不同草地类型土壤有机碳储量的围封管理响应与驱动机制研究

这篇研究通过整合植物群落、土壤性质和微生物生物量的多维度分析，揭示了围封管理下三种典型草地（温带荒漠、草原、山地草甸）土壤有机碳(SOC)储存的差异化调控机制。运用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)量化了生态系统特异性驱动路径：荒漠通过非生物改良(path=0.82)提升SOC，草甸因微生物生物量崩溃(path=0.90)导致SOC下降，草原呈现土壤-微生物协同调控(path=0.65/0.31)。研究创新性提出类型优化方案：荒漠系统需<10年围封配合防风植被，草原需10-15年轮牧，草甸需>15年围封加微生物强化，为干旱区气候智慧型碳治理提供了机制框架。

　　

不同草地类型对围封管理的响应与驱动机制

引言
新疆维吾尔自治区拥有3.96×10⁷
hm²
天然草地，占全区面积的23.78%。作为畜牧业发展基础，其垂直植被分布形成了荒漠、草原和草甸等多样生态系统。过度放牧导致草地退化，而围封作为简单有效的恢复策略被广泛应用。然而，围封对土壤有机碳(SOC)储存的影响存在争议：部分研究显示SOC显著增加，另一些则观察到下降趋势。这种分歧可能与草地类型、气候、围封时长等因素有关。本研究聚焦天山北坡三种典型草地（温带荒漠、温带草原、山地草甸），通过9年围封试验，探究植物群落特征、土壤理化性质、微生物生物量对SOC储存的调控机制。

材料与方法
研究区域涵盖新疆温泉县、阜康市和奇台县，分别代表温带荒漠（优势种梭梭、沙蒿）、温带草原（针茅、羊茅）和山地草甸（天山羽衣草）。设置围封样地（自2012年围封）和自由放牧对照样地，采用1 m×1 m样方调查植被特征，分层采集0-5 cm和5-10 cm土壤样品。测定指标包括：

• 植物多样性：丰富度指数、Shannon-Wiener指数等
• 土壤性质：pH、容重(BD)、有机碳(SOC)、全氮(TN)、硝态氮(NO₃
  ^-
  -N)等
• 微生物生物量：微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)
• SOC储量计算：SOCS = SOC_i
  × BD_i
  × H_i
  × (1-G_i
  )

数据分析采用SPSS 25.0进行方差分析和Pearson相关，R 4.2.1构建PLS-PM路径模型。

结果
植物群落多样性响应
围封诱导了 divergent 恢复轨迹：山地草甸的丰富度指数和Shannon-Wiener指数显著增加21.6%和8.2%，而温带荒漠和草原分别下降30.4%/42.4%和40.3%/32.6%。荒漠植被甚至出现退化，表明围封在水分受限环境中可能适得其反。

土壤理化性质变化
山地草甸0-5 cm层SOC和TN含量显著下降，5-10 cm层则增加；温带荒漠硝态氮(NO₃
^-
-N)含量下降57.2%，但有效磷(AP)增加69.9%-110.6%。所有草地类型的土壤容重均降低，反映围封有效缓解了牲畜践踏导致的土壤板结。

微生物生物量动态
温带草原表层MBC增加11.5%，而山地草甸下降38.2%；荒漠和草甸的MBP分别锐减72.9%和38.5%。微生物响应呈现明显的垂直分层：荒漠5-10 cm层微生物活性增强，可能与梭梭深根系策略相关。

SOC储存调控机制
PLS-PM揭示三类草地的差异化路径：

• 温带荒漠：SOCS直接受土壤养分驱动（路径系数0.96），86.6%变异由植物多样性和土壤养分解释
• 温带草原：土壤养分（0.86）和微生物（0.53）共同调控，解释66.9%变异
• 山地草甸：微生物主导（0.88），79.1%变异源于微生物与植物数量特征

讨论
研究发现围封效果存在生态系统特异性阈值：

1. 时间阈值：荒漠系统<10年围封即可通过非生物改良提升SOC，而草甸需要>15年重建微生物群落
2. 调控层级：从荒漠的"土壤主导"到草甸的"微生物主导"，草原处于过渡态
3. 植被-土壤解耦：植物响应快于土壤变化，尤其在草甸系统中微生物生物量崩溃预示SOC储存脆弱性

结论
研究提出精准草地工程框架：

• 荒漠：短期围封（5-10年）+防风植被
• 草原：中期围封（10-15年）+轮牧
• 草甸：长期围封（>15年）+微生物强化

该机制框架将围封管理从"一刀切"转变为基于主导SOC途径（非生物/微生物/分阶段）的适应性策略，推动干旱区气候智慧型碳治理。研究首次系统量化了不同草地类型SOC储存的层级驱动机制，为《巴黎协定》陆地碳汇目标提供了科学依据。