土壤有机质(SOM)或土壤有机碳(SOC)在土壤物理、化学和生物学特性中发挥着极其重要的作用，能为作物提供所需的各种营养元素，同时在土壤结构的形成、改善土壤物理性状方面起着决定性作用。在数量上，土壤有机碳储量能超出大气与陆地植物体中碳的3倍多^[1]。随着土地利用方式的变化，预测土壤有机碳库的变化对探测C固持与释放的潜在性具有决定意义^[2]。

已有研究发现，土壤有机碳在较短时间内对农业管理措施引起的土壤质量变化反应不甚敏感^[3]，而活性有机碳对不同耕作方式和秸秆还田的响应更为迅速^[4]。所以，在土壤有机碳动态研究中，越来越多的学者关注因人为管理措施引起的土壤颗粒有机碳组分的变化^{[5, 6, 7]}。依据土壤颗粒大小分组的有机碳组分，在结构与功能上存在显著差异^[8]，主要是由于土壤矿物粒子在土壤原生结构和次生团聚体结构中形成了对土壤微生物的物理隔离作用，而致使有机质得以保护^{[9, 10]}。与此同时，颗粒分级技术也已经广泛应用于土壤有机碳储量及其稳定性对不同管理措施的响应研究中^{[11, 12, 13]}。土壤颗粒分级过程中，土壤团聚体被破坏，构成其土壤颗粒均分散为原生颗粒。这些原生土壤颗粒根据其大小分为粗砂粒、细砂粒、粉粒、粗黏粒和细黏粒^{[14, 15]}。一般认为砂粒有机碳功能上属于活性有机碳库，被称为颗粒有机碳(POC)^[16]，POC是介于新鲜动植物残体与腐殖化有机物之间的暂时或过渡的活性较高的有机碳组分，稳定性较低，周转速度较快，比土壤总有机碳(TOC)更易受人为管理措施的影响^{[17, 18]}；粉粒和黏粒具有较大的比表面积，通过配位体交换、氢键及疏水键等作用吸附有机碳，形成惰性矿物结合态有机碳(MOC)^{[19, 20]}，它的含量可以间接表征土壤有机碳的抗氧化程度和利用难易程度^[21]，是土壤固持有机碳的重要碳库^[22]，对土壤有机碳的积累和稳定性起着重要作用。因此，测定不同活性的土壤颗粒有机碳组分指标，对表征因土壤管理措施引起的有机碳质量的改变与固存、了解土壤有机碳库长时间尺度上的动态变化更具重要意义。

西藏是中国5大牧区之一，有天然草地8207万hm²，约占全国天然草地面积的21%，占西藏土地面积的68.11%。然而由于自然气候变化和长期超载放牧，西藏天然草原退化严重，部分地区甚至出现了严重的沙化现象。当地藏族牧民的主要经济来源是家畜，放牧是目前唯一的养殖方式，在当地实施禁牧育草等措施有很大难度。所以，必须利用当地的低产田或宜耕地大面积种植高产优质牧草，逐渐推广实行圈养舍饲，这些措施是保持当地经济增长和生态安全协调发展的最有效手段。适宜的牧草管理模式有利于提高牧草初级生产力，同时能够改善土壤质量。作为土壤质量的重要指标，土壤有机碳在土壤物理、化学和生物学特性中发挥着极其重要的作用。那么，牧草管理模式对土壤有机碳库的影响究竟发生在土壤碳库的哪一部分，是活性碳库还是惰性碳库，这方面的工作急需深入研究，因此本研究借助于拉萨站的牧草种植地，揭示牧草种类和耕作时间对土壤有机碳库的影响。本论文拟解决两个问题：(1)牧草种类和耕作时间对种植地土壤各层全土有机碳的影响；(2)牧草种类和耕作时间对种植地土壤各层不同组分有机碳的影响。本研究旨在为拉萨河谷地区草地生态系统碳库潜能的预测以及草地生态系统的科学管理提供一定的科学依据，为优化青藏高原牧草管理模式提供参考。

本研究在拉萨河下游河谷的中国科学院拉萨高原生态试验站开展。研究区位于西藏自治区拉萨市达孜县，地处29°41′N，91°20 ′E；地貌属于拉萨河下游宽谷地段，海拔3680—3690 m。气候属于高原温带半干旱季风气候，年降水425 mm，90%以上集中在6—9月份。年均温7.5 ℃，日温差大；太阳辐射强，日照时间长，年日照时数在3000 h以上。该地区气候资源配置的总体特征是光资源丰富，热量水平低．水资源匮乏^[23]。拉萨河谷土壤为发育在洪积扇上的灌丛草原土，土壤较为浅薄，土壤深度为40—100 cm。牧草种植地土壤属于潮土，是在草甸土发育的基础之上，经过培土和长期耕作熟化形成的土壤，由于耕作原因，草毡层已经被耕作层替代。生态试验站土壤为冲洪积物母质；土壤质地为粉砂壤土或轻度砂壤土；土层较薄，约为40—90 cm，多砂石，粘土含量为15%—20% ；有机质含量较低，一般在0.76%—1.56%^[24]。

土壤样品采集于2011年8月，取样地点分别设置在拉萨站附近的天然灌丛草原与拉萨站内的5种牧草种植地。天然灌丛草原的优势植物种类有木根香青(Anaphalis xylorrhiza Sch．)，高山嵩草(Kobresia pygmaea)，羊茅(Festuca ovina L.)，直茎蒿(Artemisia edgeworthii Balakr.)。5种牧草种类分别为：连续耕作10a的鸭茅(Dactylis glomerata L.)、耕作4a与10a的垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、耕作3a与10a的苜蓿(Medicago sativa Linn.)。牧草种植地的原生天然植被均为灌丛草原，灌丛草原在不同时期被开垦作为牧草种植地后，只种植牧草，不受放牧的干扰。在天然灌丛草原和5种牧草种植地内各选取面积150 m × 200 m，且植被盖度均匀的区域为实验样地，在各样地内分别设置3条100 m样带，在每条样带上随机设置5个样地，在每个样点用直径为6 cm土钻分别收集0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 4个土层的土壤，将同一条样带同一土层的土壤样品混合成一个土壤样品。

对于每一个土样，部分原土立即测定土壤含水量，剩余部分在室内进行风干，去除杂物，过2 mm土筛，保存用作测定土壤全土有机碳与不同组分有机碳。

土壤颗粒根据其大小分为5个粒级：粗砂粒(250—2000 μm) 、细砂粒(50—250 μm)、粉粒(2—50 μm)、粗黏粒(0.2—2 μm)、细黏粒(<0.2 μm)^{[14, 15]}。土壤颗粒分级的第一步是分散土壤团聚体，常用的方法是利用超声波在水中将团聚体打碎^[25]。具体方法如下：称取20 g风干土样置于250 mL烧杯中，加水150 mL。将烧杯放在冰浴中，用超声波发生器(KQ-500DA超声波，中国)在300 W功率下震荡8 min(960 J/mL)，使土壤颗粒完全粉碎。分散的土壤悬浊液分别过250、50 μm湿筛。利用离心机对剩余的土壤悬浊液进行颗粒分级，在土壤有机质分组过程中，对Anderson等^[26]，Tiessen 和Stewart^[27]的方法进行改进，使其能在采用倾斜转子的高速离心机(LG10-2.4A，雷勃尔，中国)上应用^[12]。离心时间主要受离心机转子的型号和离心管中悬浮液的体积决定，可根据Stokes公式计算出离心时间^{[15, 28]}。粒级250—2000 μm、50—250 μm、2—50 μm、0.2—2 μm、<0.2 μm的组分在60 ℃条件下烘干用球磨机粉碎后备用。

采用高温外热重铬酸钾氧化-容重法^[14]，分别分析土壤层0—5 cm、 5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm的土壤全土有机碳(TOC)，以及土壤各层不同粒级<0.2 μm、0.2—2 μm、2—50 μm、50—250 μm、250—2000 μm的组分有机碳(OC)。

实验结果采用SPSS软件(SPSS for Windows,Version 14.0,Chicago,USA)进行统计分析。方差分析采用单因素方差分析方法，水平间显著性用Duncan多重比较法检验，所有分析其显著性水平为P<0.05.

耕作10a的不同牧草种植地土壤各层全土有机碳(TOC)含量如图 1所示。虽然牧草类型不同，但是各土层 TOC含量的顺序一般都随着土层加深而递减。鸭茅土层0—5 cm、10—20 cm、20—30 cm的TOC含量均显著高于天然灌丛，分别升高21%、62%、62%；苜蓿土层0—5 cm、10—20 cm的TOC含量分别比天然灌丛显著升高22%、28%；而垂穗披碱草表层土壤(0—5 cm)的TOC含量比天然灌丛显著降低31%。

图 1 牧草种类对种植地土壤各层全土有机碳的影响 Fig. 1 Effect of cultivated species on soil total organic carbon (TOC) along soil depth 同一土壤层不同字母表示不同处理在5%水平上差异显著(P<0.05)

图选项

耕作10a的牧草种植地相同土层不同组分有机碳之间存在显著差异(图 2)。虽然牧草种类不同，但是各土层粒级越小的土壤颗粒，组分有机碳含量越高。不同牧草种植下，0—5 cm土层不同组分有机碳含量存在显著差异(P<0.001，图 2)。如，鸭茅种植地，粒级250—2000 μm有机碳含量著小于天然灌丛，粒级2—50 μm、< 0.2 μm有机碳含量大于天然灌丛；垂穗披碱草粒级250—2000 μm、0.2—2 μm小于天然灌丛，而粒级<0.2 μm大于天然灌丛；苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量同样小于天然灌丛，而粒级2—50 μm有机碳含量大于天然灌丛，粒级<0.2 μm有机碳含量也比天然灌丛高42%。

图 2 牧草种类对种植地土壤各层不同组分有机碳的影响 Fig. 2 Effect of cultivated species on organic carbon in fractions(OC)along soil depth 同一粒级不同字母表示不同处理在5%水平上差异显著(P<0.05)

图选项

5—10 cm土层，牧草种植地不同组分有机碳含量也不同(图 2)。鸭茅粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，粒级2—50 μm、<0.2 μm有机碳含量大于天然灌丛；垂穗披碱草粒级250—2000 μm有机碳小于天然灌丛，但是粒级<0.2 μm有机碳含量比天然灌丛高了79%；苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而粒级2—50 μm有机碳含量大于天然灌丛，粒级0.2—2 μm、<0.2 μm有机碳含量分别比天然灌丛高12%、33%。

10—20 cm土层，牧草种植地不同组分有机碳含量显著不同(P<0.001；图 2)：鸭茅粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而其它粒级有机碳含量均大于天然灌丛；垂穗披碱草粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而粒级50—250 μm、2—50 μm、<0.2 μm有机碳含量大于天然灌丛；苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而粒级50—250 μm有机碳含量大于天然灌丛，其它粒级有机碳含量与天然灌丛不存在显著差异，

20—30cm土层，牧草种植地不同组分有机碳含量如图 2所示：鸭茅粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而其他粒级有机碳含量均大于天然灌丛；垂穗披碱草粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，而粒级2—50 μm、0.2—2 μm、<0.2 μm有机碳含量大于天然灌丛；苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量小于天然灌丛，粒级0.2—2 μm有机碳含量大于天然灌丛。

垂穗披碱草土壤各层全土有机碳(TOC)含量对耕作时间的响应如图 3所示。与天然灌丛相比，耕作4a与10a的垂穗披碱草土层0—5 cm TOC含量显著下降(F_2,8=14.267，P<0.05)；而土层10—20 cm TOC含量显著升高(耕作4a升高48%，耕作10a升高20% )，且耕作10a的垂穗披碱草土层10—20 cm TOC含量显著低于耕作4a的垂穗披碱草种植地。

图 3 耕作时间对种植地土壤各层全土有机碳的影响 Fig. 3 Effect of cultivated time on soil total organic carbon (TOC) along soil depth 同一土壤层不同字母表示不同处理在5%水平上差异显著(P<0.05)

图选项

耕作时间对苜蓿土壤各层TOC含量的影响如图 3所示。与天然灌丛相比，耕作3a和10a的苜蓿土层0—5 cm TOC含量增加了10%、22%(F_2,8= 8.139,P<0.05)，而耕作时间对土层0—5 cm TOC含量的影响无差异；耕作时间对苜蓿土层10—20 cm TOC含量有显著影响(F_2,8= 26.352,P=0.001)，其大小顺序为：苜蓿(3a)>苜蓿(10a)>天然灌丛；耕作3a的苜蓿土层5—10 cm与20—30 cm TOC含量显著增加(P≤0.001)，而耕作10a的苜蓿土层5—10 cm与20—30 cm TOC含量没有明显差异。

耕作时间对垂穗披碱草土壤各层不同组分有机碳的影响各不相同(图 4)。土层0—5 cm(图 4)，随着耕作时间的增加，垂穗披碱草种植地粒级250—2000 μm 有机碳含量持续显著降低(F_2,8=77.287,P<0.001)；与天然灌丛相比，耕作使粒级50—250 μm与0.2—2 μm有机碳含量也显著降低(P≤0.001)，但时间上影响不大；耕作4a显著增加粒级2—50 μm有机碳含量，而耕作10a又无影响(F_2,8=7.364,P<0.05)；粒级<0.2 μm有机碳含量，耕作时间越长，增加作用越显著(F_2,8=5.258,P<0.05)。土层5—10 cm，耕作显著降低了垂穗披碱草粒级250—2000 μm有机碳含量，而显著升高了粒级<0.2 μm有机碳含量，相同的是，时间上变化不明显(P<0.05)；耕作对粒级50—250 μm没有影响(F_2,8=1.173,P>0.05)；粒级2—50 μm，耕作会增加其有机碳含量，但是4a的影响更为显著(+65%)(F_2,8=6.677,P<0.05)；与天然灌丛相比，耕作4a显著增加苜蓿粒级0.2—2 μm有机碳含量(+31%)，而耕作10a则显著降低(-34%)(F_2,8=15.088,P<0.05)。土层10—20 cm(图 4)，耕作显著降低了垂穗披碱草的粒级250—2000 μm有机碳含量，时间越长，影响越显著(F_2,8=26.254,P=0.001)；在粒级50—250 μm，耕作4a显著增加有机碳含量，10a后有所降低(F_2,8=9.799,P<0.05)；在粒级2—50 μm，虽然耕作4a与10a均显著增加了其中有机碳含量，但是随着耕作时间的增长，含量降低(F_2,8=132.652,P<0.001)；耕作显著增加了垂穗披碱草粒级0.2—2 μm与<0.2 μm的有机碳含量，但是时间尺度上不显著。土层20—30 cm下，耕作显著降低了垂穗披碱草的粒级250—2000 μm有机碳含量，耕作10a影响更为显著(F_2,8=149.44,P=0.001)；与天然灌丛相比，耕作4a与10a分别降低与升高了垂穗披碱草粒级50—250 μm 有机碳含量，时间尺度上变化显著(F_2,8=4.972,P=0.05)；在粒级2—50 μm、0.2—2 μm、<0.2 μm，耕作均使得其有机碳含量显著降低(P<0.05)(图 4)。

图 4 耕作时间对种植地土壤各层不同组分有机碳的影响 Fig. 4 Effect of cultivated time on organic carbon in fractions (OC) along soil depth 同一粒级不同字母表示不同处理在5%水平上差异显著(P<0.05)

图选项

苜蓿土壤各层不同组分有机碳对耕作时间的响应亦不相同(图 4)。土层0—5 cm下，耕作显著降低苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量，对耕作时间响应不显著(F_2,8=26.754,P=0.001)；耕作3a对粒级50—250 μm有机碳含量没有影响，而10a有显著地促进作用(F_2,8=9.18,P<0.05)；粒级2—50 μm，耕作显著增加了其有机碳含量，时间上变化不明显(F_2,8=6.066,P<0.05)；耕作初期(3a)，粒级0.2—2 μm 有机碳含量显著降低，而对着耕作时间的延长，10a耕作影响不显著(F_2,8=13.474,P<0.05)；相反的是，粒级<0.2 μm有机碳含量，在耕作初期显著增加，相同的是，10a耕作影响也不显著(F_2,8=18.678,P<0.05)。土层5—10 cm下，耕作使苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量显著降低，时间越长越明显(F_2,8=178.363,P<0.001)；粒级50—250 μm，耕作3a会显著增加其有机碳含量，而耕作10a没有影响(F_2,8=17.252；P<0.05)；粒级2—50 μm，耕作会显著增加有机碳含量，但时间上变化不明显(F_2,8=19.296,P<0.05)；而耕作对粒级0.2—2 μm、<0.2 μm有机碳含量没有显著影响(P>0.05)。土层10—20 cm下，耕作显著降低了苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量，时间越长，负作用越明显(F_2,8=97.847,P<0.05)；粒级50—250 μm与2—50 μm，耕作显著增加了有机碳含量，但时间上变化均不明显；粒级0.2—2 μm，耕作显著增加了有机碳含量，不同的是，时间越长，效果越显著(F_2,8=67.547,P<0.001)；粒级<0.2 μm，耕作也显著增加了有机碳含量，不同的是，耕作时间越长，促进作用减弱(F_2,8=20.685,P<0.05)。土层20—30 cm，耕作会显著降低苜蓿粒级250—2000 μm有机碳含量，影响随着时间的延长越显著(F_2,8=81.975,P<0.001)；耕作对粒级50—250 μm、2—50 μm、<0.2 μm有机碳含量有同样的影响，耕作3a有显著的增加作用，耕作10a没有影响(P<0.05)；粒级0.2—2 μm，耕作能显著增加其有机碳含量，但时间尺度上变化不显著(F_2,8=10.397,P<0.05)(图 4)。

本研究中，与天然灌丛相比，不同牧草种植地土壤土层0—5 cm全土有机碳(TOC)含量对耕作都有明显响应，主要是土壤表层有机碳含量的变化。这与植物根系分布、产生凋落物数量和质量及其与TOC含量的相关程度有关^[29]。具体来说，与天然灌丛相比，禾本科垂穗披碱草的种植显著降低了表层TOC含量，禾本科鸭茅和豆科苜蓿的种植较快地增加了TOC含量，各土层TOC含量都有所增加(图 1)，说明长期耕作对牧草苇状鸭茅与苜蓿的影响显著改善了土壤性状，种植鸭茅或苜蓿更有利于土壤有机碳库的固持。相同结果体现在华北平原农业区^[30]，与传统粮田相比，苜蓿栽培明显增加土壤有机碳含量和团聚体稳定性，主要原因可能是苜蓿栽培降低了土壤有机碳中活性有机碳组分的分解速率，从而提高了土壤TOC含量。

Hassink^[22]提出土壤中矿物颗粒对有机碳的不同吸附作用是土壤固持有机碳的重要机制之一，所以，研究不同牧草种植对土壤各层TOC含量的影响机理，必须考虑土壤颗粒组分有机碳含量对不同牧草种植的响应。长期耕作对鸭茅与苜蓿种植地土壤各层TOC含量的改善作用在土壤表层(0—5 cm)主要是粉粒与黏粒矿物结合态有机碳(MOC)含量的提高，随着土壤深度的增加，主要是细砂粒颗粒有机碳(POC)与MOC含量的增加。由于多数富含碳的有机质初始易于截获在粗砂粒中，随后在生物降解过程中向细砂粒、粉粒迁移，最终在黏粒中积累^[31]。而且，长期耕作容易破坏土壤团聚体，降低粒径较大的POC含量^[32]。闫颖等^[33]研究得出相似的结论，棕壤中绝大多数土壤TOC包含在粉粒与黏粒中，表明土壤有机质易于在小粒级中富集，土壤有机碳这一分布规律主要是由于粒径小的颗粒比表面积大，具有强大的吸附功能所致。卢英等^[34]提出，牧草及作物的植被恢复显著改善表层土壤团聚体粒组分布，是植被恢复对退化红壤肥力快速恢复的基础。耕作能够增加鸭茅与苜蓿土壤有机碳在小粒级中的含量，所以种植鸭茅与苜蓿更有利于拉萨牧草种植地土壤有机质的积累与稳定。

耕作显著降低了禾本科垂穗披碱草土层0—5 cm土壤TOC含量(图 3)。与耕作4a相比，耕作10a更不利于垂穗披碱草土壤TOC的积累，土层10—20 cm，耕作10aTOC含量比耕作4a下降了23%，这种负作用主要体现在POC与粉粒MOC含量上(图 4)。显然，短期或长期耕作制度均不利于垂穗披碱草土壤有机碳的长期累积。对豆科苜蓿各土层有机碳含量来说，耕作有效提高了其各土层TOC含量，且耕作3a比耕作10a的有效性更高：耕作3a后，苜蓿土层5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm的TOC含量均显著高于耕作10a后。这主要是耕作10a后，POC含量显著降低(图 4)。

这种趋势与国外许多研究的结果基本一致，如Blair等^[35]发现，麦凯地区已耕作90a的农田中土壤有机碳含量比邻近天然植被土壤中低，在维多利亚地区耕作15a农田中土壤有机碳含量却比天然植被土壤中高。奥地利黑钙土在少耕、免耕下会提高POC含量，而常规耕作会降低POC含量^[36]。陈伏生等^[37]提出短期耕作没有完全破坏土壤团粒结构，土壤仍具有较高的保肥能力。而长期耕作引起的土壤有机碳的损失主要是由于土壤团粒结构被破坏及土壤温度和湿度状况发生变化所引起的氧化和矿化过程^[9]。综上，耕作时间长短对牧草种植地土壤有机碳含量有较大的影响，短期耕作更有利于维持牧草种植地土壤碳库储量。

基于本研究结果：耕作禾本科鸭茅与豆科苜蓿均显著增加了土壤小粒级组分有机碳，因此我们推测短时间的鸭茅与苜蓿的间作套种可能更有利提高土壤有机碳含量。国内外诸多研究已证明禾本科-豆科间作套种的种植制度可大大提高土壤质量。李恋卿等^[38]研究发现，禾本科-豆科轮作可作为退化红壤快速植被恢复与土壤肥力恢复的有效途径。套种在南美大草原也开始应用，仅仅1a的玉米-大豆间作套种就大大提高了土壤生化性质^[39]。Diekow等^[20]也发现，玉米与燕麦或豆类作物轮作均能显著增加土壤不同大小颗粒的有机碳含量。而且，当豆科与非豆科作物整合种植，氮素利用率更高^[40]。为明确最合适的管理模式，保证草地产量满足西藏牧区现在与未来的需求趋势，及最大化草地土壤有机碳固持量，可进一步验证豆科与非豆科间作套种的种植方式是否更有助于保持土壤有机质和土壤肥力水平，以及提高固氮几率。

(1)牧草种类对拉萨牧草种植地土壤各层全土有机碳(TOC)含量有较大的影响。与天然灌丛相比，长期耕作鸭茅与苜蓿，土壤TOC含量均有显著增加；种植垂穗披碱草，土壤表层TOC含量显著下降。这主要因为耕作不同牧草使种植地土壤不同组分有机碳含量发生变化，颗粒有机碳(POC)含量降低，而矿物结合态有机碳(MOC)含量升高。

(2)POC含量降低与MOC含量升高的现象在短期耕作时更为明显，所以短期耕作更有利于牧草种植地土壤有机碳库的累积。