**蒙古高原典型草原定居放牧(SG)与四季游牧(FSNG)下土壤有机碳空间格局及驱动因子差异**

《Frontiers in Environmental Science》：Spatial distribution of soil organic carbon in contrasting management of grasslands in typical steppes of the Mongolian plateau

　　

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）是草地生态系统中土壤质量和碳储存的关键指标，然而其在对比性放牧制度下的空间变异仍缺乏充分认识。本研究以横跨中蒙边境的乌珠穆沁–温都尔汗样带典型草原为研究对象，比较了定居放牧（sedentary grazing, SG）和四季游牧（four-season nomadic grazing, FSNG）两种制度下SOC的分布特征及其主要关联因素。研究人员采用野外调查、室内分析、主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘路径模型（partial least squares path modeling, PLS-PM），评估了放牧制度、植被特征、土壤性质与SOC之间的关系。结果表明，两种放牧制度下SOC均随土壤深度增加而降低，但FSNG与SG的空间格局存在差异。与SG相比，FSNG具有较高的土壤全氮（total nitrogen, TN）和全磷（total phosphorus, TP）含量，以及较低的容重（bulk density, BD）和土壤含水量（soil water content, SWC）。PCA表明，FSNG与养分和植被因子关系更为密切，而SG与土壤物理条件的关联更强。PLS-PM进一步显示，土壤TN是两种放牧制度下与SOC关联最强的直接因子。在FSNG制度下，地上生物量（aboveground biomass, AGB）和pH通过土壤TN与SOC呈正相关，表明SOC变异与植被输入和养分有效性之间存在更紧密的联系；在SG制度下，BD通过土壤TN与SOC呈负相关，表明其与土壤物理限制和氮素有效性的关联更为密切。上述发现表明，对比性放牧制度与不同的SOC空间格局以及植被、养分和土壤物理因子相对重要性的差异相关联。这些认识加深了研究人员对不同放牧制度下SOC变异的理解，并为干旱区草地的可持续放牧管理和土壤碳保护提供了科学依据。

**蒙古高原典型草原不同放牧制度下土壤有机碳空间分布研究解读**

**一、研究背景与意义**

草地覆盖全球约40%的陆地表面，储存了约34%的陆地碳，其中近90%以土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）的形式存留。SOC不仅是最大的陆地有机碳库，也是土壤肥力和生态系统健康的关键指标。SOC的碳储量约为大气和陆地植被碳储量总和的三倍，即使相对较小的SOC变化也可能对大气CO₂浓度和全球碳循环产生实质性影响。因此，理解SOC的空间分布对于评估土壤质量、生态系统功能和土壤固碳潜力至关重要。

蒙古高原横跨蒙古国和中国内蒙古自治区，拥有广阔的干旱和半干旱草地，是欧亚大陆生态最为脆弱的草原区域之一。典型草原在该区域广泛分布，构成中国北方重要的生态屏障，同时对气候变异和人为干扰高度敏感。放牧是这些草原最广泛的土地利用方式之一，可改变植被组成、土壤表层状况以及包括风蚀控制和碳储存在内的生态系统功能。中蒙边境地区为考察对比性放牧管理下的SOC提供了独特的条件：在中国内蒙古段普遍实行定居放牧（sedentary grazing, SG），而在蒙古国段仍保留传统的四季游牧（four-season nomadic grazing, FSNG）。尽管蒙古高原典型草原具有重要的生态意义，但关于两种对比性放牧制度下SOC空间分布的比较研究仍十分有限。以往研究多集中于单一区域、特定草地类型或放牧强度梯度，对FSNG和SG制度下SOC空间格局及其关联的植被和土壤因子的差异认识不足。放牧对SOC的影响高度依赖于具体的放牧压力、持续时间、管理措施和环境条件，不同研究得出的SOC对放牧的响应也不一致，这使得SOC空间变异的主要关联因素存在较大不确定性。尤其缺乏在蒙古高原跨境典型草原上同时比较FSNG和SG制度下SOC空间变异及其与植被和土壤理化性质关系的研究。

针对上述研究空白，本研究以横跨中蒙边境的乌珠穆沁–温都尔汗样带典型草原为对象，旨在：（1）揭示两种对比性放牧制度下SOC的垂直和空间分布特征；（2）比较与FSNG和SG制度下SOC变异相关的植被特征和土壤理化性质差异；（3）利用多变量分析和路径分析识别每种放牧制度下与SOC关联的主要植被和土壤因子。基于两种制度下草场利用模式的差异，研究人员提出了概念框架并假设：FSNG制度下的SOC与植被输入和养分相关因子关联更强，而SG制度下的SOC与土壤物理条件和养分有效性的关联更强。

**二、主要技术方法概述**

本研究采用跨境样带调查设计，于2016年和2017年植物生长旺季，在蒙古国苏赫巴托省和肯特省（2016年）以及中国内蒙古锡林郭勒盟东、西乌珠穆沁旗（2017年）共设置50个采样点（FSNG和SG各25个）。所有样点均位于蒙古高原典型草原–栗钙土带内，选取植被类型、土壤类型、海拔和微地形条件相似的相对平坦区域，避免道路、定居点、牲畜圈舍和水源点等强局部干扰。样点间距约200米，采样前使用GPS记录坐标和海拔。每个样点设置1 m × 1 m植被样方测定地上生物量（aboveground biomass, AGB），并于同一样方按0–5 cm、5–10 cm和10–20 cm三层采集土壤样品。SOC采用重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮（total nitrogen, TN）采用凯氏定氮法，全磷（total phosphorus, TP）采用H₂SO₄-HClO₄消解–钼锑抗比色法，容重（bulk density, BD）采用环刀法，土壤含水量（soil water content, SWC）采用105°C烘干法，pH采用PHS-3G型数字pH计测定。数据分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较放牧制度间各指标的差异显著性；采用普通克里金（ordinary Kriging）插值描述SOC的空间分布趋势；采用主成分分析（PCA）对土壤–植被因子进行排序降维；采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示各因子影响SOC的直接和间接路径。此外，研究人员于2016年7月在蒙古国对13户牧民进行访谈，于2021年7月在中国内蒙古对25户牧民进行入户调查，获取放牧制度、牲畜组成、草场利用等基础信息。同时收集了蒙古国苏赫巴托省和肯特省以及中国内蒙古乌珠穆沁旗各苏木的历年牲畜数量和土地面积统计数据（1986–2022年）。

**三、主要研究结果**

**（1）不同放牧制度下土壤有机碳的分布特征**

在垂直分布方面，两种放牧制度下SOC含量均随土壤深度增加而降低，最高值出现在0–5 cm层。FSNG制度下SOC垂直变化更为明显，5–10 cm和10–20 cm层SOC平均含量较0–5 cm层分别下降27.98%和47.30%，而SG制度下分别下降5.33%和24.51%。在0–5 cm层，SOC含量为FSNG（均值16.83 g kg^-1）> SG（均值15.38 g kg^-1）；在5–10 cm和10–20 cm层，SOC含量均表现为SG > FSNG。整体而言，0–20 cm全剖面SOC含量SG（13.29 g kg^-1）高于FSNG（11.68 g kg^-1）。

在空间分布方面，克里金插值图显示研究区SOC含量范围在6.06–24.89 g kg^-1之间，整体呈现从东南向西北先增后减的趋势，中蒙边境附近SOC值相对较高。SG区域内SOC值普遍高于FSNG区域，且FSNG区域呈现高低值交替的条带状分布，SG区域则表现为东南低、西北高的格局。半方差分析显示研究样带上SOC仅具有较弱空间依赖性，独立验证表明克里金插值的预测精度有限（R² = 0.0169），因此插值图主要作为大尺度空间变异趋势的描述性展示。

**（2）不同放牧制度对土壤理化性质和地上生物量的影响**

FSNG制度下土壤TN和TP含量显著高于SG制度（P < 0.05），而SG制度下土壤BD和SWC显著高于FSNG制度（P < 0.05）。SG的BD约为1.40 g cm^-3，高于FSNG的约1.30 g cm^-3；SG的SWC约为9.8%，显著高于FSNG的约3.8%，且SG制度下SWC的变异范围更大。两种放牧制度间土壤pH和AGB无显著差异（P > 0.05）。总体而言，放牧制度对土壤养分和物理性质的影响大于对pH和AGB的影响，FSNG与较高的TN和TP水平相关联，SG则表现为较高的BD和SWC。

**（3）不同放牧制度下土壤有机碳影响因素分析**

PCA排序结果显示，前两个主成分累计解释总方差的56.1%，FSNG和SG样点在排序空间上明显分离。FSNG样点主要沿第一主成分（PC1）正轴分布，与SOC、TN、TP和AGB关联紧密；SG样点则集中在PC1负轴和PC2正轴，主要受BD、SWC和pH调控。这表明FSNG制度以土壤养分和植被因子为主导，SG制度以土壤物理性质和水分条件为主导。

基于PCA结果，将SOC、TN、BD、SWC、pH和AGB六个核心指标纳入PLS-PM分析。模型分别解释了FSNG和SG制度下SOC变异的76.2%和94.7%。两种制度下，TN均是唯一直接且显著正向影响SOC的变量，路径系数分别为0.873和0.973（均P < 0.001）。在FSNG制度下，pH对AGB有显著正向影响，AGB对TN有显著正向影响，BD对TN有显著负向影响；效应分解显示AGB通过"AGB→TN→SOC"路径、pH通过"pH→AGB→TN→SOC"路径对SOC产生显著正向间接效应，BD通过"BD→TN→SOC"路径对SOC产生显著负向间接效应，但BD对SOC的总效应不显著；AGB和pH对SOC的总效应均显著为正。在SG制度下，BD对SWC和TN均有显著负向影响，其他结构路径均不显著；BD通过"BD→TN→SOC"路径对SOC产生显著负向间接效应，对SOC的总效应为-0.572；除TN和BD外，AGB、SWC和pH对SOC的总效应均不显著。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，SOC随土壤深度递减的主要原因是表土层为植物根系集中区和微生物活动最活跃的区域，有机质输入和分解速率较高。SG制度下SOC高于FSNG，可能与SG处于中等放牧强度范围（1.84羊单位 hm^-2）有关，中等放牧有利于土壤微生物生物量碳增加，进而促进SOC积累。在空间分布上，SG区域SOC含量较高还与补充饲喂带来的外源碳氮输入以及牲畜粪尿的"肥岛效应"有关——牲畜摄入养分的60%–70%通过粪便和尿液返还草地，但仅覆盖30%–40%的放牧区域，造成养分斑块化分布和空间异质性。

FSNG制度下较高的TN和TP以及较低的BD，表明季节性迁移分散了牲畜采食和践踏压力，有利于维持养分水平和减轻土壤压实；SG制度下较低的TN和TP以及较高的BD则表明长期持续放牧和践踏的累积效应可能削弱土壤养分维持能力并加剧土壤紧实化。SWC在SG下较高但变异范围大，可能受土壤压实、微地形和植被覆盖等多种因素综合影响。两种制度下pH无显著差异，说明pH对放牧管理的响应相对较弱，主要由长期成土因素控制。

PLS-PM揭示了不同放牧制度下SOC积累的差异调控路径：FSNG制度下SOC积累主要由植被输入驱动，AGB通过促进TN积累间接提升SOC，反映了植被凋落物归还和根系周转的持续有机碳输入过程，较低的连续放牧压力有利于维持较高的生产力和植物源碳输入；SG制度下BD是SOC积累的关键限制因子，主要通过降低TN水平间接抑制SOC形成，表明长期SG伴随的牲畜践踏和土壤紧实化可能削弱土壤氮供应能力，进而约束SOC积累。在SG制度下，AGB不是SOC调控的显著驱动因子，表明SOC形成受土壤环境条件和氮调控过程的共同影响，而非主要受植物生产力驱动。

研究结论指出，蒙古高原典型草原不同放牧制度下SOC的分布和积累存在差异。尽管两种制度下SOC均随土壤深度增加而下降，但其空间格局和主要影响因素存在明显不同。土壤养分状况和物理条件是与这些差异相关的主要因素，TN在两种制度下均表现出与SOC最强的直接关联。FSNG制度下的SOC与植被输入和养分有效性的关联更为密切，而SG制度下则与土壤物理限制和氮素有效性的关联更强。这些发现强调，放牧管理不仅可改变SOC分布，还可改变与碳积累相关的植被和土壤因子的相对重要性。因此，维持植被生产力、改善养分有效性并减少过度土壤压实，可能有助于提高蒙古高原干旱草地的SOC储存并支持可持续放牧管理。