長期封育對內蒙古羊草草地土壤有機碳組分的影響

王春燕，張晉京，呂瑜良，王莉，何念鵬

（1.西南大學地理科學學院，重慶400715；2.中國科學院地理科學與資源研究所 生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101；3.吉林農業大學資源與環境學院，吉林 長春130118）

中國草地面積約4億hm2，是我國最大的陸地生態系統類型，約占陸地總面積的40%以上［1－2］。由于人類活動加劇和全球氣候變化的共同作用，中國各類型草地約90%處于不同程度退化之中，而對于這些退化草地的恢復重建，其關鍵點和難點在于土壤的恢復［3］。草地封育以其成本低、技術要求低和易推廣的優勢而被廣泛使用［4］；它不僅有利于草地植被的恢復［5－6］，也有利于草地土壤結構的改善［7］和土壤養分元素的提高［8］。從草地固碳效應而言，封育是提高內蒙古草地土壤碳儲量及其固碳效應最有效的措施之一［9－11］；通常，羊草草地土壤碳儲量隨封育年限增加呈對數增長，當封育年限達到20年后草地土壤碳儲量最大，而后土壤碳儲量則趨于平穩狀態［12］。此外，封育在提高土壤碳儲量的同時對土壤各粒級碳儲量也存在著顯著影響［10］。迄今為止，系統性地研究長期封育對草地土壤有機碳組分和有機質結構影響的文章還未見報道，使我們在解釋長期封育對草地土壤的影響機制方面存在較大的知識缺陷。

土壤有機碳是指存在于土壤中有機物質的碳元素含量。土壤有機碳在土壤物理、化學和生物學特性中發揮著極其重要的作用［13］。土壤有機碳可分為性質不同和分解程度不同的碳組分［14］，其含量及其組分的變化，不僅影響土壤肥力，而且還影響土壤與大氣之間的碳素交換平衡［15］。目前，土壤有機碳的研究主要集中在對土壤有機碳總量的估算及分布［16－17］和人類活動對土壤有機碳的影響［18－20］；土壤有機碳組分的研究涉及到：微生物碳、水溶性有機碳［21－23］、土壤易氧化有機碳［24－25］、顆粒有機碳［26］和腐殖酸類物質［27］，但大多數研究僅涉及單個或2～3個有機碳組分。并且土壤有機碳組分的研究大多集中在農田生態系統，而對草地生態系統的系統研究非常匱乏。因此，弄清長期封育對草地土壤有機碳組分和土壤有機質結構的影響，對科學評估封育措施對草地生態系統固碳效應和土壤穩定性具有重要意義。

本文以內蒙古地區廣泛分布的羊草草地為研究對象，通過對比分析自由放牧草地和長期封育草地（封育32年）的土壤有機碳組分、土壤團聚體及其有機碳含量、土壤腐殖質及其結構，探討了長期封育對羊草草地土壤有機碳組分的影響，為綜合評價長期封育后的草地土壤恢復效果及其可持續性提供科學依據；同時，許多參數也是構建機理模型的重要參數。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

野外實驗樣地設置在中國科學院內蒙古草原生態系統定位站（116°40′E，43°33′N）。研究區域的海拔1200～1250m，年均溫度0.4℃，年均降水量345mm左右，降雨主要集中在6－8月份，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤，屬于典型的大陸性溫帶半干旱草原氣候。土壤主要為暗栗鈣土，植被類型為溫帶典型草原。實驗樣地分別為長期封育草地和自由放牧草地，其中，長期封育草地自1979年圍欄封育至今，草地狀態良好，優勢植物種類為羊草（Leymuschinensis）、大針茅（Stipagrandis）和西伯利亞羽茅（Achnatherumsibiricum）等。自由放牧草地屬于天然牧場，目前處于輕度退化狀態，優勢植物種類主要有羊草、大針茅和糙隱子草（Cleistogenessquarrosa）［28］。

1.2 野外取樣

2011年8月中旬，分別在1979年圍欄封育草地和自由放牧草地設置1條100m取樣帶，在每條樣帶上間隔10m設置1個1m×1m樣方（每個樣地共10個樣方），在樣方內用土鉆 （直徑4cm）對0～20cm土壤進行取樣。在長期封育草地和自由放牧草地分別獲得3個混合土壤樣品，土壤樣品分為土和4℃冷藏土分別進行保存。

1.3 室內分析

在實驗室內對土壤有機碳組分進行了系統的分析，詳細指標和測試方法如下：土壤有機碳（SOC）的測定采用重鉻酸鉀法；土壤易氧化有機碳（EOC）的測定采用333mol/L的高錳酸鉀氧化法［29］；土壤顆粒有機碳（POC）的測定采用0.5%六偏磷酸鈉分散法；運用0.11mol/L NaOH溶液法提取可提取腐殖質和胡敏酸溶液，后用重鉻酸鉀容量法測定其碳含量；富里酸碳（FAC）含量采用差減法計算；胡敏素碳（HUC）采用稀堿－尿素混合液方法［30］提取胡敏素后測得；土壤微生物碳（MBC）采用氯仿熏蒸提取法；土壤全氮采用凱式定氮法，全磷采用鉬藍比色法，pH值采用水浸提酸度計法（土∶水＝1∶5）進行測定；土壤團聚體的粒徑分級采用濕篩法［31］；固態13C核磁共振波譜用瑞士Bruker AV400型核磁共振儀測定。

1.4 數據分析與處理

所測得數據采用Excel 2007進行整理計算，不同處理之間數值的差異采用T檢驗確定（SPSS 11.0），顯著性水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 長期封育對土壤有機碳組分及土壤性質的影響

長期封育對草地土壤有機碳組分及其土壤養分含量具有顯著影響。相對于自由放牧草地，長期封育草地土壤有機碳及其各組分碳中，除微生物碳（MBC）含量有所降低外，其他碳組分含量都有顯著提高（P＜0.05）。土壤全氮、全磷等養分儲量也均有不同程度的提高，并且二者都存在顯著差異（P＜0.05）。特別是易氧化有機碳（EOC），長期封育后草地土壤易氧化有機碳含量是自由放牧草地土壤的4.53倍。土壤有機碳（SOC）、顆粒有機碳（POC）和水溶性有機碳（WSOC）的含量也提高較為明顯，分別是自由放牧草地土壤的1.39，2.03和1.28倍（表1）。

2.2 長期封育對土壤團聚體有機碳含量的影響

如圖1所示，封育草地與自由放牧草地土壤團聚體粒徑分布差異顯著（P＜0.05），自由放牧草地土壤中0.053～0.25mm粒徑的微團聚體含量所占比例最高，占各粒級團聚體含量的52.5%，其次是＜0.053mm粒徑團聚體，所占比例為32.3%，最后是0.25～2mm大粒徑團聚體，所占比例為14.8%。而在長期封育的草地土壤中，0.25～2mm粒徑團聚體所占比例最高，達到了82.2%，其次分別是0.053～0.25mm的微團聚體和＜0.053mm土壤團聚體，其含量分別占14.6%和1.88%。由此可知，長期封育顯著改變了土壤結構，特別是顯著提高了土壤0.25～2mm大粒徑團聚體所占比例，而＜0.25mm粒徑團聚體所占比例則相應降低。

由圖1可以看出，土壤各粒徑團聚體的有機碳含量在封育和自由放牧草地也存在差異，自由放牧草地土壤有機碳主要分布在＜0.053mm和0.053～0.25mm粒徑團聚體中，有機碳含量分別為6.07和5.59g/kg。而在0.25～2mm團聚體的有機碳含量最少，僅有2.62g/kg。在長期封育后土壤有機碳更多分布在0.25～2mm的大粒徑團聚體中，含量為16.1g/kg，而＞0.25mm粒徑團聚體中的有機碳含量則分布較少，特別是＜0.053mm粒徑團聚體中有機碳含量僅為0.42g/kg。因此，長期封育后，顯著改變了土壤有機碳在團聚體中的分布特點，使土壤有機碳主要分布在0.25～2mm的大粒徑團聚體中；即大團聚體比微團聚體含有更多的有機碳，隨著團聚體粒級的減小土壤團聚體中的有機碳含量逐漸降低。該結果與徐江兵等［32］的研究結果一致，Jastrow等［33］運用13C示蹤法也證實了這一觀點。

表1 長期封育對草地土壤有機碳組分及養分含量的影響Table 1 Effect of long－term grazing exclusion on the content of soil organic carbon fractions and nutrients in grasslands

圖1 土壤團聚體組成及其有機碳含量Fig.1 The composition of aggregate and organic carbon content

2.3 長期封育對草地土壤腐殖質組分碳的影響

2.3.1 長期封育對草地土壤腐殖質各組分碳含量的影響 作為土壤碳庫的重要組成部分，腐殖質是表征土壤有機物質轉化進程中土壤碳庫穩定性的重要組分［34］。如表2所示，長期封育對草地土壤腐殖質碳各組分含量有顯著影響（P＜0.05）；其中，長期封育和自由放牧草地土壤胡敏素碳（HUC）含量、土壤沉淀比（PQ）呈現出極顯著差異（P＜0.01）。與自由放牧草地相比，長期封育草地土壤可提取腐殖質碳（HEC）、胡敏酸碳（HAC）、胡敏素碳（HUC）、土壤沉淀比（PQ）及胡敏酸碳（HAC）與富里酸碳（FAC）的比值（HAC/FAC）均有不同程度的增加，其中以HAC/FAC增幅最大，該含量是自由放牧草地土壤的5.66倍。其次，封育草地土壤沉淀比（PQ）是自由放牧草地的1.73倍。長期封育有利于土壤胡敏酸（HA）的積累和HAC/FAC的提高。

2.3.2 長期封育對土壤胡敏酸結構特征的影響 土壤胡敏酸元素組成和原子比率如表3所示，長期封育后土壤胡敏酸的C和H元素含量分別增加了1.755%和0.100%，N和S元素則相應減少。長期封育不僅影響了土壤胡敏酸的元素組成，同時也影響其原子比率。H/C和C/N原子比值常用來表征胡敏酸的縮合度和腐殖化程度。從表3可以看出，長期封育后土壤胡敏酸H/C處于降低的趨勢，而C/N處于上升的趨勢，意味著長期封育后土壤的縮合度降低，而腐殖化程度增加。

表2 長期封育對草地土壤腐殖質組分碳含量的影響Table 2 Effect of long－term grazing exclusion on the carbon content of soil humus carbon fractions in Inner Mongolian grasslands

表3 長期封育對草地土壤胡敏酸性質的影響Table 3 Effect of long－term grazing exclusion on soil humic acid in Inner Mongolian grasslands

圖2是封育草地和放牧草地土壤胡敏酸（HA）的固態13C核磁波普圖。2個波普圖非常相似，但一些吸收峰的相對強度出現了差異，這說明組成胡敏酸的基本結構變化不大，但這些結構單元的含量發生了改變。由該圖所測的波普圖按化學位移可劃分為烷基碳區（0～50ppm）、烷氧碳區（50～110 ppm）、芳香碳區（110～160ppm）、羰基碳區（160～210ppm）4個結構帶，根據圖譜的積分面積可計算出不同類型碳的百分含量 （表4）。

圖2 土壤胡敏酸的13C－NMRR波普Fig.2 13C－NMR spectra of soil humic acids

表4可見，自由放牧草地土壤胡敏酸中烷氧碳的比例最高為34.45%，其次是芳香碳28.65%和烷基碳19.33%，羰基碳的比例最低為17.58%。長期封育后草地土壤胡敏酸中的烷氧碳和芳香碳的比例增加，烷基碳和羰基碳比例則相應降低。上述不同類型碳相對比例的變化導致長期封育草地土壤胡敏酸中脂族碳/芳香碳、烷基碳/烷氧碳值的降低而疏水碳/親水碳值增加；據此可推斷長期封育可增加草地土壤有機質的穩定性。

表4 由13C－NMR波普計算的土壤胡敏酸不同官能團碳的相對含量變化Table 4 The relative contents of various carbon types calculated by 13C－NMR spectra in soil humic acid

3 結論與討論

從長期封育后草地土壤的各項指標變化來看，除土壤微生物碳（MBC）含量降低外，長期封育后草地土壤有機碳的各個組分都有顯著提高。這可能是因為封育后草地植被逐漸恢復，凋落物和植物根系的輸入增多［35－36］，從而增加了土壤有機碳的輸入量［9］。相關研究也表明：土壤易氧化有機碳（EOC）、水溶性有機碳（WSOC）及微生物碳（MBC）含量都與土壤總有機碳呈現顯著的正相關［21，24］。本研究中封育草地土壤有機碳總量增加而MBC含量卻減少；這可能是因為封育后缺乏動物排泄物輸入使土壤細菌含量明顯降低。此外，長期封育后草地土壤溫度會顯著下降，可能也是導致土壤微生物量碳下降的重要原因［37］。同時該區處于半干旱氣候區，土壤含水量較低，微生物群落結構相對簡單，種群數量少，因此導致了土壤中微生物碳含量的減少。上述分析也暗示：在溫帶草原氣候區，微生物碳含量不能作為評價草地土壤有機碳含量的指標，而長期封育后草地土壤易氧化有機碳含量提高最為明顯，是自由放牧土壤的4.53倍，易氧化有機碳可成為長期封育后溫帶草地土壤有機碳含量的敏感性指標。

從草地土壤穩定性看，土壤團聚體的穩定性對形成和保持良好的土壤結構極為重要［38］。封育后，草地土壤各級團聚體含量所占比例呈現出由大粒徑團聚體向小粒徑團聚體遞減的趨勢，且0.25～2mm的大粒徑團聚體含量最高，同時各級土壤團聚體有機碳含量也呈現出一致的變化特點。可見，封育后草地土壤各粒級有機碳含量高低與該粒級團聚體含量多少有關，并且0.25～2mm粒徑團聚體含量可作為封育后土壤有機碳含量的可靠表征。謝賢健和張繼［39］認為＞0.25mm的水穩性團聚體含量越高，土壤團聚體穩定性越強。Six等［40］認為大團聚體是較小粒徑團聚體通過有機物膠結形成，所以有機碳含量隨著團聚體粒徑的增大而增加。長期封育草地中＞0.25mm的水穩性團聚體含量遠遠大于自由放牧草地，因此可以認為長期封育草地增強了土壤有機碳的穩定性。自由放牧草地土壤團聚體及其有機碳含量并不呈現這樣的特點，其原因可能是自由放牧土壤由于外部環境的破壞，如動物的踩踏和濫采藥材等導致了土壤大粒徑團聚體的破壞和土壤有機碳的礦化［41］，使草原土壤結構破壞和土壤有機碳穩定性減弱，從而導致草原土壤質量退化且更易于遭到侵蝕［42］。同時，長期封育后土壤烷氧碳含量增加，烷基碳含量減少，商素云等［43］認為烷氧碳屬于不穩定的碳而烷基碳屬于穩定的碳，長期封育后土壤中不穩定的烷氧碳向穩定的烷基碳轉化，說明長期封育使得土壤碳庫更加穩定。

Baldock等［44］認為利用脂族碳/芳香碳的比值來反映土壤有機碳分解程度的指標，容易受到輸入土壤有機碳原始結構的影響，具有不確定性。而疏水碳/親水碳反映了腐殖物質疏水程度的大小，與土壤有機碳和團聚體的穩定性密切相關，通常該比值越大則土壤有機碳和團聚體的穩定性也越高［45］。本研究中長期封育使胡敏酸中疏水碳/親水碳增大，表明長期封育使草地土壤有機碳和團聚體穩定性增強。同時，土壤腐殖質中胡敏酸元素H/C的比值高低通常被認為與胡敏酸當中的脂肪族成分有關，較低的H/C表明，胡敏酸中脂肪族的成分含量較高［46］。長期封育后草地土壤H/C降低，說明長期封育土壤胡敏酸脂肪族含量增多。由于脂肪族化合物較穩定且難分解，其含量的增加也就意味著土壤胡敏酸的穩定性增加，從而使其向更加穩定性的基團轉化［47］。

從草地土壤品質變化來看，胡敏酸和富里酸都是土壤腐殖質中的重要組分。長期封育顯著提高了土壤胡敏酸碳（HAC）的含量（P＜0.05）而富里酸（FAC）含量則顯著降低（P＜0.01）。這可能是封育促進了草地土壤腐殖質的胡敏化作用，導致富里酸（FAC）相對減少的緣故。HAC/FAC是評價土壤腐殖質品質優劣的指標，比值越大，品質越好［48］。此外土壤的HAC/FAC也能反映土壤的熟化程度以及肥力狀態，且隨土壤肥力的提高而增加［49］。同時，可提取腐殖物質中胡敏酸的比例（PQ值）作為腐殖化程度的指標，是衡量土壤腐殖質品質優劣的一個重要指標，比值越大，胡敏酸含量越高，分子量增大、分子結構越復雜，品質越好［48］。長期封育草地土壤無論是HAC/FAC或PQ值都較自由放牧草地土壤得到了顯著的提高（P＜0.01），表明長期封育有利于草地土壤腐殖質化過程，增強土壤腐殖質的活性、改善其品質、提高土壤肥力。

竇森等［50］通過對不同來源胡敏酸結構的研究認為，0～110ppm是胡敏酸中的脂族碳。胡敏酸脂族性的下降以及芳香性、氧化性和極性的增強，是其分子結構發生老化的標志［51］。長期封育后，草地土壤0～110ppm脂族碳含量較自由放牧草地增加，意味著長期封育有利于草地土壤胡敏酸的年輕化。而封育草地土壤芳香度呈現出增加的趨勢，可能是因為胡敏酸的更新過程非常迅速而老化過程則相當緩慢，當有機物的分解趨于緩慢的時候，則胡敏酸向老化方向發展［52］。草地在經歷長期封育后，其土壤胡敏酸中的有機物分解趨于平穩而相對緩慢，從而使得土壤胡敏酸呈現出向老化方向發展的特點。

本文從土壤有機碳組分，土壤團聚體和土壤腐殖質3個方面對長期封育草地和自由放牧草地各項指標進行了對比分析，對圍欄封育作為草地土壤管理、恢復和實現可持續發展的有效措施提供了理論依據。然而，受研究方法的限制（長期封育草地VS自由放牧草地），我們還無法對土壤有機碳組分在長期封育各時間段內的具體變化過程加以描述。此外，受研究方法的限制，目前還無法將自由放牧過程對草地土壤的影響進行區分和判定。有研究［53－54］認為輕度放牧將有利于有機質的積累，Steffens等［55］則認為長期過度放牧將導致土壤碳儲量的降低。He等［56］對內蒙古草地載蓄量進行深入研究認為，草地土壤表面碳儲量隨著草地載蓄量的增加呈現線性降低的規律，輕度放牧有利于草地土壤碳固持而過度放牧則將造成草地土壤碳的流失。因此，今后的研究中應更多地與封育年限相結合，來加強其土壤有機質形成過程的機制性研究。

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