长期封育对不同类型草地碳贮量及其固持速率的影响

基于4个长期封育草地,采用成对取样方法(封育-自由放牧草地)分析了长期封育和自由放牧草地地上生物量、地表凋落物、0-100 cm根系和土壤的碳氮贮量,探讨了长期封育草地的碳固持速率。实验结果表明:长期封育显著提高了草地碳氮贮量;经30a围封处理后,草地碳固持量为1401-2858 g C m^-2,平均2126 g C m^-2;草地碳固持速率为46.7-129.2 g C m^-2 a^-1,平均84.2 g C m^-2 a^-1。长期封育草地氮固持速率为2.8-14.7 g N m^-2 a^-1,平均7.3 g N m^-2 a^-1。封育草地碳和氮固持速率表现为:针茅草地＜羊草草地＜退化羊草草地＜补播黄花苜蓿+羊草草地。长期封育草地0-40 cm土壤碳固持速率相对较高,但下层土壤对草地碳固持的贡献也比较大,因此,未来的相关研究应给予下层土壤更大关注。内蒙古典型草地具有巨大的碳固持潜力,长期封育(或禁牧)是实现其碳固持效应最经济、最有效的途径之一。     

内蒙古放牧草地土壤碳固持速率和潜力

放牧是典型草地最重要的利用方式,弄清放牧对草地碳固速率的影响,将为我国内蒙古地区草地碳汇管理提供重要的科学依据。通过在平坦草地和斜坡草地设置相同的放牧梯度实验 (放牧强度0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 羊/hm²),探讨了放牧和地形对草地土壤碳固持速率的影响。实验结果表明:轻度放牧草地表现为碳固持,重度放草地表现为碳流失;对放牧草地而言,存在碳源/碳汇的转化阈值(或放牧强度),且坡地阈值低于平地。为了实现草地碳增汇目的,平坦草地的放牧强度应低于 4.5羊/hm²(放牧期6-9月),斜坡草地应低于3 羊/hm²。地形因素(平地VS斜坡)使准确评估放牧草地土壤的碳固持速率变得更加复杂。总之,内蒙古地区放牧草地具有较大的碳固持潜力,通过控制放牧强度是实现其碳固持潜力的重要途径之一。     

封育对羊草草地土壤碳矿化激发效应和温度敏感性的影响

土壤碳矿化(或土壤异养呼吸)的温度敏感性和激发效应是深入揭示土壤呼吸控制机理及其对未来气候变化响应与适应的重要研究方向。该文以自由放牧(FG0)、封育11年(FG11)、封育31年(FG31)的羊草(Leymus chinensis)草地为研究对象, 通过0、5、10、15、20、25 ℃培养, 探讨了封育对羊草草地土壤碳矿化激发效应和温度敏感性的影响。结果表明: 封育年限、添加葡萄糖、培养温度和培养时间对土壤碳矿化速率均具有显著的影响, 不同因素间存在显著的交互效应(p < 0.000 1)。FG0的羊草草地土壤碳矿化累积量显著高于FG11和FG31的, 在添加葡萄糖处理下也呈现相同的趋势。长期封育降低了羊草草地土壤碳矿化的激发效应。在添加葡萄糖后, 培养前7天的土壤碳矿化的激发效应随温度增加而增加, 增加2.28-9.01倍; 在整个56天培养期间, 激发效应介于2.21-5.10倍, 最高值出现在10或15 ℃。土壤碳矿化速率可用经典的指数方程来表示, FG0草地的土壤碳矿化的温度敏感性指数(Q₁₀)大于长期封育草地(FG11和FG31); 与未添加处理相比, 添加葡萄糖显著增加了土壤碳矿化速率的温度敏感性, 即在添加葡萄糖后土壤微生物呼吸受温度的影响更大。长期封育会降低羊草草地土壤的碳矿化速率、温度敏感性和激发效应, 从而降低土壤碳周转速率和释放速率, 使内蒙古地区长期封育草地仍然具有碳固持能力。     

草地土壤固碳潜力研究进展

土壤固碳功能和固碳潜力已成为全球气候变化和陆地生态系统研究的重点。草地土壤有机碳库,作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分,其较小幅度的波动,将会影响整个陆地生态系统碳循环,进而影响全球气候变化。因此,深入研究草地土壤固碳功能和固碳潜力对于适应和减缓气候变化具有重要意义。在土壤固碳潜力相关概念界定基础上,结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,从样点及区域尺度上综述了目前关于草地土壤固碳潜力的一般估算方法,同时对各类方法的特点及适用性进行了评述,提出了草地生态系统固碳潜力研究概念模型。最后在对草地土壤固碳的影响因素及固碳措施总结的基础上,阐明了草地土壤有机碳固定研究中存在的问题和发展前景。     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

黄土高原半干旱草地封育后土壤碳氮矿化特征

土壤有机碳和全氮的分布与矿化是退化草地封育后土壤生态效应研究的重要内容和指标。结合野外调查和室内培养实验,研究了半干旱黄土区不同封育年限草地土壤有机碳和全氮的含量变化及其矿化特征。结果表明,封育对半干旱黄土区退化草地土壤有机碳和全氮的影响主要体现在0-40 cm土层封育超过17a后,封育年限的影响逐渐减弱。封育显著增加了土壤有机碳矿化速率和C_(min)/C_0封育对有机碳矿化速率的影响与封育年限和土层深度无关,而对C_(min)/C_0的影响则与封育年限和土层深度有关。封育显著提高了0-40 cm土层土壤氮素矿化速率,但是降低了40-80 cm土层土壤氮矿化速率,并且降低了080 cm土层N_(min)/N_0。碳氮矿化速率与有机碳和全氮之间显著相关,而与碳氮比之间的相关性较小。这些结果表明,退化草地封育后土壤碳氮元素的转化主要受土层深度、封育年限以及土壤碳氮含量的影响。     

封育对黄土高原草地深层土壤pH的影响

土壤酸碱度变化, 直接影响植被类型及植物对土壤养分的吸收效率, 同时在土壤有机碳和无机碳相互转化过程中起重要作用, 为明确草地封育过程中土壤酸碱度的变化特征。以黄土高原云雾山自然保护区放牧草地(封育0年)、封育15年草地、封育30年草地为研究对象, 采用空间代替时间方法, 研究封育过程中深层(0-500 cm)土壤酸碱度变化特征。结果表明: (1)3个封育年限草地土壤pH随着土层深度的增加而增加, 放牧草地土壤pH变化范围为8.54-9.26、封育15年草地土壤pH变化范围为8.56-8.97、封育30年草地土壤pH变化范围为8.12-8.74。(2)不同封育年限0-500cm土壤各粒级差异较大, 放牧草地在40-60 cm土层, 3-2 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.38, 显著低于其它粒级(P˂0.05); 封育15年草地土壤pH各粒级差异较小; 封育30年草地土壤pH整体呈上升趋势, 0-20 cm各粒级土壤pH差异显著。(3) 在0-500 cm, 封育30年草地土壤pH显著低于放牧草地和封育15年草地(P˂0.05), 其平均值分别为8.50、8.94和8.87。因此, 长期封育显著降低土壤pH值。     

荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响

荒漠化极大地影响着包括毛乌素沙地在内的干旱、半干旱区的土壤呼吸及碳固持潜力,因而,可能对区域或全球的碳循环造成一定影响。为揭示土壤呼吸的时间变化及其影响因子,理解荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及碳固持的影响,根据毛乌素沙地荒漠化类型的研究结果,以毛乌素沙地固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)、流动沙地一年生植物群落(AL)等4个代表毛乌素沙地荒漠化主要阶段的植物群落为研究对象,采用LI-8100 土壤碳通量测量系统测定了其土壤呼吸速率的日动态和月动态,结合植物群落生产力的野外调查,分析了荒漠化对土壤呼吸速率及碳固持的影响。结果表明:FA、FS、SFA、AL不同月份之间土壤呼吸速率日动态变化显著,4个群落5月份土壤呼吸最高、最低值分别出现在9:00 10:00和18:00,但6 9月份土壤呼吸最高、最低值却分别出现在12:00 以后和7:00。FA、FS、SFA、AL在主要生长季(5 9月)的平均土壤呼吸速率分别为:99.79、88.13、47.95、13.82 mg · m^-2 · h^-1。FS、FA和SFA土壤呼吸速率月变化显著,5月最低,7月最高,AL土壤呼吸速率月变化相对较小。FS、FA和SFA土壤呼吸速率月变化与土壤温度存在显著的指数相关关系,FS、FA、SFA和AL的 Q₁₀值依次为5.87、5.05、4.02、0.64。FS和FA的土壤呼吸速率月变化与土壤湿度显著正相关,而SFA和AL的土壤呼吸速率月变化与土壤湿度不存在显著线性关系。土壤呼吸与10 cm深度的土壤温度和湿度回归模型表明土壤温度和湿度可以解释不同群落土壤呼吸月变化的69% 87%。FS、FA、SF和AL的月土壤呼吸速率与根系生物量存在显著线性关系。在主要生长季(5 9月)平均根系呼吸速率和平均土壤微生物呼吸随荒漠化程度的加重而降低。FS、FA、SFA和AL根系呼吸与土壤呼吸的比率分别为51.40%、59.99%、70.85%、45.86%。在主要生长季(5 9月)净生态系统生产力分别为36.16、18.56、-11.29和-22.49 C g/m²。随荒漠化程度的加重,生态系统碳固持能力逐渐降低。因此,采取合理措施使荒漠化土地向以油蒿或本氏针茅为主的固定沙地演替,有助于毛乌素沙地生态系统碳固持能力的提高和植物群落的生长。     

秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响

为研究秸秆还田配施中量元素(S)和微量元素(Fe和Zn)对粮田土壤有机碳固持的影响,进行了为期52 d的室内玉米秸秆腐解培养试验. 结果表明:秸秆腐解过程中分别添加S、Fe和Zn元素,均提高了微生物生物量碳(MBC)及土壤CO₂-C矿化速率,52 d腐解培养结束后,CO₂-C的累积矿化量显著提高,但土壤有机碳含量并未显著降低;3种元素中,添加Fe或Zn的处理提高了土壤惰性碳库、惰性碳库比例及土壤有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳固持,而添加S的处理却降低了惰性有机碳比例及土壤有机碳表观平衡,不利于有机碳固持. 因此,在施N、P肥基础上,秸秆还田添加S、Fe或Zn均能促进土壤有机碳的矿化进程,但添加Fe或Zn可使更多有机碳固持于土壤中,添加S不利于土壤有机碳的固持.     

中国草地土壤生态系统固碳现状和潜力

以国内长期定位试验的数据为基础,评价了我国草地生态系统的固碳现状和潜力.分析发现,通过减少畜牧承载量等方法恢复退化草地,我国草地土壤的有机碳库可以增加4561.62 Tg C ,主要分布在内蒙古、西藏和新疆.草场围栏、种草和退耕还草3种草地管理措施的固碳潜力分别是12.01、1.46 Tg·a-1和25.59 Tg·a-1,总计39.06 Tg·a-1.2004年是我国草地管理投资较多的年份,种草、退耕还草和草场围栏的工程面积均有较大的提高,3种措施新增的固碳能力分别为5.70、0.38 Tg·a-1和3.09 Tg·a-1,合计9.17 Tg·a-1.     

放牧对黄土高原退耕草地土壤有机碳储量的影响

放牧是影响草地土壤碳固存的重要因素。本研究选取黄土高原水蚀风蚀交错区西部、中部、东部地区及水蚀区,以各区20年以上退耕封禁地为对照,分析3个放牧强度下(羊粪球密度分别为0～10、10～20、>20 ind·m^-2)退耕草地0～20 cm土层土壤有机碳储量的分布特征,研究放牧及其强度对退耕草地土壤固碳效应的影响。结果表明: 放牧对交错区西部0～20 cm、东部0～10 cm,水蚀区0～5 cm土层土壤有机碳储量有显著影响,对交错区中部各土层均无显著影响;羊粪球密度0～10、＞20 ind·m^-2强度的放牧使交错区西部0～20 cm土层土壤有机碳储量显著降低了34.8%～50.9%,而在其他3个区域,放牧对有机碳储量的影响较退耕封禁地差异不显著。在交错区东部,放牧强度是影响退耕草地土壤有机碳储量的主要因素,而其他3个区域有机碳储量主要受土壤理化性质和(或)枯落物生物量的影响。羊粪球密度10～20 ind·m^-2强度的放牧对各区域退耕草地0～20 cm土层土壤有机碳储量无显著影响。     

Effects of rest grazing on organic carbon storage in Stipa Baicalensis steppe in Inner Mongolia

In order to evaluate the potential effects of rest grazing on organic carbon storage on the Stipa baicalensis steppe in Inner Mongolia, compared the S. baicalensis steppes after rest grazing for 3 years, 6 years, and 9 years, using potassium dichromate heating method, this study analyzed the organic carbon storage of plant and soil in the steppes among different periods of rest grazing. The results indicated that as the rest grazing years prolonged, the biomass included above-ground parts, litters and underground plant parts(roots) of the plant communities all increased, meanwhile the carbon content of the biomass increased with the rest grazing years prolonged. For the zero rest grazing (RG0) steppe and the steppes after a rest grazing of 3 years (RG3a), 6 years (RG6a), 9 years (RG9a), the carbon storage in above-ground parts of plant communities were 42.60 g C/m², 66.33 g C/m², 83.46 g C/m², 100.29 g C/m² respectively; the carbon storage of litters were 7.85 g C/m², 9.12 g C/m², 9.18 g C/m², 11.54 g C/m² separately; the carbon storage of underground plant parts (0–100 cm) were 281.40 g C/m², 576.38 g C/m², 745.33 g C/m², 1279.61 g C/m² respectively; and the carbon storage in 0–100 cm soil were 22991.14 g C/m², 24687.75 g C/m², 26564.86 g C/m²,33041.55 g C/m². The results suggested that as the rest grazing years prolonged, the organic carbon storage in plant communities and soil increased. The carbon storage of underground plant parts and soil organic carbon mainly concentrated in 0–40 cm soil. After rest grazing for 3 years, 6 years, and 9 years, the increased soil organic carbon were as the 81.14%, 85.84%, and 89.46% of the total increased carbon; From the perspective of carbon sequestration cost, the total cost of RG3a, RG6a and RG9a were 2903.40 RMB/hm², 5806.80 RMB/hm², and 8710.20 RMB/hm². The cost reduced with the extension of rest grazing years, 0.17 RMB/kg C, 0.16 RMB/kg C, 0.09 RMB/kg C for RG3a, RG6a and RG9a respectively. From the growth characteristics of grassland plants, the spring was one of the two avoid grazing periods, timely rest grazing could effectively restore and update grassland vegetation, and was beneficial to the sustainable use of grassland. From the available data, the organic carbon storage of RG9a was the highest, while the cost of carbon sequestration was the lowest. Therefore, spring rest grazing should be encouraged to continue for it was proved to be a very efficient grassland use measures.     

Effects of fencing and grazing on the temporal dynamic of soil organic carbon content in two temperate grasslands in Inner Mongolia,China

This study aimed to investigate the impact of long-term grassland management on the temporal dynamic of SOC density in two temperate grasslands. The top soil SOC density, soil total nitrogen density and soil bulk density (0–20 cm) under long-term fencing and grazing treatments, the aboveground net primary productivity of fenced plots and the associated climatic factors of Leymus chinensis and Stipa grandis grasslands in Inner Mongolia were collected from literatures and analyzed. The results showed that the SOC density increased linearly with fenced duration but was insensitive to grazed duration in both grasslands. Compared with long-term grazing, fenced plots had larger potential for carbon sequestration, and the accumulation rate of SOC density was 29 and 35 g Cm^–2y^–1 for L. chinensis and S. grandis grasslands. Fenced duration and mean annual temperature jointly contributed large effect on temporal pattern of SOC density. Climate change and grazed duration had little influence on the inter-annual variance of SOC density in grazed plots. Our results confirmed the enhancement effect of long-term fencing on soil carbon sequestration in degraded temperate grassland, and long-term permanent plot observation is essential and effective for accurately and comprehensively understanding the temporal dynamic of SOC storage.     

多年放牧对不同类型草原植被及土壤碳同位素的影响

放牧是草原牧区常见的人类活动,多年放牧对草原植被及土壤的碳过程产生较大的影响.本研究采集不同类型草原多年放牧前后植被及土壤样品,对室内碳同位素进行分析,研究了不同草原生态系统Δ¹³C(碳同位素分馏值)差异及其影响因素.结果表明: 放牧强度对植被Δ¹³C值的影响显著,0～5 cm表层土壤Δ¹³C值在放牧前后变化显著,而对深层土壤(>5 cm)影响不显著.多年放牧后大部分植被Δ¹³C值显著升高,高海拔地区升高的幅度较大.可见,放牧行为对不同草地生态系统类型、不同土壤深度以及不同海拔生态系统碳过程产生的影响差异显著.针对不同类型的草原,放牧应采取多样化的管理方式.     

A synthesis of the effect of grazing exclusion on carbon dynamics in grasslands in China

Grazing exclusion (GE) is considered to be an effective approach to restore degraded grasslands and to improve their carbon (C) sequestration. However, the C dynamics and related controlling factors in grasslands with GE have not been well characterized. This synthesis examines the dynamics of soil C content and vegetation biomass with the recovery age through synthesizing results of 51 sites in grasslands in China. The results illustrate increases in soil C content and vegetation biomass with GE at most sites. Generally, both soil C content and vegetation biomass arrive at steady state after 15 years of GE. In comparison, the rates of increase in above‐ and belowground biomass declined exponentially with the age of GE, whereas soil C content declined in a milder (linear) way, implying a lagged response of soil C to the inputs from plant biomass. Mean annual precipitation (MAP) and the rate of soil nitrogen (N) change were the main factors affecting the rate of soil C content change. MAP played a major role at the early stage, whereas the rate of soil N change was the major contributor at the middle and late stages. Our results imply that the national grassland restoration projects in China may be more beneficial for C sequestration in humid regions with high MAP. In addition, increased soil N supply to grasslands with GE at the latter recovery stage may enhance ecosystem C sequestration capacity.     

内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算

以内蒙古锡林郭勒盟典型草原围封和放牧对照的实测数据为基础,比较了不同植物群落类型的碳储量和固碳量,并估算了重度退化草地完全恢复后的土壤固碳潜力.结果表明: 在局地尺度上,以羊草、大针茅和克氏针茅为优势种的3种植被类型的年均固碳量均随着围封年限的增加而减少.羊草和大针茅草原群落的碳储量显著高于克氏针茅草原群落,而在过牧导致的退化过程中,后者流失了更多的土壤有机碳,其固碳潜力高于前两者.在区域尺度上,内蒙古典型草原土壤表层0～20 cm的固碳潜力在-0.03×10⁴～3.71×10⁴ kg C·a^-1范围内变化,总固碳潜力为12.1×10⁸kg C·a^-1.不确定性分析发现,忽略石砾含量不会造成土壤固碳潜力估算值的较大偏差,而气象数据空间插值造成的误差为±4.7×10⁹ kg C·a^-1.假设未来生长季降水的平均变化值为-3.2 mm·(10 a)^-1时,土壤固碳潜力将减少1.07×10⁸ kg C·(10 a)^-1.     

内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算

以内蒙古锡林郭勒盟典型草原围封和放牧对照的实测数据为基础,比较了不同植物群落类型的碳储量和固碳量,并估算了重度退化草地完全恢复后的土壤固碳潜力.结果表明: 在局地尺度上,以羊草、大针茅和克氏针茅为优势种的3种植被类型的年均固碳量均随着围封年限的增加而减少.羊草和大针茅草原群落的碳储量显著高于克氏针茅草原群落,而在过牧导致的退化过程中,后者流失了更多的土壤有机碳,其固碳潜力高于前两者.在区域尺度上,内蒙古典型草原土壤表层0～20 cm的固碳潜力在-0.03×10⁴～3.71×10⁴ kg C·a^-1范围内变化,总固碳潜力为12.1×10⁸kg C·a^-1.不确定性分析发现,忽略石砾含量不会造成土壤固碳潜力估算值的较大偏差,而气象数据空间插值造成的误差为±4.7×10⁹ kg C·a^-1.假设未来生长季降水的平均变化值为-3.2 mm·(10 a)^-1时,土壤固碳潜力将减少1.07×10⁸ kg C·(10 a)^-1.