全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆源期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
中国南方红壤生态系统面临的问题及对策 赵其国袁黄国勤袁马艳芹 渊苑远员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
叶生态学基础曳院对生态学从传统向现代的推进要要要纪念 耘援孕援奥德姆诞辰 员园园周年
包庆德袁张秀芬 渊苑远圆猿冤
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食物链长度理论研究进展 张摇 欢袁何摇 亮袁张培育袁等 渊苑远猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
天山盘羊夏季采食地和卧息地生境选择 李摇 叶袁余玉群袁史摇 军袁等 渊苑远源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
松果梢斑螟对虫害诱导寄主防御的抑制作用 张摇 晓袁李秀玲袁李新岗袁等 渊苑远缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
菹草附着物对营养盐浓度的响应及其与菹草衰亡的关系 魏宏农袁潘建林袁赵摇 凯袁等 渊苑远远员冤噎噎噎噎噎噎噎
濒危高原植物羌活化学成分与生态因子的相关性 黄林芳袁李文涛袁王摇 珍袁等 渊苑远远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四年 韵猿熏气对小麦根际土壤氮素微生物转化的影响 吴芳芳袁郑有飞袁吴荣军袁等 渊苑远苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属 悦凿圆垣和 悦怎圆垣胁迫下泥蚶消化酶活性的变化 陈肖肖袁高业田袁吴洪喜袁等 渊苑远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
不同生境中橘小实蝇种群动态及密度的差异 郑思宁 渊苑远怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
亚热带樟树鄄马尾松混交林凋落物量及养分动态特征 李忠文袁闫文德袁郑摇 威袁等 渊苑苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性 王绍强袁陈蝶聪袁周摇 蕾袁等 渊苑苑员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江流域 晕阅灾陨变化与风沙化土地演变的耦合关系 李海东袁沈渭寿袁蔡博峰袁等 渊苑苑圆怨冤噎噎噎噎噎噎
高精度遥感影像下农牧交错带小流域景观特征的粒度效应 张庆印袁樊摇 军 渊苑苑猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化 蔡晓布袁于宝政袁彭岳林袁等 渊苑苑源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
芦芽山亚高山草甸尧云杉林土壤有机碳尧全氮含量的小尺度空间异质性
武小钢袁郭晋平袁田旭平袁等 渊苑苑缘远冤
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湘中丘陵区不同演替阶段森林土壤活性有机碳库特征 孙伟军袁方摇 晰袁项文化袁等 渊苑苑远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
东北黑土区片蚀和沟蚀对土壤团聚体流失的影响 姜义亮袁郑粉莉袁王摇 彬袁等 渊苑苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
滇西北高原纳帕海湿地土壤氮矿化特征 解成杰袁郭雪莲袁余磊朝袁等 渊苑苑愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
红壤区桉树人工林炼山后土壤肥力变化及其生态评价 杨尚东袁吴摇 俊袁谭宏伟袁等 渊苑苑愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年黄河流域植被覆盖的时空变化 袁丽华袁蒋卫国袁申文明袁等 渊苑苑怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
庐山森林景观格局变化的长期动态模拟 梁艳艳袁周年兴袁谢慧玮袁等 渊苑愿园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
暖温带鄄北亚热带生态过渡区物种生境相关性分析 袁志良袁陈摇 云袁韦博良袁等 渊苑愿员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应 张瑞波袁袁玉江袁魏文寿袁等 渊苑愿圆苑冤噎噎噎噎噎
资源与产业生态
大小兴安岭生态资产变化格局 马立新袁覃雪波袁孙摇 楠袁等 渊苑愿猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生态环境移动数据采集系统研究与实现 申文明袁孙中平袁张摇 雪袁等 渊苑愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
城市遥感生态指数的创建及其应用 徐涵秋 渊苑愿缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
大明竹属遗传多样性 陨杂杂砸分析及 阅晕粤指纹图谱研究 黄树军袁陈礼光袁肖永太袁等 渊苑愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
干旱胁迫下 源 种常用植物幼苗的光合和荧光特性综合评价 卢广超袁许建新袁薛摇 立袁等 渊苑愿苑圆冤噎噎噎噎噎
基于 陨栽杂圆和 员远杂 则砸晕粤的西施舌群体遗传差异分析 孟学平袁申摇 欣袁赵娜娜袁等 渊苑愿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种浒苔无机碳利用对温度响应的机制 徐军田袁王学文袁钟志海袁等 渊苑愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北京山区侧柏林冠层对降雨动力学特征的影响 史摇 宇袁余新晓袁张建辉袁等 渊苑愿怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
景观生态学研究院传统领域的坚守与新兴领域的探索要要要圆园员猿厦门景观生态学论坛述评
杨德伟袁赵文武袁吕一河 渊苑怨园愿冤
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期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆怨远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
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封面图说院 黄土丘陵农牧交错带要要要黄土丘陵是中国黄土高原的主要地貌形态袁由于黄土质地疏松袁加之雨季集中袁降水强度
较大袁地表流水冲刷形成很多沟谷袁斜坡所占的面积很大遥 这里千百年来的农牧交错作业袁地表植被和生态系统均
遭受了严重的破坏遥 利用高精度影像对小流域景观的研究表明袁这里耕地尧林地和水域景观相对比较规则简单袁荒
草地和人工草地景观比较复杂遥 农牧交错带小流域景观形态具有分形特征袁各类景观斑块的分维数对粒度变化的
响应不同袁分维数随粒度的增大呈非线性下降趋势遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 24 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.24
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40961023,40461005,41161052)
收稿日期:2012鄄09鄄18; 摇 摇 修订日期:2013鄄04鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: caitw21@ sohu.com
DOI: 10.5846 / stxb201209181311
蔡晓布,于宝政,彭岳林,刘合满.高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化.生态学报,2013,33(24):7748鄄7755.
Cai X B,Yu B Z,Peng Y L, Liu H M.The changes of soil organic carbon and carbon management index in alpine steppe.Acta Ecologica Sinica,2013,33
(24):7748鄄7755.
高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化
蔡晓布*,于宝政,彭岳林,刘合满
(西藏大学农牧学院, 西藏林芝摇 860000)
摘要:高寒草原对高寒生态系统的稳定具有重大意义。 为探明高寒草原土壤有机碳(SOC)、土壤活性有机碳(ASOC)变化,以及
草地退化对土壤碳库稳定性的影响,对藏北高原正常、轻度和严重退化高寒草原表层(0—10 cm)、亚表层(10—20 cm)土壤进
行了初步研究。 结果表明:(1)轻度、严重退化草地各土层 SOC、ASOC均呈不同程度的下降。 其中,退化草地 SOC的降幅均以
表层最大,且各土层降幅均随草地退化加剧而下降;退化草地 ASOC 的降幅则均以亚表层最大,但各土层 ASOC 的降幅随草地
退化加剧而提高。 (2)正常草地、轻度和严重退化草地表层 ASOC 比率分别为 16.8%、21.3%、16.6%,亚表层分别为 21.8%、
18郾 1%和 16.0%;土壤碳库活度与 ASOC比率的变化趋势完全一致。 因此,轻度退化草地 SOC 的不稳定性主要体现在表层土
壤。 (3)退化草地表层、亚表层碳库管理指数(CMI)均呈显著下降,但表层降幅相对较低;与严重退化草地比,轻度退化草地不
同土层 CMI明显提高。 (4)高寒草原环境中,正常草地、轻度和严重退化草地各土层 SOC、ASOC间则均呈一定程度的负相关,
表明土壤微生物对 SOC、ASOC的影响和作用可能不同。
关键词:高寒草原;土壤有机碳;土壤活性有机碳;碳库管理指数;藏北高原
The changes of soil organic carbon and carbon management index in alpine steppe
CAI Xiaobu*,YU Baozheng,PENG Yuelin,LIU Heman
Agricultural and Animal Husbandry College, Tibet University, Linzhi 860000, China
Abstract: The alpine steppe plays a vital role in the stability of alpine ecosystem. To understand the variation of soil organic
carbon (SOC) and active soil organic carbon (ASOC) in alpine steppe, and the influence of grassland degradation on soil
carbon pool, We initially investigated the SOC and ASOC in the surface soil (0—10 cm) and subsurface soil (0—20 cm)
in normal steppe, light degraded steppe, severely degraded steppe in The Northern Tibet Plateau. The results showed that:
(1) The SOC and ASOC all declined with different degree in each layer soil in mildly degraded steppe and severely
degraded steppe. The decline of SOC in surface soil were much higher than that in subsurface soil in these degraded steppe,
and the decline of SOC in each layer soil decreased with the steppe degradation.. But the decline of ASOC in surface soil
was much lower than subsurface soil, and which in severely degraded steppe was much higher than that in mildly degraded
steppe. (2) The distribution ratio of ASOC in surface soil in normal steppe, mildly degraded steppe and severely degraded
steppe were 16. 8%, 21. 3% and 16. 6%, respectively, and which in the subsurface were 21. 8%, 18. 1 and 16. 0%,
respectively. Besides that, the variation tendencies of soil carbon pool activities were consistent with the distribution ratio of
ASOC. So that, the SOC in the surface soil in the mildly degraded steppe is unstable. (3) The soil carbon management
index (CMI) in the surface soil and subsurface soil all significantly declined in degraded steppe, the decline of CMI in
surface soil much lower than subsurface soil. The CMI in each layer soil of mildly degraded steppe were much higher
compared to severely degraded steppe. (4) The negative correlation was observed between SOC and ASOC in each layer
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soils in normal steppe, mildly degrade steppe and severely degraded steppe in alpine grassland. This result suggests that the
effects of soil microorganism on SOC, ASOC might be different.
Key Words: alpine steppe;soil organic carbon;active soil organic carbon;Carbon management index;North Tibet Plateau
土壤有机碳(SOC)是深刻影响土壤环境的核心物质和全球变化研究所关注的焦点问题之一[1鄄2]。 作为
土壤有机物质矿质化、腐殖化的结果,SOC 的变化是一个漫长的过程,其含量多少并不能敏感的反映土壤环
境、土壤质量的动态变化[3]。 因此,研究者对能够响应短期土地管理措施影响的土壤活性有机碳(ASOC)给
予了越来越多的关注。 已有的研究表明,ASOC 是对环境变化敏感、易被微生物转化和生物直接利用的有机
碳组分[1,4],对预测并揭示土壤碳库变化具有重要意义[1,5鄄6],由其计算的碳库管理指数(CMI)能够很好的反
映土壤碳库的更新程度、质量变化[3,7鄄8]以及环境对 SOC性质的影响[3,8]。 目前,我国对不同生态系统 SOC 的
研究较多,对 ASOC的研究相对较少,土壤碳库管理指数研究则主要集中于农田土壤[3,8]、退耕还林土壤[9鄄10]
等,针对草地,特别是自然退化草地的研究少见报道。
青藏高原草地生态系统碳库对全球变化具有敏感响应和重要影响[11]。 由于青藏高原高寒草甸(发育于
高原冷湿环境)区交通相对便利,许多学者对该类草地中的 SOC 从不同层面开展了大量研究[12鄄18],对 ASOC
的研究明显不足[17]。 但长期以来,受极端寒、旱环境,特别是交通的严重限制,对青藏高原的主体草地类
型———高寒草原(发育于高原寒旱环境)的研究却十分匮乏[19鄄20]。 过去 40 年间,在人为因素,特别是气候变
化等的综合影响下,西藏高寒草原已呈现出整体退化的态势,SOC 含量持续下降[12鄄13],平均碳密度仅在
3郾 71—1.72 kg / m2之间,分别占西藏低、极低土壤碳密度草地面积的 78.4%和 71.3%,深刻地影响着高寒生态
系统的碳循环过程[14]。 因此,研究 ASOC与 CMI的变化过程对认识高寒草原土壤质量的演变、进而开展高寒
草原生态恢复途径的研究十分重要,对进一步认识高寒草地生态系统对全球变化的影响与响应等亦具重要的
参考价值。 本研究以藏北高原北部高寒草原为研究区域,通过对正常草地(未退化草地)、轻度和严重退化草
地表层(0—10 cm)、亚表层(11—20 cm)土壤的研究,以期初步探明高寒草原及其退化过程中 SOC、ASOC 的
变化特征,高寒草原退化对土壤碳库稳定性、土壤碳库管理指数的影响。 研究结果对从整体上逐步认识并揭
示高寒草地生态系统的土壤碳过程,探索退化高寒草原的生态恢复过程等具有重要意义。
1摇 研究方法
1.1摇 研究区域概况
藏北高原北部地处崇山环割、地势高亢而辽阔的青藏高原内流区域,高原面平均海拔 4500—5000 m,气
候寒冷、干旱,年均温-6—0 益、年降水量 100—200 mm、年蒸发量 2000—2300 mm、年大风(逸17 m / s)日数
30—90 d。 草地类型以高寒草原为主,局部偶见高寒草甸。 受高原寒、旱环境的强烈影响,高寒草原土壤(高
山草原土)前期发育过程普遍受阻,土壤形成的生物与化学作用微弱,成土过程缓慢[21],土层浅薄、质地轻粗;
植物构成简单、草类地上部干物质产量很低、地下 /地上生物量比值大。 尽管植物年提供土壤有机残体量十分
有限,但低温、干旱的土壤环境对微生物、植物根系生物活性的严重限制,使其难以完全分解而逐年累积(有
机残体厚度、C / N比一般达 5—15 cm、10—12 cm) [21],从而形成低有机碳、高有机残体的土壤有机物赋存格
局。 因此,在植被覆盖、地表角砾、土壤有机残体的“立体冶保护下,正常草地表层风蚀较为轻微。 近几十年
来,受气候干暖化影响,以植被稀疏化、土壤沙化为主的草地自然退化过程不断加剧,且植被类型亦难发生自
然演替。
1.2摇 采样方法
2009年 9月在藏北高原北部 32毅52忆13.20义 N—33毅23忆15.20义 N、88毅26忆53.49义 E—88毅53忆14.95 E义区域内随
机选择 3处紫花针茅(Stipa purpurea)草地型高寒草原作为研究区域,每一研究区域间隔 50—100 km。 各研究
区域土壤均为高山草原土,分布海拔 4845.4—4969.0 m,成土母质为湖积物、土壤质地为砂土,土层厚度一般
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仅在 20 cm左右,土壤 pH值 8.78—9.10。
为保证样品的代表性,本研究所采土壤样品均为 3次重复:即研究区域、各研究区域内不同状态草地采样
区、每一采样区内各采样点均按 3次重复取样。 具体方法:在所选 3处高寒草原区域内,均分别选取正常草地
(植被盖度 45%—65%,表层沙化轻微)、轻度退化草地(植被盖度>20%—45%,表层沙化较明显)、严重退化
草地(植被盖度<20%,表层沙化较严重)等 3个采样区,且每一状态草地面积均>10 hm2;每一采样区内,均随
机设置 3个采样微区,并在各采样微区内分别设置 3个采样点;刮除地表角砾后,于每个采样点均分别按 0—
10 cm、10—20 cm土层采集土壤样品,并将各采样微区的 3个同层土样组成 1 个混合土样(约 2.5 kg)。 全部
土壤混合样品数为 54个(同一状态草地 0—10 cm、10—20 cm土层混合样品数均为 9个)。
1.3摇 分析与统计方法
1.3.1摇 分析与测试
土壤有机碳(SOC)摇 采用重铬酸钾容量法鄄外加热法。
土壤活性有机碳(ASOC)摇 采用 333 mmol / L高锰酸钾氧化法。
非活性有机碳(Non鄄 Active soil organic carbon,N鄄ASOC)摇 总有机碳-活性有机碳[10]。
1.3.2摇 计算与统计
以 3个重复平均测定值作为结果;相关分析以各微区混合土样测定值计算。 相关分析、差异显著性测验
分别采用 Excel 2003和 DPS数据处理系统(版本号:11.50):
活性有机碳比率[22] =ASOC含量(g / kg) / SOC含量(g / kg)伊 100
碳库活度[3](Carbon activity,CA)= ASOC含量(g / kg) / N鄄ASOC含量(g / kg)
碳库活度指数(Carbon activity index,CAI) [3] =CA /参考土壤 CA(以正常草地作为参考土壤)
碳库指数(Carbon pool index,CPI) [3] =样本 SOC含量(g / kg) / 参考土壤 SOC含量(g / kg)
碳库管理指数(CMI) [3] =CAI伊CPI伊100
2摇 研究结果
图 1摇 高寒草原土壤有机碳含量
Fig.1摇 Contents of soil organic carbon in alpine steppe
相同土层不同字母表示差异显著性达 5%
2.1摇 不同状态高寒草原 SOC、ASOC含量及其变化
高寒草原表层(0—10 cm)、亚表层(10—20 cm)
SOC含量均呈正常草地>严重退化草地>轻度退化草
地。 与正常草地相比,轻度、严重退化草地表层 SOC 损
失量分别达 34. 5%、22. 4%,亚表层则分别为 25. 0%、
17郾 8%;轻度退化草地表层、亚表层单位重量土壤 SOC
损失量分别达 3.23、2.37 g / kg,严重退化草地则分别为
2郾 10、1.69 g / kg(图 1)。 可见,退化草地 SOC 损失量以
表层最大,但并未表现出随草地退化加剧而下降的趋
势。 从 SOC含量的土层差异看,不同状态草地 SOC 含
量随土层加深而均呈不同程度的提高。
不同状态草地 ASOC含量及其垂直分布与 SOC有所不同。 高寒草原表层、亚表层 ASOC含量均呈正常草
地>轻度退化草地>严重退化草地,表现出随草地退化加剧而下降的趋势,反映了 ASOC 对环境变化的敏感
性。 其中,退化草地亚表层 ASOC损失量较大,轻度、严重退化草地表层 ASOC 损失量分别为 16.6%、22.9%,
亚表层则分别达 37.7%、39.6%;轻度退化草地表层、亚表层单位重量土壤 ASOC 损失量分别为 0.26、0.78
g / kg,严重退化草地则分别达 0.36、0.82 g / kg(图 2)。 可见,轻度、严重退化草地亚表层 ASOC 损失量均明显
大于表层,这与 SOC完全不同。 由图 1、图 2可以看出,退化草地 ASOC 的降幅在总体上明显高于 SOC,亦表
明环境变化对 ASOC的影响相对较大。
因此,从高原寒旱环境中 SOC、ASOC 含量的相互关系看,正常草地、轻度退化草地、严重退化草地表层
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ASOC含量均随 SOC含量的增加而表现出一定程度的下降,亚表层亦表现出相同的趋势(表 1)。
表 1摇 高寒草原土壤有机碳(x)与土壤活性有机碳(y)的相关性
Table 1摇 The relationship between Soil organic carbon(x) and Active soil organic carbon(y) in alpine steppe
土层 / cm
Soil layer
正常草地
Normal steppe
轻度退化草地
Light degraded steppe
严重退化草地
Severely degraded steppe
0—10 cm y=-5.107x + 27.991 y=-1.227x + 7.735 y=-1.865x + 10.818
r=-0.405 r=-0.205 r=-0.496*
10—20 cm y=-14.310x + 75.984 y=-2.130x + 12.533 y=-1.975x + 11.309
r=-0.663** r=-0.322 r=-0.486*
2.2摇 不同状态高寒草原 ASOC比率
ASOC比率可以较好地反映环境对土壤碳行为、SOC质量的影响程度[9鄄10,23]。 高寒草原环境中,轻度退化
草地表层 ASOC比率显著高于正常草地、严重退化草地,亚表层则呈正常草地>轻度退化草地>严重退化草地
(图 3)。 可见,轻度退化草地 SOC 的不稳定性主要体现在表层土壤。 同一草地不同土层间,正常草地表层
ASOC比率明显较低,土层差异则明显高于退化草地;退化草地则与正常草地不同,表层 ASOC 比率均高于亚
表层(轻度退化草地尤为明显),ASOC比率的土层差异亦明显缩小。
高寒草原环境下,ASOC含量、ASOC比率的垂直分布较为复杂,轻度退化草地表层 ASOC 含量、ASOC 比
率均不同程度的高于亚表层,但 ASOC含量的土层差异明显低于 ASOC比率的土层差异;正常草地表层 ASOC
含量、ASOC比率则均明显低于亚表层,但 ASOC含量的土层差异较大;严重退化草地表层 ASOC 含量、ASOC
比率较亚表层分别表现出小幅增、减的趋势(图 2,图 3)。
图 2摇 高寒草原土壤活性有机碳含量
摇 Fig. 2 摇 Contents of active soil organic carbon ( ASOC ) in
alpine steppe
相同土层不同字母表示差异显著性达 5%
图 3摇 高寒草原土壤活性有机碳比率
Fig.3摇 ASOC ratio in alpine steppe
相同土层不同字母表示差异显著性达 5%
从退化草地 ASOC 损失量看,轻度、严重退化草地 0—20 cm 土层 ASOC 含量分别下降 28.6%、32.4%,
ASOC比率的变幅则明显较低,仅分别增、减 2.1%和 15.5%。 可见,不同状态草地 0—20 cm 土层 ASOC 含量
的差异明显大于 ASOC比率的差异。
2.3摇 不同状态高寒草原土壤碳库活度与土壤碳库管理指数
综合反映活性、非活性有机碳动态变化的碳库管理指数(CMI)、碳库活度(CA)可以反映不同土壤碳库变
化的差异及生态恢复能力[3,24]。 高寒草原条件下,CA及其变化表现出与 ASOC比率一致的特征(表 2,图 3)。
不同程度退化草地表层碳库指数(CPI)均明显低于亚表层,轻度退化草地表层、亚表层 CPI 均明显低于严重
退化草地,说明轻度退化草地中 SOC含量与正常草地的差异较大。 碳库活度指数(CAI)则相反,轻度退化草
地各土层 CAI均高于严重退化草地,且表层 CAI较正常草地亦呈明显提高,表明轻度退化阶段表层土壤碳的
不稳定性较强,损失较多(表 2)。 可见,退化草地 CAI 与 CPI 的变化规律完全不同,表现出 CPI 越小,则 CAI
1577摇 24期 摇 摇 摇 蔡晓布摇 等:高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化 摇
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越大的特点,表明退化草地 SOC含量与正常草地差异越大,则碳损失量越大。
CMI是土壤管理措施或环境变化引起 SOC 变化的指标,因其综合了土壤碳库指数、碳库活度,可以通过
SOC、ASOC的数量变化,反映出环境对土壤质量下降或更新的影响程度。 从表 2 可以看出,退化草地各土层
CMI均呈显著下降,且严重退化草地降幅均高于轻度退化草地,表明轻度退化草地 SOC 含量尽管较低,但其
土壤碳库质量下降的程度却低于严重退化草地,同时也反映出严重退化草地中较高的 SOC 含量是以土壤有
机残体的较大消耗为代价的。 从退化草地表层 CMI均明显大于亚表层看,草地退化过程中表层 CMI 的下降
程度明显低于亚表层。
表 2摇 高寒草原土壤碳库活度与碳库管理指数
Table 2摇 Soil organic carbon activity and carbon management index in alpine steppe
草地状态
State of steppe
土层 / cm
Soil layer
碳库活度
Carbon activity
(CA)
碳库指数
Carbon pool
index (CPI)
碳库活度指数
Carbon activity
index(CAI)
碳库管理指数
Carbon management
index (CMI)
正常草地 Normal steppe 0—10 0.201b 1a 1b 100a
10—20 0.279a 1a 1a 100a
轻度退化草地 Light degraded steppe 0—10 0.271a 0.655b 1.348a 88.29b
10—20 0.221b 0.750b 0.792b 59.40b
严重退化草地 Severely degraded steppe 0—10 0.200b 0.776b 0.995b 77.21b
10—20 0.191b 0.822a 0.685b 56.31b
摇 摇 同列相同土层不同字母表示差异显著性达 5%
3摇 讨论
对青藏高原高寒草甸的许多研究发现,受高原冷湿环境的强烈影响,SOC 含量均随草地退化加剧而显著
下降[13,15,17],并在总体上表现出随土壤深度增加而降低的趋势[12,14];不同状态(正常、退化)高寒草甸轻组有
机碳含量和比率亦表现出相同的趋势[17]。 对一些干旱草原的研究亦有类似结果,如美国科罗拉多东北部矮
草草原 SOC含量随土层加深而下降[25]、内蒙古干旱草原长期放牧后 0—10 cm土层微生物生物量碳、易分解
碳降幅均高于 10—20 cm土层[26],我国西北、东北地区草地 ASOC 含量、ASOC 比率均随土层加深而递减,且
ASOC含量随土层加深而递减的幅度较大[22,27]。 高原寒、旱环境中,不同状态草地表层 SOC 含量均低于亚表
层,ASOC亦基本表现出相同的趋势(仅轻度退化草地表层略高);同时,尽管退化草地各土层 SOC、ASOC均呈
下降,但不同土层的降幅、随草地退化加剧所表现出的变化趋势完全不同,SOC 均以表层降幅最大,且轻度退
化草地各土层 SOC降幅较大;ASOC则均以亚表层降幅最大,但各土层降幅随草地退化加剧而提高(与草地退
化过程中土沙化程度提高、土壤通透性增强所导致的 ASOC 矿化分解量增大[28]有关)。 可见, 由于植被、土
壤环境及其变化成因的不同,以及由此导致的土壤微生物结构及其活性的较大差异,对高寒草甸及其它类型
草地的研究结果与本研究明显不同。
一般认为,风蚀、风积作用是导致青藏高原[21]和其它干旱草原[29]土壤表层 SOC 含量低于亚表层的主要
原因。 但是,从本研究中严重退化高寒草原各土层 SOC 含量均明显高于轻度退化草地看,显然与风蚀、风积
作用无大的关联,而可能主要在于草地退化过程中土壤、植被环境的变化对微生物种群结构和活性的不同影
响。 已有研究表明,即使存在一定的水蚀、风蚀,微生物的分解、矿化作用仍是导致 SOC 损失的最主要
途径[30]。
ASOC受植物、微生物的强烈影响,主要来源于 SOC的分解,以及根系分泌物、微生物及其分泌物等,易氧
化、矿化[1,6,16]。 一些研究表明,SOC、ASOC含量间呈正相关[3,9鄄10,16]。 如对高寒湿地沼泽土、泥炭土的研究发
现,SOC与 ASOC含量分别呈显著正相关和正相关[16]。 同时,由于微生物活性严重受阻,沼泽土、泥炭土
ASOC比率仅分别在 3%—17%、7%—12%之间[16]。 土壤通透性能相对较好的黄壤、红壤中,SOC 与 ASOC 含
量亦均呈极显著正相关[3,10]。 可见,在这些研究中,无论土壤环境怎样,土壤微生物对 SOC、ASOC 均具有相
对一致的影响和作用,这可能与土壤在积累 ASOC 的同时,N鄄ASOC 亦呈增加有关[9]。 高寒草原中,不同状态
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草地各土层 SOC、ASOC间则均呈不同程度的负相关,这可能与高原寒、旱环境对 SOC、ASOC 密切相关微生物
的不同影响有关。 高寒环境中,影响有机残体转化的土壤微生物活性很低,SOC的形成与积累极为缓慢,但一
旦形成即较稳定;而干旱、疏松的土壤环境则不仅有利于多种来源 SAOC 的形成,亦有利于它的分解,并在总
体上维持着相对较高的 ASOC 比率(表层、亚表层分别在 16.6%—21.3%、16.0%—21.8%之间),退化草地
SOC、ASOC间的负相关可能还与团聚体崩解所导致的 SOC的加速分解有关。
正常高寒草原低有机碳、高有机残体的有机物赋存格局不仅是微生物对高原寒、旱环境长期适应与进化
的结果,更是微生物结构与功能稳定性的重要体现,这是讨论高寒草原不同土层 SOC 形成与分解的重要前
提。 据此推测,尽管正常草地表层含水量较低,但温度较高、通透性较强,促进 SOC 形成、分解的土壤微生物
类群较亚表层均较活跃,以致有机残体消耗量、SOC分解量相对较大。 青藏高原气候干暖化背景下,高寒草原
表层 SOC分解加速、CO2释放增加[13,18]的趋势将可能进一步加剧表层 SOC的不稳定性。 亚表层土壤水、热状
况与表层相反,微生物活性相对较弱,有机残体转化量较低,所形成的 SOC、ASOC 亦较稳定,加之较多土壤团
聚体的物理保护,以致缓慢积累并不同程度的高于表层土壤。 ASOC 比率的土层差异呈正常草地>轻度退化
草地>严重退化草地,这可能在于正常草地亚表层土壤环境相对稳定,有利于微生物对 SOC的分解和转化。
退化高寒草原土壤环境的恶化是导致物种适应性、群落复杂性和环境稳定性降低的主要原因[18],而气候
与环境变化所引起的土壤微生物种类、活性的改变影响着 SOC、ASOC的分解[16]。 一般条件下,土壤微生物对
环境变化具有较强的自适应能力。 从轻度退化草地各土层 SOC 含量明显低于严重退化草地分析,草地退化
初期土壤环境的变化可能易使微生物长期适应、进化所形成的结构与功能稳定性发生较大紊乱,进而导致有
机残体转化受阻、SOC加速分解。 此过程中,由于亚表层较低的土壤通透性对微生物活性的影响,SOC 的分
解量明显低于表层土壤;表层土壤碳的不稳定性较强,SOC 易发生变化,分解量较大。 从总体分析,此阶段土
壤有机残体的转化量较低、SOC形成较少,SOC、ASOC含量的下降主要在于其自身的分解与释放。 因此,由于
大量土壤有机残体未被分解、转化,其整体生态功能即未受到大的影响和破坏。 从 CMI 看,亦表明此阶段土
壤碳库质量的下降程度较低。
严重退化草地是植被盖度逐步下降、土壤沙化程度缓慢提高的结果。 此过程中,大量 SOC、ASOC 随团聚
体的逐步崩解而分解损失。 但是,随团聚体的逐步崩解和沙化程度的不断提高,微生物对缓慢变化的土壤环
境可能已产生较强的适应能力,并可能已完成向抗旱能力、酶分泌能力更强生理种群的演替,加速了土壤有机
残体的转化,SOC含量不仅明显高于轻度退化草地,土体分布格局亦未发生改变,但这是在土壤有机残体年补
给量严重下降基础上所发生的、以有机残体的较大消耗和草甸层的逐步消失为代价的过程。 尽管此阶段 SOC
含量明显高于轻度退化草地,但各土层 CMI下降的幅度均较高。
本研究中,退化草地亚表层 ASOC的降幅均明显高于表层,这是研究过程中所发现的另一重要现象。 初
步推测,尽管退化草地表层土壤环境的不稳定性促进了 ASOC的分解、释放,但土壤团聚体不断崩解条件下由
微生物转化形成的 ASOC量可能较多,进而不同程度的弥补了其分解与释放的损失;草地退化过程中,亚表层
土壤温度、含水量总体呈上升、下降趋势,土壤通透性能显著提升,可能降低了 ASOC在土壤中的存留时间,以
致 ASOC分解与释放量明显大于形成量。 因此,退化草地表层、亚表层 ASOC对环境变化可能均较敏感,不同
土层 ASOC均是其形成与分解环境的具体反映。
4摇 结论
藏北高原北部高寒草原 SOC、ASOC 及 CMI 变化具有一定的特殊性。 高寒草原 SOC 含量较低( < 10
g / kg),ASOC比率(近 20%)相对较高;正常草地、轻度和严重退化草地表层、亚表层 SOC、ASOC 间均呈不同
程度的负相关,SOC、ASOC损失量随草地退化加剧而分别表现出下降和提高的趋势;正常草地、轻度和严重退
化草地表层 SOC含量均低于亚表层,但退化草地表层 CMI 降幅明显较低;轻度退化草地 CMI 降幅则较低。
因此,以 CMI作为高寒草原自然退化的评价指标,能够客观地反映环境变化对土壤碳库质量的影响。 进一步
研究高寒草原 SOC的变化与稳定机制,对制定科学的草地管理措施,维护高寒生态系统碳平衡具有重要的科
3577摇 24期 摇 摇 摇 蔡晓布摇 等:高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化 摇
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园员怨苑 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 丁摇 平摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿猿卷摇 第 圆源期摇 渊圆园员猿年 员圆月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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