全 文 ：第２０卷 第２期
Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．２
草 地 学 报
ＡＣＴＡ ＡＧＲＥＳＴＩＡ ＳＩＮＩＣＡ
２０１２年 ３月
Ｍａｒ． ２０１２
不同干扰对黄土高原典型草原土壤有机碳的影响
陈芙蓉１，２，程积民１＊，刘 伟１，２，李 媛３，陈 奥３，赵新宇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；３．西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 ７１２１００）
摘要：以黄土高原典型草原为对象，研究了封育＋施肥、封育＋火烧、封育和放牧４种干扰类型对土壤有机碳含量
和有机碳密度的影响。结果表明：黄土高原典型草原不同干扰类型下土壤有机碳含量和有机碳密度都随土层深度
的增加而减少，且干扰类型不同其减少程度不同；不同干扰类型对土壤有机碳含量影响不同。封育＋施肥地在０～
５０ｃｍ各土层有机碳含量均显著高于其他３个干扰类型，变化范围为２４．０８～３４．９９ｇ·ｋｇ－１；其次为封育＋火烧地，变
化范围为１９．５９～３２．０５ｇ·ｋｇ－１；在０～４０ｃｍ各土层，放牧地有机碳含量均最低，为１９．０７～２５．３７ｇ·ｋｇ－１。不同干
扰类型对有机碳密度的影响与对有机碳含量的影响基本相似。不同干扰对土壤有机碳的影响主要表现在０～２０
ｃｍ土壤表层；在０～５０ｃｍ土层，４种干扰类型土壤有机碳密度大小依次为：封育＋施肥＞封育＋火烧＞封育＞放
牧，分别为１４．５１，１３．８６，１２．２７和１１．８５ｋｇ·ｍ－２。综上所述，人为干扰对典型草原土壤有机碳含量和有机碳密
度具有明显影响；放牧导致土壤碳密度显著下降，而施肥和封育可以提高土壤碳密度。
关键词：黄土高原；典型草原；干扰类型；土壤有机碳含量；有机碳密度；
中图分类号：Ｓ８１２；Ｓ１５３．６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－０４３５（２０１２）０２－０２９８－０８
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｏｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｏｉｌ Ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｔｈｅ
Ｔｙｐｉｃａｌ Ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｏｆ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ
ＣＨＥＮ Ｆｕ－ｒｏｎｇ１，２，ＣＨＥＮＧ Ｊｉ－ｍｉｎ１＊，ＬＩＵ Ｗｅｉ １，２，ＬＩ Ｙｕａｎ３，ＣＨＥＮ Ａｏ３，ＺＨＡＯ Ｘｉｎ－ｙｕ１，２
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ＆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，
Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｏｌｅｇｅ ｏｆ Ａｎｉｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ＆Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ７１２１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｂｕｒｎ－
ｉｎｇ，ｆｅｎｃｉｎｇ ａｎｄ ｇｒａｚｉｎｇ）ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｔｈａｔ ｏｒ－
ｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｄ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｍａｄｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｏｒ－
ｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ０～５０ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ（ｆｒｏｍ
２４．０８ｔｏ ３４．９９ｇ·ｋｇ－１），ｆｏｌｏｗｅｄ ｂｙ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｂｕｒｎｉｎｇ ｇｒａｓｓｌａｎｄ（１９．５９～３２．０５ｇ·ｋｇ－１）．Ｉｎ ｔｈｅ ０～４０
ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ，ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｚｉｎｇ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ（ｆｒｏｍ １９．０７ｔｏ ２５．３７
ｇ·ｋｇ－１）．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｅｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒ－
ｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｅ ０～５０ｃｍ ｌａｙｅｒ，ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｄ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｇｏｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ
（１４．５１ｋｇ·ｍ－２），ｆｏｌｏｗｅｄ ｂｙ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｂｕｒｎｉｎｇ ｇｒａｓｓｌａｎｄ（１３．８６ｋｇ·ｍ－２），ｆｅｎｃｉｎｇ ｇｒａｓｓｌａｎｄ（１２．２７
ｋｇ·ｍ－２）ａｎｄ ｇｒａｚｉｎｇ ｇｒａｓｓｌａｎｄ（１１．８５ｋｇ·ｍ－２）．Ｔｈｅｓｅ ｆｉｎｄｉｎｇｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｈｕｍａｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｌｄ
ｃａｕｓｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄｓ．Ｇｒａｚｉｎｇ ｃｏｕｌｄ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｈｉｌｅ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｎｃｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌｏｅｓｓ ｐｌａｔｅａｕ；Ｔｙｐｉｃａｌ ｇｒａｓｓｌａｎｄ；Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｔｙｐｅ；Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ；Ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒ－
ｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ
收稿日期：２０１１－１０－０９；修回日期：２０１１－１２－２０
基金项目：中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”（ＸＤＡ０５０５０２０２）；国家重点实验室基金项目（１０５０２－
Ｚ８）；林业公益性行业科研专项（２００９０４０５６）资助
作者简介：陈芙蓉（１９８６－），女，山西大同人，硕士研究生，主要从事恢复生态学研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｆｒｍａｘ＠１６３．ｃｏｍ；＊通信作者 Ａｕｔｈｏｒ ｆｏｒ
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｙｚｃｊｍ＠ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ
第２期 陈芙蓉等：不同干扰对黄土高原典型草原土壤有机碳的影响
土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，其储存
的有机碳占整个陆地生态系统碳库的２／３，约为植
物碳库的３倍或大气碳库的２倍，是全球碳循环非
常重要的组成部分［１］。中国草地面积约为３３１×
１０６ ｈｍ２，是我国陆地最大的生态系统之一［２］，总碳
库１．１５Ｐｇ Ｃ，其中土壤碳库占了９２％。我国草地
土壤碳库在全球碳循环中占有非常重要的地位。黄
土高原半干旱区典型草原面积为１．５×１０５ ｈｍ２［３］，
其潜在的固碳潜力不容忽视。然而近年来随着该区
人口的增加及经济的发展，典型草原受到强烈的人
为干扰，这些人为干扰势必影响到典型草原碳库功
能的发挥［４］。
土壤有机碳是土壤质量与土壤持续能力的重要
表征。不同的人为干扰对土壤有机碳会产生不同的
效果，不合理的人为干扰会破坏草原生态系统的碳
平衡，使草地生态系统中储存的碳大量释放［５］；
Ｌａｌ［６］指出合理的人为干扰不仅可以增加地上生物
量，增加土壤有机碳的输送来源，同时降低土壤有机
碳矿化分解的速率，也可以改善土壤的理化性质，使
土壤质量得到恢复。施肥、火烧、封育和放牧是人类
在草原管理实践中施加于草原的主要干扰类型，对
草原土壤有机碳储量会产生重要的影响。
目前，国内外很多研究多着眼于干扰对草地土
壤有机碳的影响，定位试验表明长期施用有机和无
机配合肥能显著提高土壤活性有机碳的含量，增大
草地生态系统碳蓄积量［７］。Ｆｒａｎｋ等［８］通过在美国
北部半干旱草地试验发现放牧管理活动对草地土壤
的扰动与天然草地相比明显加强了土壤的呼吸作
用；何念鹏等［９］认为长期封育（或禁牧）是内蒙古典
型草地实现固碳效应最经济、最有效的途径之一。
许中旗等［１０］认为放牧导致典型草原土壤碳密度和
总碳贮量明显下降。国外在２０世纪初就有学者进
行火烧对草地影响的研究，而我国关于火烧对草地
影响的研究较少，对火烧草地的认识还存在着争议。
多数研究表明火烧后草地土壤表层有机质含量会下
降，草地烧荒也会导致碳储量的大量流失［１１，１２］。
黄土高原作为全球最大的干旱半干旱区域之
一，目前对黄土高原典型草原这一特殊的植被类型
的研究甚少，对该区草原不同干扰类型对土壤有机
碳影响的综合研究更少。所以，本文以黄土高原典
型草原云雾山自然保护区为对象，研究不同干扰类
型（封育＋施肥、封育＋火烧、封育和放牧）对黄土高
原典型草原土壤有机碳的影响，为典型草原的合理
利用及其在全球气候变化中的贡献提供科学依据。
１ 材料与方法
１．１ 研究区自然概况
研究区位于宁夏回族自治区固原市云雾山草原
自然保护区境内，地理位置为Ｅ １０６°２４′～１０６°２８′，
Ｎ ３６°１３′～３６°１９′，面积６７００ｈｍ２，海拔１８００～２１００
ｍ，年平均气温５℃，最热月为７月，气温在２２～
２５℃，最冷月为１月，平均最低气温－１４℃，≥１０℃
积温２１００～３２００℃·ａ－１。年降水量４００～４５０
ｍｍ，主要集中在７－９月，蒸发量１３３０～１６４０ｍｍ，
属典型的半干旱草原气候。土壤类型主要为黑垆土
和黄绵土。植被类型主要是温带典型草原，其建群
种和优势种为本氏针茅（Ｓｔｉｐａ ｂｕｎｇｅａｎａ）、大针茅
（Ｓ．ｇｒａｎｄｉｓ）、百里香（Ｔｈｙｍｕｓ ｍｏｎｇｏｌｉｃｕｓ）和铁杆
蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａ ｓａｃｒｏｒｕｍ）群落，伴生种以茭蒿（Ａ．
ｇｉｒａｌｄｉｉ）、扁穗冰草（Ａｇｒｏｐｙｒｏｎ ｃｒｉｓｔａｔｕｍ）、星毛
委陵菜（Ｃｏｍａｒｕｍ ａｃａｕｌｉｓ）群落为主，其中丛生禾本
科植物本氏针茅在该区分布范围最广［１３］。
１．２ 采样方法
试验共设置４个群落特征相近、地形一致，并具
有相同水热条件的阳坡样地，按不同干扰类型设置
４个处理。①封育＋施肥地（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｃｎ，
ＥＦ）：２０１０年７月中旬在封禁２０年的样地进行施肥
处理，施氮磷钾复合肥（Ｎ－Ｐ－Ｋ）（其中总氮（Ｎ）含量
２０．２％，有效磷（Ｐ２Ｏ５）含量９．５％，钾（Ｋ２Ｏ）含量
１０．５％），施肥量６００ｋｇ·ｈｍ－２；②封育＋火烧地
（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－ｂｕｒｎｉｎｇ，ＥＢ）：同样在封禁２０年的草地
设置样地，２０１１年４月初由于人为原因，草地遭火
烧，火烧比例＜３０％，属于轻度火烧；③封育地（ｅｎ－
ｃｌｏｓｕｒｅ，Ｅ）：封禁年限为２０年；④放牧地（ｇｒａｚｉｎｇ，
Ｇ）：根据草地产草量４５００ｋｇ·ｈｍ－２·ａ－１，每只羊
每天需要３ｋｇ草，设置载畜率水平２．０７羊单
位·ｈｍ－２·半年－１，属中度放牧，放牧绵羊数为４
只。放牧试验于２０１０年５月初开始，１０月末结束，
采取轮牧方式，放牧期３个月，即每隔１个月进行１
次放牧，每次１０ｄ，每天从早上６点将家畜赶入放牧
区让其自由采食，到下午６点赶回畜圈休息。
采样时间为２０１１年５月初，考虑到地形因素的
影响，在每个样地选取坡底、坡中和坡上３个坡位，
每个坡位随机法选择３个样方作为重复，用直径５
ｃｍ的土钻取样，取样深度为５０ｃｍ，每１０ｃｍ一层
共分５层（０～１０，１０～２０，２０～３０，３０～４０，４０～５０
９９２
草 地 学 报 第２０卷
ｃｍ）进行取样，对相同土层的３次重复土样进行混
匀装袋，带回实验室处理。在每个坡位挖一个５０
ｃｍ×５０ｃｍ×５０ｃｍ的土壤剖面，５０ｃｍ深度上每隔
１０ｃｍ分５层采用环刀法来取土用于测定土壤容
重，每层２个重复。
１．３ 样品分析方法
取回的土样置于室内风干，去除细根及杂质，过
０．２５ｍｍ土壤筛，采用浓硫酸－重铬酸钾外加热法测
定土壤有机碳（ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ，ＳＯＣ）；土壤含
水量和土壤容重都采用烘干法，在（１０５±２）℃条件
下烘干至恒重。
１．４ 土壤有机碳密度计算方法
土壤有机碳密度（ｓｏｉｌ ｃｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ，
ＳＯＣＤ）通常是指单位面积一定深度土体中土壤有
机碳质量，单位为ｋｇ Ｃ·ｍ－２。其计算公式为：
ＳＯＣｄｅｎｓｉｔｙ＝Ｃｉ·θｉ·Ｄｉ·（１－δｉ）／１００
式中：ｉ为土层，Ｃｉ为第ｉ层土壤有机碳的平均
含量（ｇ·ｋｇ－１），θｉ 为第ｉ层土壤容重（ｇ·ｃｍ－３），
Ｄｉ为第ｉ层土壤厚度（ｃｍ），δｉ为第ｉ层中直径大于
２ｍｍ的石砾所占的体积百分比（％）。鉴于黄土高
原典型草原的土壤特性，几乎没有粒径大于２ｍｍ
的砾石，δ值可以忽略不计。
如果某一土壤剖面由ｍ层组成，那么该剖面的
有机碳密度（ＳＯＣＤ，ｋｇ·ｍ－２）为［１４］：
ＳＯＣＤ＝∑
ｍ
ｉ＝１
ＳＯＣｉ＝∑
ｍ
ｉ＝１
Ｃｉ·θｉ·Ｄｉ／１００
１．５ 统计分析
采用ＳＡＳ Ｖ８统计分析软件对土壤分析结果进
行预分析，由Ｓｈａｐｉｒｏ－Ｗｉｌｋ检验发现数据符合正态
分布，采用ＡＮＯＶＡ分析方法检验在Ｐ＝０．０５显著
水平上各处理间差异，如差异显著，采用 Ｄｕａｎｃａｎ
法在Ｐ＝０．０５显著水平上进行多重比较。
２ 结果与分析
２．１ 土壤有机碳含量（ＳＯＣ）
２．１．１ 不同干扰类型土壤有机碳剖面垂直分布特
征 土壤有机碳含量是指单位质量土壤中有机碳的
含量，代表土壤中有机碳的比例，用ｇ·ｋｇ－１表示，
草地上不同的干扰会影响土壤有机碳的输入和输
出，而输入和输出又决定了土壤有机碳含量的变
化［１５］。由图１可知，在土壤有机碳含量的垂直分布
中，黄土高原典型草原各种干扰类型下土壤有机碳
含量总体上呈自上向下逐渐降低的趋势，但不同干
扰类型土壤有机碳含量随土壤深度的增加而减少的
程度不同，即减小的规律不同。
图１ 黄土高原典型草原不同干扰类型各土层土壤有机碳含量
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＳＯＣ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒｓ
注：不同大小写字母分别表示不同干扰类型同一土层和同一干扰类型不同土层间在０．０５水平下差异显著
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｍａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒｓ ａｔ ｔｈｅ ０．０５ｌｅｖｅｌ；
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｐｔｉａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｙｐｅｓ ａｔ ｔｈｅ ０．０５ｌｅｖｅｌ
如表１所示，封育＋施肥地、封育＋火烧地和封
育地土壤有机碳含量与土层深度之间的关系呈直线
函数关系，且极显著负相关（Ｐ＜０．０１），说明随土壤
深度的增加有机碳含量呈直线下降的趋势，由斜率
００３
第２期 陈芙蓉等：不同干扰对黄土高原典型草原土壤有机碳的影响
的大小得出土壤有机碳含量在０～５０ｃｍ土层中的
递减速率依次为封育＋火烧＞封育＞封育＋施肥
地，其分别减少了４０．６２％，３８．８８％和２９．３６％。放
牧地有机碳含量与土层深度间可用二次幂函数很好
的拟合，相关性达到了极显著。这说明在浅层土壤，
有机碳含量下降的速率较快，在０～３０ｃｍ土层减少
了２２．３１％，而随着土层深度的增加，下降速率逐渐
减慢（仅减少了３．２５％）。
表１ 土壤有机碳与土层深度的关系
Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ
干扰类型
Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｙｐｅ
ＳＯＣ含量与土壤深度的关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＳＯＣ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ
ＳＯＣＤ与土壤深度的关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＳＯＣＤ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ
封育＋施肥Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
ｙ＝－０．２７５２ｘ＋３６．７２４
Ｒ２＝０．９４４３＊
ｙ＝－０．０２３７ｘ＋３．６１４４
Ｒ２＝０．９６０１＊＊
封育＋火烧Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ－Ｂｕｒｎｉｎｇ
ｙ＝－０．３１３３ｘ＋３４．６１４
Ｒ２＝０．９８５９＊＊
ｙ＝－０．０２５ｘ＋３．５２１８
Ｒ２＝０．９８１８＊＊
封育Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ
ｙ＝－０．２９１２ｘ＋３１．２３３
Ｒ２＝０．９９７３＊＊
ｙ＝－０．０１４２ｘ＋２．９２６８
Ｒ２＝０．９１０４＊
放牧 Ｇｒａｚｉｎｇ
ｙ＝０．００７１ｘ２－０．５６７１ｘ＋３０．１６５
Ｒ２＝０．９９１１＊＊
ｙ＝０．００１１ｘ２－０．０８２６４ｘ＋３．６９１２
Ｒ２＝０．９３０７＊
注：＊表示显著相关（Ｐ＜０．０５），＊＊表示极显著相关（Ｐ＜０．０１）
Ｎｏｔｅ：＊ｍｅａｎｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｔ ５％ｌｅｖｅｌ，＊＊ｍｅａｎｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏｒｒｄｌａｔｉｏｎ ａｔ １％ｌｅｖｅｌ
同一干扰类型的不同土层之间有机碳含量差异
不同（图１）。封育＋施肥地除了２０～３０，３０～４０，４０
～５０ｃｍ土层间无明显差异，其他各层间均差异显
著；封育＋火烧地除３０～４０ｃｍ 与４０～５０ｃｍ土层
间差异不明显外，其他各层间差异显著；封育地各土
层间有机碳含量均有显著性差异（Ｐ＜０．０５）。放牧
地０～１０ｃｍ与其他４层差异显著，１０～２０ｃｍ与３０
～４０ｃｍ和４０～５０ｃｍ土层间差异显著（Ｐ＜０．０５），
其他各层间没有显著性差异。总之，４种干扰类型
中，０～１０ｃｍ表层土壤有机碳含量都显著高于其他
４层（Ｐ＜０．０５）。
２．１．２ 不同干扰类型对土壤有机碳含量的影响
由图１可知，不同干扰类型土壤有机碳含量在同一
土层的分布也是有差异的，封育＋施肥地的有机碳
含量最高；在０～４０ｃｍ土层，有机碳含量为封育＋
施肥＞封育＋火烧＞封育＞放牧地，在４０～５０ｃｍ
土层，有机碳含量为封育＋施肥＞封育＋火烧＞放
牧＞封育地。在０～１０ｃｍ和１０～２０ｃｍ土层，４种
干扰类型间有机碳含量均有显著性差异（Ｐ＜
０．０５）；在２０～３０ｃｍ土层，仅封育＋施肥与封育＋
火烧地间有机碳含量差异不明显，其他干扰类型间
差异显著（Ｐ＜０．０５）；在３０～４０ｃｍ土层，除封育＋
火烧与封育地间有机碳含量差异不显著外，其他干
扰类型之间差异明显（Ｐ＜０．０５）；在４０～５０ｃｍ土
层，除封育＋火烧与放牧地间有机碳含量无显著性
差异，其他干扰类型间均差异显著（Ｐ＜０．０５）。总
之，在０～２０ｃｍ土壤表层，４种干扰类型之间有机
碳含量差异最明显（Ｐ＜０．０５）。
２．２ 土壤有机碳密度（ＳＯＣＤ）
２．２．１ 不同干扰类型土壤有机碳密度（ＳＯＣＤ）剖
面垂直分布特征 土壤有机碳密度（ＳＯＣＤ）通常是
指单位面积一定深度土体中土壤有机碳的储量，由
于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计
算，土壤碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳储
量的一个极其重要的指标［１６］。不同干扰类型土壤
有机碳密度在０～５０ｃｍ不同土层的垂直分布如图
２所示。由于不同干扰类型样地土壤容重差异较
小，土壤有机碳密度在土体中的变化趋势与有机碳
含量的变化趋势相似，不同干扰类型土壤有机碳密
度在土壤剖面中的垂直分布表现出相同的规律，即
土壤有机碳密度随土层深度的增加而逐渐减小。在
４种干扰类型中，０～２０ｃｍ 表层土壤碳储量
（ｋｇ·ｍ－２）占到０～５０ｃｍ土层总碳储量的４５％以
上，而０～３０ｃｍ土层的碳储量则占到总量的６５％
以上，３０～５０ｃｍ土层碳储量占总碳储量的比例不
足３５％。
但对于不同干扰类型有机碳密度随土层深度增
加而减少的趋势不同（表１）。封育＋施肥、封育＋
火烧和封育地土壤有机碳密度与土层深度成显著的
负线性相关，所以根据斜率大小，可以说明土壤有机
碳密度在土层中的递减速率为封育＋火烧＞封育＋
１０３
草 地 学 报 第２０卷
施肥＞封育，而放牧地土壤有机碳密度与土层深度
成二次幂函数相关，即表层土壤有机碳密度随土层
增加而减少快，越往深层越慢。因此对每种干扰类
型的不同土层进行方差分析发现：封育＋施肥地只
有０～１０ｃｍ与３０～４０和４０～５０ｃｍ土层有机碳密
度之间差异显著（Ｐ＜０．０５），其他各层之间差异不
显著；封育＋火烧地０～１０ｃｍ土层有机碳密度与其
他各层间差异显著（Ｐ＜０．０５），１０～２０ｃｍ和２０～
３０ｃｍ土层有机碳与３０～４０和４０～５０ｃｍ土层有
机碳密度差异显著（Ｐ＜０．０５），其他各层间没有显
著性差异；封育地相邻土层间有机碳密度差异不显
著，其他各层间差异显著（Ｐ＜０．０５）；放牧地则是
０～１０ｃｍ与其他各层之间有机碳达到显著性差异
（图２）。
图２ 不同干扰类型土壤有机碳密度的垂直分布
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
注：不同小写字母表示差异显著（Ｐ＜０．０５），下同
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏｗｅｒｃａｓｅ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ５％ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｂｅｌｏｗ
２．２．２ 不同干扰类型对土壤有机碳密度的影响
为了对不同土类和地域间进行比较，一般计算０～
２０ｃｍ和０～１００ｃｍ深的土壤有机碳密度［１０］，考虑
到黄土高原典型草原植物根系主要集中分布在０～
５０ｃｍ土层［１７］，所以为了对土壤有机碳密度在不同
干扰类型间进行比较，本文研究各干扰类型土壤
０～２０ｃｍ和０～５０ｃｍ的有机碳密度。
如图３所示，在０～２０ｃｍ土层深度，不同干扰
类型的土壤有机碳密度大小依次为：封育＋施肥＞
封育＋火烧＞封育＞放牧，分别为６．５４，６．２５，
５．８８和５．３４ｋｇ·ｍ－２；封育＋施肥地土壤有机碳
密度与封育地、放牧地之间差异显著，其他干扰类型
间差异不显著。在０～５０ｃｍ土层深度，不同干扰类
型典型草原土壤有机碳密度表现出如０～２０ｃｍ土
层一样的变化规律，即封育＋施肥＞封育＋火烧＞
封育＞放牧地，分别为１４．５１，１３．８６，１２．２７和１１．８５
ｋｇ·ｍ－２；仅封育＋施肥地与放牧地之间有显著性
差异，其他几种干扰类型之间差异不显著。人为干
扰对碳密度的影响主要集中于土壤表层，对深层没
有影响或影响较小。本研究结果表明，封育＋施肥
可以提高０～２０ｃｍ和０～５０ｃｍ土层土壤有机碳密
度，而放牧使该土层有机碳密度处于较低水平。
图３ 不同干扰类型下０～２０ｃｍ和０～５０ｃｍ
土层土壤有机碳密度
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ０～２０ｃｍ
ａｎｄ ０～５０ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
３ 讨论与结论
３．１ 黄土高原土壤有机碳含量随土壤深度的变化
黄土高原典型草原土壤有机碳含量随土壤深度
的增加而减少，而且不同干扰类型土壤有机碳含量
的差异主要表现在０～２０ｃｍ土壤表层。土壤有机
碳含量的这种分布规律与地上枯落物、根系深度和
根生物量密切相关，因为土壤有机碳的主要来源是
植物根系及枯落物的分解，因此它们的变化都会影
响土壤有机碳输入的模式、速度和数量［１８］。而在黄
土高原典型草原中，枯落物在土壤表层，植物根系也
主要分布在０～２０ｃｍ土层，随着土壤深度的增加，
土壤温度、含水量和质地条件变差，根量也随之减
少，有机质来源少，因此出现了有机碳含量随土层深
度的增加而表现出逐渐降低的趋势，这与前人研究
结果一致［１９，１４，２０］。
不同干扰类型随土层深度有机碳含量降低的趋
２０３
第２期 陈芙蓉等：不同干扰对黄土高原典型草原土壤有机碳的影响
势不同，封育＋施肥地、封育＋火烧地和封育地有机
碳含量与土层深度成显著负线性相关；放牧地有机
碳含量呈二次幂函数分布，因为放牧直接导致草原
植被的破坏，使得根系生物量及枯落物的积累量明
显减少，导致０～３０ｃｍ土层有机碳减少幅度很大，
而在深层差别逐渐减小，即放牧使枯落物和植物根
系向浅层土壤转移有机碳的功能在减弱，说明放牧
干扰对土壤有机碳含量的影响主要集中在表层［２１］。
３．２ 封育对土壤有机碳的影响
封育是一种可以通过自然力的作用使退化草地
的植被与土壤得到恢复和重建的有效措施［２２］。封
育一方面有效降低了草地的人为刈割和牲畜的采
食、践踏，使植被盖度和植物多样性得到了较快的恢
复，随着大量凋落物的归还，增加了土壤的碳贮量；
另一方面，封育后植被盖度增加使土壤受到的侵蚀
减少，保护了有机碳含量较高的表层土壤，而且植被
对降尘和风吹蚀的细粒组分的截获增加［２３］，凋落物
的养分输入增加，这些都促进了土壤有机碳含量的
增加。而本研究选用的是封育２０年的草地，封禁时
间过长，草地未得到合理利用，大量枯落物积累没有
及时分解，抑制了草地幼苗的更新，出现了大量的杂
草，其物种多样性降低［２４］，优势种群根部缺少营养
物质的供给而发生退化，减少了草地根部向土壤中
碳源的输送。所以不管是有机碳含量还是有机碳密
度都少于封育＋施肥地和封育＋火烧地，但均大于
放牧地。
３．３ 施肥对土壤有机碳的影响
施肥是人类在草地管理实践活动中施加于草地
植被的主要干扰类型之一［２５］。本研究中不管是有
机碳含量还是有机碳密度（０～２０ｃｍ和０～５０ｃｍ），
封育＋施肥都高于其他３种干扰类型，这是因为施
肥（Ｎ－Ｐ－Ｋ）直接补充草地土壤养分，一方面提高了
草地生产力，使地上枯落物和植物根系增多，也增加
了输入土壤中有机物质的量，而且氮、磷、钾合理搭
配，可以提高养分利用效率，降低牧草的病虫害［２６］；
另一方面会影响土壤微生物的数量和活性，进而影
响有机质生物降解过程［２７］。特别是施氮不仅会增
加群落的生物量，而且氮也是限制土壤微生物活动
的主要因素之一［２８］，加上钾的供应也增加了单位氮
的利用效率［２９］，促进了土壤有机物质的积累。所以
与其他干扰类型相比，封育＋施肥干扰显著增加了
土壤有机碳含量。但由于本试验研究的是施肥第２
年的效应，一部分立枯物没有进入土壤，因此土壤有
机物质增加不明显，有机碳密度只显著高于放牧地。
３．４ 火烧对土壤有机碳的影响
测定火烧后土壤有机碳含量是研究土壤、判断
土壤肥力状况以及恢复情况的一项重要工作。本研
究得出在火烧后的第１个生长季中，表层土壤有机
碳含量较高，高于未火烧的样地（封育地）。在０～
１０ｃｍ浅表层土壤有机碳含量比未烧地（封育地）多
１１％，这是由于火烧主要是烧除了地表以上的枯落
物和立枯物，同时草本植物燃烧迅速，土层增温不
大，在浅表层土壤中的有机质受火烧的直接作用较
小或者那些抗分解的有机残留物积累在土壤表层，
而且不完全火烧促进了植物根部的残留枯落物的分
解，分解的有机质补充到土壤中，使得土壤有机碳含
量升高，另外也可能与火烧后土壤灰分中的交换性
阳离子增加有关［３０］。
与封育地相比，火烧后１０～２０ｃｍ 和２０～３０
ｃｍ土层有机碳含量分别显著增加了９％和１２％，这
是因为火烧后地表植被盖度减小，土壤温度升高，土
壤微生物活动加强，土壤中的根系分解加快，分解过
程中较为细小的有机质易于随水分向下层运移，到
了土层３０～５０ｃｍ处，向下移的有机质愈来愈少，有
机碳含量虽有升高，但不明显。这与戴伟［３１］研究人
工油松（Ｐｉｎｕｓ ｔａｂｕｌｉｆｏｒｍｉｓ）林、邓继武等［３２］研究
西双版纳次生林火烧前后土壤表层有机质含量大幅
度增加的结果一致。而对于０～２０ｃｍ和０～５０ｃｍ
有机碳密度，火烧地略高于封育地，但差异不显著。
国内外大量研究都表明火烧也会导致草地碳储
量大量流失，一方面火烧最直接的影响就是去除地
表的枯落物，使地上生物量及表层土壤中有机物质
通过燃烧在极短的时间内氧化分解，使土壤有机碳
的输入量几乎减少为零，减少了土壤有机碳来源；另
一方面火烧后物质燃烧所产生的ＣＯ２ 大量排向大
气，增加了大气中的ＣＯ２ 浓度［３３］。但土壤有机碳是
否损失或损失的强度与火烧强度及持续时间有关，
且土壤表层的有机碳含量与火烧频率和烧后的时间
密切相关［１２］。由于本研究涉及的火烧为轻度火烧，
持续时间短，而且所测定的土壤有机碳为火烧后１
个月的效应，因此火烧使土壤有机碳增加并不能说
明火烧增加了草地土壤碳储量。李政海等［１２］、Ｒｏｓｓ
等［３４］研究得出火烧后１～２年或连年火烧都会使土
壤有机碳含量下降。所以草原火烧后土壤有机碳增
加是短暂的。
３０３
草 地 学 报 第２０卷
３．５ 放牧对土壤有机碳的影响
放牧是人类活动作用于草原土壤的一项非常重
要的干扰因素，过度放牧是影响草地生态系统土壤
有机碳含量的一个主要因素［３５］。Ｌｉ等［３６］认为锡林
河流域过度放牧是土壤有机质损失的重要原因，０～
２０ｃｍ深的土体有机质平均损失在１２．４％左右。
关世英等［３７］研究也表明，随着放牧强度的增加，土
壤有机质呈明显的下降趋势，尤其是０～１０ｃｍ土层
有机质下降最为明显。本研究中对于０～２０ｃｍ表
层和０～５０ｃｍ土层来说，放牧地土壤碳储量比封育
＋施肥、封育＋火烧和封育地分别低１８％，１５％和
２％～５％，可见放牧对土壤碳储量的影响主要在表
层。因牲畜对草的采食量增加，使植被盖度和地上
生物量下降，枯落物减少，同时根系得不到养分供
应，地下生物量也随之下降，从而使土壤有机碳含量
减少；特别是在冬春季节，植被层低矮，盖度小，土壤
风蚀严重，加剧了土壤有机质的损失。Ｄｅｒｎｅｒ
等［３８］、Ｚｈａｏ等［３９］的研究也都表明，放牧减少了碳素
向土壤的输入，从而减少了土壤有机碳含量。本研
究表明，在０～１０ｃｍ土层，封育地土壤有机碳含量
虽显著高于放牧地，但由于牲畜踩踏作用使草地土
壤紧实度增加，容重变大，使放牧地有机碳密度略高
于封育地，所以在０～２０ｃｍ土层两者间土壤碳贮
量没有差异。
４ 结论
黄土高原典型草原不同干扰类型下土壤有机碳
含量和密度都随土层深度的增加而减少，类型不同
其减少程度不同。封育＋施肥、封育和封育＋火烧
草地土壤有机碳与土层深度成显著负线性相关，且
斜率依次减小；放牧草地有机碳与土层深度间的关
系呈二次幂函数分布；不同干扰对土壤有机碳的影
响主要在０～２０ｃｍ土壤表层。
不同干扰类型对土壤有机碳含量影响不同。在
０～５０ｃｍ各土层封育＋施肥地有机碳含量均显著
高于其他３种干扰类型；在０～４０ｃｍ土层，放牧地
有机碳含量最低；在４０～５０ｃｍ土层，封育地有机碳
含量最低。
不同干扰类型对土壤有机碳密度的影响与对有
机碳含量的影响基本相似。在０～２０ｃｍ土层和０
～５０ｃｍ土层，４种干扰类型土壤有机碳密度大小依
次为：封育＋施肥＞封育＋火烧＞封育＞放牧地。
放牧导致土壤碳密度明显下降，而施肥和封育则可
以提高土壤碳密度，火烧后土壤有机碳增加是短暂
性的。因此，从提高碳储量的角度来看，应该严格禁
止典型草原的过度放牧行为，鼓励实行适当的草原
管理措施（施肥、封育等）。
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（责任编辑 李美娟
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（责任编辑 刘云霞）
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