《Journal of Environmental Management》：The effects of grazing exclusion on soil organic carbon sequestration in Chinese grasslands: nonlinear responses, threshold effects, and driving mechanisms
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•分段回归识别了禁牧环境因素的阈值。•禁牧后SOC积累速率先升高后降低，在第16年达到峰值。•SOC对禁牧的非线性响应取决于草原类型。•禁牧后，特定地点的土壤性质主导了SOC的变化。•所识别的阈值为指导修复和优化禁牧增汇提供参考。引言土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最主要
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分段回归识别了禁牧环境因素的阈值。
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禁牧后SOC积累速率先升高后降低，在第16年达到峰值。
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SOC对禁牧的非线性响应取决于草原类型。
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禁牧后，特定地点的土壤性质主导了SOC的变化。
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所识别的阈值为指导修复和优化禁牧增汇提供参考。
引言
土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最主要的碳库之一，在调节大气CO2浓度、全球气候变化及多种生态系统功能方面发挥着关键作用（Chapin等，2009；Lal，2004；Zhou，2022）。草原生态系统覆盖全球陆地表层土壤的约40%（Suttie等，2005；Wang和Fang，2009），储存了约25.6%的全球陆地碳储量——仅次于森林（Schuman等，2002）。因此，草原土壤在陆地碳循环和减缓气候变暖中发挥着至关重要的作用（Sun等，2021；Jiang等，2020；Bai和Cotrufo，2022）。近几十年来，由于过度放牧和气候变化的共同影响，全球约70%的草原经历了不同程度的退化（Harris，2010；Liu等，2018）。草原退化显著降低了SOC含量，削弱了草原的碳汇潜力和生态系统服务功能。禁牧是退化草原恢复的主要策略（Qiu等，2013）。其做法是通过修建围栏封闭草原，禁止割草和放牧活动，依靠群落自身的韧性和稳定性促进退化草原的自然恢复（Reynolds等，2005；Du等，2020）。
中国草原的SOC储量约占全球陆地SOC储量的9%–16%，具有巨大的碳汇潜力（Bai和Cotrufo，2022；Fan等，2008）。然而，中国约90%的天然草原已发生退化（Zhou等，2019）。过去20年间，中国政府实施了"退牧还草"工程，通过围栏和禁牧政策来恢复退化草原（Dong等，2020；Sun等，2020）。大量研究致力于探讨围栏和禁牧对草原SOC含量的影响。然而，各研究的实验结果存在显著差异（Yong-Zhong等，2005；Li等，2019；Yuan等，2023）。Yuan等（2023）的研究表明，围栏显著增加了中国黄土高原的SOC含量。相反，Cui等（2005）发现，即使经过20年的禁牧，内蒙古草原的SOC含量仍无明显变化。部分研究，如Shi等（2013）的研究发现，经过8年的禁牧后，地下生物量和SOC库反而均有所下降。这些相互矛盾的结果主要受围栏持续时间（Pei等，2008；Han等，2017）、草原类型（Liu等，2022；Zhang等，2025）、海拔（Huang等，2020）以及气候因子（MAT和MAP）（Xia等，2009；Wiesmeier等，2019；Cao等，2024a；Cao等，2024b）等因素的影响。
尽管已有一些元分析探讨了这些变量的影响，但其结论仍不一致。确定禁牧的最佳持续时间尤为关键，但目前尚未达成共识。一些研究表明禁牧效益在6–10年后达到峰值，因此建议在时终止禁牧（Xiong等，2016），而另一些研究则认为短期4–8年的禁牧已足够（Sun等，2020）。相反，长期观测表明地上生物量和SOC可能需要约15年才能达到稳定状态（Hu等，2016）。这些跨时间尺度的差异表明，SOC对禁牧的响应可能遵循复杂的非线性轨迹而非线性模式，Zhang等（2025）的研究支持了这一观点，他们发现禁牧持续时间对土壤碳分布具有明显的阈值效应。这一发现进一步促使人们推测，其他影响SOC的关键因子也可能通过非线性阈值机制发挥作用。一些研究认为年降水量（MAP）是禁牧条件下控制SOC变化的关键因素——通过直接调节土壤水分条件从而影响植被生产力和微生物分解速率（Deng等，2017；Hu等，2016），而另一些研究则强调气候变量是土壤碳分布的主要驱动因素（Peng等，2023）。现有分析大多局限于线性关系。因此，关键阈值是否存在、以及它们如何共同调节禁牧的碳汇潜力，仍缺乏充分的定量分析。此外，土地利用变化的研究表明，SOC的响应强烈受到初始SOC水平的影响：高初始SOC的土壤更接近碳饱和，响应较弱；而低碳土壤则表现出更大的固碳潜力（West和Six，2007；Stewart等，2007）。同样，在禁牧条件下，初始SOC可能通过影响微生物活性、团聚体稳定性和碳饱和机制来调节SOC响应的幅度和轨迹（Wiesmeier等，2019）。因此，准确判断围封过程中关键因子是否存在阈值效应，已成为理解其非线性响应机制和推进草原修复精准管理的核心科学环节。
为了系统探究SOC对禁牧的非线性响应及其内在机制，本研究对全国禁牧草原的现有研究进行了元分析定量综合。研究特别关注禁牧持续时间、初始SOC、海拔、年平均气温（MAT）和年平均降水量（MAP）等因素，旨在为准确评估和预测禁牧对中国草原SOC含量的影响提供科学依据。据此，本研究重点阐明SOC对这些关键因子的非线性响应模式，并提出以下核心假设：禁牧后，草原SOC对禁牧持续时间、初始SOC、海拔、MAT和MAP表现出非线性响应和阈值效应，且这些响应进一步受到草原类型的调节。
章节片段
数据收集
为研究禁牧对草原SOC的影响，本研究通过从Web of Science和中国知网（CNKI）数据库中检索2000至2024年间发表的相关文献来构建数据库。使用的检索词如下："grassland"或"steppe"与"plant"或"soil"或"stoichiometry"与"enclosure"或"enclosure"或"fence"或"fencing"与"China"或"Chinese"。符合以下标准的研究被纳入
禁牧对草原SOC含量的总体效应及其主要变异来源
总体而言，与正常放牧草原相比，禁牧使SOC含量显著增加了25.03%（95%置信区间：19.3%至31.03%，n = 519）（图2；表S1）。在典型草原中实施禁牧时，SOC含量相比正常放牧增加了61.12%。在荒漠草原中，禁牧使SOC含量相比正常放牧增加了31.65%，而在草甸草原中，禁牧下SOC含量无明显变化
SOC含量对禁牧的响应
本元分析结果表明，禁牧总体上显著增加了SOC含量（图2），这与之前关于禁牧效应的元分析结果一致（Peng等，2023；Xiang等，2020；Xiong等，2016；Hu等，2016）。与早期研究相比，本研究大幅扩展了SOC相关的样本量。具体而言，Peng等（2023）、Xiang等（2020）和Xiong等（2016）分别纳入了322、101和63个样本，
结论
总体而言，尽管包括草原类型、禁牧持续时间、海拔、土壤背景性质和气候条件在内的多种因素导致禁牧后土壤碳响应幅度和途径存在显著差异，但该管理措施总体上促进了草原生态系统的土壤碳固存。此外，草原类型、初始SOC含量、气候因子（MAT和MAP）、海拔和禁牧持续时间是SOC的关键调控因子
CRediT作者贡献声明
王新水：撰写——原稿，可视化，方法学，正式分析，数据管理，概念构思。唐庄生：撰写——审稿与编辑，监督指导。何智斌：验证，监督指导。杨永生：验证，监督指导。李前：资源，调查研究。Muhammad Usman Ghani：撰写——审稿与编辑。陈龙飞：撰写——审稿与编辑，监督指导，调查研究，经费获取。
基金资助
本工作受国家自然科学基金委员会（项目编号：32471973和41701296）以及甘肃省科技计划项目（项目编号：24ZD13FA004）资助。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：32471973和41701296）以及甘肃省科技计划项目（项目编号：24ZD13FA004）对本项目的资助。
王新水|唐庄生|何智斌|杨永生|李前|Muhammad Usman Ghani|陈龙飞
