沙漠化對沙地生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量與平衡及能量的影響.pdf

1、本文應(yīng)用時空轉(zhuǎn)換的方法，通過野外定位觀測與實驗室分析，圍繞沙漠化的生物學(xué)過程這一主題，對科爾沁沙地潛在沙漠化、輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和嚴重沙漠化影響下的植物群落生物量與能量動態(tài)，植物-土壤系統(tǒng)碳氮儲量與碳氮平衡變化特征，以及有機物質(zhì)的分解礦化等進行了初步研究，并對沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中生物結(jié)皮的形成對土壤呼吸的影響，以及放牧退化草地恢復(fù)過程中的碳平衡與碳儲量變化進行了測定與分析。主要結(jié)果如下： (1)沙漠化的發(fā)展不僅導(dǎo)致沙

2、地植物群落生物量明顯下降，而且引起植物群落生活型和生物量組成結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著沙漠化的發(fā)展，活體生物量構(gòu)成地上和地下生物量的主體，而地表凋落物的積累量和向土壤的輸入量顯著減少。從潛在沙漠化到嚴重沙漠化沙地，地上生物量下降90.1﹪、地下生物量下降90.4﹪、生物量總量下降90.3﹪、能量現(xiàn)存總量下降90.7﹪、能量凈固存量下降85.6﹪、光合有效輻射利用率下降85.7﹪。 (2)沙漠化的發(fā)展，伴隨著土壤質(zhì)地變粗、容重增加、土壤有

3、機碳和氮含量的顯著減少。從潛在沙漠化沙地到輕度、中度、重度和嚴重沙漠化沙地，100cm深土壤有機碳平均含量分別下降56.0﹪、78.5﹪、89.1﹪和91.6﹪，全氮含量分別下降49.0﹪、74.6﹪、84.5﹪和85.8﹪。沙漠化的發(fā)展中，土壤有機碳、氮與土壤細顆粒組分(＜0.1mm)含量之間表現(xiàn)為同增同減性。100cm深土壤C/N比隨沙漠化的發(fā)展呈現(xiàn)遞減的趨勢，從潛在沙漠化到嚴重沙漠化沙地依次為9.385，8.138，8.006，6

4、.703和5.541。 (3)沙漠化的發(fā)展過程是植被退化和土壤退化兩個過程的統(tǒng)一。從潛在沙漠化沙地到嚴重沙漠化沙地，植物-土壤系統(tǒng)碳(有機碳+無機碳)與氮儲量分別下降92.4﹪和83.1﹪，生物量有機碳與氮儲量分別下降91.0﹪和93.2﹪，土壤有機碳、無機碳與全氮儲量分別下降90.1﹪、97.2﹪和82.7﹪。 (4)土壤是科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫和氮庫載體。潛在、輕度、中度、重度和嚴重沙漠化沙地中，土壤碳(有機碳

5、+無機碳)占植物-土壤系統(tǒng)碳儲量的比例在87.0﹪～94.9﹪之間，土壤有機碳占系統(tǒng)有機碳儲量的比例在86.1﹪～93.2﹪之間，土壤全氮占系統(tǒng)氮儲量的比例在96.5﹪～98.8﹪之間。 (5)沙漠化的發(fā)展過程中，生物量碳與氮儲量在沙漠化后期(從重度到嚴重沙漠化)的衰減快于沙漠化初期(從潛在到輕度沙漠化)，而土壤有機碳與氮儲量在沙漠化初期的衰減快于沙漠化后期；在沙漠化初期生物量氮儲量的衰減快于生物量碳的衰減，而在沙漠化后期生物量

6、碳儲量的衰減快于生物量氮的衰減；在整個沙漠化過程中，土壤有機碳儲量的衰減快于土壤全氮的衰減。 (6)沙漠化過程中，表征土壤生物活性和土壤肥力乃至透氣性的土壤呼吸作用與植物群落生物量、土壤有機質(zhì)含量具有相同的變化趨勢，即隨著沙漠化的發(fā)展呈現(xiàn)遞減趨勢。沙漠化的發(fā)展導(dǎo)致沙地生態(tài)系統(tǒng)從大氣CO2的匯向大氣CO2的源轉(zhuǎn)變，潛在沙漠化沙地處于碳平衡狀態(tài)或凈固存121.9gC·m-2·生長季-1，而嚴重沙漠化沙地向大氣凈釋放47.4～80.5

7、gC·m-2·生長季-1。 (7)指數(shù)模型能夠較好的揭示不同類型生境土壤呼吸對溫度變化的響應(yīng)，且在25～30℃溫度范圍內(nèi)模型擬合效果更好。土壤呼吸與氣溫之間的相關(guān)性大于土壤呼吸與土壤溫度之間的相關(guān)性。在日時間尺度上，土壤呼吸作用的主導(dǎo)因子是溫度；在季節(jié)尺度上，土壤呼吸作用受溫度與水分的共同影響，但溫度的作用大于水分?；诓煌瑫r間尺度、不同溫度的土壤Q10值，流動沙地在1.25～1.36之間，半固定沙地在1.53～2.12之間，固

8、定沙地在1.42～2.61之間；高溫環(huán)境下的Q10值普遍低于低溫環(huán)境下的Q10值。 (8)潛在、輕度、中度、重度和嚴重沙漠化沙地土壤中的凋落物經(jīng)過110d的分解后，干物質(zhì)失重率分別為61.5﹪、59.2﹪、54.8﹪、44.4﹪和41.2﹪，C殘留率分別為37.1﹪、36.6﹪、41.4﹪、53.6﹪和51.1﹪，N殘留率分別為43.8﹪、47.6﹪、54.2﹪、59.4﹪和58.9﹪。表明隨著沙漠化程度的增加，凋落物的干物質(zhì)失

9、重率降低，C、N釋放速率減緩。分解過程中，凋落物在各生境土壤中C的釋放速率明顯快于N；C含量變化趨勢為先下降后略有上升，但總體低于原始C含量；N含量總體表現(xiàn)為上升的趨勢。 (9)室內(nèi)土壤碳氮礦化培養(yǎng)實驗表明：土壤有機碳和氮含量極低的流動沙地，表現(xiàn)為微弱的土壤微生物呼吸和極低的有機氮礦化潛力；外源有機物質(zhì)在流動沙地土壤中礦化釋放C、N的速率顯著低于固定沙地；土壤中添加C/N比高于30的外源有機物質(zhì)后，氮素從微生物的固持到釋放這個轉(zhuǎn)

10、折點的時間，流動沙地明顯遲緩于固定沙地，說明沙漠化的發(fā)展延遲了土壤中的外源有機物質(zhì)釋放有效養(yǎng)分的時間。 (10)隨著沙漠化的發(fā)展，土壤凈礦化氮和凈硝化氮總量下降。從潛在沙漠化到輕度、中度、重度和嚴重沙漠化，凈礦化氮總量分別減少28.8﹪、52.3﹪、91.4﹪和95.5﹪，凈硝化氮總量分別減少25.3﹪、51.3﹪、90.0﹪和94.5﹪。各生境中土壤凈硝化氮占凈礦化氮的比例均為100﹪。表明沙漠化的發(fā)展導(dǎo)致土壤供給植物生長的無

11、機氮素顯著減少，并且沙地土壤維持無機氮素的能力較低。氮平衡分析表明，重度和嚴重沙漠化沙地土壤無機氮的供給量顯著低于植物氮素的吸收量。沙漠化的發(fā)展導(dǎo)致土壤有機質(zhì)衰減，微生物發(fā)展受到限制，進而使得土壤有效氮的供給能力的急劇減弱是植被衰退的根源之一。 (11)沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中生物結(jié)皮的形成可以有效抑制土壤呼吸作用，減少土壤向大氣的CO2排放量，即生物結(jié)皮有減緩溫室效應(yīng)的生態(tài)功能；在濕潤和較低溫度條件下，以及形成的生物結(jié)皮越厚、結(jié)皮中的

12、粘粉粒含量越多，對土壤呼吸的抑制作用越明顯。 (12)退化草地的圍封禁牧是科爾沁沙地沙漠化防治、保護生態(tài)環(huán)境的一項重要舉措。不同強度放牧后自然恢復(fù)的沙質(zhì)草地的碳儲量和碳平衡分析表明，采取圍封恢復(fù)措施后，植被恢復(fù)和凋落物積累使土壤免遭風(fēng)蝕，也顯著增加了土壤有機質(zhì)的輸入。無牧和重牧后恢復(fù)草地的碳素輸入和輸出處于平衡狀態(tài)，而輕牧和中牧后恢復(fù)草地的碳素輸入顯著高于輸出，凈截存量分別為84.89和76.51gC·m-2·生長季-1。說明退