凍融作用對退化高寒草甸土壤有機碳及組分的影響

馬延虎　劉育紅　魏衛東

摘要 在退化高寒草甸設置研究樣地，采集土壤樣品，開展室內凍融模擬試驗和有機碳及組分的測定，分析不同凍結時間、不同凍融循環次數對退化草甸土壤有機碳及組分的影響。結果表明，隨著凍結時間的延長，土壤有機碳、輕組有機碳含量呈增加趨勢，從未退化到重度退化草地，有機碳、輕組有機碳含量增幅分別為2.55%～6.09%、22.39%～43.08%；隨著凍融循環次數的增加，有機碳、重組有機碳含量呈降低趨勢，輕組有機碳含量呈增加趨勢，從未退化到重度退化草地，有機碳、重組有機碳含量的減少幅度分別為5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，輕組有機碳含量的增幅為33.24%～70.58%。凍結時間對輕組有機碳含量的影響更顯著，凍融循環次數對輕組有機碳、重組有機碳含量的影響則更顯著；在同樣的凍融作用下，土壤有機碳及組分含量均隨草地退化程度的加劇而減少。

關鍵詞 退化草地；凍融作用；土壤；有機碳；有機碳組分；高寒草甸

中圖分類號 S153.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）20-0175-02

土壤有機碳是影響土壤質量的重要因素，對土壤結構、土壤肥力等具有重要作用。依據土壤有機碳密度的不同可將有機碳劃分為輕組有機碳和重組有機碳。輕組有機碳多由分解不完全的動植物殘體和微生物殘骸等組成，能夠較敏感地反映土壤質量的變化情況，可作為土壤碳變化的早期指標[1]。重組有機碳是與不同粒徑的礦物質緊密結合的有機態碳，在土壤中分解速度較慢，較為穩定[2]。在高寒草地，土壤凍融作用廣泛存在，以非生物應力方式，改變土壤水熱動態及土壤生物化學過程[3]，也對土壤理化性質產生深刻影響。近幾十年來，地處青藏高原腹地、生態系統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]，凍土環境發生顯著變化，并與草地退化耦合，作用于退化草地土壤有機碳及組分，進而影響到高寒草甸的生產和生態功能。因此，本研究以高寒草甸土壤有機碳及組分為對象，分析凍融作用對不同退化程度草地土壤有機碳含量及組分分布特征及變化規律的影響，為深入研究高寒草甸生態系統土壤有機碳提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣。瑪沁縣平均海拔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，多年平均蒸發量1 142～1 578 mm，年日照時數2 313～2 607 h；高寒草甸類是境內天然草場的主要組成部分，優勢種為莎草科嵩草屬、苔草屬的植物。

1.2 樣地設置及取樣

研究區選擇高寒草甸草地為研究樣地。各研究樣地依據任繼周[5]關于草地退化程度劃分的方法，結合土壤侵蝕現狀、鼠蟲危害情況等進行評價后，劃分為4個退化程度，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定并采集土壤樣品，同一退化程度樣地多點采集0～30 cm土層土樣，混合后用于土壤有機碳含量及有機碳組分的測定。

1.3 試驗設計

凍融作用處理采用凍結時間和凍融循環次數二因素試驗設計。凍結時間分為2個水平，即6、12 h，對應的融化時間分別為18、12 h；凍融循環次數分為4個水平，即2、6、10、14次。凍結溫度控制為-15 ℃，融化溫度控制為5 ℃。

1.4 研究指標測定分析

土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀硫酸消化法[6]；土壤輕組有機碳、重組有機碳含量采用文獻[7]的方法測定。研究數據利用Excel 2010整理，SPSS 20.0統計分析。

2 結果與分析

2.1 凍結時間對土壤有機碳及組分的影響

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

2.2 凍融循環次數對土壤有機碳及組分的影響

高寒草甸土壤有機碳、輕組有機碳、重組有機碳對凍融循環次數的響應不同。土壤有機碳含量在不同凍融循環次數處理下均未達顯著差異（P>0.05），但隨著凍融循環次數的增加有機碳含量總體呈降低趨勢，UD、LD、MD、HD樣地凍融循環14次較凍融循環2次有機碳含量分別減少5.82%、6.12%、6.66%、7.13%。土壤輕組有機碳含量隨著凍融循環次數的增加總體呈增加趨勢，各退化程度樣地輕組有機碳含量凍融循環14次與凍融循環2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環14次較凍融循環2次輕組有機碳含量分別增加34.54%、70.58%、33.24%、58.01%。土壤重組有機碳含量隨著凍融循環次數的增加總體呈降低趨勢，各退化程度樣地重組有機碳含量凍融循環14次與凍融循環2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環14次較凍融循環2次重組有機碳含量分別減少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，土壤有機碳、輕組有機碳、重組有機碳含量不同，有機碳、輕組有機碳、重組有機碳含量均呈UD>LD>MD>HD的變化趨勢。

3 結論與討論

高寒草甸地區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、化學性質也發生相應變化，這種變化又反饋給高寒草甸植物群落和土壤，對高寒地區生態環境產生影響。

本研究發現，退化高寒草甸發生凍融作用時，凍結時間、凍融循環次數對土壤有機碳及組分含量的影響不同。隨著凍結時間的延長，土壤有機碳、輕組有機碳含量呈增加趨勢，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%，凍結時間對輕組有機碳含量的影響更顯著；不同凍融循環次數對土壤有機碳及組分含量的影響也不同，隨著凍融循環次數的增加，土壤有機碳、重組有機碳含量呈降低趨勢，輕組有機碳含量呈增加趨勢，從未退化到重度退化草地，有機碳、重組有機碳含量的減少幅度分別為5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，輕組有機碳含量的增幅為33.24%～70.58%，凍融循環次數對輕組有機碳、重組有機碳含量的影響更顯著；在同樣的凍融作用下，土壤有機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，隨著土壤凍結時間的延長，土壤有機碳、輕組有機碳含量呈增加趨勢，這一結果與高寒地區凍土環境下土壤的碳匯特征相符，同時反映出高寒地區凍土環境變化后，尤其是高寒草甸在全球氣候變暖背景下土壤凍結時間縮短，會導致土壤有機碳由碳匯向碳源轉化，從而不利于高寒草地土壤有機碳庫的穩定。

土壤凍融循環次數是土壤有機碳含量及組分特征發生變化的重要原因。當土壤頻繁凍結和消融時，土壤不斷膨脹和收縮，使得與土壤結合的大分子量有機質的氫鍵斷裂，釋放出小分子量有機質，同時由于凍融循環破壞土壤團聚體，使有機碳庫中不同形態的碳不同程度地暴露出來，進一步釋放小分子量有機質，增加了土壤中輕組有機碳及其他活性有機碳的含量[8]，這些增加的活性有機碳成為土壤微生物的碳源，由此保持土壤微生物的活性[9]。

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

本研究還反映出，高寒草甸退化程度對土壤有機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，土壤有機碳及組分的含量均減少，不利于高寒草甸土壤碳庫的穩定，同時增加了大氣碳排放的壓力，影響著高寒草地生態系統的功能和高寒草地畜牧業的可持續發展。

4 參考文獻

[1] TAN Z，LAL R，OWENS L，et al.Distribution of light and heavy fractions of soil organic carbon as related to land use and tillage practice[J].Soil and Tillage Research，2007，92（1）：53-59.

[2] LUTZOW M，KOGEL I，EKSCHMITT K，et al.Stabilization of organic matter in temperate soils：mechanisms and their relevance under different soil conditions-a review[J].Eur J Soil Sci，2006，57（4）：426-445.

[3] 林笠，王其兵，張振華，等.溫暖化加劇青藏高原高寒草甸土非生長季凍融循環[J].北京大學學報（自然科學版），2017，53（1）：171-178.

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[5] 任繼周.草業科學研究方法[M].北京：中國農業出版社，1998：95.

[6] 張甘霖，龔子同.土壤調查實驗室分析方法[M].北京：科學出版社，2012：38-80.

[7] 劉育紅，魏衛東，溫小成，等.三江源退化高寒草原土壤有機碳組分分布研究[J].土壤通報，2014，45（6）：1370-1376.

[8] 李忠佩，張桃林.可溶性有機碳的含量動態及其與土壤有機碳礦化的關系[J].土壤學報，2004，41（4）：544-552.

[9] 王洋，劉景雙，王全英.凍融作用對土壤團聚體及有機碳組分的影響[J].生態環境學報，2013，22（7）：1269-1274.

[10] 劉淑霞，王宇，趙蘭坡，等.凍融作用下黑土有機碳數量變化的研究[J].農業環境科學學報，2008，27（3）：984-990.

[11] 魏麗紅.凍融作用對土壤理化以及生物學性質的影響綜述[J].安徽農業科學，2009，37（11）：5054-5057.