不同退化程度對坡地草地土壤可溶性有機碳及其特征的影響

中圖分類號：S812.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2025）09-2941-09

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.09.019

The Influence of Different Degrees of Degradation on Soil Dissolved Organic Carbon and its Characteristics in Sloping Grassland

ZHANG Sheng-nan ^1，2 ， LI Fu-cui1.2*，LI Jin-bo12，LI Hai-han12，YAN Yu-xing3，DIN Xiao-wei1.2， ZHENG Din-yuan1'2， SHA Meng- ?Xi^1，2 ，LIU Xi-ling1，2，YANG Lu-ming1，2， HAN Lie-bao1.2*

（1.Schoolofassandiene，BeingForestryUiversityeg，ina；.EngineeigndecholgesearhteforSportsFieldandSlopeProtectionurf，NatioalForestryandGrassadAdmistration，Beijng，Chna.ChinaAiclral University，Beijing 10o193，China）

Abstract：Investigating the variation characteristics of dissolved organic carbon （DOC） in soils of sloping grasslands under different degradation levels is crucial for understanding soil carbon cycling processes.Therefore， this study focuses on severely and moderately degraded sloping grassands near the forest edge in Hulunbuir City，Inner Mongolia.By measuring the soil DOC content in the surface layer at diferent slope positions and analyzing the spectral characteristics of dissolved organic matter（DOM），this study explores the variations of soil DOC across grassland degradation levels.The results showed that grassand degradation significantly reduced soil soil organic carbon （SOC） content，with moderately degraded slope showing 48.97% higher SOC than heavily degraded grassland.However，grassland degradation intensity had no significant efects on DOC content.Heavily degraded slopesshowed relatively higher DOC ： SOC ratio and lower stability，which indicated poor soil carbon sequestration. In contrast，the lower slope was relatively stable. Fluorescence spectroscopy revealed that soil dissolved organic matter（（DOM） was predominantly derived from plant sources （ FI=1 72± （204號 0.15， BIX=0.68±0.07） ，with minormicrobial contributions（HIX ：=2 15±0.32 ），indicatinglowhumification levels. The fluorescence spectral analysis revealed that the soil DOM was predominantly derived from plant sources，with minor microbial contributions，which indicated weak humification.Our findings demonstrate that both degradation intensity and slope position significantly influence SOC stability in sloping grasslands.For restoration of degraded slope grasslands，integrated measures （including reseeding，fertilization，and water conservation measures）are suggested to enhance soil fertility，which are expected to improve soil carbon storage and stability.

Key words：Sloping grassand;Degree ofdegradation;Slope position;Dissolved organic carbon;UV-fluorescence absorption characteristic

土壤是陸地生態系統中最大的碳儲存庫，土壤有機碳庫是全球碳循環的重要途徑[1]，也是地表最具活性的碳庫[2]。土壤可溶性有機質（Dissolvedorganicmatter，DOM）是指能夠通過 0.45μm 濾膜且能被水或稀鹽溶液提取的有機物質，包含了可溶性有機碳（Dissolvedorganiccarbon，DOC）、可溶性有機氮（Dissolved organic nitrogen，DON）等[3-4]。雖然DOM在土壤有機質的占比較少，但具有活性高、周轉快、易分解等特點，在土壤碳儲存和碳循環、微生物能量來源以及土壤團聚體形成等方面起著關鍵作用[5。其中，DOC具有較強的移動性、流通性且易被氧化、分解和礦化[6]，是最容易被土壤微生物分解利用的土壤有機碳組分，也是土壤碳遷移和淋失的主要形式。同時，由于DOC有特異性結構域，其還可影響土壤形成、礦物風化、污染物毒副作用等[7]。大量研究表明，DOC的動態變化在碳循環過程中有著重要作用，因此，探究DOC的動態變化可以更好地反映土壤有機碳的穩定性。

我國草地面積3.928億 hm² ，約占國土面積的40% ，碳儲量約占全球草地總碳儲量的 7.5%^[8] ，其中有6500萬 hm² 的草山草坡。但隨著氣候條件的改變、人們的過度放牧、不合理利用等因素導致部分草地出現了不同程度的退化[9]，退化會對不同類型草地土壤有機碳含量產生影響[10-13]。研究表明高寒草甸退化顯著降低了土壤DOC含量[14及其所占比例[5]。費凱等人[15]研究表明，高寒草地土壤有機碳組分隨沙化程度的不斷加深呈現顯著降低趨勢。韓維崢等人[1的研究表明隨著土壤逐漸貧瘠，土壤有機碳含量呈現降低趨勢。同時，坡位是描述地形特征的主要指標，有機碳組分在土壤侵蝕與堆積作用下，在坡面上重新分配，地形或坡位的不同也會對有機碳組分變化產生影響，羅永清等人[17的研究表明迎風坡坡底與坡中表層土壤碳密度高于坡頂和背風坡。寧璐[18]以希拉穆仁荒漠草原不同坡位為研究對象，發現土壤全碳含量受坡位影響顯著，表現為坡下 gt; 坡上 gt; 坡中。目前，大部分研究集中在退化程度和坡位單方面對土壤有機碳的影響，且大部分集中在森林、農田[19-21]。對于不同退化程度坡草地土壤可溶性有機碳及其特征的研究較少。

呼倫貝爾草原位于內蒙古自治區東北部，是現今我國保存最為完整的草原之一[22]，也是我國北方生態屏障的重要組成部分[23]，具有重要的生態功能。但由于人們的不合理利用、氣候變化等因素，到20世紀初期呼倫貝爾草原退化草地面積已占我國的 23% ，其中陳巴爾虎旗中度退化、重度退化占草地面積的 10.6%，1.36%^[24] ，具有較強的代表性。草原退化趨勢嚴峻，植被生產力明顯下降22]，荒漠化草地和沙化草地不斷增多[25]，草地的固氮儲碳能力明顯下降[26-27]。同時，坡位會對土壤有機碳坡面尺度變異產生重要影響，土壤有機碳由于土壤侵蝕和堆積的原因，會在坡面上重新分配[28]。

因此，本研究以呼倫貝爾市陳巴爾虎旗境內不同退化程度坡草地為研究對象，從不同退化程度下不同坡位的土壤有機碳含量、可溶性有機碳含量及芳香性結構特征等幾個方面進行研究，探討不同退化程度下不同坡位對土壤可溶性有機碳及其特征的影響，為認識不同退化程度坡草地土壤碳庫穩定性提供理論支持。

1 材料與方法

1. 1 研究地概況

研究區位于內蒙古自治區呼倫貝爾市陳巴爾虎旗境內，海拔 628～649m ，該地區屬于溫帶大陸性氣候，年均溫 1～2^°C ，日最高氣溫 36.2^°C ，年平均降水量約 400mm ，其中 80% 的降雨集中在6月至9月。該地區的建群種是羊草（Leymuschinensis），優勢種主要是裂葉蒿（Artemisiatanacetifolia）、貝加爾針茅（Stipabaicalensis）、斜頸黃芪（Astragaluslax-mannii）和無芒雀麥（Bromusinermis）。

1.2樣地選取與土壤樣品采集

以天然草地、沙化與鹽漬化的分級標準（GB19377-2003）遙感分析以及實地調查結果為依據，選擇了靠近林緣的草甸草原 （120^°41^′N ， 49^° 50^′E） 。坡草地退化標準以王百竹等[29]對植物退化類群進行劃分，中度退化草原 ：0.6515^° ）。以不同退化程度坡草地為研究對象，分別選取三個不同的坡位（坡上、坡中、坡下），采用“三點混合法”用土鉆取 0～15cm 表層土壤樣品，重復取樣3次。裝袋密封并貼好標簽，除去石塊、動植物殘體等雜質，部分放入 4^°C 冰箱保存，用于DOC含量及其特征測定；其余部分風干后，用于土壤有機碳等指標測定。

1.3 樣品測定

土壤有機碳（Soilorganicmatter，SOC）測定：稱取 20.00mg 過 0.15mm 篩的風干土壤樣品，置于錫箔杯中并封口，然后用碳氮元素分析儀（VarioMACROcube，Elementer，Germany）測定。

DOC測定：采取水土振蕩法[30]，稱取 10.00g 新鮮土樣，加入超純水 50.00mL 混合均勻，以 180r?min^-1 轉速振蕩 12h ，懸濁液在 3500r?min^-1 轉速下離心25min ，用 0.45μm 水系濾膜抽濾上清液，抽濾后濾液用TOC分析儀（Vario TOC，Elementer，Germany）測定。

紫外可見光譜測定：采用紫外分光光度計（TU-1900，北京普析通用儀器有限責任公司，中國），用超純水進行校正，在 254nm 和 260nm 波長下測定樣品的吸光度 UV₂₅₄ 和 UV₂₆₀ ，通過公式（1）分別計算出兩種波長下的特定紫外吸光度 SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ ，作為DOC的芳香性和疏水性指標[31]。

三維熒光光譜測定：采用三維熒光分光光度計（F97PRO，上海精密儀器儀表有限公司，中國），進行三維熒光光譜測量。激發和發射單色儀的狹縫寬度均為 10nm ，激發波長 （E_x） 范圍 200～500nm 波長間隔為 5nm ;發射波長 （E_m） 范圍 250～600nm ，波長間隔 1mm ，掃描速度 3000nm?min^-1 。用熒光指數[32]（FI）、腐殖化指數[33]（HIX）、自生源指數[34]（BIX）和新鮮度指數 ^[35]（β：α） 表示DOM的不同來源，其中 E_x 為激發波長 E_m 為發射波長。計算公式如下：

FI：E_x=370nm，E_m=f₄₇₀/f₅₂₀

HIX：E_x=254nm，E_m=f（435～480）/[f（300～345）+f（435～480）]

BIX：E_X=310nm，E_m=f₃₈₀/f₄₃₀

1. 4 統計分析

使用Excel2016進行數據統計，SPSS22.0軟件進行數據分析。對退化程度和坡位進行雙因素主效應及交互作用分析，同一退化程度不同坡位間的差異性分析利用單因素方差分析（Oneway-ANOVA，LSD），同一坡位不同退化程度采用獨立樣本T檢驗， Plt;0.05 為差異顯著。采用Origin2021繪圖。圖表中的數據均以平均值 ± 標準誤差形式呈現。

2 結果與分析

2.1不同退化程度坡草地土壤可溶性有機碳含量差異

不同退化程度及坡位對土壤SOC含量 （g?kg^-1） 的影響如圖1（a）。對于同一坡位不同退化程度土層，土壤SOC含量隨草地退化程度降低呈現逐漸升高趨勢，中度退化坡草地平均高于重度退化48.97% 。其中，中度退化的SOC含量在坡上、坡下位置較重度退化相應坡位分別顯著增加了 114.0% 和 28.7%（Plt;0.05） 。對于同一退化程度不同坡位土層，重度退化的土壤SOC含量在坡中、坡下位置較坡上顯著增加了 69.50% 和 68.80%（Plt;0.05） ：中度退化的SOC含量在坡下位置較坡中顯著增加了 17.10%（Plt;0.05） 。土壤SOC含量受退化程度與坡位的交互作用影響顯著（ ?Plt;0.05） ，同時，退化程度和坡位均會對土壤SOC含量產生顯著性影響中 ?Plt;0.05） ，見表1。

表1退化程度和坡位兩因素及其交互作用對土壤有機碳和可溶性有機碳含量的影響

不同退化程度及坡位對土壤DOC含量 （mg?kg^-1） 0的影響如圖1（b）。在同一坡位不同退化程度土層中，中度退化草地土壤DOC含量較重度退化呈現升高趨勢，中度退化坡草地平均高于重度退化13.58% 。在同一退化程度不同坡位土層中，重度退化的DOC含量在坡中位置較坡上顯著降低了31.00%（Plt;0.05） ；中度退化的DOC含量在不同坡位之間無顯著性差異。

土壤DOC：SOC是反映土壤碳庫質量的重要指標，用來指示有機碳的穩定性、有效性和水溶性[39]，較高的DOC：SOC會降低土壤有機碳穩定性，不利于土壤碳持續穩定保存。不同退化程度及坡位對土壤DOC含量占SOC含量比例的影響如圖1（c），DOC：SOC的變化趨勢與DOC大體一致。在同一坡位不同退化程度土層中，中度退化的坡上位置的DOC：SOC較重度退化坡上顯著降低了52.80%（Plt;0.05） 。同一退化程度不同坡位土層，重度退化的土壤DOC：SOC介于 0.007%～ 0.019% ，其中，坡中和坡下較坡上分別降低了61. 10% ，51. 40% ，呈顯著性差異；中度退化的土壤DOC SOC介于 0.007%～0.009% ，坡位之間無顯著性差異。土壤DOC：SOC受退化程度與坡位的交互作用影響顯著 ?Plt;0.05） ，同時，退化程度和坡位均會對土壤DOC：SOC產生顯著性影響（ Plt; 0.05），見表1。

2.2不同退化程度坡草地土壤可溶性有機質的紫外可見光譜特征

SUVA₂₅₄ 的值反映的是土壤DOM中芳香族物質的組成和土壤腐殖化程度[40]， SUVA₂₅₄ 越高，代表土壤有機質的芳香程度越高，難被利用的有機物質也越多； SUVA₂₆₀ 的值反映的是DOM疏水性組分的含量， SUVA₂₆₀ 越高，DOM中的疏水有機組分含量越高[34]。由圖2（a-b）可知，在同一坡位土層中，SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 在中度退化的坡上和坡中較重度退化呈上升趨勢，坡下呈降低趨勢，均無顯著性差異。同一退化程度不同坡位土層的 SUVA₂₅₄ 和SUVA₂₆₀ 值無顯著性差異。退化程度與坡位的交互作用對 SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 無顯著影響。同時，坡位和退化程度均未對 SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 產生顯著性影響，見表2。

表2退化程度和坡位兩因素及其交互作用對 SUVA₂₅₄ SUVA₂₆₀ 的影響

Table2 Effects of degradation degree and slope location and their interactions on SUVA₂₅₄ and SUVA₂₆₀ characteristics of soluble organic matter

圖1不同退化程度坡草地土壤有機碳和可溶性有機碳含量及其占比

圖2不同退化程度坡草地土壤可溶性有機質紫外-可見光譜表征參數 SUVA₂₅₄ 及 SUVA₂₆₀

Fig.2 SUVA₂₅₄ and SUVA₂₆₀ ofdissolved organic matter indifferent degraded slope grasslands

2.3不同退化程度坡草地土壤可溶性有機質的熒光特征

熒光指數（FI）可以反映DOM的來源。研究指出，當 FIlt;1.4 時，說明DOM的來源主要是以植物、土壤有機質等外源物質輸入為主；當 1.41.9 時，說明DOM主要以微生物活動等內源輸入為主[41]。如圖3（a）所示，同一坡位不同退化程度以及同一退化程度不同坡位土壤DOM的FI范圍在1.21～1.37 ，接近1.4，可以認為DOM主要以植物源輸入為主，微生物輸入次之。其中，中度退化的FI在坡下位置較重度退化同坡位顯著增加了8.10%（Plt;0.05） ，其他處理間差異均不顯著。同時，FI受退化程度主效應影響（ ?Plt;0.05） ，見表3。

表3退化程度和坡位兩因素及其交互作用對可溶性有機質熒光特征的影響

Table 3Effects of degradation degree and slope position and their interactions on the fluorescence

腐殖化系數（HIX）可以表征DOM的腐殖化程度，當 HIXlt;4 時，表示測定區域主要以自生源為主； HIXgt;16 時，表示測定區域主要具有較強的腐殖化程度[37]。如圖3（b）所示，同一坡位不同退化程度以及同一退化程度不同坡位土壤DOM的HIX范圍在 0.42～0.49 ，均小于4，說明DOM的腐殖化程度較低。退化程度及坡位對HIX指數均無顯著影響，見表3。

自生源指標（BIX）表征自生源的相對貢獻，BIX值越高，說明新生的自生源對DOM的貢獻越大，DOM降解程度增加[38]。當 BIXgt;0.8 時，表明自生來源是生物或細菌所致，而BIX在 0.6～0.7 之間，表明主要是陸地源輸入或人類活動影響所致。新鮮度指數 （β：α） 可以表征新產生的DOM在整體DOM中的比重[42]。如圖3（c-d）所示，不同退化程度及坡位的 BIX，β：α 均無顯著性差異，同一坡位不同退化程度以及同一退化程度不同坡位土壤DOM的BIX范圍在 0.85～0.94 ，表明DOM自生源貢獻率較強，生物可利用性較高，這與FI和HIX結果一致； β：α 的范圍在 0.83～0.92 ，坡中位置新鮮度指數較低。

3討論

3.1不同退化程度坡草地土壤有機碳和可溶性有機碳的含量及其比例分配差異

土壤有機碳的含量與土壤的理化性質、地上調落物的輸入、植物根系分泌物、氣候變化、人類干擾等因素密切相關[30.43-44]。本研究中，退化程度顯著影響草地土壤有機碳含量，中度退化草地SOC含量高于重度退化，這與王長庭等[45]、溫楊雪[46、Li等人[4的研究結果一致。草地退化導致植被覆蓋率和地上生物量降低，從而植物多樣性和土壤微生物發生變化，減少了土壤有機碳輸入[48-49]。在重度退化草地中，土壤有機碳多集中在坡中和坡下，與徐志友等[50、南雅芳等人[51的研究結果相同。坡上光照較多、通風較好、潛在蒸散量較大，有利于有機質的分解；水分截留較少，植物群落出現衰退，導致土壤有機碳潛在輸入量和積累量降低[52]。隨著坡位的降低，土壤養分呈現增加趨勢，同時表層土壤碳在雨水和徑流沖刷下會沿坡面向下遷移，使得底層土壤裸露出來，易被微生物分解礦化，導致坡上土壤碳含量降低，坡下土壤碳含量提高[53]；中度退化的草地SOC集中于坡下，與王艷丹等人[54的研究結果相似，可能是由于坡上的土壤向下運移，堆積于坡下，同時坡下土壤雨水匯集改善了土壤微環境，為植物及其根系的生長提供了良好的條件，增加了枯落物、植物殘體的輸入，進而導致坡下SOC含量較高[51-55]

土壤DOC是反映土壤有機碳穩定性的重要指標[56]，影響DOC濃度和移動性的因素主要與氣候和土地利用方式兩個方面有關[57-58]。本研究中，隨著退化程度的加劇，DOC含量呈現降低趨勢。相關研究表明，植被覆蓋率降低以及土壤DOC隨土壤水分下滲進人水體都會導致土壤DOC含量的下降[59]。重度退化草地的坡中DOC含量顯著低于坡上，中度退化的不同坡位DOC含量無顯著性差異?？赡苁且驗橹囟韧嘶轮形恢闷挛惠^陡，使土壤無法截留更多水分，促進了有機質的分解，從而導致DOC含量減少[60]。同時，重度退化的坡上位置DOC含量較高，SOC含量較低，致使DOC：SOC比例顯著高于坡中坡下，表明坡上位置土壤活性較強，穩定性較差，不利于SOC的積累，導致土壤肥力退化。

3.2不同退化程度坡草地土壤可溶性有機質的紫外可見光譜特征差異

本研究中，不同退化程度和坡位對土壤可溶性有機質的 SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 無顯著影響。有研究指出，芳香化、腐殖化指數高、結構復雜的DOM更容易被土壤吸附，使其化學結構增強，不容易淋失，更利于土壤有機質的積累[61]。在重度退化坡草地中，坡下的SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 值最高，表明坡下DOM中芳香性結構物質含量、腐殖化程度和疏水有機組分含量較高，有機碳較穩定，利于有機質積累?？赡苁且驗槠孪滤趾枯^高，有利于植物生長，從而凋落物增多，分解產物中含有 C=C 和 C=O 的芳香環有機物含量迅速積累，從而使土壤芳香化指數上升，促進腐殖物質的形成[62-63]。在中度退化坡草地中，坡中的 SUVA₂₅₄ 和SUVA₂₆₀ 值最高，導致這樣結果的原因可能是坡中水分截流能力下降，導致可溶性有機質來源減少，土壤分解程度加劇，反而導致了結構相對復雜的DOM的積累，引起了土壤DOM的腐殖化程度增加。

3.3不同退化程度坡草地土壤可溶性有機質的熒光特征差異

有研究指出，當 FIlt;1.4 時，它是源于陸生植物和土壤有機質[55]。本研究中，不同退化程度坡草地以及同一退化程度不同坡位草地的可溶性有機質的熒光指數均小于1.4，土壤可溶性有機質主要來源于植物，但中度退化的FI接近1.4，會有少量微生物參與分解。這樣的結果可能是因為中度退化的坡下位置水分含量高，植被密度大，這會增加土壤中微生物的種類及數量，提高土壤微生物活性。另外，有研究表明Fe在土壤中的形態及含量會對酶活產生影響，進而對土壤微生物的數量和活性產生影響[64]。雨水隨著坡面向下遷移，坡下含水量較高，在強降雨時期坡下會產生淹水情況，有研究表明在淹水過程中芽孢桿菌和梭菌等鐵還原菌的數量呈現上升趨勢，土壤氨氧化細菌與土壤含水量呈正相關關系[65]，本實驗中中度退化的坡下FI值變化可能與部分鐵還原菌數量有關[66]。本研究中土壤有機質的腐殖化指數（HIX）較低，表明土壤有機質沒有顯著的腐殖化特征，可溶性有機質不穩定[36]。造成這種結果可能是由于退化草地植被覆蓋度低，凋落物和根系產生的腐殖質較少，對DOM腐殖化程度影響并不顯著[67]?？扇苄杂袡C質的自生源特征以及生物可利用性與自生源指標（BIX）密切相關。研究中的BIX和 β：α 的值在 0.83～0.94 之間，表明土壤可溶性有機質的生物可利用性較高，新鮮的有機質輸入到土壤中，土壤的生物活性較高。FI和HIX的結果略有不同，推測可能是因為重度退化的土壤環境對微生物活性影響較大，致使土壤主要依靠少量植物殘體、根際分泌物輸入；但植物生物量也受到了草地退化的影響，坡表裸露面積增多，復雜的DOM合成量較少[68]，從而使得土壤腐殖化程度降低，具體原因還需進一步分析。

4結論

王壤有機碳含量隨退化程度的加劇呈現降低趨勢，土壤可溶性有機碳含量無顯著性變化；同時，坡位對退化坡草地土壤有機碳、可溶性有機碳：土壤有機碳有顯著影響，重度退化的坡上位置可溶性有機碳：土壤有機碳比例較高，表明坡上位置土壤活性較強，穩定性較差。土壤退化程度和坡位對土壤可溶性有機質的 SUVA₂₅₄ 和 SUVA₂₆₀ 無顯著影響。熒光光譜特征表明土壤可溶性有機質主要屬于植物源輸入，有少量微生物源有機質輸入，腐殖化特征較弱，自生源特征較強。因此，對退化坡草地進行修復時，可以通過補播施肥措施，提高植被覆蓋率，通過水保措施，提高對土壤水分的截留能力，從而提高土壤碳儲量及穩定性。同時，在之后的研究中可以進一步探究不同修復措施對坡草地土壤碳穩定性的影響。

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（責任編輯付宸）