放牧对两种草原生态系统表层与深层土壤碳氮储量的驱动机制研究

放牧作为草原生态系统的主要干扰因素，如何影响土壤碳氮储量及其微生物调控机制尚不明确。本研究通过分析内蒙古半干旱草原0-100 cm土层的SOC（土壤有机碳）、TN（总氮）储量、酶活性及微生物特征，发现放牧显著降低草甸草原0-30 cm土层碳氮储量，但增加70-100 cm深层储量；典型草原中β-葡萄糖苷酶（BG）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）是表层碳氮储量的关键预测因子。研究为草原碳汇管理提供了深层土壤过程的科学依据。

　　

草原生态系统作为全球陆地碳库的重要组成部分，其土壤碳氮动态直接影响气候调节功能。然而，放牧活动通过牲畜采食、践踏和排泄物输入等复杂过程，对土壤养分产生"双刃剑"效应——既可能促进碳氮沉积，也可能加速其流失。更关键的是，传统研究多聚焦表层土壤（0-30 cm），而占草原碳库40%的深层土壤（30-100 cm）的响应机制长期处于"黑箱"状态。这种认知空白严重制约了我们对草原碳汇功能的准确评估。

针对这一科学难题，中国科学院相关团队在内蒙古草甸草原和典型草原设置了围封与放牧对比试验，系统分析了0-100 cm六个土层的碳氮储量、水解酶活性及微生物特征。研究采用等效土壤质量法计算SOC和TN储量，通过微孔板荧光法测定β-1,4-葡萄糖苷酶（BG，参与纤维素分解）、β-1,4-N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG，几丁质降解）、亮氨酸氨基肽酶（LAP，蛋白质分解）和碱性磷酸酶（ALP，磷活化）活性，并结合16S rDNA和ITS高通量测序解析微生物群落。

研究结果揭示：

1. 碳氮储量的垂直异质性
   在草甸草原，放牧使0-30 cm土层SOC和TN储量降低21-54%，但70-100 cm深层储量显著增加；典型草原则呈现表层（0-30 cm）和深层（70-100 cm）储量同步上升。随机森林模型表明，这种差异与BG和LAP活性的空间分异密切相关。

2. 微生物的深度适应策略
   放牧使草甸草原0-10 cm土层细菌丰度增加47%，而典型草原30-70 cm土层细菌降低60-64%。值得注意的是，放牧显著提升两种草原深层土壤（>70 cm）真菌优势度，其中子囊菌门（Ascomycota）与SOC储量呈显著负相关，暗示深层碳积累可能依赖真菌的惰性代谢产物。

3. 酶驱动的养分限制转换
   通过向量分析（Vector length/Angle）发现，放牧加剧了深层土壤的碳限制（向量长度增加），而围封条件下微生物更受氮限制（向量角度<45°）。典型草原中，LAP与表层SOC的强相关性（R=0.82）印证了蛋白质分解酶对碳氮耦合的关键调控作用。

4. 草原类型的调控差异
   草甸草原表层（0-10 cm）的SOC储量（27.8 g kg^-1）显著高于典型草原（12.7 g kg^-1），这与前者更高的植被生物量（5149 g m^-2）和稳定的土壤团聚体结构直接相关。随机森林模型进一步验证，草甸草原中微生物Chao1指数对碳储量的解释度达87.6%，显著高于典型草原（80.7%）。

这项发表于《Ecological Indicators》的研究首次揭示了放牧对草原土壤碳氮储量的"表层损耗-深层富集"效应，阐明了微生物功能群与水解酶活性的深度分异规律。研究结果挑战了传统"放牧导致土壤碳流失"的线性认知，提出适度放牧可能通过促进真菌介导的深层碳封存来维持草原碳汇功能。该成果为制定基于土壤垂直过程的放牧管理策略提供了理论支撑，对实现"双碳"目标下的草原可持续利用具有重要指导价值。