摘要：为探究草地利用方式对高寒草地土壤有机碳组分的影响，以新疆巴音布鲁克开垦草地、放牧草地和围封草地为研究对象，测定了不同利用方式下极不稳定有机碳组分(F1)、不稳定有机碳组分(F2)、稳定有机碳组分(F3)、惰性有机碳组分(F4)和总有机碳含量(SOC)，分析了不同利用方式下不同有机碳组分分布特征及相关性。结果表明，4种土壤有机碳组分与利用方式、土层深度均呈显著性差异(P<0.05)，3种草地利用类型F1、F2、F3和F4组分有机碳含量随土壤深度增加而显著减少(P<0.05)，利用方式对30～100cm土层SOC含量的影响小于0～30cm。开垦草地以极不稳定有机碳组分为主，占总有机碳48.15%;放牧和围封草地均以惰性有机碳组分为主，分别占总有机碳的54.44%和55.36%。F1、F2、F3和F4组分均与SOC存在显著正相关(P<0.01)。高寒草地开垦降低了有机碳库的稳定性，适度放牧和围封有利于草地的可持续发展。
关键词：高寒草地;巴音布鲁克;放牧;围栏封育;草地开垦
草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在全球碳循环中扮演着重要角色[1，2]。土壤有机碳(SOC)是全球碳库重要组成部分，可为土壤微生物提供能量的主要来源，也是土壤肥力的基础，在气候调节、水资源和生物多样性方面起着重要作用[3，4]。土地利用是造成土壤有机碳输入和损失之间平衡的主要影响因素，决定了土壤CO2的固定与排放[5，6]。然而，草地的合理利用不仅对维持SOC有积极的效果，还能增加SOC的储量[7，8]。土壤惰性有机碳很难被微生物分解，并且对环境变化响应缓慢，对土壤碳蓄积和维持碳库稳定起着重要作用[9]。土壤活性有机碳是指土壤中稳定性差、易被矿化分解，且对土壤微生物活性较高的那部分[10];不稳定有机碳组分易矿化，对气候变暖有促进作用。土壤惰性碳不易被分解，可反应有机碳库的稳定性[11]。在以往研究中，不同有机碳组分(微生物碳、土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳)的研究主要集中在农田生态系统[12-14]，而高寒草地生态系统的研究相对较少。
巴音布鲁克高寒草原是世界草原类型中最具有代表性的草原[15]，是全国第二大高寒草原[2]，也是新疆重要的畜牧业基地。巴音布鲁克高寒草地土壤碳汇功能的稳定，对该区域草地生态系统稳定性起着重要作用。近年来，受旅游开发和过度放牧等人类活动的影响，巴音布鲁克草地出现退化现象，严重威胁到该区域草地和畜牧业的可持续发展。本研究以新疆巴音布鲁克高寒草地不同利用方式(放牧、开垦和围封)土壤为研究对象，探究不同利用方式下土壤有机碳组分分布特征及其影响因素，以期为草地的合理利用提供科学依据。
1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部和静县巴音郭楞乡(42°53.1′N，83°42.5′E)的中国科学院新疆生态与地理研究所巴音布鲁克草原生态系统研究站，海拔2500m，年均气温-4.8℃，年均降水量265.7mm，属典型的高寒气候。主要土壤类型为亚高山草原土，成土母质为黄土，表土干燥紧实。主要植被为紫花针茅(Stipapurpurea)、羊茅(Festu-caovina)、线叶高草(Kobresiacapillifolia)、细果苔草(Carexstenocarpa)。
1.2试验设计
以巴音布鲁克高寒草原3种草地利用类型：开垦草地、放牧草地和围封草地为研究对象，其中开垦草地处理面积约为55hm2，从2014年开垦至今，常规耕作，种植燕麦，每3年施用有机肥(羊粪)一次，约施1.05×105～1.20×105kg/hm2，灌水量约为4000～6000m3/hm2，燕麦收割后残留秸秆还田。放牧草地处理面积约100hm2，该区域属于春季牧场，从1971年放牧至今，放牧强度为2只羊/hm2，属于轻度放牧。围封草地处理面积约为0.25hm2，从1985年开始围封禁牧。
1.3样品采集与处理
在每种草地利用类型设置3个样方，在每个样方内按照“S”形采集样品，去除样方内地上生物量和凋落物，按照机械分层法采集土壤样品，用直径为5cm的土钻，分别取0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70cm和70～100cm深度土样，共7层。每样方重复3次，每个处理采集63个土壤样品。将所取土壤装进取样袋，做好标记后带回实验室。土壤样品经自然风干后，去除大于2mm砾石和根系，过0.149mm标准筛测定总有机碳(SOC)和不同组分有机碳，每个样品重复测定3次。
1.4有机碳测定方法
土壤有机碳含量采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法来测定[16]。土壤有机碳组分的含量采用Chan等[17]修正后WalkleyandBlack[18]方法来测定，即采用不同浓度硫酸(6、9、12mol/L)—重铬酸钾测定不同有机碳组分含量，分别为：①极不稳定有机碳组分(F1)=被6mol/L硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg);②不稳定有机碳组分(F2)=被9mol/L硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg)-被6mol/L的硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg);③稳定有机碳组分(F3)=被12mol/L硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg)-被9mol/L硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg);④惰性有机碳组分(F4)=总有机碳含量(g/kg)-被12mol/L硫酸溶液氧化的有机碳含量(g/kg)。
1.5统计方法
数据使用Excel2003、SPSS17.0和Sigmaplot10.0进行统计，采用单因素方差分析(ANO-VA)及多重比较(LSD)进行数据显著性分析。
2结果与分析
2.1利用方式对土壤总有机碳组分的影响
由图1知，随土壤深度的增加，开垦草地土壤总有机碳含量呈先增加后降低趋势，而放牧和围封草地土壤总有机碳含量呈逐渐降低趋势，且其含量主要集中在0～30cm土层，分别占剖面总有机碳的74%、86%、92%。
2.2利用方式对土壤有机碳的影响
3种利用方式下高寒草地土壤有机碳均以极不稳定有机碳(F1)和惰性有机碳(F4)为主。利用方式改变了不同组分有机碳的垂直分布特征(表1)。不同利用方式0～5cmF1组分有机碳含量不存在显著性差异(P>0.05)，0～30cm土层F1组分有机碳含量表现为：开垦草地>围封草地>放牧草地;5～10、10～20cm和20～30cm开垦草地F1组分高于放牧和围封草地。0～5cm和5～10cmF2组分有机碳含量不存在显著差异(P>0.05)，10～20、20～30、30～50、70～100cm开垦草地F2组分有机碳含量显著高于围封草地(P<0.05)。草地开垦未显著改变稳定有机碳组分(F3)，开垦与围封草地在0～5、10～20、20～30cm和30～50cm土层F3组分均不存在显著性差异(P>0.05)。开垦草地土壤0～30cm不同土层惰性有机碳组分含量显著小于放牧和围封草地(P<0.05)，但30～50、50～70cm土层开垦草地F4组分显著较高(P<0.05)，说明开垦对土壤表层惰性有机碳的影响较大。
不同利用方式草地土壤不稳定有机碳组分含量(F1和F2)变化趋势不同(表1)。放牧和围封草地土壤不稳定有机碳组分含量呈逐渐下降趋势，开垦草地土壤极不稳定有机碳呈先增加后降低趋势，且集中在0～30cm。放牧草地F3组分含量相对较低，呈先增加后降低趋势;开垦草地5～70cm土层F3组分含量高于放牧和围封草地。开垦草地惰性有机碳(F4)组分含量随土层深度增加呈先增加后下降的趋势，放牧和围封处理呈逐渐下降趋势。
2.3土壤有机碳组分与总有机碳的相关性分析
相关分析表明(表2)，高寒草地土壤总有机碳与F1、F2、F3和F4组分显著正相关(P<0.01);且不同组分之间也存在显著相关(P<0.05)。回归分析表明，土壤总有机碳与不同组分之间存在较好的线性关系(图2)。土壤有机碳与各组分均符合一元线性关系：土壤总有机碳与极不稳定有机碳符合y=0.29x+2.13;与不稳定有机碳符合y=0.13x+0.11;与稳定有机碳符合y=0.06x+1.14;与惰性有机碳符合y=0.52x-1.00。其R2值分别为0.60、0.69、0.38、0.76。从方程的斜率分析发现，F4组分的斜率(k=0.52)显著大于其他3种组分，说明F4组分是巴音布鲁克高寒草地重要组成部分，是维持土壤碳库稳定的重要因素。
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3讨论
利用方式的改变是导致土壤总有机碳和活性有机碳变化的主要原因之一[19]。SOC是植物凋落物和根系沉积物等输入与土壤呼吸碳排放之间的平衡结果[4]。耕作可以破坏土壤团聚体，提高土壤异源性和土壤微生物对土壤有机碳的分解能力，从而降低农田土壤有机碳的含量[20，21]。草地开垦对土壤剖面SOC的分布有显著影响，开垦处理以极不稳定有机碳为主，其含量占总有机碳的48.15%，周恒等[22]研究表明，开垦是降低土壤有机碳含量的原因之一。尹萍等[23]对开垦5～33年亚高山草地有机碳的研究结果表明，0～15cm土壤有机碳含量呈下降趋势，这与本研究结果相似。青藏高原高寒草地的研究表明，围栏封育土壤有机碳含量显著高于开垦草地[24]。Qi等[25]对内蒙古温带草地的研究结果表明，开垦近40年草地土壤有机碳随土壤深度下降百分数显著高于未开垦草地。这可能是因为开垦后植物生物量输入的减少和矿化速度的加快导致了土壤有机碳含量的降低[23]。说明开垦可能会破坏土壤碳库的稳定性。
围栏封育是改善草地生态系统的主要措施之一[22]。相关研究发现，围栏封育可使土壤碳储量提高约25%，并且改善了土壤结构[26]。也有研究表明，围栏封育可以提高土壤养分含量[27]。此外，围栏封育使草地不受外界的干扰，使得土壤水肥条件及理化性状得到相应的改善[22]。本研究表明，从围封草地土壤各组分有机碳含量的变化来看，围封处理有机碳含量高于放牧处理，这与管光玉等[28]对山地草甸草原土壤有机碳的研究结果相似。不同放牧管理模式下高寒草甸土壤有机碳含量随土壤深度呈现降低趋势，且禁牧方式有机碳含量高于其他利用方式[29]。苏建红等[30]研究结果表明，围栏封育后亚高山草甸围栏内有机碳含量高于围栏外，这与本研究结果一致[30]。这可能由于封育后草地植被逐渐恢复，凋落物和植物根系的输入增多，从而使土壤有机碳的输入量增加了[31-33]。
本研究表明，放牧草地惰性有机碳含量显著高于开垦草地，其占总有机碳的54.44%，这与萨茹拉等[34]研究结果相似，即适度放牧有利于土壤有机碳的蓄积。杨树晶等[35]对阿坝高寒草甸土壤的研究结果表明，冬春季放牧土壤有机碳储量显著高于人工栽培草地，这与本研究结果相似。这可能是由于在适度放牧条件下，家畜等草食动物在草地上的活动使得草地上的凋落物与土壤充分混合，利于有机物质进入到土壤中，使得土壤有机碳含量增加[22]。也有研究表明，放牧程度的大小直接影响有机碳的蓄积，放牧强度越大有机碳含量越小[36]。不同放牧强度下对高寒人工草地的研究结果表明，重度放牧有机碳含量显著低于轻度放牧[37]。这是由于家畜对草地的破坏远大于草地的恢复，使植被生物量降低，从而导致有机碳含量的减少[22]。此外，也有研究表明土壤总有机碳与有机碳组分对放牧干扰的响应规律一致，即放牧强度增加，土壤总有机碳含量降低[38]。因此，适度放牧和围封将促进草地土壤有机碳的蓄积。但高寒草地土壤有机碳库的稳定机制还有待深入研究。
4结论
巴音布鲁克高寒草地土壤有机碳含量主要集中在0～30cm的土层，随着土层深度的加深有机碳含量呈现出减少趋势。
开垦草地土壤以极不稳定有机碳(F1)组分为主，而放牧、围封草地以惰性有机碳(F4)为主。
4种有机碳组分均与土壤总有机碳显著正相关(P<0.01)。因此，提高土壤总有机碳即可增加惰性有机碳组分，增加草地土壤有机碳库的稳定性。
适度放牧和围栏封育有助于提高草地土壤有机碳库的稳定性，开垦导致草地土壤有机碳库规模快速减小。因此，高寒草原区应禁止大面积推广人工草地，尽量减少对高寒草地土壤的扰动，从而维持高寒草地的碳汇功能。
