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王春燕, 张晋京, 吕瑜良, 王莉, 何念鹏. 长期封育对内蒙古羊草草地土壤有机碳组分的影响. 23(5): 31-39
WANG Chun-yan, ZHANG Jin-jing, LV Yu-liang, WANG Li, HE Nian-peng. Effects of long-term grazing exclusion on soil organic carbon fractions in the grasslands of Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 23(5): 31-39  
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长期封育对内蒙古羊草草地土壤有机碳组分的影响
王春燕1,2, 张晋京3, 吕瑜良1, 王莉3, 何念鹏2,*
1.西南大学地理科学学院,重庆 400715
2.中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101
3.吉林农业大学资源与环境学院,吉林 长春 130118
*通讯作者。E-mail:henp@igsnrr.ac.cn

作者简介:王春燕(1990-),女,四川内江人,在读硕士。E-mail:wangcy14310@163.com

基金:环保公益项目(201209028),国家科技支撑计划(2012BAC01B08)和国家自然科学基金项目(31270519)资助
摘要

封育是当前恢复和改良内蒙古草地的重要措施,也是实现草地固碳效应最有效的途径之一。本文利用内蒙古封育32年和自由放牧的羊草草地,分析了其土壤有机碳组分、土壤团聚体和土壤腐殖质组分碳含量的变化,并运用13C核磁共振波普法对土壤腐殖质的有机碳组分进行波普分析,探讨了长期封育对羊草草地土壤有机碳组分和土壤有机质结构的影响,期望能为科学地评估长期封育状况下草地固碳效应及其稳定性提供理论依据。实验结果表明:长期封育显著提高了草地土壤有机碳含量;在土壤有机碳组分中,除土壤微生物碳(MBC)含量降低外,其碳组分含量都相应增加。其中,易氧化有机碳(EOC)含量增加最为明显,长期封育草地是自由放牧草地土壤的4.53倍;长期封育显著提高了草地土壤0.25~2 mm团聚体所占比例及其有机碳含量;长期封育提高了草地土壤腐殖质中的胡敏酸碳(HAC)、胡敏素碳(HUC)含量和胡敏酸/腐殖质碳,降低了富里酸碳(FAC)的含量,封育草地土壤的HAC/FAC是自由放牧草地土壤的5.66倍。此外,长期封育草地土壤的脂族碳含量显著增加,芳香度相应增加,疏水碳/亲水碳增大。总之,长期封育不仅提高了草地土壤有机碳贮量,还能改善草地土壤结构、增强土壤有机碳的稳定性。

关键词: 草地; 土壤有机碳; 碳组分; 封育; 团聚体; 腐殖质; 胡敏酸
中图分类号:S812.2 文献标志码:A 文章编号:1004-5759(2014)05-0031-09
Effects of long-term grazing exclusion on soil organic carbon fractions in the grasslands of Inner Mongolia
WANG Chun-yan1,2, ZHANG Jin-jing3, LV Yu-liang1, WANG Li3, HE Nian-peng2
1.College of Geographical Science, Southwest University, Chongqing 400715, China
2.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
3.College of Resources and Environmental Science, Jilin Agricultural University,Changchun 130118, China
Abstract

Grazing exclusion (GE) is an important method for restoring grasslands and a useful approach for understanding soil carbon (C) sequestration in temperate grasslands. Using the paired sample method C in the soil fractions, soil aggregates and soil humus was determined for grazed and ungrazed grassland in Inner Mongolia, China; grazing exclusion (GE) had been imposed for 32 years in the un-grazed grassland. To reveal the influence of GE on the structure of soil organic matter13C-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectroscopy was used to analyze the organic C fractions in the soil humus. The main objective was to provide a theoretical basis for scientifically evaluating the effect of GE on the sequestration and stability of C in Inner Mongolian grassland soils. The results showed that long-term GE significantly enhanced soil C content. The C content in all other fractions, except for soil microbial biomass C (MBC), increased correspondingly. The oxidizable organic C in the GE grassland was 4.5 times that of grazed grassland. GE significantly improved the proportion of 0.25-2.00 mm diameter macro-aggregates and their organic C content. GE increased humic acid C (HAC), humin C (HUC) and the soil precipitate ratio (PQ), but decreased fulvic acid C (FAC). Consequently, the HAC:FAC ratio in GE grassland was 5.66 times that of grazed grassland. Additionally, aliphatic C content, aromaticity and the alkyl: O-alkyl C ratio increased in the GE grassland. In summary; GE increased soil organic C, improved the soil structure and enhanced the stability of soil organic matter of Inner Mongolian grasslands.

Keyword: grassland; soil organic carbon; carbon fractions; grazing exclusion; aggregate; humus; humic acid

中国草地面积约4亿hm2, 是我国最大的陆地生态系统类型, 约占陆地总面积的40%以上[1, 2]。由于人类活动加剧和全球气候变化的共同作用, 中国各类型草地约90%处于不同程度退化之中, 而对于这些退化草地的恢复重建, 其关键点和难点在于土壤的恢复[3]。草地封育以其成本低、技术要求低和易推广的优势而被广泛使用[4]; 它不仅有利于草地植被的恢复[5, 6], 也有利于草地土壤结构的改善[7]和土壤养分元素的提高[8]。从草地固碳效应而言, 封育是提高内蒙古草地土壤碳储量及其固碳效应最有效的措施之一[9, 10, 11]; 通常, 羊草草地土壤碳储量随封育年限增加呈对数增长, 当封育年限达到20年后草地土壤碳储量最大, 而后土壤碳储量则趋于平稳状态[12]。此外, 封育在提高土壤碳储量的同时对土壤各粒级碳储量也存在着显著影响[10]。迄今为止, 系统性地研究长期封育对草地土壤有机碳组分和有机质结构影响的文章还未见报道, 使我们在解释长期封育对草地土壤的影响机制方面存在较大的知识缺陷。

土壤有机碳是指存在于土壤中有机物质的碳元素含量。土壤有机碳在土壤物理、化学和生物学特性中发挥着极其重要的作用[13]。土壤有机碳可分为性质不同和分解程度不同的碳组分[14], 其含量及其组分的变化, 不仅影响土壤肥力, 而且还影响土壤与大气之间的碳素交换平衡[15]。目前, 土壤有机碳的研究主要集中在对土壤有机碳总量的估算及分布[16, 17]和人类活动对土壤有机碳的影响[18, 19, 20]; 土壤有机碳组分的研究涉及到:微生物碳、水溶性有机碳[21, 22, 23]、土壤易氧化有机碳[24, 25]、颗粒有机碳[26]和腐殖酸类物质[27], 但大多数研究仅涉及单个或2~3个有机碳组分。并且土壤有机碳组分的研究大多集中在农田生态系统, 而对草地生态系统的系统研究非常匮乏。因此, 弄清长期封育对草地土壤有机碳组分和土壤有机质结构的影响, 对科学评估封育措施对草地生态系统固碳效应和土壤稳定性具有重要意义。

本文以内蒙古地区广泛分布的羊草草地为研究对象, 通过对比分析自由放牧草地和长期封育草地(封育32年)的土壤有机碳组分、土壤团聚体及其有机碳含量、土壤腐殖质及其结构, 探讨了长期封育对羊草草地土壤有机碳组分的影响, 为综合评价长期封育后的草地土壤恢复效果及其可持续性提供科学依据; 同时, 许多参数也是构建机理模型的重要参数。

1 材料与方法
1.1 实验样地

野外实验样地设置在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站(116° 40' E, 43° 33' N)。研究区域的海拔1200~1250 m, 年均温度0.4℃, 年均降水量345 mm左右, 降雨主要集中在6-8月份, 冬季寒冷干燥, 夏季温暖湿润, 属于典型的大陆性温带半干旱草原气候。土壤主要为暗栗钙土, 植被类型为温带典型草原。实验样地分别为长期封育草地和自由放牧草地, 其中, 长期封育草地自1979年围栏封育至今, 草地状态良好, 优势植物种类为羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)和西伯利亚羽茅(Achnatherum sibiricum)等。自由放牧草地属于天然牧场, 目前处于轻度退化状态, 优势植物种类主要有羊草、大针茅和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)[28]。

1.2 野外取样

2011年8月中旬, 分别在1979年围栏封育草地和自由放牧草地设置1条100 m取样带, 在每条样带上间隔10 m设置1个1 m× 1 m样方(每个样地共10个样方), 在样方内用土钻 (直径4 cm) 对0~20 cm土壤进行取样。在长期封育草地和自由放牧草地分别获得3个混合土壤样品, 土壤样品分为土和4℃冷藏土分别进行保存。

1.3 室内分析

在实验室内对土壤有机碳组分进行了系统的分析, 详细指标和测试方法如下:土壤有机碳(SOC)的测定采用重铬酸钾法; 土壤易氧化有机碳(EOC)的测定采用333 mol/L的高锰酸钾氧化法[29]; 土壤颗粒有机碳(POC)的测定采用0.5%六偏磷酸钠分散法; 运用 0.11 mol/L NaOH溶液法提取可提取腐殖质和胡敏酸溶液, 后用重铬酸钾容量法测定其碳含量; 富里酸碳(FAC)含量采用差减法计算; 胡敏素碳(HUC)采用稀碱-尿素混合液方法[30]提取胡敏素后测得; 土壤微生物碳(MBC)采用氯仿熏蒸提取法; 土壤全氮采用凯式定氮法, 全磷采用钼蓝比色法, pH值采用水浸提酸度计法(土∶ 水=1∶ 5)进行测定; 土壤团聚体的粒径分级采用湿筛法[31]; 固态13C核磁共振波谱用瑞士Bruker AV400型核磁共振仪测定。

1.4 数据分析与处理

所测得数据采用Excel 2007进行整理计算, 不同处理之间数值的差异采用T检验确定(SPSS 11.0), 显著性水平为P< 0.05。

2 结果与分析
2.1 长期封育对土壤有机碳组分及土壤性质的影响

长期封育对草地土壤有机碳组分及其土壤养分含量具有显著影响。相对于自由放牧草地, 长期封育草地土壤有机碳及其各组分碳中, 除微生物碳(MBC)含量有所降低外, 其他碳组分含量都有显著提高(P< 0.05)。土壤全氮、全磷等养分储量也均有不同程度的提高, 并且二者都存在显著差异(P< 0.05)。特别是易氧化有机碳(EOC), 长期封育后草地土壤易氧化有机碳含量是自由放牧草地土壤的4.53倍。土壤有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)和水溶性有机碳(WSOC)的含量也提高较为明显, 分别是自由放牧草地土壤的1.39, 2.03和1.28倍(表1)。

表1 长期封育对草地土壤有机碳组分及养分含量的影响 Table 1 Effect of long-term grazing exclusion on the content of soil organic carbon fractions and nutrients in grasslands
2.2 长期封育对土壤团聚体有机碳含量的影响

如图1所示, 封育草地与自由放牧草地土壤团聚体粒径分布差异显著(P< 0.05), 自由放牧草地土壤中0.053~0.25 mm粒径的微团聚体含量所占比例最高, 占各粒级团聚体含量的52.5%, 其次是< 0.053 mm粒径团聚体, 所占比例为32.3%, 最后是0.25~2 mm大粒径团聚体, 所占比例为14.8%。而在长期封育的草地土壤中, 0.25~2 mm粒径团聚体所占比例最高, 达到了82.2%, 其次分别是0.053~0.25 mm的微团聚体和< 0.053 mm土壤团聚体, 其含量分别占14.6%和1.88%。由此可知, 长期封育显著改变了土壤结构, 特别是显著提高了土壤0.25~2 mm大粒径团聚体所占比例, 而< 0.25 mm粒径团聚体所占比例则相应降低。

由图1可以看出, 土壤各粒径团聚体的有机碳含量在封育和自由放牧草地也存在差异, 自由放牧草地土壤有机碳主要分布在< 0.053 mm和0.053~0.25 mm粒径团聚体中, 有机碳含量分别为6.07和5.59 g/kg。而在0.25~2 mm团聚体的有机碳含量最少, 仅有2.62 g/kg。在长期封育后土壤有机碳更多分布在0.25~2 mm的大粒径团聚体中, 含量为16.1 g/kg, 而> 0.25 mm粒径团聚体中的有机碳含量则分布较少, 特别是< 0.053 mm粒径团聚体中有机碳含量仅为0.42 g/kg。因此, 长期封育后, 显著改变了土壤有机碳在团聚体中的分布特点, 使土壤有机碳主要分布在0.25~2 mm的大粒径团聚体中; 即大团聚体比微团聚体含有更多的有机碳, 随着团聚体粒级的减小土壤团聚体中的有机碳含量逐渐降低。该结果与徐江兵等[32]的研究结果一致, Jastrow等[33]运用13C示踪法也证实了这一观点。

图1 土壤团聚体组成及其有机碳含量* * 表示极显著水平P< 0.01, * 表示显著水平 P< 0.05。Fig.1 The composition of aggregate and organic carbon content* * mean significant difference at P< 0.01, * mean significant difference at P< 0.05.

2.3 长期封育对草地土壤腐殖质组分碳的影响

2.3.1 长期封育对草地土壤腐殖质各组分碳含量的影响 作为土壤碳库的重要组成部分, 腐殖质是表征土壤有机物质转化进程中土壤碳库稳定性的重要组分[34]。如表2所示, 长期封育对草地土壤腐殖质碳各组分含量有显著影响(P< 0.05); 其中, 长期封育和自由放牧草地土壤胡敏素碳(HUC)含量、土壤沉淀比(PQ)呈现出极显著差异(P< 0.01)。与自由放牧草地相比, 长期封育草地土壤可提取腐殖质碳(HEC)、胡敏酸碳(HAC)、胡敏素碳(HUC)、土壤沉淀比(PQ)及胡敏酸碳(HAC)与富里酸碳(FAC)的比值(HAC/FAC)均有不同程度的增加, 其中以HAC/FAC增幅最大, 该含量是自由放牧草地土壤的5.66倍。其次, 封育草地土壤沉淀比(PQ)是自由放牧草地的1.73倍。长期封育有利于土壤胡敏酸(HA)的积累和HAC/FAC的提高。

表2 长期封育对草地土壤腐殖质组分碳含量的影响 Table 2 Effect of long-term grazing exclusion on the carbon content of soil humus carbon fractions in Inner Mongolian grasslands

2.3.2 长期封育对土壤胡敏酸结构特征的影响 土壤胡敏酸元素组成和原子比率如表3所示, 长期封育后土壤胡敏酸的C和H元素含量分别增加了1.755%和0.100%, N和S元素则相应减少。长期封育不仅影响了土壤胡敏酸的元素组成, 同时也影响其原子比率。H/C和C/N原子比值常用来表征胡敏酸的缩合度和腐殖化程度。从表3可以看出, 长期封育后土壤胡敏酸H/C处于降低的趋势, 而C/N处于上升的趋势, 意味着长期封育后土壤的缩合度降低, 而腐殖化程度增加。

表3 长期封育对草地土壤胡敏酸性质的影响 Table 3 Effect of long-term grazing exclusion on soil humic acid in Inner Mongolian grasslands

图2是封育草地和放牧草地土壤胡敏酸(HA) 的固态13C核磁波普图。2个波普图非常相似, 但一些吸收峰的相对强度出现了差异, 这说明组成胡敏酸的基本结构变化不大, 但这些结构单元的含量发生了改变。由该图所测的波普图按化学位移可划分为烷基碳区(0~50 ppm)、烷氧碳区(50~110 ppm)、芳香碳区(110~160 ppm)、羰基碳区(160~210 ppm)4个结构带, 根据图谱的积分面积可计算出不同类型碳的百分含量 (表4)。

图2 土壤胡敏酸的13C-NMRR波普Fig.2 13C-NMR spectra of soil humic acids

表4可见, 自由放牧草地土壤胡敏酸中烷氧碳的比例最高为34.45%, 其次是芳香碳28.65%和烷基碳19.33%, 羰基碳的比例最低为17.58%。长期封育后草地土壤胡敏酸中的烷氧碳和芳香碳的比例增加, 烷基碳和羰基碳比例则相应降低。上述不同类型碳相对比例的变化导致长期封育草地土壤胡敏酸中脂族碳/芳香碳、烷基碳/烷氧碳值的降低而疏水碳/亲水碳值增加; 据此可推断长期封育可增加草地土壤有机质的稳定性。

表4 由13C-NMR波普计算的土壤胡敏酸不同官能团碳的相对含量变化 Table 4 The relative contents of various carbon types calculated by 13C-NMR spectra in soil humic acid
3 结论与讨论

从长期封育后草地土壤的各项指标变化来看, 除土壤微生物碳(MBC)含量降低外, 长期封育后草地土壤有机碳的各个组分都有显著提高。这可能是因为封育后草地植被逐渐恢复, 凋落物和植物根系的输入增多[35, 36], 从而增加了土壤有机碳的输入量[9]。相关研究也表明:土壤易氧化有机碳(EOC)、水溶性有机碳(WSOC)及微生物碳(MBC)含量都与土壤总有机碳呈现显著的正相关[21, 24]。本研究中封育草地土壤有机碳总量增加而MBC含量却减少; 这可能是因为封育后缺乏动物排泄物输入使土壤细菌含量明显降低。此外, 长期封育后草地土壤温度会显著下降, 可能也是导致土壤微生物量碳下降的重要原因[37]。同时该区处于半干旱气候区, 土壤含水量较低, 微生物群落结构相对简单, 种群数量少, 因此导致了土壤中微生物碳含量的减少。上述分析也暗示:在温带草原气候区, 微生物碳含量不能作为评价草地土壤有机碳含量的指标, 而长期封育后草地土壤易氧化有机碳含量提高最为明显, 是自由放牧土壤的4.53倍, 易氧化有机碳可成为长期封育后温带草地土壤有机碳含量的敏感性指标。

从草地土壤稳定性看, 土壤团聚体的稳定性对形成和保持良好的土壤结构极为重要[38]。封育后, 草地土壤各级团聚体含量所占比例呈现出由大粒径团聚体向小粒径团聚体递减的趋势, 且0.25~2 mm的大粒径团聚体含量最高, 同时各级土壤团聚体有机碳含量也呈现出一致的变化特点。可见, 封育后草地土壤各粒级有机碳含量高低与该粒级团聚体含量多少有关, 并且0.25~2 mm粒径团聚体含量可作为封育后土壤有机碳含量的可靠表征。谢贤健和张继[39]认为> 0.25 mm的水稳性团聚体含量越高, 土壤团聚体稳定性越强。Six等[40]认为大团聚体是较小粒径团聚体通过有机物胶结形成, 所以有机碳含量随着团聚体粒径的增大而增加。长期封育草地中> 0.25 mm的水稳性团聚体含量远远大于自由放牧草地, 因此可以认为长期封育草地增强了土壤有机碳的稳定性。自由放牧草地土壤团聚体及其有机碳含量并不呈现这样的特点, 其原因可能是自由放牧土壤由于外部环境的破坏, 如动物的踩踏和滥采药材等导致了土壤大粒径团聚体的破坏和土壤有机碳的矿化[41], 使草原土壤结构破坏和土壤有机碳稳定性减弱, 从而导致草原土壤质量退化且更易于遭到侵蚀[42]。同时, 长期封育后土壤烷氧碳含量增加, 烷基碳含量减少, 商素云等[43]认为烷氧碳属于不稳定的碳而烷基碳属于稳定的碳, 长期封育后土壤中不稳定的烷氧碳向稳定的烷基碳转化, 说明长期封育使得土壤碳库更加稳定。

Baldock等[44]认为利用脂族碳/芳香碳的比值来反映土壤有机碳分解程度的指标, 容易受到输入土壤有机碳原始结构的影响, 具有不确定性。而疏水碳/亲水碳反映了腐殖物质疏水程度的大小, 与土壤有机碳和团聚体的稳定性密切相关, 通常该比值越大则土壤有机碳和团聚体的稳定性也越高[45]。本研究中长期封育使胡敏酸中疏水碳/亲水碳增大, 表明长期封育使草地土壤有机碳和团聚体稳定性增强。同时, 土壤腐殖质中胡敏酸元素H/C的比值高低通常被认为与胡敏酸当中的脂肪族成分有关, 较低的H/C表明, 胡敏酸中脂肪族的成分含量较高[46]。长期封育后草地土壤H/C降低, 说明长期封育土壤胡敏酸脂肪族含量增多。由于脂肪族化合物较稳定且难分解, 其含量的增加也就意味着土壤胡敏酸的稳定性增加, 从而使其向更加稳定性的基团转化[47]。

从草地土壤品质变化来看, 胡敏酸和富里酸都是土壤腐殖质中的重要组分。长期封育显著提高了土壤胡敏酸碳(HAC)的含量(P< 0.05)而富里酸(FAC)含量则显著降低(P< 0.01)。这可能是封育促进了草地土壤腐殖质的胡敏化作用, 导致富里酸(FAC)相对减少的缘故。HAC/FAC是评价土壤腐殖质品质优劣的指标, 比值越大, 品质越好[48]。此外土壤的HAC/FAC也能反映土壤的熟化程度以及肥力状态, 且随土壤肥力的提高而增加[49]。同时, 可提取腐殖物质中胡敏酸的比例(PQ值)作为腐殖化程度的指标, 是衡量土壤腐殖质品质优劣的一个重要指标, 比值越大, 胡敏酸含量越高, 分子量增大、分子结构越复杂, 品质越好[48]。长期封育草地土壤无论是HAC/FAC或PQ值都较自由放牧草地土壤得到了显著的提高(P< 0.01), 表明长期封育有利于草地土壤腐殖质化过程, 增强土壤腐殖质的活性、改善其品质、提高土壤肥力。

窦森等[50]通过对不同来源胡敏酸结构的研究认为, 0~110 ppm是胡敏酸中的脂族碳。胡敏酸脂族性的下降以及芳香性、氧化性和极性的增强, 是其分子结构发生老化的标志[51]。长期封育后, 草地土壤0~110 ppm脂族碳含量较自由放牧草地增加, 意味着长期封育有利于草地土壤胡敏酸的年轻化。而封育草地土壤芳香度呈现出增加的趋势, 可能是因为胡敏酸的更新过程非常迅速而老化过程则相当缓慢, 当有机物的分解趋于缓慢的时候, 则胡敏酸向老化方向发展[52]。草地在经历长期封育后, 其土壤胡敏酸中的有机物分解趋于平稳而相对缓慢, 从而使得土壤胡敏酸呈现出向老化方向发展的特点。

本文从土壤有机碳组分, 土壤团聚体和土壤腐殖质3个方面对长期封育草地和自由放牧草地各项指标进行了对比分析, 对围栏封育作为草地土壤管理、恢复和实现可持续发展的有效措施提供了理论依据。然而, 受研究方法的限制(长期封育草地VS自由放牧草地), 我们还无法对土壤有机碳组分在长期封育各时间段内的具体变化过程加以描述。此外, 受研究方法的限制, 目前还无法将自由放牧过程对草地土壤的影响进行区分和判定。有研究[53, 54]认为轻度放牧将有利于有机质的积累, Steffens等[55]则认为长期过度放牧将导致土壤碳储量的降低。He等[56]对内蒙古草地载蓄量进行深入研究认为, 草地土壤表面碳储量随着草地载蓄量的增加呈现线性降低的规律, 轻度放牧有利于草地土壤碳固持而过度放牧则将造成草地土壤碳的流失。因此, 今后的研究中应更多地与封育年限相结合, 来加强其土壤有机质形成过程的机制性研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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