Changes in soil organic carbon fractions and carbon sequestration potential of degraded alpine meadows

doi:10.11686/cyxb2024462

Abstract

Abstract:

This study investigates the changes in soil organic carbon （SOC） components and the carbon sequestration potential associated with varying degrees of degradation in alpine meadow soil on the Qinghai-Xizang Plateau. Utilizing the internationally recognized physical grouping method， SOC is categorized into particulate organic carbon （POC） and mineral-associated organic carbon （MAOC）. The analysis focuses on the characteristics of SOC component alterations and the carbon sequestration potential in alpine meadow soil subjected to different degradation levels：［no degradation （ND）， light degradation （LD）， moderate degradation （MD）， and heavily degradation （HD）］. The findings reveal that light， moderate， and heavy degradation led to reductions in soil organic carbon in the 0-30 cm layer of the alpine meadow by 24.54%， 34.45%， and 34.81%， respectively， with significant impacts observed in the 0-10 cm and 10-20 cm layers （P<0.05）. Degradation resulted in a decrease of POC by 43.47%-56.01% and MAOC by 17.61%-31.20%， indicating that POC constitutes the primary component of SOC loss. Furthermore， the relative analysis using random forest methodologies identifies soil total nitrogen （TN）， bulk density （BD）， and pH as the principal influencing factors on soil organic carbon and its components， with soil TN exerting the most significant influence （P<0.01）. Correlation analysis indicates a significant positive relationship between SOC， POC， and MAOC with TN， while a negative correlation exists between BD and pH. The study estimates the carbon sequestration potential of the soil （0-30 cm） for the recovery of light， moderate， and heavy degradation in alpine meadows at 1.97， 2.78， and 2.86 kg·m^-2， respectively. Notably， the surface layer （0-10 cm） contributes 54.93% of the total carbon sequestration， highlighting its critical role in carbon sequestration potential in this region. The research findings provide a theoretical foundation for restoring degraded alpine meadows and offer scientific support for carbon sequestration strategies within grassland ecosystems on the Qinghai-Xizang Plateau.

Key words: grassland degradation, soil organic carbon, particulate organic carbon, mineral-associated organic carbon, soil carbon increment potential

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Figures/Tables 8

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项目 Item	未退化 None degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavily degradation
地上生物量Above-ground biomass （g·m^-2）	297.51±15.74a	203.53±15.61b	137.00±19.17c	123.52±21.95c
0~30 cm地下生物量Below-ground biomass in 0-30 cm （g·m^-2）	519.95±69.59ab	627.41±113.33ab	908.18±192.67a	248.42±35.03b
高度Height （cm）	23.58±0.56a	18.01±0.58b	15.56±0.25c	14.53±0.12d
盖度Coverage （%）	87.4±2.5a	73.4±1.3b	63.0±1.6c	62.0±1.6c
香农-威纳指数Shannon-Wiener index	2.71±0.04a	2.58±0.04a	2.35±0.09b	2.38±0.06b
辛普森指数Simpson index	0.9271±0.0073a	0.9339±0.0020a	0.9225±0.0047a	0.9305±0.0044a
丰富度指数Richness index	20.67±0.94a	19.33±0.29a	16.20±0.46b	17.20±0.31b
均匀度指数Pielou index	0.90±0.06a	0.87±0.02ab	0.85±0.01ab	0.84±0.02b

项目 Item	未退化 None degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavily degradation
地上生物量Above-ground biomass （g·m^-2）	297.51±15.74a	203.53±15.61b	137.00±19.17c	123.52±21.95c
0~30 cm地下生物量Below-ground biomass in 0-30 cm （g·m^-2）	519.95±69.59ab	627.41±113.33ab	908.18±192.67a	248.42±35.03b
高度Height （cm）	23.58±0.56a	18.01±0.58b	15.56±0.25c	14.53±0.12d
盖度Coverage （%）	87.4±2.5a	73.4±1.3b	63.0±1.6c	62.0±1.6c
香农-威纳指数Shannon-Wiener index	2.71±0.04a	2.58±0.04a	2.35±0.09b	2.38±0.06b
辛普森指数Simpson index	0.9271±0.0073a	0.9339±0.0020a	0.9225±0.0047a	0.9305±0.0044a
丰富度指数Richness index	20.67±0.94a	19.33±0.29a	16.20±0.46b	17.20±0.31b
均匀度指数Pielou index	0.90±0.06a	0.87±0.02ab	0.85±0.01ab	0.84±0.02b

土层 Soil layer （cm）	项目 Item	未退化 None degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavily degradation
0~10	土壤含水量Soil water content （%）	32.67±2.06a	25.90±1.52a	28.50±1.44a	28.56±1.16a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.02±0.04b	1.14±0.02ab	1.19±0.02a	1.19±0.02a
	黏粒含量Clay concentration （%）	5.76±1.23b	9.02±0.22ab	8.41±1.64ab	11.46±0.32a
	粉粒含量Silt concentration （%）	32.67±5.59b	49.14±2.16ab	40.41±7.71ab	54.10±1.29a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	1.18±0.03a	1.18±0.03a	1.02±0.01b	1.00±0.03b
	pH	5.84±0.01a	5.86±0.06a	5.87±0.06a	6.02±0.06a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	2.97±0.35a	2.07±0.03b	1.67±0.24b	1.83±0.09b
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	1.98±0.23a	1.76±0.28a	1.54±0.02a	1.50±0.22a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	34.80±1.50b	49.50±0.30a	47.90±1.60a	13.60±1.40c
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	14.50±2.60a	11.19±1.30ab	7.50±1.30b	7.20±0.60b
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	62.80±20.30a	28.00±10.40ab	18.00±7.40b	10.10±4.40b
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.30±0.06a	0.30±0.04a	0.23±0.04a	0.21±0.01a
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.53±0.10a	0.66±0.10a	0.57±0.11a	0.58±0.11a
10~20	土壤含水量Soil water content （%）	27.74±3.34a	24.88±0.46a	23.66±2.11a	28.92±3.64a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.19±0.06a	1.28±0.03a	1.31±0.05a	1.28±0.06a
	黏粒含量Clay concentration （%）	9.13±0.69b	9.40±0.31b	7.44±1.30b	11.97±0.13a
	粉粒含量Silt concentration （%）	53.10±4.52a	48.00±2.57a	34.17±5.17b	55.97±2.00a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	1.10±0.03a	1.08±0.01a	1.01±0.03a	1.05±0.01a
	pH	5.79±0.04b	6.05±0.06a	6.01±0.05ab	6.07±0.04a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	1.50±0.06a	1.13±0.09a	1.07±0.07a	1.07±0.22a
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	2.01±0.29a	1.59±0.18a	1.65±0.25a	1.60±0.15a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	39.30±0.10b	52.00±0.80a	36.70±2.20b	10.70±0.50c
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	12.60±1.80a	9.00±1.10ab	7.10±1.70b	7.60±0.80b
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	16.10±4.20a	16.80±7.10a	24.40±7.80a	10.70±4.20a
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.30±0.02a	0.24±0.03ab	0.17±0.02b	0.18±0.03b
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.46±0.10a	0.49±0.12a	0.36±0.13a	0.17±0.03a
20~30	土壤含水量Soil water content （%）	21.31±1.45a	18.43±2.26a	21.82±1.65a	23.53±0.76a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.31±0.01a	1.38±0.07a	1.35±0.03a	1.38±0.03a
	黏粒含量Caly concentration （%）	0.24±0.11b	0.15±0.20b	0.28±0.07b	0.99±0.08a
	粉粒含量Silt concentration （%）	28.50±5.05b	23.70±0.77b	33.86±4.01b	54.34±2.40a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	0.99±0.03a	0.92±0.01ab	0.84±0.05b	0.78±0.04b
	pH	5.98±0.05a	6.16±0.04a	6.20±0.08a	6.20±0.03a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	1.03±0.09a	0.83±0.15a	0.83±0.03a	0.73±0.15a
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	1.86±0.28a	1.82±0.03a	1.43±0.20a	1.70±0.08a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	44.30±0.80b	50.80±0.50a	20.70±2.10c	10.60±8.00d
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	21.10±9.50a	12.70±5.80a	7.60±1.20a	6.40±0.40a
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	29.20±11.40a	31.60±21.60a	17.10±5.90a	13.20±3.70a
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.25±0.04a	0.17±0.02a	0.21±0.06a	0.19±0.03a
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.24±0.06a	0.33±0.06a	0.35±0.11a	0.08±0.01a

土层 Soil layer （cm）	项目 Item	未退化 None degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavily degradation
0~10	土壤含水量Soil water content （%）	32.67±2.06a	25.90±1.52a	28.50±1.44a	28.56±1.16a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.02±0.04b	1.14±0.02ab	1.19±0.02a	1.19±0.02a
	黏粒含量Clay concentration （%）	5.76±1.23b	9.02±0.22ab	8.41±1.64ab	11.46±0.32a
	粉粒含量Silt concentration （%）	32.67±5.59b	49.14±2.16ab	40.41±7.71ab	54.10±1.29a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	1.18±0.03a	1.18±0.03a	1.02±0.01b	1.00±0.03b
	pH	5.84±0.01a	5.86±0.06a	5.87±0.06a	6.02±0.06a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	2.97±0.35a	2.07±0.03b	1.67±0.24b	1.83±0.09b
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	1.98±0.23a	1.76±0.28a	1.54±0.02a	1.50±0.22a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	34.80±1.50b	49.50±0.30a	47.90±1.60a	13.60±1.40c
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	14.50±2.60a	11.19±1.30ab	7.50±1.30b	7.20±0.60b
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	62.80±20.30a	28.00±10.40ab	18.00±7.40b	10.10±4.40b
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.30±0.06a	0.30±0.04a	0.23±0.04a	0.21±0.01a
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.53±0.10a	0.66±0.10a	0.57±0.11a	0.58±0.11a
10~20	土壤含水量Soil water content （%）	27.74±3.34a	24.88±0.46a	23.66±2.11a	28.92±3.64a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.19±0.06a	1.28±0.03a	1.31±0.05a	1.28±0.06a
	黏粒含量Clay concentration （%）	9.13±0.69b	9.40±0.31b	7.44±1.30b	11.97±0.13a
	粉粒含量Silt concentration （%）	53.10±4.52a	48.00±2.57a	34.17±5.17b	55.97±2.00a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	1.10±0.03a	1.08±0.01a	1.01±0.03a	1.05±0.01a
	pH	5.79±0.04b	6.05±0.06a	6.01±0.05ab	6.07±0.04a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	1.50±0.06a	1.13±0.09a	1.07±0.07a	1.07±0.22a
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	2.01±0.29a	1.59±0.18a	1.65±0.25a	1.60±0.15a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	39.30±0.10b	52.00±0.80a	36.70±2.20b	10.70±0.50c
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	12.60±1.80a	9.00±1.10ab	7.10±1.70b	7.60±0.80b
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	16.10±4.20a	16.80±7.10a	24.40±7.80a	10.70±4.20a
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.30±0.02a	0.24±0.03ab	0.17±0.02b	0.18±0.03b
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.46±0.10a	0.49±0.12a	0.36±0.13a	0.17±0.03a
20~30	土壤含水量Soil water content （%）	21.31±1.45a	18.43±2.26a	21.82±1.65a	23.53±0.76a
	容重Bulk density （g·cm^-3）	1.31±0.01a	1.38±0.07a	1.35±0.03a	1.38±0.03a
	黏粒含量Caly concentration （%）	0.24±0.11b	0.15±0.20b	0.28±0.07b	0.99±0.08a
	粉粒含量Silt concentration （%）	28.50±5.05b	23.70±0.77b	33.86±4.01b	54.34±2.40a
	团聚体平均重量直径Mean weight diameter （mm）	0.99±0.03a	0.92±0.01ab	0.84±0.05b	0.78±0.04b
	pH	5.98±0.05a	6.16±0.04a	6.20±0.08a	6.20±0.03a
	全氮含量Total nitrogen concentration （mg·g^-1）	1.03±0.09a	0.83±0.15a	0.83±0.03a	0.73±0.15a
	全磷含量Total phosphorus concentration （mg·g^-1）	1.86±0.28a	1.82±0.03a	1.43±0.20a	1.70±0.08a
	速效磷含量Available phosphorus concentration （mg·kg^-1）	44.30±0.80b	50.80±0.50a	20.70±2.10c	10.60±8.00d
	铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	21.10±9.50a	12.70±5.80a	7.60±1.20a	6.40±0.40a
	硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	29.20±11.40a	31.60±21.60a	17.10±5.90a	13.20±3.70a
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon （mg·g^-1）	0.25±0.04a	0.17±0.02a	0.21±0.06a	0.19±0.03a
	微生物生物量碳Microbial biomass carbon （mg·g^-1）	0.24±0.06a	0.33±0.06a	0.35±0.11a	0.08±0.01a

退化程度 Degradation degree	土层 Soil layer （cm）	理论土壤有机碳增汇潜力 Theoretical potential of SOC increment （kg·m^-2）
轻度退化 Light degradation	0~10	1.12±0.06Aa
	10~20	0.55±0.09ABa
	20~30	0.30±0.22Ba
	0~30	1.97±0.32a
中度退化 Moderate degradation	0~10	1.49±0.40Aa
	10~20	0.94±0.18ABa
	20~30	0.34±0.08Ba
	0~30	2.78±0.61a
重度退化 Heavily degradation	0~10	1.57±0.23Aa
	10~20	0.81±0.31ABa
	20~30	0.49±0.17Ba
	0~30	2.86±0.35a