禁牧年限對(duì)退化伊犁絹蒿荒漠土壤有機(jī)碳庫(kù)和微生物碳、氮的影響

董乙強(qiáng)，安沙舟，孫宗玖，楊 靜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

禁牧年限對(duì)退化伊犁絹蒿荒漠土壤有機(jī)碳庫(kù)和微生物碳、氮的影響

董乙強(qiáng)，安沙舟，孫宗玖，楊 靜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

【目的】明確伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠土壤有機(jī)碳庫(kù)和微生物量碳氮對(duì)禁牧年限的響應(yīng)規(guī)律，為退化荒漠的恢復(fù)、管理和利用提供科學(xué)依據(jù)。【方法】采用空間序列代替時(shí)間序列的方法，以中度退化伊犁絹蒿荒漠為對(duì)象，研究不同禁牧年限(禁牧1、4和11 a)下荒漠有機(jī)碳庫(kù)(SOC)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮庫(kù)(MBN)的變化特征。【結(jié)果】(1)與自由放牧區(qū)相比，禁牧區(qū)0～30 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。(2)隨著禁牧年限的增加，0～30 cm土壤微生物量碳儲(chǔ)量呈先降后升的變化趨勢(shì)，而土壤微生物量氮對(duì)禁牧的響應(yīng)不明顯(P＞0.05)，微生物量碳可以作為衡量退化荒漠恢復(fù)的早期指標(biāo)。【結(jié)論】短期禁牧不利于退化伊犁絹蒿荒漠土壤的恢復(fù)，而長(zhǎng)期禁牧能有效提高土壤質(zhì)量。禁牧是恢復(fù)退化荒漠最經(jīng)濟(jì)、最方便的途徑。

圍欄封育;土壤碳庫(kù);微生物量碳;微生物量氮

0 引言

【研究意義】土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)分解和營(yíng)養(yǎng)元素礦化的動(dòng)力［1］。土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)是土壤營(yíng)養(yǎng)庫(kù)的重要組成部分，雖只占土壤有機(jī)碳極少的一部分，但卻影響著植物養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化［2］，其與土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)的比值(MBC/SOC)是衡量SOC積累或缺失的重要指標(biāo)［3］，可以反映出退化草地恢復(fù)過(guò)程中土壤質(zhì)量的變化，對(duì)指導(dǎo)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建有著十分重要的意義［1］。MBC和微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)由于能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化反應(yīng)敏感而被用作評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量早期變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)［4］。放牧是新疆伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠利用的主要方式，但由于近年來(lái)對(duì)草地利用管理不善、以及荒漠區(qū)氣候環(huán)境惡劣等人為和自然因素的共同影響［5］，導(dǎo)致伊犁絹蒿荒漠呈現(xiàn)不同程度的退化，阻礙了荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的信息和能量交流，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的健康發(fā)展［6］。【前人研究進(jìn)展】禁牧是恢復(fù)退化草地的一種簡(jiǎn)單有效的途徑，禁牧可使草地生物量、多樣性增加［7］，生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)儲(chǔ)量上升［8］，利于草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的發(fā)揮。成湘等［9］通過(guò)對(duì)不同禁牧年限的蒿類荒漠研究表明，隨著禁牧年限的增加群落高度顯著增加，而生物量對(duì)禁牧的響應(yīng)不明顯;張勇娟等［10］研究表明禁牧后伊犁絹蒿的株高、生物量顯著增加?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人的研究主要在圍欄內(nèi)外土壤養(yǎng)分、土壤呼吸等［11－12］方面展開且研究結(jié)果不盡相同，而對(duì)不同禁牧年限的土壤微生物特性、有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究相對(duì)缺乏。研究以新疆天山北坡中度退化伊犁絹蒿荒漠為對(duì)象，設(shè)置3個(gè)禁牧處理(禁牧1、4和11 a)和一個(gè)對(duì)照(自由放牧區(qū))，并測(cè)定不同禁牧年限下荒漠土壤有機(jī)碳、微生物量碳氮的含量及碳庫(kù)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】對(duì)不同禁牧年限下荒漠土壤有機(jī)碳庫(kù)和微生物量碳氮的比較分析，研究其對(duì)禁牧年限的響應(yīng)規(guī)律，為退化伊犁絹蒿荒漠的恢復(fù)和管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

該試驗(yàn)區(qū)位于新疆天山北坡中段石河子市南山(44°01'～44°20'N，85°45'～85°49'E，海拔830 m左右)，屬溫帶大陸干旱性氣候。年均降水量248.8 mm，年平均氣溫8.5℃，無(wú)霜期206 d。試驗(yàn)區(qū)為典型伊犁絹蒿荒漠草地，土壤類型為灰漠土，伴生種有木地膚(Kochia prostrata)，草原苔草(Carex liparocarpos)以及角果藜(Ceratocarpus arenarius)等。在生產(chǎn)上用作春秋牧場(chǎng)，為中度退化荒漠草地［13］。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3個(gè)禁牧(Grazing Exclusion)處理:禁牧1 a(GE1)、禁牧4 a(GE4)、禁牧11 a(GE11)。3個(gè)樣地之間的距離相差不過(guò)10 m，分別從2013、2010和2003年秋季進(jìn)行圍欄禁牧，禁牧前的群落特征、植被組成、地形地貌基本一致，且均屬于中度退化草地，禁牧區(qū)面積均為50 m×50 m。在禁牧區(qū)外圍設(shè)置自由放牧區(qū)(Freely Grazing，F(xiàn)G)，且以放牧綿羊?yàn)橹鳌?/p>

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.2.1 野外土壤取樣

在3個(gè)禁牧區(qū)(1、4和11 a)和自由放牧區(qū)均設(shè)置3條樣帶，在每個(gè)樣帶上隨機(jī)布置3個(gè)1 m×1 m小樣方，2014年9月進(jìn)行群落特征調(diào)查。采用挖土塊法，在測(cè)完草地群落特征的樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置20 cm×20 cm小樣方，按土層深度0～10、10～20和20～30 cm分層取樣，取樣后將每條樣線上的3個(gè)土樣分層均勻混合，形成混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室。將其中一部分放置于4℃冰箱儲(chǔ)存，用于微生物量碳氮的測(cè)定，剩下的土樣撿出草根等雜物后自然風(fēng)干，并過(guò)0.25 mm的篩貯存以備土壤有機(jī)碳的測(cè)定。表1

表1 樣地基本情況Table1 Basic situation description of sample plots

1.2.2.2 測(cè)定指標(biāo)

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法［14］，微生物量碳(Microbial Biomass Carbon，MBC)和微生物量氮(Microbial Biomass Nitrogen，MBN)采用氯仿熏蒸浸提法［15］，將4℃保存的新鮮土樣過(guò)2 mm篩后置于25℃下的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7～15 d。將培養(yǎng)后的土樣均分成6份，3份進(jìn)行氯仿熏蒸處理(3份不熏蒸作為對(duì)照)后，加40 mL 0.25 mol/L K2SO4溶液，震蕩、過(guò)濾，浸提液中的MBN采用氯仿熏蒸提?。崛壬y(cè)定，MBC采用TOC分析儀(Elementar Analysen systeme GmbH，德國(guó))測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

SOC儲(chǔ)量(kg/m2)、MBC儲(chǔ)量(g/m2)和MBN儲(chǔ)量(g/m2)可以根據(jù)一定土壤土層中的其含量和土壤容重計(jì)算，計(jì)算公式如下［16］:

MBN=MBNi×Bi×Hi/100.

其中，SOCi、MBCi、MBNi分別表示SOC含量(g/kg)、MBC含量(mg/kg)、MBN含量(mg/ kg)，Bi表示容重(g/m3)，Di表示土層厚度(cm)，由于樣地土壤中幾乎無(wú)礫石，所以公式中略去礫石含量參數(shù)。總體土壤碳、氮儲(chǔ)量，將各層碳、氮儲(chǔ)量累加。

利用SPSS20.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件的One－way ANOVA對(duì)不同禁牧年限伊犁絹蒿荒漠草地植被特征和土壤理化指標(biāo)進(jìn)行差異分析;運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，GraphPad Prism進(jìn)行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)碳儲(chǔ)量

研究表明，0～30 cm總SOC儲(chǔ)量呈逐漸下降趨勢(shì)，禁牧區(qū)與放牧區(qū)相比分別顯著降低了13.3%，20.9%和24.3%(P＜0.05)，其降幅呈逐漸降低的趨勢(shì)，但禁牧區(qū)之間差異不顯著(P＞0.05)。隨著禁牧年限的增加，0～10 cm土壤SOC儲(chǔ)量呈先降后升的變化趨勢(shì)，在禁牧4 a達(dá)到最低(2.0 kg/m2)，而10～20和20～30 cm土層SOC儲(chǔ)量逐漸降低，表明上層土壤(0～10 cm)較下層土壤(10～30 cm)對(duì)禁牧的響應(yīng)更敏感。圖1

圖1 不同禁牧年限下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化Fig.1 The effect of grazing exclusion times on soil organic carbon storage

2.2 微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)

研究表明，0～30 cm土壤MBC儲(chǔ)量隨著禁牧年限的增加呈先降后升的變化趨勢(shì)，且在禁牧1 a達(dá)到最低(1.7 g/m2)，禁牧11 a后MBC儲(chǔ)量與放牧區(qū)相比顯著增加了89.6%(P＜0.05)。0～10 cm土壤MBC儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)與0～30 cm總變化趨勢(shì)基本一致均呈先降后升的變化。與放牧區(qū)相比，10～20和20～30 cm MBC儲(chǔ)量在禁牧1 a，4 a后沒有顯著差異(P＞0.05)，而禁牧11 a后分別顯著增加了115.3%和114.5%。圖2

圖2 不同禁牧年限下微生物量碳儲(chǔ)量變化Fig.2 The effect of grazing exclusion times on microbial biomass carbon storage

圖3 不同禁牧年限下微生物量氮儲(chǔ)量變化Fig.3 The effect of grazing exclusion times on easily oxidizable carbon storage

2.3 MBC/SOC，MBC/MBN

MBC/SOC表示微生物量碳庫(kù)儲(chǔ)量占總有機(jī)碳的比值，能夠反映出活性有機(jī)碳所占的比例，從微生物學(xué)的角度揭示土壤養(yǎng)分和肥力的變化差異。0～10和0～30 cm土壤MBC/SOC隨著禁牧年限的增加變化趨勢(shì)基本一致，均呈先略微下降后顯著上升的變化，但禁牧11 a后達(dá)到最大(分別為4.3%和3.7%)，比自由放牧區(qū)分別顯著增加了33.1%和89.6%(P＜0.05)。與自由放牧區(qū)相比，10～20和20～30 cm土壤MBC/SOC在禁牧1 a，4 a后沒有顯著變化，而到禁牧11 a后顯著增加了191.4%和199.7%(P＜0.05)。圖4

圖4 不同禁牧年限下微生物量碳儲(chǔ)量分配比例變化Fig.4 The effect of grazing exclusion times on microbial biomass carbon storage distribution ratio

研究表明，微生物量碳氮比在不同的土層對(duì)禁牧年限的響應(yīng)規(guī)律不一致。禁牧對(duì)0～10、10～20和20～30 cm土壤MBC/MBN的影響不顯著(P＞0.05)，但對(duì)0～30 cm土壤MBC/MBN有一定的影響。禁牧11 a后土壤MBC/MBN比放牧區(qū)顯著增加了74.8%(P＜0.05)。圖5

圖5 不同禁牧年限下微生物量碳氮比變化Fig.5 The effect of grazing exclusion times on ratio of microbial biomass carbon and nitrogen storage distribution ratio

2.4 禁牧年限與植被群落特征、土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性

研究表明，禁牧年限與MBC，MBC/SOC，MBC/MBN，蓋度、生物量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，而與SOC呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，說(shuō)明隨著禁牧年限的增加，微生物量碳儲(chǔ)量越大，其所占總有機(jī)碳的比例越高，但不利于土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累。SOC與MBC/SOC、蓋度、生物量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01或P＜0.05)，而生物量與MBC，MBC/SOC呈顯著或極顯著正相關(guān)，地上生物量的增加，利于MBC的積累和存儲(chǔ)。表2

表2 禁牧年限、各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table2 Correlation coefficients between grazing exclusion times and each index

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)禁牧年限的響應(yīng)規(guī)律

李建平等［17］研究表明禁牧10 a草地有機(jī)碳儲(chǔ)量與放牧區(qū)并無(wú)差異(P＞0.05)，而禁牧30 a后顯著增加(P＜0.05);何念鵬等［18］研究也表明禁牧30 a后土壤SOC固持量顯著增加(P＜0.05)。研究表明:與放牧區(qū)相比，0～30 cm禁牧區(qū)SOC儲(chǔ)量顯著下降了13.3%～24.3%，這與李建平等［17］、何念鵬等［18］的研究結(jié)果不一致，而與Shi等［19］研究的禁牧導(dǎo)致土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量降低的結(jié)果一致。造成這種結(jié)果的原因可能是:(1)與禁牧之前的放牧歷史活動(dòng)、草地類型等因素相關(guān);(2)退化荒漠禁牧后地上生物量和蓋度的增加，吸收土壤中大量養(yǎng)分，地下活性碳庫(kù)可能會(huì)轉(zhuǎn)移至地上植被中，用于提供植被的營(yíng)養(yǎng)繁殖，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)暫時(shí)性降低。

研究表明，0～10 cm SOC儲(chǔ)量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，揭示出上層土壤(0～10 cm)較下層土壤(10～20 cm)對(duì)禁牧的響應(yīng)更敏感。在較長(zhǎng)期禁牧(11 a)后植被碳庫(kù)重新回歸土壤，導(dǎo)致土壤固定的碳增加，土壤碳固持能力增加，因此長(zhǎng)期禁牧利于中度退化荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的發(fā)揮。

3.2 微生物量碳氮對(duì)禁牧年限的響應(yīng)規(guī)律

土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)能夠直觀反映土壤微生物活性及土壤肥力狀況的重要指標(biāo)［20］。楊靜等［21］研究表明隨著禁牧年限的增加，蒿類荒漠土壤MBC和MBN含量均呈先降后增的變化趨勢(shì);Northup等［22］研究認(rèn)為放牧區(qū)較禁牧區(qū)微生物碳氮含量顯著增加。研究表明，0～30和0～10 cm土壤MBC隨禁牧年限的增加均呈先將后升的變化趨勢(shì)，而MBN對(duì)禁牧的響應(yīng)不明顯，與楊靜等［21］的研究結(jié)果部分相似。在禁牧初期，由于排除了家畜的干擾導(dǎo)致荒漠植被生物量上升，致使土壤有機(jī)碳降低，進(jìn)一步影響了微生物活動(dòng)的環(huán)境，造成禁牧初期MBC呈下降趨勢(shì);隨著禁牧年限的增加，凋落物養(yǎng)分回歸土壤，土壤含水量、通透性均有一定的改善，為微生物活動(dòng)營(yíng)造出良好的生存環(huán)境，致使MBC在禁牧后期呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)。MBC與SOC相比對(duì)外界環(huán)境具有較大的敏感性，可以作為衡量退化荒漠恢復(fù)的早期指標(biāo)。

MBC/SOC可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)，在一定程度上能夠揭示出土壤微生物利用土壤有機(jī)碳的效率［23］，其利用率越高，維持相同微生物量所需的能源也就越少，表明土壤質(zhì)量比較也相對(duì)較高。研究表明:隨著禁牧年限的增加，0～30 cm土壤MBC/SOC呈整體上呈增加的趨勢(shì)(P＜0.05)，表明禁牧有利于提高土壤微生物利用土壤有機(jī)碳的效率，進(jìn)而提升土壤的質(zhì)量，且土壤質(zhì)量隨禁牧年限的增加而不斷提升。同時(shí)由于MBC/SOC對(duì)外界環(huán)境的變化較為敏感，也可作為衡量退化荒漠恢復(fù)以及反映土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)。

4 結(jié)論

4.1 與自由放牧區(qū)相比，禁牧區(qū)0～30 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。

4.20 ～30 cm土壤微生物量碳儲(chǔ)量隨著禁牧年限的增加呈先降后升的變化趨勢(shì)，禁牧11 a后微生物量碳儲(chǔ)量與放牧區(qū)相比顯著增加了89.6%(P＜0.05)，而土壤微生物量氮對(duì)禁牧的響應(yīng)不明顯(P＞0.05)。

4.3 微生物量碳和MBC/SOC與土壤有機(jī)碳相比對(duì)外界環(huán)境變化具有較高的敏感性，可以作為衡量退化荒漠恢復(fù)的早期指標(biāo)。

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Effects of Grazing Exclusion Times on Soil Organic Carbon Storage and Microbial Biomass Carbon and Nitrogen in Degraded Seriphidium transiliense Desert

DONG Yi－qiang，AN Sha－zhou，SUN Zong－jiu，YANG Jing
(College of Pratacultural and Environmental Sciences/Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China)

【Objective】This project aims to reveal the response of desert organic carbon storage and microbial biomass carbon and nitrogen to grazing exclusion times in order to provide scientific basis for restoration，management and utilization of degraded desert.【Method】The method of spatial sequence instead of the time series was used，and the soil organic carbon storage(SOC)，microbial biomass carbon(MBC) and nitrogen(MBN)under different grazing exclusion times(1 a，4 a and 11 a)in degraded desert of Seriphidium transiliense were studied.【Result】The results showed that:(1)The SOC in grazing exclusion area in 0－30 cm layer decreased by 13.3%－24.3%compared with the freely grazing area，but the SOC in 0－10 cm layer decreased at first and then increased with grazing exclusion times increased.(2)With the increase of grazing exclusion times，the MBC storage in 0－30 cm layer decreased at first and then increased，but the MBN storage was not significantly different for grazing exclusion(P＞0.05)，and the MBC could be used as an early indicator to measure the recovery of degraded desert.【Conclusion】Short－term grazing exclusion is not effective to recover the soil of S.transiliense desert but the long－term grazing exclusion can effectively improve soil quality.In a word，grazing exclusion was the most economical and convenient way to recover the degraded desert.

grazing exclusion;fencing;soil organic carbon;microbial biomass carbon;microbial biomass nitrogen

AN Sha－zhou(1956－)，male，native place:Fuping，Shaanxi.Professor，DAG;research field:Gjrssland resource and ecology，(E－mail)xjasz@126.com

S812.8

A

1001－4330(2017)05－0961－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.022

2017－03－13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“不同退化蒿類荒漠土壤有機(jī)碳組及其碳氮特征對(duì)禁牧的響應(yīng)”(31160477);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于高光譜遙感的退化伊犁絹蒿荒漠草地圍欄恢復(fù)特征的研究”(31360571)

董乙強(qiáng)(1989－)，男，江蘇邳州人，博士研究生，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)，(E－mail)1226977319@qq.com

安沙舟(1956－)，男，漢，陜西富平人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)，(E－mail)xjasz@126.com

Supported by:Supported by the National Natural Science Foundation of China"The Fractions of Soil Organic Carbon for Different Degraded Artemisia Desert Grasslands Response to Grazing Exclusion"(31160477);Supported by the National Natural Science Foundation of China"Study on the Recovery Characteristics by Hyperspectral Remote Sensing to the Degraded Seriphidium transiliense Desert Grassland(31360571)