閻 欣,安 慧

寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021

土壤有機(jī)碳(SOC)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能維持和土壤質(zhì)量保持具有重要作用[1]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是土壤有機(jī)碳輸入與分解動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[2]。土壤有機(jī)碳因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高度異質(zhì),周轉(zhuǎn)速率幾年到幾千年不等,因此土壤有機(jī)碳組分的研究是探知土壤有機(jī)碳對(duì)人為干擾和全球變化響應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及周轉(zhuǎn)速率,土壤有機(jī)碳可分為惰性(50—5000a)、緩效性(5—50a)及活性(0.1—4.5a)土壤有機(jī)碳庫[3]。其中,惰性有機(jī)碳庫是指存在于土壤中的惰性碳和極難分解的被物理保護(hù)的部分有機(jī)碳,其化學(xué)和物理性質(zhì)非常穩(wěn)定；緩效性有機(jī)碳活性介于活性和惰性碳庫之間,也被稱為難分解有機(jī)碳；活性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳的7%—32%,在土壤中移動(dòng)比較快、不穩(wěn)定、易氧化、分解、易礦化,它即可參與土壤物質(zhì)交換過程也可隨溶劑運(yùn)動(dòng)從而參與更大范圍的碳循環(huán),是土壤有機(jī)碳的活性部分[4]。土壤活性有機(jī)碳較其他兩種有機(jī)碳對(duì)環(huán)境變化更敏感,是土壤潛在生產(chǎn)力和土地管理引起的土壤碳庫變化的早期預(yù)警指標(biāo)。不同研究獲得的活性有機(jī)碳組分不同,Blair等[5]認(rèn)為能被333mmol/L KMnO4氧化的部分為活性有機(jī)碳；柳敏等[6]指出易被土壤微生物利用與轉(zhuǎn)化的物質(zhì)為活性有機(jī)碳；而楊慧等[7]直接利用土壤有機(jī)碳礦化量估值土壤活性有機(jī)碳量。盡管研究目的、實(shí)驗(yàn)方法不同,但根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法的性質(zhì)及所獲得組分的差異,這些方法可分為物理、化學(xué)及生物學(xué)3種,其中物理分組方法對(duì)土壤破壞較小,是研究土壤活性有機(jī)碳的主要方法。

活性有機(jī)碳物理分組方法主要利用土壤有機(jī)碳與礦物質(zhì)結(jié)合的粒徑大小或土壤有機(jī)碳在重液中的離散程度分為顆粒有機(jī)碳(POC, 53—2000μm)和輕組有機(jī)碳(LFOC)。顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳因缺乏物理、生物等保護(hù)成分,周轉(zhuǎn)速率快,又被稱為非保護(hù)性有機(jī)碳[8]。土壤非保護(hù)性有機(jī)碳對(duì)土壤碳源輸入量、土壤結(jié)構(gòu)改變響應(yīng)敏感[9]。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生正向演替或逆行演替時(shí),土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生劇烈變化,如土壤非保護(hù)性有機(jī)碳含量和土壤穩(wěn)定性改變。與森林生態(tài)系統(tǒng)相比,耕地和裸地土壤輕組有機(jī)碳含量降低[10]；林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸鼗蚋卦黾恿祟w粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和非保護(hù)性有機(jī)碳分配,降低了土壤穩(wěn)定性[11]。草地恢復(fù)成林地保護(hù)性有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳含量的增加是土壤有機(jī)碳增加的主要原因[12]。因此,土壤保護(hù)性有機(jī)碳與非保護(hù)性有機(jī)碳間的相互轉(zhuǎn)化是研究土壤有機(jī)碳變化和穩(wěn)定性機(jī)制的關(guān)鍵。以往的研究主要集中在農(nóng)田耕作、施肥管理對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳演變特征[13- 16],不同土地利用方式土壤非保護(hù)性有機(jī)碳的變化特征[11,17]、放牧與圍封草地輕組有機(jī)碳的變化特征[18- 19],但荒漠草原沙漠化對(duì)土壤非保護(hù)性有機(jī)碳組分的研究較少。因此,本研究以干旱、半干旱地區(qū)荒漠草原不同沙漠化階段土壤為研究對(duì)象,分析荒漠草原沙漠化過程中土壤粗顆粒有機(jī)碳、細(xì)顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量和分配比例的變異規(guī)律,探討荒漠草原沙漠化過程中土壤非保護(hù)有機(jī)碳及碳庫穩(wěn)定機(jī)制,以期為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣花馬池鎮(zhèn)皖記溝村(37°49′ N,107°27′ E)。該區(qū)地處陜、甘、寧、蒙四省(區(qū))交界帶,屬鄂爾多斯臺(tái)地向黃土高原過渡地帶,海拔1411—1435m,地勢(shì)南高北低。氣候?qū)儆诘湫痛箨懠撅L(fēng)氣候,年平均氣溫8.2℃,溫差較大,最熱月和最冷月分別為7月(平均氣溫22.4℃)和1月(平均氣溫-8.7℃)。年均降水量為280mm,集中于7—9月份,且年際變幅大,多年潛在蒸發(fā)量2710mm,是年降雨量的9—10倍。年無霜期為165d。年平均風(fēng)速2.8m/s,冬春風(fēng)沙天氣較多,每年17m/s的大風(fēng)日數(shù)為24d。研究區(qū)土壤類型以地帶性的灰鈣土和淡灰鈣土為主,土壤結(jié)構(gòu)松散,粒徑組成主要為細(xì)砂粒(100—250μm)、極細(xì)砂粒(50—100μm)、粉粒(2—50μm)和粘粒(<2μm)。土壤偏堿性,pH值為8.94—9.22。土壤肥力較差,土壤基本理化性狀為：土壤有機(jī)碳含量2.3g/kg,全氮0.2g/kg,全0.4g/kg,堿解氮9.0mg/kg,速效磷2.1mg/kg。植被類型以荒漠植被和沙生植被為主。優(yōu)勢(shì)植物有中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、賴草(Leymussecalinus)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)、蟲實(shí)(Corispermumhyssopifolium)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、牛枝子(Lespedezapotaninii)等。由于干旱少雨以及基質(zhì)較差,植物生長矮小,群落層片結(jié)構(gòu)不明顯,多呈單層。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

過度放牧等人為干擾和干旱少雨等環(huán)境因子導(dǎo)致荒漠草原嚴(yán)重退化和荒漠化。根據(jù)地上植被群落特征及蓋度的一系列變化過程可推斷草地沙漠化過程總體上表現(xiàn)為荒漠草地—固定沙地—半固定沙地—半流動(dòng)沙地—流動(dòng)沙地動(dòng)態(tài)演化序列[20]。研究區(qū)在空間上分布著不同沙漠化程度的荒漠草地,根據(jù)植被的指示性及蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21](表1),在研究區(qū)選擇不同沙漠化階段的荒漠草地、固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地作為試驗(yàn)樣地。以荒漠草地作為對(duì)照,每個(gè)樣地中設(shè)置3個(gè)50m×50m的重復(fù)取樣區(qū),每個(gè)取樣區(qū)間地形與環(huán)境條件基本一致。

1.2.2 土壤樣品采集

2016年7月底在草地不同沙漠化階段的取樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1m×1m的樣方,每個(gè)樣方內(nèi)按0—10,10—20,20—30cm的層次,用直徑9cm的土鉆采集土壤樣品,每個(gè)樣方內(nèi)5鉆土壤混合均勻裝入土壤袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干,過2mm細(xì)篩并去除枯枝落葉和肉眼可見根等雜物。

表1 草地沙漠化分級(jí)指數(shù)

1.2.3 土壤樣品測(cè)定

采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤總有機(jī)碳含量(表2)。

顆粒有機(jī)碳測(cè)定：參考劉夢(mèng)云[22]測(cè)定方法,取過2mm風(fēng)干土20g,放入250mL三角瓶中,加入100mL 5g/L的六偏磷酸鈉溶液,手搖15min后在往復(fù)式振蕩器(90r/min)上振蕩18h,分散。分散液置于53μm篩上,反復(fù)用清水沖洗直至濾液澄清。再將篩上保留物分離為粗顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(Coarse particulate organic matter,CPOM,250—2000μm)和細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(Fine particulate organic matter,FPOM,53—250μm)。各分離組分在60℃下烘干稱重,計(jì)算其占全土的百分比。之后將各粒級(jí)土壤顆粒研磨過100目土壤篩,取一定重量樣品測(cè)定其有機(jī)碳含量,乘以各自所占土壤的百分比計(jì)算出粗、細(xì)顆粒有機(jī)碳含量。細(xì)顆粒、粗顆粒有機(jī)碳含量分別與土壤總有機(jī)碳的比值為相應(yīng)顆粒有機(jī)碳的分配比例。

輕組有機(jī)碳測(cè)定：參考Janzen等[23]離析輕組有機(jī)碳的方法,取過2mm篩的風(fēng)干土10g,放入100mL離心管,加入40mLNaI溶液,手搖30s,超聲15min(300W),離心15min(3500r/min),取上清液,共重復(fù)3次,將上清液過0.45μm濾膜,用100mL 0.01mol/L的CaCl2溶液洗滌,再用200mL蒸餾水洗滌,收集濾膜上的殘留物,60℃烘約17h,測(cè)定有機(jī)碳含量,即輕組有機(jī)碳含量。輕組有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的比值為輕組有機(jī)碳分配比例。

土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例：土壤顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)碳物理組分中兩種不同分離方法所得的產(chǎn)物,均為土壤有機(jī)碳中的非保護(hù)組分,兩者單獨(dú)表征土壤非保護(hù)性有機(jī)碳不夠充分,因此利用土壤顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳分配比例的平均值表征土壤非保護(hù)性有機(jī)碳的分配比例[24]。

土壤有機(jī)碳和非保護(hù)性組分的敏感性指標(biāo)采用Bremer[25]的計(jì)算方法：

敏感性指標(biāo)=(變量最大值-變量最小值)/變量最小值

土壤非保護(hù)性有機(jī)碳向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率常數(shù)(k)計(jì)算公式參考[24]：

P：保護(hù)性有機(jī)碳含量(土壤有機(jī)碳與非保護(hù)性有機(jī)碳的差值)；U：非保護(hù)性有機(jī)碳含量；TTp：保護(hù)性有機(jī)碳周轉(zhuǎn)時(shí)間(100a)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小差異法(LSD)分析不同沙漠化階段各變量的差異顯著性(P<0.05)。

表2 不同沙漠化階段土壤有機(jī)碳含量/(g/kg)

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠草原沙漠化過程中土壤粗顆粒有機(jī)碳含量及其分配比例

草地沙漠化對(duì)土壤粗顆粒有機(jī)碳含量及其分配比例影響顯著(P<0.05,圖1)。流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地0—30cm土層土壤粗顆粒有機(jī)碳含量分別比荒漠草地減小5.3%、5.1%和15.9%。隨著草地沙漠化加劇,0—10cm土層荒漠草地粗砂粒有機(jī)碳含量顯著高于固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地,10—20、20—30cm土層不同沙漠化階段土壤粗顆粒有機(jī)碳含量差異不顯著。草地不同沙漠化階段土壤粗砂粒含量垂直分布隨著土壤深度的增加變化規(guī)律不同。流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地土壤粗砂粒有機(jī)碳含量隨土層增加呈升高趨勢(shì)；荒漠草地土壤粗砂粒含量隨土層深度的增加呈先降低后升高趨勢(shì),在10—20cm土層達(dá)到最小值,各沙漠化階段不同土層間的差異不顯著(圖1)。

草地不同沙漠化階段0—30cm土層土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例為7.7%—33.4%。隨著草地沙漠化程度的加劇,土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例呈先降低后升高趨勢(shì),固定沙地值最小。0—10、10—20、20—30cm土層流動(dòng)沙地和半固定沙地土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例均顯著高于固定沙地和荒漠草地(圖1)。隨著土層深度的增加,流動(dòng)沙地和半固定沙地土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例呈減小趨勢(shì)；固定沙地土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例為先降低后升高趨勢(shì),各土層間差異顯著；荒漠草地10—20cm土層土壤粗顆粒有機(jī)碳分配比例顯著高于0—10和20—30cm土層。

圖1 草地沙漠化階段土壤粗顆粒有機(jī)碳含量及其分配比例Fig.1 The content and proportion of coarse particulate organic carbon at different desertification stagesG:草地 Grasslands; FD:固定沙地Fixed dunes; SFD:半固定沙地Semi-fixed dunes; MD:流動(dòng)沙地Mobile dunes;大寫字母表示同一土層不同沙漠化階段在0.05水平差異性；小寫字母表示同一沙漠化階段不同土層在0.05水平差異性

2.2 荒漠草原沙漠化過程中土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量及其分配比例

荒漠草原不同沙漠化階段土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量和分配比例差異顯著(P<0.05,圖2)。荒漠草地、半固定沙地和流動(dòng)沙地0—30cm土層土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量分別比固定沙地減少17.4%、59.0%和63.6%。隨著草地沙化的加劇,0—10、10—20、20—30cm土層,荒漠草地和固定沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量均顯著高于半固定沙地和流動(dòng)沙地。土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量在土壤剖面的分布不同。隨著土層深度的增加,流動(dòng)沙地和固定沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量呈先升高后降低趨勢(shì),均在10—20cm土層為最大值；半固定沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量呈先降低后升高趨勢(shì),10—20cm土層為最小值；荒漠草地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減小(圖2)。

圖2 草地沙漠化階段土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量及其分配比例Fig.2 Thecontent and proportion of fine particulate organic carbon at different desertification stagesG:草地 Grasslands; FD:固定沙地Fixed dunes; SFD:半固定沙地Semi-fixed dunes; MD:流動(dòng)沙地Mobile dunes,大寫字母表示同一土層不同沙漠化階段在0.05水平差異性；小寫字母表示同一沙漠化階段不同土層在0.05水平差異性

荒漠草原不同沙化階段0—30cm土層土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例為64.2%—77.5%。隨著草地沙漠化加劇,0—10、10—20cm土層,荒漠草地、半固定沙地和流動(dòng)沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例顯著低于固定沙地；20—30cm土層不同沙漠化階段土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例差異不顯著(圖2)。隨著土層深度的增加,流動(dòng)沙地和半固定沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例呈升高趨勢(shì)；固定沙地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例呈降低趨勢(shì)；荒漠草地土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分配比例呈先降低后升高趨勢(shì),10—20cm土層為最小值。

2.3 荒漠草原不同沙漠化階段土壤輕組有機(jī)碳含量及其分配比例

草地不同沙漠化階段土壤輕組有機(jī)碳含量及其分配比例差異顯著(P<0.05,表3)。隨著草地沙漠化程度的增加,固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地0—30cm土層土壤輕組有機(jī)碳含量分別比荒漠草地減小7.1%、42.8%和51.0%。0—10、10—20、20—30cm 土層荒漠草地和固定沙地土壤輕組有機(jī)碳含量均顯著高于半固定沙地和流動(dòng)沙地。隨著土層深度的增加,半固定沙地和固定沙地土壤輕組有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)；流動(dòng)沙地和荒漠草地10—20cm土層土壤輕組有機(jī)碳含量顯著低于0—10、20—30cm土層。

隨著草地沙漠化程度的增加,0—30cm土層土壤輕組有機(jī)碳分配比例介于60.4%—81.1%之間。隨著草地沙漠化的加劇,輕組有機(jī)碳分配比例表現(xiàn)為荒漠草地>固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地。0—10、10—20cm土層,荒漠草地和固定沙地土壤輕組有機(jī)碳分配比例均顯著高于半固定沙地和流動(dòng)沙地；荒漠草地20—30cm土層土壤輕組有機(jī)碳分配比例顯著高于流動(dòng)沙地。土壤輕組有機(jī)碳分配比例垂直分布隨土壤深度的增加呈先降低后升高趨勢(shì),在10—20cm土層為最小值。其中,荒漠草地和半固定沙地10—20cm土層土壤輕組有機(jī)碳分配比例顯著低于0—10、20—30cm土層。

表3 草地沙漠化過程中土壤輕組有機(jī)碳含量及其分配比例

大寫字母表示同一土層不同沙漠化階段在0.05水平差異性；小寫字母表示同一沙漠化階段不同土層在0.05水平差異性; LFOC:輕組有機(jī)碳Light-fraction organic carbon

2.4 土壤有機(jī)碳和非保護(hù)性有機(jī)碳對(duì)荒漠草地沙漠化的敏感性

顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳作為土壤活性有機(jī)碳庫的一部分,對(duì)土壤管理措施反應(yīng)敏感。土壤粗顆粒有機(jī)碳、細(xì)顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量及分配比例對(duì)草地沙漠化響應(yīng)程度未表現(xiàn)出一致性,因此,進(jìn)行了敏感性指標(biāo)計(jì)算(表4)。0—30cm 3個(gè)土層均表現(xiàn)為細(xì)顆粒有機(jī)碳的敏感性最高,粗顆粒有機(jī)碳的敏感性最低。因此,細(xì)顆粒有機(jī)碳更能反映荒漠草原沙漠化過程中土壤碳庫變化。

表4 土壤有機(jī)碳和非保護(hù)性有機(jī)碳對(duì)荒漠草原沙漠化的敏感性指標(biāo)

FPOC:細(xì)顆粒有機(jī)碳 Fine particulate organic carbon; CPOC:粗顆粒有機(jī)碳Coarse particulate organic carbon; POC:顆粒有機(jī)碳Particulate organic carbon; LFOC:輕組有機(jī)碳Light-fraction organic carbon; SOC:有機(jī)碳Soil organic carbon; Max.:最大值 Maximum value; Min.:最小值Minimum value; Sen.:敏感性Sensibility

2.5 荒漠草原沙漠化過程中土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例及向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率

草地不同沙漠化階段對(duì)土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例影響顯著(P<0.05,表5)。固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地0—30cm土層土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例分別比荒漠草地減小3.5%、0.6%和5.9%。0—10cm土層和20—30cm土層土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例均在半固定沙地達(dá)到最大值；10—20cm土層土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例隨草地沙化程度的增加而降低。隨著土層深度的增加土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例呈“V”形變化,在10—20cm土層達(dá)到最小值。隨著荒漠草地沙漠化加劇,除半固定沙地較小波動(dòng)外,土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例及向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率整體呈上升趨勢(shì)。隨著土層深度的增加,草地不同沙漠化階段土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例及向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率均在10—20cm土層最高。

表5草地不同沙化階段土壤非保護(hù)性有機(jī)碳分配比例及向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率常數(shù)

Table5TheproportionofunprotectedorganiccarbonandrateconstantforCtransferringfromtheunprotectedtotheprotectedsoilpoolindifferentdesertificationstage

土層深度Soil depth/cm荒漠草地Grasslands固定沙地Fixed dunes半固定沙地Semi-fixed dunes流動(dòng)沙地Mobile dunes分配比例Proportion/%轉(zhuǎn)化速率常數(shù)k分配比例Proportion/%轉(zhuǎn)化速率常數(shù)k分配比例Proportion/%轉(zhuǎn)化速率常數(shù)k分配比例Proportion/%轉(zhuǎn)化速率常數(shù)k0—1084.9±0.4Aa0.001781.2±1.6Ba0.002384.0±0.5ABab0.001975.5±0.9Cb0.003310—2078.7±1.3Aa0.002477.6±1.3ABa0.002875.6±0.7ABb0.003273.3±2.4Bb0.003620—3085.7±0.5Aa0.001681.8±0.7Ab0.002288.2±5.5Aa0.001485.7±1.5Aa0.0017

k:土壤非保護(hù)性有機(jī)碳向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率常數(shù)

3 討論

土壤顆粒有機(jī)碳(POC)主要是有機(jī)物質(zhì)與無機(jī)物質(zhì)過渡的中間體,周轉(zhuǎn)周期短,是土壤非保護(hù)性有機(jī)碳[26]。李海波等[27]研究不同土地利用和施肥管理對(duì)東北黑土顆粒有機(jī)碳分配特征的影響,結(jié)果表明草地退化至裸地,土壤粗顆粒有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳含量均顯著減小,本研究結(jié)果與其基本一致。植物殘?bào)w和根系有機(jī)碳是土壤顆粒有機(jī)碳的主要來源[28],其中,根系有機(jī)碳比植物殘?bào)w對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳貢獻(xiàn)更高,11%的根系有機(jī)碳形成了粒徑為500—2000μm的粗顆粒有機(jī)碳,16%的根系有機(jī)碳形成了粒徑為53—500μm的細(xì)顆粒有機(jī)碳[29]。土壤顆粒有機(jī)碳的變化也與土壤團(tuán)聚體密切相關(guān),顆粒有機(jī)碳通過粘連等方式將土壤顆粒匯集成不同大小的團(tuán)聚體或作為核被包裹成大小不一的團(tuán)聚體[30- 32]。土壤真菌和其他土壤微生物首先利用>250μm的土壤團(tuán)聚體中的粗顆粒有機(jī)碳,粗顆粒有機(jī)碳又進(jìn)一步分解為細(xì)顆粒有機(jī)碳[27]。隨著荒漠草原沙漠化程度加劇,牛枝子、中亞白草等優(yōu)勢(shì)種的移除,減小土壤顆粒有機(jī)碳輸入的同時(shí),對(duì)風(fēng)蝕等的抑制作用減弱,加重土壤顆粒有機(jī)碳的流失。土壤微生物也是影響土壤顆粒有機(jī)碳的主要因素,草地沙漠化過程中土壤微生物量和土壤酶活性顯著下降[33],減少細(xì)顆粒有機(jī)碳形成的一條途徑。固定沙地中優(yōu)勢(shì)種植物為中亞白草和苦豆子,苦豆子植株大,競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng),根系“廣布”生長[34],對(duì)土壤結(jié)構(gòu)較其他優(yōu)勢(shì)植物影響大,土壤養(yǎng)分富集率高[35- 36]。因此,固定沙地中土壤粗顆粒有機(jī)碳含量最小,細(xì)顆粒有機(jī)碳含量最高。地上植被類型、土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量、土壤孔隙度等的差異是土壤顆粒有機(jī)碳隨土壤深度未表現(xiàn)出一致性規(guī)律的原因。

輕組有機(jī)碳(LFOC)與顆粒有機(jī)碳相似,均為非保護(hù)性有機(jī)碳,對(duì)環(huán)境變化敏感。植物殘?bào)w、根系及真菌、放線菌等微生物是土壤輕組有機(jī)碳的主要成分[6]。本研究中,隨草地沙漠化程度增強(qiáng)土壤輕組有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì),荒漠草地和固定沙地土壤輕組有機(jī)碳含量顯著高于半固定沙地和流動(dòng)沙地。一方面放牧是荒漠草地沙漠化的主要原因[37],放牧的草地生態(tài)系統(tǒng)中,放牧導(dǎo)致植被的初級(jí)生產(chǎn)力下降,土壤有機(jī)碳的輸入量下降[38]。沙漠化草地系統(tǒng)中長期放牧使得土壤輕組有機(jī)碳含量降低56.6%[39]；內(nèi)蒙古大針茅草原重度和中度放牧土壤輕組有機(jī)碳含量分別比輕度放牧減少42.2%和23.7%[19]；另一方面荒漠草地沙漠化過程中土壤微生物數(shù)量遞減[40],土壤輕組有機(jī)碳輸入量降低。Tan等[10]發(fā)現(xiàn)土壤輕組有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而遞減,本研究中未得出一致結(jié)論。干旱半干旱荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)脆弱,易受環(huán)境及人為活動(dòng)的影響。地上植被、地下根系、微生物和土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變是草地沙漠化過程中輕組有機(jī)碳隨土層深度的增加未表現(xiàn)出一致性規(guī)律的原因。

土壤有機(jī)碳含量改變的主要原因是通過影響土壤保護(hù)性有機(jī)碳和非保護(hù)性有機(jī)碳含量而改變土壤有機(jī)碳的分解速率[11]。粒徑為53—2000μm的顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳為土壤有機(jī)碳的非保護(hù)性部分[8],但兩者對(duì)環(huán)境變化的敏感性不同。本研究結(jié)果表明,顆粒有機(jī)碳較輕組有機(jī)碳對(duì)草地沙漠化的響應(yīng)敏感,顆粒有機(jī)碳中53—250μm的細(xì)顆粒有機(jī)碳較250—2000μm的粗顆粒有機(jī)碳更敏感,與劉夢(mèng)云等[22]研究顆粒有機(jī)碳對(duì)不同土地利用的敏感性結(jié)果不一致。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因?yàn)榛哪莸厣衬跗谠谌躏L(fēng)蝕作用和強(qiáng)集塵作用下,土壤粘粉粒等細(xì)小顆粒的遷移損失小[41- 42],土壤粘粉粒等細(xì)小顆粒與土壤有機(jī)碳結(jié)合的活性位點(diǎn)較多,易形成細(xì)顆粒有機(jī)碳[43]。隨著草地沙漠化程度加劇,土壤風(fēng)蝕作用增強(qiáng),細(xì)顆粒有機(jī)碳較粗顆粒有機(jī)碳易流失。

土壤非保護(hù)性有機(jī)碳是草地生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的先驅(qū),隨草地沙漠化加劇土壤非保護(hù)性有機(jī)碳整體呈下降趨勢(shì),表明草地沙漠化降低了土壤質(zhì)量。土壤非保護(hù)性有機(jī)碳向保護(hù)性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化是維持土壤長期有效性的重要因子,非保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為保護(hù)性有機(jī)碳有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定[24]。呂茂奎等[44]研究表明馬尾松人工林植被恢復(fù)過程中土壤非保護(hù)性有機(jī)碳逐漸向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化,本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)荒漠草地沙漠化過程中土壤非保護(hù)性有機(jī)碳亦逐漸向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化?；哪莸靥幱诓莸嘏c荒漠的過渡階段,生態(tài)環(huán)境脆弱且不穩(wěn)定,土壤有機(jī)碳主要以非保護(hù)性有機(jī)碳形式儲(chǔ)存,利于地上植被等的吸收利用,流動(dòng)沙地生態(tài)環(huán)境極端惡化,土壤有機(jī)碳穩(wěn)定?；哪莸赝嘶亮鲃?dòng)沙地的過程中土壤結(jié)構(gòu)改變并配合新鮮動(dòng)植物殘?bào)w、真菌等有機(jī)碳的輸入減小,土壤物理、化學(xué)性質(zhì)極端惡化,是從一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)變化的過程。

4 結(jié)論

(1)隨著草地沙漠化加劇,土壤粗顆粒有機(jī)碳含量和分配比例在0—30cm土層均表現(xiàn)為先降低后升高趨勢(shì),均在固定沙地達(dá)到最小值；土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量和分配比例在0—30cm土層表現(xiàn)趨勢(shì)與粗顆粒有機(jī)碳相反,呈先升高后降低趨勢(shì),均在固定沙地達(dá)到最大值；輕組有機(jī)碳含量和分配比例在0—30cm的3個(gè)土層均表現(xiàn)為降低趨勢(shì),均在荒漠草地達(dá)到最大值。

(2)土壤顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳對(duì)草地沙漠化的敏感性不同,其中顆粒有機(jī)碳較輕組有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳敏感性高,顆粒有機(jī)碳中的細(xì)顆粒有機(jī)碳較粗顆粒有機(jī)碳敏感性更高。

(3)土壤非保護(hù)性有機(jī)碳隨草地沙漠化加劇整體呈下降趨勢(shì),土壤質(zhì)量降低?；哪莸赝嘶亮鲃?dòng)沙地土壤非保護(hù)性有機(jī)碳逐漸向保護(hù)性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化。

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