中国沙漠
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中国沙漠, 2025, 45(4): 200-210 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00093

凋落物去除对沙质草地表层土壤碳组分的影响

苏万红,1, 詹瑾,2, 李亚2, 纪永福2, 李玉霖3, 丛安琪3, 张雯2, 付贵全2, 王曰军4

1.景泰治沙试验站，甘肃 景泰 730499

2.甘肃省治沙研究所 甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730070

3.中国科学院西北生态环境资源研究院 奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

4.内蒙古巴丹吉林自然保护区塔木素工作站，内蒙古 阿拉善右旗 737300

Effects of litter removal on top soil carbon components in the sandy grassland

Su Wanhong,1, Zhan Jin,2, Li Ya2, Ji Yongfu2, Li Yulin3, Cong Anqi3, Zhang Wen2, Fu Guiquan2, Wang Yuejun4

1.Jingtai Sand Control Experimental Station，Jingtai 730499，Gansu，China

2.Gansu Minqin National Field Observation & Research Station on Ecosystem of Desert Grassland，Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730070，China

3.Naiman Desertification Research Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

4.Tamusu Work Station of Badain Jilin Nature Reserve，Alxa Right Banner 737300，Inner Mongolia，China

通讯作者: 詹瑾（E-mail： zhanjin_ecology@163.com）

收稿日期: 2025-05-11   修回日期: 2025-07-08  

基金资助: 中央财政林业改革发展资金野生动植物保护项目.  甘林动函〔2022〕564号
内蒙古自治区防沙治沙科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目.  2024JBGS0005
甘肃省重点研发项目.  23YFFA0025
中央林业草原生态保护恢复资金项目.  甘林动发〔2025〕35号
中央引导地方发展专项.  24ZYQA052

Received: 2025-05-11   Revised: 2025-07-08  

作者简介 About authors

苏万红（1970—），男，甘肃景泰人，工程师，主要从事干旱区恢复生态学研究E-mail：1250626183@qq.com , E-mail：1250626183@qq.com

摘要

地上凋落物和地下根系输入是土壤碳库的重要植物来源，探讨地上凋落物和地下根系去除对沙质草地表层土壤碳组分的影响，有利于深入理解该生态系统土壤碳库的积累机制。本研究依托科尔沁沙地西南部国家野外科学观测研究站建立的长期凋落物去除实验（对照、地上凋落物去除、地下根系去除、地上凋落物和地下根系同时去除），比较凋落物去除处理对沙质草地表层土壤碳组分的影响，并分析了土壤碳库活度变化的驱动因素。结果显示：（1）地上凋落物和地下根系同时去除显著增加了土壤容重（P<0.05），使土壤全碳、活性碳含量分别显著降低了23.78%、23.49%（P<0.05）；与地上凋落物去除相比，该处理显著降低了土壤活性碳含量（P<0.05）；（2）地上凋落物去除使土壤微生物生物量碳含量从0.032 g·kg-1显著降低至0.016 g·kg-1（P<0.05）；（3）地下根系去除使土壤碳库活度从0.46显著降低至0.30（P<0.05）；（4）Pearson相关性分析表明土壤碳组分与土壤容重、含水量、电导率、pH存在显著相关性。结构方程模型分析结果显示，土壤容重、含水量、电导率、pH和土壤碳组分共同解释了土壤碳库活度变化的92%，土壤理化性质可通过影响土壤碳组分来调控土壤碳库活度。

关键词： 土壤碳组分 ; 地上凋落物去除 ; 地下根系去除 ; 沙质草地

Abstract

Aboveground litter and underground roots serve as critical plant-derived inputs to the soil carbon pool. Investigating the effects of litter and root removal on surface soil carbon components in semi-arid sandy grasslands is essential for understanding soil carbon accumulation mechanisms in this ecosystem. This study utilized a long-term litter removal experiment （including control， aboveground litter removal， underground root removal， and combined removal treatments） established at the National Field Scientific Observation and Research Station in southwestern Horqin Sandy Land. We compared the impacts of aboveground litter and underground root removal on surface soil carbon components and analyzed the regulating factors of soil carbon pool activity. Key findings include： （1） Combined removal significantly increased soil bulk density （P<0.05） while reducing soil total carbon （by 23.78%） and labile organic carbon （by 23.49%，P<0.05）. Compared to aboveground litter removal alone， combined removal induced significantly greater reductions in labile organic carbon （P<0.05）； （2） Aboveground litter removal decreased microbial biomass carbon from 0.032 g·kg-1 to 0.016 g·kg-1（P<0.05）， representing a 50% reduction； （3） Underground root removal reduced soil carbon pool activity from 0.46 to 0.30 （P<0.05）； （4） Pearson correlation analysis revealed significant associations between soil carbon components and soil bulk density， water content， electrical conductivity， and pH. Structural equation modeling demonstrated that soil properties and carbon components jointly explained 92% of the variation in carbon pool activity. Physicochemical parameters indirectly regulated activity through their mediation of carbon components. Specifically， soil bulk density regulated carbon pool activity by significantly and negatively affecting total carbon （λ=-0.64） and labile organic carbon （λ=-0.37）. Electrical conductivity affected carbon pool activity by significantly and positively influencing labile organic carbon （λ=0.37）. Soil pH regulated carbon pool activity by significantly and negatively affecting recalcitrant organic carbon （λ=-0.40）.

Keywords： soil carbon components ; aboveground litter removal ; underground root removal ; sandy grassland

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本文引用格式

苏万红, 詹瑾, 李亚, 纪永福, 李玉霖, 丛安琪, 张雯, 付贵全, 王曰军. 凋落物去除对沙质草地表层土壤碳组分的影响. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 200-210 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00093

Su Wanhong, Zhan Jin, Li Ya, Ji Yongfu, Li Yulin, Cong Anqi, Zhang Wen, Fu Guiquan, Wang Yuejun. Effects of litter removal on top soil carbon components in the sandy grassland. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 200-210 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00093

0 引言

土壤是陆地生态系统的核心碳库，其碳储量（约1.5×10³ Pg）是大气碳库的3.3倍、植物碳库的4.5倍［1-3］。土壤碳库动态表征地表碳通量输入输出的平衡［4］，其细微波动即可显著影响大气CO₂浓度和全球气候，因而在全球碳循环调控中占据核心地位［5］。土壤碳库由有机碳（SOC）和无机碳构成，其中有机碳作为养分源和微生物能量来源，是评估土壤肥力的核心参数［6］。依据周转时间，SOC可分为活性有机碳（LOC，周转快、易分解、对环境敏感）和惰性有机碳（ROC，周转慢、稳定性高，利于固存）［7］。

凋落物是指自然状态下掉落在地面上的植物有机碎屑，能作为分解者能源的物质，也包括地下部分枯死的根系，是植物地上和地下部分有机残体的总和［8］，也是地表-土壤界面养分迁移的关键载体［8-10］，其输入量受人类活动（如刈割减少输入［11］）和气候变化（如CO₂富集增加输入［12］）调控。作为SOC的主要来源，凋落物通过多种途径转化为SOC，并通过激发效应（正激发加速分解，负激发抑制分解［4，13］）影响土壤碳库的输入-输出平衡及稳定性［14］。这印证了土壤碳库稳定性本质上取决于有机碳通量收支的动态平衡［1］。尽管陆地生态系统碳积累具有千年尺度的时间持续性，但通过人为调控有机质的输入，可在较短观测周期内捕获碳库组分的变化特征［15］。凋落物控制（Detritus Input and Removal Treatments，DIRT）实验操纵地上凋落物添加/移除和根系阻隔，是解析地上地下凋落物输入对土壤碳循环影响的有效方法［16-18］。根系残体对土壤碳库的固持效应通常比地表凋落物更具持续性［19-21］，二者的贡献呈现非线性叠加特征［22-23］，其相对重要性受地理异质性［24］和时间尺度［25-26］影响。凋落物移除不仅直接削减碳输入，还通过改变土壤理化性质（pH、团聚体）、微生物群落等间接途径多维调控碳库［27-29］。因此，深入探讨去除地上凋落物和根系对土壤碳组分的影响及调控机制可为深入理解土壤碳库的积累过程和稳定机制提供理论支撑。

草地占中国国土面积40%以上，具有重要的生态与经济价值［30］。其中，北方干旱半干旱区沙质草地（面积>1.34亿hm²［31］）生态环境脆弱，风蚀活动易导致地表凋落物二次分配［32］。该区域是防风固沙重点区，也被认为具有较大固碳潜力。在气候变化背景下，明确凋落物输入减少对该区域土壤碳组分的影响至关重要。因此，本研究以科尔沁沙地围栏封育恢复13年的典型沙质草地为对象，建立凋落物去除野外控制实验，探究其对表层土壤碳组分的影响，旨在揭示沙质草地土壤碳库对凋落物去除的响应机制，为评估全球变化下区域碳储量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区域位于科尔沁沙地西南部内蒙古奈曼农田生态系统国家野外科学观测研究站（42°55′N，120°41′E）附近的沙质草地。该区域属温带大陆性半干旱气候，年平均气温6.4~6.9 ℃，年降水量343~451 mm（75%发生于5—9月）。冬春盛行西北风，年均风速3.5~4.5 m·s⁻¹，强风日数20~60 d（春季沙尘暴高发）。第四纪深厚沙质沉积物为沙漠化提供了物质基础［33］，主要土壤类型为风沙土、草甸土、沙质栗钙土和沼泽土［34］。受气候与人为干扰影响，区域经历了多阶段沙漠化演替［35］，形成缓起伏沙地、流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘与丘间低地镶嵌的风沙地貌［36］，植被呈现显著空间分异。沙质草地以多年生黄蒿（Artemisia scoparia）和白草（Pennisetum flaccidum）为优势种，流动沙丘由一年生先锋植物沙蓬（Agriophyllum pungens）建群，半固定和固定沙丘以差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）和小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）等灌木为主［37］。

1.2　实验设置

研究样地设立在奈曼旗孟和村的平坦沙质草地（已围栏封育恢复13年）。优势物种有一年生狗尾草（Setarria viridis）、尖头叶藜（Chenopodium acuminatum），以及多年生白草、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、兴安胡枝子（Lespedezadavurica）和扁蓄豆（Melissitus ruthenicus），其中多年生白草和一年生尖头叶藜优势度最高。如图1所示，参考经典的凋落物控制实验［38］，本研究设有4个处理：对照（CK）、地上凋落物去除（-L）、地下根系去除（-R）、地上凋落物和地下根系同时去除（-L-R），每个处理6个重复，样地面积10 m×10 m，样地间设1 m缓冲带。地上凋落物处理始于2014年；2020年11月增设根系处理（具体操作见表1）。为防止风力干扰凋落物量，每年冬春风季（11月至次年4月）使用透光尼龙网罩覆盖样地，5月撤除。

图1

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图1   凋落物去除示意图

注：CK：对照；-L：地上凋落物去除；-R：地下根系去除；-L-R：地上凋落物和地下根系同时去除

Fig.1   A diagram of litter removal experiment


表1   沙质草地凋落物去除实验处理描述

Table 1  Description of experimental treatment for litter removal in sandy grassland

处理描述
对照（CK）在自然状态下不做任何处理
地上凋落物去除（-L）每年11月清除样方内地上现存的枯落物
地下根系去除（-R）采用壕沟法，在每块样地内布置边长为1.5 m×1.5 m的小样方，在不干扰其他土壤的基础上，在每个小样方四周挖60 cm深的壕沟，小样方内原有根系保留，在沟内内衬铝制铁皮阻隔小样方外根系入侵，并回填土壤。整个试验期间不定期拔除小样方内地表生长的植物，以消除地下根系输入的干扰
地上凋落物和地下根系同时去除（-L-R）清除掉样方内地上现存的枯落物，同时采用壕沟法，在1.5 m×1.5 m小样方四周挖60 cm深的壕沟，小样方内原有根系保留，在沟内内衬铝制铁皮阻隔小样方外根系入侵，并回填土壤。整个试验期间不定期拔除小样方内地表生长的植物，以消除地下根系输入的干扰

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1.3　样品采集与测定

土壤样品于2022年9月采集。在每个处理样地内设置1 m×1 m采样区，使用直径2.5 cm土钻采用五点法采集0~10 cm深度土样。样品混合均匀后，人工清除根系及有机碎屑，均分为两份：一份装入无菌袋，置于装有冰袋的冷藏箱内，低温运回实验室，储存于4 ℃恒温冰箱中，采用氯仿熏蒸-浸提法对土壤微生物生物量碳（SMBC）含量进行测定；另一份装入自封袋，实验室自然风干后过2 mm筛，用于测定土壤理化性质。采用烘干称重法测定土壤含水量（SWC）；环刀法测定土壤容重（BD）；雷磁pH计测定土壤pH值（水土比2.5∶1）；电导率仪测定电导率（EC，水土比5∶1）；元素分析仪测定土壤全碳含量（TC）；重铬酸钾-浓硫酸高温外加热氧化法测定土壤总有机碳含量（TOC）；TOC分析仪测定土壤溶解性有机碳含量（DOC）。采用两步酸解法测定土壤化学碳组分［39-40］，主要测定水解液中活性碳（Labile organic carbon，LOC）、缓性碳（Intermediate organic carbon，IOC）和惰性碳含量（Recalcitrant organic carbon，ROC）含量。参考徐明岗等［41］、毛馨月等［42］的方法计算土壤碳库活度，碳库活度（A）=土壤活性碳含量/土壤惰性碳含量

1.4　数据处理

通过Excel 2019对数据进行汇总和初步处理，采用SPSS22.0进行统计检验，采用Origin2024对数据进行作图。采用单因素方差分析检验不同凋落物去除处理对表层土壤理化因子和碳组分的影响。地上凋落物和地下根系对土壤不同碳组分的贡献率计算公式如下：

地上凋落物（L）对土壤不同碳组分的贡献率=

（CCK-C-L）/CCK×100%

地下根系（R）对土壤不同碳组分的贡献率=

（CCK-C-R）/CCK×100%

地上凋落物和地下根系（LR）对土壤不同碳组分

的贡献率=（CCK-C-L-R）/CCK×100%

式中：CCK为对照处理下土壤不同碳组分均值；C-L为地上凋落物去除处理下土壤不同碳组分均值；C-R为地下根系去除处理下土壤不同碳组分均值；C-L-R为地上凋落物和地下根系同时去除下土壤不同碳组分均值。

为了分析凋落物去除处理下土壤碳库活度的影响路径，先采用Pearson相关分析检验土壤理化因子与不同碳组分间的相关性，再运用AMOS构建结构方程模型（SEM）分析其影响路径。

2 结果与分析

2.1　凋落物去除对土壤理化性质的影响

如图2所示，凋落物去除对沙质草地表层土壤含水量、pH和电导率无显著影响，对土壤容重有显著影响。与CK相比，-L-R处理显著增加了土壤容重（P<0.05，图2B），使其从1.48 g·cm-3增加至1.58 g·cm-3；-L和-R处理尽管增加了土壤容重，但未达到显著性水平。

图2

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图2   凋落物去除下沙质草地土壤理化性质特征

注：CK：对照；-L：地上凋落物去除；-R：地下根系去除；-L-R：地上凋落物和地下根系同时去除；小写字母表示不同凋落物去除处理间差异显著（P<0.05）

Fig.2   Soil physical and chemical properties under litter removal treatment


2.2　凋落物去除对土壤碳组分的影响

如图3所示，凋落物去除对沙质草地表层土壤有机碳、溶解性有机碳、缓性碳和惰性碳含量无显著影响，对土壤全碳、活性碳、微生物生物量碳含量有显著影响。与CK相比，-L-R处理使土壤全碳、活性碳含量分别显著降低了23.78%、23.49%（P<0.05，图3A、图3D），-L处理使土壤微生物生物量碳含量从0.032 g·kg-1显著降低至0.016 g·kg-1（P<0.05，图3G）。此外，与-L处理相比，-L-R处理显著降低了土壤活性碳含量（P<0.05，图3D）。

图3

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图3   凋落物去除下沙质草地土壤碳组分特征

注：CK：对照；-L：地上凋落物去除；-R：地下根系去除；-L-R：地上凋落物和地下根系同时去除；不同小写字母表示不同凋落物去除处理间差异显著（P<0.05）

Fig.3   Characterization of soil carbon components under litter removal treatment


如图4所示，地上凋落物对沙质草地表层土壤微生物生物量碳含量和溶解性有机碳含量的相对贡献率较高，对活性碳含量的相对贡献率较低；地下根系对土壤总有机碳、缓性碳含量的相对贡献率较低；地上凋落物和地下根系同时存在对土壤全碳、有机碳、活性碳和缓性碳含量的相对贡献率较高。

图4

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图4   地上凋落物和地下根系对土壤不同碳组分的贡献率

注：-L：地上凋落物去除；-R：地下根系去除；-L-R：地上凋落物和地下根系同时去除；TC：土壤全碳含量；TOC：土壤总有机碳含量；DOC：土壤溶解性有机碳含量；LOC：活性碳；IOC：缓性碳；ROC：惰性碳含量；SMBC：土壤微生物生物量碳

Fig.4   Contribution of contributions of aboveground litter and belowground root to different soil carbon components


2.3　凋落物去除对土壤碳库活度的影响

如图5所示，凋落物去除对沙质草地表层土壤碳库活度有显著影响。与CK相比，-R处理使土壤碳库活度从0.46显著降低至0.30（P<0.05）；-L、-L-R处理尽管降低了土壤碳库活度，但未达到显著性水平。

图5

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图5   凋落物去除下沙质草地土壤碳库活度特征

注：CK：对照；-L：地上凋落物去除；-R：地下根系去除；-L-R：地上凋落物和地下根系同时去除；不同小写字母表示不同凋落物去除处理间差异显著（P<0.05）

Fig.5   Characterization of soil carbon pool activity under litter removal treatment


2.4　土壤碳组分与理化性质间的相关性

Pearson相关性分析（表2）表明，凋落物去除下半干旱沙质草地土壤碳组分与理化性质存在显著关联：TC与BD显著负相关（P<0.01，r=-0.643）；TOC与BD显著负相关（P<0.01，r=-0.638），TOC与TC显著正相关（P<0.01，r=0.897）；DOC与SWC显著负相关（P<0.05，r=-0.517）；LOC与BD显著负相关（P<0.01，r=-0.663），与EC、TC、TOC均显著正相关（P<0.01，r=0.564、r=0.694、r=0.651）；IOC与BD显著负相关（P<0.01，r=-0.532），与TC、TOC均显著正相关（P<0.01，r=0.879、r=0.823）；ROC与pH、DOC均显著负相关（P<0.05，r=-0.469、r=-0.504）；A与pH、LOC均显著正相关（P<0.01，r=0.540、r=0.578），与ROC显著负相关（P<0.01，r=-0.774）。

表2   土壤碳组分与土壤理化性质的相关性分析

Table 2  Correlation analysis between soil carbon components and soil physical and chemical properties

指标SWCBDpHECTCTOCDOCLOCIOCROCMBCA
SWC1
BD-0.3071
pH0.027-0.0201
EC0.207-0.2810.3761
TC0.161-0.643**0.1400.3631
TOC0.363-0.638**0.0370.2760.897**1
DOC-0.517*0.2220.153-0.012-0.021-0.3081
LOC0.185-0.663**0.2940.564**0.694**0.651**-0.0341
IOC0.170-0.532**0.0080.1420.879**0.823**-0.2360.3421
ROC0.163-0.113-0.469*-0.0750.1060.280-0.504*-0.0270.2731
SMBC0.2170.1410.1780.0850.1640.1490.238-0.0320.163-0.0511
A-0.075-0.3160.540**0.3470.2100.0420.3940.578**-0.122-0.774**0.0741

注：SWC：土壤含水量；BD：土壤容重；pH：土壤pH；EC：电导率；TC：土壤全碳含量；TOC：土壤总有机碳含量；DOC：土壤溶解性有机碳含量；LOC：活性碳；IOC：缓性碳；ROC：惰性碳含量；SMBC：土壤微生物生物量碳；A：土壤碳库活度；*和**分别表示在0.05和0.01级别（双尾）显著性相关。

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2.5　土壤碳库活度变化的主要驱动因素

结构方程模型（图6）显示，沙质草地土壤理化性质和碳组分共同解释了土壤碳库活度（A）变异的92%（R2 =0.92）。主要影响路径如下：BD显著负向影响TC（P<0.001，λ=-0.64）和LOC（P<0.05，λ=-0.37），进而间接调控碳库活度；TC对碳库活度产生显著负向直接影响（P<0.05，λ=-0.20）；LOC对碳库活度产生极显著正向直接影响（P<0.001，λ=0.54）。EC显著正向影响LOC（P<0.01，λ=0.37），进而间接影响碳库活度。土壤pH显著负向影响ROC（P<0.05，λ=-0.40），进而间接调控碳库活度，ROC对碳库活度产生极显著负向直接影响（P<0.001，λ=-0.76）。

图6

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图6   土壤碳库活度影响因子的结构方程模型

注：SWC：土壤含水量；BD：土壤容重；pH：土壤pH；EC：电导率；TC：土壤全碳含量；TOC：土壤总有机碳含量；DOC：土壤溶解性有机碳含量；LOC：活性碳；IOC：缓性碳；ROC：惰性碳含量；SMBC：土壤微生物生物量碳；A：土壤碳库活度；χ2表示卡方最小差异值，df表示自由度，P表示显著性，CFI表示拟合优度指数，RMSEA表示近似误差均方根，箭头上的数字表示标准化的路径系数，表明两两之间关联的效应强度；红色箭头和蓝色箭头分别表示正向关系和负向关系，箭头宽度与关系强度成正比。*、**、***分别表示在P<0.05、P<0.01和P<0.001时具有统计学意义的路径

Fig.6   Structural equation model to predict the influence factors of soil carbon pool activity


3 讨论

3.1　凋落物去除对土壤碳组分的影响

植物通过凋落物和地下根系沉积等过程向土壤输入有机物质来影响土壤碳库组分［43］。本研究显示，与自然对照相比，地上凋落物和地下根系同时去除显著降低了沙质草地表层土壤全碳和活性碳含量，地上凋落物去除使土壤微生物生物量碳含量从0.032 g·kg-1显著降低至0.016 g·kg-1，证实了地上凋落物和根系均是土壤碳库的重要植物来源［44-45］。地上凋落物和根系在功能性状和理化性质上的差异［46-47］，使其对沙质草地表层土壤全碳、活性碳和微生物生物量碳的影响存异。植物净生产力的90%以上均通过凋落物形式返回地表，其中超50%地上净生产力经矿化可转化为土壤有机碳［48-49］。沙质草地植物群落地下生产力主要集中在0~10 cm土层［50］，结合沙质基质的快速渗透特性，使表层碳输入主要依赖凋落物分解与浅层根周转。同时去除地上凋落物和根系大幅度消减了表层土壤碳源输入；此外，地上凋落物去除使其对表层土壤涵养水源和截流作用减弱，雨水冲刷会造成表层土壤养分淋失，进一步加剧土壤全碳及碳组分减少［51-52］。

土壤微生物生物量碳作为有机碳库关键活性组分，虽仅占土壤有机碳总量的0.3%~0.7%，却因其养分有效性高、周转快，是土壤养分重要源和库［53］。本研究中地上凋落物去除显著降低了土壤微生物生物量碳，这源于长期地上凋落物碳源输入阻断导致微生物底物供应不足，使微生物活性和分解速率减弱，进而降低微生物生物量碳。正如相关研究显示土层深度0~10 cm处是土壤微生物较活跃部分，地上凋落物去除不利于微生物繁殖［54］。值得注意的是，在双重移除地上凋落物和地下根系时，微生物生物量碳并未发生显著变化，这可能是因为在长期表层土壤碳源输入限制下，微生物已适应该生境［55］，对土壤有机碳分解利用改变不显著，进而微生物生物量碳无显著变化。活性碳组分作为土壤有机碳中的敏感性指示因子，能精准反映土壤养分等的动态［56］。本研究显示，相较于地上凋落物去除，双重移除地上凋落物和地下根系显著降低了土壤活性碳。这说明仅仅去除地上凋落物对土壤活性碳的影响有限，当同步切断地下根系碳源输入会显著加剧其负效应，正如本研究结果显示地上凋落物和地下根系同时存在对土壤活性碳含量的相对贡献率较高。

土壤碳库管理指数是表征土壤质量演变的综合评估指标，其数值增量直接反映有机碳的生物有效性提升与生态服务功能优化程度［41，57］。鉴于本研究缺乏基准土壤数据，研究重点解析碳库活度指数的变化特征。研究显示，与自然对照相比，地下根系去除使土壤碳库活度显著降低，地上凋落物和地下根系同时去除对土壤碳库活度的影响小于单一地下根系去除。土壤碳库活度是土壤中活性碳与惰性碳含量的比值，活性碳稳定性差、易被分解、氧化和生物利用，周转快速，对环境扰动呈现高度敏感性。相较而言，惰性有机碳碳库的分解周期明显延长，能够在土壤中长期稳定存在［7］。本研究中地上凋落物和地下根系同时存在对土壤活性碳含量的相对贡献率较高，长期地上凋落物和地下根系同时去除显著降低了土壤活性碳含量，对土壤惰性碳含量无显著影响，地下根系去除大幅增加土壤惰性碳含量。有研究显示地下根系去除对地上凋落物叶输入的影响较小［55］，其表层凋落物叶等输入仍可供给微生物分解和植物吸收利用。因此，地上凋落物和地下根系同时去除显著降低沙质草地表层活性碳含量，地下根系去除下土壤碳库活度的显著降低主要源于该处理对活性碳相对较低的贡献。值得注意的是，本研究中地上凋落物和地下根系同时去除下土壤碳库活度降低幅度小于单一地上凋落物去除和单一地下根系去除的加和，证明地上凋落物和地下根系同时去除对土壤碳库活度的负效应具有非加和性。有研究显示凋落叶和根系对土壤有机碳的贡献是非加和的，二者同时去除产生交互作用［22-23］。长期凋落物去除下亚热带杉木林的研究显示凋落叶和根系同时去除下土壤有机碳含量降低幅度小于凋落物叶去除和根系去除的加和，说明凋落叶和根系同时去除对有机碳的负效应是非加和性的［55］。依据土壤有机碳在土壤中的平均停留时间，可分为活性有机碳和惰性有机碳两大组分体系，本研究结果实证沙质草地表层土壤中地上凋落物和地下根系同时去除对土壤碳库活度的负效应存在非加和性。

3.2　影响土壤碳库活度的主要因素

凋落物作为半干旱区沙质草地生态系统的重要组成部分，气候变化和人类活动下凋落物的改变将影响该区域表层土壤环境和碳组分［58］。本研究中结构方程模型分析结果显示，沙质草地土壤理化性质和碳组分共同解释了土壤碳库活度变化的92%，理化性质可通过影响碳组分来调控碳库活度。土壤容重通过显著负向影响土壤全碳（λ=-0.64）和土壤活性碳（λ=-0.37）进而显著调控碳库活度；土壤电导率通过较显著正向影响土壤活性碳（λ=0.37）进而显著影响碳库活度；土壤pH通过显著负向影响土壤惰性碳（λ=-0.40）进而调控碳库活度。这主要是由于以下原因：第一，土壤容重是土壤基本物理性质，反映了土壤的通气、透水以及松紧程度，也是评估土壤有机碳贮量的重要参数［59］。本研究中土壤容重对活性碳含量呈负效应，这与彭璞等［60］的研究结果一致，且相关性分析结果显示土壤容重与土壤全碳、活性碳均呈较显著负相关。即土壤容重降低有助于提高土壤孔隙率，进而提高微生物活性，促进植物根系发育；随着年限增长，土壤容重逐渐降低，孔隙度增加，更有利于植物根系穿透土壤，促进表层土壤中碳组分的积累［61］。第二，土壤电导率作为土壤含盐量的量度，能够间接反映土壤质地和养分有效性［62］。本研究中土壤活性碳与土壤电导率呈较显著正相关，研究显示土壤电导率的提高，可能存在一些盐分离子如K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-等的积累有关［63］。盐分离子含量的累积会利于原本土壤养分比较匮乏的沙质草地表层土壤碳组分间的相互转化，进而增加活性碳的含量。第三，研究显示土壤pH与有机碳、碳组分和碳库质量等指标间均存在显著的负相关性［64］，本研究中土壤惰性碳与土壤pH呈显著负相关。土壤pH降低抑制土壤微生物活性，使得土壤碳矿化速率下降，惰性碳累积［65］。效应分析结果表明土壤碳库活度主要受到土壤惰性碳负向和土壤活性碳正向的总效应和直接效应影响，受土壤pH和土壤溶解性有机碳正向的间接效应影响。

4 结论

本研究揭示沙质草地凋落物去除对表层土壤碳组分的影响存在处理差异。地上凋落物与地下根系同时去除显著增加土壤容重，降低土壤全碳和活性碳含量；单一地上凋落物去除对降低土壤微生物生物量碳的作用最为显著；单一地下根系去除对降低土壤碳库活度的作用最大。土壤理化性质通过影响碳组分间接调控碳库活度：容重通过显著负向影响全碳和活性碳调控碳库活度；电导率通过较显著正向影响活性碳影响碳库活度；土壤pH通过显著负向影响惰性碳调控碳库活度。综上，本研究阐明了地上凋落物与根系去除对沙质草地表层土壤碳组分及其调控路径的差异性影响，为预测该区域凋落物-土壤碳循环过程提供了依据。

5 展望

本研究存在以下局限，未来研究可重点关注：①碳指标系统性，当前所选碳指标虽涵盖不同维度（形态、化学、生物活性），但各维度代表性不足。未来研究选定特定分类体系（如生物活性或化学稳定性），进行更全面的碳组分测定，以深入理解土壤碳库整体响应。②时间动态性，基于单次采样，难以捕捉处理效应的季节或年际动态。增加采样频率（不同季节/年份），以评估效应稳定性并揭示动态规律，提升结果代表性和普适性。③机制深度，可进一步结合微生物群落结构（细菌、真菌组成）和功能基因（碳循环相关基因）分析，深入解析不同去除处理影响土壤碳组分（尤其微生物生物量碳和碳库活度）的微生物学机制。

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