植被碳密度梯度分布及其与气候因子的关系

西藏高寒草原生态系统植被碳密度梯度分布及其与气候因子的关系1王建林1,欧阳华2,王忠红1,常天军1,沈振西2,钟志明2（1.西藏农牧学院植物科学技术系，西藏林芝860000；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101）摘要：基于西藏高寒草原生态系统中以水分为主要驱动力的东西样带和以温度为主要驱动力的南北样带内的实测数据，分析了植被碳密度的分布特征及其与气候因子之间的关系。结果表明:1）在28°46′－31°40′N的南北样带内，植被碳密度随着纬度的增加而增加，当纬度增加到一定程度后，则随着纬度的增加而减少，呈现出南北低、中间高的分布特征；2）在80°02′－91°50′E的东西样带内，植被碳密度随着经度的增加而增加，呈现出东高西低的分布特征；3）无论南北样带还是东西样带，植被碳密度分布是年均气温和年均降水量综合作用的结果，年均降水量的作用大于年均气温。关键词：西藏高寒草原；植被碳密度；回归分析；气候因子GradualdistributionofvegetationcarbondensityandrelationwithclimaticfactorsintibetanalpinegrasslandecosystemJian-Lin1,OUYang-Hua2,WANGZhong-Hong1,CHANGTian-Jun1,SHENZhen-Xi2,ZHONGZhi-ming2(1.PlantSci-TechDepartmentofTibetAgriculturalandAnimalHusbandryCollege,Linzhi860000,China；2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)Abstract:BasedonthedatafromthesoilsamplessurveyedalongtheEast-WestTibetTransect(EWTT)ismainlydrivenbyprecipitationandtheNorth-SouthTibetTransect(NSTT)ismainlydrivenbytemperatureinTibetanalpinegrasslandecosystem,thevegetationcarbondensitydistributioncharacteristicsandtherelation-shipbetweenitandclimaticfactorswereanalyzed.ItwasshownthatthevegetationcarbondensitywasincreasewhenthelatitudeincreasefirstlyandthendecreaseinNSTT,withinthelatituderangeof28°46′-31°40′N,thedistributiontookonthelowerinthesouthernandthenorthern,andthehigherinthemiddlezone.ButthevegetationcarbondensitywasincreasewhenthelongitudeincreaseinEWTT,withintherangeof80°02′-91°50′E,thedistributiontookonthehigherintheeasternandthelowerinthewestern.However,thevegetationcarbondensitywasinfluencedsyntheticallybytheaverageannualtemperatureandtheaverageannualrainfall,butinfluenceofthelasttothefirstforit.Keywords:Tibetanalpinegrassland；Vegetationcarbondensity；Regressionanalysis；Climaticfactors收稿日期：2009-04-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(40661007)作者简介：王建林（1969~），男，汉族，甘肃临洮人，教授，学士，主要从事高原生态环境与生物多样性研究，电话：[phone].陆地生态系统的有机碳主要储存在植被和土壤中。相对于其它陆地生态系统，巨大的地下有机碳储量是草地生态系统的一个显著特点。据估计，全球草地系统中约80%的生物量碳储存在地下[1]。草地作为地球上分布最广的生态系统类型之一[2-3]，在陆地生态系统碳循环中占有重要地位。许多学者对世界主要草地的植被和土壤碳储量进行了估算[4-6]。但由于数据源和估算方法的差异，特别是对地下生物量的估算存在很大的不确定性，使得全球草地生态系统的碳储存能力可能被大大低估[1，7]。在区域尺度或国家尺度上估算陆地生态系统生物量通常有2种方法：一是利用全球植被类型的平均生物量密度，乘以对应的面积来估算[6，8-9]；二是利用实测调查资料建立生物量与遥感参数之间的回归模型[10]，或利用草地清查资料数据直接估算生物量[11]。无论采用哪种方法，实测生物量数据特别是地下生物量数据的缺乏，使以往中国草地碳估算尚存在较大的不确定性。因此，获取更多实地观测数据，有助于更准确地评价草地在陆地碳平衡中的作用。中国拥有丰富的草地资源，从东北平原越过大兴安岭，经辽阔的蒙古高原、鄂尔多斯高原、黄土高原，直到青藏高原南缘，绵延约4500km，南北跨越23个纬度，草地面积近400×106hm2，其中北方的天然草地约313×106hm2，占全国草地总面积的78%，构成中国草地的主体，巨大的分布面积和地下碳储存能力，使得这里可能成为中国陆地生态系统潜在的碳汇[12]。尽管国内学者已经陆续开展了中国草地碳储量的研究，但有关青藏高原草地生态系统的植被和土壤碳储量的研究仍然不多。在国际生物圈（IBP）研究计划中，青藏高原被列为全球气候变化的敏感区域，这种极端环境下发育的植被和土壤对气候变化极为敏感，是研究生态系统对气候变化响应与适应机制的天然实验室。高寒草原是青藏高原广泛分布的植被类型之一，它不仅是亚洲中部高寒环境中典型的生态系统之一，而且在世界高寒地区也极具代表性。近年来，虽然对高寒草原生态系统的碳循环问题进行了一些研究[13-15]，但基础资料仍然十分缺乏，尤其缺少基于实地观测数据的研究，而且尚未见到西藏高寒草原生态系统植被碳密度梯度分布及其与气候因子关系的研究报道。本文基于以水分为主要驱动力的东西样带和以温度为主要驱动力的南北样带，根据各样带的实测数据，分析西藏不同高寒草原生态系统植被碳密度的空间分布特点及其与气候因素(降水和温度)之间的关系，为研究高寒草原生态系统对气候变化的响应提供基础资料，为理解青藏高原对气候变化响应的区域差异提供科学依据。1材料和方法1.1样带设置为了定量分析水热条件和西藏高寒草原生态系统植被碳密度在空间上的梯度变化，本文设置经度和纬度两个方向的渐变样带，研究其水平地带性分布特征。其中：在西藏高原沿纬度方向设置5个样点，从南向北依次是曲松、墨竹工卡、当雄、那曲、安多(下称南北样带)，跨纬度2.94度(28°46′～31°40′N)，经度1.18度(91°04′～92°22′E)、海拔落差40m(4591～4631m)。同样，大体沿经度从东向西也设置5个样点，依次是安多、班戈、改则、革吉、噶尔(下称东西样带)。该样带跨经度11.48度(80°02′～91°50′E)、纬度0.94度(31°40′～32°34′N)、海拔落差237m(4374～4611m)。各样点基本情况见表1。表1西藏高原高寒草原土样采集点基本情况Table1TheconditionofsoillocationinTibetanPlateautransect地点经度（°）纬度（°）海拔高程(m)年均降水量(mm)年均气温(℃)自然地带安多91.3731.404611409-3高山灌丛草甸带那曲91.8331.314633400.1-1.9高山灌丛草甸带当雄91.0730.524576483.11.3高山灌丛草甸带墨竹工卡92.3729.784947497.012.56山地灌丛草原带曲松92.1228.774591402.41.98山地灌丛草原带班戈90.0531.44907301.2-1.2高山草原带改则84.832.084447166.10.1高山草原带革吉82.4532.524374120.40.45高山草原带噶尔80.0332.57446854.30.7山地半荒漠与荒漠带1.2土壤样品的采集课题组于2007年7月至8月沿东西样带和南北样带进行野外考察。在野外考察过程中，用全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)确定每个具体采样地点。在每个采样地点分别设置4m×4m的样地12块，各样地水平间隔100m。采用对角线方式，分别在每样点内间隔选取6块样地，每块样地内随机设置3个1m×1m的小样方。地上生物量采用收获法测定后[16]，挖取25cm×25cm样方的土柱，土柱深度40cm，并按0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm分层取样，取出的土样连同根系用纱布包好。现场调查每个样方中植物物种数、优势种、平均高度和平均盖度，并调查坡度、海拔、坡向与土壤类型。1.3样品处理及数据分析将地上生物量及用水冲洗干净、风干后的地下分层生物量，置于80℃的恒温烘箱中烘至恒重，称干重，并用重铬酸钾氧化-外加热法测定植物碳含量。植被碳密度计算采用以下公式[17]:DVCt=kiiC1DV=kiiiC1O(1)式(1)中:DVCt为单位面积植被碳密度(kg·m-2)，k为植被生物量所分层次（地上部分和地下部分），Ci为植被碳含量(%)，Oi为单位面积植被生物量(kg·m-2)。1.4气象资料的收集与分析野外考察完成后，收集样带内各样点相邻气象站的年均气温与年均降水量等气象资料［18－31］，并借助DPS统计软件［32］分析植被碳密度与降水、气温等气候因素之间的关系。2结果与分析2.1南北样带内植被碳密度的梯度分布及其与气候因子的关系2.1.1南北样带内植被碳密度的梯度分布特征据分析，南北样带表层（0～20cm）植被碳密度平均为0.5690±0.2749kg·m-2，变异系数48.31%。不同的高寒草原生态系统，南北样带内植被碳密度不同。其中：样带南部区域（28°46′～29°47′N）属喜马拉雅山北翼山原湖盆区，介于喜马拉雅山和藏南分水岭之间，海拔一般在4300～4600m之间，湖盆区外围山地和丘陵相对高差一般500m左右，年均气温在0.7℃～2.6℃之间。因地处喜马拉雅山脉北麓雨影区，且受溯江而上的印度洋暖湿气流影响较小，年降水量在200～400mm之间。在寒冷干旱气候条件下，广泛发育着以固沙草(Orinusthorodii)、劲直黃芪(Astragalusstrictus)为优势种，紫花针茅(Stipapurpurea)、昆仑针茅(Stiparoborowskyi)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、窄叶苔草(Carexmontis-everestii)、藏白蒿(Artemisiayounghusbandii)、藏沙蒿(Artemisiawellbyi)、异叶青兰(DracocephalumheterophyllumBenth)为伴生种的中生禾草组固沙草＋劲直黃芪草地型，植被碳密度平均为0.4377±0.2850kg·m-2。纬度每向北递增1度，植被碳密度增加0.4677±0.0330kg·m-2。样带中部区域（29°47′～30°31′N）属藏中山原湖盆区，介于藏南分水岭和念青唐古拉山之间，海拔一般在4200～4900m之间，湖盆区外围山地和丘陵相对高差一般500m左右，年均气温在1.3℃～2.6℃之间，年降