冻融作用对退化高寒草甸土壤有机碳及组分的影响

马延虎　刘育红　魏卫东

摘要 在退化高寒草甸设置研究样地，采集土壤样品，开展室内冻融模拟试验和有机碳及组分的测定，分析不同冻结时间、不同冻融循环次数对退化草甸土壤有机碳及组分的影响。结果表明，随着冻结时间的延长，土壤有机碳、轻组有机碳含量呈增加趋势，从未退化到重度退化草地，有机碳、轻组有机碳含量增幅分别为2.55%～6.09%、22.39%～43.08%；随着冻融循环次数的增加，有机碳、重组有机碳含量呈降低趋势，轻组有机碳含量呈增加趋势，从未退化到重度退化草地，有机碳、重组有机碳含量的减少幅度分别为5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，轻组有机碳含量的增幅为33.24%～70.58%。冻结时间对轻组有机碳含量的影响更显著，冻融循环次数对轻组有机碳、重组有机碳含量的影响则更显著；在同样的冻融作用下，土壤有机碳及组分含量均随草地退化程度的加剧而减少。

关键词 退化草地；冻融作用；土壤；有机碳；有机碳组分；高寒草甸

中图分类号 S153.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）20-0175-02

土壤有机碳是影响土壤质量的重要因素，对土壤结构、土壤肥力等具有重要作用。依据土壤有机碳密度的不同可将有机碳划分为轻组有机碳和重组有机碳。轻组有机碳多由分解不完全的动植物残体和微生物残骸等组成，能够较敏感地反映土壤质量的变化情况，可作为土壤碳变化的早期指标[1]。重组有机碳是与不同粒径的矿物质紧密结合的有机态碳，在土壤中分解速度较慢，较为稳定[2]。在高寒草地，土壤冻融作用广泛存在，以非生物应力方式，改变土壤水热动态及土壤生物化学过程[3]，也对土壤理化性质产生深刻影響。近几十年来，地处青藏高原腹地、生态系统敏感而脆弱的高寒草甸，在气候暖干化、草地超载过牧等自然和人为因素的共同作用下[4]，冻土环境发生显著变化，并与草地退化耦合，作用于退化草地土壤有机碳及组分，进而影响到高寒草甸的生产和生态功能。因此，本研究以高寒草甸土壤有机碳及组分为对象，分析冻融作用对不同退化程度草地土壤有机碳含量及组分分布特征及变化规律的影响，为深入研究高寒草甸生态系统土壤有机碳提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省果洛藏族自治州玛沁县。玛沁县平均海拔4 100 m，属典型高原大陆性气候，年均温-3.9 ℃，极端最低温-31.4 ℃，极端最高温24.3 ℃，多年平均降水量423～565 mm，多年平均蒸发量1 142～1 578 mm，年日照时数2 313～2 607 h；高寒草甸类是境内天然草场的主要组成部分，优势种为莎草科嵩草属、苔草属的植物。

1.2 样地设置及取样

研究区选择高寒草甸草地为研究样地。各研究样地依据任继周[5]关于草地退化程度划分的方法，结合土壤侵蚀现状、鼠虫危害情况等进行评价后，划分为4个退化程度，即未退化（un-degradation，UD）、轻度退化（light degradation，LD）、中度退化（moderate degradation，MD）、重度退化（heavy degradation，HD）（表1）。研究样地草地类型为高山嵩草草地，土壤为高山草甸土。在不同退化程度样地开展野外测定并采集土壤样品，同一退化程度样地多点采集0～30 cm土层土样，混合后用于土壤有机碳含量及有机碳组分的测定。

1.3 试验设计

冻融作用处理采用冻结时间和冻融循环次数二因素试验设计。冻结时间分为2个水平，即6、12 h，对应的融化时间分别为18、12 h；冻融循环次数分为4个水平，即2、6、10、14次。冻结温度控制为-15 ℃，融化温度控制为5 ℃。

1.4 研究指标测定分析

土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾硫酸消化法[6]；土壤轻组有机碳、重组有机碳含量采用文献[7]的方法测定。研究数据利用Excel 2010整理，SPSS 20.0统计分析。

2 结果与分析

2.1 冻结时间对土壤有机碳及组分的影响

冻结时间对土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳的影响不同。冻结12 h处理下，土壤有机碳、轻组有机碳含量较冻结6 h处理下有所增加，但重组有机碳含量有所减少。在不同冻结时间处理下，UD、HD样地土壤有机碳含量差异显著（P<0.05），UD、LD、MD、HD样地土壤轻组有机碳含量均达显著差异（P<0.05）。UD、LD、MD、HD样地冻结12 h较冻结6 h有机碳含量分别增加5.98%、3.66%、2.55%、6.09%，轻组有机碳含量分别增加33.16%、31.90%、22.39%、43.08%（表2）。

2.2 冻融循环次数对土壤有机碳及组分的影响

高寒草甸土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳对冻融循环次数的响应不同。土壤有机碳含量在不同冻融循环次数处理下均未达显著差异（P>0.05），但随着冻融循环次数的增加有机碳含量总体呈降低趋势，UD、LD、MD、HD样地冻融循环14次较冻融循环2次有机碳含量分别减少5.82%、6.12%、6.66%、7.13%。土壤轻组有机碳含量随着冻融循环次数的增加总体呈增加趋势，各退化程度样地轻组有机碳含量冻融循环14次与冻融循环2次处理间差异显著（P<0.05），UD、LD、MD、HD样地冻融循环14次较冻融循环2次轻组有机碳含量分别增加34.54%、70.58%、33.24%、58.01%。土壤重组有机碳含量随着冻融循环次数的增加总体呈降低趋势，各退化程度样地重组有机碳含量冻融循环14次与冻融循环2次处理间差异显著（P<0.05），UD、LD、MD、HD样地冻融循环14次较冻融循环2次重组有机碳含量分别减少17.88%、22.07%、18.10%、23.26%（表3）。

2.3 不同退化程度草甸土壤有机碳及组分的变化

由表2、3可以看出，不同退化程度的高寒草甸，土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量不同，有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均呈UD>LD>MD>HD的变化趋势。

3 结论与讨论

高寒草甸地区由于受全球气候变化、草地超载过牧等因素的共同影响，引起草地退化及冻融作用特征的改变，土壤物理、化学性质也发生相应变化，这种变化又反馈给高寒草甸植物群落和土壤，对高寒地区生态环境产生影响。

本研究发现，退化高寒草甸发生冻融作用时，冻结时间、冻融循环次数对土壤有机碳及组分含量的影响不同。随着冻结时间的延长，土壤有机碳、轻组有机碳含量呈增加趋势，从未退化到重度退化草地，其含量增幅分别为2.55%～6.09%、22.39%～43.08%，冻结时间对轻组有机碳含量的影响更显著；不同冻融循环次数对土壤有机碳及组分含量的影响也不同，随着冻融循环次数的增加，土壤有机碳、重组有机碳含量呈降低趋势，轻组有机碳含量呈增加趋势，从未退化到重度退化草地，有机碳、重组有机碳含量的减少幅度分别为5.82%～7.13%、17.88%～23.26%，轻组有机碳含量的增幅为33.24%～70.58%，冻融循环次数对轻组有机碳、重组有机碳含量的影响更显著；在同样的冻融作用下，土壤有机碳及组分含量均随草地退化程度的加剧而减少。

本研究反映出，随着土壤冻结时间的延长，土壤有机碳、轻组有机碳含量呈增加趋势，这一结果与高寒地区冻土环境下土壤的碳汇特征相符，同时反映出高寒地区冻土环境变化后，尤其是高寒草甸在全球气候变暖背景下土壤冻结时间缩短，会导致土壤有机碳由碳汇向碳源转化，从而不利于高寒草地土壤有机碳库的稳定。

土壤冻融循环次数是土壤有机碳含量及组分特征发生变化的重要原因。当土壤频繁冻结和消融时，土壤不断膨胀和收缩，使得与土壤结合的大分子量有机质的氢键断裂，释放出小分子量有机质，同时由于冻融循环破坏土壤团聚体，使有机碳库中不同形态的碳不同程度地暴露出来，进一步释放小分子量有机质，增加了土壤中轻组有机碳及其他活性有机碳的含量[8]，这些增加的活性有机碳成为土壤微生物的碳源，由此保持土壤微生物的活性[9]。

冻融作用发生的不同阶段，对土壤微生物活性、生理功能等的影响不同。初期的冻融作用，导致部分土壤微生物死亡，伴随冻融循环次数的增加，微生物逐步适应冻融作用，由冻融循环致死的微生物量减少，加之冻融作用导致的土壤活性有机碳的增加成为微生物碳源，能够提高微生物活性，加快土壤有机碳矿化分解速率[10]，但这种影响会随着冻融循环次数的增加而減弱[11]。

本研究还反映出，高寒草甸退化程度对土壤有机碳及组分的影响显著，草地退化与冻融作用耦合下，随着退化程度的加剧，土壤有机碳及组分的含量均减少，不利于高寒草甸土壤碳库的稳定，同时增加了大气碳排放的压力，影响着高寒草地生态系统的功能和高寒草地畜牧业的可持续发展。

4 参考文献

[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.

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[3] 林笠，王其兵，张振华，等.温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环[J].北京大学学报（自然科学版），2017，53（1）：171-178.

[4] 魏卫东，刘育红.三江源区高寒草甸退化对土壤呼吸的影响[J].黑龙江畜牧兽医，2014（19）：102-105.

[5] 任继周.草业科学研究方法[M].北京：中国农业出版社，1998：95.

[6] 张甘霖，龚子同.土壤调查实验室分析方法[M].北京：科学出版社，2012：38-80.

[7] 刘育红，魏卫东，温小成，等.三江源退化高寒草原土壤有机碳组分分布研究[J].土壤通报，2014，45（6）：1370-1376.

[8] 李忠佩，张桃林.可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系[J].土壤学报，2004，41（4）：544-552.

[9] 王洋，刘景双，王全英.冻融作用对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J].生态环境学报，2013，22（7）：1269-1274.

[10] 刘淑霞，王宇，赵兰坡，等.冻融作用下黑土有机碳数量变化的研究[J].农业环境科学学报，2008，27（3）：984-990.

[11] 魏丽红.冻融作用对土壤理化以及生物学性质的影响综述[J].安徽农业科学，2009，37（11）：5054-5057.