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(wèi)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(nèi)凍融模擬試驗和有機碳及組分的測定，分析不同凍結(jié)時間、不同凍融循環(huán)次數(shù)對退化草甸土壤有機碳及組分的影響。結(jié)果表明，隨著凍結(jié)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(huán)次數(shù)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(jié)時間對輕組有機碳含量的影響更顯著，凍融循環(huán)次數(shù)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(zhì)量的重要因素，對土壤結(jié)構、土壤肥力等具有重要作用。依據(jù)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(zhì)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(zhì)緊密結(jié)合的有機態(tài)碳，在土壤中分解速度較慢，較為穩(wěn)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(tài)及土壤生物化學過程[3]，也對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。近幾十年來，地處青藏高原腹地、生態(tài)系統(tǒng)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(huán)境發(fā)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(chǎn)和生態(tài)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(guī)律的影響，為深入研究高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣?，斍呖h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(fā)量1 142～1 578 mm，年日照時數(shù)2 313～2 607 h；高寒草甸類是境內(nèi)天然草場的主要組成部分，優(yōu)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(qū)選擇高寒草甸草地為研究樣地。各研究樣地依據(jù)任繼周[5]關于草地退化程度劃分的方法，結(jié)合土壤侵蝕現(xiàn)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(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)二因素試驗設計。凍結(jié)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(huán)次數(shù)分為4個水平，即2、6、10、14次。凍結(jié)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(shù)據(jù)利用Excel 2010整理，SPSS 20.0統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)時間對土壤有機碳及組分的影響

凍結(jié)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(jié)12 h處理下，土壤有機碳、輕組有機碳含量較凍結(jié)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(jié)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(jié)12 h較凍結(jié)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(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)的響應不同。土壤有機碳含量在不同凍融循環(huán)次數(shù)處理下均未達顯著差異（P>0.05），但隨著凍融循環(huán)次數(shù)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(huán)14次較凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)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(huán)14次與凍融循環(huán)2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環(huán)14次較凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)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(huán)14次與凍融循環(huán)2次處理間差異顯著（P<0.05），UD、LD、MD、HD樣地凍融循環(huán)14次較凍融循環(huán)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(jié)論與討論

高寒草甸地區(qū)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(zhì)也發(fā)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(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，退化高寒草甸發(fā)生凍融作用時，凍結(jié)時間、凍融循環(huán)次數(shù)對土壤有機碳及組分含量的影響不同。隨著凍結(jié)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(jié)時間對輕組有機碳含量的影響更顯著；不同凍融循環(huán)次數(shù)對土壤有機碳及組分含量的影響也不同，隨著凍融循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)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(jié)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(jié)果與高寒地區(qū)凍土環(huán)境下土壤的碳匯特征相符，同時反映出高寒地區(qū)凍土環(huán)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(jié)時間縮短，會導致土壤有機碳由碳匯向碳源轉(zhuǎn)化，從而不利于高寒草地土壤有機碳庫的穩(wěn)定。

土壤凍融循環(huán)次數(shù)是土壤有機碳含量及組分特征發(fā)生變化的重要原因。當土壤頻繁凍結(jié)和消融時，土壤不斷膨脹和收縮，使得與土壤結(jié)合的大分子量有機質(zhì)的氫鍵斷裂，釋放出小分子量有機質(zhì)，同時由于凍融循環(huán)破壞土壤團聚體，使有機碳庫中不同形態(tài)的碳不同程度地暴露出來，進一步釋放小分子量有機質(zhì)，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(fā)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(huán)次數(shù)的增加，微生物逐步適應凍融作用，由凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)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(wěn)定，同時增加了大氣碳排放的壓力，影響著高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和高寒草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 參考文獻

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