典型草原恢復演替過程中土壤性狀動態(tài)變化研究

單貴蓮，初曉輝，田青松，馬玉寶，李臨杭，陳功＊

（1.云南農業(yè)大學草業(yè)科學系，云南 昆明650201；2.中國農業(yè)科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特010010）

土壤是草地植物群落的主要環(huán)境因子，是草地賴以生存、發(fā)展和繁衍的物質基礎。植物群落的演替可以改變土壤性狀，而土壤性狀的改變又可導致群落類型的改變。土壤對植被恢復具有重要作用，不僅影響植物群落的發(fā)生、發(fā)育和演替速度，而且對生態(tài)系統(tǒng)過程、生產力和結構等具有重要影響［1－3］。因此，研究草地恢復演替過程中土壤性狀的動態(tài)變化對退化草地的恢復與管理具有重要的指導意義。

對于草地恢復演替過程中土壤性狀的變化，前人做過一些研究。如Reeder和Schuman［4］研究指出，草地恢復演替過程中一年生和多年生禾草增加，禾草具有致密的根系，能促進土壤有機質的形成和積累，促使土壤有機碳和全氮含量增加。Su和Zhao［5］研究指出，圍封10年，科爾沁沙地地表植被蓋度增加，從而抑制了土壤侵蝕，增加了土壤有機質含量，進而顯著降低土壤容重。蘇永中等［6］、文海燕等［7］研究指出，圍封后較多的根量和地表凋落物的輸入與分解增加了土壤養(yǎng)分含量，改善了土壤結構與環(huán)境。Wolde等［8］研究指出，圍封不僅可以有效地恢復植被，而且也能改善土壤養(yǎng)分，減少土壤侵蝕，增加土壤有機質、全氮和速效磷含量。程杰和高亞軍［9］研究指出，典型草原恢復演替過程中土壤有機質含量、全量及速效氮磷鉀含量均顯著提高，恢復年限愈長，養(yǎng)分增加幅度愈大。邵新慶等［10］研究指出，典型草原群落自然恢復過程中，土壤水分、有機質、全量及速效氮磷鉀含量均顯著增加，土壤容重顯著下降，同時，土壤養(yǎng)分有明顯的表聚現象。

綜上所述，前人在草地恢復演替過程中土壤結構和養(yǎng)分含量的變化方面做過一些研究［4－10］。但針對典型草原恢復演替過程中土壤物理、化學和生物學性狀的變化開展的系統(tǒng)研究不多。居于此，本研究以內蒙古錫林郭勒盟南部太仆寺旗典型草原為研究區(qū)域，在該區(qū)域選取不同圍封年限，處于不同恢復演替階段的生長季圍封恢復草地為研究對象，開展典型草原恢復演替過程中土壤物理、化學和生物學特性的系統(tǒng)研究，探討典型草原恢復演替過程中土壤性狀的變化規(guī)律，揭示土壤生物學性狀與土壤結構和養(yǎng)分含量的相關關系，以期深入認識草地的圍封恢復演替機制，為半干旱典型草原區(qū)退化草地的恢復、草地資源的合理利用與管理提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于內蒙古錫林郭勒盟南部太仆寺旗境內，地處 N 41°35′～42°10′，E 114°51′～115°49′。研究區(qū)域土壤類型主要為栗鈣土。氣候類型屬中溫帶半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。年平均氣溫1.6℃，年平均降水407mm，主要集中在6、7、8月，年均蒸發(fā)量1 900.6mm。太陽輻射強，總輻射量560.9～577.7kJ／cm2。研究區(qū)域植被類型以半干旱典型草原為主，以羊草（Leymus chinensis）、克氏針茅（Stipa krylovii）為建群種，位于草群上層，糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、冷蒿（Artemisia frigida）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）形成低矮的下層，伴生成分有菭草（Koeleria cristata）、根莖冰草（Agropyron michnoi）、寸草苔（Carex duriuscula）、矮韭（Allium anisopodium）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、麻花頭（Serratula centauroides）、豬毛菜（Salsola collina）等。有毒有害雜草包括瓣蕊唐松草（Thalictrum petaloideum）、狼毒（Stellera chamaejasme）、披針葉黃華（Thermopsis lanceolata）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與設置 在內蒙古錫林郭勒盟南部太仆寺旗境內，采用空間系列代替時間系列的取樣方式，根據實地調查、資料記載與調查訪問，選取植被組成一致、土壤類型相同，但圍封年限不同，處于不同恢復演替階段的生長季圍封草地為研究對象，同時選取未圍封的自由放牧草地為對照，研究樣地地理位置、演替階段及管理方式見表1。

表1 研究樣地描述Table 1 Description of the experiment sites

1.2.2 土樣采集 2008年8月中旬，在每一樣地內采用蛇形取樣法選取30個點，用土鉆按0～10，10～20，20～30cm分層取樣，剔除根系、石塊等雜物后，按層混合，將樣品分成2份，一份風干，另一份保鮮帶回實驗室，4℃保存于冰箱，用于土壤性狀的分析測定。另外用環(huán)刀按同樣層次取樣測定土壤容重。

1.2.3 土樣分析方法 土壤機械組成用全自動激光粒度儀、容重用環(huán)刀法、孔隙度用比重瓶法、有機質用重鉻酸鉀容量法—外加熱法、全氮用半微量凱氏法、全磷用HClO4－H2SO4消化法、速效氮用堿解擴散法、速效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、速效鉀用NH4OAc浸提—火焰光度計法測定［11］。土壤細菌、真菌、放線菌、自身固氮菌用稀釋平板計數法測定［12］；土壤微生物生物量碳用熏蒸提取—儀器分析法、土壤微生物生物量氮用熏蒸提取—凱氏定氮法測定［13］；土壤脲酶用苯酚鈉比色法、蛋白酶用Folin－Ciocalteu比色法、轉化酶用硫代硫酸鈉滴定法測定［14］。

1.2.4 數據分析 采用SPSS 11.5進行單因素方差分析（One－way ANOVA）、顯著性檢驗（Duncan法）和相關分析（Pearson法）；采用Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性狀的變化

2.1.1 土壤機械組成的變化 土壤機械組成是影響土壤一系列物理與化學性質的重要因子，土壤機械組成不同，土壤的養(yǎng)分含量和供給能力不同。典型草原恢復演替過程中土壤機械組成發(fā)生了明顯變化（表2），表現為隨圍封年限的延長，土壤0～10，10～20cm土層中粗沙（3.00～0.25mm）含量顯著降低（P＜0.05），圍封13年最低，之后略有增加；細沙（0.25～0.05mm）、粉粒（0.05～0.002）和粘粒（＜0.002mm）含量顯著增加（P＜0.05），以圍封10～13年最高，之后略有降低。

表2 典型草原恢復演替過程中土壤機械組成變化Table 2 Changes of soil mechanical composition of typical steppe in the restoration succession process %

2.1.2 土壤容重和孔隙度的變化 土壤容重和孔隙度及其分布可以反映土壤結構的好壞，影響著土體中水、肥、氣、熱等諸肥力因素的變化和協(xié)調［7］。與自由放牧草地相比，圍封后由于植被恢復，其覆蓋作用使土壤免遭風蝕，并隨著大量枯落物的歸還以及植被對風蝕細粒物質和降塵的截獲效應，使得圍封后土壤0～30cm土層容重顯著下降，孔隙度顯著增加（P＜0.05）（圖1）。具體為，圍封7，10，13，20年，土壤0～10cm土層容重下降4.12%，11.32%，14.56%，5.67%，孔隙度增加5.67%，7.40%，7.95%，5.44%；10～20cm 土層容重下降0.56%，4.35%，6.19%，4.96%，孔隙度增加4.78%，7.20%，7.74%，4.93%；20～30cm 容重下降1.04%，2.36%，3.17%，0.52%，孔隙度增加2.37%，3.55%，4.89%，2.61%。

2.2 土壤養(yǎng)分的變化

土壤養(yǎng)分動態(tài)變化的研究能夠直接而準確地反映植物與土壤環(huán)境作用的本質關系和動態(tài)特征，特別是半干旱脆弱地帶草地自然修復對其土壤生態(tài)環(huán)境產生的效應，從而達到認識草地封育恢復與管理運營模式的目的［9］。重度退化自由放牧草地采用生長季圍封措施后，草地恢復演替，土壤養(yǎng)分含量顯著增加，且隨圍封年限的延長呈增加的變化趨勢（表3）。同時，土壤養(yǎng)分向表層聚集明顯，表現出植被恢復對土壤養(yǎng)分的表聚作用。具體為，與重度退化自由放牧草地相比，圍封7年，土壤0～10cm土層有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量均顯著增加（P＜0.05），10～20cm土層全磷含量顯著增加（P＜0.05），20～30cm土層養(yǎng)分含量無顯著性增加；圍封10，13，20年，土壤0～10cm土層有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量均顯著增加（P＜0.05），10～20 cm土層全氮、全磷、速效磷、速效鉀含量均顯著增加（P＜0.05），20～30cm土層全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量顯著增加（P＜0.05）。

圖1 典型草原恢復演替過程中土壤容重及孔隙度變化Fig.1 Changes of bulk density and total porosity of typical steppe in the restoration succession process

表3 典型草原恢復演替過程中土壤養(yǎng)分變化Table 3 Changes of nutrients of typical steppe in the restoration succession process

2.3 土壤生物學性狀的變化

2.3.1 土壤微生物數量的變化 土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤微生物的活動與土壤礦物的分解有密切關系，特別是對土壤團粒結構的形成及穩(wěn)定起著決定作用，同時也影響植物根系對養(yǎng)分的吸收［12，15］。典型草原恢復演替過程中，土壤細菌、真菌、放線菌、自身固氮菌數量顯著增加（圖2），不同圍封年限土壤0～30 cm土層細菌數量的高低順序為：20Ex＞7Ex＞13Ex＞10Ex＞0Ex，真菌、放線菌和自身固氮菌數量的高低順序為：13Ex＞20Ex＞10Ex＞7Ex＞0Ex。具體表現為，1）與自由放牧草地相比，圍封7，10，13年，土壤0～10cm土層細菌數量無顯著性增加，10～20，20～30cm土層細菌數量呈無規(guī)律性變化；圍封20年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層細菌數量均顯著增加（P＜0.05）。2）圍封7，10年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層放線菌數量無顯著性增加；圍封13年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層放線菌數量顯著增加（P＜0.05）；圍封20年，土壤0～10cm土層放線菌數量顯著增加（P＜0.05），10～20，20～30cm土層放線菌數量無顯著性增加。3）圍封7，10年，土壤0～10cm土層真菌數量顯著增加（P＜0.05），10～20，20～30cm土層真菌數量無顯著變化；圍封13，20年，土壤各層真菌數量均顯著增加（P＜0.05）。4）圍封7年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層自身固氮菌無顯著性增加；圍封10，13，20年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層自身固氮菌數量均顯著增加（P＜0.05）。上述研究結果表明，典型草原圍封后植被恢復演替，較多的根量和凋落物的輸入與分解改善了土壤環(huán)境，促進了土壤有機質的形成和積累，土壤環(huán)境良性發(fā)展，微生物數量增加。

圖2 典型草原恢復演替過程中土壤微生物數量及生物量的變化Fig.2 Changes of soil microbial number and biomass of typical steppe in the restoration succession process

2.3.2 土壤微生物生物量碳、氮的變化 土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass C）是指土壤中所有活微生物體中碳的總量，通常占微生物干物質的40%～50%，是反映土壤微生物生物量大小的重要指標。典型草原恢復演替過程中土壤微生物生物量碳含量顯著增加（圖2），圍封7年，土壤0～10cm土層微生物生物量碳含量顯著增加，與自由放牧草地差異顯著（P＜0.05），10～20，20～30cm土層無顯著變化；圍封10，13，20年，土壤0～10，10～20，20～30cm微生物生物量碳含量均顯著增加，與自由放牧草地差異顯著（P＜0.05）。

土壤微生物生物量氮（soil microbial biomass N）是指土壤中所有活微生物體中氮的總量，是土壤中最活躍的有機氮組分，其周轉速率快，對土壤氮素循環(huán)及植物氮素營養(yǎng)起主要作用。典型草原恢復演替過程中土壤微生物生物量氮含量顯著增加（圖2），圍封7年，土壤0～10cm土層微生物生物量氮含量顯著增加，與自由放牧草地差異顯著（P＜0.05），10～20，20～30cm土層無顯著變化；圍封10，13，20年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層微生物生物量氮含量均顯著增加，與自由放牧草地差異顯著（P＜0.05）。

2.3.3 土壤酶活性的變化 土壤酶參與土壤的發(fā)生、發(fā)展及許多重要的生物化學過程，并與土壤肥力形成密切相關［16］。典型草原恢復演替過程中土壤脲酶、蛋白酶及轉化酶活性均顯著增強（表4），不同圍封年限土壤0～30 cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性的高低順序為：13Ex＞20Ex＞10Ex＞7Ex＞0Ex。具體為，與自由放牧草地相比，圍封7年，土壤0～10cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性顯著增強（P＜0.05），10～20，20～30cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性無顯著變化；圍封10年，土壤0～10cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性顯著增強（P＜0.05），10～20cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性無顯著變化，20～30cm土層脲酶和轉化酶活性顯著增強（P＜0.05），蛋白酶活性無顯著變化；圍封13年，土壤0～10，10～20，20～30cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性均顯著增強（P＜0.05）；圍封20年，土壤0～10，20～30cm土層脲酶、蛋白酶、轉化酶活性顯著增強（P＜0.05），10～20cm土層蛋白酶、轉化酶活性顯著增強（P＜0.05），脲酶活性無顯著性變化。

表4 典型草原恢復演替過程中土壤酶活性的變化Table 4 Changes of enzyme activities of typical steppe in the restoration succession process

2.4 土壤生物學性狀與理化性狀間的相關關系

典型草原恢復演替過程中土壤生物學性狀與理化性狀相關分析結果表明（表5），土壤生物學性狀與土壤容重呈負相關關系，與＜0.05mm的粘粉粒含量、孔隙度、有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀呈正相關關系，以真菌數量、微生物生物量氮、蛋白酶活性3個生物學指標與土壤理化性狀指標間的相關關系最為顯著。

表5 土壤生物學性質與理化性質間的相關性分析Table 5 The correlation coefficients between soil biological properties and soil physicochemical properties

3 討論與結論

前人研究指出，退化草地圍封后植被恢復演替，土壤結構與環(huán)境改善，土壤有機質和養(yǎng)分含量增加［4－10］，土壤微生物數量增加、酶活性增強［17－19］。本研究結果表明，典型草原恢復演替過程中，土壤性狀發(fā)生了一系列演變。與自由放牧草地相比，圍封7，10，13，20年，土壤0～30cm土層容重顯著下降，＜0.05mm的粉粘粒含量和孔隙度顯著增加；土壤養(yǎng)分、微生物數量、微生物生物量顯著增加，酶活性增強，且隨圍封年限的延長呈增加的變化趨勢，同時，土壤養(yǎng)分向表層聚集明顯，表現出植被恢復對土壤養(yǎng)分的表聚作用。分析圍封對土壤物理、化學和生物學因素的影響機理為：退化草地圍封后，草地恢復演替，植被蓋度增加，從而抑制了土壤侵蝕，土壤結構改善，容重下降，孔隙度增加；且圍封后多年生禾草增加，禾草具有致密的根系，較多的根量和地表凋落物的輸入與分解促進了土壤有機質的形成和積累，為土壤微生物提供了充足的食物源，土壤養(yǎng)分含量增加，微生物數量和酶活性增強。

寶音陶格濤等［20］指出，在錫林郭勒盟典型草原區(qū)，過去幾十年由于忽視草地資源的科學管理和合理利用，采取掠奪式經營，超載放牧，草畜矛盾日益突出，生態(tài)系統(tǒng)平衡失調，導致草地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境惡化，生產力下降，草場退化加劇。近年來，隨著以草定畜、圍封轉移、季節(jié)休牧等政策的實施，牧民多數將自己所分草場進行圍欄保護，留作割草地以做冬春飼草。但是這部分有限的圍欄草場要想維持家庭的正常經濟運作，不得不采用連年打草的方式來滿足各戶的牲畜數量與質量，這樣草場得不到緩息，退化現象仍得不到有效的遏制。本研究結果顯示，退化草地采用生長季圍封恢復措施后，土壤結構與環(huán)境明顯改善，土壤養(yǎng)分含量隨圍封年限的延長顯著增加，但由于圍封后草地仍進行連年割草利用，連年割草一方面減少了土壤植被的覆蓋和枯枝落葉的積累，另一方面使植物體的營養(yǎng)元素從群落中輸出，養(yǎng)分虧損，失去平衡，從而導致圍封20年土壤質量有下降的變化趨勢。因此，退化草地圍封恢復演替過程中的合理利用（如合理的割草制度等）及有效管理有待進一步研究。

土壤微生物是土壤生物系統(tǒng)的重要組成部分，其數量多少、活動能力強弱和生物活性都與土壤營養(yǎng)物質的轉化能力有著直接的關系，土壤中的微生物一方面反映土壤中物質和能量代謝的旺盛程度，另一方面也反映了土壤的肥力狀況［21，22］。草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物活動能力的強弱受土壤狀況、牧草生長、利用方式和強度等的影響，且對土壤環(huán)境的變化較為敏感［23］。然而，對于土壤微生物數量、生物量及酶活性能否作為土壤肥力和土壤健康評價的指標，不同學者觀點不一。有學者認為，土壤酶活性與土壤有機質、全氮、速效磷之間具有顯著的相關性，可以用來指示土地的健康狀況［24］。土壤微生物數量和生物活性的高低具有時效性，可以反映土壤養(yǎng)分轉化的強弱，是土壤肥力和土壤健康的重要指標［25，26］。也有學者認為，土壤微生物數量和生物活性與土壤的營養(yǎng)水平間并不存在顯著相關關系［27］。本研究結果表明，放牧草地圍封后引起的土壤結構的改善和養(yǎng)分含量的增加，使土壤微生物數量和生物量增加、生物活性顯著增強，并且土壤微生物數量、生物量及生物活性的變化與土壤養(yǎng)分變化規(guī)律相同，兩者關系密切，以真菌數量、微生物生物量氮、蛋白酶活性3個生物學指標與土壤養(yǎng)分間的關系最為密切。因此認為土壤微生物數量、生物量及酶活性可以用來作為土壤肥力和土壤健康的評價指標。

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