土壤有机碳库是陆地生态系统最大的碳库，约为大气碳库的2倍，陆地植被碳库的2~4倍，土壤贡献于大气CO₂的年通量是燃烧化石燃料的10倍^[1]，土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）的微小变化将会极大缓和或加速大气CO₂浓度的提高，进而改变全球碳循环^[2]。土壤有机碳也是土壤质量的核心，很大程度上影响着土壤结构的形成和稳定，起着缓解和调节与土壤退化有关的一系列过程，是土壤质量评价和土地可持续利用的重要指标^[3-4]。

人类活动对草原生态系统的影响日益严重，不同利用方式是导致草原土壤有机碳变化的主要途径^[5]。开垦和放牧是人类对草原的主要利用方式，而围封是当前我国退化草地恢复其质量和生态功能所采用的最广泛、且易操作的措施之一。但因草地类型、管理方式以及研究方法的不同，目前不同利用方式对土壤有机碳的研究结果还不尽一致。李春莉等^[6]和阿穆拉等^[7]对荒漠草原土壤有机碳的研究表明，与围封区相比，放牧降低了土壤有机碳含量。而刘楠等^[8]研究发现，内蒙古锡林河流域羊草典型草原有机碳含量放牧区高于围封未放牧地。耿元波等^[4]研究发现，贝加尔针茅草原开垦后，1 m土层内的土壤有机碳含量明显下降。围封可使草地生态系统碳储量显著增加^[9]，但是碳蓄积效率会随着时间的进程逐渐下降，最终达到一个相对平衡状态^[10]。

长期以来，人们在土壤有机碳数量方面做了大量的工作，充分认识土壤有机碳的转化循环必须从土壤有机碳结构研究入手，对土壤有机碳进行结构表征对于研究土壤有机碳的变化至关重要^[11]。核磁共振技术（NMR）作为一种非破坏性的分析方法，在研究土壤有机碳库的化学结构上优势明显^[12]。李国栋等^[13]在土壤有机质转化的研究中，采用13C NMR技术，分析有机碳库的组成特征及其稳定性。郭素春等^[14]也利用固态13C NMR技术分析了土壤和团聚体中有机质的分子结构特征。但是，对小针茅荒漠草原土壤有机碳化学结构的研究还未见报道。

小针茅荒漠草原是内蒙古草原的重要组成部分，占内蒙古温性荒漠草地面积的 73.28%。与其他类型的草原相比，荒漠草原的自然环境更加恶劣，生态系统更加脆弱，对人为干扰也更为敏感。由于不合理的人为利用，草原退化严重。因此，本研究借助核磁共振技术判别土壤有机碳化学结构特点，分析土壤有机碳积累与有机碳化学结构特征之间的关系，对于科学地利用和保护草原资源具有重要的理论和实际意义。

试验地位于内蒙古苏尼特右旗赛汗塔拉镇，中国农业科学院草原研究所荒漠草原试验站。地理坐标为42°46′N、112°40′E，海拔1079 m。属于中温带干旱性大陆性气候，年平均气温3.9 ℃，无霜期135 d，多年平均降雨量181.2 mm，蒸发量2800 mm。土壤类型为棕钙土，基本理化性质如表 1。主要植物有：小针茅（Stipa klemenzii）、无芒隐子草（Cleistogenes songorica）、多根葱（Allium polyrhizum）、阿氏旋花（Convolvulus ammannii）、芸香草（Haplophyllum dauricum）等。试验布设于2010年7月，设置5个处理，分别为围封区、3个放牧梯度区[0.50羊单位·hm^-2（G0.50）、0.94羊单位·hm^-2（G0.94）、1.25羊单位·hm^-2（G1.25）]和开垦区，每个小区面积16 hm²，3次重复。小区间用网围栏分隔，围封区无牲畜和人为干扰。开垦区种植玉米（Zea mays），依当地常规管理。

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil studied（0~20 cm）

表选项

土壤样品采集时间为2014年8月。在每个小区沿对角线方向挖两个1 m深的土壤剖面，采样深度与国际上通行的土壤碳贮量计算深度一致。用环刀法，由下至上，每10 cm一层（0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~70、70~80、80~90、90~100 cm），每层取3个容重样品，测定土壤容重。

在各个处理小区内按照“S”型取样法选取20个样点，每10 cm一层，取样深度为1 m，用土钻分层采集土壤样品。土样自然风干，研磨过筛后用于土壤有机碳含量、有机碳密度的测定分析。在各个处理小区内按照“S”型取样法选取20个点，去除表面植被，取0~20 cm土层土壤混匀过筛，土壤样品于室内自然风干后研磨过筛，用于土壤有机碳结构的测定分析。

土壤容重采用环刀法^[15]。土壤有机碳含量的测定采用水合热重铬酸钾氧化-比色法^[15]。

土壤样品在进行核磁共振分析前，先用 10%的氢氟酸（HF）进行预处理，除去土壤中的Fe³⁺ 和Mn²⁺以提高信号与背景噪音的比例强度。主要参考Mathers等^[16]的方法并略有改动：称5 g土壤样品于100 mL 离心管中，加50 mL HF（体积分数10%）溶液，振荡1 h（25 ℃，100 r·min^-1），离心15 min（3000 r·min^-1），弃上清液，残余物继续用 HF 溶液处理，共重复处理 8次，振荡时间依次是：第1~4次1 h，第5~7 次12 h，最后1次 24 h。处理后的残余物用蒸馏水洗至中性，方法如下：加 50 mL蒸馏水，振荡10 min，离心机上3000 r·min^-1离心10 min，去掉上清液，整个过程重复5~6次。残余物在烘箱中40 ℃烘干，磨细过60目筛后置于塑封袋中待测。样品在Bruker AV 400 MHz 型固体核磁共振仪上测定，采用交叉极化魔角自旋（CP MAS）技术，光谱频率为100.63 MHz，魔角自旋频率为6 kHz，接触时间为2 ms，脉冲延迟时间为0.5 s，采样时间为0.01 s。各类型碳相对含量用该区间化学位移积分面积的百分数表示，由机器自动给出。

土壤有机碳密度（Soil organic carbon density，SOCD）指单位面积一定深度土体中土壤有机碳质量，单位为kgC·m^-2[17]。

某一土层i的有机碳密度计算公式为：

式中：C_i为第i层土壤有机碳的平均含量，g·kg^-1；θi为第i层土壤容重，g·cm^-3；Di为土壤厚度，cm；δ_i为第i层中直径大于2 mm的石砾所占的百分比，%。

如果某一土体的剖面由k层组成，那么该剖面土壤有机碳密度SOC_t（土壤有机碳储量）计算公式为：

评价有机碳结构特征的两个指标^[18]：

采用Excel 2010和 SPSS 16.0对试验数据进行处理及相关性统计分析，不同处理间的差异显著性采用One-Way ANOVA 检验。

不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤容重如图 1所示。同一处理，随着土层的加深，土壤容重先降低后升高，且在30~40 cm 土层土壤容重最小。同一土层，不同利用方式下，放牧区和开垦区与围封区相比，土壤容重有增加的趋势，随着放牧强度的增加，土壤容重逐渐增加，各处理间差异不显著。

图 1 不同利用方式下小针茅荒漠草原0~100 cm土层土壤容重 Figure 1 Soil bulk density in each soil layer of 0~100 cm under different land use types in Stipa klemenaii steppe 图中误差棒表示标准偏差，不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同 The error bars are SD. Different lowercase letters indicate significant differences（P<0.05） among different treatments. The same below

图选项

不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳含量如图 2所示。同一处理，随土层的加深，土壤有机碳含量呈现先增加后降低的趋势，在30~40 cm土层出现最大值。除0~10 cm土层，同一土层不同处理间，放牧区和开垦区与围封区相比，土壤有机碳含量有降低的趋势，且在60~70 cm和70~80 cm土层差异显著（P<0.05），而这主要是土壤空间差异引起的。0~10 cm土层，土壤有机碳含量开垦区>围封区>放牧区。随着放牧强度的增加有机碳含量逐渐降低。

图 2 不同利用方式下小针茅荒漠草原0~100 cm土壤有机碳含量 Figure 2 Soil organic carbon content in each soil layer of 0~100 cm in Stipa klemenzii desert steppe under different land use types

图选项

不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳密度如图 3所示。土壤有机碳密度随土层深度变化的趋势与土壤有机碳含量变化趋势一致。同一处理，随土层深度的增加，土壤有机碳密度呈现先增加后降低的趋势，在30~40 cm土层出现最大值。同一土层，不同处理间，放牧区和开垦区与围封区相比，土壤有机碳密度有降低的趋势。随着放牧强度的增加，土壤有机碳密度逐渐减小。除10~20 cm土层，同一土层，不同处理间，G1.25处理的土壤有机碳密度最低。

图 3 不同利用方式下小针茅荒漠草原0~100 cm剖面土壤有机碳密度 Figure 3 Soil organic carbon density in each soil layer of 0~100 cm in Stipa klemenzii desert steppe under different land use types

图选项

不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳储量如图 4所示。具体表现为围封>G0.50>G0.94>开垦>G1.25。围封区的土壤有机碳储量为9.30 kg·m^-2，显著高于G1.25和开垦区（P<0.05），分别是G0.50、G0.94、G1.25和开垦区的1.11、1.19、1.35、1.23倍。G1.25处理的土壤有机碳储量最低，为6.88 kg·m^-2，与围封区相比，显著（P<0.05）下降了25.99%。开垦区的土壤有机碳储量与围封区相比显著（P<0.05）下降了18.88%。随着放牧强度的增加，土壤有机碳储量逐渐降低，说明开垦和过度放牧不利于土壤有机碳的积累。

图 4 不同利用方式小针茅荒漠草原土壤0~100 cm有机碳储量 Figure 4 Soil organic carbon storage in 0~100 cm soil layer under different land use types

图选项

土壤有机碳固态NMR碳谱根据化学位移主要可划分为4个共振区域（图 5）：烷基碳区（Alkyl C，δ=0~45 ppm），主要来源于脂类、木栓质、蜡状质等；烷氧碳区（O-alkly C，δ=45~110 ppm），主要来自纤维素、半纤维素等碳水化合物，也有蛋白质和木质素侧链；芳香碳区（Aromatic C，δ=110~160 ppm），主要来自木质素、角质、单宁素和不饱和烯烃等；羰基碳区（Carboxyl C，δ=160~200 ppm），来自于氨基酸、脂肪酸、酰胺、酯的吸收^[16]。其中烷氧碳（δ=45~110 ppm）可进一步分为甲氧基/含氮烷基碳（Methoxyl+N-Alkyl-C，δ=45~60 ppm）、含氧烷基碳（O-Alkyl-C，δ=60~93 ppm）和乙缩醛碳（di-O-Alkyl-C，δ=93~110 ppm）；而芳香碳（δ=110~160 ppm）可进一步细分为芳基碳（Aryl-C，δ=110~142 ppm）和酚基碳（Phenolic-C，δ=142~160 ppm）^{[14, 19]}。 图谱显示，烷基碳和烷氧碳是所有土壤样品的主要组成成分。不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳的化学组成没有显著差异。

图 5 不同利用方式下土壤有机碳13C-NMR图谱 Figure 5 13C-NMR spectrogram of soil organic carbon under different land use types

图选项

不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳各组分相对含量如表 2所示。土壤有机碳形态烷氧碳（34.86%~37.85%）比例最高，其次为烷基碳（26.05%~ 33.87%），再次为芳香碳（10.60%~17.69%）和羰基碳（14.57%~16.90%）。放牧区和开垦区与围封区相比，烷基碳和羰基碳的相对比例减小，烷氧碳和芳香碳的相对比例增加。随着放牧强度的增加，烷基碳的相对比例逐渐降低。烷氧碳中比例最大的含氧烷基碳与芳香碳中比例最大的芳基碳的变化趋势相同，具体表现为放牧区和开垦区高于围封区。随着放牧强度的增强，含氧烷基碳和芳基碳的相对比例逐渐增加。腐殖化指数（烷基碳/烷氧碳）表现为围封区>开垦区>G0.50>G0.94>G1.25。芳香性表现为G1.25>G0.94>开垦区> G0.50>围封区。

表 2 不同利用方式下小针茅荒漠草原土壤有机碳各组分相对含量 Table 2 Proportions of the components of soil organic matter under different land use types

表选项

从图 6可以看出，土壤有机碳含量与烷基碳和羰基碳呈正相关关系，与烷氧碳呈负相关关系（差异不显著），与芳香碳呈显著（P<0.05）负相关关系。烷基碳和烷氧碳在土壤有机碳中的比例最大，由此推断，烷基碳可能是土壤有机碳增加的主要贡献者。

图 6 土壤有机碳含量与有机碳各化学结构之间的相关性 Figure 6 The relationship between SOC and SOC chemical composition

图选项

草原不同的利用方式影响土壤有机碳的输入和输出，进而决定土壤有机碳储量的变化^[20]。放牧是草原利用的最主要形式之一，不合理的放牧是草原植被及土壤退化的主要原因。本研究结果显示，与围封区相比，放牧使小针茅荒漠草原土壤有机碳含量、有机碳密度和有机碳储量均有降低的趋势，且随着放牧强度的增加而逐渐降低。白高娃等^[21]对短花针茅荒漠草原的研究以及范月君等^[22]对三江源区高寒草甸的研究结果也表明放牧使土壤有机碳储量下降，与本研究结果相吻合。原因是放牧活动中家畜的践踏、采食活动不仅影响草地植被的固碳能力，减弱植被对土壤碳的输入过程，而且促进了土壤的呼吸作用^[23]，加速了碳素从土壤向大气中释放。草地开垦对草地土壤有机碳含量影响强烈^[24]，草地开垦破坏了原有的植被和土壤结构，一定程度上促进了土壤的呼吸作用^[4]；另一方面，收获作物时大量地上部分被移走，极大减少了碳由凋落物向土壤的输入^[25]。研究指出^[26]，草地开垦后会使土壤碳素总量损失30%~50%。本研究结果显示，草地开垦后各土层土壤有机碳含量、有机碳密度以及土壤有机碳储量都有不同程度的减少。开垦区与围封区相比，土壤有机碳储量显著（P<0.05）下降了18.88%。耿元波等^[4]也研究发现，开垦不利于土壤有机碳的积累，与本研究结果相吻合。而围封有利于小针茅荒漠草原土壤有机碳的积累。李景刚等^[27]对内蒙古大针茅草原的研究，以及孙宗玖等^[28]对新疆蒿类荒漠草地土壤养分的研究，都得到了相似的结果。围封是一种可以通过自然力的作用使退化草地的植被与土壤得到恢复的有效措施^[22]，但是碳蓄积效率不是无限增长的，研究表明^[9-10]围封期过长，不但不利于草地植物的正常生长和发育，反而使枯草抑制植物再生和幼苗的形成，不利于草地的繁殖更新。有机碳蓄积效率会随着时间的进程逐渐下降，最终会达到一个相对平衡状态。因此，草地围封一段时间后应进行适当利用，可使草地生态系统的能量流动和物质循环保持良性状态，进而保持草地生态系统平衡^[29]。

土壤有机碳垂直分布特征呈现一定的规律性，阿坝牧区草地^[30]以及贝加尔针茅草原^[31]土壤有机碳含量表现出从表层到底层同梯度依次递减的趋势。萨如拉^[32]在典型草原土壤有机碳储量的研究中也指出，土壤有机碳含量随土层的加深而逐渐降低。而本研究结果表明，不同利用方式下，小针茅荒漠草原土壤有机碳含量、有机碳密度随着土层的加深，均表现为先增加后降低的趋势，在30~40 cm土层达到最大值。这一结论与很多研究结果不同。其原因是小针茅荒漠草原与其他草原类型相比，生态环境更加恶劣，风蚀严重，表层土壤极易受到侵蚀^[33]，且小针茅荒漠草原降水少，加上地表覆盖度小，水分易蒸发散失^[34]，为了维持地上部植物的生长，地下根系向下补偿性增生，相应脱落于土壤较深处的有机物质也增加，根系分解所产生的有机质相对集中在30~40 cm土层，由此形成了小针茅荒漠草原特殊的土壤有机碳分布特征。

土壤有机碳 71%~79% 是以碳水化合物、脂类、氨基化合物、酚类的结构形式存在的^[35]。杭子清等^[36]研究表明，互花米草盐沼土壤中有机碳以芳香碳和烷氧碳为主，而Mathers等^[37]指出土壤有机碳中烷基碳所占比例最大。郭素春等^[14]研究表明，潮土土壤有机质以烷氧碳为主。本研究结果显示，小针茅荒漠草原土壤有机碳以烷氧碳和烷基碳为主，芳香碳、羰基碳的相对比例最小。以上不同研究中各种不同形态的有机碳所占比例差别较大，与土壤类型、植物种类以及水文气候等因素有关^[36]。Ussirs等^[38]认为，烷基碳来自于木栓质、角质、蜡质等植物生物聚合物和微生物代谢产物，难以降解，较为稳定，而烷氧碳则相对易分解。因此，常用腐殖化指数（烷基碳/烷氧碳）作为土壤有机碳分解程度的评价指标，反映土壤有机碳库稳定性^{[18, 39]}。腐殖化指数增加，有助于提高土壤有机碳的稳定性。本研究结果显示，围封区的腐殖化指数要高于放牧区和开垦区。原因可能是围封区凋落物的归还以及草原植被自身的固碳作用，大量有机碳进入土壤，提高了土壤微生物对烷氧碳的利用程度，而烷基碳相对富集，导致腐殖化指数增加，提高了土壤有机碳的稳定性。芳香碳也是难分解有机碳之一，能在土壤中选择性保留^[40]，脂肪族碳的结构却相对简单，可以用芳香性[芳香碳/（烷基碳+烷氧碳+芳香碳）]表示土壤有机碳分子结构的复杂程度，比值越高反映物质中脂肪族侧链越少、芳香结构越多、缩合程度越高、分子结构越复杂^[35]。本研究中芳香性表现为G1.25>G0.94>开垦区>G0.50>围封区，说明围封区的分子结构相对简单化。由此推断放牧和开垦会使有机碳相对趋于复杂化，围封区有机碳更趋稳定。

（1）放牧区和开垦区与围封区相比，土壤有机碳含量、有机碳密度有降低的趋势，土壤容重有增加的趋势，但各处理间差异不显著。随着放牧强度的增加，土壤有机碳含量、有机碳密度均表现为逐渐降低的趋势，土壤容重有增加的趋势。

（2）不同利用方式对小针茅荒漠草原土壤有机碳储量影响显著，G1.25和开垦区的土壤有机碳储量显著（P<0.05）低于围封区，随着放牧强度的增加，土壤有机碳储量也逐渐降低。说明开垦和过度放牧不利于土壤有机碳的积累。

（3）不同利用方式和放牧强度对小针茅荒漠草原土壤有机碳化学组分的影响主要在数量上，而有机碳化学组分没有发生变化，其中烷氧碳（34.86%~37.85%）和烷基碳（26.05%~33.87%）是土壤有机碳的主要组分。放牧和开垦与围封相比，土壤腐殖化指数减小，随着放牧强度的增加，土壤腐殖化指数逐渐降低。这说明开垦和过度放牧使土壤有机碳稳定性降低，而围封休牧使土壤有机碳更趋稳定，在土壤固碳方面有一定的意义。