禁牧對祁連山冰溝流域高山草甸土有機(jī)碳及理化性質(zhì)和酶活性的影響

邱麗華,秦嘉海，張 勇

(1.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 甘肅 張掖 734000; 2.甘肅省張掖市肅南縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 甘肅 張掖 734400)

禁牧對祁連山冰溝流域高山草甸土有機(jī)碳及理化性質(zhì)和酶活性的影響

邱麗華1,2,秦嘉海1，張 勇1

(1.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 甘肅 張掖 734000; 2.甘肅省張掖市肅南縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 甘肅 張掖 734400)

在青海省祁連山冰溝流域的高山草甸土上，選擇放牧與禁牧2個(gè)樣品采集區(qū)，研究了禁牧對祁連山冰溝流域高山草甸土有機(jī)碳及理化性質(zhì)和酶活性的影響。結(jié)果表明：高山草甸土遭到放牧牲畜連續(xù)3年的啃食和踐踏后，植被覆蓋度明顯降低，歸還到土壤中的生物量和枯落物積累量減少，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)碳密度、總孔隙度、團(tuán)聚體、田間持水量、氮磷鉀和酶活性降低，容重、CaCO3和可溶性鹽增加，但20 cm以下土層這些性質(zhì)變化不大。放牧與禁牧比較，0～20 cm土層土壤容重、可溶性鹽和CaCO3分別增加14.15%、6.35%和1.27%；有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度、總孔隙度、團(tuán)聚體和田間持水量分別降低29.76%、22.82%、9.45%、6.49%和7.69%；全氮、全磷、全鉀、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶分別降低25.97%、15.56%、12.17%、33.77%、26.11%、42.00%、29.31%。放牧對有機(jī)碳、容重、孔隙度、田間持水量、可溶性鹽、氮磷鉀和酶活性影響深度為20 cm，對團(tuán)聚體影響深度為40 cm。

祁連山；高山草甸土；有機(jī)碳；酶活性

草地放牧不但對草原的可持續(xù)利用形成了很大的威脅，而且對土壤有機(jī)碳及理化性質(zhì)和酶活性也有影響[1]。草地放牧不僅引起植物群落物種組成和群落結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致生產(chǎn)力下降[2]；草地放牧是草地生態(tài)系統(tǒng)逆行演替的一種過程，草地放牧表現(xiàn)為環(huán)境劣變以及生物多樣性和復(fù)雜程度降低，生態(tài)系統(tǒng)彈性減弱等[3]。近年來, 祁連山冰溝流域草地由于超載放牧,致使冰溝流域草地的牧草種類減少,地上部分生物量降低,有毒有害植物擴(kuò)展蔓延,草地生產(chǎn)力降低，土壤酶活性降低,導(dǎo)致天然草地退化、沙化、水土流失現(xiàn)象明顯[4]。因此，研究祁連山冰溝流域放牧與禁牧土壤理化性質(zhì)及有機(jī)碳和酶活性變化規(guī)律，對改善祁連山冰溝流域土壤生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。有關(guān)祁連山土壤有機(jī)碳特征及其影響因素研究報(bào)道較多[5-10]，而祁連山冰溝流域放牧與禁牧高山草甸土理化性質(zhì)及有機(jī)碳和酶活性變化規(guī)律的研究未見文獻(xiàn)報(bào)道，本文以祁連山冰溝流域放牧與禁牧為研究對象，旨在揭示祁連山冰溝流域放牧與禁牧高山草甸土理化性質(zhì)及有機(jī)碳和酶活性變化規(guī)律,為祁連山冰溝流域草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省祁連山冰溝流域東經(jīng)100°12′52.4″～100°13′31″，北緯38°03′54.9″～38°04′20″，地形為緩山坡，海拔高度3 600～3 624 m，年降水量400～450 mm，年均蒸發(fā)量860～1 100 m，年均氣溫-6℃～4℃，日照時(shí)間2 100 h，土壤類型為高山草甸土[11]，成土母質(zhì)為坡積物，代表性植物為小嵩草(Kobresiahumilis)、線葉篙草(K.Piillofail)、矮篙草(K.humilis)、柄狀苔草(Carexpediformis)、垂花龍膽(Gentiananutans)、疑早熟禾(PoaincertaKeng)、圓穗蓼(Polygo-numsphaerostachyum)、異針茅(StipaalienaPaali)、紫花針茅(S.puypurea)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集方法 2012年6月30日在青海省祁連山冰溝流域海拔、坡向、坡度相近一致的高山草甸土上，選定兩處試驗(yàn)樣地，一處為放牧區(qū)(2013年6月開始放牧，全年放牧,無禁牧期)，另一處為禁牧區(qū)(2013年6月30日開始禁牧，草地完全封育,全年無放牧活動(dòng))，2015年6月30日分別在2個(gè)樣品采集區(qū)內(nèi)設(shè)置50 m×50 m的樣方，每個(gè)樣方按S形選取 3個(gè)樣點(diǎn)(重復(fù)3次)，從地表開始向下挖掘3個(gè)土壤剖面，每個(gè)剖面點(diǎn)按照0～20、20～40、40～60 cm間距自下而上逐層采集土樣各3 kg，用4分法帶回1 kg混合土樣室內(nèi)化驗(yàn)分析，土壤容重、團(tuán)聚體用環(huán)刀在每個(gè)土層采集原狀土，樣品采集區(qū)基本情況和土壤剖面特征見表1。

表1 測試樣品采集區(qū)基本情況

1.2.2 測定指標(biāo)及方法 土壤容重采用環(huán)刀法測定；孔隙度采用計(jì)算法求得；>0.25 mm團(tuán)聚體采用團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀測定，具體方法是：按照0～20、20～40、40～60 cm間距自下而上逐層采集長10 cm，寬10 cm，厚度20 cm的土柱，剝離受采樣刀具影響的土柱邊面，放在飯盒內(nèi)運(yùn)回室內(nèi)，沿土壤的自然結(jié)構(gòu)將原狀土剝成小土塊，并剔去粗根和小石塊，土樣攤平風(fēng)干15 d，稱取100 g風(fēng)干土，放置在孔徑0.25 mm的土篩中，將土篩放入團(tuán)粒分析儀的水桶中，沖洗30 min，將孔徑上面>0.25 mm團(tuán)聚體烘干至恒重，稱重得到團(tuán)聚體質(zhì)量；田間持水量采用威爾科克斯法測定，具體方法是：用環(huán)刀采原狀土，放在水中飽和24 h,將裝有飽和水分的濕土環(huán)刀底蓋打開，連同濾紙一起放在裝風(fēng)干土的環(huán)刀上，經(jīng)過8 h吸水后，從上面環(huán)刀中取土20 g,采用烘干法測定其含水量，取3次平均值計(jì)算田間持水量；可溶性鹽測定采用電導(dǎo)法，具體方法是：在室內(nèi)將分析純氯化鈉配制為0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%、0.65%、0.70%、0.75%、0.80%、0.85%、0.90%、1.00%系列濃度，用DDS-11型電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率，以鹽濃度為縱坐標(biāo)，電導(dǎo)率為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，將測定的樣品電導(dǎo)率，在標(biāo)準(zhǔn)曲線查得鹽濃度，再乘樣品稀釋倍數(shù)得到樣品可溶性鹽含量[12]；全氮采用CuSO4—K2SO4—H2SO4消煮蒸法測定；全磷采用碳酸鈉熔融法測定；全鉀采用NaOH熔融火焰光度法測定；土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量采用K2Cr2O7法測定[13]；脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶采用關(guān)松蔭土壤酶測定法[14]。

土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式為[15]：

SOC=T×q×C×(1-d%)/100

式中，SOC為土壤有機(jī)碳密度(kg·m-2)；T為土層厚度(cm)；q為土壤容重(g·cm-3)；C為土壤有機(jī)碳平均含量(g·kg-1)；d為直徑>2 mm石礫含量(%)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，不同土層土壤特性的差異顯著性采用多重比較，LSR檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對土壤有機(jī)碳含量和密度的影響

2.1.1 有機(jī)碳含量 放牧直接影響表層土壤有機(jī)碳含量，由表2可知,放牧與禁牧土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著。禁牧區(qū)0～20 cm土層有機(jī)碳含量為24.09 g·kg-1，而放牧3年后0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量急劇下降，放牧與禁牧比較，0～20 cm土層有機(jī)碳含量降低29.76%。究其原因,一是放牧后植被受牲畜啃食，降低了植被的覆蓋，地上部分生物量和枯落物積累量降低[16]。放牧和禁牧20～40 cm和40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量差別不大，說明放牧對0～20 cm土層有機(jī)碳含量影響較大，對20 cm以下土層有機(jī)碳含量影響較小。另外，放牧與禁牧不同層次土壤有機(jī)碳含量均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，各土層之間差異極顯著(P<0.01)，究其原因是隨著土層深度的增加，植物殘?bào)w和根系數(shù)量減少[17-18]，放牧與禁牧40～60 cm土層有機(jī)碳含量差別不大,說明放牧對土壤底層有機(jī)碳含量影響較小(表2)。

表2 放牧與禁牧有機(jī)碳分布

注：同列大寫字母為LSR0.01、小寫字母為LSR0.05顯著差異水平，下同。

Note: uppercase and lowercase letters indicate significance ofLSR0.01andLSR0.05, respectivley, the same below.

2.1.2 有機(jī)碳密度 由表2可知，禁牧區(qū)0～20 cm土層有機(jī)碳密度為4.25 kg·m-2，而放牧3年后0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)密度為3.28 kg·m-2，放牧與禁牧比較，0～20 cm土層有機(jī)碳密度降低22.82%。禁牧區(qū)和放牧區(qū)不同層次土壤有機(jī)碳密度均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，0～20 cm土層有機(jī)碳密度與各土層之間差異極顯著(P<0.01)，其中，放牧與禁牧0～20 cm土層有機(jī)碳密度分別是40～60 cm土層的3.43和2.78倍，說明禁牧區(qū)和放牧區(qū)有機(jī)碳密度表現(xiàn)出很強(qiáng)的表聚性。另外，放牧和禁牧20～40 cm和40～60 cm土層有機(jī)碳密度差別不大,說明放牧對土壤底層有機(jī)碳密度影響較小(表2)。

2.2 放牧對土壤物理性質(zhì)和田間持水量的影響

2.2.1 容重 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土層容重為1.21 g·cm-3，與禁牧區(qū)比較，容重增大14.15%，20～40 cm和40～60 cm土層容重分別為1.18 g·cm-3和1.27 g·cm-3，與禁牧區(qū)比較，容重分別增大0.85%和0.79%，說明放牧對土壤容重影響的深度為20 cm，對20 cm以下土層影響較小，究其原因是放牧區(qū)0～20 cm土層由于放牧牲畜踐踏導(dǎo)致土壤緊實(shí)，容重增大。禁牧區(qū)0～60 cm土層容重均隨著剖面垂直深度的加深而遞增，各土層之間差異極顯著(P<0.01)，而放牧區(qū)0～20 cm土層容重大于20～40 cm土層，說明放牧牲畜踐踏表土層并導(dǎo)致土壤緊實(shí)容重逐步增大的效應(yīng)非常明顯(表3)。

表3 土壤剖面物理性質(zhì)和田間持水量

2.2.2 總孔隙度 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土層總孔隙度為54.33%，與禁牧區(qū)比較，總孔隙度降低9.45%，20～40 cm和40～60 cm土層總孔隙度分別為55.47%和52.08%，與禁牧區(qū)比較，分別降低0.71%和0.68%，說明放牧對土壤總孔隙度的影響深度為20 cm，究其原因是放牧區(qū)地表遭到放牧牲畜踐踏后土壤緊實(shí)，因而降低了孔隙度。禁牧區(qū)0～60 cm土層總孔隙度均隨著剖面垂直深度的加深而遞減，各土層之間差異顯著或極顯著，而放牧區(qū)0～20 cm土層總孔隙度小于20～40 cm土層，這種變化規(guī)律與放牧牲畜踐踏有關(guān)(表3)。

2.2.3 團(tuán)聚體 由表3可知，放牧3年后0～20 cm和20～40 cm土層團(tuán)聚體分別為23.62%和19.33%，與禁牧區(qū)比較，團(tuán)聚體分別降低6.49%和5.29%，究其原因是放牧區(qū)地上部分植被遭到牲畜啃食后，每年歸還到土壤中的生物量減少，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量減低，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)在土壤中合成了腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)中的多元酚和氨基酸是形成團(tuán)聚體的基本材料。放牧區(qū)40～60 cm土層團(tuán)聚體為14.25%，與禁牧區(qū)比較，降低3.45%，說明放牧對0～40 cm土層團(tuán)聚體影響較大，對40 cm以下團(tuán)聚體影響較小。放牧與禁牧不同層次土壤團(tuán)聚體均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，0～20 cm土層團(tuán)聚體分別是40～60 cm土層的1.66倍和1.71倍，差異極顯著(P<0.01)，說明放牧對土壤表層團(tuán)聚體影響較大(表3)。

2.2.4 田間持水量 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土層田間持水量為19.45%，與禁牧區(qū)比較，田間持水量降低7.69%，20～40 cm和40～60 cm土層田間持水量分別為17.93%和13.40%，與禁牧區(qū)比較分別降低1.80%和1.83%，說明放牧對0～20 cm土層間持水量影響較大，對20～40 cm和40～60 cm土層間持水量影響較小。放牧與禁牧不同層次田間持水量均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，0～20 cm土層田間持水量分別是40～60 cm土層的1.45倍和1.54倍，差異極顯著(P<0.01)，這種變化規(guī)律與孫慧蘭、李衛(wèi)紅、楊余輝等研究結(jié)果相一致[19](表3)。

2.3 放牧對土壤可溶性鹽和CaCO3的影響

由表4可知，放牧3年后0～20 cm土層可溶性鹽含量為2.51 mg·kg-1，與禁牧區(qū)比較，可溶性鹽增加6.35%，20～40 cm和40～60 cm土層可溶性鹽含量分別為1.80 mg·kg-1和1.29 mg·kg-1，與禁牧區(qū)比較，可溶性鹽分別增加1.69%和0.78%，說明放牧對可溶性鹽的作用主要在0～20 cm土層，對20 cm以下土層影響較小。究其原因是，放牧區(qū)地表植被遭到牲畜啃食，植被覆蓋度降低，土壤蒸發(fā)量增大，土壤水分沿著毛管上升到表層，水分蒸發(fā)，可溶性鹽沉積在地表，因而增大了表層含鹽量。放牧與禁牧不同層次可溶性鹽均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，不同層次可溶性鹽差異極顯著(P<0.01)。由表4可知，放牧3年后0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層CaCO3分別為84.22、69.14 mg·kg-1和36.42 mg·kg-1，與禁牧區(qū)比較，CaCO3分別增加1.27%、0.83%和0.47%，說明放牧對CaCO3影響較小。放牧區(qū)和禁牧區(qū)不同層次CaCO3含量均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表4)。

2.4 放牧對土壤氮磷鉀和酶活性的影響

2.4.1 氮磷鉀 由表4可知，放牧3年后0～20 cm土層全氮、全磷和全鉀分別為5.36、0.38 g·kg-1和12.41 g·kg-1，與禁牧區(qū)比較，全氮、全磷和全鉀分別降低25.97%、15.56%和12.17%；20～40 cm土層全氮、全磷和全鉀含量分別為4.10、0.20 g·kg-1和9.84 g·kg-1，與禁牧區(qū)比較，全氮、全磷和全鉀分別降低3.53%、4.76%和0.51%；40～60 cm土層全氮、全磷和全鉀含量分別為2.08、0.15 g·kg-1和2.45 g·kg-1，與禁牧區(qū)比較，分別降低2.35%、6.25%和2.17%。說明放牧對0～20 cm土層全氮、全磷和全鉀影響較大，對20～60 cm土層影響較小，這種變化規(guī)律與地表枯落物積累量有關(guān)。放牧與禁牧不同層次土壤全氮、全磷和全鉀均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，各土層之間差異極顯著(P<0.01)(表4)。

表4 土壤剖面化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量特征

2.4.2 酶活性 由表5可知，放牧3年后0～20 cm土層脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶分別為0.51 mg·kg-1·h-1、5.01 mg·g-1·d-1、2.14 g·kg-1·d-1和0.41 ml·g-1，與禁牧區(qū)比較，分別降低33.77%、26.11%、42.00%和29.31%,20～40 cm土層脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶分別為0.50 mg·kg-1·h-1、4.32 mg·g-1·d-1、2.01 g·kg-1·d-1和0.31 ml·g-1，與禁牧區(qū)比較，分別降低1.96%、0.46%、1.47%和3.23%,40～60 cm土層脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶分別為0.22 mg·kg-1·h-1、1.21 mg·g-1·d-1、0.92 g·kg-1·d-1和0.12 ml·g-1，與禁牧區(qū)比較，分別降低4.34%、1.62%、2.13%和7.69%,說明放牧對0～20 cm土層酶活性影響較大，對20～60 cm土層影響較小。放牧與禁牧區(qū)不同層次土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，各土層之間差異極顯著(P<0.01)，這種變化規(guī)律與楊遠(yuǎn)平、樊軍、郝明德研究結(jié)果相吻合[20-21](表5)。

表5 土壤剖面酶活性的變化特征

3 結(jié) 論

高山草甸土遭到放牧牲畜連續(xù)3年的啃食和踐踏后，植被覆蓋度明顯降低，歸還到土壤中的生物量和枯落物積累量減少，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)碳密度、總孔隙度、團(tuán)聚體、田間持水量、氮磷鉀和酶活性降低，容重、CaCO3和可溶性鹽增加，但20 cm以下土層這些性質(zhì)變化不大。放牧對高山草甸土有機(jī)碳、容重、孔隙度、持水量、可溶性鹽、氮磷鉀和酶活性影響較大，對CaCO3影響較小。放牧對有機(jī)碳、容重、孔隙度、田間持水量、可溶性鹽、氮磷鉀和酶活性影響深度為20 cm，對團(tuán)聚體影響深度為40 cm。不論是放牧還是禁牧區(qū)，0～60 cm土層土壤有機(jī)碳、孔隙度、團(tuán)聚體、田間持水量、可溶性鹽、CaCO3、全氮、全磷和全鉀、酶活性均隨著土壤剖面垂直深度的增加而遞減，容重隨著剖面垂直深度的加深而遞增。放牧區(qū)0～20 cm土層容重大于20～40 cm土層，總孔隙度小于20～40 cm土層，說明放牧牲畜踐踏表土層并導(dǎo)致土壤緊實(shí)容重逐步增大的效應(yīng)非常明顯。

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Effect of banning grazing on alpine meadow soil organic carbon, physio-chemical properties and enzyme activities in Binggou Watershed, Qilian Mountains

QIU Li-hua1,2, QIN Jia-hai1, ZHANG Yong1

(1.SchoolofAgricultureandBiotechnologyofHexiUniversity,Zhangye,Gansu734000,China;2.ZhangyeinGansuProvinceSunaCountyAgriculturalTechnologyPromotionCenter,Zhangye,Gansu734400,China)

The experiment was conducted to determine the influence of banning grazing on alpine meadow soil organic carbon, physio-chemical properties and enzyme activities at Ice Valley, Qilian Mountain. The results showed that the vegetation coverage, soil biomass and organic matter content of alpine meadow soil were decreased significantly after grazing for three years. Organic matter content, organic carbon density, total porosity, aggregate, field capacity, NPK content and enzyme activity at 0～20 cm layer was decreased, and soil bulk density, CaCO3and soluble salt content was increased. Compared with grazing, the soil bulk density, CaCO3and soluble salt content at 0～20 cm layer in area of grazing prohibition were increased by 14.15%, 6.35%, and 1.27%, and organic matter content, organic carbon density, total porosity, aggregate, and field capacity by 29.76%, 22.82%, 9.45%, 6.49%, and 7.69%, respectively; while the urease, sucrase, phosphatase and calatase activities and total NPK was reduced by 33.77%, 26.11%, 42.00%, 29.31%, 25.97%, 15.56% and 12.17%, respectively. In conclusion, the influencing depth of grazing on organic carbon, soil bulk density, total porosity, field capacity decreased, soluble salt content, NPK and enzyme activity was 0～20 cm soil depth, whereas that on aggregate was 0～40 cm soil depth.

Qilian Mountain; alpine meadow soil; organic carbon; enzyme activity

1000-7601(2017)04-0179-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.27

2016-04-22

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“黑河流域生態(tài)水分樣帶調(diào)查”(91025002/D010106)

邱麗華(1969—)，女，甘肅肅南人，高級農(nóng)藝師，主要從事水土保持學(xué)研究。

張 勇(1963—)，男，甘肅民樂人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事植物生態(tài)學(xué)和水土保持學(xué)研究。 E-mail: gsqlh2006@163.com。

S714.2

A