围封条件下荒漠草原枯落物输入对土壤碳库储量及稳定性影响

Returning cultivated land to grassland and exclosure from livestock have attracted worldwide attention, and become effective measures to enhance the carbon sink potential of grassland ecosystem. Recovering the grassland area and productivity will essentially change the quantity and quality of grassland litter, thus affecting the structure and stability of soil organic carbon. However, there is unknown about the effect of changing litter input on structure and stability of soil organic carbon under these measures. Taking five typical plant community in desert steppe under exclosure as subject, an research on the effect of changing litter input on structure and stability of soil organic carbon was carried out by field (with litter and roots addition or not) and controlling experiment. This research was to discuss the effect of litter input on soil carbon stability and mechanism in desert steppe under exclosure, and to give the basis on assessing the recovering potential of soil organic carbon and scientific management on desert steppe. In addition, this research was to give basis on the implement of national response to climate change through recovering the grassland area and improving the level of management.

"退耕还草"和"封育禁牧"作为增加草地生态系统碳汇潜力的一项有效措施已受到世界各国的广泛关注。恢复草原面积和提高草地生产力势必会改变草地枯落物的"质"和"量"，进而影响土壤有机碳的结构与稳定性。然而，退耕还草和封育禁牧所引起的枯落物的输入变化对土壤有机碳组分和稳定性影响目前尚不明确。本项目将以封育条件下荒漠草原5种典型植物群落为研究对象，以枯落物、根系的添加和去除的野外原位与室内控制实验为主要手段，通过研究地上地下枯落物输入的变化对土壤有机碳组分、化学结构和稳定性的影响，揭示封育禁牧条件下枯落物输入对我国北方荒漠草原土壤碳稳定性的影响及其机理，为系统评价我国荒漠草原土壤碳固持潜力及荒漠草原的科学管理和可持续利用提供理论依据。同时，为我国政府提出的通过恢复草地面积、提高管理经营水平，以应对气候变化的国家方案的有效实施提供决策依据。

本课题通过对草地生态系统土壤碳储量的影响因子、估算方法和过程研究等方面的进展情况进行系统分析和总结，提取和筛选研究目标的有用信息，进而采用野外原位实验和室内控制实验相结合的方法，对荒漠草原几种典型植物群落枯落物输入对土壤理化性质、分解速率及其影响因素进行了相关研究，重点对土壤粒径分布、微生物量碳、量氮、有机碳组分、酶活性等及其相互关系进行了分析，总结了土壤有机碳库稳定性，并采用核磁共振技术对碳组分进行了解析。研究发现：荒漠草原枯落物蓄积与分解能有效改善土壤中水分运移与空间分布，并为土壤输入更多的有机质和养分元素，从而改变土壤理化性质；在土壤剖面上，以40cm为有机碳分布的转折点，40cm以上，4种植物群落围封内土壤有机碳含量随着土层深度加深而有机碳含量呈显著降低趋势，以下并不显著，整体符合幂函数关系；荒漠草原枯落物分解采用单指数衰减的Olson模型拟合效果较好，枯落物分解50%所需时间为2～5a，分解95%需8～24a；几种典型植物群落土壤SOC以及土壤微生物量碳、易氧化有机碳含量均随土层深度的增加而减少，且表层（0-5cm）土壤SOC、土壤微生物量碳和易氧化有机碳显著高于下层（5-10cm和10-15cm），而可溶性有机碳含量随土层深度的增加呈先增加后减少的趋势；灌木群落土壤活性有机碳组分含量高于禾本科植物；土壤酶（蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶）整体上随土层深度的增加而降低；同一土层不同植被群落土壤酶活性未表现出一定的变化规律；土壤活性有机碳各组分除可溶性有机碳外，其余均与SOC呈显著相关性，与土壤酶活性、微生物量熵以及有机碳活度具有一定的相关关系；土壤微生物量碳与有机碳、微生物量氮、微生物量熵呈极显著或显著相关性，而土壤有机碳与微生物量熵与有机碳呈现不同程度的负相关关系；土壤碳氮比与微生物量碳氮比亦表现为显著相关性，表明土壤微生物量碳氮可以作为评价土壤质量的生物学指标，且灌从群落类型对土壤微生物量碳氮含量的变化有显著影响；不同群落类型之间土壤碳库稳定的与土壤分形结构关系复杂，除蒙古冰草群落以外，其他3种群落土壤碳库活度均与分形维数呈正相关且相关性不显著，而同一群落不同土层土壤碳库活度差异明显。这些研究成果为“退耕还草”、“封栏封育”等国家重大生态工程的实施提供了一定的理论支持和科学依据。