欧亚温带草甸草原中颗粒态与矿物结合态有机碳库对放牧的差异性响应及其机制

本研究针对放牧如何影响土壤不同功能碳组分这一关键科学问题，通过设置不同放牧强度试验，结合密度与粒径分组技术，揭示了颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)对放牧的差异化响应规律及其驱动机制，为草地生态系统碳循环管理和全球气候变化预测提供了重要理论依据。

　　

草地生态系统作为全球重要的碳汇，储存着约34%的土壤有机碳(SOC)，每年可固定约0.5 Pg的碳。放牧作为草地最主要的管理方式，通过采食、践踏和排泄等行为显著影响土壤碳循环过程。然而，以往研究关于放牧对土壤碳库的影响存在显著分歧，既有正效应、负效应也有中性效应的报道。这种不一致性很大程度上源于传统研究多关注土壤总有机碳的变化，而忽视了不同功能碳组分对放牧响应的差异性。事实上，土壤有机碳由不同周转速率和稳定机制的组分构成，其中颗粒有机碳(POC)主要来自半分解的植物结构物质，周转较快；而矿物结合有机碳(MAOC)主要来源于微生物代谢产物和残体，周转较慢。理解这些功能不同的碳组分如何响应放牧干扰，对于准确预测草地碳循环动态和制定科学管理策略至关重要。

针对这一科学问题，兰州大学郭浩楠等人于2022年8月在内蒙古呼伦贝尔草原生态系统观测研究站开展了系统的野外实验研究，相关成果发表在《Geoderma》上。研究人员选择了四个放牧强度处理：无放牧(G0.00)、轻度放牧(G0.23)、中度放牧(G0.46)和重度放牧(G0.92 AU ha^?1)，采用密度和粒径分级方法将土壤碳库分为三个功能组分：游离颗粒有机碳(fPOC)、闭蓄颗粒有机碳(oPOC)和矿物结合有机碳(MAOC)，并同步测定了植物特性、土壤性质、微生物特征等多维度指标。

研究采用的关键技术方法包括：1) 野外控制试验设计（不同放牧强度处理）；2) 土壤碳组分的物理分级技术（密度与粒径结合法）；3) 土壤微生物生物量碳氮的氯仿熏蒸提取法测定；4) 土壤酶活性测定（β-葡萄糖苷酶(BG)和多酚氧化酶(PPO)）；5) 结构方程模型(SEM)分析多种驱动因素的直接和间接效应。

3.1. Effects of grazing intensity on soil carbon pool

研究发现放牧强度对碳组分含量和储量产生了差异性影响，而总有机碳保持稳定。轻度和中度放牧使fPOC和oPOC储量分别增加了12.6-48.1%和19.6-52.6%，而所有放牧强度均降低了MAOC储量(7.3-14.0%)。POC与MAOC的比值在中度放牧时达到最高，表明放牧增强了土壤碳库的活性。

3.2. Effects of grazing intensity on plant, soil and microbial characteristics

放牧显著降低了地上生物量(AGB)但增加了地下生物量(BGB)，轻度和中度放牧使BGB增加了21.8-70.5%。放牧还改变了植物功能群组成，禾本科和豆科生物量减少而杂类草增加。土壤方面，放牧增加了土壤容重(BD)和砂粒含量，降低了粘粉粒含量和土壤含水量(SWC)。微生物特性方面，放牧降低了微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)，以及β-葡萄糖苷酶(BG)和多酚氧化酶(PPO)活性。

3.3. Factors affecting soil organic carbon fractions

相对重要性分析和结构方程模型表明，POC储量主要受植物和微生物特性驱动，与BGB呈正相关，与酶活性呈负相关；而MAOC储量主要受土壤和微生物特性影响，与PPO活性和MBC呈正相关，与碳氮比(C:N)呈负相关。放牧通过增加BGB间接促进POC积累，通过恶化土壤环境和降低养分有效性抑制微生物活动，从而减少MAOC形成。

研究结论表明，放牧通过改变植物地上-地下生物量分配策略和微生物酶活性共同驱动土壤碳动态。轻度到中度放牧通过促进根系碳输入和抑制微生物分解过程增加了活性碳组分(POC)的积累，但通过恶化土壤微环境和降低养分有效性减少了稳定碳组分(MAOC)的形成。这种差异性响应表明POC库比MAOC库对放牧干扰更为敏感。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了温带草甸草原不同功能碳组分对放牧的差异化响应机制，强调了在评估放牧对土壤碳循环影响时，需要区分不同碳组分的响应，而不是仅仅关注总有机碳变化。研究结果对于制定科学的草地放牧管理策略、维持草地生态系统碳汇功能和应对全球气候变化具有重要的理论和实践价值。未来研究需要进一步探讨深层次土壤碳组分对放牧的响应，以及在不同气候区和草地类型中的普适性。