張 宇，劉耘華，滕俐闖，白崇皓，盛建東

灌叢化對干旱區(qū)草地土壤有機碳化學結構和熱穩(wěn)定性的影響①

張 宇，劉耘華*，滕俐闖，白崇皓，盛建東

(新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，烏魯木齊 830052)

在典型的干旱區(qū)新疆，選取沿海拔分布的4類草地，使用固態(tài)13C核磁共振技術與熱分析技術研究了灌叢化對草地土壤有機碳(SOC)化學結構和熱穩(wěn)定性的影響。結果表明：灌叢間的芳香碳比例沿海拔從溫性荒漠到山地草甸逐漸降低。在溫性荒漠、溫性草原化荒漠、溫性荒漠草原和山地草甸，灌叢下烷基碳/烷氧碳的比值相對于灌叢間分別增加了0.10、0.09、0.03、0.21。低海拔的溫性荒漠和溫性草原化荒漠的熱易分解SOC質量(較低溫度下分解的SOC)與SOC總質量的比值(%Exo1)、SOC分解一半時的溫度(TG-T50)和SOC在能量釋放一半時對應的溫度(DSC-T50)顯著低于高海拔的溫性荒漠草原和山地草甸。在草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸中，灌叢下的%Exo1和DSC-T50均高于灌叢間，而TG-T50低于灌叢間。在溫性荒漠，從灌叢間到灌叢下，低溫時SOC燃燒釋放出的能量占總燃燒能量()的比例減小，而高溫時SOC燃燒釋放出的能量增加。本研究結果表明灌叢化增加了干旱區(qū)SOC化學結構的穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

干旱區(qū)；草地；海拔；灌叢化；有機碳的穩(wěn)定性；固態(tài)13C核磁共振技術；熱分析技術

土壤有機碳(SOC)的穩(wěn)定性是指其抵抗微生物降解的能力[1]，它極大地影響著碳的循環(huán)和周轉，對碳的固存、儲量及其變化起著直接決定性的作用[2]。草地是世界上分布最廣的植被類型之一，覆蓋了全球40%的陸地面積，存儲了陸地生態(tài)系統(tǒng)中34%的碳，在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色[3]。其中，土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的主要載體。因此，研究草地生態(tài)系統(tǒng)中SOC穩(wěn)定性的變化及其影響因素，對全球碳循環(huán)、氣候變化及其兩者之間相互作用的研究具有重要意義[4]。

灌叢化是指灌木的蓋度、密度和生物量在草地中顯著增加，使得沒有灌叢出現的純草地轉變?yōu)楣鄥不莸氐囊环N現象[5-7]。引起灌叢化可能的原因有氣候變暖、氮沉降、CO2濃度增加、過度放牧和火燒等[8]。灌叢化在過去的150年間，在全球草地，特別是干旱區(qū)半干旱區(qū)草地中被廣泛報道[8]。全球草地約有10% ～ 20% 的面積發(fā)生了灌叢化，遍布于非洲、美洲、大洋洲、亞洲以及歐洲地中海沿岸國家和地區(qū)[5]。在中國，灌叢化現象也有大量報道[9-11]，其中錦雞兒是最為常見的灌叢化植物[12]。灌叢化會造成草地生態(tài)系統(tǒng)功能的改變[6]。其中，在固碳功能上，灌叢化通過改變有機質輸入的數量和質量及其分解累積的因素而顯著影響SOC的儲量[13]?；诠鄥不F象在草地中的普遍性，研究灌叢化對SOC穩(wěn)定性的影響將有助于深入了解這種現象以及草地生態(tài)系統(tǒng)在未來碳循環(huán)中可能的影響。

在SOC穩(wěn)定性及其變化的評價方法上，室內培養(yǎng)法通過控制溫度和水分條件模擬SOC在自然條件下的分解過程，可以直觀地評價SOC的穩(wěn)定性，但是因為室內培養(yǎng)法的時間有限，不能完整地測定SOC穩(wěn)定性[14]。除此之外，評價SOC穩(wěn)定性常用的還有物理和化學分組法。這些方法是將SOC劃分為穩(wěn)定性不同的組分，通過各組分所占的比例來評價SOC穩(wěn)定性及其變化。物理法包括顆粒大小分組法和密度分組法或這兩種方法的結合[15-16]。化學分組法根據SOC對水、酸或堿的溶解程度或氧化性來進行分組[17]。但是，有研究發(fā)現，這些分組方法并不能很準確地反映SOC的穩(wěn)定性，例如，易被稀酸氧化的SOC組分并不能代表易被微生物分解的那部分SOC[18]。

固態(tài)13C核磁共振(13C NMR)技術可以在分子水平上確定SOC的化學結構，通過不同類型碳組分的比例確定SOC的穩(wěn)定性程度[19]。大部分SOC的核磁共振譜圖都包含4個明顯共振區(qū)：烷基碳區(qū)(= 0 ～ 45)、烷氧碳區(qū)(=45 ～ 110)、芳香碳區(qū)(=110 ～ 160)和羰基碳區(qū)(=160 ～ 220)[20]。烷氧碳是最易分解的官能團；烷基碳則是抗分解SOC官能團，不易受到外源SOC的影響[21]。烷基碳/烷氧碳的比值能夠反映SOC的分解程度，比值較高說明SOC的分解程度較高，不易再分解；比值較低則說明SOC還具備很大的分解潛力[19]。

熱分析方法，包括熱重分析(TG)和差示掃描量熱分析(DSC)也是近些年來間接評價SOC穩(wěn)定性的新方法。TG法和DSC法分別能夠反映在熱反應中樣品的質量和能量的動態(tài)變化，可以完整地測定SOC穩(wěn)定性，彌補室內測定法的不足[22]。熱分析法綜合了燃燒過程中SOC分子內鍵的斷裂以及SOC與礦物表面結合鍵在斷裂時的能量輸入和產出[23]。在高溫下才能燃燒氧化的SOC組分難以被微生物分解，因此具有很高的生物穩(wěn)定性；反之亦然[23]。在TG法中，熱易分解的SOC質量(較低溫度下分解的SOC)與SOC總質量的比值(%Exo1)或SOC分解一半時的溫度(TG-T50)可以用來表征SOC穩(wěn)定性及其變化；在DSC法中，SOC在能量釋放一半時對應的溫度(DSC-T50)或能量密度(ED，燃燒SOC的能量變化值與SOC質量之比)用來衡量SOC的穩(wěn)定性及其變化。

新疆屬于典型的干旱半干旱氣候區(qū)，其獨特的“三山夾兩盆”的地貌格局使得氣候、土壤和植被沿海拔規(guī)律性地變化，相應地也形成了從溫性荒漠到山地草甸不同類型的草地[24]。除草本植物外，灌叢是新疆草地中常見的植被成分。本研究在天山北坡東段，選取沿海拔梯度分布的4類草地，使用13C NMR技術與TG-DSC法，對SOC化學結構和熱穩(wěn)定性進行研究，目的在于：①通過對比不同類型草地，揭示干旱區(qū)草地SOC的化學結構和熱穩(wěn)定性沿海拔(從溫性荒漠到山地草甸)的變化規(guī)律；②盡管目前缺少用于了解灌叢蓋度發(fā)生變化的文獻記錄、連續(xù)監(jiān)測數據、航空照片和遙感圖像[11]，還不能判斷新疆草地的灌叢化進程，但是通過對比現有的灌叢間空地和灌叢下土壤，能揭示(若新疆草地已經歷了灌叢化)或預測(若新疆草地還未經歷灌叢化)灌叢化對干旱區(qū)草地SOC化學結構和熱穩(wěn)定性的影響；③通過分析SOC的熱穩(wěn)定性與SOC化學結構之間的關系，闡明兩類方法在評價SOC穩(wěn)定性上的聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山北坡東段，該區(qū)域屬于典型的大陸性干旱半干旱氣候，降水稀少而蒸發(fā)強烈，年平均氣溫約為3℃，年降水量為46.1 ～ 508.7 mm，年蒸發(fā)量為1 241.7 ～ 2 046.7 mm，無霜期為121d。

1.2 樣品采集

本研究在天山北坡中東段選取沿海拔梯度分布的4類草地作為研究樣地，即溫性荒漠(temperate desert，TD)、溫性草原化荒漠(temperate steppe desert，TSD)、溫性荒漠草原(temperate desert steppe，TDS)和山地草甸(mountainous meadow，MM)(圖1)，前3類以下簡稱荒漠、草原化荒漠和荒漠草原。從荒漠到山地草甸，年均降水量和土壤全氮含量逐漸增加，而年均氣溫和土壤pH逐漸減小，土壤類型沿海拔的增加依次為棕鈣土、栗鈣土和草甸土(表1)。4類草地中常見的灌叢植物為草原錦雞兒和黃薔薇(表1)。在每類草地中，選擇10株成年、基徑最大且基本一致的灌木，以使灌叢化的影響達到最大。在每株灌叢冠幅邊緣的東南西北4個方向與灌木基徑的中點位置采集土壤樣品，將5個方位采集的土樣混合為一個土樣(即灌叢下土樣)。另設置10個灌叢斑塊間采樣位置(即灌叢間土樣)，此位置離最近的灌叢距離超過40 cm，以避免鄰近灌叢的影響。土壤取樣深度為0 ～ 10 cm，取回的土樣剔除根系等雜質自然風干后，一部分用于SOC含量等理化性質的測定，另一部分用于TG-DSC法和13C NMR技術分析。

1.3 室內測定

SOC含量的測定：取30 g風干土樣過120目篩后，用鹽酸去除無機碳(SIC)，置于70℃烘箱中烘至恒重后，使用元素分析儀(EuroEA3000，德國)測定SOC含量[25]。

表1 4類草地的基本信息

注：TD、TSD、TDS和MM分別指溫性荒漠、溫性草原化荒漠、溫性荒漠草原和山地草甸，下同。

SOC化學結構分析：取5 g風干土樣過100目篩后，置于離心管中，加入50 ml 10% HF溶液，振蕩1 h，3 000 r/min離心10 min，移去上清液，繼續(xù)用HF處理，共處理8次，振蕩時間分別為4次1 h、3次12 h、1次24 h。HF處理完畢后，用20 ml蒸餾水將離心管中土樣洗至中性(5 ～ 6次)，冷凍干燥后用球磨儀(RetschMM500，德國)粉碎過120目篩，然后使用核磁共振儀(BrukerAV400MHz，瑞士)進行分析。

SOC熱穩(wěn)定性分析：取30 mg風干土樣過100目篩后，使用TG-DSC聯(lián)合分析儀(NetzschSTA409PC，德國)進行分析。

1.4 數據處理

SOC中各類型官能團含量的相對比例：通過對13C NMR譜峰曲線的相應區(qū)域積分獲得。

表征SOC熱穩(wěn)定性強弱的指標在TG法中為%Exo1和TG-T50，在DSC法中為DSC-T50和ED。%Exo1、DSC-T50和ED值越低，TG-T50值越高，表明SOC熱穩(wěn)定性越高。此外，在DSC法中，還可以用熱分解能力不同的SOC燃燒釋放出的能量占總的放熱能量()的比值來表征SOC的熱穩(wěn)定性?？偟姆艧崮芰?J)通過在200 ～ 650℃的放熱區(qū)域內對DSC曲線進行積分來獲得。PQ1(200 ～ 375℃)、PQ2(375 ～ 475℃)和PQ3(475 ～ 550℃)分別為不穩(wěn)定SOC(包括碳水化合物和其他脂肪族化合物)、難降解SOC(包括木質素或其他多酚)和高難度降解SOC(如腐殖酸、腐殖質、黑炭等)燃燒釋放能量(溫度區(qū)間內的DSC曲線積分)占總燃燒能量()的百分比[26]。

在不同類型草地間以及不同類型草地的灌叢間和灌叢下，對SOC含量和熱分析指標%Exo1、TG-T50、ED、DSC-T50、PQ1、PQ2和PQ3利用最小顯著性差異(LSD)法進行差異性比較。

2 結果與分析

2.1 灌叢化對草地SOC化學結構的影響

13C NMR譜圖(圖1)顯示，灌叢下SOC主要由易降解的官能團烷氧碳(=45 ～ 110)和3個較難降解的官能團即烷基碳(=0 ～ 45)、芳香碳(=110 ～ 160)及羰基碳(=160 ～ 220)組成。烷氧碳占的比例最大為36.52% ～ 53.60%；其次為烷基碳和芳香碳，分別為22.35% ～ 37.05% 和10.82% ～ 29.53%；羰基碳占比例最小，為4.71% ～ 11.36%(表2)。

圖1 4類草地灌叢下與灌叢間SOC的13C NMR譜圖

灌叢間芳香碳的比例沿海拔梯度從溫性荒漠到山地草甸而降低，灌叢下芳香碳的比例沿海拔梯度沒有明顯變化；其他官能團的比例沿海拔梯度的變化不明顯。

相比灌叢間，在荒漠中，灌叢下烷氧碳的相對含量降低了3.30個百分點，而芳香碳升高了2.89個百分點；在草原化荒漠中，灌叢下烷基碳和烷氧碳分別增加8.25個百分點和3.51個百分點，芳香碳和羰基碳分別降低了12.24個百分點和3.03個百分點；在荒漠草原中，灌叢下烷基碳和烷氧碳分別增加了2.76個百分點和1.18個百分點，羰基碳降低了2.76個百分點；在山地草甸中，灌叢下烷氧碳降低了14.50個百分點，芳香碳增加了8.65個百分點(表2)。在4類草地中，灌叢下相比于灌叢間，烷基碳/烷氧碳比值均有增加，在荒漠、草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸，分別增加0.10、0.09、0.03、0.21。

2.2 灌叢化對草地SOC熱穩(wěn)定性的影響

2.2.1 TG法 TG曲線是指在燃燒過程中，樣品質量的損失量占總質量的比例隨溫度變化的曲線。在TG曲線中，在200 ～ 550℃損失的質量被認為是SOC的質量[22]，550 ℃后損失的為SIC和土壤中頑固的物質[27]。灌叢下和灌叢間SOC樣品損失的相對質量在荒漠中分別為4.38% 和5.09%(圖2A)，在草原化荒漠中為3.79% 和2.13%(圖2B)，在荒漠草原中為14.98% 和5.59%(圖2C)，在山地草甸中為22.87% 和13.99%(圖2D)。

表2 4類草地灌叢下與灌叢間SOC各官能團相對含量(%)

注：同列小寫字母不同表示不同類型草地灌叢下及灌叢間SOC官能團相對含量差異顯著(<0.05)。

荒漠草原和山地草甸的SOC含量顯著高于荒漠和草原化荒漠(圖3A)；在荒漠和草原化荒漠中，灌叢間和灌叢下SOC含量沒有顯著差異；在荒漠草原和山地草甸中，灌叢下SOC含量相比灌叢間分別增加了27.95% 和23.54%(圖3A)。TG曲線中土壤樣品的損失量與元素分析儀測定的SOC含量極顯著相關(<0.01)(圖3B)，說明SOC含量越高，TG曲線中200 ～ 550 ℃損失的有機碳越多。

TG-T50為從草原化荒漠(430.22 ℃)、荒漠(409.17 ℃)、荒漠草原(368.86 ℃)到山地草甸(350.36 ℃)依次降低(圖4A)；山地草甸的%Exo1(67.71%)顯著高于荒漠(45.71%)、草原化荒漠(40.54%)和荒漠草原(58.85%)，而草原化荒漠與荒漠之間沒有明顯差異(圖4B)。在荒漠中，%Exo1和TG-T50在灌叢下(分別為48.32% 和405.58 ℃)與灌叢間(為43.11% 和412.76 ℃)沒有明顯差異；在草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸中，灌叢下的TG-T50(分別為439.13、382.75和359.85 ℃)顯著高于灌叢間(分別為411.31、354.91 和340.87 ℃)；在草原化荒漠和山地草甸，灌叢下的%Exo1(分別為33.91% 和61.36%)顯著低于灌叢間(分別為47.18% 和73.07%) (圖4)。

圖2 4類草地灌叢下與灌叢間土壤的TG曲線

(圖中小寫字母不同表示不同類型草地灌叢下及灌叢間的SOC含量差異顯著(P<0.05)；大寫字母不同表示不同草地類型之間SOC平均含量差異顯著(P<0.05)；下同)

2.2.2 DSC法 DSC曲線反映了樣品燃燒能量的變化(圖5)。在0 ～ 200℃，能量為負值，是因為土壤中水分蒸發(fā)吸收了熱量；>200℃，能量為正值，是由于SOC燃燒產生的放熱反應。

圖4 4類草地灌叢下和灌叢間土壤的TG-T50(A)和%Exo1(B)

圖5 4類草地灌叢下與灌叢間土壤的DSC曲線

荒漠草原的值(169.13 J)顯著高于荒漠(70.83 J)和草原化荒漠(41.55 J)，而與山地草甸(113.03 J)沒有顯著差異(圖6A)；PQ1在草原化荒漠(51.07%)和山地草甸(50.06%)顯著高于荒漠(30.30%)和荒漠草原(35.77%)(圖6B)；荒漠的PQ2(42.79%)顯著高于草原化荒漠(36.36%)、荒漠草原(35.86%)和山地草甸(32.96%)，而草原化荒漠和荒漠草原沒有顯著差異(圖6C)；荒漠(20.60%)和荒漠草原(20.84%)的PQ3顯著高于草原化荒漠(10.72%)和山地草甸(13.12%) (圖6D)。在荒漠中，灌叢下的值和PQ1(分別為49.93 J和29.04%)顯著低于灌叢間(分別為91.74 J和36.57%)，而灌叢下PQ3(22.74%)顯著高于灌叢間(18.45%)(圖6D)；在草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸，灌叢下值(分別為54.94、233.21和164.09 J)顯著高于灌叢間(分別為28.17、105.05 和61.91 J)，并且灌叢下PQ1(分別為47.83%、25.51% 和42.11%)顯著低于灌叢間(分別為56.31%、43.03% 和55.01%)，而草原化荒漠和山地草甸灌叢下PQ2(分別為34.16% 和30.78%)顯著低于灌叢間(分別為38.56% 和35.13%)，荒漠草原和山地草甸灌叢下PQ3(分別為26.31% 和14.86%)顯著高于灌叢間(分別為15.38% 和11.38%)(圖6B ～ 6D)。

圖6 4類草地灌叢下與灌叢間土壤的Q (A)、PQ1(B)、PQ2(C)和PQ3(D)

山地草甸的ED值(26.60 J/mg)顯著低于荒漠(39.04 J/mg)和荒漠草原(34.25 J/mg)，而與草原化荒漠(41.49 J/mg)沒有顯著差異(圖7A)；荒漠(415.69℃)和草原化荒漠(416.61℃)DSC-T50高于荒漠草原(368.56℃)和山地草甸(369.27℃)(圖7B)。在荒漠、草原化荒漠和山地草甸中，灌叢下的ED值(分別為27.08、32.54和14.18J/mg)顯著低于灌叢間(分別為51.01、35.95和39.02 J/mg)；在草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸中，灌叢下的DSC-T50(分別為388.51、357.89和358.02℃)顯著低于灌叢間(分別為444.72、376.23和380.52℃)(圖7)。

2.3 熱分析指標的相關性

TG-T50、DSC-T50與%Exo1之間顯著相關(<0.05)；ED與TG-T50、DSC-T50、%Exo1均無顯著相關性；PQ1與DSC-T50、ED呈負相關；PQ2與%Exo1呈負相關，與TG-T50呈正相關；PQ3與TG-T50呈負相關，與DSC-T50呈正相關(表3)。

2.4 SOC官能團的相對含量與熱分析指標的相關性

TG-T50與烷氧碳相對含量呈顯著負相關(<0.05)；%Exo1與烷氧碳相對含量呈顯著正相關(<0.05)；DSC-T50與烷基碳相對含量呈顯著負相關(<0.05)；ED與烷氧碳、烷基碳相對含量呈顯著負相關(<0.01)，而與芳香碳、羰基碳相對含量呈顯著正相關(<0.05)(表4)。

PQ1與烷基碳相對含量呈顯著正相關(<0.01)，但與芳香碳、羰基碳相對含量呈顯著負相關(<0.05)；PQ2與烷氧碳相對含量呈顯著負相關(<0.01)，與芳香碳相對含量呈顯著正相關(<0.05)；PQ3則與難降解官能團呈現了兩種相反的相關關系，與烷基碳相對含量呈顯著負相關(<0.01)，而與羰基碳相對含量呈顯著正相關(<0.01)。烷基碳/烷氧碳比值與DSC-T50、%Exo1呈顯著負相關，與TG-T50呈顯著正相關(<0.01)。

圖7 4類草地灌叢下與灌叢間土壤的ED和DSC-T50

表3 熱分析指標之間的相關性

注：*表示在<0.05水平上顯著相關，**表示在<0.01水平上顯著相關；下同。

表4 SOC官能團相對含量與熱分析指標的相關性

3 討論

以往的研究表明，在荒漠中灌叢主要通過根系吸收養(yǎng)分、微生物活動分解凋落物以及根系分泌物和根組織的脫落物的沉積等生物過程使得灌叢下土壤養(yǎng)分的含量增加，形成“肥島”[11]。但在本研究中，在荒漠和草原化荒漠中，灌叢間和灌叢下的SOC含量差異不顯著，沒有發(fā)現“肥島”現象，可能的原因是灌叢還受到非生物性限制要素的影響，如風、水等，這些因素復雜的交互作用使灌叢下有機質等養(yǎng)分的聚集受到限制[9]。

在SOC官能團的組成比例上，本研究與以往大多數的研究結果一致[28-30]，即烷氧碳比例最高，其次為烷基碳和芳香碳，然后為羰基碳。SOC主要來源于植物殘體，植物殘體化學結構的相似是導致不同研究中SOC化學結構相似的原因[31]。烷氧碳是植物殘體SOC的主要組成部分，因此烷氧碳比例最高[32]。在本研究中，隨著海拔的升高，各類草地灌叢間土壤中芳香碳所占比例下降，這是由于氣溫降低，土壤酶活性和微生物活性減弱，減緩了土壤腐殖化作用[33]。Chen等[34]在臺灣中部草地也發(fā)現土壤中芳香碳含量沿海拔降低，這是因為較高海拔地區(qū)較大的降雨量使得木質素的可溶性碎片在腐殖化過程中被濾出，導致輸入SOC固定周期延長，從而較難形成穩(wěn)定的芳香核結構。而在各類草地的灌叢下，芳香碳所占比例沒有出現隨海拔升高而降低的趨勢，可能的原因是灌叢化出現。草原化荒漠中的烷基碳/烷氧碳比值較高，在灌叢下和灌叢間分別為0.72 ～ 0.81，而在荒漠草原中該值較低，灌叢下和灌叢間為0.51 ～ 0.54，其他類草地為0.44 ～ 0.81。以往的研究認為，當烷基碳/烷氧碳比值大于0.65時，說明土壤腐殖化程度較高，穩(wěn)定性較大[34]。烷基碳/烷氧碳比值在不同類草地之間的差異可能與植被組成、土壤母質和氣候條件有關[35]。

盡管在荒漠和草原化荒漠中，灌叢化并沒有影響SOC的含量，但在這2類草地以及荒漠草原和山地草甸中，灌叢下的SOC的化學結構都不同于灌叢間，表明灌叢化改變了SOC的化學結構。在4類草地中，灌叢化均增加了烷基碳/烷氧碳的比值，表明灌叢化增加了SOC的腐殖化程度和化學結構穩(wěn)定性[36]。在荒漠和山地草甸，可能的原因是灌叢凋落物與植物殘體的輸入，提高了土壤微生物對土壤中SOC的利用程度，大量烷氧碳被吸收利用，導致烷基碳/烷氧碳比值增加[34]；在草原化荒漠、荒漠草原，可能的原因是灌叢凋落物與植物殘體分解程度較低時會將部分有機物質(如角質、軟木脂等)選擇性保留，這類有機物質組成主要是烷基碳，導致烷基碳/烷氧碳比值增加。其他官能團的相對含量從灌叢間到灌叢下的變化也并不一致。例如，在山地草甸中，從灌叢間到灌叢下芳香碳和羧基碳相對含量增加，而在草原化荒漠中，芳香碳和羧基碳的相對含量降低。SOC化學結構從灌叢間到灌叢下的變化在不同類草地中不一致，可能是與不同類草地的氣候條件、土壤類型、土壤質地，以及這些因素所導致的微生物種類、活性和代謝殘體特征有關[37]。另外，灌叢物種的不同(在荒漠、草原化荒漠和荒漠草原為草原錦雞兒，在山地草甸為薔薇)所帶來的凋落物和根系分泌物的數量和質量的不同也可能是在不同類草地中灌叢化導致SOC化學結構不同的原因之一[37]。

SOC熱穩(wěn)定性指標%Exo1、TG-T50和DSC-T50分析表明，低海拔的荒漠和草原化荒漠的SOC熱穩(wěn)定性高于高海拔的荒漠草原和山地草甸的。產生這一結果的原因可能是，土壤水分與土壤微生物活動以及土壤呼吸作用密切相關，通常土壤含水率較高的土壤，其土壤微生物對植物殘體的分解作用相對較強[10]，導致更多的植物殘體被降解成不穩(wěn)定的SOC進入土壤，從而降低了SOC熱穩(wěn)定性。另外，地下生物量的改變對SOC熱穩(wěn)定性也有一定的影響。隨著海拔升高植物地下生物量輸入會增加[38]，地下細根生物量的增加一方面增加了土壤中有機物質的輸入，導致了SOC含量的變化(圖3)，另一方面根系分泌物(碳水化合物)和根組織的脫落物增加使有機質組成比例發(fā)生改變，易分解的有機質相對含量升高，因此SOC熱穩(wěn)定性減弱。

在草原化荒漠、荒漠草原和山地草甸中，灌叢下的%Exo1和DSC-T50均高于灌叢間，而TG-T50低于灌叢間，說明在這些類草地中，灌叢化增加了SOC熱穩(wěn)定性?；诒狙芯恐?，烷基碳/烷氧碳比值與DSC-T50、%Exo1和TG-T50具有較好的相關性，因此可以推測灌叢化增加了化學結構的穩(wěn)定性是增加SOC熱穩(wěn)定性的一個主要原因。另外，在山地草甸中，灌叢化導致烷氧碳化合物含量減少，而羧基碳和芳香碳化合物含量增多也是灌叢化增加SOC熱穩(wěn)定性的一個原因。在荒漠中，盡管指標%Exo1、TG-T50和DSC-T50在灌叢下與灌叢間沒有差異，但是PQ1減小而PQ3增加，也表明灌叢化增加SOC的熱穩(wěn)定性。

指標%Exo1、TG-T50和DSC-T50之間相關性較好，但這些指標與ED沒有顯著相關性。Barros等[27]在西班牙北部草地SOC熱穩(wěn)定性的研究中也發(fā)現，ED不能很好地判斷SOC的熱穩(wěn)定性，這可能是因為熱分析試驗中包括了不同物質的高溫分解以及能量的轉化，而物質能量的釋放十分復雜，如土壤中有機無機復合體結合時化學鍵的斷裂會釋放大量的能量，影響了ED數值的準確性。

已往的研究表明，13C NMR和熱分析技術可以相互補充解釋部分SOC穩(wěn)定性的變化[23]。在本研究中，TG-T50與烷氧碳相對含量有顯著的負相關性，DSC-T50與烷基碳相對含量有顯著的負相關性，證實了SOC的熱穩(wěn)定性和其化學結構具有一致性。但是在本研究中，仍存在矛盾的相關關系，例如，難降解官能團烷基碳相對含量與PQ1呈顯著正相關關系，與PQ3呈顯著負相關關系。這可能是因為熱分析數據變化和13C NMR化學位移區(qū)域之間的直接對應關系不一定完全匹配，如一些土壤中難降解的物質可以在DSC曲線的Q1區(qū)域產生燃燒峰。這在一定程度上說明了DSC可能會對SOC熱穩(wěn)定性做出錯誤的解釋[27]。

4 結論

灌叢化改變了干旱區(qū)草地SOC的化學結構，增加了SOC化學結構穩(wěn)定性；處于較低海拔的草地的SOC熱穩(wěn)定性高于處于較高海拔的草地；灌叢化增加了干旱區(qū)草地SOC的熱穩(wěn)定性；13C NMR技術與TG、DSC技術可以相互補充來解釋SOC穩(wěn)定性的變化。

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Effects of Woody Proliferation on Chemical Structure and Thermal Stability of Soil Organic Carbon in Arid Grasslands

ZHANG Yu, LIU Yunhua*, TENG Lichuang, BAI Chonghao, SHENG Jiandong

(Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Process, College of Resources and Environment, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

In this study, four grassland types distributed along the altitude were selected in the typical arid area of Xinjiang, and the effects of shrub on the chemical structure and thermal stability of grassland soil organic carbon (SOC) were revealed by using solid-state13C nuclear magnetic resonance technology and thermal analysis technology. The results show that the proportion of aromatic C among shrubs is decreased gradually from temperate desert to mountain meadow along the altitude. In temperate desert, temperate grassland desertification, temperate desert grassland and mountain meadow, the alkyl C/O-alkyl C values under shrubs are increased by 0.10, 0.09, 0.03 and 0.21 respectively. The index of low altitude temperate desert and temperate grassland desertification, the ratio of the mass of SOC easily decomposed by heat (SOC decomposed at lower temperature) to the total mass of SOC (%Exo1), the temperature at half of SOC decomposition (TG-T50) and the corresponding temperature at half of SOC energy release (DSC-T50) are significantly lower than those of high-altitude temperate desert grassland and mountain meadow. In grassland desertification, desert grassland and mountain meadow, the %Exo1and DSC-T50under shrub are higher than those between shrubs, while TG-T50is lower than that between shrubs. In temperate desert, from shrub to shrub, the proportion of energy released by SOC combustion in total combustion energy () is decreased at low temperature, while the energy released by SOC combustion is increased at high temperature. The results show that shrub can increase the stability of SOC chemical structure and thermal stability in arid area.

Arid areas; grassland; Altitude; Shrubbery; Organic carbon stability; Solid state13C NMR technology; Thermal analysis technology

S153.6+21

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.007

張宇, 劉耘華, 滕俐闖, 等. 灌叢化對干旱區(qū)草地土壤有機碳化學結構和熱穩(wěn)定性的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1138–1148.

新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室開放課題(2020D04004)資助。

通訊作者(yunhua.liu@xjau.edu.cn)

張宇(1995—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)學研究。E-mail: 763577716@qq.com