维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷 第6期 中 国 草地 2005年11月 VoI_27 NO.6 Grassland of China Nov.2005 不同草原类型土壤有机碳和全氮的差异 高安社 ,郑淑华 ,赵萌莉 ,韩国栋H (1.内蒙古农业大学生态环境学院,内蒙古呼和浩特010018; 2.内蒙古科技厅,内蒙古 呼和浩特010000) 摘要:对典型草原和荒漠草原的土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)进行的比较分析结果表明:两种 草原土壤SOC和TN含量差异显著,且典型草原的SOC和TN含量高于荒漠草原;在0~20cm土 层内,两种草原的SOC和TN含量随土壤深度的增加呈下降趋势。典型草原的气候、植被及土壤质 地状况优于荒漠草原,可能是导致上述结果的可能原因。 关键词:典型草原;荒漠草原;土壤有机碳;全氮 中图分类号:¥812.2 文献标识码:A 文章编号:1000—6311(2005)06—0044—05 Soil Organic Carbon and Total Nitrogen Content in Different Steppes.GAO An—she . ZHENG Shu—hua ,ZHAO Meng-li ,HAN Guo—dong (1.College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018; 2.Scientific and TPc n0Z0g c口Z Committee of Inner Mongolia,Hohhot 010000, China):Grassland of China,No.6,2005,PP.44 ̄48,63. Abtract:Soil organic carbon(SOC)and total nitrogen content(TN)in the typical steppe and desert steppe were compared.The results are as follows:SOC and TN content in the tWO steppe have obvious difference.moreover。SOC and TN content in the typical steppe are higher than that in desert steppe;In the layer of 0~20 am, SOC and TN content in both steppe all has a tend to degrade as the soil get deep. This results have close relationship with the climate,vegetation as well as soil condi— tions and other nature conditions. Key words:Typical steppe;Desert steppe;Soil organic carbon;Total nitrogen 陆地碳、氮循环不仅关系到陆地生态系 统生产力的形成,同时也影响到整个地球系 统的能量平衡,是陆地生态系统结构和功能 *通讯作者,E—mail:nmghangd@hotmail.com 收稿日期:2005—04—11 的体现l_1]。土壤是陆地生态系统中的重要组 基金项目:教育部“青年教师教学科研奖励计划”和骨 成部分,其所含有的有机碳和氮素作为生态 干教师项目;国家自然科学基金项目(30060056, 系统中极为重要的生态因子,一直倍受生态 30360022);内蒙古科技攻关项目 学、土壤学等科学工作者的关注,目前又成为 作者简介:高安社(1962一),男,内蒙古土右旗人,博 国际全球变化问题和生态系统可持续发展研 士,主要从事草地生态学研究. 44一 维普资讯 http://www.cqvip.com 高安社郑淑华 赵萌莉等 不同草原类型土壤有机碳和全氮的差异 究的核心内容之一。鉴于草地生态系统碳、 氮循环在草地可持续发展和全球生态环境中 的重要作用,我们对内蒙古典型草原和荒漠 化草原土壤有机碳和全氮含量进行了对比分 析,旨在探讨两种类型草原的碳、氮营养特征 的差异,为草地基况评价、健康评价及其草地 畜牧业的可持续发展和草地生态系统平衡发 展提供基础资料。 1研究地点自然环境概况 1.1典型草原的自然概况 试验地位于内蒙古赤峰市克什克腾旗达 里渔场以北、榛子山以东地区,地处东经 116。22 ~117。O0 、北纬43。11 ~43。27 。中 温型性气候,昼夜温差大,年平均气温为 1~2℃,≥10℃积温1300~1700℃,最大 冻土厚度达191cm。年降水量350~ 400cm,湿度系数为0.3~0.5。气候干燥, 太阳辐射强,年日照时数2700~2900h,年 太阳总辐射量为57~58万J/cm 。该区风 沙大,热能和风能资源丰富,无霜期为60~ 80d,植物生长期4~9月。土壤类型为栗 钙土,植物群落主要是以羊草[Leymus chinensis(Trin.)Tzev1.]和大针茅(Stipa grandis P.Smirn.)为建群种的羊草+大针 茅草原。 1.2荒漠化草原的自然概况 试验地位于内蒙古自治区乌兰察布市四 子王旗王府一队,地处北纬41。46 35 、东经 112。01 58 ,海拔1450m。典型的性气 候,春季干旱多风,夏季炎热,≥1O℃的年积 温为2200~2500。C,年均降雨量280mm,湿 润度0.15~0.3,降雨量主要集中在5~8 月。月平均温度最高出现在6、7、8三个月, 年均气温分别为21.5℃、24 oC、23.5℃;无霜 期175d,土壤为暗栗钙土。植物群落主要是 以短花针茅(Stipa breiflora Griseb.)、冷蒿 (Artemisia frigid willd.)、无芒隐子草 (Cleistogenes songorica ohwi.)为建群种的 短花针茅+无芒隐子草+冷蒿荒漠化草原, 主要伴生种有银灰旋花(Convolvulus n — mannii Desr.)、阿尔泰狗哇花[Hetropap— pus altaicus(willd.)Novepokr.]、栉叶蒿 (Artemisia Pectinata Pal1.)、木地肤 [Kochia Prostrata(L.)Schrad.]。 2研究方法 2.1土壤样品采集 在草原植物群落生物量达到高峰期时(7 月末8月初),在每实验区内对角线的焦点及 中点上设5个点,用土钻按0~5cm、5~ 10cm、lO ̄20cm三层取样,将5点采得的每 层样品混合,装入塑料袋内,带回室内风干后 做土壤颗粒粒径、有机碳和全氮分析。 2.2研究方法与数据处理 土壤全氮用凯氏定氮法;土壤有机质用 重铬酸钾容量法 ;数据采用SAS8.0软件 进行方差分析、相关分析和回归分析。 3结果与分析 3.1两种草原土壤有机碳(SOC)含量差异 土壤有机质是土壤中各营养元素特别是 氮、磷的重要来源。由于它具有胶体特性,能 吸附较多的阳离子,因而使土壤具有保肥和 缓冲性,并能使土壤疏松和形成结构,从而改 善土壤的物理性状。而土壤中的有机质含量 可以用土壤中的有机碳比例(一般用1.724) 乘以有机碳百分数而求得,故有机碳含量的 多少可作为表征土壤养分状况的一个指标。 图1为两种草原土壤有机碳含量的柱状 图。从图中我们可以看出:典型草原0~ 10cm和10~20cm的土壤有机碳的含量分 别为16.10 、14.46 ,高于荒漠草原的 15.21 和13.19 ,而且两种草原0~10cm 的SOC含量均高于10~20cm的。方差分 析结果(表1)表明,两种草原0 ̄20cm土壤 45— 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国草地2005年第27卷第6期 口0q u=§ 占^ v●姐 1肆忙擎}州 O~1O IOw20 土层深度(cm)Sol1 depth(cm) 图1 两种草原土壤有机碳含量 Fig.1 Organic carbon content of soil 有机碳含量有显著差异(a一0.05),并且每种 草原0~10cm和10~20cm的SOC含量也 存在显著差异(a一0.05),这说明典型草原的 土壤有机质含量高于荒漠草原。而土壤有机 质含量的多少是土壤肥力高低的一个重要指 标 ],因此说典型草原的肥力状况要好于荒 漠草原。本结论也表明两种草原0 ̄20cmSOC 的含量随土层的加深呈降低的趋势。 表1两种草原不同土层SOC含量(g/kg)的比较 Table 1 Organic carbon content of different soil in two grasslands 注:不同大写字母表示不同草原之间差异显著(n一 0.05),相同小写字母表示不同土层之间差异不显著,而不 同小写字母则表示不同土层之间差异显著(n一0.05);下表 同。 3.2两种草原土壤全氮含量的差异 氮和磷、钾一样,在草原植被的生命活动 中起着相当重要的作用。土壤有机氮的矿化 46一 嚣;黛 碧 i 0~10 10~20 土层深度(ca)Soi1 depth(cm) 图2 两种草原土壤全氮含量 Fig.2 Nitrogen content of soil in two grasslands 对维持土壤氮素供应是非常重要的,了解有 机氮在不同类型草原中的含量,可揭示氮在 不同条件下的分布特征,为阐明不同草地土 壤有机养分循环、转化提供必要的基础资料。 由图2可知,典型草原0~10cm土壤全氮含 量约为2.29g/kg,lO~20cm为2.12 g/kg; 而荒漠草原相应分别约为2.19 g/kg、1.89 g/kg,全氮含量低于典型草原。方差分析结 果表明(表2),土壤全氮与SOC的结果相 似,即两种草原的土壤全氮含量差异显著(a 一0.05),且全氮含量也随土层深度的增加呈 降低趋势;所不同的是典型草原0~10cm和 10 ̄20cm的土壤全氮含量差异不显著(a一 0.05),而荒漠草原两层土壤全氮含量差异显 著(a一0.05)。这进一步证明典型草原的养 分状况比荒漠草原好,且表层土壤的养分状 况好于下层土壤。 表2两种草原不同土层TN含量(g/kg)的比较 Table 2 The total nitrogen content of different tager soil in two grasslands 维普资讯 http://www.cqvip.com 高安社郑淑华 赵萌莉等 不同草原类型土壤有机碳和全氮的差异 3.3 土壤粒径 荒漠草原的SOC与TN的相关系数是 0.373(n一15),为弱的正相关关系。但对数 土壤质地是影响土壤肥力的重要因素。 通过对两种草地土壤粒径的分析(图3)可 知,典型草原的土壤粗粒(>0.05mm)含量 约为55 ,明显低于荒漠草原(约为67 ); 而<O.05ram的细粒含量(0.005~O.05ram、 0.O01~0.005mm和小于0.O01mm的粒径 据进行线性回归分析的结果表明,典型草原 和荒漠草原的复相关系数分别为0.747和 0.790,变异系数分别为8.41和3.88。两种 草原的碳、氮线性回归方程在P<O.0001水 平下显著,方程见表3(X表示SOC,Y表示 含量分别约为27 、6 和11 )却高于荒漠 草原(约为22 、4 和7 )。由此说明,虽 TN)。理论上,土壤中的氮主要存在于腐殖 质中,其中98 是有机氮,SOC和TN应该 呈强的正相关关系;但在本研究中典型草原、 荒漠草原中的SOC与TN之间都呈现弱的 正相关关系,这可能是因为SOC主要受植被 因素影响较大而土壤TN含量主要受土壤本 然两种草原都为栗钙土,但典型草原的土壤 质地状况要优于荒漠草原。 鼍 捌{ 扣i 搿专 身的特性和气候条件等因素影响较大之故。 土壤中碳的存贮量取决于两个生物过程之间 的平衡,即陆地植被生产力和土壤有机质分 解;土壤中氮的存贮量主要受土壤本身的特 性(结构、容重、渗透性等)以及气候(如温度、 黛{ 匿 降雨等)因素的影响。植被形成的凋落物为 土壤分解提供基质,土壤分解矿化的氮素又 为植物生长提供了更多的养分。从生态系统 >0.05m 0.005 ̄0.05m 0.001 ̄0.O05m <0.00l∞ 物质循环角度来说,在生态系统物质循环的 过程中,碳经植物吸收利用合成有机物质,一 部分被消费者和分解者吸收利用,一部分则 经微生物分解进入土壤;但是大气中的氮气 不同颗粒粒径(m)Particle diameter Cam) 图3 两种草原土壤不同颗粒粒径的含量( ) Fig.3 Soil particle content of different diameters two grasslands 由于不能被大多数植物直接利用,其必须经 3.4 两种草原土壤有机碳和全氮之间的关系 固氮菌的生物固氮、光化学固氮、工业固氮等 转变成氨态氮或硝态氮转到土壤;另外,土壤 本身所含有的氮经矿化作用以及微生物硝化 和反硝化作用变成氨态氮或硝态氮,土壤再 把这些氨态氮或硝态氮提供给植物。对土壤 采用SAS软件对所测数据进行Pearson 相关分析和线性回归分析的结果表明(表 3):典型草原的SOC与TN的相关系数为 0.171(n一15),表现为较弱的正相关关系; 表3两种草原土壤有机碳和全氮之间的关系 Table 3 The relation ship between soil organic carbon and total nitrogacn in the two steppes 47— 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国草地2005年第27卷第6期 而言,SOC主要来自于植被,TN主要来自于 大气,这就构成了两种草原SOC与TN之间 都呈现弱的正相关关系,至于典型草原比荒 漠草原更弱,可能是因为典型草原SOC含量 受植被影响较大而TN受气候、土壤影响较 大的缘故。 4讨论与结论 土壤有机碳、氮蓄积量主要受气候和质 地因素的影响[5 ]。Post等认为,碳密度一 般具随降水量的增加而增加以及随温度降低 而增加的空间分布特征[7 ]。在典型草原年 平均气温为1~2℃、年降水量为350~ 400cm和在荒漠草原年均气温为2~3℃、年 均降雨量约为280mm的情况下,此分析结 果与陈庆美等的研究结果_5 相一致,即随着 温度的增加和降水的降低,土壤有机碳和全 氮蓄积量呈减少趋势。因此,由于气候因素 的影响,使得典型草原的SOC和TN含量必 然高于荒漠草原。除了气候因素,质地也是 土壤有机碳和全氮含量的主要影响因素。 Christensen等人研究了几种不同类型土壤 后发现[g],土壤氮在粘粒中分布较多,而在粗 粒部分较少。王岩等利用超声波分散一沉降 法研究我国7种省份不同耕作土壤发现口 , 在不同土壤颗粒粒径中碳、氮含量和分布均 随土壤颗粒的加粗而逐渐下降。本实验结果 充分说明,土壤的有机碳和全氮含量可能随 土壤颗粒粒径的加粗而逐渐降低,这与王岩 等的结论_】叩相吻合。土壤颗粒粒径大小不 同,它们对土壤中有机物质的吸附性能不同, 导致它们吸附了不同性质和组成的有机物 质。土壤有机碳、氮含量的这一规律,可能主 要是由于粒径小的土壤颗粒比表面大,因而 具有强大的吸附功能所致。另外,导致典型 草原SOC、TN含量高于荒漠草原的另一个 原因可能是植被状况。盛学斌和赵玉萍认 为,草原生态系统生物量增多,土壤有机质就 48~ 会增多[】 。根据我们测得的数据,典型草原 的草丛高度(n一80)、植被盖度(n一80)、生 物量(n一80)和枯落盖度(n一80)分别为 11.41cm、41.57 9/6、1537kg/hm 和21.74 9/6, 均高于荒漠草原相应的指标(分别为 9.06cm、36.58 9/6、900kg/hm 和14.67 9/6), 这就从表观上说明荒漠草原的植被生产力和 凋落物状况低于典型草原,从而其向土壤输 入的碳、氮养分相对较少,必然导致荒漠草原 的有机碳和全氮含量低于典型草原。 综上所述,碳、氮两个指标荒漠草原的养 分状况要劣于典型草原。但本实验只局限于 碳、氮两个指标和土壤粒径,要充分了解两种 不同草地类型土壤养分的差异,还需对土壤 其它养分指标(如磷、钾等)进行分析研究,同 时也应结合土壤含水量、土壤结构组成、牲畜 粪尿散布等进行深入研究。 参考文献(References): [1]Wang Y x(汪业勖),Zhao S D(赵士洞),NiuD(牛 栋).Research state of soil carbon cycling in terres— trial ecosystemmJ].ChinJ Ecoll(生态学报),1999, l8(5):29—35. 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(下转第63页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 苏和刘桂香何涛草原开垦及其危害 和沙尘随风而起,形成扬沙或沙尘暴天气,这 些地区已成为我国北方的严重沙源区。据估 算,每开垦1hm 草原将导致3hm 草地沙 化。 态效益、追求短期经济效益而不考虑生态效 益与经济效益之间的内在联系的现象。按照 生态经济学的观点,生态效益是指生态系统 及其影响所涉及的范围内,对人类有益的全 在最近召开的中国草学会六届二次会议 部价值,包括生命系统所提供的效益、环境系 统所提供的效益、生命系统与环境系统相统 和中国西部发展论坛会议上,众多与会专家 估计,到目前为止,由草原开垦而来的耕地已 占到全国耕地面积的1/5。大兴安岭脚下的 的整体效益以及上述客体提供的物质和精 神方面的效益;而经济效益则仅仅是生态系 统全部被人们开发利用的,已表现为经济形 式的那部分效益。草原开垦则是为了从草原 生态系统中取得短期的、更多的经济利益,造 成草原生态系统的破坏、草原生态经济的不 可持续发展,而且这种破坏性已经超越了这 嫩江曾是森林和草原的分界线,嫩江流域曾 分布着广袤的疏林草原,新中国成立后因过 度开荒种地,不仅使大片的疏林草原垦为耕 地,而且大兴安岭林缘也向东北退缩了约 200kin。目前,我国北方的沙化土地中 25.4 9/6是因草原过度农垦引起的。专家指 出,我国北方的3亿多hm 草原中,丰美的 草原只剩下0.4亿hm ,而这0.4亿hm 草 原目前还在被开垦。水草丰美的乌兰察布草 原,耕地面积由建国初的不足66.7万km。 扩大到190万km ,而沙化面积就占 空间的局部利益,影响一个区域乃至更大 范围。为此,我们应增强建设和保护草原资 源的意识,让哭泣的草原早日恢复其本来面 目。 参考文献: [1]朱连奇,赵秉东.自然资源开发利用的理论与实践 [M].北京:科学出版社,2004. [2]甘肃草原总站.甘肃草地资源[M].兰州:甘肃科 学技术出版社,1997. 73.8 9/6,并且每年还在以2.5 9/6的速度蔓延; 乌兰察布市北部地区的5个旗县已经形成了 条长300km、宽50km的风蚀沙化带。 3 小结 草原是游牧民族起源、生存、发展的摇 篮,也是马背文化生根、发芽、走向繁荣的温 [3] 恩和.内蒙古草原荒漠化问题的文化学透视(摘要) [EB/OI ].http://www.fon.org.cn,2003~04一 O7. [4]恩和.草原荒漠化的历史反思:发展的文化维度[EB/ OL].http://business.sohu.corn,2003—09 05. 床。由于种种原因,草原地区曾出现损失生 (上接第48页) [8]Post W M,Pastor J,Zinke PJ,Stangenberger AG. Global patterns of soil nitrogen storage[J].Nature, 1985,298:156-159. (1):85—93. [11]盛学斌,赵玉萍.草场生物量对土壤有机质的影响 [J].土壤通报,1997,28(6);244 255. [12]Wang Q B(王其兵),I i I H(李凌浩),I iu x H(刘 先华),He J S(贺金生).Spacial heterogeneity of soil organic carbon and total nitrogen in an Xilin [9]Hristensen B T.Carbon and nitrogen in particle size fractions isolated from Danish arable soils by ultra— sonic dispersion and gravity—sedimentation[J],Acta Agriculturae Scandinavica,1985,35:175—187. River basin grassland[J].Acta Phytoecologica Sin (植物生态学报),1998,22(5):409—414. 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