全 文 ：第 17 卷 第 3 期
Vol. 17 No . 3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 5 月
May 2009
云雾山不同草地群落土壤活性有机碳分布特征
华 娟1, 2 , 赵世伟1* , 张 扬1, 2, 马 帅1, 2
( 1. 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘要 :为探讨黄土高原草地植被演替过程活性有机碳的变化规律,揭示草地退耕后的分布特征, 在云雾山草原区采
集不同草地群落土壤,采用高锰酸钾氧化法对 0~ 100 cm 土层活性有机碳进行分析。结果表明: 不同草地群落土
壤活性有机碳含量均高于坡耕地,活性有机碳含量大小顺序为:长芒草( Stip a bungeana T rin. )群落> 大针茅( S ti
pa grandis P . Smirn. )群落> 铁杆蒿 ( A r temisia g melinii Web. ex Stechm. ) 群落> 百里香 ( T hymus mongol icus
Ronn. )群落> 退耕草地> 坡耕地,且群落间差异达极显著水平( P< 0. 01) ; 在恢复初期(坡耕地退耕草地百里香)
活性有机碳含量增加较多,恢复到长芒草群落活性有机碳含量达到最大值,趋于稳定;活性有机碳的密度与含量表
现出相同的变化规律,并随着土层的加深而呈现减小趋势。相关性分析表明, 活性有机碳含量与土壤总有机碳含
量呈极显著线性正相关关系( r= 0. 9742) , 土壤活性有机碳比总有机碳更能反映草地植被恢复初期土壤有机碳库
的变化。
关键词:云雾山; 草地植被;土壤活性有机碳; 土壤活性有机碳密度; 分布特征
中图分类号: S151. 9 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2009) 03031506
Distribution Characteristics of Soil Labile Organic Carbon of
Different Grassland Communities in Yunwu Mountain
HUA Juan1, 2 , ZHAO Shiwei1 * , ZHANG Yang 1, 2 , MA Shuai1, 2
( 1. In st itu te of Soil and Water Conservation, Chin ese Academy of Sciences an d Min ist ry of Water Resources, Yangl ing, S haanxi
Province 712100, China; 2. Graduate Sch ool , Chin es e Acad emy of Sciences, Beijin g 100049, China)
Abstract:Retur ning the slope farmland to g rassland is the best approach to improve so il quality and soil fer
t ility through its inf luence on the accumulat ion and f ix at ion of so il organic carbon. We analyzed the content
of soil labile org anic carbon ( LOC) f rom so il depth 0 to 100 cm of dif ferent g rassland communit ies in Yun
wu M ountain using potassium permanganate ox idation method. T he r esults show that so il LOC content of
dif ferent vegetat ion communit ies w as signif icant ly higher than that o f slop farm land ( P< 0. 01) w hich fo l
low ed the order of Stipa bungeana Trin. community> St ip a gr andis P. Sm ir n. community> A rtemisia
gmel ini i Web. ex Stechm. community> T hymus mongol icus Ronn. community> returned grassland> slop
farm land; there w as a signif icant dif ference among dif ferent g rassland communit ies. Furthermore, soil
LOC content increased larg ely in the initial recover y stage ( slope farmlandreturned grasslandT . mongoli
cus community) w hile it reached to the max imum for S. bungeana community . Dynam ics o f soil LOC den
sity w as similar to LOC content among dif ferent vegetat ion communities and show ed a decr easing t rend a
long w ith the increase of soil depth. T he linearly significant posit iv e correlat ion ( r= 0. 9742) w as found be
tw een soil LOC content and soil to tal org anic carbon. Soil LOC content could be a bet ter par ameter to re
f lect the status o f soil or ganic carbon pool dur ing early grassland recovery stag e than soil to tal o rganic car
bon content.
Key words: Yunwu M ountain; Grassland vegetat ion; So il labile organic carbon; Soil labile org anic carbon
density ; Dist ribut ion characterist ic
收稿日期: 20080928; 修回日期: 20090310
基金项目: 十一五国家科技支撑计划重大项目课题( 2006BCA01A07) ; 十一五国家科技支撑计划重点项目( 2006BAD0908)
作者简介:华娟( 1984 ) ,女,陕西渭南人,硕士研究生, 研究方向为植被恢复的土壤环境效应, Em ail: huajuan06@ mails. gucas. ac. cn ;
* 通讯作者 Author for correspondence, Email: sw zhao@ ms. isw c. ac. cn
草 地 学 报 第 17卷
土壤活性有机碳是在一定时空条件下受植物、
微生物影响强烈、具有一定溶解性 , 且在土壤中移
动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化 , 其形态和
空间位置对植物、微生物有较高活性的那部分土壤
碳素[ 1] 。Bieder beck 等人[ 2] 通过动力学研究指出,
土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化、分解的
部分。因此,大部分研究[ 3~ 6] 将 0. 333 mol L - 1高
锰酸钾氧化法所测定的有机碳, 即易氧化有机碳作
为活性有机碳。
土壤活性有机碳对外界扰动具有较强的敏感
性,国内外关于土地利用变化对土壤活性有机碳影
响的研究表明, 这一活性指标对衡量土壤有机质的
敏感性优于其它农业变量, 能够指示土壤有机质的
早期变化,常作为指示土壤对土地利用方式转变及
气候变化响应的有效指标[ 4, 7] , 但这些研究主要集
中在森林和农田土壤 [ 8~ 12]。黄土高原 83. 38%的耕
地面积为坡耕地 [ 13]。由于坡耕地比重大,导致该地
区水土流失严重, 生态环境恶化。退耕还草能够有
效提高土壤碳氮含量 [ 14] , 是恢复土壤肥力、改善土
壤质量、实现该区植被恢复重建的根本保证。黄土
高原西部退耕还草工程的实施, 必将对土壤有机碳
的积累和碳循环产生重要影响, 而目前关于草地植
被恢复条件下土壤活性有机碳含量的变化规律及其
分布特征的研究较少。本研究以位于黄土高原半干
旱草原植被带的云雾山草原自然保护区为研究对
象,通过对不同群落土壤活性有机碳变化及分布特
征的研究,探讨黄土高原草地植被演替过程活性有
机碳的变化规律,为评价退耕还草环境效应及研究
该生态系统碳循环机制提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 研究区域概况
云雾山草原自然保护区(宁夏固原)位于黄土高
原西部的半干旱区黄土丘陵,地理位置为 10624E
~ 10628E, 3613N ~ 3619N, 海拔为 1800 ~
2148 m, 面积 7000 hm2 , 是我国西北黄土高原以长
芒草( St ip a bungeana T rin. )为优势种的保留较好
的典型草原地段。该区年均气温 4~ 6 , 0 的
积温 2370~ 2880 , 月均温以 7 月最高, 为 24 , 1
月最低,为- 14 ; 年日照时数为 2500 h, 辐射总量
125 kCal cm- 2 ; 年均降水量 400~ 450 mm, 蒸发量
1500~ 1700 mm ,无霜期 112~ 137 d。地带性土壤
为山地灰褐土和淡黑垆土。该自然保护区经过 25 a
封育,生态系统恢复已进入良性循环,草地植被覆盖
度平均达 95%以上,产草量不断增加, 植物种类增
加到 182种,脊椎动物和昆虫共计 200余种[ 15]。
退耕封育初期赖草 ( L eymus secal inus ( Geor
gi) Tzvel. )为优势种,随着时间推移,多数伴生种群
如猪毛蒿( A r temisia scopar ia Waldst . et Kitag. )、
长芒草等开始出现,随着长芒草的竞争力不断提高,
使铁杆蒿 ( A rtemisia gmel ini i Web. ex Stechm. )、
百里香( T hymus mongolicus Ronn. )等由优势种降
为伴生种。形成了坡耕地- 退耕草地到百里香群
落、铁杆蒿群落、长芒草群落和大针茅( S tipa gran
dis P. Smirn. )群落的草地植被演替序列[ 16, 17] 。
1. 2 样地设置及样品采集
2007年 10月在宁夏固原云雾山草原自然保护
区内,选取植被恢复过程的不同群落进行植被调查,
包括群落植物种类组成、年限等;同时调查样地的立
地条件,即海拔、坡度和坡向等[ 18] 。
分别采集坡耕地, 退耕草地(退耕 7a)、百里香
群落、铁杆蒿群落、长芒草群落和大针茅群落土样:
在进行植被调查的基础上, 选取各草地群落 200 m
200 m 的典型样地, 在各样地中按梅花形方法选
定 2 m 2 m 样方 5个, 在每个样方内分别用土钻
取 0~ 5 cm、5~ 10 cm、10~ 20 cm、20~ 40 cm、40~
70 cm、70~ 100 cm 土样。样品带回室内风干保存,
待测。同时挖 1 m 深剖面, 取相应土层的环刀土,
于室内测定土壤容重[ 19] 及有机碳[ 20] 。
1. 3 活性有机碳测定方法
称取约含 15 mg 碳的土壤样品于 100 mL 的离
心管中;加入 25 mL 高锰酸钾, 振荡 1 h, 然后在时
速 4000 rpm 下离心 5 m in,将上清液用去离子水以
1 250稀释,用分光光度计在 565 nm 下测定稀释
样品的吸光率,由不加土壤的空白与土壤样品的吸
光率之差,计算出高锰酸钾浓度的变化,进而计算出
氧化的碳量[ 1, 4] 。
1. 4 数据处理
1. 4. 1 土壤活性有机碳含量的计算 公式为各土
层活性有机碳含量的加权平均值:
L= L1 h1 + L 2h2+ + L ih i
h1+ h2 + + hi ( 1)
式( 1)中为整个剖面土壤活性有机碳含量的加
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第 3期 华娟等:云雾山不同草地群落土壤活性有机碳分布特征
权平均值 ( g kg- 1 ) , L 1 , L 2 , L i 为各土层土壤
活性有机碳含量( g kg- 1 ) , h1 , h2 , h i 为各土层
厚度( cm )。
1. 4. 2 土壤活性有机碳密度的计算 某一土层土
壤活性有机碳密度的计算公式 [ 21] :
LOC d = n
i= 1
LOC i i h i (1 - i ) / 100 ( 2)
式( 2)中 LOCd 是土壤活性有机碳密度( kg
m
- 2
) , LOCi 是第 i 层土壤的活性有机碳含量( g
kg
- 1
) , i 是第 i 层土壤容重( g cm- 3 ) , h i 是第 i 层
土壤的厚度( cm) , i 是直径大于 2 mm 的砾石含量
(体积百分数)。
1. 4. 3 统计分析 数据应用 Excel和 SPSS 软件
进行处理,显著性检验用 LSD法进行。
2 结果与分析
2. 1 不同草地群落土壤活性有机碳含量变化
由图 1 可知, 坡耕地土壤活性有机碳含量仅
0. 308 g kg- 1 ,最低, 不同群落土壤活性有机碳含
量表现为长芒草群落> 大针茅群落> 铁杆蒿群落>
百里香群落> 退耕草地, 分别比坡耕地增加1. 189 g
kg- 1、2. 068 g kg - 1、2. 184 g kg- 1、2. 739 g
kg - 1和 2. 418 g kg- 1 ,退耕草地与其余 4 个草地
植物群落相比, 土壤活性有机碳含量均得到极显著
提高( P< 0. 01)。其次, 长芒草群落与百里香、铁杆
蒿群落土壤活性有机碳含量差异极显著 ( P <
0. 01) ,但是与大针茅群落差异仅达显著水平( P<
0. 05)。在植被演替过程中,坡耕地 退耕草地 百
里香群落这 2 个阶段土壤活性有机碳含量增加最
多,分别增加了 377. 13%和55. 24%。说明在退耕
初期活性有机碳含量增加较快, 植被恢复后期其增
加量变缓。可见,施行退耕还草及草地封育后,土壤
活性有机碳含量得到明显提高并趋于稳定。
2. 2 不同草地群落剖面土壤活性有机碳含量变化
如图 2所示,坡耕地土壤活性有机碳含量在 70
~ 100 cm 土层最低, 表层 0~ 5 cm 次之, 5~ 70 cm
土层最高,其余群落类型呈现随土层深度增加土壤
活性有机碳含量降低的趋势, 各草地群落土壤活性
有机碳含量在整个剖面均比坡耕地有极显著提高
( P< 0. 01)。其中,百里香群落在 0~ 100 cm 土层
均比退耕草地有显著提高 ( P< 0. 05) , 铁杆蒿群落
在 0~ 20 cm 土层与百里香群落相比显著增加( P<
0. 05) , 20 cm 土层以下差异不显著。长芒草群落 5
~ 10 cm 土层土壤活性有机碳含量最高, 达 6. 670
g . kg- 1 ,比铁杆蒿群落增加1. 266 g. kg - 1 ,差异达极
显著( P< 0. 01) ,其余土层差异未达到极显著水平,
但是40 cm 以下土层活性有机碳含量比铁杆蒿群落
显著提高( P< 0. 05)。大针茅群落活性有机碳含量
在 0~ 5 cm 和 5~ 10 cm 比长芒草群落显著降低( P
< 0. 05) ,其余土层差异不显著。
图 1 不同草地群落土壤活性有机碳含量变化
F ig . 1 So il labile o rg anic ca rbon cont ent o f
differ ent g rassland communit ies
注:图中大写字母不同表示不同草地群落活性有机碳含量差异
极显著( P< 0. 01) ,小写字母不同表示不同草地群落活性有机碳含
量差异显著( P< 0. 05) ,下同
Note: Bars with dif f erent capital let ters or small let ters are ex
t rem esignif icant dif feren t at th e 0. 001 level or signif icant ly dif f erent
at the 0. 05 level, respect ively, the same as below
图 2 不同土层深度土壤活性有机碳含量变化
F ig . 2 So il labile org anic carbon content
in differ ent so il layer s
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草 地 学 报 第 17卷
2. 3 不同草地群落土壤活性有机碳密度变化
土壤有机碳密度指单位面积上一定深度范围的
土层中所包含的土壤有机碳数量, 通常以 1 m 深为
标准[ 22] ,本研究以不同土层土壤活性有机碳含量结
合表 1数据按( 2)式对 1 m 深土层的活性有机碳密
度进行计算,图 3显示了土壤活性有机碳密度各草
地群落均比坡耕地具有较大提高,不同草地群落随
着植被演替,土壤活性有机碳密度逐渐增加, 其中长
芒草群落最高, 达到 3. 29 kg . m- 2。显著性检验表
明 4个演替群落土壤活性有机碳密度与退耕草地差
异极显著( P< 0. 01) , 各演替群落土壤活性有机碳
密度分别比退耕草地提高了 45. 10%、63. 14%、
89. 13%和 61. 42%。演替群落之间,百里香群落与
铁杆蒿、大针茅群落差异显著( P< 0. 05) , 长芒草与
百里香群落差异极显著( P< 0. 01) , 与大针茅和铁
杆蒿群落差异显著( P< 0. 05)说明土壤活性有机碳
密度的增加在植被恢复初期较明显, 植被恢复后期
土壤活性有机碳密度增加缓慢, 并在长芒草阶段达
到最大值。
表 1 不同草地群落土壤容重 ( g cm- 3 )
Table 1 Soil bulk density o f different gr assland communities, g cm- 3
样地
Sampl ing plot
土层 Soil layer
0~ 5 cm 5~ 10 cm 10~ 20 cm 20~ 40 cm 40~ 70 cm 70~ 100 cm
坡耕地
Slope farmland
1. 19 1. 13 1. 14 1. 23 1. 31 1. 25
退耕草地
Returned grassland
0. 97 0. 97 1. 08 1. 15 1. 10 1. 20
百里香
T. mongol icu s
0. 92 0. 88 0. 91 1. 08 1. 08 1. 13
铁杆蒿
A. gmel ini t
1. 02 0. 92 1. 07 1. 09 1. 18 1. 21
长芒草
S. bungeana
0. 85 1. 02 1. 00 1. 13 1. 08 1. 15
大针茅
S. g rand is
0. 82 0. 84 0. 97 1. 05 1. 13 1. 08
图 3 不同草地群落土壤活性有机碳密度变化
Fig. 3 Density o f soil labile or ganic carbon stor age
o f differ ent g r assland communities
2. 4 不同草地群落活性有机碳含量与总有机
碳含量的相关性
相关性分析表明(图 4) ,土壤活性有机碳含量
与总有机碳含量呈现极显著的线性正相关关系, 其
决定系数达到 0. 9491,相关系数 r= 0. 9742, 说明活
性有机碳在很大程度上依赖于土壤总有机碳的贮
量,亦表明土壤活性有机碳可以作为研究土壤碳素
动态的一个敏感性指标。Blair 等[ 23] 认为土壤碳库
容量的变化主要发生在活性碳库中; 许明祥等 [ 24]通
过主成分分析和判别分析发现活性有机碳是土壤环
境质量评价和管理的最敏感指标之一, 与本研究结
果类似。
由表 2可知,不同草地群落总有机碳含量与活
性有机碳含量变化趋势相似,但与土壤活性有机碳
含量的增加量相比, 在坡耕地 退耕草地 百里香
群落 2个阶段土壤总有机碳含量只增加了353. 08%
和 13. 60% ,土壤活性有机碳含量比总有机碳含量
增加量更多,表明活性有机碳比总有机碳更能反映
草地植被恢复初期土壤碳库的变化。
3 讨论
活性有机碳是土壤中有效性较高、易被土壤微
318
第 3期 华娟等:云雾山不同草地群落土壤活性有机碳分布特征
图 4 土壤活性有机碳含量与总有机碳含量的相关性
F ig . 4 Co rr elation betw een soil labile o rg anic
carbon and to tal o rg anic carbon
注:样本数 n= 36
Note: Sam ple num ber= 36
生物分解利用、对植物养分供应具有最直接作用的
那部分有机质,其含量高低明显影响植物对土壤养
分的吸收利用[ 25] ,同时也是微生物和动物活动的一
个重要能量来源, 其含量高低亦能反映土壤微生物
和动物的相对含量 [ 26]。本研究发现随着草地群落
的恢复与演替,土壤活性有机碳含量在退耕初期增
加较多,退耕后期增加量变缓,可能由于活性有机碳
主要反映有机碳库的早期变化, 因此演替后期活性
有机碳含量增加较少。土壤活性有机碳含量在长芒
草群落达到最高, 到大针茅群落土壤活性有机碳含
量略有下降,通过对其土壤含水量、土壤总有机碳、
全量及速效氮磷钾含量变化的研究发现均呈相似规
律[ 1 6, 27] ,原因可能是大针茅群落是在干旱环境下出
现的群落, 其凋落物积累量比长芒草群落少[ 28] ,导
致其活性有机碳含量出现略下降的趋势。
表 2 不同草地群落土壤有机碳含量
Table 2 So il org anic carbon content in differ ent g rassland communit ies
样地
Sampl ing plot
坡耕地
S lope land
退耕草地
Returned g ras sland
百里香
T . mong ol i cus
铁杆蒿
A . gme linii
长芒草
S . bung eana
大针茅
S. g rand is
土壤有机碳 ( g. kg- 1 )
S oil organic carbon
2. 54 11. 51 14. 28 15. 84 17. 55 17. 15
剖面土壤活性有机碳含量随着土层深度的增加
而减小。原因可能是草地比耕地、林地更易促使土
壤微生物增长 [ 29] , 由于草本植物细根系发达, 密集
于表层,根系分泌物和衰亡的根是微生物丰富的能
源物质[ 30] ,长芒草群落约有 68%的根系生物量分布
于0~ 20 cm 土层,大约是 20~ 40 cm 土层根系生物
量的 4倍[ 31] ,另外, 植物凋落物衰亡后也主要分布
于表层。因此, 表层土壤微生物活动强烈,有机质易
被分解,活性有机碳含量增加, 而底层受生物影响
小,活性有机碳含量较少。
土壤活性有机碳对土壤碳变化较总有机碳敏感
得多,与土壤性质的关系也比总有机碳更密切 [ 23]。
Haynes等[ 32] 提出土壤活性有机碳可以表征土壤物
质循环特征,作为土壤潜在生产力和土壤管理措施
变化引起土壤有机质变化的早期指标, 与本研究结
果一致。
很多学者 [ 1, 4, 23, 33] 针对全土的土壤活性有机碳
分布进行了研究,由于土壤中总活性有机碳包括游
离于土壤团聚体之间的活性有机碳和团聚体内部的
活性有机碳[ 34] ,而团聚体内部的有机碳受团聚体物
理保护而隔离了微生物活动, 稳定性得到提高 [ 35] ,
因此,团聚体内部的活性有机碳稳定性相应得到提
高,可能对土壤碳汇功能产生重要影响。关于草地
植被恢复过程中土壤有机碳稳定性机制的研究, 应
进一步研究团聚体中的活性有机碳含量分布,才能
深入探讨土壤活性有机碳的稳定性变化机制,为研
究土壤固碳机制提供理论依据。
4 结论
4. 1 不同草地群落土壤活性有机碳含量和活性有
机碳密度均比坡耕地有极显著提高, 表现为长芒草
群落> 大针茅群落> 铁杆蒿群落> 百里香群落> 退
耕草地> 坡耕地, 且在恢复初期活性有机碳含量增
加较快,后期增加缓慢,并趋于相对稳定。
4. 2 不同土层土壤活性有机碳含量除坡耕地外均
呈现随着土层加深而减小的趋势。各草地群落土壤
活性有机碳含量在整个剖面均比坡耕地有极显著提
高,百里香在整个剖面比退耕草地显著增加,铁杆蒿
群落在 0~ 20 cm 土层与百里香群落相比增加, 差异
显著,长芒草群落除 0~ 5 cm 土层与铁杆蒿群落差
异极显著,其余土层之间均未达到极显著水平。大
针茅群落在 0~ 10 cm 土层比长芒草群落显著降低,
其余土层差异不显著。
4. 3 相关性分析表明土壤活性有机碳含量与总有
机碳含量呈极显著线性正相关关系, 相关系数达到
319
草 地 学 报 第 17卷
0. 9742,土壤活性有机碳可以作为研究草地植被恢
复过程中土壤有机碳动态的一个敏感性指标, 并且
活性有机碳比总有机碳更能反映草地植被恢复初期
土壤有机碳库的变化。
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(责任编辑 李 扬)
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