海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用

海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能.     

开垦对高寒草甸土壤有机碳影响的初步研究

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站地区,选择高寒草甸开垦后形成的一年生人工草地作为研究对象,开垦年限分别为0、1、11、16和20年,利用土壤有机碳密度分组法,进行了0~40cm土层土壤有机碳及不同组分（轻组有机碳,重组有机碳）含量及随开垦年限变化关系的研究。结果表明：高寒草甸开垦后其土壤有机碳的变化主要发生在0~10cm土层,土壤中SOC、LFOC和HFOC呈下降趋势,至20年时分别下降了10.5 %、26.7%、8.1 %,主要原因为当地较为强烈的风蚀作用、耕作侵蚀和开垦加剧了表层（0 ~10cm）土壤有机质的氧化分解,表层土壤中的粗有机物质在降水淋溶作用下,在土体下部重新淀积。而0 ~40 cm土体内,SOC、LFOC和HFOC略有增加,开垦20年,他们的累积速率分别为0.08 t C·hm-2·yr-1、0.07 t C·hm-2·yr-1、0.14 t C·hm-2·yr-1。人工草地长期种植虽然没有改变高寒草甸作为碳汇的基本功能,但却大大降低了其碳汇效应,植物-土壤系统年固定碳量由未开垦前的7.38t C·hm-2·yr-1下降至6.89 t C·hm-2·yr-1。     

土地利用变化对高寒草甸土壤有机质更新的影响

对青藏高原海北站区的自然土壤和扰动土壤进行高分辨率采样,测定土壤根系、有机碳及其¹⁴C含量;用¹⁴C示踪技术探讨土地利用变化对高寒草甸土壤有机质更新的影响.研究表明,土地利用变化对高寒草甸土壤碳循环影响显著.耕作活动导致扰动土壤有机碳储量比自然土壤增加29.35%;扰动土壤剖面10~50 cm深土壤有机质的¹⁴C含量相对富集;自然土壤大多数有机碳储存在土壤表层,更新时间<50 a,同一深度扰动土壤有机碳储量显著少,更新时间长(171~294 a);自然土壤10 cm以下有机碳主要为更新时间>1 000 a的稳定碳所控制,扰动土壤的相应值出现在40 cm以下;自然土壤有机质更新产生的CO₂通量为114 gC·m^-2·a^-1,扰动土壤为48.7 gC·m^-2·a^-1.     

川西高寒山地土壤有机碳与铁、铝矿物复合体分布特征

为了量化川西高寒山地土壤与铁、铝矿物相关的有机碳含量以及探讨川西高寒山地土壤铁、铝矿物对有机碳稳定性和累积方式的影响,采用选择性提取法研究了川西高寒山地的山地灰化土（MP)和高山草甸土（AM）中土壤有机碳与晶质金属氧化物（DH）提取、短程有序（HH）提取、矿物复合体以及有机—金属配合物（PP）提取中的有机碳和铁、铝的分布。结果表明,MP中DH,HH和PP提取的碳含量分别为(10.91±6.23) g/kg、(5.92±1.66) g/kg和(8.76±2.29) g/kg,分别占有机碳的20.92%,12.07%和19.93%;而AM中DH、HH和PP提取的碳含量分别为(9.05±1.33) g/kg、(5.52±1.02) g/kg和(9.12±3.21) g/kg,分别占有机碳的21.04%、12.47%和19.34%。3种提取剂提取的碳含量以及其占有机碳的百分比在MP和AW的A层土壤中均表现为PP > DH > HH,而在B层土壤中则表现为DH > PP ≈ HH。随着土壤深度的增加,深层土壤中次级矿物和晶体矿物丰度的显著增加,导致有机碳与铁、铝矿物复合体由有机—金属配合物主导转变为有机碳与晶质金属氧化物形成的复合体主导。PP提取的碳和其所占有机碳的百分比表现为A层高于B层,而DH和HH提取的碳含量和其所占有机碳的百分比大体表现为A层低于B层。由于MP特殊的土壤性质,这种差异在MP中更为明显。3种提取剂提取的金属（Al+Fe）含量在两种土壤中均表现为DH > HH > PP。而其提取的碳与金属的摩尔比表现为DH < HH < PP,说明随着铁、铝矿物的结晶度增加,其与有机质的作用从共沉淀、络合而向吸附作用转变。DH,HH和PP提取的碳与SOC的相关分析表明,MP中土壤有机碳的累积在一定程度上受晶质铁、铝矿物与有机质的相互作用而驱动;AM中土壤有机碳的累积在一定程度上受短程有序矿物与有机质的相互作用以及有机—金属配合物的驱动。本文研究表明,土壤中的铁、铝矿物与有机碳形成的复合体在一定程度上驱动着川西高寒山地土壤有机碳的积累,不同土壤类型中,与矿物相关的有机碳的分布不同,其有机碳的积累方式也不同。