凍融作用對(duì)退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

柴 瑜,魏衛(wèi)東,2,李希來(lái),李成一,楊鑫光,馬盼盼，徐文印

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016；2.青海省高寒草地適應(yīng)性管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016；3.青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，西寧 810016)

凍融在全球中、高緯以及高海拔地區(qū)普遍存在[1]。凍融作用指的是在低溫環(huán)境下，土壤表層及一定深度土層中隨著季節(jié)變化或晝夜更替而不斷出現(xiàn)解凍、凍結(jié)的過(guò)程[2-3]，其可以大幅度地改變土壤的理化性質(zhì)[3-4]，影響微生物活性[1]，繼而影響到土壤碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[5-6]。三江源自然保護(hù)區(qū)是中國(guó)面積最大的自然保護(hù)區(qū)[7]，是我國(guó)保護(hù)生態(tài)的重要屏障，也是全球范圍內(nèi)最為脆弱的地區(qū)之一[8]。近幾十年來(lái)，由于鼠蟲危害、草地超載過(guò)牧、土壤的侵蝕作用、全球人口增加、溫室效應(yīng)積累等自然因素和人為因素的共同影響，導(dǎo)致高寒草原發(fā)生不同程度的退化，這一變化嚴(yán)重威脅到草地土壤環(huán)境的穩(wěn)定。其中，土壤有機(jī)質(zhì)包括土壤中微生物體及其分解合成的各種有機(jī)物、各種動(dòng)植物殘?bào)w等，其主要由土壤中的碳、氮組成，碳成分即屬于土壤有機(jī)碳[9]。有研究表明，土壤有機(jī)碳含量對(duì)全球氣候變化有很大的影響，主要原理是通過(guò)改變大氣中的二氧化碳濃度、碳匯轉(zhuǎn)變碳源等，從而影響全球碳循環(huán)過(guò)程，還對(duì)土壤質(zhì)量起關(guān)鍵性作用[10-11]。

土壤團(tuán)聚體是由土壤中的土粒形成的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)組成，成分包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，這種團(tuán)粒結(jié)構(gòu)能有效儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分，不僅能有效平衡水、肥、氣、熱，促進(jìn)土壤疏松熟化層的穩(wěn)定性，還對(duì)土壤酶活性有巨大影響[12]。土壤團(tuán)聚體被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，還是土壤參與全球碳循環(huán)以及對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要機(jī)制之一[13-14]。相關(guān)研究結(jié)果表明，團(tuán)聚體中儲(chǔ)存的有機(jī)碳含量對(duì)土壤有機(jī)碳的消長(zhǎng)和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起重要作用，就土壤表層中的有機(jī)碳含量來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)存在土壤團(tuán)聚體內(nèi)的大約占總含量的90%[15]。作為一種重要的膠結(jié)物質(zhì)，土壤有機(jī)碳能將土粒聚集在一起，形成更大的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效提高土壤的穩(wěn)定性[16]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界針對(duì)退化高寒草原進(jìn)行了大量研究，通過(guò)歸納總結(jié)可得，研究主要集中在以下方面，包括在氣候變化情況下，土壤淺層的凍融特點(diǎn)[17]、高寒草地凍融交替期土壤水熱特征[18]、退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化特征[19]、凍融作用對(duì)于土壤理化性質(zhì)及風(fēng)蝕水蝕的影響[20]等方面，并取得了巨大進(jìn)展。也有研究結(jié)果表明，在增強(qiáng)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用方面，頻繁的凍融過(guò)程具有有利影響[21]。但針對(duì)凍融作用本身，尤其是以退化高寒草原為例，持續(xù)發(fā)生凍結(jié)、解凍過(guò)程后，這種反復(fù)交替作用發(fā)生的頻次對(duì)土壤及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中的有機(jī)碳含量的改變研究相對(duì)較少，而且土壤有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性等科學(xué)問(wèn)題也未能得到有效解釋，并逐漸演變成學(xué)術(shù)界亟待解決的重要 問(wèn)題。

因此，本研究選擇凍融作用明顯的青海省，以果洛州瑪多縣為例，在不同退化程度樣地進(jìn)行野外測(cè)定的同時(shí)采集土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行凍融模擬試驗(yàn)，并測(cè)定土壤及團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，最后得出凍融作用對(duì)退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響結(jié)論，有助于揭示青藏高原高寒凍土區(qū)土壤碳動(dòng)態(tài)和碳循環(huán)的變化特征，評(píng)估土壤凍融作用改變對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳帶來(lái)的效應(yīng)，以期獲得客觀、科學(xué)的研究結(jié)論，為探索高寒草原土壤的酶活性、土壤水肥氣熱穩(wěn)定性、碳氮含量、全球碳循環(huán)等提供科學(xué)依據(jù)和理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的試驗(yàn)區(qū)在青海省果洛藏族自治州西北部的瑪多縣，位于青藏高原三江源自然保護(hù)區(qū)核心部位，平均海拔4 289 m左右，天然草地面積2.0×104km2[22]。高寒草甸和高寒草原為該區(qū)域主要的植被類型。全縣為典型高原大陸性氣候，年均氣溫-4 ℃，年均降水418 mm，最熱月份可達(dá)7.5 ℃，最冷月份可達(dá)-16.8 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 373～2 716 h。禾本科、莎草科植物是瑪多縣牧草主要組成植物。植被以紫花針茅(Stipapurpurea)為主，建群種為細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)等。試驗(yàn)區(qū)有“黃河源頭”之稱，季節(jié)變化導(dǎo)致的溫度差異很大，具有典型的退化高寒草原，退化后形成的次生植被種類主要包括馬先蒿(Pedicularis)、披針葉黃華(Thermopsissalsula)、沙生蒿(Artemisaarenaria)等。

1.2 樣地設(shè)置及土樣采集

研究樣地土壤為高山草原土，草地類型為高寒草原，植被以紫花針茅為主。試驗(yàn)樣地退化類型劃分采用的標(biāo)準(zhǔn)參考任繼周[23]的方法，將研究區(qū)劃分為4種類型，分別為：重度退化(heavy degradation，HD)、中度退化(moderate degradation，MD)、輕度退化(light degradation，LD)、未退化(un-degradation，UD)(表1)。繼而在各類型試驗(yàn)區(qū)采集深度為0～30 cm的土壤鮮樣，同時(shí)進(jìn)行生物多樣性等野外觀測(cè)內(nèi)容的調(diào)查，將在同一類型樣地采集的土壤進(jìn)行混合，隨后帶回實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展凍融模擬試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定各樣地土壤及團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量。各退化程度下，研究樣地大小均為30 m×50 m，陽(yáng)坡、坡度均為5°～7°。

表1 研究樣地概況

試驗(yàn)于2017年8月進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：在選定的4種退化類型試驗(yàn)區(qū)中，隨機(jī)布設(shè)面積為 1 m×1 m的樣方，6次重復(fù)，然后進(jìn)行野外相關(guān)指標(biāo)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要有與地面平齊刈割后的各物種生物量、地下生物量、植物種類數(shù)、利用多人目測(cè)法估測(cè)的植被覆蓋度等。這些數(shù)據(jù)用于計(jì)算相關(guān)指數(shù)，包括多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)。

(1)

(2)

式中：H為多樣性指數(shù)，E為均勻性指數(shù)；S為物種數(shù)，Pi為第i個(gè)物種的重要值占所有物種重要值之和的比例。

1.3 土樣處理與測(cè)定方法

本研究以土壤凍融循環(huán)次數(shù)為控制因素，設(shè)置5個(gè)水平，即C0、C1、C2、C3、C4，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)分別為：不經(jīng)過(guò)凍融處理、循環(huán)2次、循環(huán)6次、循環(huán)10次、循環(huán)14次。依據(jù)研究樣地歷年淺層土壤凍結(jié)狀態(tài)下土壤溫度水平，凍融試驗(yàn)時(shí)凍結(jié)溫度控制為-15 ℃，消融溫度控制為5 ℃。凍融循環(huán)1次時(shí)間為24 h，凍結(jié)12 h，消融12 h。

凍融處理完成后，將研究樣地土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體利用干篩法分離，團(tuán)聚體篩分粒級(jí)分 為<0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm，然后采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[24]對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和計(jì)算，SPSS 20.0對(duì)各處理F檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析，Duncan’s多重比較，P<0.05表示差異顯著。利用Sigma plot 10.0軟件作圖，圖表中的數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)不同退化程度高寒草原土壤有機(jī)碳含量的影響

4種退化類型的高寒草原土壤有機(jī)碳含量均與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即循環(huán)次數(shù)越多，土壤有機(jī)碳含量越低。凍融循環(huán)處理后，各退化程度研究樣地土壤有機(jī)碳含量變化情況不同。輕度退化草地土壤，不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響不顯著(P>0.05)；而對(duì)輕度退化、中度退化、重度退化草地土壤，凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次與凍融循環(huán)14次處理下土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異(P<0.05)，而凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次各處理間，土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。4個(gè)退化類型樣地土壤有機(jī)碳含量對(duì)比凍融循環(huán)0次與凍融循環(huán)14次，由未退化到重度退化減幅分別為4.7%、16.5%、16.6%、35.7%，說(shuō)明隨著退化程度的加重，各試驗(yàn)區(qū)的土壤有機(jī)碳含量受凍融作用的影響更明顯。同時(shí)也表現(xiàn)出土壤有機(jī)碳含量受循環(huán)次數(shù)相對(duì)較少的凍融作用影響更小。另外，從退化程度因素來(lái)看，有機(jī)碳含量隨著退化程度逐漸加重，表現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律。4種退化類型的土壤有機(jī)碳含量由高到低排列為：輕度>未退 化>中度>重度(圖1)。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)不同退化程度高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

2.2.1 凍融循環(huán)對(duì)未退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響 在未發(fā)生退化的高寒草原，同一粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不同而發(fā)生變化。<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈減少趨勢(shì)，凍融循環(huán)各處理間差異均不顯著(P>0.05)。凍融循環(huán)0次與凍融循環(huán)14次相比，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量?jī)H減少0.02%。0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量上升至最高，凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次處理間土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，凍融循環(huán)10次與14次間土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)，凍融0次與凍融14次相比，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加58.8%。0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出減少的變化規(guī)律，其土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均在凍融循環(huán)次數(shù)為14次時(shí)達(dá)到最低值。0.5～1 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)0次、2次、6次各處理間以及凍融循環(huán)10次、14次處理間存在顯著差異(P< 0.05)，而凍融循環(huán)6次與10次處理間差異不顯著(P>0.05)。1～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量?jī)鋈谘h(huán)0次與2次處理間，凍融循環(huán)6次、10次、14次處理間差異顯著(P<0.05)，而凍融循環(huán)2次與6次處理間差異不顯著(P>0.05)。對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量減幅分別為40.0%，45.8%，57.6%，反映出當(dāng)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)在0.5～10 mm之間時(shí)，粒級(jí)越大，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響越明顯，減幅越大(圖2)。

2.2.2 凍融循環(huán)對(duì)輕度退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響 在發(fā)生輕度退化的高寒草原，不同凍融循環(huán)次數(shù)處理水平下，同一粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量表現(xiàn)不同變化規(guī)律。0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量達(dá)到最大值，凍融循環(huán)2次、6次、10次、14次處理間，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，凍融循環(huán)0次與2次間土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)，凍融0次與凍融14次相比，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加13.5%。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在粒級(jí)為<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm時(shí)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出持續(xù)降低的規(guī)律，且均在凍融循環(huán)次數(shù)為14次時(shí)達(dá)到最低值。<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨凍融循環(huán)次的增加總體呈減少趨勢(shì)，凍融循環(huán)0次、2次、6次處理間差異均不顯著(P>0.05)，凍融循環(huán)6次與10次，10次與14次處理間差異顯著(P<0.05)。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在粒級(jí)為0.5～1 mm時(shí)，凍融循環(huán)0次與2次，6次與10次各處理間無(wú)顯著差異(P>0.05)，而凍融循環(huán)2次與6次，10次與14次各處理間差異顯著(P<0.05)。對(duì)于粒級(jí)為 1～2 mm、2～10 mm的土壤團(tuán)聚體，其有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次、14次處理間差異均顯著(P<0.05)。對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量減幅分別為11.3%、54.1%、41.6%、64.9%。反映出當(dāng)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)在10 mm以內(nèi)時(shí)，粒級(jí)越大，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響越明顯，減幅越大。總的來(lái)說(shuō)，減幅呈現(xiàn)出2～10 mm>0.5～1 mm>1～2 mm>低于0.25 mm的變化規(guī)律(圖3)。

2.2.3 凍融循環(huán)對(duì)中度退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響 在發(fā)生中度退化的高寒草原，不同凍融循環(huán)次數(shù)處理水平下，同一粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量表現(xiàn)不同變化規(guī)律。0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量達(dá)到最大值，凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次、14次各處理間，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異達(dá)到顯著(P<0.05)，且未經(jīng)凍融處理與凍融14次相比，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增長(zhǎng)27.3%。土壤團(tuán)聚體粒級(jí)為<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm時(shí)，其團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出減少的變化規(guī)律，其土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均在凍融循環(huán)次數(shù)為14次時(shí)達(dá)到最低值。<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨凍融循環(huán)次的增加總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，凍融循環(huán)0次、2次、6次處理間以及凍融循環(huán)處理10次與14次之間差異均不顯著(P>0.05)，凍融循環(huán)6次與10次處理間差異顯著(P<0.05)。0.5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)2次、6次、10次處理間差異不顯著(P>0.05)，而凍融循環(huán)0次與2次、10次與14次各處理間差異顯著(P<0.05)。1～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次、14次處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)0次與2次以及6次與10次處理間差異不顯著(P>0.05)，凍融循環(huán)2次與6次以及10次與14次處理間差異顯著(P<0.05)。對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，粒級(jí)分別 為<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量減幅分別為12.1%、63.3%、49.1%、61.4%。反映出當(dāng)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)在10 mm以內(nèi)時(shí)，粒級(jí)越大，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響越明顯，減幅越大?？偟膩?lái)說(shuō)，減幅呈現(xiàn)出0.5～1 mm> 2～10 mm>1～2 mm>低于0.25 mm的變化規(guī)律(圖4)。

2.2.4 凍融循環(huán)對(duì)重度退化高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響 在發(fā)生重度退化的高寒草原，不同凍融循環(huán)次數(shù)處理水平下，同一粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也表現(xiàn)出不同變化規(guī)律。粒級(jí)為0.25～0.5 mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出增加的變化規(guī)律，凍融循環(huán)處理水平為10次循環(huán)時(shí)，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量達(dá)到最大值。另外，凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次、14次各處理間，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，未經(jīng)凍融循環(huán)處理與凍融14次相比，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加18.8%。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在團(tuán)聚體粒級(jí) 為<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出減少的變化趨勢(shì)，且在凍融循環(huán)次數(shù)為14次時(shí)達(dá)到最低值。<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨凍融循環(huán)次的增加總體呈減少趨勢(shì)，凍融循環(huán)0次、2次、6次處理間差異均不顯著(P>0.05)，凍融循環(huán)6次與10次，10次與14次處理間差異顯著(P<0.05)。0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在凍融循環(huán)0次、2次、6次、10次、14次處理間差異均顯著(P< 0.05)。對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，粒級(jí)分別為<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量減幅分別為35.4%、57.6%、63.5%、75.2%。反映出當(dāng)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)在10 mm以內(nèi)時(shí)，粒級(jí)越大，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響越明顯，減幅越大。總的來(lái)說(shuō)，減幅呈現(xiàn)出2～10 mm>1～2 mm>0.5～1 mm>低于0.25 mm的變化規(guī)律(圖5)。

綜合以上分析可知，對(duì)各退化類型樣地來(lái)說(shuō)，隨著凍融作用的影響，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也會(huì)受到一定程度的影響，且含量呈現(xiàn)出可循的變化規(guī)律。根據(jù)退化類型的區(qū)別，<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少。對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著處理水平的劇增，表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，且下降程度不斷加大。這種現(xiàn)象表明，有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的含量，會(huì)受到構(gòu)成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的粒級(jí)大小以及凍融循環(huán)次數(shù)的影響，且隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的加大，凍融效應(yīng)越明顯。而 0.25～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化與其他粒級(jí)相反，其隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且均在凍融循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量達(dá)到最大值，對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的增幅呈現(xiàn)出UD>MD>HD>LD的變化趨勢(shì)。

2.3 凍融作用下退化高寒草原土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體有機(jī)碳的相關(guān)性

由表2可知，在未發(fā)生退化的高寒草原，凍融作用下土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性隨著團(tuán)聚體粒級(jí)在增加而增加，但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在發(fā)生輕度退化的高寒草原，凍融作用下土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性都比較強(qiáng)。其中與0.5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚有機(jī)碳含量的相關(guān)性達(dá)到及極顯著水平(P<0.01)，與2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚有機(jī)碳含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。而在發(fā)生中度退化的高寒草原，凍融作用下土壤有機(jī)碳含量 與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性都比較強(qiáng)。其中與<0.25 mm、0.5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。在退化程度較嚴(yán)重，發(fā)生重度退化的高寒草原，凍融作用下土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也呈現(xiàn)正相關(guān)，其中與<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚有機(jī)碳含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系?？偟膩?lái)說(shuō)，凍融循環(huán)處理下，不同退化程度高寒草原土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較強(qiáng)，部分達(dá)到顯著相關(guān)水平(P<0.05)，個(gè)別達(dá)到極顯著相關(guān)水平(P<0.01)。此外，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不高。

表2 土壤有機(jī)碳與各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳間的相關(guān)性

在同一粒級(jí)團(tuán)聚體下，不同退化程度間的團(tuán)聚體有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈正相關(guān)關(guān)系，其中土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、1～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間的相關(guān)性與退化程度的加重呈正相關(guān)關(guān)系。而土壤有機(jī)碳含量與0.5～1 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均會(huì)受到退化程度的影響，且二者間的相關(guān)性隨著退化程度的加劇呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，高寒草原草地土壤有機(jī)碳含量隨著退化程度加劇總體呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，這與馬盼盼[25]的研究結(jié)果相似，與筆者之前研究得到的規(guī)律[26]基本一致。這一方面是由于伴隨著草地退化程度的加劇，植被覆蓋度和地上生物量逐步減少，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤固碳能力降低[27]。另一方面草地退化的加劇使得草地中微生物的降解能力受到影響，從而影響到土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定，土壤有機(jī)碳的含量隨之減少[28]。這也說(shuō)明多年凍土分布區(qū)三江源國(guó)家公園內(nèi)高寒草原的退化，不利于草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展和固碳生態(tài)功能的維持，需要盡快恢復(fù)治理已經(jīng)退化的高寒草原[29]。

土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)大小、化學(xué)成分等是土壤理化性質(zhì)的重要指示信息[2]，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，易受到人類活動(dòng)和自然因素的影響。凍融作用的普遍存在及人類活動(dòng)的影響使得土壤結(jié)構(gòu)和水熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生顯著改變，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也受到影響。各退化程度，<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減少的趨勢(shì)，而0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，此研究結(jié)果與陳奇等[30]之前的研究得出的0～30 cm土層，土壤團(tuán)聚體含量自<0.25 mm 粒級(jí)至2～10 mm 粒級(jí)總體呈先減少后增加的變化趨勢(shì)的結(jié)論大體相似。粒級(jí)為 0.25～0.5 mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與其他粒級(jí)土壤團(tuán)聚體變化趨勢(shì)均不同，這可能是在室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)的處理下，部分0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體受凍融作用影響破碎轉(zhuǎn)化為<0.25 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體而導(dǎo)致，這有待進(jìn)一步證明。

不同氣候條件下，由于土壤類型、土壤微生物結(jié)構(gòu)等的差異，土壤有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳之間的相關(guān)性可能存在差異。有學(xué)者以亞熱帶山地為研究區(qū)域，對(duì)土壤及團(tuán)聚體中的有機(jī)碳進(jìn)行測(cè)定并分析，結(jié)果表明：隨著土層的變化，土壤表層、微團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系[31-32]。蔡曉布等[15]在不同的研究區(qū)也有不同發(fā)現(xiàn)，以藏北高寒草原為例開(kāi)展相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)：有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的含量與粒級(jí)大小表現(xiàn)出極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系，這種規(guī)律說(shuō)明在干旱且溫度低冷的區(qū)域，土粒在凍融作用下形成團(tuán)聚體后，會(huì)對(duì)團(tuán)聚體的不同粒級(jí)數(shù)量以及功能發(fā)揮起關(guān)鍵性作用。本研究結(jié)果顯示，不同退化程度高寒草原，凍融作用處理下土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間均呈正相關(guān)關(guān)系，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、1～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間的相關(guān)性隨著退化程度的加劇呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。土壤有機(jī)碳含量與粒級(jí)為0.5～1 mm、2～10 mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，均會(huì)受到退化程度的影響，且二者的相關(guān)性隨著退化程度的加重表現(xiàn)出先增加后下降的變化規(guī)律。而土壤有機(jī)碳含量與0.5～1 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間的相關(guān)性隨著退化程度的加劇呈現(xiàn)先增大后減小的變化 趨勢(shì)。

目前對(duì)于凍土區(qū)由凍融作用引起的生態(tài)效應(yīng)相關(guān)方面的研究不是很多，今后在青藏高原發(fā)生退化的高寒草原進(jìn)行土壤凍融特征研究時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)不同凍融過(guò)程下多因素交叉試驗(yàn)研究，使取得的成果更具實(shí)用性。其次，還要關(guān)注土壤凍融效應(yīng)隨著試驗(yàn)區(qū)的植被類型、群落結(jié)構(gòu)、微生物種類和數(shù)量、土壤類型、地形地貌等因子而表現(xiàn)出不同的規(guī)律，且凍融作用在很多空間尺度都可能發(fā)生，因此，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、酶活性、土壤碳氮等元素變化規(guī)律變得更加復(fù)雜和多樣，可以通過(guò)選擇多樣點(diǎn)、多季節(jié)、更深土層來(lái)開(kāi)展研究，從而為三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及資源利用提供 依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)土壤有機(jī)碳含量總體隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減少的變化趨勢(shì)。隨退化程度的加重，土壤有機(jī)碳含量受凍融循環(huán)次數(shù)的影響增加。且凍融循環(huán)次數(shù)小于等于10次，對(duì)退化高寒草原土壤有機(jī)碳含量無(wú)影響。

(2)在4種不同程度的退化高寒草原，<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少，且隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的增大，凍融作用對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響也增強(qiáng)。0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，對(duì)比凍融循環(huán)0次與14次，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的增幅呈現(xiàn)出UD>MD>HD>LD的變化趨勢(shì)。

(3)不同退化程度高寒草原，凍融作用處理下土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間均呈正相關(guān)關(guān)系，與0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)碳含量與<0.25 mm、1～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量間的相關(guān)性隨著退化程度的加劇呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，土壤有機(jī)碳含量與0.5～1 mm、2～10 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均會(huì)受到退化程度的影響，且二者間的相關(guān)性隨著退化程度的加劇呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。