不同荒漠草原植被根際與非根際土壤養(yǎng)分及碳庫(kù)管理指數(shù)特征

張義凡,陳林,李學(xué)斌,李月飛,楊新國(guó)

(1.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，寧夏 銀川 750021)

不同荒漠草原植被根際與非根際土壤養(yǎng)分及碳庫(kù)管理指數(shù)特征

張義凡1,陳林1,李學(xué)斌2*,李月飛1,楊新國(guó)1

(1.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，寧夏 銀川 750021)

通過對(duì)寧夏荒漠草原恢復(fù)工程主要植被檸條、沙蒿、短花針茅和蒙古冰草根際與非根際表層(0～5 cm)、亞表層(5～10 cm)和深層(10～15 cm)土壤養(yǎng)分、土壤總碳(soil total organic carbon,Cr)、活性有機(jī)碳(active organic carbon,CA)、碳庫(kù)指數(shù)(carbon pool index,CPI)及碳庫(kù)管理指數(shù)(carbon pool management index,CPMI)特征進(jìn)行分析研究，探討不同植被恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分、CPMI變化特征的影響。結(jié)果表明： 1)4種植被土壤養(yǎng)分均隨土壤深度增加呈降低趨勢(shì)，根際大于非根際，檸條群落根際和非根際表層速效鉀(AK)含量高達(dá)130.81和111.96 mg/kg，相對(duì)于亞表層和深層分別高6.87、31.65 mg/kg和23.57、61.44 mg/kg，隨土層深度增加，根際表層，亞表層和深層比非根際土壤分別高18.84、35.55和48.63 mg/kg，表現(xiàn)出了荒漠草原特殊的“肥島”聚集效應(yīng)，不同群落間差異顯著(P<0.05)； 2)4種植被類型土壤總有機(jī)碳Cr含量在2.09～17.11 g/kg范圍內(nèi)，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)CPMI均表現(xiàn)為根際大于非根際，Cr和CA含量在土壤垂直剖面中的分布相似，具有一定的“聚表效應(yīng)”，檸條和蒙古冰草群落表層比亞表層碳庫(kù)活度分別增加了38.41%和29.54%，不同植被類型之間碳庫(kù)活度表現(xiàn)為蒙古冰草>沙蒿>檸條>短花針茅，植被恢復(fù)顯著改善了土壤有機(jī)質(zhì)分布狀況和土壤碳庫(kù)質(zhì)量，明顯增強(qiáng)荒漠草原土壤碳匯功能； 3)荒漠草原土壤CPMI 與土壤養(yǎng)分含量顯著相關(guān)(P<0.05)，pH與Cr、CA、CPI和CPMI呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.661、-0.437、-0.661和-0.410，與其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05；P<0.01)，土壤氮(N)、磷(P)、鉀(K)促進(jìn)了土壤碳庫(kù)循環(huán)周轉(zhuǎn)速率，顯著提高土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力。CPMI能夠用來作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤管理措施的有效指標(biāo)。

荒漠草原；根際與非根際土壤；土壤養(yǎng)分；碳庫(kù)管理指數(shù)

據(jù)世界氣象組織(2016)研究報(bào)道，自19世紀(jì)60年代以來，溫室氣體排放量持續(xù)上升，2015年達(dá)到最大值，對(duì)全球氣候產(chǎn)生顯著影響，其中CO2的貢獻(xiàn)率最大，由此，“氣候危機(jī)”的到來引得專家一致關(guān)注于全球碳循環(huán)的研究。據(jù)估計(jì)，全球約有2300 Gt的碳以有機(jī)質(zhì)形式儲(chǔ)存于土壤中，分別是陸地植被(550 Gt)和大氣碳庫(kù)(800 Gt) 的2～4倍[1]，如此巨大的庫(kù)容使得其極小變幅都會(huì)導(dǎo)致全球氣候產(chǎn)生明顯變化，同時(shí)也對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被的分布格局、養(yǎng)分供應(yīng)、生態(tài)功能等產(chǎn)生影響[2]，根際作為植物能量和物質(zhì)代謝最活躍的部位，生理活動(dòng)明顯影響著土壤性狀、植物生長(zhǎng)狀況[3-4]和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)循環(huán)及組分分布格局，對(duì)提高土壤肥力、改善土壤質(zhì)量具有重要意義[5]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)根際與非根際土做了多方面的研究，張海涵等[6]研究發(fā)現(xiàn)，根際微生物多樣性差異顯著，微生物對(duì)碳源利用的種類和程度不同；Huang等[7]研究指出，杉木根際酚類分泌物增多引起嚴(yán)重的自毒作用，櫟林根系固氮菌的分泌具有抑制作用，均使得根際微生物的數(shù)量低于非根際。目前對(duì)于根際土壤的研究主要集中在土壤微生物的種類、數(shù)量及理化性質(zhì)差異[8]，而對(duì)活性有機(jī)碳及碳庫(kù)穩(wěn)定性的研究則較少。碳庫(kù)管理指數(shù)(carbon pool management index，CPMI)綜合了土壤碳庫(kù)活度指標(biāo)，與土壤物質(zhì)代謝和養(yǎng)分循環(huán)過程密切相關(guān)[9-10],能對(duì)土壤碳庫(kù)中各組分質(zhì)和量進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)，系統(tǒng)地指示土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量[11]，可用于反映土壤有機(jī)碳循環(huán)過程[12]和指示土壤質(zhì)量[13]，因此，探究植被恢復(fù)措施對(duì)土壤養(yǎng)分及CPMI的影響，對(duì)于工程措施的評(píng)價(jià)具有重要指導(dǎo)意義。

寧夏東部荒漠草原受地理和氣候條件影響，土壤貧瘠、生態(tài)環(huán)境條件較差，地處中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，屬于典型的旱生化荒漠草原。植被恢復(fù)是該區(qū)有效保持水土、減少土壤侵蝕、改善土壤質(zhì)量、提高生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)建設(shè)的重要措施。該區(qū)域關(guān)于碳庫(kù)質(zhì)量的研究大部分集中在土壤碳儲(chǔ)量[14]、碳密度[15]及有機(jī)碳分布[16]等方面，而對(duì)土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的相關(guān)報(bào)道甚少，對(duì)深入探究荒漠草原土壤有機(jī)碳庫(kù)變化尚不深入。鑒于此，本研究以寧夏東部荒漠草原4種典型植被類型為對(duì)象，探討不同植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，以期為荒漠草原區(qū)土壤質(zhì)量管理及植被恢復(fù)策略提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏東北部鹽池縣，海拔1411～1435 m，屬于典型中溫帶大陸性氣候。年平均氣溫8.2 ℃，1月(最冷)平均氣溫-8.8 ℃，7月(最熱)平均氣溫22.4 ℃；≥10 ℃年積溫2751.7 ℃，≥0 ℃年積溫3536.6 ℃，年日照時(shí)數(shù)2863.1 h。多年平均降水量230～350 mm，且降水變率大，多暴雨，7-9月降水量占全年降水的65%以上，潛在年蒸發(fā)量2700 mm，年均無霜期160 d。地帶性土壤為灰鈣土，非地帶性土壤主要是風(fēng)沙土、鹽堿土和草甸土等，其中風(fēng)沙土在中北部分布廣泛，風(fēng)沙天氣多集中于冬春季，地表沙生特征明顯，植被屬荒漠草原。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集

在寧夏鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)草原資源生態(tài)監(jiān)測(cè)站附近的退化荒漠草地中選取檸條(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiaordosica)、短花針茅(Stipabreviflora)和蒙古冰草(Agropyronmongolicum)4種典型植被為研究對(duì)象，于2015年8月中旬分別在灌木帶(檸條)、半灌木帶(沙蒿)、草本植物帶(短花針茅和蒙古冰草)以“S”型多點(diǎn)采樣法選取9個(gè)采樣點(diǎn)，分別設(shè)置大小為5 m×5 m、2 m×2 m和1 m×1 m的樣方，按表層(0～5 cm)、亞表層(5～10 cm)和深層(10～15 cm)進(jìn)行土壤分層采樣，在樣方內(nèi)采取距離植被根表面小于5 mm土作為根際土，在采樣點(diǎn)1 km范圍內(nèi)選取退化程度嚴(yán)重，植被蓋度小于 1%作為裸地采取對(duì)照土壤樣品采取對(duì)照土壤，并觀測(cè)記錄樣地地表植被分布狀況(表1)，采集的土樣挑去根系和石礫，將3個(gè)采樣點(diǎn)同一層的土壤樣品混合均勻后，自然風(fēng)干，過 2 mm土壤篩用于土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

表1 典型群落樣地以及植被特征

1.3 研究方法

1.3.1 樣品測(cè)定方法 土壤樣品基本理化性質(zhì)的測(cè)定采用常規(guī)分析方法：電位測(cè)定法(水土比5∶1)測(cè)定土壤pH、烘干法測(cè)定含水量(water content， WC)、環(huán)刀法測(cè)定容重(bulk density， BD)、凱氏定氮法測(cè)定全氮(total nitrogen， TN)、碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷(total phosphorus， TP)、堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮(active nitrogen， AN)、重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定速效磷(active phosphorus， AP)、醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀(active potassium, AK)；土壤總有機(jī)碳 (total organic carbon, Cr) 測(cè)定用 K2Cr2O7外加熱法；活性有機(jī)碳(active organic carbon, CA)采用 333 mmol/L K2MnO4氧化法測(cè)定，非活性有機(jī)碳(no active organic carbon, CNA)為總有機(jī)碳與活性碳的差值。

1.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析 不同植被恢復(fù)模式土壤碳庫(kù)管理指數(shù)以裸地土壤為參考。計(jì)算公式如下[17]:

碳庫(kù)指數(shù)(carbon pool index, CPI)=樣品總碳含量(mg/g)÷參考土壤總碳含量(mg/g)

碳庫(kù)活度(active degree, A)=活性碳÷非活性碳

碳庫(kù)活度指數(shù)(active index, AI)=樣品碳庫(kù)活度÷參考土壤碳庫(kù)活度

碳庫(kù)管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI)=碳庫(kù)指數(shù)(CPI)×碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)×100

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Excel 2010整理和作圖。其中，不同植被類型的差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行分析比較，各因子間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2結(jié)果可知，4種典型植被類型不同生境中除TP以外，土壤含水量、土壤養(yǎng)分均隨土壤深度增加而降低，且差異顯著(P<0.05)，土壤pH呈相反趨勢(shì)。土壤含水量在4種植被不同土層間變化幅度較小，差異不顯著(P>0.05)不同植被間表現(xiàn)為蒙古冰草>沙蒿>短花針茅>檸條；pH值呈現(xiàn)出沙蒿相對(duì)高于蒙古冰草和短花針茅，根際土壤大于非根際，表現(xiàn)出明顯的“肥島”聚集效應(yīng)；對(duì)全肥而言，在同一土層含量均表現(xiàn)為根際>非根際，植被類型間養(yǎng)分分布表現(xiàn)為:檸條>短花針茅>蒙古冰草>沙蒿，TN隨土壤深度的增加呈減少趨勢(shì)，蒙古冰草>短花針茅>檸條>沙蒿，不同植被間TP呈現(xiàn)出檸條>短花針茅>沙蒿>蒙古冰草，但不同土層中的分布沒有一定的規(guī)律性；表明群落類型對(duì)于土壤理化性質(zhì)具有顯著的影響；速效養(yǎng)分在不同土層中分布相似，即隨深度的增加而減小，不同群落之間相比，檸條含量最高，其根際表層AN含量為60.69 mg/kg，分別是沙蒿、蒙古冰草和短花針茅的2.945、2.318和2.044倍，差異顯著(P<0.05)，根際、非根際表層土AP含量差異較大，分別在5.58～13.70 mg/kg、2.67～10.59 mg/kg范圍內(nèi)，檸條和蒙古冰草含量相比較高，檸條和沙蒿不同土層間差異均達(dá)到顯著(P<0.05)，草本植物短花針茅和蒙古冰草群落中AP表層與深層差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與亞表層差異不顯著(P>0.05)；在不同植被下AK含量相對(duì)較高但表現(xiàn)差異大，檸條群落AK表層含量高達(dá)130.81、111.96 mg/kg，相對(duì)于亞表層和深層高出6.87、31.65 mg/kg和23.57、61.44 mg/kg，各土層根際比非根際分別高18.84、35.55和48.63 mg/kg，沙蒿、蒙古冰草和短花針茅植被群落在不同生境、不同土層、不同群落間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.2 不同典型植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳分布及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

對(duì)圖1分析可知，4種典型植被類型土壤總有機(jī)碳(Cr)、活性有機(jī)碳(CA)含量在土壤垂直剖面中的分布規(guī)律相似，即隨土層加深而降低，具有典型的“聚表效應(yīng)”，土壤總有機(jī)碳(Cr)在2.09～17.11 mg/g范圍內(nèi)，檸條和短花針茅植被Cr含量相對(duì)較大，與其他2種群落差異顯著(P<0.05)，不同植被類型間Cr差異最大，短花針茅植被土壤各土層Cr含量最高，分別達(dá)到16.57、8.70、10.30 mg/g；CA在4種植被中分布特征與總有機(jī)碳Cr相似，在同一土層深度，檸條CA含量最高，亞表層和深層土壤活性有機(jī)碳CA分布較均勻。

土壤碳庫(kù)活度(A)在不同植被類型間變化趨勢(shì)不同，短花針茅與其余3種植被類型變化趨勢(shì)相反，碳庫(kù)活度隨土層深度的增加先增加后減小，亞表層含量達(dá)到最高，在不同土層間土壤碳庫(kù)活度差異較大，檸條和蒙古冰草表層比亞表層碳庫(kù)活度分別增加了38.41%和29.54%，深層相對(duì)亞表層增加了17.95%和30.42%，在不同植被類型間碳庫(kù)活度表現(xiàn)為蒙古冰草>沙蒿>檸條>短花針茅。

表2 不同植被群落類型中的土壤理化指標(biāo)

不同大寫字母表示同一植被類型不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一土層不同植被間差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant differences (P<0.05) among different soil layers in the same typical community types; Different small letters indicate significant differences (P<0.05) in the same soil layer among the different typical community types. 1：根際土On behalf of rhizosphere soil；2：非根際土Non rhizosphere soil. WC：Water content; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; AN: Active nitrogen; AP: Active phosphorus; AK: Active potassium; 下同 The same below.

碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)能有效地反映土壤質(zhì)量和肥力狀況，本研究以裸地為對(duì)照，分析不同植被恢復(fù)措施下土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，研究結(jié)果表明：不同植被恢復(fù)措施相對(duì)于裸地根際各土層土壤CPMI均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，除沙蒿以外，其余植被恢復(fù)下非根際CPMI也相對(duì)較高，檸條植被群落根際表層CPMI遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于亞表層和深層，非根際亞表層碳庫(kù)管理指數(shù)達(dá)到最大，沙蒿群落中，土壤CPMI增長(zhǎng)較為緩慢，在非根際則大幅度降低，短花針茅根際和非根際呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，隨土壤深度的增加而增大，蒙古冰草較裸地增大幅度較大，不同生境下變化趨勢(shì)不同，表明荒漠草原植被恢復(fù)顯著改善了土壤有機(jī)質(zhì)狀況和土壤碳庫(kù)質(zhì)量，不同植被在碳庫(kù)循環(huán)機(jī)制中發(fā)揮著不同作用，不同程度地增強(qiáng)了土壤碳匯功能。

圖1 不同植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳分布及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響Fig.1 Different typical distribution of vegetation restoration on soil organic carbon and carbon management index a:檸條C. korshinskii 1;b:檸條C. korshinskii 2;c:沙蒿A. ordosica 1;d:沙蒿A. ordosica 2;e:短花針茅S. breviflora 1;f:短花針茅S. breviflora 2;g:蒙古冰草A. mongolicum 1;h:蒙古冰草A. mongolicum 2. 1：根際土Rhizosphere soil；2：非根際土Non rhizosphere soil.

2.3 荒漠草原土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

由表 3 可知，土壤理化指標(biāo)間存在相關(guān)性，土壤含水量和酸堿度與其他養(yǎng)分指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，pH與TN、AN和AK相關(guān)系數(shù)分別為-0.546、-0.606和-0.663，相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，各養(yǎng)分指標(biāo)間呈正相關(guān)，TN與TP、AN、AP和AK均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.834，TP與TN和AN相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.711和0.500，達(dá)到顯著或極顯著水平(P<0.05；P<0.01)；土壤活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)之間均存在明顯相關(guān)性(表4)，土壤總有機(jī)碳含量與活性有機(jī)碳、碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.670、1.000和0.627，碳庫(kù)指數(shù)與碳庫(kù)活度(A)、活度指數(shù)(AI)呈負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

為進(jìn)一步表明CPMI與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)機(jī)理，對(duì)土壤碳庫(kù)指標(biāo)與土壤養(yǎng)分做相關(guān)性分析(表5)可知，除含水量和酸堿度以外，Cr、CA、CPI和CPMI均與土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05；P<0.01)，酸堿度與Cr、CA、CPI和CPMI呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.661、-0.437、-0.661和-0.410。碳庫(kù)活度和活度指數(shù)與TN、TP呈負(fù)相關(guān)，與其他養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)，由此說明，CPMI較Cr和CA更為快速和準(zhǔn)確反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，能夠作為反映土壤質(zhì)量變化和評(píng)價(jià)土壤管理措施的指標(biāo)之一。

表3 不同植被恢復(fù)下土壤理化指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

*:P<0.05; **:P<0.01; 下同 The same below.

表4 不同植被恢復(fù)下土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)相關(guān)系數(shù)

Cr: Total organic carbon; CA: Active organic carbon; CNA: No active organic carbon; CPI: Carbon pool index; A: Active degree; AI: Active index. CPMI: Carbon pool management index.下同 The same below.

表5 不同植被恢復(fù)下土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)與理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 不同典型植被根際與非根際土壤養(yǎng)分元素分布特征

大量研究表明，土壤各養(yǎng)分元素含量在植物根際與非根際差異較大[18]，本研究中不同植被根際與非根際土壤各養(yǎng)分存在明顯的差異(表2)，主要是由于植被的分布影響了地表降雨產(chǎn)、匯流特征和地表水資源再分配過程[19]，在荒漠草原生境中，植物生長(zhǎng)導(dǎo)致灌叢化過程發(fā)生，使得根際土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，非根際養(yǎng)分分布較均一，這種空間異質(zhì)性隨著灌叢斑塊自身擴(kuò)展而趨于增強(qiáng)，從而導(dǎo)致荒漠草原“肥島效應(yīng)”的形成[20]，究其機(jī)理源于植被根系分泌的有機(jī)酸降低了根際土的pH，活化了根際土壤難溶性養(yǎng)分，直接或間接影響和改善根際土的養(yǎng)分有效性，從而提高了土壤養(yǎng)分含量有效性[21]，再次，有研究表明[22]，植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的物種多樣性指數(shù)隨距根際距離增大而減少，微生物類群形成了明顯的過渡帶，同時(shí)植被枯落物的分解和礦化，誘發(fā)了土壤微生物的多樣性和數(shù)量的增加[23]，兩者形成一定的反饋體系，加速了土壤養(yǎng)分循環(huán)，本研究在相同土層根際土出現(xiàn)明顯的“養(yǎng)分富集”現(xiàn)象，與其他學(xué)者[24]的研究結(jié)果一致；植被的分布很大程度地增大了生態(tài)系統(tǒng)的蓋度[25]，雨水節(jié)流作用增強(qiáng)，導(dǎo)致地表徑流量減少，隨土層深度的加大，根系分布減少[26]，加之土壤表層枯落物的累積，植被蓋度越大其凋落物積累越多，表層歸還土壤的養(yǎng)分明顯要高于亞表層和深層，同時(shí)，鹽池荒漠草原放牧強(qiáng)度較大，單位面積糞便排泄量大，從而使得表層土壤養(yǎng)分含量升高，這與石永紅等[27]關(guān)于放牧對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究結(jié)果一致，土壤TP、AP含量在不同群落中各土層無顯著變化，分布較為均勻，其與磷元素的存在狀態(tài)、其分解速率和穩(wěn)定性有關(guān)，戎郁萍等[28]的研究結(jié)果與此相似，因此，隨土層深度的增加養(yǎng)分含量逐漸減少。

3.2 不同典型群落類型活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)特征

土壤活性有機(jī)碳是土壤碳庫(kù)中比例小、移動(dòng)快、易分解、易氧化、能直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的組分，其可敏感地反映土壤有機(jī)碳的微小變化[29]。結(jié)合表2、圖1分析可知，4種植被群落土壤CA含量與土壤養(yǎng)分及Cr分布規(guī)律相似，均呈根際土大于非根際土，隨土層的加深而減少，原因在于表層土壤容重較小、通氣性好，水分、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量高，為根際土微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了舒適的環(huán)境和豐富的能源物質(zhì)，誘導(dǎo)微生物的生長(zhǎng)發(fā)育，加速了外界有機(jī)質(zhì)向土壤中的輸入和土壤中有機(jī)碳的分解速率，這與吳建國(guó)等[30]在寧夏六盤山林區(qū)發(fā)現(xiàn)土壤活性有機(jī)質(zhì)隨土壤深度而遞減的剖面分布趨勢(shì)相似。宇萬(wàn)太等[31]、徐明崗等[17]研究指出，相對(duì)于土壤總有機(jī)質(zhì)，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)更能全面地評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量變化的指標(biāo)，CPMI值越大表明土壤的維持狀況越好，土壤質(zhì)量相對(duì)越高[32]。本研究中，荒漠草原植被根際土CPMI較非根際明顯增高，說明植被生長(zhǎng)顯著改善了土壤質(zhì)量、增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分的循環(huán)和碳匯功能，同時(shí)，植被類型間CPMI形成較大差異，沙蒿根際土壤CPMI增長(zhǎng)較為緩慢，非根際土壤CPMI大幅度降低，短花針茅根際和非根際呈相同的變化趨勢(shì)，蒙古冰草CPMI增長(zhǎng)幅度較大，但根際與非根際土之間的變化趨勢(shì)不同，檸條植被群落根際表層CPMI遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于亞表層和深層，非根際亞表層碳庫(kù)管理指數(shù)達(dá)到最大，主要原因在于檸條屬豆科錦雞兒屬，Moore等[33]指出豆科植物有利于土壤微生物的積累，間接促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存，檸條植物作為荒漠草原優(yōu)選的固沙、保水、綠化和飼料植物，放牧區(qū)的承載量相對(duì)較高，嚴(yán)重的外界干擾使得牲畜糞便和植物凋落物等外源物質(zhì)的大量輸入，明顯加速了土壤有機(jī)碳的循環(huán)速率[34]，賈舉杰等[35]在黃土高原的研究也得出相似的結(jié)論。

3.3 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與理化性質(zhì)的關(guān)系

碳庫(kù)管理指數(shù)CPMI與土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著或極顯著相關(guān)(表5)，證實(shí)了生態(tài)系統(tǒng)土壤CPMI可用來評(píng)估土壤碳庫(kù)及土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化[31]。結(jié)合表2分析， 檸條和蒙古冰草植被類型中土壤CA分布規(guī)律與土壤養(yǎng)分分布相似，即土壤CA與養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，這與He等[36]研究結(jié)果一致，土壤養(yǎng)分 N、P、K 在不同的生境中含量存在明顯差異，土壤養(yǎng)分與生物多樣性存在相應(yīng)的互補(bǔ)關(guān)系，即土壤 N、P、K 含量增高時(shí)，促進(jìn)了土壤碳庫(kù)的循環(huán)和周轉(zhuǎn)速率，土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力顯著升高；土壤含水量和酸堿度與土壤Cr、CA、CPI和CPMI均負(fù)相關(guān)，且酸堿度與Cr、CA、CPI和CPMI呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤含水量的差異導(dǎo)致土壤干濕交替過程和土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)速度的不同，水分含量升高加劇土壤有機(jī)碳礦化[37]，與風(fēng)干土壤相比，其有機(jī)碳礦化量提高 5 倍[38]，李銀坤等[39]在華北平原研究指出，田間持水量在25%～100%范圍內(nèi)，隨著土壤含水量的升高，有機(jī)碳礦化速率呈增加趨勢(shì)，增幅逐漸降低，田間持水量為75%時(shí)有機(jī)碳凈礦化率達(dá)到最高，原因在于土壤中存在大量的易分解糖類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)，水分含量升高，微生物酶活性強(qiáng)提高了有機(jī)碳礦化速率[40]影響土壤碳庫(kù)循環(huán)及土壤質(zhì)量；土壤有機(jī)質(zhì)含量及碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化與pH存在顯著負(fù)相關(guān)，在不同植被類型間有明顯差異，戴萬(wàn)宏等[41]的研究得出，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨pH升高呈降低趨勢(shì)，二者之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Curtin等[42]發(fā)現(xiàn)土壤pH值升高,可溶性有機(jī)碳含量增加,促進(jìn)礦化有機(jī)碳氮積累。Moody等[43]研究了森林CA與土壤因子的關(guān)系,結(jié)果顯示土壤CA含量與pH值之間呈線性負(fù)相關(guān)。由此說明，土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)和累積是在各種自然因素(如植被和氣候等)和人為因素(耕作管理和土地利用等)的影響、土壤微生物參與下，共同達(dá)到一種土壤-植物-氣候生態(tài)平衡的過程，土壤酸堿度在此過程中起到重要的作用。

4 結(jié)論

荒漠草原4種典型植被類型土壤養(yǎng)分含量隨土壤深度增加呈降低趨勢(shì)，根際土大于非根際，表現(xiàn)出了荒漠草原特殊的“肥島”聚集效應(yīng)，在不同的植被類型間，養(yǎng)分分布差異顯著。

4種典型植被類型土壤Cr和CA含量在土壤垂直剖面中的分布相似，具有一定的“聚表效應(yīng)”，根際土CPMI均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)顯著改善了土壤有機(jī)質(zhì)狀況和土壤碳庫(kù)質(zhì)量，明顯增強(qiáng)荒漠草原土壤碳匯功能。

荒漠草原土壤CPMI 與土壤養(yǎng)分供應(yīng)含量呈顯著相關(guān)，土壤 N、P、K 含量增高時(shí)，促進(jìn)了土壤碳庫(kù)循環(huán)和周轉(zhuǎn)速率，顯著提高土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力，土壤含水量和酸堿度與Cr、CA、CPI和CPMI均呈負(fù)相關(guān)，土壤CPMI與酸堿度相關(guān)性顯著，能夠作為反映評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤管理措施指標(biāo)。

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Soil nutrients and carbon management indexes in the rhizosphere versus non-rhizosphere area of different plant species in desert grassland

ZHANG Yi-Fan1, CHEN Lin1, LI Xue-Bin2*, LI Yue-Fei1, YANG Xin-Guo1

1.KeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorth-WesternChinaofMinistryofEducation,BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationofNorth-WesternChina,UnionResearchCenterforEcologicalandExploitationofBiologicalResourcesinWesternChina,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.ScienceandTechnologyDepartmentofNingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

The main plant species used in the Ningxia Desert Grassland Vegetation Restoration Project areCaraganakorshinskii,Artemisiaordosica,Stipabreviflora, andAgropyronmongolicum. The aim of this study was to explore the effects of different types of vegetation restoration on soil nutrients and carbon pool management index (CPMI) characteristics. We collected rhizosphere and non-rhizosphere soil from the surface (0-5 cm), subsurface (5-10 cm), and deep (10-15 cm) soil layers, and determined soil total carbon (Cr), active organic carbon (CA), carbon pool index (CPI) and CPMI. For all four plant species, soil nutrients decreased with increasing soil depth, and these decreases were greater in the rhizosphere soil than in the non-rhizosphere soil. The content of available potassium (AK) in the rhizosphere and non-rhizosphere of theC.korshinskiicommunity was 130.81 and 111.96 mg/kg, respectively. The soil AK content showed a “fat island” aggregation effect on the desert steppe, and showed significant differences among the different communities (P<0.05). 2) The total organic carbon content in soil ranged from 2.09 to 17.11 g/kg, and was higher in the rhizosphere soil than in the non-rhizosphere soil. The vertical distributions of Crand CAin the soil profile were similar, and showed a “poly table” effect. The carbon pool activity in the surface layer of theC.korshinskiiandA.mongolicumcommunity was 38.41% and 29.54% higher, respectively, than that in the deep layer. The four vegetation types could be ranked, from highest carbon pool activity to lowest, as follows:A.mongolicum>A.ordosica>C.korshinskii>S.breviflora. Vegetation restoration significantly improved the distribution of soil organic matter and the quality of the soil carbon pool, and increased the soil carbon sink function of the desert grassland. 3) The soil CPMI was significantly correlated with soil nutrient content in the desert grassland, and pH was negatively correlated with Cr, CA, CPI, and CPMI (correlation coefficients of -0.661, -0.437, -0.661, and -0.410, respectively). The soil CPMI was significantly or extremely significantly positively correlated with other soil nutrients (P<0.05;P<0.01). Higher soil N, P, and K contents promoted the soil carbon pool turnover rate, and significantly improved soil quality and productivity. These results show that CPMI serves as an effective index when evaluating soil quality and soil management practices.

desert grassland; rhizosphere and non-rhizosphere soil; soil nutrients; carbon pool management index

10.11686/cyxb2017077

http://cyxb.lzu.edu.cn

2017-03-02；改回日期：2017-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41641004，31460123)和研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(GIP2017004)資助。

張義凡(1991-)，女，甘肅慶陽(yáng)人，在讀碩士。E-mail:18209674643@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail:lixuebin@nxu.edu.cn

張義凡, 陳林, 李學(xué)斌, 李月飛, 楊新國(guó). 不同荒漠草原植被根際與非根際土壤養(yǎng)分及碳庫(kù)管理指數(shù)特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(8): 24-34.

ZHANG Yi-Fan, CHEN Lin, LI Xue-Bin, LI Yue-Fei, YANG Xin-Guo. Soil nutrients and carbon management indexes in the rhizosphere versus non-rhizosphere area of different plant species in desert grassland. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 24-34.