不同管理方式對貴州省龍里草原植被生物量及固碳能力的影響

徐海峰　邵峰　胡慶賀　保莎　龔記熠　張宇斌　劉倫賢　乙引

摘要：以貴州省龍里喀斯特典型暖性草原為試驗樣地，研究不同管理方式對該地區草原植被生物量、固碳能力的影響，以期為喀斯特地區草地的合理利用與管理提供依據。結果表明，封育管理的地上部分生物量、地下部分生物量、凋落物生物量均最高，不封育管理最低（P

關鍵詞：喀斯特暖性草地；管理方式；生物量；固碳能力；圍欄封育

中圖分類號： S812.29 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0443-03

草地生態系統不僅是經濟發展的重要資源，也提供許多工業技術難以替代的綠色工程，雖然草地生態系統的經濟價值已被公認，但其強大的生態功能卻常被忽略[1]。據不完全統計，草地中儲存的碳約占陸地生態系統的12.7%，其中90%儲存在土壤中[2]，草地特殊的生理作用使其對碳的分解速率相對較慢，碳匯功能十分明顯[3]。我國草地分為北方草地、南方草地。學者對北方草地進行了大量研究，而關于南方草地的研究相對較少，且主要集中于草地的調查、開發、利用[4-5]，對其固碳作用的研究較為少見。據不完全統計，草地生態系統的碳貯量為308 Pg（1 Pg=1015 g），其中約26 Pg貯存在植被生物量中[6]；因此，植被碳貯量及其變化是影響草地生態系統碳循環的重要因素。草地生態系統地下部分是陸地生態系統碳分配與轉化的核心部位，根系、土壤中的有機碳是陸地生態系統地下部分碳的重要組成部分，其周轉動態決定著地下部分碳儲量變化、凈生態系統生產量[7-8]。

本研究分析了不同管理方式對貴州省喀斯特地區草地生物量、固碳能力的影響，以期為該地區草地資源的合理利用提供依據。在全球氣候變暖的背景下，研究草地生態系統的植物生物量動態規律和固碳能力，對于深入了解草地生態系統的結構、功能、利用價值具有深遠意義。

1 研究區概況

研究區位于黔中腹地龍里縣龍里草原鄉，26°21′3.56″ N、106°53′26.16″ E，海拔為1 596 m，是貴州省典型的喀斯特暖性草地。該地區為中低山丘陵地貌，因流水侵蝕造成沉積巖廣布，以地帶性黃壤、黃紅壤為主。該地區屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量1 158.5 mm、年均氣溫14.7 ℃、極端最高氣溫35.0 ℃、極端最低氣溫-3.0 ℃、積溫4 274.0～4 574.6 ℃，具有立體氣候明顯、熱量充足、干濕二季分明的特點。研究地的優勢種有燈心草（Juncus effusus L.）、伴生種野古草（Arundinella anomala Steud）、畫眉草（Eragrostis pilosa）、早熟禾（Poa annua L.）、牛筋草[Eleusine indica （L.） Gaertn.]、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.） Pers.]、白車軸草（Trifolium repens L.）、白羊草[Bothriochloa ischcemum （L.） Keng]等。

2 數據來源與研究方法

2.1 樣地設置與調查

為探討不同管理方式對同一草地植被生物量、碳儲存量空間差異性的影響，選取2年以上同類型處理設置的3塊80 m×20 m永久性固定監測樣地，分別實施封育處理、不封育處理、刈割處理。該草地是典型的南方喀斯特暖性草地，所選樣地植被群落類型為燈心草草甸，地勢平坦，植被整齊均一，受地形和植被差異的影響較小。

2.2 植被地上層活體與凋落物生物量測定

在基礎樣地中隨機選取5個采樣點（1 m×1 m），分別于植物生長季5月10日（植被返青期）、7月13日（植被生長期）、9月10日（植被生長高峰期）、12月10日（植被凋亡期）采用切割法收集所有草本地上部活體生物量，并用鑷子收集地上凋落物，于40 ℃恒溫箱內烘干后測其生物量。

2.3 植被根系生物量測定

利用鉆土心法[9]測定活根生物量。為減輕對研究區草地生境的破壞，于植物的返青期、生長高峰期利用內徑7 cm的根鉆在不同處理樣方內隨機鉆取5個10 cm的土柱，土柱分為0～5 cm、5～10 cm。按順序分別放置各層土壤，用清水清洗并用鑷子挑出可見根系，烘干后測其生物量。

2.4 碳含量測定

將樣品帶回實驗室進行相關處理，用粉碎機將樣品打碎并保存。采用干燒法，使用元素分析儀（elementar analysensysteme GmbH）在CNSO模式下測定樣品的碳含量。

2.5 植被碳密度的計算

草地植被分為地上層、根系2個部分，地上層指地面以上的植被部分。草地植被碳密度（grassland biomass carbon density，GBCD）由特定植被的生物量與其測得的碳含量相乘得到[10]，其估算公式為：GBCD=α×M。式中：GBCD為碳密度（g/m2），M為地上部分或地下部分的生物量（g/m2），α為生物量中有機碳含量。本研究全部采用實測值。

2.6 數據分析方法

采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）探討不同管理方式下草地植被生物量及固碳能力間的差異，采用LSD進行多重比較，采用SPSS 21.0、Sigmaplot軟件進行數據分析。

3 結果與分析

3.1 不同管理方式下植被群落外貌特征的變化

植物群落結構可通過其高度、蓋度加以反映[11-12]。不同管理方式下的植被群落高度依次為：封育（35.00 cm）>刈割（25.25 cm）>未封育（19.13 cm）（P<0.05），放牧、人為等因素的影響致使未封育植被群落高度最低[13]。不同管理方式對植被群落蓋度無顯著影響（圖1）。

3.2 不同管理方式對喀斯特地區草地地上生物量的影響endprint

3.2.1 對植被地上活體生物量的影響 在植被生長的各個時期，不同管理方式對植被活體生物量的影響均顯著。在植被生長高峰期，封育植被活體生物量最高，刈割管理次之。封育管理使放牧、人類活動無法對植被造成干擾，因此封育植被活體生物量最高，甚至高達未封育管理的2倍。不同管理方式對凋落物生物量幾乎無影響（圖2）。

3.2.2 對植被生物量積累的影響 在生長期，刈割管理的植被生物量積累最多。刈割處理使早熟禾、白車軸草等喜陽草種從返青期開始便可獲得充足的陽光，活體生物量得以穩步增長。封育處理使凋落物堆積較厚，喜陽草種無法獲得充足的陽光從而生長緩慢；在7—8月，這些喜陽植物已生長至一定高度，可充分吸收陽光并快速生長，因此生長季高峰期的生物量較高。

3.3 不同管理方式對地下生物量的影響

草地生態系統在全球碳循環中起著重要作用。據估計，全球草地生態系統中約80%的生物量碳儲存在地下[14]。

在返青期，管理方式對0～5 cm土層生物量的影響不顯著，但對5～10 cm土層生物量的影響較大（P<0.01）（圖3）。3種管理方式下，地下生物量均遠遠高于地上部分，這與部分學者的研究結論[14-15]相一致。

燈心草具有根莖橫走、密生須根等特性，與其他草種相比，其根的生物量隨土層剖面深度的增大而減少。因此，在植物的返青期、生長季高峰期，土層剖面深度為5～10 cm時，封育處理的地下生物量均小于其他處理；由于其他草種的有效生長，未封育、刈割處理的地下生物量也相對較高。

3.4 不同管理方式對植被固碳能力的影響

植被碳密度是地上層、地下層碳密度的和值，植被地上層碳密度包括植被活體碳密度、凋落物碳密度；植被地下層碳密度指植被根系碳密度。草地植被的固碳能力指單位面積草地植被地上層碳密度與地下層碳密度之和。

在封育、刈割、不封育3種管理方式下，草地植被的固碳能力分別為696.56、584.25、569.85 g/m2（表1）。其中，封育管理最高，分別比刈割管理、未封育管理高19.2%、22.2%，而刈割管理比未封育管理高2.5%。

3種管理類型中，封育植被的活體固碳能力最大，占植被總固碳能力的5.9%，刈割管理次之，占4.7%。3種管理類型中，未封育根系的固碳能力最大，占植被總固碳能力的95.5%，刈割管理次之，占94.2%。

4 結論與討論

3個試驗地中，封育管理幾乎未受任何外界因素干擾，植被生長高峰期時生物量、碳密度均為最高，但由于其凋落物層堆積較厚，一些喜陽草種不能及時生長，僅優勢草種燈心草及少部分伴生草種有效生長，因此其群落高度優勢大，而群落蓋度弱。封育管理在提高草地群落高度、植被生物量、固碳能力上具有明顯優勢，并能提高地上活體固碳能力的有效性。

刈割處理在返青期伴生有早熟禾、白車軸草、畫眉草等喜陽草種，它們獲得充足陽光而有效生長，因此群落蓋度優勢較大，生長期的生物量積累最多。不封育處理受到外界的干擾因素較多，如人為破壞、牲畜踐踏和取食等，僅有部分抗干擾能力強、適口性差、植株低矮但生長密集的草種，如狗牙根、牛筋草、白羊草等，因此其群落蓋度與其他2種管理方式差異不大，但生長高峰期總生物量、固碳能力、生長期的生物量積累均較差。不封育處理使能量向根系轉移，提高了植被根系固碳能力的有效性。

草地特殊的生理作用使其碳匯功能十分明顯[3]，有研究者利用分形幾何學的方法研究地上部生物量與株高的關系，發現植被地上部生物量與株高之間存在明顯的分形關系[16-18]，而地上部生物量與群落高度是否存在分形關系有待進一步研究。由于貴州省喀斯特地區獨特的自然地理環境[5，19-20]，使其固碳能力總體水平高于藏北高寒草地[10]、黃土高原草地[21]、內蒙古溫帶草地[18]等。為提高草地的生物量、增強草地固碳能力，應適當進行圍欄封育并減少人類活動，從而保護環境、恢復生態。

參考文獻：

[1]馬建濱，都玉蓉. 科學管理草地生態系統對青海經濟發展的重要性[J]. 草食家畜，2002（3）：8-11.

[2]Raich J W，Schlesinger W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus，1992，44：81-99.

[3]李凌浩，陳佐忠. 草地生態系統碳循環及其對全球變化的響應 Ⅰ. 碳循環的分室模型、碳輸入與貯量[J]. 植物學通報，1998，15（2）：14-22.

[4]任繼周. 中國南方草地現狀與生產潛力[J]. 草業學報，1999，12（增刊1）：23-31.

[5]歐陽克蕙，王 堃. 中國南方草地開發現狀及發展戰略[J]. 草業科學，2006，23（4）：17-22.

[6]Houghton R A. Changes in the storage of terrestrial carbon since 1850[M]//Lai R，Kimble J.Soils and global change. Boca Raton，Florida：CRC Press，1995：45-65.

[7]Matamala R，Gonzàlez-Meler M A，Jastrow J D，et al.Impacts of fine root turnover on forest NPP and soil C sequestration potential[J]. Science，2003，302（5649）：1385-1387.

[8]Sun X M，LiY D. Colloidal carbon spheres and their core shell structures with noble-metal nanoparticles[J]. Angewandte Chemie International Edition，2004，43（5）：597-601.endprint

[9]宇萬太，于永強. 植物地下生物量研究進展[J]. 應用生態學報，2001，12（6）：927-932.

[10]常天軍，王建林，李 鵬，等. 藏北高寒草地植被的碳密度與碳貯量[J]. 生態科學，2007，26（5）：437-442.

[11]任繼周. 草業科學研究方法[M]. 北京：中國農業出版社，1998：1-29.

[12]Hodgson J. Variations in the surface characteristics of the sward and short-term rate at herbage in take by calves and lambs[J]. Grass and Forage Science，1981，36：49-57.

[13]王德利，滕 星，王涌鑫，等. 放牧條件下人工草地植物高度的異質性變化[J]. 東北師大學報：自然科學版，2003，35（1）：102-109.

[14]Mokany K，Raison R J，Prokushkin A S. Critical analysis of root： shoot ratios in terrestrial biomes[J]. Global Change Biology，2006，12（1）：84-96.

[15]李連方，王 培，王警龍，等. 不同管理對山地草甸植物空間分布及生物量的影響[J]. 草地學報，2000，8（1）：30-36.

[16]王 靜，程積民，萬惠娥，等. 厚穗賓草地上部生物量與株高的分形關系[J]. 西北植物學報，2005，25（8）：1623-1627.

[17]秦佳梅，孫慶玲，鄭曉矯. 苦碟子生物量與其株高的相關性分析[J]. 安徽農業科學，2010，38（21）：11140-11141.

[18]馬文紅，韓 梅，林 鑫，等. 內蒙古溫帶草地植被的碳儲量[J]. 干旱區資源與環境，2006，20（3）：192-195.

[19]中國科學院生物學部. 關于加速開發南方草地資源的建議[J]. 中國科學院院刊，1997（4）：258-260.

[20]呂世海. 我國南方草地資源現狀及其發展前景[J]. 四川草原，2005（6）：37-41.

[21]程積民，程 杰，楊曉梅，等. 黃土高原草地植被碳密度的空間分布特征[J]. 生態學報，2012，32（1）：226-237.劉 培，唐國民，趙光磊. 農村秸稈廢棄物清潔制漿技術研究及應用進展[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：446-448.endprint