青藏高原不同类型草地土壤有机碳特征研究

摘 要：青藏高原草地土壤蕴含着巨大的有机碳库，在全球碳循环中起着重要的作用。该文对青藏高原3种不同类型草地（高寒草甸、高寒草甸草原和温性荒漠）土壤总有机碳、活性有机碳（水溶性有机碳、易氧化有机碳）、腐殖质组分碳（胡敏酸碳、富里酸碳和腐殖质碳）、团聚体碳及团聚体稳定性进行了研究。结果表明，土壤总有机碳、活性有机碳、腐殖质组分碳、团聚体碳及团聚体稳定性指标（包括平均重量直径、几何平均直径、>0.25mm的团聚体所占含量及水稳定团聚体比例）的顺序均为温性荒漠

关键词：草地类型；土壤有机碳；团聚体稳定性

中图分类号 S153.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）03-04-14-04

Soil Organic Carbon Characteristics of Different Alpine Grasslands in Qinghai-Tibet Plateau

Cao Zhiyuan et al.

（College of Resource and Environmental Science，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）

Abstract：Alpine grassland soils on Qinghai-Tibet Plateau store a large number of organic carbon and play an important role in the global carbon cycle.We investigated soil organic carbon，active organic carbon（easily oxidizable organic carbon，water soluble organic carbon），humic fraction carbon（humic acid，fulvic acid and humus carbon），aggregate-associated carbon and aggregate stability on the Qinghai-Tibet Plateau in the three different levels grass（alpine meadow，alpine steppe and alpine temperate desert ），and explored their spatial patterns of SOC fraction，and aggregate stability. The results showed that soil organic carbon，active organic carbon，humic fraction carbon，aggregate-associated carbon and aggregate stability all increased in the order alpine temperate desert

Key words：Grassland type；Soil organic carbon；Aggregate stability

在陆地生态系统中，土壤有机碳库约占整个生态系统碳库的2/3，在全球碳循环中起着重要的作用[1]。土壤有机碳库的变化及其排放，对大气中二氧化碳浓度的变化有很大的影响，从而影响全球的气候变化[2]。因此，近年来土壤有机碳的贮存受到了各界的广泛关注。

青藏高原具有独特的海拔、气候和生态系统类型，是全球变化的敏感区域。高寒草原是青藏高原广泛分布的植被类型之一，它不仅是亚洲中部高寒环境中典型的生态系统之一，而且在世界高寒地区也极具代表性[3]。青藏高寒草地约为1.28×108hm2，是我国重要的畜牧业基地和生态屏障。有机碳库是青藏高寒草地生态系统最大的碳库之一，有机碳库的微弱变化对整个生态系统的碳储量及生态系统碳平衡都产生重要影响[1-3]。因此，有必要对青藏高原不同类型草地有机碳的含量及特征作进一步的研究。

近年来，国内外学者虽然对青藏高原草地碳循环作了一些相关方面的文献报道，但目前对于青藏高原不同类型草地土壤有机碳特征的研究仍较少。本研究旨对青藏高原不同类型草地的土壤碳作对比分析，进一步揭示不同类型草地土壤碳之间的差别，为科学评估青藏高原不同草地类型评鉴的研究奠定基础，同时对判定影响青藏高原土壤碳变化的因素提供有利的证据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况 本实验的研究地点是青藏高原3种不同类型草地（高寒草甸、高寒草甸草原、温性荒漠），依据《中国草地资源的类型评价》来划分草地的等级，样地的具体情况如表1所示。

1.2 样品采集与研究方法

1.2.1 样品采集 2015年6月采集青藏高原3种不同类型草地土壤样品。3种不同类型草地中，每隔20m随机设立1个样点，重复4次，采集表层土壤（0～20cm），剔除杂质，形成混合样。将现场采集潮湿的土壤样品过2mm筛，在室温下风干备用。一部分土壤样品用于团聚体的分级，另一部分过0.25m筛用于有机碳的测定分析。

1.2.2 研究方法 土壤有机碳的测定：采用重铬酸钾容量（外加热）法[4]；土壤易氧化有机碳的测定：采用333mmol・LC1高锰酸钾氧化法[5]；土壤水溶性和腐殖质组分碳的测定：采用腐殖质组成修改法[6]，即先用蒸馏水提取水溶性组分（WSOC），后用0.1mol/L的NaOH+Na4P2O7混合碱液提取碱溶性腐殖质（HE），调节HE溶液的pH为1.0，分离出胡敏酸（HA）和富里酸（FA），碱提取液之后的残渣为胡敏素（HU）；土壤团聚体有机碳及指标的测定：采用Cambardella及Chen Y等[7-9]方法。

1.3 数据处理 数据处理采用Microsoft Excel 2003软件。

2 结果与分析

2.1 不同类型草地土壤总有机碳、活性有机碳和腐殖质组分碳含量 青藏高原3种不同类型草地土壤总有机碳、活性有机碳（水溶性有机碳、易氧化有机碳）、腐殖质组分碳（胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳）及胡敏酸碳与富里酸碳的比值如表2所示。由表2可知，3种不同类型草地土总有机碳及组分碳含量之间差别较大，其中高寒草甸土壤碳组分的各指标含量是最高的，高寒草甸草原土壤次之，温性荒漠土壤是最低的。3种不同类型草地土壤的胡敏酸碳与富里酸碳的比值介于1.02～1.38，其中高寒草甸和高寒草甸草原土壤胡敏酸碳与富里酸碳的比值差异较小。

本实验的研究结果同张永强等[10]研究结果相似，青藏高原不同类型草地的土壤碳含量具有明显的地带性差异特征，这与土壤及草地的类型分布一致。土壤中各碳组分主要来源于自然生长的植被凋落物及动物残体，经微生物的分解后进入土壤形成[11]，而表层的土壤有机碳含量与草地的盖度呈现显著正相关性[12]，植被覆盖度高不仅能有效减少土壤有机碳的损失，还能增加土壤有机碳的来源。植被覆盖度越高，向土壤碳循环中输入的凋落物和死亡的根系的量就会显著增加，经微生物的分解后土壤中的碳组分含量就高，因此植被覆盖度高的高寒草甸土壤总有机碳、活性有机、腐殖质组分碳的含量都较高，而植被覆盖度低的高寒草甸草原和温性荒漠的土壤碳组分含量较低。研究结果表明，植被盖度是影响土壤有机碳分布的一个重要性因素，不同类型草地类型植被盖度的不同导致土壤碳含量之间的差异较大。除了植被盖度的影响外，降水被视为决定土壤碳含量分布的重要性气候因素[13]，土壤中水分含量越高，土壤中微生物的生物量越大及部分酶的活性越强，土壤中有机残体的分解及矿化的过程越快，有利于有机碳含量的积累。高寒草甸与温性荒漠草原之间的降雨量差别较大，导致土壤矿化的程度不同，因此土壤碳的含量之间的差异也较大。同Martin-Neto等[14]的研究，年平均降雨量的多少影响土壤碳的含量，虽然温度也是影响土壤碳含量分布的一个重要性气候因素，但目前的研究只表明温度影响部分活性有机碳的含量及分布。本研究中，由于不同类型草地的植被覆盖度及降雨量差别较大，没有体现出土壤温度对土壤碳含量的影响。因此，青藏高原不同类型的草原土壤有机碳含量的分布取决于植物群落和土壤水分，而不是土壤温度[15]。

不同类型草地土壤胡敏酸碳与富里酸碳的比值（表2）表明，3种不同类型草地土壤的胡敏酸均占主导地位。Abril等[16]的研究表明，较高的降水量促进土壤微生物的活动，进而促进土壤胡敏酸的形成，提高土壤的腐殖化程度。这也就揭示了本研究中高寒草甸和高寒草甸草原与温性荒漠相比，土壤中胡敏酸碳与富里酸碳比值较高的原因。土壤中的胡敏酸与富里酸的比值，通常作为评价土壤腐殖化程度高低的重要指标，比值越高土壤的腐殖化程度越高[17]。因此，本研究中的高寒草甸和高寒草甸草原土壤的腐殖化程度高于温性荒漠。

2.2 不同类型草地土壤团聚体碳及团聚体稳定性 不同类型草地土壤团聚体粒径及团聚体碳含量如图1所示。由图1可知，3种不同类型草地土壤水稳定团聚体所占比例（图1a）最高为高寒草甸75.7%，其次为高寒草甸草原29.5%，温性荒漠最低为27.5%。其中高寒草甸土壤粒径2～0.25mm的团聚体所占比例最高为32.9%，粒径

不同类型草地土壤团聚体稳定性指数之间差异如表3所示。高寒草甸土壤团聚体的平均重量直径、几何平均直径、>0.25mm团聚体含量和水稳定团聚体所占比例最高，其次为高寒草甸草原，而温性荒漠最低。相反，土壤团聚体结构破坏率和不稳定团聚体指数高低的顺序为高寒草甸

不同类型草地土壤团聚体粒径分布（图1a）是各不相同的，高寒草甸的植被覆盖率高，大量的根系系统对土壤团聚体的胶结作用就强，形成的大团聚体较多（>0.25mm）[18-19]，随着团聚体粒径的减小，团聚体粒径分布含量也相应减少。而高寒草甸草原和温性草原的植被覆盖率较低，对土壤的团聚作用较弱，土壤中的粒径小的团聚体（

土壤的平均重量直径、几何平均直径、>0.25mm团聚体含量、团聚体结构破坏率、不稳定团聚体指数和水稳定团聚体所占比例是衡量土壤团聚体稳定性的重要指标[9，18-19]。其中土壤的平均重量直径、几何平均直径、>0.25mm团聚体含量和水稳定团聚体所占的比例越大及土壤团聚体结构破坏率和不稳定团聚体指数越低表明土壤团聚体的稳定性越高[8-9]。因此，本实验的研究结果表明（表3），高寒草甸土壤水稳性团聚体的形成比其它两种草地更具有优势，高寒草甸草原和温性荒漠草原土壤的团聚体稳定性较低。导致不同类型草地土壤团聚体稳定性不同的原因，一方面可能是高寒草甸草原的植被覆盖率较大，庞大的植被根系系统不仅减弱了外界对土壤的侵蚀程度，又增加了土壤有机碳的输入，提高了对土壤的胶结作用[19]；另一方面，由于高寒草甸的降雨量较温性荒漠草原的高，因此土壤中微生物的生物量大及酶的活性高，加速了土壤的矿化程度及疏松土壤，增强了对土壤团聚体的胶结作用，因此高寒草甸的土壤团聚体稳定最高。而已有的研究表明，不同类型草地在干旱环境下，土壤植被的覆盖率均随着年平均降雨量的减少而下降，因此土壤团聚体的稳定性也不断下降，进而导致不同类型草地土壤的侵蚀程度不同，土壤碳的含量也随之不同程度的降低[19]，而土壤碳有机碳含量的高低，能显著响应土壤团聚体稳定性[19]。与本实验的研究结果相似，植被覆盖度及年平均降雨量是影响土壤团聚体的重要因素。

3 结论

（1）青藏高原3种不同类型草地的土壤有机碳含量、活性有机碳（水溶性有机碳和易氧化有机碳）、腐殖质组分碳（胡敏酸碳、富里酸碳和腐殖质碳）、土壤团聚体碳含量高低的顺序为温性荒漠

（2）青藏高原3种不同类型草地的团聚体稳定性为温性荒漠

参考文献

[1]田玉强，欧阳华，徐兴良，等.青藏高原土壤有机碳储量与密度分布[J].土壤学报，2008，45（5）：933-942.

[2]李元寿，张人禾，王根绪，等.青藏高原典型高寒草甸区土壤有机碳氮的变异特性[J].环境科学，2009，30（6）：1826-1831.

[3]王建林，欧阳华，王忠红，等.青藏高原高寒草原土壤活性有机碳的分布特征[J].地理学报，2009，64（7）：771-781.

[4]劳家柽.土壤农化分析手册[M].北京：农业出版社，1988.

[5]Blair G J，Lefroy R D B，Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems [J].Australian Journal of Agricultural Research，1995，46：1459-1466.

[6]Zhang J，Hu F，Li H，et al.Effects of earthworm activity on humus composition and humic acid characteristics of soil in a maize residue amended rice-wheat rotation agro ecosystem[J].Applied Soil Ecology，2011，51：1-8.

[7]Cambardella C A，Elliott E T.Carbon and nitrogen distributions in aggregates from cultivated and grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal，1993，57：1071-1076.

[8]Chen Y，Day，S D，Wick A F，et al.Influence of urban land development and subsequent soil rehabilitation on soil aggregates，carbon，and hydraulic conductivity[J].Science of the Total Environment，2014，494-495：329-336.

[9]Liu M，Chang Q，Qi Y，et al.Aggregation and soil organic carbon fractions under different land uses on the tableland of the Loess Plateau of China[J].Catena，2014，115：19C28.

[10]张永强，唐艳鸿，姜杰，等.青藏高原草地生态系统土壤有机碳动态特征[J].中国科学D辑，2006，36（12）：1140-1147.

[11]高超.东祁连山不同退化程度高寒草甸草原土壤有机质特性及其对草地生产力的影响[D].兰州：甘肃农业大学，2007.

[12]曹樱子，王小丹.藏北高寒草原样带土壤有机碳分布及其影响因素[J].生态环境学报，2012，21（2）：213-219.

[13]Liu Z，Shao M，Wang Y.Effect of environmental factors on regional soil organic carbon stocks across the Loess Plateau region，China[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2011，142：184C194.

[14]Martin-Neto L，Rosell R，Sposito G.Correlation of spectroscopic indicators of humification with mean annual rainfall along a temperate grassland climosequence[J].Geoderma，1988，81：305-311.

[15]Liu W，Chen S，Zhao Q，et al.Variation and control of soil organic carbon and other nutrients in permafrost regions on central Qinghai-Tibetan Plateau[J].Environment.Res.Lett，2014，9：1-9.

[16]Abril A，Villagra P，Noe L.Spatiotemporal heterogeneity of soil fertility in the Central Monte desert（Argentina）[J].J.Arid Environment，2009，73：901C906 .

[17]谷思玉，汪睿，耿泽明，等.生物有机肥对盐渍土壤酶活性和腐殖质组分的影响[J].水土保持学报，2014，28（1）：147-151.

[18]蔡晓布，彭岳林，于宝政，等.高寒草原土壤团聚体有机碳变化及其影响因素分析[J].农业工程学报，2013，29（11）：92-99.

[19]Boix-Fayos C，Calvo-Cases A，Imeson A.C，et al.Spatial and short-term temporal variations in runoff，soil aggregation and other soil properties along a Mediterranean climate logical gradient[J].Catena，1998，33（2）：123C138.

（责编：张宏民）