,将温性荒漠类草地按海拔分为<400m,400~
800m,800~1200m,>1200m以上4个梯度。表2
所示为新疆地区不同海拔温性荒漠类草地草本生物
量、灌木生物量、凋落物以及地上生物量的密度,不同
海拔梯度生物量密度差异很大。其中,海拔800~1200
m草本生物量最大(101.18g·m-2)。
由图2和图3可知,海拔<400m的灌木生物量、
凋落物量、地上生物量均最大(分别为106.92,62.02,
186.39g·m-2)。海拔<400m以沙质荒漠亚类为主,
建群种和优势物种有梭梭(Haloxylonammodendron)、
沙拐枣(Caligonummongolicum)等,草本以角果藜
(Ceratoidesarenarius)和猪毛菜属(Salsola)植物为主,
主要分布在天山北坡及古尔班通古特沙漠以南区域,
该区域由于受农区局部气候影响和地下水渗透作用,
植被相对较好,且为轻度利用,故地上生物量较其他海
拔大。
368
草 地 学 报 第21卷
表2 不同海拔温性荒漠生物量统计
Table2 Biomassstatisticsoftemperatedesertgrasslandindifferentaltitudes g·m-2
海拔/m
Altitude
样地数量
Samplesize
草本生物量
Herbaceousbiomass
灌木生物量
Shrubbiomass
凋落物量
Litteramount
地上生物量
Abovegroundbiomass
地下生物量
Belowgroundbiomass
<400 7 17.45±12.55b 106.92±98.45a 62.02±107.86a 186.39±196.00a 385.51±694.73a
400~800 36 53.06±50.43b 38.11±51.93b 21.75±37.19a 112.91±68.69b 337.16±315.61a
800~1200 35 101.18±76.15a 21.19±49.95b 22.97±34.87a 140.82±73.86ab 667.93±457.19a
>1200 4 55.57±48.79ab 7.84±10.74b 13.31±9.28a 76.72±49.30b 197.28±230.86a
注:不同小写字母间差异显著(P<0.01)
Note:Differentsmallettersmeansignificantdifferencesat0.01level
图2 不同海拔地上生物量分布
Fig.2 Distributionofabovegroundbiomassindifferentaltitudes
图3 不同海拔生物量分布
Fig.3 Distributionofbiomassindifferentaltitudes
在海拔400~800m范围内的样地以土质荒漠亚
类为主,草 本 以 博 洛 塔 绢 蒿(Seriphidiumboro-
talense)、角果藜和假木贼属(Anabasis)植物为主,伴
有琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、梭梭、沙拐枣等灌
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第5期 门学慧等:北疆温性荒漠类草地生物量空间分布及影响因素
木,主要分布在古尔班通古特沙漠北缘、天山北坡、准
噶尔盆地西部山地,这些地区草地植被稀疏,多为春
秋牧场。
海拔800~1200m,草本以博洛塔绢蒿、白茎绢
蒿(Seriphidiumterrae-albae)等为主,灌木伴有驼
绒藜(Ceratoideslatens)、膜果麻黄(Ephedraprze-
walskii)等,主要分布在天山北部伊犁谷地,精河向
东至木垒一带前山和低山区,准噶尔盆地边缘、阿尔
泰山南麓低山带,草本生物量和地下生物量均为最
大(为101.18和667.93g·m-2),灌木稀少。
在海拔1200m以上的温性荒漠类草地分布较
少,只有4个样地,分别在北塔山以西、博格达山北
麓,草本以叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)、博洛塔
绢蒿为主,灌木主要为琵琶柴。地上、地下生物量均
为最少,分别为76.72和197.28g·m-2。
2.2.2 生物量与海拔的相关性分析 根据实际采
样的数据记载的样点分布海拔统计可知,新疆温性
荒漠类草地主要分布在海拔400~1200m范围内,
采用Pearson相关分析(表3),对海拔400~1200m
与不同生物量之间进行相关性分析,结果表明草本
生物量随海拔升高极显著增多(P<0.01),而灌木
生物量则随着海拔升高极显著减少(P<0.01)。草
本生物量与灌木生物量成显著负相关,这跟草本与
灌木间的竞争生长有关[18];同时草本生物量增多时
地上生物量显著增多(P<0.01),凋落物量也随地
上生物量增多而显著增多(P<0.01)。
表3 400~1200m海拔与生物量的相关性
Table3 Correlationbetweenaltitudeof400~1200mandbiomass
统计指标
Statisticalindicator
海拔
Altitude
草本生物量
Herbaceousbiomass
灌木生物量
Shrubbiomass
凋落物量
litteramount
地上生物量
Abovegroundbiomass
草本生物量 Herbaceousbiomass 0.363** 1
灌木生物量Shrubbiomass -0.369** -0.387** 1
凋落物量Litteramount -0.166 -0.055 0.281** 1
地上生物量Abovegroundbiomass -0.092 0.452** 0.478** 0.663** 1
地下生物量Below-groundbiomass -0.051 0.016 0.172 -0.09 0.088
注:**表示极显著相关(P<0.01)
Note:**indicatessignificantcorrelation(P<0.01)
2.2.3 经度对荒漠草地生物量的影响 北疆区域
天山北坡受到大气环流在天山北坡不同部位山地地
貌和结构的影响,使得自西向东的温性荒漠类草地
发育有所分异(图4)。在天山北坡的西段得益于朝
西的开口,有利于湿润气流和暖流的进入,形成较多
的降水,因此生物量较大。天山北坡的中段受阿拉
套山所阻,来自西方的暖湿气流有所削弱,山地荒漠
缓缓上升到很高的海拔高度,生物量也随之下降。
天山北坡的东段来自西部远洋的水汽已难以波及,
为蒙古高压控制,趋于干旱,加之山体相对矮小,故
成为天山北坡最干旱地段,荒漠带上升到海拔1200
m以上,生物量减小。在西风控制下的准噶尔盆地
东高西低,年降水量100~250mm,冬春雨水较多,
草地植被以小半灌木和小半乔木为主,盆地中部沙
生植被为建群种,生物量相对较低。处于西风环流
影响下的阿尔泰山、准噶尔西部山地、伊犁山地,由
于受西来湿润气流的影响,山地降水在一定高度内
随海拔升高而递增,成为北疆的最湿润带,温性荒漠
类草地的地上生物量也较大。阿尔泰山东段坡麓及
其余脉北塔山下部分布的温性荒漠类草地,由于山
体低矮,降水少,生物量较低。地理位置、地貌格局
的变化,引起水热梯度差异,是温性荒漠类草地随经
度生物量变化的最根本原因。
2.3 不同温性荒漠亚类生物量的统计分析
在新疆温性荒漠类草地分布有沙质荒漠亚类、
砾砂质荒漠亚类、砾石质荒漠亚类、土质荒漠亚类以
及盐土荒漠亚类。由表4可知,本研究区域内主要
为土质荒漠亚类、沙质荒漠亚类、盐土荒漠亚类,分
别占76.83%,20.73%和2.44%。沙质荒漠亚类的
地上地下总生物量最大(549.23g·m-2),且地下
生物量占总生物量的72.03%,其次为土质荒漠亚
类(622.41g·m-2),盐土荒漠亚类最低(529.80
g·m-2)。对不同亚类的地上生物量进行统计表
明,沙质荒漠亚类的地上生物量多为灌木(占
54.88%),土质荒漠亚类的地上生物量多为草本(占
67.08%),盐土荒漠亚类的灌木生物量较多(占
52.93%)。
2.4 北疆温性荒漠草地生物量空间分布特征
采用ArcGIS软件,根据研究区域内82个调查
位点的生物量资料,对无数据点进行插补,插值网格
568
草 地 学 报 第21卷
图4 不同经度生物量分布
Fig.4 Distributionofbiomassindifferentlongitudes
表4 不同温性荒漠亚类生物量统计
Table4 Biomassstatisticsofdifferenttemperatedesertsubcategories g·m-2
草地类
Grassland
type
样地数量
Sample
size
草本生物量
Herbaceous
biomass
灌木生物量
Shrub
biomass
凋落物量
Litter
amount
地上生物量
Aboveground
biomass
地下生物量
Below-ground
biomass
沙质荒漠亚类Sandydesertsubcategories 17 27.41±41.62a 84.30±83.50a 41.88±83.50a 153.60±144.38a 395.63±506.48a
土质荒漠亚类Soildesertsubcategories 63 84.01±67.51a 22.30±44.13b 21.44±29.11a 125.24±67.19a 497.18±434.97a
盐土荒漠亚类Solonchakdesertsubcategories 2 18.82±10.22b 27.61±6.64b 5.73±3.49b 52.16±13.37b 477.64±165.80a
为500m×500m。利用克里格插值与地理信息系
统的空间叠加分析,生成北疆温性荒漠类草地生物
量的空间分布图(图5)。结果表明:北疆温性荒漠
类地上生物量在天山北坡东段、准噶尔盆地西南部
地上较大;地下生物量则在天山北坡中段、准噶尔盆
地西南部、博乐谷地较大;总生物量在天山北坡东中
段、准噶尔盆地西南部明显高于北疆其他地区。根
据插值的生物量密度分布,1∶300万新疆维吾尔自
治区草地类型图中温性荒漠类草地的面积,估算北
疆温性荒漠类草地地上生物量为3.01×1012g,地
下生物量为1.18×1014g,总生物量为1.21×1014
g。该图对北疆的温性荒漠类草地的生物量都有定
量的描述,可为北疆草地的研究提供详细信息。
3 讨论与结论
草地生态系统是陆地生态系统的主要组成部
分,在全球碳循环中具有重要作用。温性荒漠类草
地是新疆干旱区的主要草地类型,生物量的估算对
新疆草地生态系统在中国陆地生态系统碳循环的贡
献提供数据源。本文利用1∶300万新疆维吾尔自
治区草地类型图,基于实际采集的生物量数据,估算
了新疆温性荒漠类草地的地上生物量密度,同时结
合海拔分布情况,分析了其在不同海拔的分布特征。
668
第5期 门学慧等:北疆温性荒漠类草地生物量空间分布及影响因素
图5 北疆温性荒漠类草地生物量克里格插值图(g·m-2)
Fig.5 KrigingInterpolationmapofbiomassoftemperatedesertgrasslandinNorthernXinjiang(g·m-2)
北疆温性荒漠类草地生物量的空间分布高度异
质,单位面积地上生物量在28.18~592.02g·m-2
之间波动,平均地上生物量为129.33g·m-2。地
下生物量范围在45.60~1971.10g·m-2之间,平
均为475.65g·m-2。总生物量35.52~2189.26
g·m-2,平均为604.98g·m-2,均高于其他学者
的研究结果。朴世龙等[7]、Ni[8]、马文红等[9]、安尼
瓦尔等[12]估算的北方温性草地地上生物量分别为
34.2,45.56,77.2,77.56,83.32g·m-2,而
Ni[8]、马文红等[9]估算的荒漠草原地下生物量为
768
草 地 学 报 第21卷
1038.8g·m-2和1156.7g·m-2。本试验结果中
地上生物量高于之前学者的研究,而地下生物量则
低于之前学者的,究其原因与采样区域、采样点数、
采样标准以及人为干扰等因素有关。
本研究地上生物量中,凋落物的生物量占
19%,这表明凋落物是温性荒漠类草地生物量碳库
的重要组成部分。在以往的研究中,多数学者仅考
虑地下和地上活体生物量,而凋落物的生物量则被
忽略,使得草地生物量的值减小[12-14]。<400m的
地上生物量以灌木为主,占57.36%,>400m则以
草本生物量为主,其中800~1200m草本生物量最
多,占71.85%。这表明,不同海拔区域的温性荒漠
类草地地上生物量分布有显著差异,这与不同海拔
的气候、地形、利用强度以及建群种等有关。
北疆温性荒漠类草地主要分布在海拔400~
1200m范围内,草本生物量与海拔成极显著正相关
(P<0.01),灌木生物量与海拔成极显著负相关(P
<0.01)。马文红等[9]对我国北方草地分布范围的
统计,认为荒漠草原海拔范围在944~1814m,本结
果在其范围之内。
天山北坡自西向东受地形和气候影响生物量减
少,但不显著。北疆的温性荒漠类草地不同亚类生
物量大小顺序为:沙质荒漠亚类>土质荒漠亚类>
盐土荒漠亚类。其中,沙质荒漠亚类的地上生物量
以灌木为主,土质荒漠亚类则以草本为主,不同亚类
的生物量分布引起生物量大小的差别。利用克里格
插值估算北疆温性荒漠类草地地上生物量为3.01
×1012g,地下生物量为1.18×1014g,总生物量为
1.21×1014g,根据安尼瓦尔等[12]对新疆草地植被
地上生物量的估计,北疆温性荒漠类草地地上生物
量占新疆荒漠草地的63.24%。
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(责任编辑 李美娟)
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