邱 璇，趙建寧，李文亞，張乃芹，朱 巖，楊殿林*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.德州學(xué)院生態(tài)與園林建筑學(xué)院，山東 德州 253023）

不同利用方式對(duì)小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其結(jié)構(gòu)的影響

邱 璇1，2，趙建寧1，李文亞1，2，張乃芹3，朱 巖1，楊殿林1，2*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.德州學(xué)院生態(tài)與園林建筑學(xué)院，山東 德州 253023）

在圍封、3個(gè)放牧梯度[0.50羊單位·hm-2（G0.50）、0.94羊單位·hm-2（G0.94）、1.25羊單位·hm-2（G1.25）]和開(kāi)墾5種處理?xiàng)l件下，對(duì)內(nèi)蒙古小針茅荒漠草原土壤容重、土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度和有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響開(kāi)展野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并利用核磁共振波譜法測(cè)定0～20 cm土層土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：同一土層，不同利用方式下，放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度有降低的趨勢(shì)，土壤容重有增加的趨勢(shì)。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。同一處理，隨著土層的加深，小針茅荒漠草原土壤容重先降低后增加，而土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度先增加后降低，在30～40 cm土層達(dá)到最大值。放牧和開(kāi)墾與圍封相比，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降。其中，G1.25和開(kāi)墾區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著（P＜0.05）低于圍封區(qū)。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸降低。不同利用方式和放牧強(qiáng)度下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳化學(xué)組分沒(méi)有發(fā)生變化，各組分的相對(duì)比例出現(xiàn)差異。其中，烷氧碳（34.86%～37.85%）、烷基碳（26.05%～33.87%）、芳香碳（10.60%～17.69%）和羰基碳（14.57%～16.90%）是土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的主要組成成分。放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，烷基碳和羰基碳的相對(duì)比例減小，烷氧碳和芳香碳的相對(duì)比例增加，隨著放牧強(qiáng)度的增加，烷基碳的相對(duì)比例逐漸降低，烷氧碳相對(duì)比例逐漸增加。圍封草原土壤腐殖化指數(shù)最大（表現(xiàn)為圍封區(qū)＞開(kāi)墾區(qū)＞G0.50＞G0.94＞G1.25），而芳香性最?。ū憩F(xiàn)為G1.25＞G0.94＞開(kāi)墾區(qū)＞G0.50＞圍封區(qū)），說(shuō)明圍封區(qū)土壤有機(jī)碳更趨穩(wěn)定，在土壤固碳方面有一定的意義。

有機(jī)碳結(jié)構(gòu)；13C-核磁共振；利用方式；小針茅荒漠草原

土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，約為大氣碳庫(kù)的2倍，陸地植被碳庫(kù)的2～4倍，土壤貢獻(xiàn)于大氣CO2的年通量是燃燒化石燃料的10倍[1]，土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）的微小變化將會(huì)極大緩和或加速大氣CO2濃度的提高，進(jìn)而改變?nèi)蛱佳h(huán)[2]。土壤有機(jī)碳也是土壤質(zhì)量的核心，很大程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定，起著緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化有關(guān)的一系列過(guò)程，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和土地可持續(xù)利用的重要指標(biāo)[3-4]。

人類活動(dòng)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響日益嚴(yán)重，不同利用方式是導(dǎo)致草原土壤有機(jī)碳變化的主要途徑[5]。開(kāi)墾和放牧是人類對(duì)草原的主要利用方式，而圍封是當(dāng)前我國(guó)退化草地恢復(fù)其質(zhì)量和生態(tài)功能所采用的最廣泛、且易操作的措施之一。但因草地類型、管理方式以及研究方法的不同，目前不同利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果還不盡一致。李春莉等[6]和阿穆拉等[7]對(duì)荒漠草原土壤有機(jī)碳的研究表明，與圍封區(qū)相比，放牧降低了土壤有機(jī)碳含量。而劉楠等[8]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古錫林河流域羊草典型草原有機(jī)碳含量放牧區(qū)高于圍封未放牧地。耿元波等[4]研究發(fā)現(xiàn)，貝加爾針茅草原開(kāi)墾后，1 m土層內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量明顯下降。圍封可使草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量顯著增加[9]，但是碳蓄積效率會(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)程逐漸下降，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)[10]。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谕寥烙袡C(jī)碳數(shù)量方面做了大量的工作，充分認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化循環(huán)必須從土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)研究入手，對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征對(duì)于研究土壤有機(jī)碳的變化至關(guān)重要[11]。核磁共振技術(shù)（NMR）作為一種非破壞性的分析方法，在研究土壤有機(jī)碳庫(kù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)上優(yōu)勢(shì)明顯[12]。李國(guó)棟等[13]在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究中，采用13C NMR技術(shù)，分析有機(jī)碳庫(kù)的組成特征及其穩(wěn)定性。郭素春等[14]也利用固態(tài)13C NMR技術(shù)分析了土壤和團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特征。但是，對(duì)小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

小針茅荒漠草原是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分，占內(nèi)蒙古溫性荒漠草地面積的73.28%。與其他類型的草原相比，荒漠草原的自然環(huán)境更加惡劣，生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，對(duì)人為干擾也更為敏感。由于不合理的人為利用，草原退化嚴(yán)重。因此，本研究借助核磁共振技術(shù)判別土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析土壤有機(jī)碳積累與有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系，對(duì)于科學(xué)地利用和保護(hù)草原資源具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古蘇尼特右旗賽汗塔拉鎮(zhèn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所荒漠草原試驗(yàn)站。地理坐標(biāo)為42°46′N、112°40′E，海拔1079 m。屬于中溫帶干旱性大陸性氣候，年平均氣溫3.9℃，無(wú)霜期135 d，多年平均降雨量181.2 mm，蒸發(fā)量2800 mm。土壤類型為棕鈣土，基本理化性質(zhì)如表1。主要植物有：小針茅（Stipa klemenzii）、無(wú)芒隱子草（Cleistogenes songorica）、多根蔥（Alliumpolyrhizum）、阿氏旋花（Convolvulus ammannii）、蕓香草（Haplophyllum dauricum）等。試驗(yàn)布設(shè)于2010年7月，設(shè)置5個(gè)處理，分別為圍封區(qū)、3個(gè)放牧梯度區(qū)[0.50羊單位·hm-2（G0.50）、0.94羊單位·hm-2（G0.94）、1.25羊單位·hm-2（G1.25）]和開(kāi)墾區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積16 hm2，3次重復(fù)。小區(qū)間用網(wǎng)圍欄分隔，圍封區(qū)無(wú)牲畜和人為干擾。開(kāi)墾區(qū)種植玉米（Zea mays），依當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil studied（0～20 cm）

1.2 試驗(yàn)樣品采集

土壤樣品采集時(shí)間為2014年8月。在每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線方向挖兩個(gè)1 m深的土壤剖面，采樣深度與國(guó)際上通行的土壤碳貯量計(jì)算深度一致。用環(huán)刀法，由下至上，每10 cm一層（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm），每層取3個(gè)容重樣品，測(cè)定土壤容重。

在各個(gè)處理小區(qū)內(nèi)按照“S”型取樣法選取20個(gè)樣點(diǎn)，每10 cm一層，取樣深度為1 m，用土鉆分層采集土壤樣品。土樣自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩后用于土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度的測(cè)定分析。在各個(gè)處理小區(qū)內(nèi)按照“S”型取樣法選取20個(gè)點(diǎn)，去除表面植被，取0～20 cm土層土壤混勻過(guò)篩，土壤樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干后研磨過(guò)篩，用于土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的測(cè)定分析。

1.3 測(cè)定方法

土壤容重采用環(huán)刀法[15]。土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法[15]。

土壤樣品在進(jìn)行核磁共振分析前，先用10%的氫氟酸（HF）進(jìn)行預(yù)處理，除去土壤中的Fe3+和Mn2+以提高信號(hào)與背景噪音的比例強(qiáng)度。主要參考Mathers等[16]的方法并略有改動(dòng)：稱5 g土壤樣品于100 mL離心管中，加50 mL HF（體積分?jǐn)?shù)10%）溶液，振蕩1 h（25℃，100 r·min-1），離心15 min（3000 r·min-1），棄上清液，殘余物繼續(xù)用HF溶液處理，共重復(fù)處理8次，振蕩時(shí)間依次是：第1～4次1 h，第5～7次12 h，最后1次24 h。處理后的殘余物用蒸餾水洗至中性，方法如下：加50 mL蒸餾水，振蕩10 min，離心機(jī)上3000 r·min-1離心10 min，去掉上清液，整個(gè)過(guò)程重復(fù)5～6次。殘余物在烘箱中40℃烘干，磨細(xì)過(guò)60目篩后置于塑封袋中待測(cè)。樣品在Bruker AV 400 MHz型固體核磁共振儀上測(cè)定，采用交叉極化魔角自旋（CP MAS）技術(shù)，光譜頻率為100.63 MHz，魔角自旋頻率為6 kHz，接觸時(shí)間為2 ms，脈沖延遲時(shí)間為0.5 s，采樣時(shí)間為0.01 s。各類型碳相對(duì)含量用該區(qū)間化學(xué)位移積分面積的百分?jǐn)?shù)表示，由機(jī)器自動(dòng)給出。

土壤有機(jī)碳密度（Soilorganiccarbondensity，SOCD）指單位面積一定深度土體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量，單位為kgC·m-2[17]。

某一土層i的有機(jī)碳密度計(jì)算公式為：

式中：Ci為第i層土壤有機(jī)碳的平均含量，g·kg-1；θi為第i層土壤容重，g·cm-3；Di為土壤厚度，cm；δi為第i層中直徑大于2 mm的石礫所占的百分比，%。

如果某一土體的剖面由k層組成，那么該剖面土壤有機(jī)碳密度SOCt（土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量）計(jì)算公式為：

評(píng)價(jià)有機(jī)碳結(jié)構(gòu)特征的兩個(gè)指標(biāo)[18]：

腐殖化指數(shù)=烷基碳/烷氧碳

芳香性=芳香碳/（烷基碳+烷氧碳+芳香碳）

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和SPSS 16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間的差異顯著性采用One-Way ANOVA檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下土壤容重變化

不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤容重如圖1所示。同一處理，隨著土層的加深，土壤容重先降低后升高，且在30～40 cm土層土壤容重最小。同一土層，不同利用方式下，放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤容重有增加的趨勢(shì)，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤容重逐漸增加，各處理間差異不顯著。

2.2 不同利用方式下土壤有機(jī)碳含量變化

不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳含量如圖2所示。同一處理，隨土層的加深，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在30～40 cm土層出現(xiàn)最大值。除0～10 cm土層，同一土層不同處理間，放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤有機(jī)碳含量有降低的趨勢(shì)，且在60～70 cm和70～80 cm土層差異顯著（P＜0.05），而這主要是土壤空間差異引起的。0～10 cm土層，土壤有機(jī)碳含量開(kāi)墾區(qū)＞圍封區(qū)＞放牧區(qū)。隨著放牧強(qiáng)度的增加有機(jī)碳含量逐漸降低。

2.3 不同利用方式下草原土壤有機(jī)碳密度變化

不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳密度如圖3所示。土壤有機(jī)碳密度隨土層深度變化的趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致。同一處理，隨土層深度的增加，土壤有機(jī)碳密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在30～40 cm土層出現(xiàn)最大值。同一土層，不同處理間，放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤有機(jī)碳密度有降低的趨勢(shì)。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳密度逐漸減小。除10～20 cm土層，同一土層，不同處理間，G1.25處理的土壤有機(jī)碳密度最低。

圖1 不同利用方式下小針茅荒漠草原0～100 cm土層土壤容重Figure 1 Soil bulk density in each soil layer of 0～100 cm under different land use types in Stipa klemenaii steppe

圖2 不同利用方式下小針茅荒漠草原0～100 cm土壤有機(jī)碳含量Figure 2 Soil organic carbon content in each soil layer of 0～100 cm in Stipa klemenzii desert steppe under different land use types

圖3 不同利用方式下小針茅荒漠草原0～100 cm剖面土壤有機(jī)碳密度Figure 3 Soil organic carbon density in each soil layer of 0～100 cm in Stipa klemenzii desert steppe under different land use types

2.4 不同利用方式草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化

不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量如圖4所示。具體表現(xiàn)為圍封＞G0.50＞G0.94＞開(kāi)墾＞G1.25。圍封區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為9.30 kg·m-2，顯著高于G1.25和開(kāi)墾區(qū)（P＜0.05），分別是G0.50、G0.94、G1.25和開(kāi)墾區(qū)的1.11、1.19、1.35、1.23倍。G1.25處理的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最低，為6.88 kg·m-2，與圍封區(qū)相比，顯著（P＜0.05）下降了25.99%。開(kāi)墾區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與圍封區(qū)相比顯著（P＜0.05）下降了18.88%。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸降低，說(shuō)明開(kāi)墾和過(guò)度放牧不利于土壤有機(jī)碳的積累。

2.5 不同利用方式下草原土壤有機(jī)碳組分結(jié)構(gòu)特征

土壤有機(jī)碳固態(tài)NMR碳譜根據(jù)化學(xué)位移主要可劃分為4個(gè)共振區(qū)域（圖5）：烷基碳區(qū)（Alkyl C，δ= 0～45 ppm），主要來(lái)源于脂類、木栓質(zhì)、蠟狀質(zhì)等；烷氧碳區(qū)（O-alkly C，δ=45～110 ppm），主要來(lái)自纖維素、半纖維素等碳水化合物，也有蛋白質(zhì)和木質(zhì)素側(cè)鏈；芳香碳區(qū)（Aromatic C，δ=110～160 ppm），主要來(lái)自木質(zhì)素、角質(zhì)、單寧素和不飽和烯烴等；羰基碳區(qū)（Carboxyl C，δ=160～200 ppm），來(lái)自于氨基酸、脂肪酸、酰胺、酯的吸收[16]。其中烷氧碳（δ=45～110 ppm）可進(jìn)一步分為甲氧基/含氮烷基碳（Methoxyl+N-Alkyl-C，δ=45～60 ppm）、含氧烷基碳（O-Alkyl-C，δ=60～93 ppm）和乙縮醛碳（di-O-Alkyl-C，δ=93～110 ppm）；而芳香碳（δ=110～160 ppm）可進(jìn)一步細(xì)分為芳基碳（Aryl-C，δ=110～142 ppm）和酚基碳（Phenolic-C，δ=142～160 ppm）[14，19]。圖譜顯示，烷基碳和烷氧碳是所有土壤樣品的主要組成成分。不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成沒(méi)有顯著差異。

圖4 不同利用方式小針茅荒漠草原土壤0～100 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量Figure 4 Soil organic carbon storage in 0～100 cm soil layer under different land use types

圖5 不同利用方式下土壤有機(jī)碳13C-NMR圖譜Figure 513C-NMR spectrogram of soil organic carbon under different land use types

表2 不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳各組分相對(duì)含量Table 2 Proportions of the components of soil organic matter under different land use types

不同利用方式下小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳各組分相對(duì)含量如表2所示。土壤有機(jī)碳形態(tài)烷氧碳（34.86%～37.85%）比例最高，其次為烷基碳（26.05%～33.87%），再次為芳香碳（10.60%～17.69%）和羰基碳（14.57%～16.90%）。放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，烷基碳和羰基碳的相對(duì)比例減小，烷氧碳和芳香碳的相對(duì)比例增加。隨著放牧強(qiáng)度的增加，烷基碳的相對(duì)比例逐漸降低。烷氧碳中比例最大的含氧烷基碳與芳香碳中比例最大的芳基碳的變化趨勢(shì)相同，具體表現(xiàn)為放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)高于圍封區(qū)。隨著放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)，含氧烷基碳和芳基碳的相對(duì)比例逐漸增加。腐殖化指數(shù)（烷基碳/烷氧碳）表現(xiàn)為圍封區(qū)＞開(kāi)墾區(qū)＞G0.50＞G0.94＞G1.25。芳香性表現(xiàn)為G1.25＞G0.94＞開(kāi)墾區(qū)＞G0.50＞圍封區(qū)。

從圖6可以看出，土壤有機(jī)碳含量與烷基碳和羰基碳呈正相關(guān)關(guān)系，與烷氧碳呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（差異不顯著），與芳香碳呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)關(guān)系。烷基碳和烷氧碳在土壤有機(jī)碳中的比例最大，由此推斷，烷基碳可能是土壤有機(jī)碳增加的主要貢獻(xiàn)者。

圖6 土壤有機(jī)碳含量與有機(jī)碳各化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性Figure 6 The relationship between SOC and SOC chemical composition

3 討論

3.1 不同利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

草原不同的利用方式影響土壤有機(jī)碳的輸入和輸出，進(jìn)而決定土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化[20]。放牧是草原利用的最主要形式之一，不合理的放牧是草原植被及土壤退化的主要原因。本研究結(jié)果顯示，與圍封區(qū)相比，放牧使小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度和有機(jī)碳儲(chǔ)量均有降低的趨勢(shì)，且隨著放牧強(qiáng)度的增加而逐漸降低。白高娃等[21]對(duì)短花針茅荒漠草原的研究以及范月君等[22]對(duì)三江源區(qū)高寒草甸的研究結(jié)果也表明放牧使土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降，與本研究結(jié)果相吻合。原因是放牧活動(dòng)中家畜的踐踏、采食活動(dòng)不僅影響草地植被的固碳能力，減弱植被對(duì)土壤碳的輸入過(guò)程，而且促進(jìn)了土壤的呼吸作用[23]，加速了碳素從土壤向大氣中釋放。草地開(kāi)墾對(duì)草地土壤有機(jī)碳含量影響強(qiáng)烈[24]，草地開(kāi)墾破壞了原有的植被和土壤結(jié)構(gòu)，一定程度上促進(jìn)了土壤的呼吸作用[4]；另一方面，收獲作物時(shí)大量地上部分被移走，極大減少了碳由凋落物向土壤的輸入[25]。研究指出[26]，草地開(kāi)墾后會(huì)使土壤碳素總量損失30%～50%。本研究結(jié)果顯示，草地開(kāi)墾后各土層土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度以及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量都有不同程度的減少。開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著（P＜0.05）下降了18.88%。耿元波等[4]也研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)墾不利于土壤有機(jī)碳的積累，與本研究結(jié)果相吻合。而圍封有利于小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳的積累。李景剛等[27]對(duì)內(nèi)蒙古大針茅草原的研究，以及孫宗玖等[28]對(duì)新疆蒿類荒漠草地土壤養(yǎng)分的研究，都得到了相似的結(jié)果。圍封是一種可以通過(guò)自然力的作用使退化草地的植被與土壤得到恢復(fù)的有效措施[22]，但是碳蓄積效率不是無(wú)限增長(zhǎng)的，研究表明[9-10]圍封期過(guò)長(zhǎng)，不但不利于草地植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育，反而使枯草抑制植物再生和幼苗的形成，不利于草地的繁殖更新。有機(jī)碳蓄積效率會(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)程逐漸下降，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)。因此，草地圍封一段時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)利用，可使草地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)保持良性狀態(tài)，進(jìn)而保持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡[29]。

土壤有機(jī)碳垂直分布特征呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，阿壩牧區(qū)草地[30]以及貝加爾針茅草原[31]土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出從表層到底層同梯度依次遞減的趨勢(shì)。薩如拉[32]在典型草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究中也指出，土壤有機(jī)碳含量隨土層的加深而逐漸降低。而本研究結(jié)果表明，不同利用方式下，小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度隨著土層的加深，均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，在30～40 cm土層達(dá)到最大值。這一結(jié)論與很多研究結(jié)果不同。其原因是小針茅荒漠草原與其他草原類型相比，生態(tài)環(huán)境更加惡劣，風(fēng)蝕嚴(yán)重，表層土壤極易受到侵蝕[33]，且小針茅荒漠草原降水少，加上地表覆蓋度小，水分易蒸發(fā)散失[34]，為了維持地上部植物的生長(zhǎng)，地下根系向下補(bǔ)償性增生，相應(yīng)脫落于土壤較深處的有機(jī)物質(zhì)也增加，根系分解所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)相對(duì)集中在30～40 cm土層，由此形成了小針茅荒漠草原特殊的土壤有機(jī)碳分布特征。

3.2 不同利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

土壤有機(jī)碳71%～79%是以碳水化合物、脂類、氨基化合物、酚類的結(jié)構(gòu)形式存在的[35]。杭子清等[36]研究表明，互花米草鹽沼土壤中有機(jī)碳以芳香碳和烷氧碳為主，而Mathers等[37]指出土壤有機(jī)碳中烷基碳所占比例最大。郭素春等[14]研究表明，潮土土壤有機(jī)質(zhì)以烷氧碳為主。本研究結(jié)果顯示，小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳以烷氧碳和烷基碳為主，芳香碳、羰基碳的相對(duì)比例最小。以上不同研究中各種不同形態(tài)的有機(jī)碳所占比例差別較大，與土壤類型、植物種類以及水文氣候等因素有關(guān)[36]。Ussirs等[38]認(rèn)為，烷基碳來(lái)自于木栓質(zhì)、角質(zhì)、蠟質(zhì)等植物生物聚合物和微生物代謝產(chǎn)物，難以降解，較為穩(wěn)定，而烷氧碳則相對(duì)易分解。因此，常用腐殖化指數(shù)（烷基碳/烷氧碳）作為土壤有機(jī)碳分解程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，反映土壤有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定性[18，39]。腐殖化指數(shù)增加，有助于提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。本研究結(jié)果顯示，圍封區(qū)的腐殖化指數(shù)要高于放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)。原因可能是圍封區(qū)凋落物的歸還以及草原植被自身的固碳作用，大量有機(jī)碳進(jìn)入土壤，提高了土壤微生物對(duì)烷氧碳的利用程度，而烷基碳相對(duì)富集，導(dǎo)致腐殖化指數(shù)增加，提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。芳香碳也是難分解有機(jī)碳之一，能在土壤中選擇性保留[40]，脂肪族碳的結(jié)構(gòu)卻相對(duì)簡(jiǎn)單，可以用芳香性[芳香碳/（烷基碳+烷氧碳+芳香碳）]表示土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，比值越高反映物質(zhì)中脂肪族側(cè)鏈越少、芳香結(jié)構(gòu)越多、縮合程度越高、分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[35]。本研究中芳香性表現(xiàn)為G1.25＞G0.94＞開(kāi)墾區(qū)＞G0.50＞圍封區(qū)，說(shuō)明圍封區(qū)的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單化。由此推斷放牧和開(kāi)墾會(huì)使有機(jī)碳相對(duì)趨于復(fù)雜化，圍封區(qū)有機(jī)碳更趨穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）放牧區(qū)和開(kāi)墾區(qū)與圍封區(qū)相比，土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度有降低的趨勢(shì)，土壤容重有增加的趨勢(shì)，但各處理間差異不顯著。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)，土壤容重有增加的趨勢(shì)。

（2）不同利用方式對(duì)小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響顯著，G1.25和開(kāi)墾區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著（P＜0.05）低于圍封區(qū)，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也逐漸降低。說(shuō)明開(kāi)墾和過(guò)度放牧不利于土壤有機(jī)碳的積累。

（3）不同利用方式和放牧強(qiáng)度對(duì)小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳化學(xué)組分的影響主要在數(shù)量上，而有機(jī)碳化學(xué)組分沒(méi)有發(fā)生變化，其中烷氧碳（34.86%～37.85%）和烷基碳（26.05%～33.87%）是土壤有機(jī)碳的主要組分。放牧和開(kāi)墾與圍封相比，土壤腐殖化指數(shù)減小，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤腐殖化指數(shù)逐漸降低。這說(shuō)明開(kāi)墾和過(guò)度放牧使土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性降低，而圍封休牧使土壤有機(jī)碳更趨穩(wěn)定，在土壤固碳方面有一定的意義。

致謝：感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所那日蘇研究員和王海博士在試驗(yàn)過(guò)程中提供的便利條件和給予的幫助。

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Effects of different land use types on storage and structure of soil organic carbon in Stipa klemenaii steppe in Inner Mongolia

QIU Xuan1,2,ZHAO Jian-ning1,LI Wen-ya1,2,ZHANG Nai-qin3,ZHU Yan1,YANG Dian-lin1,2*
（1.Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture,Tianjin 300191,China;2.College of Horticulture,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110866,China;3.College of Ecology and Garden Architecture,Dezhou University,Dezhou 253023,China）

The composition and structure of soil organic carbon（SOC）are complex and includes many functional components.In order to study the influence of different land use types on SOC storage and structural characteristics in Stipa klemenaii desert steppe of Inner Mongolia,field sampling,laboratory analysis and13C Nuclear Magnetic Resonance（13C NMR）were employed to analyze the soil bulk density,SOC content,density and storage in soil depth of 0～100 cm,and the structure of SOC in soil depth of 0～20 cm.5 different treatments were set up, including three grazing treatments[0.50 sheep·hm-2（G0.50）,0.94 sheep·hm-2（G0.94）,1.25 sheep·hm-2（G1.25）],one enclosure and one reclamation treatments.The enclosed area was fenced excluding livestock and human disturbance while the reclamation area planted maize（Zea mays）as local general agricultural management.The results showed that：compared with the enclosed area,in the same soil layer,SOC content and density showed a decrease trend;soil bulk density showed an increase trend.With the increase of grazing intensity,SOC content and density reduces gradually.In the same treatment,the soil bulk density of S.klemenaii desert grassland firstly reduced then increased as the soil layer deepen,while the content of SOC and SOC density increased then decreased,and reached the maximum in 30～40 cm.Compared with the enclosed area,the SOC declines in the grazing and reclamation areas.In which,the SOC of the G1.25 and reclamation treatments were significantly（P＜0.05）lower than the enclosed area,besides,the SOC reduce gradually with the increase of grazing intensity. The influence of different land use types on S.klemenaii desert grassland SOC structure was mainly embodied on chemicals composition, meanwhile the chemicals of SOC component has not changed.Of which,silane oxygen carbon（34.86%～37.85%）,alkyl carbon（26.05%～33.87%）,aromatic carbon（10.60%～17.69%）and carbonyl carbon（14.57%～16.90%）are the main compositions of SOC structure.Compared with grazing and reclamation,the soil humification index of the enclosure grassland was the biggest,which performed as enclosed area＞reclamation area＞G0.50＞G0.94＞G1.25;however the aromatic degree of enclosure grassland was the smallest,characterized by G1.25＞G0.94＞reclamation area＞G0.50＞enclosed area.Which demonstrated that the SOC in enclosed area was more stable,and had certain significance in terms of soil carbon sequestration.

structure of soil organic carbon;13C-NMR;land use type;Stipa klemenaii desert steppe

S153.6

A

1672-2043（2016）11-2137-09

10.11654/jaes.2016-0348

2016-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170435）；“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD13B07）

邱璇（1990—），女，山東青島人，在讀碩士。E-mail：qiuxuan2010@126.com

*通信作者：楊殿林E-mail：yangdianlin@cass.cn

邱璇，趙建寧，李文亞，等.不同利用方式對(duì)小針茅荒漠草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其結(jié)構(gòu)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（11）：2137-2145.

QIU Xuan,ZHAO Jian-ning,LI Wen-ya,et al.Effects of different land use types on storage and structure of soil organic carbon in Stipa klemenaii steppe in Inner Mongolia[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（11）：2137-2145.