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摘 要： 摘要：為探究草地利用方式對(duì)高寒草地土壤有機(jī)碳組分的影響，以新疆巴音布魯克開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對(duì)象，測(cè)定了不同利用方式下極不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F1)、不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F2)、穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F3)、惰性有機(jī)碳組分(F4)和總有機(jī)碳含量(SOC)，分
摘要：為探究草地利用方式對(duì)高寒草地土壤有機(jī)碳組分的影響，以新疆巴音布魯克開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對(duì)象，測(cè)定了不同利用方式下極不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F1)、不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F2)、穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F3)、惰性有機(jī)碳組分(F4)和總有機(jī)碳含量(SOC)，分析了不同利用方式下不同有機(jī)碳組分分布特征及相關(guān)性。結(jié)果表明，4種土壤有機(jī)碳組分與利用方式、土層深度均呈顯著性差異(P<0.05)，3種草地利用類型F1、F2、F3和F4組分有機(jī)碳含量隨土壤深度增加而顯著減少(P<0.05)，利用方式對(duì)30～100cm土層SOC含量的影響小于0～30cm。開墾草地以極不穩(wěn)定有機(jī)碳組分為主，占總有機(jī)碳48.15%;放牧和圍封草地均以惰性有機(jī)碳組分為主，分別占總有機(jī)碳的54.44%和55.36%。F1、F2、F3和F4組分均與SOC存在顯著正相關(guān)(P<0.01)。高寒草地開墾降低了有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性，適度放牧和圍封有利于草地的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高寒草地;巴音布魯克;放牧;圍欄封育;草地開墾
草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色[1，2]。土壤有機(jī)碳(SOC)是全球碳庫重要組成部分，可為土壤微生物提供能量的主要來源，也是土壤肥力的基礎(chǔ)，在氣候調(diào)節(jié)、水資源和生物多樣性方面起著重要作用[3，4]。土地利用是造成土壤有機(jī)碳輸入和損失之間平衡的主要影響因素，決定了土壤CO2的固定與排放[5，6]。然而，草地的合理利用不僅對(duì)維持SOC有積極的效果，還能增加SOC的儲(chǔ)量[7，8]。土壤惰性有機(jī)碳很難被微生物分解，并且對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)緩慢，對(duì)土壤碳蓄積和維持碳庫穩(wěn)定起著重要作用[9]。土壤活性有機(jī)碳是指土壤中穩(wěn)定性差、易被礦化分解，且對(duì)土壤微生物活性較高的那部分[10];不穩(wěn)定有機(jī)碳組分易礦化，對(duì)氣候變暖有促進(jìn)作用。土壤惰性碳不易被分解，可反應(yīng)有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性[11]。在以往研究中，不同有機(jī)碳組分(微生物碳、土壤易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳)的研究主要集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[12-14]，而高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。
巴音布魯克高寒草原是世界草原類型中最具有代表性的草原[15]，是全國(guó)第二大高寒草原[2]，也是新疆重要的畜牧業(yè)基地。巴音布魯克高寒草地土壤碳匯功能的穩(wěn)定，對(duì)該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要作用。近年來，受旅游開發(fā)和過度放牧等人類活動(dòng)的影響，巴音布魯克草地出現(xiàn)退化現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到該區(qū)域草地和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本研究以新疆巴音布魯克高寒草地不同利用方式(放牧、開墾和圍封)土壤為研究對(duì)象，探究不同利用方式下土壤有機(jī)碳組分分布特征及其影響因素，以期為草地的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部和靜縣巴音郭楞鄉(xiāng)(42°53.1′N，83°42.5′E)的中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站，海拔2500m，年均氣溫-4.8℃，年均降水量265.7mm，屬典型的高寒氣候。主要土壤類型為亞高山草原土，成土母質(zhì)為黃土，表土干燥緊實(shí)。主要植被為紫花針茅(Stipapurpurea)、羊茅(Festu-caovina)、線葉高草(Kobresiacapillifolia)、細(xì)果苔草(Carexstenocarpa)。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
以巴音布魯克高寒草原3種草地利用類型：開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對(duì)象，其中開墾草地處理面積約為55hm2，從2014年開墾至今，常規(guī)耕作，種植燕麥，每3年施用有機(jī)肥(羊糞)一次，約施1.05×105～1.20×105kg/hm2，灌水量約為4000～6000m3/hm2，燕麥?zhǔn)崭詈髿埩艚斩掃�田。放牧草地處理面積約100hm2，該區(qū)域?qū)儆诖杭灸翀?chǎng)，從1971年放牧至今，放牧強(qiáng)度為2只羊/hm2，屬于輕度放牧。圍封草地處理面積約為0.25hm2，從1985年開始圍封禁牧。
1.3樣品采集與處理
在每種草地利用類型設(shè)置3個(gè)樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按照“S”形采集樣品，去除樣方內(nèi)地上生物量和凋落物，按照機(jī)械分層法采集土壤樣品，用直徑為5cm的土鉆，分別取0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70cm和70～100cm深度土樣，共7層。每樣方重復(fù)3次，每個(gè)處理采集63個(gè)土壤樣品。將所取土壤裝進(jìn)取樣袋，做好標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，去除大于2mm礫石和根系，過0.149mm標(biāo)準(zhǔn)篩測(cè)定總有機(jī)碳(SOC)和不同組分有機(jī)碳，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。
1.4有機(jī)碳測(cè)定方法
土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法來測(cè)定[16]。土壤有機(jī)碳組分的含量采用Chan等[17]修正后WalkleyandBlack[18]方法來測(cè)定，即采用不同濃度硫酸(6、9、12mol/L)—重鉻酸鉀測(cè)定不同有機(jī)碳組分含量，分別為：①極不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F1)=被6mol/L硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg);②不穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F2)=被9mol/L硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg)-被6mol/L的硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg);③穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F3)=被12mol/L硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg)-被9mol/L硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg);④惰性有機(jī)碳組分(F4)=總有機(jī)碳含量(g/kg)-被12mol/L硫酸溶液氧化的有機(jī)碳含量(g/kg)。
1.5統(tǒng)計(jì)方法
數(shù)據(jù)使用Excel2003、SPSS17.0和Sigmaplot10.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用單因素方差分析(ANO-VA)及多重比較(LSD)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。
2結(jié)果與分析
2.1利用方式對(duì)土壤總有機(jī)碳組分的影響
由圖1知，隨土壤深度的增加，開墾草地土壤總有機(jī)碳含量呈先增加后降低趨勢(shì)，而放牧和圍封草地土壤總有機(jī)碳含量呈逐漸降低趨勢(shì)，且其含量主要集中在0～30cm土層，分別占剖面總有機(jī)碳的74%、86%、92%。
2.2利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響
3種利用方式下高寒草地土壤有機(jī)碳均以極不穩(wěn)定有機(jī)碳(F1)和惰性有機(jī)碳(F4)為主。利用方式改變了不同組分有機(jī)碳的垂直分布特征(表1)。不同利用方式0～5cmF1組分有機(jī)碳含量不存在顯著性差異(P>0.05)，0～30cm土層F1組分有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：開墾草地>圍封草地>放牧草地;5～10、10～20cm和20～30cm開墾草地F1組分高于放牧和圍封草地。0～5cm和5～10cmF2組分有機(jī)碳含量不存在顯著差異(P>0.05)，10～20、20～30、30～50、70～100cm開墾草地F2組分有機(jī)碳含量顯著高于圍封草地(P<0.05)。草地開墾未顯著改變穩(wěn)定有機(jī)碳組分(F3)，開墾與圍封草地在0～5、10～20、20～30cm和30～50cm土層F3組分均不存在顯著性差異(P>0.05)。開墾草地土壤0～30cm不同土層惰性有機(jī)碳組分含量顯著小于放牧和圍封草地(P<0.05)，但30～50、50～70cm土層開墾草地F4組分顯著較高(P<0.05)，說明開墾對(duì)土壤表層惰性有機(jī)碳的影響較大。
不同利用方式草地土壤不穩(wěn)定有機(jī)碳組分含量(F1和F2)變化趨勢(shì)不同(表1)。放牧和圍封草地土壤不穩(wěn)定有機(jī)碳組分含量呈逐漸下降趨勢(shì)，開墾草地土壤極不穩(wěn)定有機(jī)碳呈先增加后降低趨勢(shì)，且集中在0～30cm。放牧草地F3組分含量相對(duì)較低，呈先增加后降低趨勢(shì);開墾草地5～70cm土層F3組分含量高于放牧和圍封草地。開墾草地惰性有機(jī)碳(F4)組分含量隨土層深度增加呈先增加后下降的趨勢(shì)，放牧和圍封處理呈逐漸下降趨勢(shì)。
2.3土壤有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳的相關(guān)性分析
相關(guān)分析表明(表2)，高寒草地土壤總有機(jī)碳與F1、F2、F3和F4組分顯著正相關(guān)(P<0.01);且不同組分之間也存在顯著相關(guān)(P<0.05)�；貧w分析表明，土壤總有機(jī)碳與不同組分之間存在較好的線性關(guān)系(圖2)。土壤有機(jī)碳與各組分均符合一元線性關(guān)系：土壤總有機(jī)碳與極不穩(wěn)定有機(jī)碳符合y=0.29x+2.13;與不穩(wěn)定有機(jī)碳符合y=0.13x+0.11;與穩(wěn)定有機(jī)碳符合y=0.06x+1.14;與惰性有機(jī)碳符合y=0.52x-1.00。其R2值分別為0.60、0.69、0.38、0.76。從方程的斜率分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)4組分的斜率(k=0.52)顯著大于其他3種組分，說明F4組分是巴音布魯克高寒草地重要組成部分，是維持土壤碳庫穩(wěn)定的重要因素。
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3討論
利用方式的改變是導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳變化的主要原因之一[19]。SOC是植物凋落物和根系沉積物等輸入與土壤呼吸碳排放之間的平衡結(jié)果[4]。耕作可以破壞土壤團(tuán)聚體，提高土壤異源性和土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的分解能力，從而降低農(nóng)田土壤有機(jī)碳的含量[20，21]。草地開墾對(duì)土壤剖面SOC的分布有顯著影響，開墾處理以極不穩(wěn)定有機(jī)碳為主，其含量占總有機(jī)碳的48.15%，周恒等[22]研究表明，開墾是降低土壤有機(jī)碳含量的原因之一。尹萍等[23]對(duì)開墾5～33年亞高山草地有機(jī)碳的研究結(jié)果表明，0～15cm土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果相似。青藏高原高寒草地的研究表明，圍欄封育土壤有機(jī)碳含量顯著高于開墾草地[24]。Qi等[25]對(duì)內(nèi)蒙古溫帶草地的研究結(jié)果表明，開墾近40年草地土壤有機(jī)碳隨土壤深度下降百分?jǐn)?shù)顯著高于未開墾草地。這可能是因?yàn)殚_墾后植物生物量輸入的減少和礦化速度的加快導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳含量的降低[23]。說明開墾可能會(huì)破壞土壤碳庫的穩(wěn)定性。
圍欄封育是改善草地生態(tài)系統(tǒng)的主要措施之一[22]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，圍欄封育可使土壤碳儲(chǔ)量提高約25%，并且改善了土壤結(jié)構(gòu)[26]。也有研究表明，圍欄封育可以提高土壤養(yǎng)分含量[27]。此外，圍欄封育使草地不受外界的干擾，使得土壤水肥條件及理化性狀得到相應(yīng)的改善[22]。本研究表明，從圍封草地土壤各組分有機(jī)碳含量的變化來看，圍封處理有機(jī)碳含量高于放牧處理，這與管光玉等[28]對(duì)山地草甸草原土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果相似。不同放牧管理模式下高寒草甸土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且禁牧方式有機(jī)碳含量高于其他利用方式[29]。蘇建紅等[30]研究結(jié)果表明，圍欄封育后亞高山草甸圍欄內(nèi)有機(jī)碳含量高于圍欄外，這與本研究結(jié)果一致[30]。這可能由于封育后草地植被逐漸恢復(fù)，凋落物和植物根系的輸入增多，從而使土壤有機(jī)碳的輸入量增加了[31-33]。
本研究表明，放牧草地惰性有機(jī)碳含量顯著高于開墾草地，其占總有機(jī)碳的54.44%，這與薩茹拉等[34]研究結(jié)果相似，即適度放牧有利于土壤有機(jī)碳的蓄積。楊樹晶等[35]對(duì)阿壩高寒草甸土壤的研究結(jié)果表明，冬春季放牧土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于人工栽培草地，這與本研究結(jié)果相似。這可能是由于在適度放牧條件下，家畜等草食動(dòng)物在草地上的活動(dòng)使得草地上的凋落物與土壤充分混合，利于有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入到土壤中，使得土壤有機(jī)碳含量增加[22]。也有研究表明，放牧程度的大小直接影響有機(jī)碳的蓄積，放牧強(qiáng)度越大有機(jī)碳含量越小[36]。不同放牧強(qiáng)度下對(duì)高寒人工草地的研究結(jié)果表明，重度放牧有機(jī)碳含量顯著低于輕度放牧[37]。這是由于家畜對(duì)草地的破壞遠(yuǎn)大于草地的恢復(fù)，使植被生物量降低，從而導(dǎo)致有機(jī)碳含量的減少[22]。此外，也有研究表明土壤總有機(jī)碳與有機(jī)碳組分對(duì)放牧干擾的響應(yīng)規(guī)律一致，即放牧強(qiáng)度增加，土壤總有機(jī)碳含量降低[38]。因此，適度放牧和圍封將促進(jìn)草地土壤有機(jī)碳的蓄積。但高寒草地土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定機(jī)制還有待深入研究。
4結(jié)論
巴音布魯克高寒草地土壤有機(jī)碳含量主要集中在0～30cm的土層，隨著土層深度的加深有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。
開墾草地土壤以極不穩(wěn)定有機(jī)碳(F1)組分為主，而放牧、圍封草地以惰性有機(jī)碳(F4)為主。
4種有機(jī)碳組分均與土壤總有機(jī)碳顯著正相關(guān)(P<0.01)。因此，提高土壤總有機(jī)碳即可增加惰性有機(jī)碳組分，增加草地土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性。
適度放牧和圍欄封育有助于提高草地土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性，開墾導(dǎo)致草地土壤有機(jī)碳庫規(guī)�？焖贉p小。因此，高寒草原區(qū)應(yīng)禁止大面積推廣人工草地，盡量減少對(duì)高寒草地土壤的擾動(dòng)，從而維持高寒草地的碳匯功能。
