半干旱草地土壤碳组分对放牧强度与质地的响应机制：80年长期试验揭示的碳固存调控路径

《Soil Science Society of America Journal》：Soil carbon fraction responses to grazing intensity and texture in a semiarid grassland

本研究通过长达80年的放牧控制试验，揭示半干旱混合草原中土壤质地（黏壤土 vs. 粉砂黏土）显著调控放牧强度（GI）对土壤有机碳（SOC）组分的影响。贝叶斯混合模型表明，高GI促进黏壤土表层（0–7.5 cm）颗粒有机碳（POM-C）积累，而矿物结合有机碳（MAOM-C）对GI响应不显著。POM:MAOM比值在粗质地土壤和高GI下升高，暗示POM-C易损性。研究强调土壤物理背景是评估草地碳固存策略的关键。

　　

1 引言

土壤有机碳（SOC）作为全球碳循环的核心组成部分，其动态受土地利用变化的显著影响。草地生态系统储存了约30%的陆地碳库，放牧强度（GI）通过改变植物群落组成和土壤微环境调控碳输入与转化路径。传统上，土壤有机质（SOM）被分为颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM），二者形成机制与功能迥异：POM主要由植物残体构成，周转较快（平均驻留时间<15年），而MAOM以微生物来源的简单化合物为主，通过矿物吸附实现长期稳定（驻留时间达数十年至世纪尺度）。微生物效率-基质稳定化框架指出，高质量凋落物可促进微生物同化作用，增加MAOM形成，但近期研究强调矿物学与微生物-矿物互作的主导作用。本研究依托超过80年的放牧试验，探究GI与土壤质地如何交互影响SOC组分分配，以揭示半干旱草地碳固存的潜在机制。

2 材料与方法

2.1 试验点与处理设计

试验位于美国南达科他州Cottonwood野外站（43°94′ N, 101°85′ W），属半干旱大陆性气候（年均降水407 mm）。自1942年起，6个牧场被划分为高（1.78 AUM/ha）、中（0.99 AUM/ha）、低（0.79 AUM/ha）三种GI处理，各设重复。植被以C₃冷季草（如西方麦草）为主，高GI下C₄草（如蓝格兰马草）占比上升。

2.2 土壤采样与分析

2023年秋季按坡位（肩坡、背坡、趾坡）设置样带，分层采集0–7.5 cm、7.5–15 cm、15–30 cm土壤样品。通过钠六偏磷酸盐分散-湿筛法分离POM-C（>53 μm）和MAOM-C（<53 μm），利用元素分析仪测定碳含量，并结合容重（BD）计算碳储量。

2.3 统计方法

采用贝叶斯混合效应模型（R包"brms"）分析GI、深度与质地的交互作用，以牧场为随机效应，后验对比区间不包含零视为显著。

3 结果

3.1 容重与碳储量分布

BD随深度增加（表层1.14 g/cm³，底层1.45 g/cm³），但GI间无显著差异。表层POM-C在高GI下最高（9.93 ± 0.89 Mg/ha），MAOM-C在各层均稳定（12–13 Mg/ha）。深层（15–30 cm）因采样厚度大，MAOM-C储量显著升高（22–26 Mg/ha）。

3.2 质地调控的GI效应

土壤质地分异显著：黏壤土（沙粒33%）表层POM-C在高GI下达10.71 Mg/ha，显著高于低GI（5.16 Mg/ha）；而粉砂黏土（沙粒18%）中GI效应不显著。MAOM-C在所有质地中均无GI引起的差异。POM:MAOM比值在黏壤土表层高GI下最高（0.83），低GI仅0.46。

3.3 碳组分相关性

POM-C与土壤呼吸呈正相关（r = 0.30, p < 0.01），MAOM-C则呈负相关（r = -0.23, p < 0.05）。沙粒含量与POM:MAOM比值强烈正相关（r = 0.89, p < 0.001），凸显质地对碳分配模式的控制。

4 讨论

4.1 植物群落与碳输入特性

GI驱动C₃向C₄草种转变，C₄植物凋落物具高C:N比与木质素含量，延缓分解并促进POM积累。同时，高GI下微生物生物量降低，可能削弱MAOM形成。植物功能群转换而非碳输入量变化，是GI影响碳组分的主因。

4.2 质地与GI的交互机制

粗质地土壤的低持水性与剧烈温度波动抑制微生物活动，导致POM-C滞留；细质地土壤则通过矿物表面促进MAOM稳定。POM-C与MAOM-C的弱相关性（r ≈ 0.3）说明二者受独立过程调控。碳饱和理论认为MAOM存在容量上限，但本研究中土壤远未达饱和，表明管理策略可进一步优化碳固存。

4.3 POM:MAOM比值的生态意义

高POM:MAOM比值预示碳库易损性，但POM亦为微生物活动热点，可能通过后续转化贡献长期稳定碳。黏壤土中高GI下的比值上升反映碳积累潜力，但需警惕表层碳的易分解性。

5 结论

放牧强度通过改变植物群落结构影响SOC组分，且效应受土壤质地强烈调制。粗质地土壤中高GI促进表层POM-C积累，而MAOM-C对GI不敏感。未来研究需结合凋落物化学与微生物过程解析POM向MAOM的转化路径，为草地碳管理提供理论依据。