馬延虎　劉育紅　魏衛(wèi)東

摘要 在退化高寒草甸設(shè)置研究樣地，采集土壤樣品，開展室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)和有機(jī)碳及組分的測(cè)定，分析不同凍結(jié)時(shí)間、不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)退化草甸土壤有機(jī)碳及組分的影響。結(jié)果表明，隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，從未退化到重度退化草地，有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量增幅分別為2.55%～6.09%、22.39%～43.08%；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)，輕組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，從未退化到重度退化草地，有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量的減少幅度分別為5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，輕組有機(jī)碳含量的增幅為33.24%～70.58%。凍結(jié)時(shí)間對(duì)輕組有機(jī)碳含量的影響更顯著，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量的影響則更顯著；在同樣的凍融作用下，土壤有機(jī)碳及組分含量均隨草地退化程度的加劇而減少。

關(guān)鍵詞 退化草地；凍融作用；土壤；有機(jī)碳；有機(jī)碳組分；高寒草甸

中圖分類號(hào) S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）20-0175-02

土壤有機(jī)碳是影響土壤質(zhì)量的重要因素，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力等具有重要作用。依據(jù)土壤有機(jī)碳密度的不同可將有機(jī)碳劃分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳。輕組有機(jī)碳多由分解不完全的動(dòng)植物殘?bào)w和微生物殘骸等組成，能夠較敏感地反映土壤質(zhì)量的變化情況，可作為土壤碳變化的早期指標(biāo)[1]。重組有機(jī)碳是與不同粒徑的礦物質(zhì)緊密結(jié)合的有機(jī)態(tài)碳，在土壤中分解速度較慢，較為穩(wěn)定[2]。在高寒草地，土壤凍融作用廣泛存在，以非生物應(yīng)力方式，改變土壤水熱動(dòng)態(tài)及土壤生物化學(xué)過程[3]，也對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。近幾十年來，地處青藏高原腹地、生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱的高寒草甸，在氣候暖干化、草地超載過牧等自然和人為因素的共同作用下[4]，凍土環(huán)境發(fā)生顯著變化，并與草地退化耦合，作用于退化草地土壤有機(jī)碳及組分，進(jìn)而影響到高寒草甸的生產(chǎn)和生態(tài)功能。因此，本研究以高寒草甸土壤有機(jī)碳及組分為對(duì)象，分析凍融作用對(duì)不同退化程度草地土壤有機(jī)碳含量及組分分布特征及變化規(guī)律的影響，為深入研究高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣?，斍呖h平均海拔4 100 m，屬典型高原大陸性氣候，年均溫-3.9 ℃，極端最低溫-31.4 ℃，極端最高溫24.3 ℃，多年平均降水量423～565 mm，多年平均蒸發(fā)量1 142～1 578 mm，年日照時(shí)數(shù)2 313～2 607 h；高寒草甸類是境內(nèi)天然草場(chǎng)的主要組成部分，優(yōu)勢(shì)種為莎草科嵩草屬、苔草屬的植物。

1.2 樣地設(shè)置及取樣

研究區(qū)選擇高寒草甸草地為研究樣地。各研究樣地依據(jù)任繼周[5]關(guān)于草地退化程度劃分的方法，結(jié)合土壤侵蝕現(xiàn)狀、鼠蟲危害情況等進(jìn)行評(píng)價(jià)后，劃分為4個(gè)退化程度，即未退化（un-degradation，UD）、輕度退化（light degradation，LD）、中度退化（moderate degradation，MD）、重度退化（heavy degradation，HD）（表1）。研究樣地草地類型為高山嵩草草地，土壤為高山草甸土。在不同退化程度樣地開展野外測(cè)定并采集土壤樣品，同一退化程度樣地多點(diǎn)采集0～30 cm土層土樣，混合后用于土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳組分的測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

凍融作用處理采用凍結(jié)時(shí)間和凍融循環(huán)次數(shù)二因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)。凍結(jié)時(shí)間分為2個(gè)水平，即6、12 h，對(duì)應(yīng)的融化時(shí)間分別為18、12 h；凍融循環(huán)次數(shù)分為4個(gè)水平，即2、6、10、14次。凍結(jié)溫度控制為-15 ℃，融化溫度控制為5 ℃。

1.4 研究指標(biāo)測(cè)定分析

土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀硫酸消化法[6]；土壤輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量采用文獻(xiàn)[7]的方法測(cè)定。研究數(shù)據(jù)利用Excel 2010整理，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)碳及組分的影響

凍結(jié)時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳的影響不同。凍結(jié)12 h處理下，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量較凍結(jié)6 h處理下有所增加，但重組有機(jī)碳含量有所減少。在不同凍結(jié)時(shí)間處理下，UD、HD樣地土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地土壤輕組有機(jī)碳含量均達(dá)顯著差異（P<0.05）。UD、LD、MD、HD樣地凍結(jié)12 h較凍結(jié)6 h有機(jī)碳含量分別增加5.98%、3.66%、2.55%、6.09%，輕組有機(jī)碳含量分別增加33.16%、31.90%、22.39%、43.08%（表2）。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳及組分的影響

高寒草甸土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)不同。土壤有機(jī)碳含量在不同凍融循環(huán)次數(shù)處理下均未達(dá)顯著差異（P>0.05），但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有機(jī)碳含量總體呈降低趨勢(shì)，UD、LD、MD、HD樣地凍融循環(huán)14次較凍融循環(huán)2次有機(jī)碳含量分別減少5.82%、6.12%、6.66%、7.13%。土壤輕組有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈增加趨勢(shì)，各退化程度樣地輕組有機(jī)碳含量?jī)鋈谘h(huán)14次與凍融循環(huán)2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環(huán)14次較凍融循環(huán)2次輕組有機(jī)碳含量分別增加34.54%、70.58%、33.24%、58.01%。土壤重組有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈降低趨勢(shì)，各退化程度樣地重組有機(jī)碳含量?jī)鋈谘h(huán)14次與凍融循環(huán)2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環(huán)14次較凍融循環(huán)2次重組有機(jī)碳含量分別減少17.88%、22.07%、18.10%、23.26%（表3）。

2.3 不同退化程度草甸土壤有機(jī)碳及組分的變化

由表2、3可以看出，不同退化程度的高寒草甸，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量不同，有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均呈UD>LD>MD>HD的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

高寒草甸地區(qū)由于受全球氣候變化、草地超載過牧等因素的共同影響，引起草地退化及凍融作用特征的改變，土壤物理、化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)變化，這種變化又反饋給高寒草甸植物群落和土壤，對(duì)高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，退化高寒草甸發(fā)生凍融作用時(shí)，凍結(jié)時(shí)間、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳及組分含量的影響不同。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，從未退化到重度退化草地，其含量增幅分別為2.55%～6.09%、22.39%～43.08%，凍結(jié)時(shí)間對(duì)輕組有機(jī)碳含量的影響更顯著；不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳及組分含量的影響也不同，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)，輕組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，從未退化到重度退化草地，有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量的減少幅度分別為5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，輕組有機(jī)碳含量的增幅為33.24%～70.58%，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量的影響更顯著；在同樣的凍融作用下，土壤有機(jī)碳及組分含量均隨草地退化程度的加劇而減少。

本研究反映出，隨著土壤凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，這一結(jié)果與高寒地區(qū)凍土環(huán)境下土壤的碳匯特征相符，同時(shí)反映出高寒地區(qū)凍土環(huán)境變化后，尤其是高寒草甸在全球氣候變暖背景下土壤凍結(jié)時(shí)間縮短，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳由碳匯向碳源轉(zhuǎn)化，從而不利于高寒草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定。

土壤凍融循環(huán)次數(shù)是土壤有機(jī)碳含量及組分特征發(fā)生變化的重要原因。當(dāng)土壤頻繁凍結(jié)和消融時(shí)，土壤不斷膨脹和收縮，使得與土壤結(jié)合的大分子量有機(jī)質(zhì)的氫鍵斷裂，釋放出小分子量有機(jī)質(zhì)，同時(shí)由于凍融循環(huán)破壞土壤團(tuán)聚體，使有機(jī)碳庫(kù)中不同形態(tài)的碳不同程度地暴露出來，進(jìn)一步釋放小分子量有機(jī)質(zhì)，增加了土壤中輕組有機(jī)碳及其他活性有機(jī)碳的含量[8]，這些增加的活性有機(jī)碳成為土壤微生物的碳源，由此保持土壤微生物的活性[9]。

凍融作用發(fā)生的不同階段，對(duì)土壤微生物活性、生理功能等的影響不同。初期的凍融作用，導(dǎo)致部分土壤微生物死亡，伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微生物逐步適應(yīng)凍融作用，由凍融循環(huán)致死的微生物量減少，加之凍融作用導(dǎo)致的土壤活性有機(jī)碳的增加成為微生物碳源，能夠提高微生物活性，加快土壤有機(jī)碳礦化分解速率[10]，但這種影響會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減弱[11]。

本研究還反映出，高寒草甸退化程度對(duì)土壤有機(jī)碳及組分的影響顯著，草地退化與凍融作用耦合下，隨著退化程度的加劇，土壤有機(jī)碳及組分的含量均減少，不利于高寒草甸土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定，同時(shí)增加了大氣碳排放的壓力，影響著高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和高寒草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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