Mô hình không gian và tính không đồng nhất của carbon hữu cơ và nitơ trong các đụn cát liên quan đến sự thay đổi của thực vật và vị trí địa hình ở vùng đất cát Horqin, miền Bắc Trung Quốc

Springer Science and Business Media LLC - Tập 164 - Trang 29-42 - 2009
X. A. Zuo1,2, X. Y. Zhao1, H. L. Zhao1, Y. R. Guo1, T. H. Zhang1, J. Y. Cui1
1Naiman Desertification Research Station, Cold and Arid Regions of Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, People’s Republic of China
2Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, People’s Republic of China

Tóm tắt

Để đánh giá tác động của địa hình, địa thế và sự thay đổi của thực vật lên mô hình không gian của carbon hữu cơ trong đất (C) và tổng nitơ (N) trong các đụn cát, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp định lượng để xem xét tính không đồng nhất không gian của lớp phủ thực vật, carbon hữu cơ trong đất, và tổng N ở một đụn cát di động tự nhiên đã phục hồi trong 11 năm (RMD11) và một đụn cát di động tự nhiên đã phục hồi trong 20 năm (RMD20) tại vùng đất cát Horqin, miền Bắc Trung Quốc, nơi đã được hàng rào bảo vệ để loại trừ sự chăn thả. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng lớp phủ thực vật, mật độ thực vật, số lượng loài và đa dạng sinh học, carbon hữu cơ trong đất và tổng N tăng lên từ RMD11 đến RMD20 và tăng từ lô 50 × 50m (đỉnh) đến lô 100 × 100m (slope) ở mỗi đụn cát. Phân tích địa thống kê cho thấy rằng phương sai cấu trúc không gian chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng phương sai mẫu ở lớp phủ thực vật, carbon hữu cơ trong đất và tổng N trong mỗi lô đụn. Phạm vi tự tương quan không gian của lớp phủ thực vật, carbon hữu cơ trong đất và tổng N được tính toán tăng từ RMD11 đến RMD20, cho thấy rằng thời gian phục hồi thực vật dài hơn dẫn đến sự phân bố đồng nhất hơn của lớp phủ thực vật, carbon hữu cơ trong đất và tổng N trong các đụn cát. Ngoài ra, tính liên tục không gian của lớp phủ thực vật, carbon hữu cơ trong đất và tổng N giảm từ lô 50 × 50m (đỉnh) đến lô 100 × 100m (slope) ở mỗi đụn cát. Những kết quả này cho thấy rằng sự phân bố không gian của carbon hữu cơ trong đất và tổng N trong các đụn cát có liên quan chặt chẽ đến vị trí địa hình liên quan đến đỉnh đụn cát và độ dốc, độ cao tương đối của điểm lấy mẫu, và lớp phủ thực vật. Hiểu được nguyên tắc của mối quan hệ này có thể hướng dẫn các chiến lược cho việc bảo tồn và quản lý hệ sinh thái đụn cát bán khô hạn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Aguilar, M. R., & Sala, O. E. (1999). Patch structure, dynamics and implications for the functioning of arid ecosystems. Trends in Ecology & Evolution, 14, 273–277. doi:10.1016/S0169-5347(99)01612-2. Aguilar, R., & Heil, R. D. (1988). Soil organic carbon, nitrogen, and phosphorus quantities in northern Great Plains rangeland. Soil Science Society of America Journal, 52, 1076–1081. Aguilar, R., Kelly, E. F., & Heil, R. D. (1988). Effect of cultivation on soils in Northern Great Plains Rangeland. Soil Science Society of America Journal, 52, 1081–1085. Boettcher, S. E., & Kalisz, P. J. (1990). Single-tree influence on soil properties in the mountains of eastern Kentucky. Ecology, 71, 1365–1372. doi:10.2307/1938273. Brosofske, K. D., Chen, J., Crow, T. R., & Saunders, S. C. (1999). Vegetation responses to landscape structure at multiple scales across a Northern Wisconsin, USA, pine barrens landscape. Plant Ecology, 143, 203–218. doi:10.1023/A:1009768115186. Burke, I. C., Lauenroth, W. K., Riggle, R., Brannen, P., Madigan, B., & Beard, S. (1999). Spatial variability in soil properties in the shortgrass steppe: The relative importance of topography, grazing, microsite, and plant species in controlling spatial patterns. Ecosystems (New York, NY), 2, 422–438. doi:10.1007/s100219900091. Cannavacciuoloa, M., Bellidoa, A., Cluzeaua, D., Gascuelb, C., & Trehen, P. (1998). A geostatistical approach to the study of earthworm distribution in grassland. Applied Soil Ecology, 9, 345–349. doi:10.1016/S0929-1393(98)00087-0. Chapin, F. S. III, Walker, L. R., Fastie, C. L., & Sharman, L. C. (1994). Mechanisms of primary succession following deglaciation at Glacier Bay, Alaska. Ecological Monographs, 64, 149–175. doi:10.2307/2937039. Derner, J. D., Briske, D. D., & Boutton, T. W. (1997). Does grazing mediate soil carbon and nitrogen accumulation beneath C4, perennial grasses along an environmental gradient? Plant and Soil, 19, 147–156. doi:10.1023/A:1004298907778. Fowler, N. (1986). The role of competition in plant communities in arid and semiarid regions. Annual Review of Ecology and Systematics, 17, 89–110. doi:10.1146/annurev.es.17.110186.000513. Gerrard, A. J. (1981). Soils and landforms. London: George, Allen and Unwin. Gross, K., Regitzer, K., & Burton, A. (1995). Spatial variation in nitrogen availability in three successional plant communities. Journal of Ecology, 83, 357–367. doi:10.2307/2261590. Holmgren, M., & Scheffer, M. (2001). El Niño as a window of opportunity for the restoration of degraded arid ecosystems. Ecosystems (New York, NY), 4, 151–159. doi:10.1007/s100210000065. Hook, P. B., Burke, I. C., & Lauenroth, W. K. (1991). Heterogeneity of soil and plant N and C associated with individual plants and openings in North American shortgrass steppe. Plant and Soil, 138, 247–256. doi:10.1007/BF00012252. Institute of Soil Sciences. Chinese Academy of Sciences (ISSCAS) (1978). Physical and chemical analysis methods of soils (pp. 7–59). Shanghai: Shanghai Science Technology Press (in Chinese). Isaaks, E., & Srivastava, R. (1989). Applied geostatistics (p. 561). New York: Oxford University Press. Jackson, R. B., & Caldwell, M. M. (1993). Geostatistical patterns of soil heterogeneity around individual perennial plants. Journal of Ecology, 81, 683–692. doi:10.2307/2261666. Jia, Y. P., Su, Z. Z., & Duan, J. N. (2004). Spatial variability of soil organic carbon at small watershed in gully region of Loess Plateau. Chinese Journal of Soil Water Conservation, 18, 31–34. Kelly, R. H., Burke, I. C., & Lauenroth, W. K. (1996). Soil organic matter and nutrient availability responses to reduced plant inputs in shortgrass steppe. Ecology, 77, 2516–2527. doi:10.2307/2265750. Kumar, S., Stohlgern, T. J., & Chong, G. W. (2006). Spatial heterogeneity influences native and nonnative species richness. Ecology, 87, 3186–3199. doi:10.1890/0012-9658(2006)87[3186:SHINAN]2.0.CO;2. Lane, D. R., & BassiriRad, H. (2005). Diminishing spatial heterogeneity in soil organic matter across a prairie restoration chronosequence. Restoration Ecology, 13, 403–412. doi:10.1111/j.1526-100X.2005.00050.x. Legendre, P., & Fortin, M. J. (1989). Spatial pattern and ecological analysis. Vegetatio, 80, 107–138. doi:10.1007/BF00048036. Liu, Z. M., Yan, Q. L., Baskin, C. C., & Ma, J. L. (2006). Burial of canopy-stored seeds in the annual psammophyte Agriophyllum squarrosum Moq. (Chenopodiaceae) and its ecological significance. Plant and Soil, 288, 71–80. doi:10.1007/s11104-006-9090-7. Ludwig, J. A., Wiens, J. A., & Tongway, D. J. (2000). A scaling rule for landscape patches and how it applies to conserving soil resources in savannas. Ecosystems (New York, NY), 3, 84–97. doi:10.1007/s100210000012. Martinez-Turanzas, G. A., Coffin, D. P., & Burke, I. C. (1997). Development of microtopography in a semiarid grassland: effects of disturbance size and soil texture. Plant Soil, 191, 163–171. Milchunas, D. G., & Lauenroth, W. K. (1993). Quantitative effects of grazing on vegetation and soils over a global range of environments. Ecological Monographs, 63, 327–366. doi:10.2307/2937150. Miller, P. M., Singer, M. J., & Nielsen, D. R. (1988). Spatial variability of wheat yield and soil properties on complex hill. Soil Science Society of America Journal, 52, 1133–1141. Nelson, D., & Sommers, L. (1982). Total carbon, organic carbon and organic matter. In A. L. Page, et al. (Eds.), Methods of soil analysis, part 2, no. 9 (2nd ed., pp. 539–577). Madison: ASA Publication. Oba, G., Weladji, R. B., Msangameno, D. J., Kaitira, L. M., & Stave, J. (2008). Scaling effects of proximate desertification drivers on soil nutrients in northeastern Tanzania. Journal of Arid Environments, 72, 1820–1829. doi:10.1016/j.jaridenv.2008.04.009. Palmer, T. M. (2003). Spatial habitat heterogeneity influences competition and coexistence in an African acacia ant guild. Ecology, 84, 2843–2855. doi:10.1890/02-0528. Parkin, T. B. (1993). Spatial variability of microbial processes in soil: A review. Journal of Environmental Quality, 22, 409–417. Pierson, F. B., & Mulla, D. J. (1990). Aggregate stability in the Palouse region of Washington: Effect of landscape position. Soil Science Society of America Journal, 54, 1407–1412. Robertson, G. P., Crum, J. R., & Ellis, B. G. (1993). The spatial variability of soil resources following long-term disturbance. Oecologia, 96, 451–456. doi:10.1007/BF00320501. Rossi, R. E., Mulla, D. J., Journel, A. G., & Franz, E. H. (1992). Geostatistical tools for modeling and interpreting ecological spatial dependence. Ecological Monographs, 62, 277–314. doi:10.2307/2937096. Schimel, D. S., Coleman, D. C., & Horton, K. A. (1985). Soil organic matter dynamics in paired rangeland and cropland toposequences in North Dakota. Geoderma, 36, 201–214. doi:10.1016/0016-7061(85)90002-3. Schlesinger, W. H., & Pilmanis, A. M. (1998). Plant–soil interactions in deserts. Biogeochemistry, 42, 169–187. doi:10.1023/A:1005939924434. Schlesinger, W. H., Raikes, J. A., Hartley, A. E., & Cross, A. F. (1996). On the spatial pattern of soil nutrients in desert ecosystems. Ecology, 77, 364–374. doi:10.2307/2265615. Schlesinger, W. H., Reynolds, J. F., Cunningham, G. L., Huenneke, L. F., Jarrell, W. M., Virginia, R. A. et al. (1990). Biological feedbacks in global desertification. Science, 247, 1043–1048. doi:10.1126/science.247.4946.1043. Seibert, J., Stendahl, J., & Sørensen, R. (2007). Topographical influences on soil properties in boreal forests. Geoderma, 141, 139–148. doi:10.1016/j.geoderma.2007.05.013. Shumway, S. W. (2000). Facilitative effects of a sand shrub on species growing beneath the shrub canopy. Oecologia, 124, 138–148. doi:10.1007/s004420050033. Su, Y. Z., Li, Y. L., & Zhao, H. L. (2006). Soil properties and their spatial pattern in a degraded sandy grassland under post-grazing restoration, Inner Mongolia, northern China. Biogeochemistry, 79, 297–314. doi:10.1007/s10533-005-5273-1. Su, Y. Z., Zhang, T. H., Li, Y. L., & Wang, F. (2005). Changes in soil properties after establishment of Artemisia halodendron and Caragana microphylla on shifting sand dunes in semiarid Horqin Sandy Land, Northern China. Environmental Management, 36, 272–281. doi:10.1007/s00267-004-4083-x. Titus, J. H., Nowak, R. S., & Smith, S. D. (2002). Soil resource heterogeneity in the Mojave Desert. Journal of Arid Environments, 52, 269–292. doi:10.1006/jare.2002.1010. Vinton, M. A., & Burke, I. C. (1995). Interactions between individual plant species and soil nutrient status in short-grass steppe. Ecology, 76, 1116–1133. doi:10.2307/1940920. Wallace, C. S. A., Watts, J. M., & Yool, S. R. (2000). Characterizing the spatial structure of vegetation communities in the Mojave Desert using geostatistical techniques. Computers & Geosciences, 26, 397–410. doi:10.1016/S0098-3004(99)00120-X. Wang, T., Wu, W., Xue, X., Han, Z. W., Zhang, W. M., & Sun, Q. W. (2004). Spatial–temporal changes of sandy desertified land during last 5 decades in Northern China. Acta Geographica Sinica, 9, 203–212 (in Chinese). Wei, J. B., Xiao, D. N., Zhang, X. Y., Li, X. Z., & Li, X. Y. (2006). Spatial variability of soil organic carbon in relation to environmental factors of a typical small watershed in the black soil region, northeast China. Environmental Monitoring and Assessment, 121, 597–613. Wezel, A., Rajot, J. L., & Herbrig, C. (2000). Influence of shrubs on soil characteristics and their function in Sahelian agro-ecosystems in semi-arid Niger. Journal of Arid Environments, 44, 383–398. doi:10.1006/jare.1999.0609. Whitford, W. G., Anderson, J., & Rice, P. M. (1997). Stemflow contribution to the ‘fertile island’ effect in creosote bush, Larrea tridentata. Journal of Arid Environments, 35, 451–457. doi:10.1006/jare.1996.0164. Zeng, D. H., Hu, Y. L., Chang, S. X., & Fan, Z. P. (2008). Land cover change effects on soil chemical and biological properties after planting Mongolian pine (Pinus sylvestris var. mongolica) in sandy lands in Keerqin, northeastern China. Plant and Soil. doi:10.1007/s11104-008–9793-z. Zhang, T. H., Zhao, H. L., Li, S. G., Li, F. R., Shirato, Y., Ohkuro, T. et al. (2004). A comparison of different measures for stabilizing moving sand dunes in the Horqin Sandy Land of Inner Mongolia, China. Journal of Arid Environments, 58, 203–214. doi:10.1016/j.jaridenv.2003.08.003. Zhang, J. Y., Zhao, H. L., Zhang, T. H., Zhao, X. Y., & Drake, S. (2005). Community succession along a chronosequence of vegetation restoration on sand dunes in Horqin Sandy Land. Journal of Arid Environments, 62, 555–566. doi:10.1016/j.jaridenv.2005.01.016. Zhao, H. L., Zhao, X. Y., Zhang, T. H., & Zhou, R. L. (2005). Desertification processes of sandy rangeland due to over-grazing in semi-arid area, Inner Mongolia, China. Journal of Arid Environments, 62, 309–319. doi:10.1016/j.jaridenv.2004.11.009. Zheng, J., He, M., Li, X., Chen, Y., Li, X., & Liu, L. (2008). Effects of Salsola passerina shrub patches on the microscale heterogeneity of soil in a montane grassland, China. Journal of Arid Environments, 72, 150–161. doi:10.1016/j.jaridenv.2007.05.010. Zhu, Z. D., & Chen, G. T. (1994). The sandy desertification in China (pp. 7–268). Beijing: Science Press (in Chinese). Zuo, X. A., Zhao, H. L., Zhao, X. Y., Zhang, T. H., Guo, Y. R., Wang, S. K. et al. (2008a). Spatial pattern and heterogeneity of soil properties in sand dunes under grazing and restoration in Horqin Sandy Land, Northern China. Soil & Tillage Research, 99, 202–212. doi:10.1016/j.still.2008.02.008. Zuo, X. A., Zhao, H. L., Zhao, X. Y., Guo, Y. R., Li, Y. L., & Luo, Y. Y. (2008b). Plant distribution at the mobile dune scale and its relevance to soil properties and topographic features. Environmental Geology, 54, 1111–1120. doi:10.1007/s00254-007-1104-0.